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8/18/2019 Memoria de título- Nicolas Grandon- ing. Civil- UdeC.
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UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN Profesores PatrocinantesFacultad de Ingeniería Ing. Mario Valenzuela O.Departamento de Ingeniería Civil Ing. Luis Mendieta H.
AISLACIÓN SÍSMICA DEL EDIFICIO DE LABORATORIOS DE LA FACULTAD DECIENCIAS QUÍMICAS, UDEC
Nicolás Wladimir Grandón Morales
Informe de Memoria de TítuloPara Optar al Título de
Ingeniero Civil
Enero, 2013
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RESUMEN
El sismo del 27 de febrero del año 2010 provocó daños de consideración en diversas estructuras
de la Universidad de Concepción, siendo uno de los más impactantes el sufrido por el Edificio de
Laboratorios de la Facultad de Ciencias Químicas, que producto del sismo, fue víctima de unincendio debido a la cantidad de elementos inflamables que se encontraban en su interior. A raíz
de esto la estructura fue demolida dando inicio a un proyecto de reconstrucción, el cual, para
evitar un suceso como el ocurrido, incorporó un sistema de aislación sísmica que proteja tanto a
la estructura como a sus contenidos. Es así como el Edificio de la Facultad de Ciencias Químicas
se transforma en el primer edificio en la región que utiliza esta tecnología.
En este informe se presentan las verificaciones realizadas al sistema de aislación del edificio en
cuestión, además de diferentes análisis realizados a la estructura en general. Se establece también
un manual de montaje de aisladores sísmicos a partir de una permanencia en la obra del edificio.
De esta forma, se verificó el diseño del sistema de aislación realizado por la empresa SIRVE.
Para esto se realizó un proceso iterativo con las propiedades lineales equivalentes de los
aisladores y se comprobó que la deformación de diseño de los dispositivos genera el período de
vibrar objetivo de la estructura.
Además, mediante diferentes análisis tiempo-historia, se comprobó que la deformación en los
aisladores y el corte basal generado mantienen los valores de diseño. Por otra parte, el diseño de
cada aislador fue verificado por medio de adecuados factores de seguridad, obtenidos de las
solicitaciones que producen las combinaciones de carga establecidas en la NCh 2745 Of. 2003.
La estructura fue solicitada mediante varios registros de aceleraciones, siendo el más crítico el
Norte-Sur de Concepción. Dicho registro produce drifts entre piso máximos del orden del 2,5 ‰,lo que indica que para demandas similares a las utilizadas en esta verificación no se generarán
daños importantes en la estructura. Se comprobó también que las máximas aceleraciones que
ingresan a la superestructura son reducidas por los aisladores, y que las frecuencias dominantes
en el edificio varían según el nivel de demanda sobre el sistema de aislación.
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a mi familia, especialmente a mis padres Jorge y Elo, por la alegría y la
motivación que siempre me transmiten para luchar y conseguir las cosas que me propongo.
Agradecer también a mis hermanos Alfredo y Pamela, ya que hemos crecido y aprendido juntos,y sin su compañía todo sería más frío.
También quiero agradecer a mis profesores Peter Dechent, Mario Valenzuela y Luis Mendieta,
por su disposición y apoyo durante todo este proceso, atendiendo mis dudas y aconsejándome en
los temas que era necesario.
Como no agradecer a mis compañeros, quienes han sido protagonistas en mi paso por la
Universidad, gracias por los variados momentos vividos sin los cuales esta etapa no hubiese sido
la misma.
Deseo agradecer también a las personas con las que compartí horas de trabajo durante el
desarrollo de esta Memoria de Título, especialmente a Omar Neira, Carlos Padilla y José Luis
Domínguez, ya que en diferentes etapas hicieron que este proceso sea algo mucho más ameno.
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Índice i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1
1.1 Motivación ....................................................................................................................... 1
1.2 Objetivos .......................................................................................................................... 1
1.2.1
Objetivo general .......................................................................................................... 1
1.2.2 Objetivos específicos ................................................................................................... 2
1.3 Metodología de trabajo .................................................................................................... 2
1.4 Principales resultados ...................................................................................................... 3
1.5
Organización de la memoria ............................................................................................ 4
CAPÍTULO 2 PRINCIPIOS TEÓRICOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA......................... 5
2.1
Introducción ..................................................................................................................... 5
2.2
Fundamentos teóricos de la aislación sísmica ................................................................. 5
2.3 Tipos de aislación basal ................................................................................................... 6
2.3.1 Aisladores elastoméricos convencionales ................................................................... 7
2.3.2
Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo ........................................................... 7
2.3.3
Deslizadores friccionales ............................................................................................. 8
2.4
Conclusiones .................................................................................................................... 9
CAPÍTULO 3 NORMA CHILENA DE AISLACIÓN SÍSMICA ........................................ 10
3.1
Introducción ................................................................................................................... 10
3.2
Generalidades de la NCh 2745 Of. 2003 ....................................................................... 10
3.3 Procedimientos de análisis ............................................................................................ 11
3.3.1 Análisis estático ......................................................................................................... 12
3.3.2
Análisis dinámico ...................................................................................................... 12
3.4 Conclusiones .................................................................................................................. 14
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Índice ii
CAPÍTULO 4 INFORMACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO ................................. 15
4.1
Introducción ................................................................................................................... 15
4.2
Información general ....................................................................................................... 15
4.3
Geometría de la estructura ............................................................................................. 15
4.4 Conclusiones .................................................................................................................. 18
CAPÍTULO 5
SISTEMA DE AISLACIÓN SÍMICA DEL EDIFICIO .............................. 19
5.1 Introducción ................................................................................................................... 19
5.2 Supuestos y consideraciones utilizadas en el diseño del sistema de aislación .............. 19
5.3
Descripción del sistema de aislación sísmica ................................................................ 20
5.4
Parámetros de diseño de la estructura............................................................................ 21
5.4.1 Desplazamientos del sistema de aislación ................................................................. 21
5.4.2 Esfuerzo de corte de diseño de la subestructura y la superestructura ........................ 22
5.5
Conclusiones .................................................................................................................. 22
CAPÍTULO 6 VERIFICACIONES DEL SISTEMA DE AISLACIÓN SÍSMICA ........... 23
6.1
Introducción ................................................................................................................... 23
6.2
Modelo lineal equivalente del sistema de aislación...................................................... 23
6.3
Análisis tiempo-historia considerando las propiedades no lineales de los aisladores ... 29
6.3.1 Constitutivas fuerza-deformación de los aisladores utilizados ................................. 30
6.3.2 Modelo simplificado y modelo completo de la estructura en SAP 2000 .................. 32
6.3.3
Modelo simplificado y completo de la estructura en Matlab .................................... 33
6.3.4
Resultados utilizando modelo simplificado de la estructura ..................................... 36
6.3.5 Comprobación de resultados comparando con modelo de estructura completa ........ 39
6.3.6 Análisis de la estructura mediante modelación completa del edificio....................... 39
6.3.7 Comparación de gráficas entregadas por Matlab y SAP2000 ................................... 42
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Índice iii
6.4 Verificaciones del diseño de los aisladores ................................................................... 42
6.4.1
Combinaciones de carga para verificar el sistema de aislación................................. 43
6.4.2
Verificaciones a aisladores elastoméricos ................................................................. 43
6.4.3
Verificaciones a deslizadores .................................................................................... 45
6.4.4 Verificaciones a adicionales ...................................................................................... 46
6.5 Conclusiones .................................................................................................................. 48
CAPÍTULO 7 ETAPA CONSTRUCTIVA DEL SISTEMA DE AISLACIÓN ................ 49
7.1 Introducción ................................................................................................................... 49
7.2
Sistema de anclaje de los aisladores a la estructura....................................................... 49
7.3
Almacenamiento e inspección visual de los elementos del sistema de aislación .......... 50
7.4 Labores del montaje de los aisladores ........................................................................... 51
7.4.1 Posicionamiento del sistema de anclaje en el pedestal inferior ................................. 51
7.4.2
Preparación de la superficie del dado para montar el aislador .................................. 53
7.4.3
Posicionamiento del aislador en pedestal inferior e instalación de anclaje superior . 54
7.4.4 Instalación de armadura y hormigonado del pedestal superior ................................. 55
7.4.5 Disposición final de aisladores .................................................................................. 56
7.5 Conclusiones .................................................................................................................. 56
CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES ........................................................................................... 57
8.1 Conclusiones .................................................................................................................. 57
8.2
Líneas futuras de investigación ..................................................................................... 58
REFERENCIAS .......................................................................................................................... 59
ANEXO 4.1
DETALLE DE LA GEOMETRÍA DEL EDIFICIO .................................... 61
ANEXO 5.1 PROYECTO DE INSTRUMENTACIÓN SÍSMICA .................................. 64
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Índice iv
ANEXO 5.2 REDISEÑO DEL SISTEMA DE AISLACIÓN ............................................ 71
ANEXO 6.1
MODELACIÓN DE CURVAS DE HISTÉRESIS ....................................... 79
ANEXO 6.2 ESPECTROS DE FOURIER DE LOS REGISTROS UTILIZADOS ....... 82
ANEXO 6.3 MODELACIÓN ESTRUCTURAL EN MATLAB ...................................... 84
ANEXO 6.4 FUNCIONES DE TRANSFERENCIA DE LA ESTRUCTURA ................ 87
ANEXO 6.5
GRÁFICAS COMPARATIVAS ENTRE SAP2000 Y MATLAB .............. 97
ANEXO 6.6 PROCEDIMIENTOS DE VERIFICACIÓN DE AISLADORES ............ 107
ANEXO 7.1 IMÁGENES DEL MONTAJE DE AISLADORES .................................... 120
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Índice v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Modo fundamental de un edificio aislado (INN, 2003) ................................................. 5
Figura 2.2 Aisladores elastoméricos (Arriagada, 2005) .................................................................. 8
Figura 2.3 Deslizadores friccionales (Arriagada, 2005) .................................................................. 8
Figura 3.1 Espectro de diseño de pseudo-aceleración (INN, 2003) .............................................. 13
Figura 4.1 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 1 ........................................................ 16
Figura 4.2 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 2 ........................................................ 16
Figura 4.3 Detalle de la elevación del eje A .................................................................................. 17
Figura 4.4 Elevación transversal tipo del nivel de aislación ......................................................... 17
Figura 4.5 Detalle de la planta de las fundaciones ........................................................................ 18
Figura 5.1 Aisladores del edificio (UdeC, 2012e) ......................................................................... 20
Figura 5.2 Disposición en planta del sistema de aislación sísmica ............................................... 21
Figura 6.1 Verificación del diseño de SIRVE según propiedades lineales equivalentes .............. 24
Figura 6.2 Espectro de aceleraciones utilizado en el diseño de la estructura ................................ 28
Figura 6.3 Histéresis de aisladores elastoméricos ......................................................................... 30
Figura 6.4 Histéresis de deslizadores ............................................................................................ 31
Figura 6.5 Curvas carga-desplazamiento total del sistema de aislación........................................ 32
Figura 6.6 Modelos utilizados en SAP2000 para realizar los análisis tiempo-historia ................. 33
Figura 6.7 Modelos utilizados en Matlab para realizar los análisis tiempo-historia ..................... 34
Figura 6.8 Curvas fuerza-deformación que representan distribución de rigideces ....................... 36
Figura 6.9 Estructura simplificada con C.M desplazado para generar torsión .............................. 38
Figura 6.10 Desplazamiento máximos por nivel debido al registro Concepción Norte-Sur ......... 40
Figura 6.11 Comparación de aceleraciones ................................................................................... 41
Figura 7.1 Esquema que muestra la fijación de aisladores y deslizadores a la estructura............. 49
Figura 7.2 Sistema de anclaje del aislador al pedestal inferior ..................................................... 50
Figura 7.3 Aisladores del edificio de Ciencias Químicas, UdeC .................................................. 50
Figura 7.4 Elementos de anclaje .................................................................................................... 50
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Índice vi
Figura 7.5 Enfierradura del pedestal inferior................................................................................. 52
Figura 7.6 Materialización del sistema de anclaje en pedestal inferior ......................................... 52
Figura 7.7 Perforaciones para ubicar mangos en plantilla............................................................. 52
Figura 7.8 Preparación de superficie del pedestal inferior y traslado del aislador ........................ 53
Figura 7.9 Materialización de anclaje en pedestal superior .......................................................... 54
Figura 7.10 Inicio de enfierrado del pedestal superior .................................................................. 55
Figura 7.11 Termino de enfierrado y hormigonado del pedestal superior .................................... 55
Figura 7.12 Vista final aisladores .................................................................................................. 56
Figura A.4.1 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 1 .................................................... 61
Figura A.4.2 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 2 .................................................... 61
Figura A.4.3 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 3 .................................................... 61
Figura A.4.4 Detalle de la planta del cielo del piso 3 .................................................................... 62
Figura A.4.5 Detalle de elevación del eje A .................................................................................. 62
Figura A.4.6 Detalle de elevación de los ejes B y C ..................................................................... 62
Figura A.4.7 Detalle de elevación del eje D .................................................................................. 63
Figura A.4.8 Detalle de elevación de ejes transversales................................................................ 63
Figura A.5.1 Ubicación en planta recomendada de los acelerografos........................................... 67
Figura A.5.2 Sistema de cámaras para grabar deformación de aisladores .................................... 68
Figura A.5.3 Modelo de regla ........................................................................................................ 69
Figura A.5.4 Modelo de Puntero ................................................................................................... 70
Figura A.5.5 Disposición de aisladores definitiva ......................................................................... 72
Figura A.5.6 Histéresis de aislador con y sin núcleo de plomo .................................................... 77
Figura A.6.1 Curva de histéresis bilineal del aislador con núcleo de plomo ................................ 79
Figura A.6.2 Curva de histéresis del deslizador friccional plano .................................................. 81
Figura A.6.3 Espectros de Fourier del sismo del Maule ............................................................... 82
Figura A.6.4 Espectros de Fourier del sismo del Valparaiso ........................................................ 82
Figura A.6.5 Espectros de Fourier del sismo de Tarapacá ............................................................ 83
Figura A.6.6 Funciones de transferencia c/r al suelo (Dirección X) ............................................. 90
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Índice vii
Figura A.6.7 Funciones de transferencia c/r al suelo (Dirección Y) ............................................. 91
Figura A.6.8 Funciones de transferencia de desplazamientos c/r al suelo (Dirección X) ............. 92
Figura A.6.9 Funciones de transferencia de desplazamientos c/r al suelo (Dirección Y) ............. 93
Figura A.6.10 Funciones de transferencia de aceleraciones c/r a nivel de aisladores (X) ........... 94
Figura A.6.11 Funciones de transferencia de aceleraciones c/r a nivel de aisladores (Y) ........... 94
Figura A.6.12 Funciones de transferencia de desplazamientos c/r a nivel de aisladores (X) ...... 95
Figura A.6.13 Funciones de transferencia de desplazamientos c/r a nivel de aisladores (Y) ...... 96
Figura A.6.14 Deformación del sistema de aislación debido al registro de Concepción. ............. 97
Figura A.6.15 Deformación del sistema de aislación debido al registro de San Pedro ................. 97
Figura A.6.16 Deformación del sistema de aislación debido al registro de Cuya ......................... 98
Figura A.6.17 Deformación del sistema de aislación debido al registro de Iquique ..................... 98
Figura A.6.18 Deformación del sistema de aislación debido al registro de San Isidro ................. 98
Figura A.6.19 Deformación del sistema de aislación debido al registro de Melipilla .................. 99
Figura A.6.20 Corte basal debido a la componente N-S del registro de Concepción ................... 99
Figura A.6.21 Corte basal debido a la componente E-O del registro de Concepción ................. 100
Figura A.6.22 Corte basal debido a la componente N-S del registro de San Pedro .................... 100
Figura A.6.23 Corte basal debido a la componente E-O del registro de San Pedro .................... 100
Figura A.6.24 Corte basal debido a la componente N-S del registro de Cuya ............................ 101
Figura A.6.25 Corte basal debido a la componente E-O del registro de Cuya ............................ 101
Figura A.6.26 Corte basal debido a la componente N-S del registro de Iquique ........................ 101
Figura A.6.27 Corte basal debido a la componente E-O del registro de Iquique ........................ 102
Figura A.6.28 Corte basal debido a la componente N-S del registro de San Isidro .................... 102
Figura A.6.29 Corte basal debido a la componente E-O del registro de San Isidro .................... 102
Figura A.6.30 Corte basal debido a la componente N-S del registro de Melipilla ...................... 103
Figura A.6.31 Corte basal debido a la componente E-O del registro de Melipilla ..................... 103
Figura A.6.32 Desplazamiento del suelo del registro N-S de Concepción ................................. 104
Figura A.6.33 Desplazamiento de losa del piso 1 debido al registro Concepción N-S ............... 105
Figura A.6.34 Desplazamiento de losa del piso 2 debido al registro Concepción N-S ............... 105
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Índice viii
Figura A.6.35 Desplazamiento de losa del piso 3 debido al registro Concepción N-S ............... 105
Figura A.6.36 Desplazamiento del cielo del piso 3 debido al registro Concepción N-S ............ 106
Figura A.6.37 Corte basal elástico debido al registro Concepción N-S ...................................... 106
Figura A.6.38 Variables geométricas del aislador elastomérico ................................................. 107
Figura A.6.39 Cargas y deformación angular sobre aislador elastomérico ................................. 109
Figura A.6.40 Área efectiva del aislador que es comprimida cuando existe pandeo .................. 110
Figura A.6.41 Demandas máximas y capacidades de vigas en aisladores de esquina ................ 117
Figura A.6.42 Demandas máximas y capacidades de vigas en aisladores de borde ................... 117
Figura A.6.43 Demandas máximas y capacidades de vigas en aisladores de centro .................. 117
Figura A.6.44 Esfuerzos y armadura de una consola (ACI 318S-08, 2008) ............................... 118
Figura A.7.1 Enfierradura de pedestales ..................................................................................... 120
Figura A.7.2 Preparación de plantilla de anclaje ......................................................................... 120
Figura A.7.3 Perforación de plantilla para ubicar mangos .......................................................... 121
Figura A.7.4 Instalación de elementos de anclaje ....................................................................... 121
Figura A.7.5 Hormigonado de pedestal ....................................................................................... 121
Figura A.7.6 Pedestal hormigonado ............................................................................................ 122
Figura A.7.7 Preparación de superficie de pedestal .................................................................... 122
Figura A.7.8 Montaje del aislador ............................................................................................... 122
Figura A.7.9 Aisladores montados y apernado de mangos superiores ........................................ 123
Figura A.7.10 Moldajes superiores.............................................................................................. 123
Figura A.7.11 Enfierrado del pedestal ......................................................................................... 123
Figura A.7.12 Enfierrado de elementos que cruzan el pedestal y hormigonado ......................... 124
Figura A.7.13 Vista final aisladores ............................................................................................ 124
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Índice ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Definición del Espectro de pseudo-aceleración (INN, 2003) ........................................ 14
Tabla 3.2 Factores de modificación de respuesta por amortiguamiento (INN, 2003)................... 14
Tabla 5.1 Desplazamientos de diseño y máximos del sistema de aislación .................................. 21
Tabla 6.1 Rigideces efectivas del conjunto de los distintos tipos de aisladores ............................ 25
Tabla 6.2 Trabajos generados en un ciclo de carga en los distintos tipos de aisladores ............... 27
Tabla 6.3 Registros sísmicos utilizados en las verificaciones ....................................................... 29
Tabla 6.4 Parámetros que definen la curvas de histéresis de los aisladores elastoméricos ........... 30
Tabla 6.5 Parámetros que definen la curva de histéresis de los deslizadores ................................ 31
Tabla 6.6 Parámetros que definen los modelos estructurales en el código Matlab ....................... 34
Tabla 6.7 Respuestas máximas de la estructura simplificada ........................................................ 37
Tabla 6.8 Respuestas máximas de la estructura simplificada considerando torsión ..................... 38
Tabla 6.9 Comparación de respuestas entre Modelo simplificado y completo de la estructura .... 39
Tabla 6.10 Máximos desplazamientos de la estructura ................................................................. 40
Tabla 6.11 Drifts entre piso producidos por el registro Concepción Norte-Sur ............................ 40
Tabla 6.12 Aceleraciones máximas por piso ................................................................................. 41
Tabla 6.13 Parámetros que definen el comportamiento de los aisladores elastoméricos .............. 43
Tabla 6.14 Verificación de estabilidad en aisladores elastoméricos ............................................. 44
Tabla 6.15 Verificación a la deformación angular de la goma en aisladores elastoméricos ......... 44
Tabla 6.16 Verificación a la tensión en las placas de acero de los aisladores elastoméricos ........ 45
Tabla 6.17 Verificación a la carga admisible del teflón en los deslizadores ................................. 46
Tabla 6.18 Verificación al aplastamiento sobre el hormigón de los pedestales ............................ 46
Tabla A.5.1 Centro de rigidez de los niveles donde se instalarán los acelerógrafos ..................... 66
Tabla A.5.2 Desplazamientos de diseño del sistema de aislación ................................................. 72
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Índice x
Tabla A.5.3 Cortes basales reducidos ............................................................................................ 73
Tabla A.5.4 Respuestas máximas de la estructura......................................................................... 74
Tabla A.5.5 Comparación de diseño original y definitivo ............................................................ 75
Tabla A.5.6 Comparación del Drift entre piso entre el diseño original y definitivo ..................... 75
Tabla A.5.7 Fuerza de activación de núcleos de plomos de aisladores ensayados ....................... 77
Tabla A.6.1 Periodos aislados y fijos de la estructura ................................................................... 88
Tabla A.6.2 Verificación de armadura en vigas como consola ................................................... 119
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Capítulo 1: Introducción 1
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 Motivación
El 27 de febrero del año 2010, un sismo de 8,8 Mw afectó a la zona central del país, ocasionando
grandes pérdidas a la Universidad de Concepción. Una de las más impactantes fue la sufrida por
el Edificio de Laboratorios de la Facultad de Ciencias Químicas, que producto del sismo, fue
víctima de un incendio debido a la cantidad de elementos inflamables que se encontraban en su
interior. A raíz de esto se demolió la estructura y se inició el proyecto de reconstrucción, el cual,
para evitar un suceso como el ocurrido, incorporó un sistema de aislación sísmica a modo de
proteger tanto a la estructura como a sus contenidos. De esta manera el edificio en cuestión se
transforma en el primero en la región que utiliza esta tecnología, hito de gran importancia en eldesarrollo de la construcción sismorresistente en un país sísmico como Chile.
A partir de lo señalado y producto de la poca experiencia que se tiene en Chile en el uso de esta
tecnología, se realiza un estudio del sistema de aislación del edificio que incorpora verificaciones
y análisis, además de una permanencia en la obra de construcción de la estructura, con el fin de
participar en el proceso de inspección técnica del montaje de aisladores sísmicos.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Realizar un estudio del sistema de aislación sísmica del Edificio de la Facultad de Ciencias
Químicas de la Universidad de Concepción, que involucre la verificación del diseño realizado por
la empresa SIRVE, análisis del comportamiento estructural y una estadía en obra para establecer
un procedimiento de montaje de aisladores sísmicos.
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Capítulo 1: Introducción 2
1.2.2 Objetivos específicos
• Definir los conceptos teóricos de la aislación sísmica.
•
Realizar una descripción completa del sistema de aislación del edificio en estudio.
• Verificar el comportamiento global del sistema de aislación mediante un modelo lineal
equivalente y una verificación más exacta mediante un modelo no lineal de los aisladores.
• Verificar el diseño de los aisladores mediante sus estados de carga más críticos comprobando
factores de seguridad adecuados.
• Establecer una metodología de montaje de aisladores sísmicos.
• Realizar un proyecto de instrumentación sísmica para el edificio.
1.3 Metodología de trabajo
Se recopiló toda la información correspondiente al proyecto del Edificio de la Facultad deCiencias Químicas: Planos y modelo estructural del edificio junto con la memoria de cálculo
realizada por Tensar Ingenieros; Estudio de mecánica de suelos realizado por Mario Valenzuela y
Asociados (UdeC, 2011); y Planos de los aisladores sísmicos, además de diferentes documentos
relacionados con el sistema de aislación, entregados por la empresa SIRVE. Con esta información
se hizo un estudio del proyecto para posteriormente enfocarse directamente en el sistema de
aislación, verificar su diseño y desarrollar una serie de análisis del comportamiento aislado de la
estructura.
Con la información mencionada anteriormente y mediante un método iterativo que consideró las
propiedades lineales equivalente de los aisladores, se verificó si para el desplazamiento de diseño
de los dispositivos se genera el período de vibrar del edificio, ya que como se verá más adelante
las frecuencias dominantes de una estructura aislada no son fijas.
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Capítulo 1: Introducción 3
Posteriormente, mediante el software SAP2000 v15.0.1 (CSI, 2011a) y comprobando con un
código propio en el software Matlab v7.9.0529 (MathWorks, 2009), se modeló el edificio
incorporando las curvas fuerza-deformación de los aisladores. A través de diferentes análisis
tiempo-historia se verificó el comportamiento aislado de la estructura y se realizaron una serie de
análisis.
Luego, considerando las combinaciones que establece la Norma Chilena de Aislación Sísmica,
NCh 2745 Of. 2003 (INN, 2003), se verificó el diseño de los aisladores según los factores de
seguridad con los que trabajan los dispositivos.
Paralelo a lo anterior, mediante una estadía en obra, se participó en la inspección técnica del
montaje de los aisladores sísmicos, a partir de lo cual se establecieron todas las etapas deinstalación de los dispositivos a modo de generar un procedimiento de montaje de los elementos
en cuestión. Adicionalmente, se realizó un proyecto de instrumentación sísmica, el cual permitiría
tener un registro completo del desempeño del sistema de aislación frente a terremotos severos.
1.4 Principales resultados
Se verificó el sistema de aislación diseñado por la empresa SIRVE comprobado que para la
deformación de diseño de los aisladores, correspondiente a 41 cm, el período de vibrar es de 3,2
segundos, igual al período objetivo de la estructura. Además, mediante diversos análisis tiempo-
historia se verificó que el desplazamiento de los aisladores y el esfuerzo de corte producidos por
diferentes registros son menores a los valores de diseño, demostrando que ante posibles
demandas sísmicas extremas la estructura no debería verse sobre-exigida. El correcto diseño de
los aisladores quedó comprobado ya que se obtuvieron factores de seguridad superiores a los
recomendados ante las solicitaciones de carga que establece la NCh 2745 Of. 2003.
A partir de los análisis se comprobó el comportamiento de la estructura aislada, ya que las
deformaciones se concentran en el sistema de aislación y los drifts entre piso máximos, para el
nivel de demanda utilizado, son del orden del 2,5 ‰, valor que no implica mayor daño en la
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Capítulo 1: Introducción 4
estructura. También quedó en evidencia la disminución que generan los aisladores en las
aceleraciones que se producen en el edificio, esto siempre y cuando exista un nivel de demanda
que otorgue un comportamiento flexible en los dispositivos. Se obtuvieron además las funciones
de transferencia de desplazamientos y aceleraciones, a través de éstas se comprobó la variación
en las frecuencias dominantes de la estructura según el nivel de demanda sobre los aisladores.
Además, como resultado de esta Memoria de Título, se estableció un manual de montaje de
aisladores sísmicos, en el que se señalan paso a paso los procedimientos a seguir para instalar los
dispositivos, indicando precauciones y recomendaciones según la dificultad en obra.
Adicionalmente, se confeccionó un proyecto de instrumentación sísmica que consta de 2
acelerógrafos y un sistema de cámaras. De esta forma se tendría un registro completo deldesempeño del sistema de aislación frente a los sismos que afecten a la estructura.
1.5 Organización de la memoria
Esta memoria se estructura en 8 capítulos. En el Capítulo 2 se presentan los conceptos teóricos de
la aislación sísmica, indicando las principales características de un edificio aislado y destacando
los tipos de aisladores sísmicos más utilizados en la actualidad. Luego, en el Capítulo 3, se hace
referencia a la NCh 2745 Of. 2003, destacando sus puntos más importantes y comparando su
filosofía de diseño con la de estructuras convencionales. En el Capítulo 4 se describen las
características del edificio, indicando su geometría y las propiedades de los materiales con que
fue construido. En el Capítulo 5 se presenta el sistema de aislación, se expone su configuración y
los elementos que lo componen, además se indican los desplazamientos y esfuerzos de diseño.
Posteriormente, en el Capítulo 6, se dan a conocer todas las verificaciones y análisis realizados al
sistema de aislación, para continuar con el Capítulo 7, donde se presenta el procedimiento de
montaje de aisladores sísmicos según lo presenciado en obra. Finalmente, en el Capítulo 8 se
exponen las conclusiones de este trabajo.
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Capítulo 2: Principios Teóricos de la Aislación Sísmica 5
CAPÍTULO 2 PRINCIPIOS TEÓRICOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA
2.1 Introducción
En este capítulo se entregan los conocimientos teóricos en los que se basan los análisis y
procedimientos desarrollados en esta memoria. Se explica el comportamiento dinámico de una
estructura al contar con un sistema de aislación sísmica y se dan a conocer los requerimientos que
éste debe tener para su correcto funcionamiento. Adicionalmente, se exponen los elementos de
aislación más utilizados y difundidos en la actualidad mediante la descripción de sus
características y funcionamiento.
2.2 Fundamentos teóricos de la aislación sísmica
La aislación basal es una forma de diseño en la que se incorporan elementos de baja rigidez
horizontal entre la estructura y su fundación, o a nivel del cielo subterráneo. En una estructura
con aislación sísmica el primer modo de vibrar concentra las deformaciones en la interface de
aislación permitiendo que la superestructura se comporte como un bloque rígido, tal como se
ilustra en la Figura 2.1.
Figura 2.1 Modo fundamental de un edificio aislado (INN, 2003)
Esta forma de diseño busca reducir las aceleraciones que experimenta una estructura producto de
una excitación en su base. Tal efecto se debe al aumento que se produce en el período
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Capítulo 2: Principios Teóricos de la Aislación Sísmica 6
fundamental de la estructura, generando un desacoplamiento con el movimiento del suelo ya que
el período fundamental se aleja de los períodos predominantes de los sismos.
Bajo un buen diseño la minimización en la respuesta de la estructura se debe al cambio en la
dinámica del edificio, pero en caso que la frecuencia de excitación se aproxime a la frecuencia
fundamental del sistema, el buen funcionamiento dependerá de la capacidad de disipar energía de
los dispositivos, haciendo necesario un nivel de amortiguamiento adecuado que reduzca los
desplazamientos del sistema de aislación. Es por lo señalado que se debe tener especial cuidado
al momento de estudiar las frecuencias predominantes de los movimientos basales causados por
el efecto de sismos de diferente origen y distancia epicentral, ya que en caso de que estas
frecuencias se aproximen a las de una estructura aislada, se debe desestimar la utilización del
aislamiento sísmico.
La mayor eficiencia de la aislación sísmica se da en estructuras bajas o rígidas. En estructuras
altas se debe tener precaución con los momentos volcantes excesivos que pueden generar cargas
verticales considerables en elementos de apoyos extremos o incluso producir tracciones en otros
dispositivos (Becerra, 1998), aunque hoy en día algunos aisladores elastoméricos pueden también
tomar tracciones importantes. Además, es necesario que el sistema de aislación tenga una rigidez
suficientemente alta frente a cargas de servicio, para impedir vibraciones molestas en los
usuarios.
2.3 Tipos de aislación basal
Existen diferentes tipos de aislación basal, cada uno con sus mecanismos de acción y
características propias, pero todos con el mismo fin que es desacoplar a la estructura del
movimiento del suelo. En este punto se presentan los elementos de apoyos que poseen el mayor
respaldo teórico y experimental, por tanto son los más utilizados y han servido como base para la
creación de otros mecanismos de aislación.
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Capítulo 2: Principios Teóricos de la Aislación Sísmica 7
2.3.1 Aisladores elastoméricos convencionales
Los apoyos elastoméricos convencionales están conformados por un conjunto de láminas de
goma intercaladas con capas de acero y unidas mediante un proceso de vulcanización. Como se
aprecia en la Figura 2.2 (a), su geometría más común corresponde a la de un cilindro, ya que de
esta manera, independiente de la dirección de demanda, los esfuerzos se reparten uniformemente
en el dispositivo, cosa que no ocurriría, por ejemplo, si el aislador fuese cuadrado.
Considerando la incompresibilidad de la goma, la rigidez vertical del aislador es proporcionada
por las láminas de acero, ya que éstas inhiben la expansión lateral del dispositivo producto de una
carga axial. De esta manera se tiene una alta rigidez en la dirección señalada. Por otro lado,
debido a la presencia de la goma, el dispositivo tiene una alta flexibilidad horizontal, que escontrolada por el espesor total de las capas de elastómero. En cuanto al nivel de amortiguamiento,
éste depende de la utilización de aditivos en la composición de la goma. A partir de esto es
posible clasificar a los aisladores elastoméricos según su capacidad de disipar energía.
Los apoyos de bajo amortiguamiento utilizan goma natural con baja capacidad de liberar energía,
generalmente se utilizan en conjunto con disipadores energéticos que otorguen un
amortiguamiento adecuado al sistema. Los aisladores de alto amortiguamiento pueden proveer
por si solos el nivel de disipación requerido, ya que sus láminas de goma, debido a la inclusión de
aditivos, cuentan con capacidades de absorción mejoradas.
2.3.2 Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo
Son similares a los aisladores convencionales, con la salvedad que se incluye un núcleo de plomo
en el centro del aislador lo que aumenta su capacidad de amortiguamiento. De esta manera se
concentra en una sola unidad el elemento flexible y el disipador de energía.
La disipación de energía ocurre mediante las deformaciones plásticas que se producen en el
plomo una vez que éste fluye al estar sometido a la acción de un sismo. Una vez que la
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Capítulo 2: Principios Teóricos de la Aislación Sísmica 8
solicitación desaparece la goma del aislador vuelve a su posición original y el núcleo de plomo
recristaliza, quedando operativo para un nuevo evento sísmico. Una imagen de este aislador se
expone en la Figura 2.2 (b).
(a) Elastomérico convencional (b) Elastomérico con núcleo de plomo
Figura 2.2 Aisladores elastoméricos (Arriagada, 2005)
2.3.3 Deslizadores friccionales
Este tipo de apoyos utilizan una superficie de acero inoxidable sobre la cual desliza una placa de
acero revestida de politetraflouroetileno (PTFE), más conocido como teflón. La activación del
sistema ocurre cuando la fuerza de corte sobre el aislador supera a la fuerza de fricción estática.
Una vez en movimiento, la disipación de energía se produce mediante las fuerzas de fricción que
se generan en la superficie de deslizamiento. Dentro de los apoyos de este tipo, destacan los
apoyos deslizantes planos, que son los más simples, y los apoyos de péndulo friccional, ambos
mostrados en la Figura 2.3.
(a) Apoyo deslizante plano (b) Apoyo péndulo friccional
Figura 2.3 Deslizadores friccionales (Arriagada, 2005)
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Capítulo 2: Principios Teóricos de la Aislación Sísmica 9
Los apoyos deslizantes planos requieren de sistemas restitutivos que luego de un sismo regresen
la estructura a su posición original. Los apoyos de péndulo friccional, debido a su superficie
esférica cóncava, cuentan con la característica y ventaja de ser autocentrantes, es decir, no
requieren de un sistema adicional que retorne a la estructura a su posición de equilibrio.
2.4 Conclusiones
Se entregaron los conceptos teóricos en los que se basa el desarrollo de esta Memoria de Título,
se describió el efecto en la dinámica de una estructura al contar con un sistema de aislación basal,
junto con los requerimientos necesarios que éste debe tener, como son una alta flexibilidad
horizontal, una capacidad de amortiguamiento adecuada y una alta rigidez horizontal ante cargasde servicio para evitar que se produzca una activación del sistema que provoque molestias en los
usuarios. Además, se dieron a conocer las características de los aisladores elastoméricos
convencionales, con núcleo de plomo y deslizadores friccionales, debido a que son los elementos
de aislación más utilizados y difundidos en la actualidad.
De lo presentado en este capítulo se desprende que la aislación basal reduce los daños en la
estructura y en sus contenidos, transformándose en una posibilidad atractiva cuando se requiere
proteger equipamiento sensible de alto costo, como es el caso de hospitales, centros operativos de
emergencia, centrales nucleares, etc.
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Capítulo 3: Norma Chilena de Aislación Sísmica 10
CAPÍTULO 3 NORMA CHILENA DE AISLACIÓN SÍSMICA
3.1 Introducción
En este capítulo se aborda la Norma Chilena de Aislación Sísmica, NCh 2745 Of. 2003, la cual
establece los requisitos para el análisis y el diseño sísmico de edificios con aislación basal.
Principalmente se describe su filosofía de diseño comparándola con la de estructuras
convencionales. Además, se presentan los procedimientos de análisis donde se exponen sus
limitaciones de uso junto con sus características importantes.
3.2 Generalidades de la NCh 2745 Of. 2003
La filosofía de diseño sismorresistente actual, frente sismos severos, busca principalmente la
preservación de la vida humana aceptando daño siempre y cuando se garantice que la estructura
no colapse. Bajo esta filosofía se busca que las fuerzas dinámicas inducidas por sismos de gran
envergadura sean controladas por la estructura mediante niveles de ductilidad que son muy
difíciles de probar y controlar, induciendo un gran riesgo ya que de esta manera se admiten
roturas parciales en la misma estructura que se debe proteger. A raíz de esta latente inseguridad
que se produce al proyectar una estructura bajo un diseño convencional aparece la aislación basal,
cuyo desempeño objetivo no sólo involucra la protección a la vida durante un sismo severo, sino
también la reducción del daño en la estructura y en sus contenidos. Es así como el diseño de
estructuras aisladas sísmicamente, que se plantea en la NCh 2745 Of. 2003, tiene los siguientes
objetivos: Resistir sismos pequeños y moderados sin daño en elementos estructurales,
componentes no estructurales y contenidos del edificio; y resistir sismos severos sin que exista
falla del sistema de aislación, daño significativo en los elementos estructurales ni daño masivo en
elementos no estructurales.
Los objetivos de desempeño señalados exceden a aquellos de estructuras convencionales en
sismos moderados y severos. Estos objetivos se logran debido a que la estructura se mantiene
esencialmente en rango elástico durante el sismo de diseño concentrando el desplazamiento
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Capítulo 3: Norma Chilena de Aislación Sísmica 11
lateral en la interfaz de aislación y no en la superestructura. Además, se reducen los niveles de
aceleración absoluta en los pisos, que es la causante del daño en los objetos libres.
Uno de los puntos más relevantes de esta nueva filosofía es la definición de dos niveles sísmicos:
Un sismo de diseño (SDI), que coincide con el usado en el diseño de estructuras convencionales y
con el cual se diseña la estructura, y un sismo máximo posible (SMP), que corresponde al
máximo nivel de movimiento del suelo que puede ocurrir en el esquema geológico conocido y
que es utilizado para determinar los desplazamientos y las fuerzas para ensayar el sistema de
aislación.
La sobrevivencia de una estructura convencional al SMP se maneja de manera implícita bajo el
nivel de ductilidad entregado. En estructuras aisladas el desempeño para tal nivel de demanda esverificado analítica y experimentalmente, demostrando que el sistema de aislación es capaz de
sostener las deformaciones y cargas que imponen dichas solicitaciones sin llegar a la falla, lo cual
sería perjudicial ya que se comprometería la estabilidad de la estructura completa.
Otro punto de importancia que caracteriza a esta norma es que el factor de reducción de
respuesta, R, utilizado para estructuras con aislación sísmica no supera el valor 2, a modo de
asegurar que la superestructura permanezca cuasi elástica durante el sismo de diseño. En el caso
de la subestructura o elementos que están en el nivel o bajo los aisladores, el factor R tiene un
valor igual a 1, debido a lo importante que es garantizar la estabilidad de la subestructura para un
desempeño adecuado del sistema de aislación.
3.3 Procedimientos de análisis
El diseño de estructuras aisladas que plantea la NCh 2745 Of. 2003 se puede realizar,
dependiendo de las condiciones de la estructura, bajo un procedimiento de análisis estático o
mediante análisis dinámico, el que a su vez puede ser desarrollado a través de un análisis
espectral o un análisis no lineal de respuesta en el tiempo.
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Capítulo 3: Norma Chilena de Aislación Sísmica 12
3.3.1 Análisis estático
Para desarrollar el diseño estructural bajo análisis estático se deben cumplir una cantidad
importante de requisitos. Su uso es recomendable sólo para un diseño preliminar o como un
mecanismo de verificación simple de modelos más sofisticados. En este procedimiento se utilizan
las propiedades lineales de los aisladores.
Dentro de las limitaciones en su utilización se destaca que la estructura debe estar ubicada en tipo
de suelo I o II, con un período menor o igual a 3,0 s y mayor que tres veces el período de base fija
de la superestructura. Además, esta última debe ser regular, con menos de cinco pisos y una
altura menor que 20 m. El sistema de aislación también debe cumplir con ciertas condiciones,
entre las más relevantes está que su constitutiva fuerza deformación no debe presentar grandegradación de rigidez y tiene que ser independiente tanto de las cargas verticales como de la
velocidad de carga.
Este procedimiento establece valores mínimos de desplazamientos del sistema de aislación y de
las fuerzas laterales de diseño de la subestructura y superestructura.
3.3.2 Análisis dinámico
Los procedimientos de análisis dinámico, como se mencionó, se pueden desarrollar mediante un
análisis espectral y a través de un análisis no lineal de respuesta en el tiempo. Para estos
procedimientos la norma establece un requisito mínimo de demanda de deformación y fuerza que
son un porcentaje de la demanda indicada por análisis estático, otorgando una seguridad mínima
que protege contra un diseño excesivamente no conservador.
El análisis espectral tiene menos limitaciones de uso que el análisis estático. Su utilización es
recomendada cuando existen superestructuras flexibles e irregulares. Los requerimientos de los
aisladores son los mismos que los señalados para el análisis estático y de igual manera se utilizan
las propiedades lineales equivalentes de los dispositivos. En caso de que la estructura esté
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Capítulo 3: Norma Chilena de Aislación Sísmica 13
ubicada en un tipo de suelo IV, a menos de 10 km de una falla activa, o tenga un período aislado
mayor a 3 s, se debe contar con un espectro de movimiento específico del lugar. Las estructuras
que no requieran de un espectro especifico, se deben diseñar usando el espectro presentado en la
Figura 3.1, conjuntamente con los valores de la Tabla 3.1 y escalado según la zona donde se
emplace la estructura. Para el sismo máximo posible el espectro de la Figura 3.1 debe ser
amplificado por 1,2. Para reflejar que la razón de amortiguamiento en los modos fundamentales
de la estructura aislada (aquellos que dependen del sistema de aislación) es mayor que en los
modos que involucran la deformación de la superestructura, en las frecuencias asociadas a los
aisladores el espectro debe dividirse por el factor BD indicado en la Tabla 3.2 y señalado en la
Tabla C.2 de la NCh 2745.
Por otro lado, en el análisis de respuesta en el tiempo se incluyen las propiedades no lineales delos aisladores pudiendo incluir o no la no linealidad de la superestructura, dependiendo de su
importancia. Este procedimiento de análisis se puede utilizar para el diseño de cualquier
estructura con aislación sísmica y es obligatorio utilizarlo en aquellas que no cumplan con los
requisitos necesarios para el análisis espectral o el análisis estático, es decir, son más amplios los
casos que se pueden analizar, permitiendo su uso en sistemas sin capacidad autocentrante,
dependientes de la velocidad de deformación y que experimenten levantamiento y/o impacto,
entre otros. Para realizar este procedimiento se deben utilizar pares de componentes de registros
de aceleración del suelo de al menos tres eventos sísmicos, los cuales deben ser consistentes con
el espectro de diseño o el correspondiente al sismo máximo posible.
Figura 3.1 Espectro de diseño de pseudo-aceleración (INN, 2003)
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Capítulo 3: Norma Chilena de Aislación Sísmica 14
Tabla 3.1 Definición del Espectro de pseudo-aceleración (INN, 2003)
Suelo Ta (s) Tb (s) Tc (s) Td (s) Te (s) Tf (s)αAA
(cm/s2)αVVcm/s
αDD(cm)
I 0,03 0,11 0,29 2,51 10 33 1085 50 20II 0,03 0,20 0,54 2,00 10 33 1100 94 30
III 0,03 0,37 0,68 1,58 10 33 1212 131 33
Tabla 3.2 Factores de modificación de respuesta por amortiguamiento (INN, 2003)
Amortiguamiento efectivo, βD o βM(porcentaje del valor crítico)
Factor βD o βM (TD > 2s)Suelos I,II y III
≤ 2 0,655 1,0010 1,3715 1,6720 1,9425 2,1730 2,38
≥50 3,02
3.4 Conclusiones
Se dieron a conocer los puntos más relevantes de la NCh 2745 Of. 2003, así como la filosofía
bajo la cual se realiza el diseño de estructuras con aislación basal. Se expusieron ciertos puntos de
importancia que son primordiales para el diseño de una estructura aislada como son la
determinación de los niveles de demanda y la definición del factor de reducción de respuesta, R.
Además, se presentaron los procedimientos de análisis indicando sus limitaciones de uso y sus
puntos más importantes, donde se destaca la definición del espectro de diseño. En los capítulos
posteriores, según sea necesario, se indican diferentes puntos que establece la norma.
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Capítulo 4: Información Estructural del Edificio 15
CAPÍTULO 4 INFORMACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO
4.1 Introducción
En este capítulo se presenta la información más relevante del edificio, referida principalmente a
las plantas de los pisos representativos junto con sus respectivas dimensiones. Además se dan a
conocer las características de los materiales utilizados y se comenta sobre la estructuración del
edificio estudiado. De igual manera se presentan las fundaciones a través de su vista en planta y
en elevación, a modo de apreciar los elementos que permiten la fijación de los aisladores. La
información entregada en este capítulo se obtuvo a partir de los planos estructurales del edificio
(UdeC, 2012a) y su correspondiente memoria de cálculo (UdeC, 2012b), ambos realizados por
Tensar Ingenieros.
4.2 Información general
La estructura estudiada está en etapa de construcción y corresponde al Edificio de la Facultad de
Ciencias Químicas de la Universidad de Concepción, su emplazamiento será en el interior del
campus central de la Universidad, ubicado en la comuna de Concepción, Región del Bío Bío. El
edificio está diseñado con tres pisos estructurados en base a marcos rígidos de hormigón armado
y se proyecta agregar un cuarto nivel en el futuro, estructurado en base a marcos de acero.
4.3 Geometría de la estructura
La estructura en estudio presenta una planta prácticamente simétrica en todos sus niveles. La
planta de la losa de piso del primer nivel (cielo del subterráneo) se muestra en la Figura 4.1, y la
de la losa de piso del segundo nivel, representativa también de la losa y del cielo del piso 3, se
presenta en la Figura 4.2. En las Figuras A.4.1 a la A.4.8 del Anexo 4.1 se muestran las plantas y
elevaciones de todo el edificio. En todas las figuras los ejes principales (ejes X e Y) se indican en
la esquina inferior izquierda. Además, las columnas se exponen en color verde, las vigas en
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Capítulo 4: Información Estructural del Edificio 16
amarillo y las losas en gris. Todas las plantas poseen una forma rectangular, con dimensiones
aproximadas de 85 por 16 m, originando una superficie total de 4000 m2. La altura del piso 1 es
de 4,115 m y de los pisos 2 y 3 es de 3,6 m, generando una altura total de 11,31 m, tal como se ve
en la Figura 4.3 donde se expone el detalle de la elevación del eje A.
Las columnas de todo el edificio son de 50 por 50 cm, las losas de 20 cm de espesor y las vigas
de 70 cm de alto por 40 cm de ancho. La excepción a lo mencionado corresponde al nivel de losa
del primer piso (cielo del subterráneo), ya que en lugar de columnas se tienen pedestales de 120
por 120 cm y vigas de 85 cm de alto por 40 cm de ancho. Todos los elementos mencionados son
de hormigón armado compuesto por hormigón H40 ( igual a 35Mpa) y acero A63-42H ( igual a 420Mpa).
Figura 4.1 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 1
Figura 4.2 Detalle de la planta de la losa de piso del nivel 2
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Capítulo 4: Información Estructural del Edificio 17
Figura 4.3 Detalle de la elevación del eje A
En la Figura 4.4 se muestra un corte transversal del nivel de aislación. Como se aprecia, los
aisladores son fijados a la estructura a través de pedestales ubicados entre la losa del primer piso
y la losa de fundación. Para esta última se utilizó la losa existente en el antiguo edificio de la
Facultad de Química, con espesor de 70 cm que fue aumentado en 30 cm adicionales en su parte
superior, generando una losa de fundación de 1 m de espesor. Adicionalmente, el diseño
contempló el ensanchamiento de la losa mencionada tal como se muestra en la figura señalada,
donde en color café claro se destaca la losa antigua, en café más oscuro el refuerzo superior de la
losa junto al ensanchamiento, en azul el muro perimetral del nivel de fundación, en verde el
pedestal a través del cual se ancla el aislador a la subestructura, y en amarillo las vigas de
fundación que dan mayor rigidez a la losa. Como complemento a lo anterior, en la Figura 4.5 se
muestra la vista en planta de las fundaciones, en café claro se muestra la ubicación de la antigua
losa y en café más oscuro su ensanchamiento, el resto de los elementos tienen la mismadistribución de colores que la Figura 4.4.
Figura 4.4 Elevación transversal tipo del nivel de aislación
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Capítulo 4: Información Estructural del Edificio 18
Figura 4.5 Detalle de la planta de las fundaciones
4.4 Conclusiones
Se presentó toda la información geométrica del edificio a través de la cual se aprecia que la
estructura es regular tanto en planta como en elevación. Además, se entregaron las dimensiones y
los materiales que componen los elementos estructurales y se describió el sistema de fundaciones
junto con la estructuración que permite la fijación de los aisladores. Mayor detalle del sistema de
aislación se entrega en el Capítulo 5, en el cual, entre otras cosas, se expone la disposición en
planta y la geometría de todos los aisladores presentes.
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Capítulo 5: Sistema de Aislación Sísmica del Edificio 19
CAPÍTULO 5 SISTEMA DE AISLACIÓN SÍMICA DEL EDIFICIO
5.1 Introducción
En este capítulo se dan a conocer los tipos de aisladores presentes en el edificio en cuestión, junto
con la distribución en planta de todos los dispositivos. Se señalan también los supuestos y
consideraciones utilizadas en el diseño del sistema de aislación y los valores más relevantes
obtenidos de dicho proceso, es decir, los correspondientes a las deformaciones de los aisladores,
y los cortes basales de la subestructura y superestructura. La información entregada se obtuvo a
partir de los documentos realizados por la empresa SIRVE, que fue la encargada de diseñar el
sistema de aislación de esta estructura.
Para realizar un seguimiento del comportamiento de los dispositivos bajo la acción de un sismo,
se realizó un proyecto de instrumentación sísmica, el cual es explicado en el Anexo 5.1.
5.2 Supuestos y consideraciones utilizadas en el diseño del sistema de aislación
El diseño del sistema se realizó buscando satisfacer los requerimientos dados por la norma NCh
2745 Of. 2003, para una estructura ubicada en zona sísmica tres y suelo tipo IV.
En la realización del análisis espectral, tal como se señala en 8.4.1 de la NCh 2745 of 2003,
cuando una estructura se ubica en suelo tipo IV se debe contar con un espectro específico del
lugar. Para ello, según el Estudio de Mecánica de Suelos realizado por Mario Valenzuela y
asociados, mediante la modelación de la propagación de ondas de corte en el subsuelo del sector
de diferentes registros en roca obtenidos del Servicio Sismológico Nacional, se generaron
diversos espectros de pseudoaceleración elástica en la superficie. Según lo anterior se optó por
diseñar la estructura con el espectro de la NCh 433 Of. 96 modificada en 2009 (INN, 2009) para
zona 3 y suelo tipo IV, ya que éste es una envolvente de todos los espectros obtenidos. Para los
análisis de respuesta en el tiempo, según se indica en 8.4.2 de la NCh 2745 Of. 2003, se utilizaron
registros sísmicos artificiales compatibles con el espectro señalado anteriormente. Según señala
la empresa SIRVE en el documento donde presenta las bases y criterios utilizados en el diseño
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Capítulo 5: Sistema de Aislación Sísmica del Edificio 20
del sistema de aislación (UdeC, 2012c), el diseño se realizó para la condición de 4 pisos y se
verificó para 3 pisos, además se hizo considerando un período de vibrar del edificio de 3,2
segundos y un amortiguamiento de un 10% del valor crítico, en condiciones de diseño.
5.3 Descripción del sistema de aislación sísmica
El sistema obtenido, según la planta de la estructura del nivel de aislamiento (UdeC, 2012d), lo
conforman 18 deslizadores friccionales planos y 18 aisladores elastoméricos (10 de ellos con
núcleo de plomo). Para diferenciar a los aisladores elastoméricos a lo largo de este informe de
Memoria de Título, se denominará como SNP y CNP al aislador sin núcleo de plomo y con
núcleo de plomo, respectivamente. El detalle de los tres tipos de aisladores existentes en el
edificio se presenta en la Figura 5.1, y la distribución en planta de todos los dispositivos en la
Figura 5.2.
(a) Elastomérico convencional (b) Elastomérico con núcleo de plomo
(c) Deslizador friccional plano
Figura 5.1 Aisladores del edificio (UdeC, 2012e)
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Capítulo 5: Sistema de Aislación Sísmica del Edificio 21
Figura 5.2 Disposición en planta del sistema de aislación sísmica
5.4 Parámetros de diseño de la estructura
5.4.1 Desplazamientos del sistema de aislación
En la Tabla 5.1 se exponen los desplazamientos de diseño del sistema de aislación, considerando
los niveles de sismo de diseño (SDI) y sismo máximo posible (SMP), definidos en 3.2.
Tabla 5.1 Desplazamientos de diseño y máximos del sistema de aislación
Demanda Deformación (cm)Sismo deDiseño
DD (cm) 41DTD (cm) 41,1
Sismo Máximoposible
DM (cm) 47,1DTM (cm) 47,2
Con el sismo de diseño se obtuvo tanto el desplazamiento de diseño del sistema de aislación(DD), como el desplazamiento total de diseño (DTD). La diferencia entre ambos radica en que el
último señalado considera los efectos de torsión natural y accidental. Cabe señalar que con este
nivel de demanda se obtuvieron las fuerzas y desplazamientos laterales de la estructura para su
diseño, tal como lo indica 8.6.2 de la NCh 2745 Of. 2003.
Por otro lado, con el sismo máximo posible se generó el desplazamiento máximo del sistema de
aislación (DM) y el desplazamiento total máximo (DTM). Ambos difieren en que este último
considera los efectos de torsión natural y accidental. Se debe mencionar que con esta demanda,
según lo expuesto en 8.4.1.3 de la NCh 2745 Of. 2003, se generaron las cargas provenientes de
los momentos volcantes para diseñar y ensayar el sistema de aislación, además de determinar la
separación con las estructuras contiguas a partir del desplazamiento total máximo, tal como lo
indica 3.6 de la norma señalada.
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Capítulo 5: Sistema de Aislación Sísmica del Edificio 22
5.4.2 Esfuerzo de corte de diseño de la subestructura y la superestructura
El corte basal elástico obtenido del sismo de diseño fue de 910 toneladas (16 % del peso del
edificio). Para la obtención del corte de diseño de la subestructura se consideró C.7.4.1 de la NCh
2745 Of. 2003, que señala que en estructuras aisladas el factor de reducción, R, tiene un valorigual a 1, a modo de garantizar la estabilidad de las fundaciones y tener un desempeño adecuado
del sistema de aislación. Es por esto que el esfuerzo de diseño de la subestructura, y junto con
ello el del sistema de aislación, fue de 910 toneladas.
El corte de diseño de la superestructura fue de 455 toneladas. Para su obtención se consideró el
factor de reducción R indicado en 7.4.2 de la NCh 2745 Of. 2003, según lo cual, para este tipo de
estructura, R tiene un valor igual a dos. Cabe señalar que el corte de diseño de la superestructura
es mayor al mínimo de 369 toneladas, de acuerdo a 6.3.7.1 de NCh 433 Of. 96 (INN, 1996), tal
como se especifica en 7.4.3 de la NCh 2745 Of. 2003.
5.5 Conclusiones
Se describió el sistema de aislación del edificio en estudio, dando a conocer las consideraciones
utilizadas en el diseño junto con los principales parámetros obtenidos, que son el desplazamientode diseño de los aisladores y los cortes de diseño de la superestructura y subestructura.
Se debe mencionar que parte del proceso de diseño del sistema de aislación es rectificar el
comportamiento de la estructura con las curvas fuerza-deformación de cada uno de los
dispositivos obtenidas en laboratorio (UdeC, 2012f). Una vez realizado los ensayos y control de
calidad de todos los aisladores a instalar, se constató que algunos dispositivos quedaron fuera de
los límites de aceptación y/o rigidez definidos en el diseño, teniendo que realizar una
reestructuración del sistema de aislación. Lo anterior es expuesto en el documento realizado por
SIRVE (UdeC, 2012g), donde se presenta el sistema de aislación definitivo. Además, en el
Anexo 5.2 se describe la configuración final de los aisladores y se demuestra que el
funcionamiento del sistema no sufre variaciones de consideración respecto al diseño expuesto en
este capítulo.
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Capítulo 6: Verificaciones del Sistema de Aislación Sísmica 23
CAPÍTULO 6 VERIFICACIONES DEL SISTEMA DE AISLACIÓN SÍSMICA
6.1 Introducción
En este capítulo se exponen las verificaciones del sistema de aislación del edificio en estudio
considerando los valores de diseño entregados en 5.4. En primera instancia, mediante las
propiedades lineales equivalentes de los dispositivos, se demuestra que según la geometría y los
materiales de fabricación de los aisladores, el desplazamiento de diseño efectivamente produce el
período de vibración objetivo de la estructura. Posteriormente, según las propiedades no lineales
de los dispositivos, se comprueba a través de diversos análisis tiempo-historia que para diferentes
registros sísmicos, tanto el desplazamiento máximo como el corte basal, mantienen valores de
diseño, demostrando que ante posibles demandas la estructura no debería verse sobre-exigida.Adicionalmente, se realizan una serie de análisis al comportamiento del edificio producto de la
solicitación impuesta por el registro que induce las mayores respuestas en la estructura.
Finalmente, el diseño de los aisladores es verificado según los factores de seguridad obtenidos
considerando las combinaciones de carga que establece la NCh 2745 Of. 2003.
6.2 Modelo lineal equivalente del sistema de aislación
Esta verificación se realizó considerando que el período de vibrar del edificio cambia según la
deformación de los dispositivos, producto de la variación que éstos experimentan en su rigidez.
A partir de lo anterior, se comprobó que según la geometría de los aisladores y las propiedades de
los materiales que los componen, la rigidez y el amortiguamiento generadas por la deformación
de diseño producen el período de vibración objetivo de la estructura.
Lo mencionado anteriormente se realizó mediante el proceso iterativo expuesto en la Figura 6.1.Básicamente el modelo busca demostrar que según la deformación de diseño del sistema de
aislación (41 cm) se generan tanto la rigidez que produce el período de vibración objetivo (3,2
segundos) como el nivel de amortiguamiento, que efectivamente, tras ingresar al espectro de
diseño del proyecto, producen el corte en el sistema de aislación que genera el desplazamiento
señalado inicialmente.
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Capítulo 6: Verificaciones del Sistema de Aislación Sísmica 24
Figura 6.1 Verificación del diseño de SIRVE según propiedades lineales equivalentes
A continuación se presentan los pasos realizados para verificar lo señalado en la Figura 6.1.
A) Fijar una deformación inicial del sistema de aislación
El valor utilizado corresponde al desplazamiento de diseño equivalente a 41 cm. Tal valor se
obtuvo al solicitar la estructura con el sismo de diseño, tal como señala 8.6.2 de la NCh 2745.
B) Obtener la rigidez efectiva del sistema de aislación para el desplazamiento inicial
La rigidez efectiva del sistema de aislación se calculó realizando la sumatoria de las Ecuaciones
6.1, 6.2 y 6.3, las cuales representan, para el desplazamiento inicial, la rigidez dada por el
conjunto de aisladores del tipo SNP, CNP y deslizadores friccionales, respectivamente.
K 1 =G*AR
HR · N1, (6.1)
K 2 = K ef 2 · N2, (6.2)
K 3 = K ef 3 · N3. (6.3)
Como se mencionó, la rigidez de los aisladores SNP se obtuvo con la Ecuación 6.1, en base a
C.7.2 de la NCh 2745 Of. 2003 para aisladores elastoméricos sin núcleo de plomo. En estaexpresión se considera el módulo de corte de la goma, G, el área de goma, A
R, la altura total de
goma, Hr, y el número de aisladores de este tipo, N
1. Según el módulo de corte de la goma igual a
4,2 kg/cm2 (para 41 cm de deformación), el área de goma correspondiente a 4849 cm2, la altura
de goma de 25,9 cm, y 8 aisladores de este tipo, se utilizó la Ecuación 6.1:
Di
K EF
ξEF
DD
T
Convergencia
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K1 4,2 kg/cm2
· 4849 cm2
25,9 cm · 10· 8 = 629 ton/m
La rigidez efectiva de los conjuntos de aisladores del tipo CNP y deslizadores friccionales se
calculó mediante la Ecuación 6.2 y 6.3, respectivamente. Ambas expresiones están definidas por
las rigideces efectivas de un solo aislador de cada tipo, KEF2
y KEF3
, y el número de dispositivos
de cada conjunto, N2 y N
3. La obtención de la rigidez efectiva de un solo aislador se presenta en
el Anexo 6.1, donde se exponen, para ambos casos, los parámetros que definen sus curvas de
histéresis, que en el caso del aislador tipo CNP posee un comportamiento bilineal producto de la
presencia del núcleo de plomo.
La rigidez efectiva de un aislador CNP, KEF2, es de 134,8 ton/m, y considerando 10 aisladores de
este tipo, se utilizó la Ecuación 6.2:
K2 = 134,8 ton/m · 10 = 1348 ton/m.
Por su parte la rigidez efectiva de los deslizadores friccionales, KEF2,
es de 10,9 ton/m y 19,6
ton/m, para los 4 dispositivos ubicados en la esquina y los 14 posicionados en el borde,
respectivamente. A partir de la Ecuación 6.3, se obtuvo la rigidez del conjunto de deslizadores:
K3= 10,9 ton/m · 4 + 19,6 ton/m · 14 = 318 ton/m.
En la Tabla 6.1 se resumen las rigideces obtenidas en cada caso. Realizando la sumatoria de
todos los aisladores presentes se obtuvo una rigidez total del sistema de aislación de 2296 ton/m,
para una deformación de 41 cm en los aisladores.
Tabla 6.1 Rigideces efectivas del conjunto de los distintos tipos de aisladores
Aislador Rigidez (ton/m)SNP 629CNP 1348
Deslizadores 318
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C) Obtener el amortiguamiento efectivo del sistema de aislación para el desplazamiento
inicial
El amortiguamiento efectivo del sistema de aislación se calculó mediante la Ecuación 6.4, a partir
de lo expresado en la Ecuación C.2 de la NCh 2745 Of. 2003.
ξef =WD
4 · π · Ws, (6.4)
donde WD corresponde al trabajo disipado promedio y Ws al trabajo elástico promedio del
sistema de aislación, ambos obtenidos en un ciclo de carga de desplazamiento, D. Para evaluar la
Ecuación 6.4 fue necesario obtener, para cada tipo de aislador, el trabajo disipado y elástico
promedio para un ciclo de 41 cm.
El trabajo elástico promedio de cada conjunto de aisladores se obtuvo mediante la ecuación 6.5.
Ws =Ki · D
2
2, (6.5)
donde Ki corresponde a la rigidez efectiva otorgada por el conjunto de aisladores del tipo “i” y D
al desplazamiento máximo del ciclo de carga. Considerando las rigideces expuestas en la Tabla
6.1 y una deformación máxima de 41 cm, reemplazando en la Ecuación 6.5 se obtuvieron, para
los tres tipos de aisladores, los trabajos elásticos promedios, W s, indicados en la Tabla 6.2.
Por su lado, el trabajo disipado promedio por el conjunto de aisladores del tipo SNP, CNP y
deslizadores friccionales, se calculó mediante las Ecuaciones 6.6, 6.7 y 6.8, respectivamente.
WD1 = ξef · 4 · π · Ws, (6.6)WD2
=
N2 · 4 · Q · D, (6.7)
WD3 = N3 · 4 · F · D. (6.8)
Mediante la Ecuación 6.6 se calculó el trabajo disipado promedio por el conjunto de aisladores
del tipo SNP. A partir del amortiguamiento efectivo de este tipo de dispositivos, , considerado
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en un 10% del amortiguamiento crítico, y el trabajo elástico promedio en un ciclo de carga, ,correspondiente a 52,9 ton·m, se aplicó la Ecuación 6.6:
WD1 = 0,1· 4 · π · 52,9 ton·m = 66,4 ton·m.
El trabajo disipado promedio por los conjuntos de aisladores tipo CNP y deslizadores friccionales
se obtuvo a través de la Ecuación 6.7 y 6.8, respectivamente. Ambas expresiones dependen del
número de elementos de cada tipo, N2 y N
3, y de las variables que definen el área encerrada en el
ciclo histerético, las cuales son definidas en el Anexo 6.1.
Considerando para el aislador CNP una capacidad a cero deformación, Q, igual a 13,25 ton, una
deformación, D, de 41 cm y 10 elementos de dicho tipo, se utilizó la Ecuación 6.7:
WD2 = 10 · 4 · 13,25 ton · 41 m = 217,4 ton·m.
En el caso de los deslizadores friccionales se consideró una fuerza de activación, F, de 4,47 ton y
8,94 ton para deslizadores de borde y esquina, respectivamente, para una deformación, D, de 41
cm. Considerando 14 elementos de borde y 4 de esquina se utilizó la Ecuación 6.8:
WD3 = 4 · 4 · 4,47 · 0,41 + 14 · 4 · 8,94 · 0,41 = 234,7 ton·m.Tabla 6.2 Trabajos generados en un ciclo de carga en los distintos tipos de aisladores
Aislador WS (ton∙m) WD (ton∙m)SNP 52,9 66,4
CNP 113,3 217,4
Deslizadores 29,3 234,7
En la Tabla 6.2 se resumen los trabajos disipados promedio y elástico promedio de cada conjuntode aisladores. Realizando la sumatoria para todo el sistema de aislación se obtuvo un trabajo
elástico promedio, WS, y un trabajo disipado promedio, W
D, de 195 ton∙m y 518 ton∙m,
respectivamente. Reemplazando ambos valores en la Ecuación 6.4 se obtuvo un amortiguamiento
efectivo de un ξef = 19 %.
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D) Calcular el período de vibración del sistema
A partir de la masa total del edificio y la rigidez efectiva del sistema de aislación, se utilizó la
Ecuación 6.9 para obtener el período de vibración del sistema.
T · π · , (6.9)
donde M es la masa total del edificio y K la rigidez efectiva del sistema de aislación.
Considerando que la masa de la estructura es 617,2 ton∙masa y la rigidez efectiva total delsistema de aislación es de 2296 ton/m, reemplazando en la Ecuación 6.9 se verifica que el
periodo de vibrar corresponde a 3,2 segundos, es decir, el periodo objetivo de la estructura.
E) Calcular el desplazamiento del sistema de aislación según el corte generado
Una vez calculado el período de vibración se obtuvo la aceleración del sistema según el espectro
de diseño del proyecto expuesto en la Figura 6.2. A partir de lo señalado en 8.6.3.1 de la norma
NCh 2745 Of. 2003, la respuesta del espectro fue reducida mediante el factor, BD, según el nivel
de amortiguamiento obtenido por el sistema de aislación. De esta manera la aceleración calculada
genera un esfuerzo de corte de 946 toneladas.
Figura 6.2 Espectro de aceleraciones utilizado en el diseño de la estructura
Mediante el esfuerzo de corte señalado, y la rigidez efectiva del sistema de aislación (2296
ton/m), a través de la Ecuación 6.10 se obtuvo una deformación de 41 cm en los aisladores.
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Capítulo 6: Verificaciones del Sistema de Aislación Sísmica 29
Desplazamiento = VK , (6.10)
donde V corresponde al esfuerzo de corte del sistema de aislación y K a su rigidez efectiva.
F) Verificar convergencia de desplazamientos
La verificación se completó comprobando que el desplazamiento inicial (41 cm) converge al
obtenido en el paso E. De esta manera se verifica lo realizado por SIRVE, demostrado que el
desplazamiento de diseño de los aisladores genera los niveles de rigidez y amortiguamiento que
producen el período objetivo de la estructura (3,2 segundos).
6.3 Análisis tiempo-historia considerando las propiedades no lineales de los aisladores
Utilizando las propiedades no lineales de los aisladores se verificó para la serie de registros
sísmicos expuestos en la Tabla 6.3, que tanto el desplazamiento en el sistema de aislación como
el corte basal son menores a los valores de diseño. El objetivo de esta verificación fue demostrar
cierta holgura en el comportamiento de la estructura, a modo de reflejar un nivel de seguridad
ante posibles solicitaciones.
Se utilizaron registros sísmicos con diferentes contenidos de frecuencias, a modo de verificar la
respuesta de la estructura ante diversos tipos de solicitación. Los contenidos de frecuencia de
cada caso se presentan en los espectros de Fourier expuestos en el Anexo 6.2. Cabe destacar que
se utilizó el registro de Concepción que es considerado como representativo de suelo blando, por
tanto se puede esperar, en principio, que dicha solicitación genere demandas importantes en el
edificio.
Tabla 6.3 Registros sísmicos utilizados en las verificaciones
Sismo RegistroRegión del Maule
27/02/2010ConcepciónSan Pedro
Región de Tarapacá13/06/2005
CuyaIquique
Región de Valparaíso03/03/1985
San IsidroMelipilla
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Capítulo 6: Verificaciones del Sistema de Aislación Sísmica 30
Se trabajó con el software SAP2000 mediante un modelo estructural simplificado, y a modo de
comprobación, y para realizar diferentes análisis, se utilizó el modelo completo del edificio.
Además, todos los valores se verificaron mediante un código propio en el software Matlab.
6.3.1 Constitutivas fuerza-deformación de los aisladores utilizados
Las relaciones constitutiva