Protección sísmica: pasado, presente y futuro en Chile

PROTECCION SISMICA DE ESTRUCTURAS EN CHILE:
PASADO,
PASADO PRESENTE Y FUTURO

Juan C. de la Llera

Ciclo: Tecnología para la Reconstrucción

Presentación

Protección • Sismo del Maule: una Oportunidad?
Sísmica • Conceptos básicos de protección
Conceptos básicos de protección

• Filosofía de la ingeniería sísmica
Pasado • Desarrollo de los SRV
Desarrollo de los SRV

• Disipación de Energía
Presente • Aislamiento sísmico

• Nuevas tendencias en P.S.
Futuro
• Nuevos proyectos

Conclusiones • Pasado, Presente y Futuro de la I.S.

12/07/2010 2

A los muchos estudiantes que ha hecho posible consolidar esta línea
de investigación en los pasados 15 años en Chile …

A los profesionales de SIRVE S.A. quienes han permitido llevar este
sueño a la práctica…

A los arquitectos, colegas i
l it t l ingenieros estructurales, y constructores que
i t t l t t
han colaborado con nosotros en el desarrollo de soluciones con SRV
en sus proyectos…

Y a los propietarios y mandantes que han creído en esta innovación…

12/07/2010 3

sísmico

7 cm/año

12/07/2010 4

El problema sísmico
INTERSISMICO

COSISMICO - POSTSISMICO

12/07/2010 5

Terremoto del Maule

12/07/2010 PROTECCION SISMICA 6

Intensidad y deslizamiento (USGS, Mw=8.8)

⊕ Curico


Geometría SAR


Interferometría


Interferometría USGS-PUC)
USGS-

Alos_path_118

Alos_path_119


Levantamiento de la costa


Estadísticas del terremoto

Hechos Chile Haiti

Magnitud, Mw
Magnitud Mw 8.8
88 7.0
70

Máxima intensidad ~ VIII‐IX ~ IX

Área de falla (km2)
de falla 80 000 km2
80,000 km 600 km2
600 km

Máximo desliz. (metros) ~14 5
Desliz. promed. (metros)
Desliz. promed. (metros) 7 2
Desliz. promed. x area 560,000 1,200
Muertes 577 222570
Damnificados 800000 1300000
Pérdidas ~30 B. US$ (18% PIB) ~ 14 B. US$ (2 PIB)


El problema sísmico
Fases de un Registro de Aceleración

Onda de Corte

Onda de
Compresión

Onda-P

Onda-S

Onda
Superficial
S perficial

12/07/2010 13

Ejemplo:
Ejemplo: Curicó


Comparación
Comparación con NCh 433


Mapa de amenaza sísmica de Chile (-1995)
(-

0.3

0.3 0.56

0.48
0.34 0.44 0.4

0.48
0.4
0.56

0.44 0.36 0.3

P(A > Ao | T = 50 años) = 0.1

Estructuras convencionales


Normativa sísmica de Chile (NCh 433, Of. 96)
(NCh

Nivel I • Resistan sin daños movimientos sísmicos de
intensidad moderada

• Limiten los daños en elementos no
Nivel II
Nivel II estructurales durante sismos de mediana
intensidad
d d

• Aunque presenten daños, eviten el colapso
Aunque presenten daños, eviten el colapso
Nivel III
Ni l III durante sismos de intensidad
excepcionalmente severa


Fallas estructurales y no-estructurales
no-


Falla en flexo-compresión de muros
flexo-


Estructuras protegidas sísmicamente


Concepto de disipación de energía
AMS

Disipador


Conceptos de disipación de energía
Ve
1.2

1 NCh 2745-03
Seismic Load (W/g)

0.8

0.6

Β ≈ 1.5 - 2
0.4
S

0.2

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Period (s)



Melipilla EW compatible con NCh2745 (suelo 2, zona II) , To=2s ξo=5%

0.4
04
Espectro NCh2745
0.35
Melipilla compatible
0.3 0.6
0.6
06 06
0.6 0.6
0.25
ξd
0.2
0.5
05 0.5
05 05
0.5 05
0.5
0.15

0.1 0.4 0.4 0.4 0.4

0.3 0.3 0.3 0.3
0.05
0 05
0.1 0.1 0.1 0.1
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Ωd



4

ducción de respuesta Desplazamiento
3.5

3

Aceleración
e

2.5

2
Red

1.5

1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Razón de amortiguamiento, ξ


metálicos

12/07/2010 PROTECCION SISMICA 26 09
11

Alternativa para edificios de plantas libres

Disipación metálica o friccional


Sistema UC-Shape
UC-
6
UFP001
UFP ANSYS
4

2

0

-2

-4

-6
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

15

10

5

F (ton)
0

-5

-10

-15

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
δ (cm)
Desplazamiento (cm)

Dispositivo UC-Shape
UC-


Edificio Titanium
PROYECTO: DISIPACION DE ENERGIA TORRE TITANIUM

UBICACIÓN: Comuna Vitacura, Santiago, Chile

DESCRIPCION: Edificio de 52 pisos y 7 subterráneos (aproximadamente
190 m de altura). El proyecto de disipación de energía contempla la
incorporación de 45 disipadores metálicos en el edificio los cuales
producirán reducciones de hasta un 40% en las deformaciones dinámicas
de la estructura en dirección transversal.

09
11

Esquema de SRV

sector 1 sector 2
(CP40-CP52 = 4) (CP22-CP52) = 10

sector B
sector A
(CP15-CP51 = 12)
(CP12-CP51 = 13)
( )
Disipadores longitudinales sector 3
Disipadores transversales (CP22-CP40) = 6
() Distribución de disipadores

Reducción de Respuesta
60

50

40

30

Piso
20

10

0
original
c/UFP
-10 -
0 2 4 6
Drift Y x 10
-3

Simulación Titanium


Sistemas de disipación de energía

Dirección Transversal Dirección Longitudinal

c/UFP
s/UFP

0.000
0 000 0.001
0 001 0.002
0 002 0.003
0 003 0.004
0 004 0.005
0 005 0.006
0 006 0.000
0 000 0.001
0 001 0.002
0 002 0.003
0 003 0.004
0 004 0.005
0 005 0.006
0 006
Deformación de entrepiso Deformación de entrepiso

Alternativas para edificios de muros
Disipador Metálico UFP

Acoplamiento de muros



Disipador Metálico UFP



Dinteles con
disipadores metálicos
ADAS


Dinteles


Cu

Typical Copper Cyclic behavior Typical steel Cyclic behavior

• Material dúctil y maleable; excelente capacidad de deformación
Material dúctil y maleable; excelente de deformación
• Endurecimiento cinemático e isotrópico
• Aumenta disipación de energía con ciclos constantes de deformación
p g
• Funciona en pequeñas deformaciones

Cu-
Cu-ADAS

Cu‐ADAS Dissipator (ADAS: Adding Damping And Stiffness)

Cu-
Cu-ADAS
EARTHQUAKES & THE COPPER INDUSTRY
COPPER ADVANTAGES FOR ENERGY DISSIPATION

• Resistente a corrosión
a corrosión
• Reciclabilidad – desarrollo sustentable
• Estéticamente atractivo


Ventajas de los sistemas histeréticos

Disipan No requieren, Muy bajos, Alta Sencillo,
miento

Costos

ontaje
bilidad
ención
energía en salvo en 0.15‐0.25 soldadura
deformaciones
deformaciones ambientes
ambientes UF/m2

Mo
Funcionam

C

Durab
pequeñas Mante agresivos


Disipación viscosa

Disipación viscosa


Disipación viscosa

Orificios cilíndricos
perforados en el
pistón

Cámara con fl id
Cá fluido

Cilindro

Pistón a doble
vástago


Disipación viscosa


PRODUCCIÓN / DISPOSITIVOS / DAMP-UC

Disipación viscosa
Estudio numérico de varias cabezas Fuerza = C x (Vel)α

Fuerza: 46 Ton Fuerza: 61 Ton Fuerza: 48 Ton
Velocidad: 18 cm/s Velocidad: 47 cm/s Velocidad: 18 cm/s
Alpha: 0.89
p Alpha: 1.01
p Alpha: 0.64
p


PRODUCCIÓN / DISPOSITIVOS / DAMP-UC

Disipación viscosa

Ventajas del coeficiente α < 1


Ventajas de los sistemas viscosos

Durabilidad
d
Costos
s

Montaje
e
Funcionamiento
o

Mantención
n
Disipan
Di i Revisión de
R i ió d Cercano a
C Alta
Al Uniones
U i
energía en sellos 0.3‐0.4 rotuladas
velocidades UF/m2
pequeñas
M

D
• No altera rigidez del edificio

• No aumenta el corte en la estructura (máxima fuerza
elástica esta desfasada de la máxima fuerza del
disipador)

• No es necesario reponer los dispositivos luego de
un sismo severo
i

Concepto de aislamiento de masa

AMS


Edificios de altura intermedia

Aisladores sísmicos


Edificios altos

AMS tipo péndulo


Edificio Parque Araucano

PROYECTO: AMS EDIFICIO PARQUE ARAUCANO

UBICACIÓN: Comuna Las Condes, Santiago, Chile

DESCRIPCION: Edificio de 22 pisos y 6 subterráneos (50.000 m2). Estructura
mixta de muros (núcleo) y marcos de hormigón armado. Incorporación de un
sistema de amortiguamiento de masa sintonizada en el piso mecánico del
edificio, consistente en dos AMS de aproximadamente 160 ton cada uno y un
disipador magneto-reológico.

11

PRODUCCIÓN / DISPOSITIVOS / MRDA-UC

Modelamiento multifísico
Estudio N é i
E t di Numérico
Modelación electromagnética y dinámica de fluida independiente
Modelo electromagnético la intensidad del flujo magnético
Modelo di á i d fl id
M d l dinámica de fluido relaciones fuerza / velocidad o
l i f l id d
fuerza / desplazamiento

Intensidad de flujo magnético


Análisis
Análisis multifísico de disipadores MR

• Marco teórico:
ρ
– Ecuaciones de Maxwell: 1) ∇ ⋅ E =
Ecuaciones de Maxwell:       1)                                         (Ley de Gauss)
(Ley de Gauss)
ε0
∇⋅B = 0
2)                                        (Ley de Gauss para Magnetismo)
∂B
3) ∇ × E = −
3)                                        (Ley de Inducción de Faraday)
(L d I d ió d F d )
∂t
∂D
∇×H = J f +
4)                                       (Ley Circuital de Ampère, modificada)
∂t
– Fuerzas de Lorentz: F = q (E + v × B)

– Ecuación de Navier‐Stokes ρ
∂u
∂t
(
+ ρ ( u ⋅ ∇ ) u = −∇p + ∇ ⋅ η ( γ ) ∇u + ( ∇u ) + F
T
)
– Modelo de Bingham, fluido Magneto‐reológico

τ = τ0 (H ) sgn( γ ) + ηγ , τ > τ0 (H )


Modelo de flujo


Relación constitutiva MR

– Constitutivas obtenidas

– Fuerza máxima = 83.71 [ton]



150

100

50

N)
amper force F (kN
0

MR-da
-50

-100

-150
-15 -10 -5 0 5 10 15
Velocity v (cm/s)



10

5
TMD MR-on/MR-off
Max: RMS:
m)
py,f (cm

0

22% 63%
-5

-10
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0.6

0.4

0.2
BLDG MR-on/MR-off
uy,f (cm)

0 Max: RMS:
a S
f

-0.2

-0.4
bldg+TMD 3% 20%
bldg+TMD+MR (off)
-0.6 bldg+TMD+MR (on)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Time (s)


Ventajas de los AMS

Durabilidad
d
Costos

Montaje
e
cionamiento
o

Permite
Permite No requiere
No requiere Cercano a
Cercano a Alta Construcción
Construcción

Mantención
n
regulación 0.3‐0.4 in situ
de sintonía UF/m2

M
Func

• Control de deformaciones en el edificio

• Bajo impacto arquitectónico

• Simpleza para la sintonía


Concepto de aislamiento sísmico

La estructura vibra SIN AISLACION BASAL
EDIFICIO y la deformación produce daño La vibraciónCONreduce entre 6 y 8 veces
EDIFICIO se AISLAMIENTO BASAL



1.2 1.2
NCh 2745-03
Fuer de dise (W/g)

1 1
NCh 433-96
eño

Ve 0.8 0.8

0.6 0.6
R≈6
rza

04
0.4 0.4

R = 2βd
0.2
Vi 0.2

0 0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Periodo (s)

09

Desplazamientos medidos y espectros

Movimientos registrados
35
plazamiento (cm)
(

30

25
Pseudo Desp

20
P

15

10
NCh.2745-Suelo I
NCh.2745-Suelo II
5 NCh.2745-Suelo III
NCh.433-Suelo I
NCh.433-Suelo II
NCh.433-Suelo III
0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Período (s)


Dispositivos de aislamiento sísmico


Deformación (cm)
-32 -24 -16 -8 0 8 16 24 32 1) γ = 0.125 Ed = 55 ton·cm
2) γ = 0.25 Ed = 150 ton·cm
8 3) γ = 0.5 Ed = 384 ton·cm
80 N = 3500 kN 4) γ = 0 75
0.75 Ed = 612 ton·cm
t
7
δ 6 5) γ = 1 Ed = 999 ton·cm
60
5 6) γ = 1.25 Ed= 1127 ton·cm
4 7) γ = 1.5 Ed = 1422 ton·cm
Fuerz de Corte (ton)

3 8) γ = 1.75 Ed = 1722 ton·cm
40 2
1
20

0
za

-20

-40 1) γ = 0.125 Ed = 22 ton·cm
2) γ = 0.25 Ed = 59 ton·cm
3) γ = 0.5 Ed = 174 ton·cm
-60
4) γ = 0 75
0.75 Ed = 306 ton·cm
5) γ =1 Ed = 499 ton·cm
-80 6) γ = 1.25 Ed = 699 ton·cm
7) γ = 1.5 Ed = 898 ton·cm
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
8) γ = 1.75 Ed = 1138 ton·cm
Deformación angular, γ

Comportamiento de estructuras protegidas

09


Terremoto del Maule: Valores espectrales

Estación PGA(horiz.) PGA(vert.) PGD(horiz)
T=2.0s
Ing. Civil
Ing. Civil 0.17g 0.14g 12.4 cm
12.4 cm
U.Ch., Stgo.
Est. Metro 0.24g 0.13g 13.9 cm
Mirador, Stgo.
CRS Maipú,
CRS Maipú 0.56g
0 56g 0.24g
0 24g 22.9 cm
22 9 cm
Stgo.
Hosp. Tisné, 0.30g 0.28g 20.9 cm
RM
Hosp. Sótero 0.27g 0.13g 15.9 cm
del Río
Hosp. Curicó 0.47g 0.20g 18.9 cm

Hosp. Valdivia
Hosp Valdivia 0.14g
0 14g 0.05g
0 05g 13.9 cm
13 9 cm

Viña (Marga‐ 0.35g 0.26g 17.8 cm
Marga)
Viña (Centro) 0.33g 0.19g 10.2 cm
*PGA from RENADIC reports (Universidad de Chile)


Hospital Militar, Placa Técnica

PROYECTO: AISLAMIENTO SISMICO HOSPITAL MILITAR

UBICACIÓN: Comuna La Reina, Santiago, Chile

DESCRIPCION: Edificio de 5 pisos (4 pisos y 1 subterráneo) de 50.000 m2.
Proyecto completo de 85.000 m2 Sistema de aislamiento sísmico compuesto
85 000 m2.
por 164 aisladores elastoméricos (50 con núcleo de plomo) a nivel del cielo del
subterráneo.

11

Hosmil:
Hosmil: Edificio de Hospitalización (no aislado)

09

Muelle Coronel

PROYECTO MUELLE CORONEL

UBICACIÓN: Puerto Coronel

DESCRIPCION: Proyecto contempla el aislamiento sísmico de la plataforma
de un muelle de 420m de largo y 37 de ancho, diseñado con pilotes de acero
y tablero de hormigón armado El muelle está diseñado para grúas de 1200
armado.
ton, una sobrecarga de 2.5 ton/m2 y tránsito de camiones.

11

Muelle Coronel (parte no aislada)

09

Campus Clínico, San Carlos de Apoquindo

Etapa 1: aislada

Etapa 2: no aislada

11

Campus Clínico, San Carlos de Apoquindo


Centro de Justicia

09

ACHS Santiago

11

ACHS Viña

11

Edificio VULCO S.A.

11

Estimación de desplazamientos

D(East/West) ~ 9 cm (medición)
ACHS Viña D(North/South) 14.5
D(N th/S th) ~ 14 5 cm ( di ió )
(medición)

D(East/West) ~ 15.5 cm (órbita)
VULCO
D(North/South) ~ 6.5 cm (órbita)

D(East/West) ~ 10-20 cm? (tierra)
San Carlos
D(North/South) 10-20
D(N th/S th) ~ 10 20 cm (ti
(tierra)
)


Validación de desplazamientos

D(East/West) ~ 7-10 cm? (marca)
HOSMIL D(North/South)
D(N th/S th) ~ 22 cm (
(marca)
)

D(East/West) ~ 23 cm
Muelle
D(North/South) ~ ??
( /S )
Coronel

D(East/West) ~ 4 cm (tierra)
San Agustín
D(North/South)
D(N th/S th) ~ 5 cm (ti
(tierra)
)


Otros ejemplos

11

Puentes

11

Edificio Santiago (post-sismo)
(post-

Drift Y (o/oo) ‐ Llay‐Llay Y

Edificio Santiago (post-sismo)
(post- 7.775
0 2 4 6 8 10

4.693
4.658

Pisos
4.763
4.259
2.845

32 dispositivos 0.891

C/Disipación S/Disipación
• Reducción máxima: 48%
Drift Y (o/oo) ‐ Ventanas Y
(6) (6) (6) • Reducción promedio (torre): 42%
0 2 4 6 8 10
AT
P5
P4

Pisos
P3
P2
P1
(8) S2
• Reducción máxima: 48%
• Reducción C/Disipación (torre): 40%
promedio S/Disipación

Drift Y (o/oo) ‐ Viña Y

0 2 4 6 8 10
(6)
AT
P5
P4
Pisos

P3
P

Y P2 •R d
Reducción máxima:
ió á i 48%
X P1
S2 • Reducción promedio (torre): 43%

C/Disipación S/Disipación

E-ELT

86

E-ELT

Telescope Top Level

ESO Telescope Model
Telescope Main
Position at 0°
Mirror

Foundation model
Foundation Top
ou da o op

Isolation Devices
Non-Linear Elements


Análisis
Análisis multifísico de disipadores viscosos

• Objetivo: Modelos numéricos capaces de representar el comportamiento
de a o t guado es scosos
de amortiguadores viscosos.

• Multifísica : Modelos capaces de incorporar la interacción de distintas
físicas que intervienen en el comportamiento del dispositivo: dinámica de
físicas que intervienen en el comportamiento del dispositivo: dinámica de
fluido y transferencia de calor.

• Análisis de distintas geometrías, distintos fluidos, optimización:
Análisis de distintas geometrías distintos fluidos optimización:
herramienta de diseño.

• Fabricación de un prototipo para validar el modelo.
b ó d ld l d l


Navier-
Navier-Stokes
Conservación de masa, momentum y energía; compresibilidad e interacción
C ió d t í ibilid d i t ió
entre temperatura y viscosidad.
∂ρ
+ ∇ ⋅ ( ρu ) = 0 (1)
∂t

ρ
∂u
∂t
⎡
⎣
T 2
3
( ⎤
+ ρ u ⋅ ∇u = −∇p + ∇ ⋅ ⎢η ∇u + ( ∇u ) − η ( ∇ ⋅ u ) I ⎥
⎦
) ( 2)

⎛ ∂T ⎞
ρC p ⎜ + ( u ⋅ ∇ ) T ⎟ = τ : S + ∇ ⋅ ( kT ∇T ) ( 3)
⎝ ∂t ⎠

ρ ( p ) = ρ ref ⎡1 + β ( p − pref ) ⎤
⎣ ⎦ ( 4)
n −1

η ( γ , T ) = be − c /T ⎡1 + κ γ ⎤ (5)
a a
⎣ ⎦

u ( x, y, z , t ) = ( u , v, w ) ⇒ campo de velocidades p ( x, y, z, t ) ⇒ campo de presiones
⎛ ∂ui ∂u j 2 ∂uk ⎞ ∂ui
con τ : S = η ⎜
⎜ ∂x
+ − δ ij ⎟
⎟ ∂x T ( x, y, z , t ) ⇒ campo de temperatura
p p
⎝ j ∂xi 3 ∂xk ⎠ j
ρ ,η , β , kT , C p ⇒ densidad , viscosidad, compresibilidad, conductividad, calor específico

Modelo
• Movimiento armónico del pistón, dominio deformable.

• Se obtiene campo de velocidades, presiones y temperatura.
• En general, la constitutiva de amortiguadores viscosos es de la forma:

F = C V sgn (V )
α


Orificio anular


Orificios cilíndricos


Conclusiones generales

Las soluciones de protección sísmica desarrolladas íntegramente en Chile
fueron sometidas y probadas bajo el quinto sismo más intenso que haya
existido en la historia sísmica reciente de la humanidad y ha quedado
demostrado que su desempeño fue extraordinario.

Chile puede lograr ser un país desarrollado en el ámbito de la Ingeniería
Sísmica en la medida que se siga invirtiendo en el estudio de los distintos
aspectos del problema, y sobre todo, se evite caer en la autocomplacencia.

Los sistemas de protección sísmica no solo mejoran el nivel de seguridad
de las estructuras, si no también el de sus contenidos. Los problemas de
daño
d ñ en l los contenidos observados en el sismo d l M l son muy
t id b d l i del Maule
cuantiosos y es imprescindible contar con una normativa específica para el
diseño de contenidos.


Conclusiones generales

Algunas ideas para la normativa nacional:

i.
i Caracterizar el movimiento sísmico haciéndolo consistente con lo
experimentado el 27 de Febrero
ii. Incluir la simultaneidad de las componentes horizontales y verticales
iii. Castigar severamente l i
iii C ti t las irregularidades estructurales
l id d t t l
iv. Desarrollar la práctica constructiva de confinamiento en las cabezas de los
muros
v. Restringir el uso de muros muy delgados debido a que la pérdida del
recubrimiento en estos muros implica una pérdida significativa de su
sección resistente
vi. Limitar la carga axial máxima de los muros bajo el nivel del balance
vii. Requerir de una inspección técnica estructural en obras que garantice que
los proyectos se ejecutan cuidando el detallamiento estructural


Muchas Gracias!


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