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Aislación Sísmica de
Estructuras (pasado-presente-futuro)
Carl Lüders Sch.
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Aislación Sísmica de Estructuras
(Pasado, presente y futuro)
CONTENIDO:
1. INTRODUCCIÓN
2. SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA
3. CASOS EMBLEMÁTICOS
4. DESAFÍOS Y TAREAS A FUTURO
5. PRIMEROS CÓDIGOS EN USA Y CHILE
6. REFERENCIAS CLÁSICAS
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Aislación Sísmica de Estructuras
(Pasado, presente y futuro)
1. INTRODUCCIÓN
- Seminario Expo-Hormigón 2013 (10-05-2013)
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Aislación Sísmica de Estructuras
1.Introducción
Definición de algunos términos:
SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA
1. AISLACIÓN BASAL (BI) o
AISLACIÓN SÍSMICA (SI)
2. DISIPACIÓN DE ENERGÍA (D)
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA
1. PASIVOS (Aislación Sísmica, Amortiguamiento basal y
de entrepiso, Masas Sintonizadas).
2. ACTIVOS (Estructuras inteligentes).
3. SEMI-ACTIVOS (Amortiguamiento basal y de entrepiso).
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
FUNDAMENTOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA
- DESACOPLAR (HORZONTALMENTE) LA
ESTRUCTURA DEL SUELO.
- DISPONER DE UN MECANISMO DE RESTITUCIÓN
(Para devolver la estructura a su posición original).
- DISPONER DE AMORTIGUAMIENTO
(Para controlar los desplazamientos).
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
OBJETIVOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA
- Reducir la cantidad de energía que pasa del suelo a
la estructura.
- Debido a que el daño estructural se puede relacionar
directamente con la energía que pasa a la
estructura, se obtienen los siguientes beneficios de
la aislación basal:
- Reducción del daño estructural
- Protección del contenido
- Continuidad operacional
- Reducción del pánico de los ocupantes
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
SISTEMA BÁSICO DE AISLACIÓN
- Resorte: (i) Lineal proporcional al desplazamiento.
(ii) No lineal función de x, v, etc.
- Amortiguamiento: (i) Viscoso (proporcional a v).
(ii) Fricción (deslizante).
(iii) Histerético (deformación plástica de metales).
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1. Introducción
COMPARACIÓN DE RESPUESTAS
BASE FIJA
BASE AISLADA
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
ESPECTROS DE RESPUESTA
Espectro de aceleraciones
Espectro de desplazamientos
La aislación sísmica permite reducir las aceleraciones máximas en la
estructura entre 4 y 8 veces con respecto a las máximas que se
producen en la estructura de base fija.
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
AISLACIÓN SÍSMICA
Excelente comportamiento durante los sismos violentos en USA,
Japón, China, Chile y Nueva Zelandia desde 1994 (Terremoto de
Northridge, USA) hasta 2011 (Terremoto de Tohoku, Japón)
EDIFICIOS RESISTENTES NO AISLADOS
Problemas con el contenido: Ej.: El Conmutador Telefónico del
área de Sylmar en California. Edificio con daño mínimo durante
el sismo (6,5) de San Fernando 1971, pero destrucción total del
equipo interno.
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Aislación Sísmica de Estructuras
1. Introducción
IMPORTANCIA DEL SUELO DE FUNDACIÓN
Aislación sísmica: Muy efectiva para estructuras rígidas en suelos firmes.
Menos efectiva para estructuras flexibles en suelos blandos.
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Aislación Sísmica de Estructuras
(Pasado, presente y futuro)
2. SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
Doble placa sobre bolas esféricas o rodillos
-
Solución propuesta por Jules Touaillon en 1870.
Solamente se aplicó recientemente en Japón
Edificio sobre rodillos en Japón
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
PISO BLANDO
- La Idea nació en los años 50 una vez conocidos los espectros
de respuesta).
- Comportamiento fue en general muy malo.
Fotografía: Página Web
Hospital Olive View (después del
terremoto de Sylmar (6.5) de 1971).
Fotografía: Página Web
Edificio de departamentos (después
terremoto de Loma Prieta (6.9) de 1989).
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
VARIANTE DE PISO BLANDO (N. Priestley, S. Pampanin)
Figura: S. Pampanin
- Paramount Building 29 pisos, SanFrancisco (Englerkirk) 2002.
- Hotel Virgo 4 pisos, Mendoza 2009 (M. Tornello)
- Edificio demostrativo 5 pisos, Espacio Riesco, Stgo. (P.Bonelli)
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2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYOS ELASTOMÉRICOS
Eventual núcleo
de plomo
Perno de
anclaje superior
Placa de
anclaje superior
Láminas de goma
Láminas de acero
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2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYOS ELASTOMÉRICOS (COMPORTAMIENTO)
MÓDULO DE CORTE
Figura: Lab. PUC
AMORTIGUAMIENTO
CURVA P-DELTA
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2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYOS ELASTOMÉRICOS (COMPORTAMIENTO)
Figura: Lab. PUC
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYOS ELASTOMÉRICOS
-
Materia prima: Goma natural ó sintética (Neopren).
-
Tipos: Bajo amortiguamiento (LDRB).
Alto amortiguamiento (HDRB).
Aislador con núcleo de plomo (LRB).
-
1969 Primera aplicación en escuela Pestalozzi de Skopje (goma
sin láminas de acero).
-
Años 70 Aplicaciones en puentes.
-
Años 80 Aplicación en edificios.
-
1985 “USA Foothills Community Law and Justice Center” Primer
edificio aislado en USA (apoyos de capas múltiples).
-
Variantes: Con y sin núcleo de plomo.
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2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYO DESLIZANTE
- Principio: Lámina de Teflón que desliza sobre una placa de
acero inoxidable pulida.
- Coeficiente de roce: sin lubricar 6 a 12%.
lubricado hasta 1 a 2%
- Variante: Apoyo deslizante doble (reduce tamaño y
excentricidad de la carga)
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2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYO DESLIZANTE
Figura: Lab. PUC
Respuesta típica de un apoyo deslizante
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2. Sistemas de Aislación Sísmica
APOYO DESLIZANTE MÚLTIPLE
VARIANTE: Varias capas deslizantes con núcleo de goma para
reducir velocidad de deslizamiento.
Ensayos mostraron
que el dispositivo no
funciona bien.
Fuerza de restitución
es insuficiente.
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
PÉNDULO DE FRICCION (Creado en 1986)
Imágen: Sirve S.A.
Se utilizó por primera vez en el
reacondicionamiento de un edificio de
departamentos de 4 pisos dañado por el
terremoto de Loma Prieta (1981).
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
PÉNDULO DE FRICCION DOBLE
- Para un mismo tamaño del
plato cóncavo se duplica el
desplazamiento máximo
que se puede lograr.
- La excentricidad de la
fuerza de apoyo se reduce
a la mitad.
Imágen: F. Sálvatore
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
SISTEMA DE RESORTES (Gerb)
Imágen: E. Tornello
Imágen: E. Tornello
- El sistema requiere de amortiguamiento externo.
- Su rigidez vertical es 10 a 20 veces la horizontal.
- Práctico en casos que la altura de las rigideces
coincide con la altura del centro de gravedad.
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
SISTEMAS MIXTOS:
- Apoyo elastomérico + amortiguamiento viscoso o
histerético.
- Apoyo deslizante friccional + apoyo elastomérico (u
otro sistema de restitución y amortiguamiento).
- Sistema de rodamientos (incluye bielas) + apoyo
elastomérico (u otro sistema de restitución y
amortiguamiento).
- Sistemas tipo péndulo (C. Barros 1979)
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Aislación Sísmica de Estructuras
2. Sistemas de Aislación Sísmica
SISTEMAS MIXTOS (EJEMPLOS)
Fotografía: Martelli, Forni
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Fotografía: Martelli, Forni
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Aislación Sísmica de Estructuras
(Pasado, presente y futuro)
3. CASOS EMBLEMÁTICOS
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2000 A.C. Palacio de Knossos (Grecia)
Imágen: J. Rendón
Fotografía: J. Rendón
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Imágen: J. Rendón
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
528 A.C. La tumba de Cyro (Persia)
(Una de las estructuras aisladas más antiguas del
mundo).
Fotografía: Página Wikipedia
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
400 A.C. Ponticapéa-Panticapaeum (Grecia)
Imágen: J. Rendón
Imágen: J. Rendón
Imágen: J. Rendón
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
300 A.C. Construcción en Chokrak (Ucrania)
Imágen: J. Rendón
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1870 Jules Touaillon (Francia)
- Propone colocar cojinetes de bolas entre la base
de la estructura y la fundación.
- Solamente se aplicó recientemente en Japón.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1890-1923 Hotel Imperial de Tokio (Japón)
Imágen J. Rendón
(El terremoto de 1923 mostró eficacia del sistema)
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1909 Johannes Calantarients Avetican (Médico Inglés)
- Patentó sistema de juntas libres lubricadas.
- Propuso colocar una capa de talco entre el edificio y
las fundaciones.
- En 1909 escribe carta al Servicio Sismológico de
Santiago de Chile en que menciona que con su
sistema edificios importantes se pueden poner a
salvo en países sísmicos.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1969 Escuela Pestalozzi (Skopje, Macedonia)
(Primer edificio del mundo sobre apoyo de goma)
Imágen: J. Rendón
Fotografía: J. Rendón
Fotografía: J. Rendón
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1969 Escuela Pestalozzi (Skope, Macedonia)
-
Se usaron aisladores de goma propuestos por grupo de
ingenieros Suizos.
-
Patente: “Swiss Full Base Isolation 3D”
-
Apoyos de goma de 70x70x20 sin refuerzo de acero.
-
El sistema no fue satisfactorio.
-
Sistema de apoyo fue modificado. Se instalaron restricciones
adicionales.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
Década del 70
-
La “Malaysian Rubber Producer’s Research Association” de
Inglaterra produjo los primeros apoyos elastoméricos armados
por medio de la vulcanización de láminas de goma entre
láminas de acero.
-
Comienzos y mayores avances en estudios de aislamiento
sísimico utilizando caucho a acero en Francia, Estados Unidos,
Japón y Nueva Zelandia.
-
Destacan: Gilles C. Delfosse, C. J Derham, James M. Kelly, R.
Iván Skinner.
-
Primeros usos en Centrales Nucleares. El uso en puentes es
más rápido que en edificios.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1978 Liceo de Lambesc (Francia).
(Primera estructura grande que utilizó aisladores
sísmicos modernos.)
1979 Edificio de un interruptor eléctrico del California
Water Resources Department.
(Primera aplicación de aisladores de base en California).
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
Década del 80
- Desarrollo de sistemas de aislación de fricción
(1986).
- Uso en puentes es más rápido que en edificios.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1985 Foothill Community Law and Justice Center
(California).
(Primer edificio grande de California, y EEUU, en que se
utilizaron aisladores de caucho. Fueron de alto
amortiguamiento.
Fotografía: Página Web
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1989 Reacondicionamiento de Edificio de departamentos
de 4 pisos que se dañó en terremoto de Loma Prieta
(San Francisco).
(Primera vez que se usan Péndulos de Fricción creados en
1986).
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1992 Edificio Comunidad Andalucía (Santiago, Chile)
-
Primer edificio aislado en Chile (4 pisos de albañilería
confinada).
Diseñado por M.Sarrazin y Ofelia Moroni.
Fotografía: Luciano Marchant.
Fotografía: Luciano Marchant.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1996 Viaducto Marga Marga (5ª Región, Chile)
-
Primer puente con aislación sísmica en Chile (aisladores
elastoméricos).
Sistema de aislación diseñado por M.Sarrazin y O. Moroni.
Fotografía: Luciano Marchant
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
1996 -1999 Proyecto Fondef D96I-1008 sobre
“Desarrollo, Fabricación, Ensayo e Implementación de
Sistemas Innovativos para la Reducción de Vibraciones”.
-
Liderado por J.C. de la Llera y C. Lüders.
-
Participación de Vulco S.A.: Desarrollo de gomas de alto
amortiguamiento, fabricación de aisladores y financiamiento.
-
Creación y puesta en marcha del Laboratorio de “Ensayos
Dinámicos y Control de Vibraciones” de la P.U.C.
-
Se inicia y coordina el estudio de la norma chilena NCH
2745.Of2003 “Análisis y diseño de edificios con aislación
sísmica”.
-
Se inicia el diseño del primer hospital con aislación sísmica en
Chile (Clínica San Carlos de Apoquindo (2001).
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
Laboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de
Vibraciones de la P.U.C.
Marco de Carga
Dinámico
+/-100 ton (horz.)
+/-20 cm/seg
+/-1,5 g
700 ton (vert.)
Permite el ensayo de
aisladores a escala
natural sometidos a
solicitaciones sísmicas
en tiempo real
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
Laboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de
Vibraciones de la P.U.C.
Ensayo de un Aislador elastomérico en P.U.C.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2001 Clínica San Carlos de Apoquindo (Primer Hospital
con aislación sísimica en Chile)
Los aisladores (con y sin núcleo de plomo) van en el cielo del subterráneo
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2003 Norma NCh 2745.Of2003 “Análisis y diseño de
edificios con aislación sísmica”
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2005 Edifico Vulco 2005 (Primer edificio prefabricado aislado
que se construyó en Chile)
Fotografía Sirve S.A.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2009 Muelle de Coronel, VIII Región (Primer muelle
aislado que se construyó en Chile).
Fotografía: Sirve S.A.
Fotografía: Sirve S.A.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2009 Primera casa uni-familiar con aislación sísmica
en Chile (Chicureo, Santigo)
18 Bielas combinadas con 2 apoyos elastoméricos
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2009 Casa uni-familiar (Chicureo, Santigo,Chile)
Detalle de las bielas
Apoyo elastomérico
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2012 Primer estanque aislado de GNL que se construyó
en Chile, Mejillones.
Design of the Seismic Isolation System for GNL Mejillones gas storage tank
Fotografía: Sirve S.A.
Fotografía: Sirve S.A.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2012 Diseño de Aislación sísmica 3D para
Telescopio Europeo
Design of a 3D Seismic Isolation System for the E-ELT
(European – Extremely Large Telescope)
Imágen: Sirve S.A.
Imágen: Sirve S.A.
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2002 Edificio Paramount
(San Francisco, USA) 39 pisos
Híbrido pretensado (Englerkirk)
Edificio aislado muy alto
(Kansai, Japón) 42 pisos
Fotografía: Martelli, Forni
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
Años 70 Rehabilitación de Estructuras Históricas con
aislación sísmica
Fotografía: Martelli, Forni
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Fotografía: Martelli, Forni
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
2002 Primeras viviendas sociales con aislación sísmica
Fotografía: Martelli, Forni
- Seminario Expo-Hormigón 2013 (10-05-2013)
Fotografía: Martelli, Forni
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
SOLUCIONES INTERESANTES
Fotografía: Martelli, Forni
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Aislación Sísmica de Estructuras
3. Casos Emblemáticos
SOLUCIONES INTERESANTES
Fotografía: Martelli, Forni
Fotografía: Martelli, Forni
Residencia para residentes de L’Aquila que quedaron sin
vivienda después del terremoto en Abruzzo, Italia (2009)
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Aislación Sísmica de Estructuras
(Pasado, presente y futuro)
4. DESAFÍOS Y TAREAS A FUTURO
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Aislación Sísmica de Estructuras
4. Desafíos y Tareas a futuro
PRINCIPALES DESAFÍOS Y TAREAS A FUTURO
- Proponer y desarrollar nuevos sistemas de aislación.
- Desarrollar sistemas de aislación para edificios en altura.
- Desarrollar amortiguadores activos y semiactivos y los
programas de control correspondientes.
- Desarrollar soluciones mejores para los encuentros entre las
zonas aisladas y no aisladas de los edificios.
- Monitorear las estructuras aisladas existentes.
- Promover el diseño y la construcción de estructuras con aislación
sísmica.
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(Pasado, presente y futuro)
4. PRIMEROS CÓDICOS EN U.S.A. Y CHILE
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Aislación Sísmica de Estructuras
5. Primeros Códigos en U.S.A. y Chile
1986 Structural Engineers Association of California (SEAOC).
“Tentative Seismic Isolation Design” San Francisco, CA. 1986.
1990 Structural Engineers Association of California (SEAOC).
“Recommended Lateral Force Requirements and Commentary”,
5th ed, Sacramento, CA. 1990.
1991 International Conference of Building Code (ICBO, División III),
”Earthquake Regulations for Seismic Isolated Structures”
UBC, 1991.
2003 NCh 2745. Of2003 “Análisis y diseño de edificios con aislación
sísmica”, INN, Santiago, Chile 2003.
2007 Federal Emergency Management Agency (FEMA), Guias
FEMA 273, FEMA 274, FEMA 356, FEMA 357, FEMA 450 y
FEMA 451 para el uso de aisladores sísmicas en edificios
nuevos y rehabilitaciones.
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(Pasado, presente y futuro)
6. REFERENCIAS CLÁSICAS
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Aislación Sísmica de Estructuras
6. Referencias Clásicas
-
Skinner R.I. et al (1993) “An Introduction to Seismic Isolation”, 1ª
edición, Chichester, Nueva York, John Wiley and Sons.
-
Naeim F. Kelly J. (1999) “Design of Seismic Isolated Structures:
from Theory to Practice”, 1ª edición, Nueva York, John Wiley and
Sons.
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(Pasado, presente y futuro)
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