Figura 1

Introducción

El terremoto de febrero de 2010 generó pérdidas económicas que superaron los US$30.000 millones. Un alto porcentaje de estas pérdidas corresponde a daños de componentes y sistemas no estructurales, tales como sistemas arquitectónicos, contenidos y equipamiento eléctrico y mecánico (Miranda et al. 2012). Ello, sumado a la percepción de la población respecto a los efectos del terremoto en sus propiedades, ha motivado a inversionistas e inmobiliarias a incorporar sistemas de protección sísmica en las estructuras, a fin de alcanzar objetivos de desempeño superiores a los establecidos por la normativa nacional vigente.

Entre los sistemas de protección sísmica que han sufrido un crecimiento exponencial de demanda se encuentran los sistemas de aislación sísmica, que se han utilizado extensamente a nivel nacional e internacional para la protección de función de infraestructura crítica y estratégica, en estructuras de elevado valor patrimonial y en estructuras con contenidos de alto valor, como hospitales, datacenters, museos, edificios de gobierno y de control de emergencia, entre otros. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones actuales de aislación sísmica de base en Chile corresponde a edificaciones de relativamente baja altura.

En este artículo (resumido) se describen los efectos de la aplicación de un sistema de aislación sísmica basado en aisladores de goma con núcleo de plomo en el edificio residencial Torre del Sol de Copiapó, proyecto desarrollado por Inmobiliaria Santo Domingo Ltda. y construido por Constructora ALCORP S.A. El diseño estructural del edificio fue desarrollado por Patricio Bonelli & Asociados Ltda., el diseño del sistema de aislación estuvo a cargo de Rubén Boroschek & Asociados Ltda; en tanto que la fabricación y ensayo de los aisladores sísmicos estuvo en manos de Dynamic Isolation Systems Inc.


Implementación del sistema de aislación sísmica

El edificio Torre del Sol de Constructora ALCORP S.A., que tendrá cerca de 19.000 m² construidos y 19 niveles en total, será el edificio residencial con aislación sísmica de base más alto de América Latina. La planta típica del edificio es de 53x12.9 m, en tanto que su altura total, incluidos los subterráneos, es de 49.6 m.

El peso sísmico de la estructura por sobre la interfaz de aislación es de 15.500 Tonf. La Figura 1 muestra una vista isométrica de la estructura. Conforme al reporte de mecánica de suelos, el suelo de fundación correspondería a un suelo muy denso y firme, cuya velocidad promedio de propagación de ondas de corte en los primeros 30 m de profundidad es Vs=598 m/s.


Uso de aisladores de goma con núcleo de plomo

Para este proyecto se eligió el uso de aisladores de goma con núcleo de plomo por varias razones: estos sistemas han sido ampliamente ensayados en laboratorio y su comportamiento ha sido muy probado durante eventos sísmicos reales; la facilidad de predecir y modelar su comportamiento para efectos de análisis; la estabilidad de las propiedades ante agentes ambientales, y la independencia del comportamiento del dispositivo con la velocidad de carga.

El número de aisladores requeridos fue determinado, principalmente, por la geometría del edificio. Para proveer estabilidad a la estructura se implementó vigas de 60x197 cm de sección bajo el sector de estacionamientos en el segundo subterráneo, a fin de eliminar las tracciones de los aisladores.

Aisladores sísmicos se dispusieron en los extremos de las vigas y en casi todos los extremos de los muros.
A fin de reducir costos, los 45 aisladores sísmicos utilizados en la estructura son idénticos. La fuerza máxima de compresión sobre los aisladores (considerada para diseño y ensayo) es de 820 Tonf, mientras que la fuerza máxima de tracción (o mínima de compresión) es de 0 Tonf.


Ensayos del sistema de aislación

Los aisladores sísmicos de prototipo y la totalidad de los aisladores sísmicos de obra fueron sometidos a una serie de ensayos de compresión y corte combinados, efectuados en los laboratorios del fabricante en EEUU, a fin de validar las propiedades consideradas en el diseño y verificar la estabilidad de los aisladores para cargas sísmicas extremas.

Se observó una excelente correlación entre las propiedades nominales consideradas en el diseño y las observadas en laboratorio. También se apreció la estabilidad del material durante la serie de pruebas efectuada.

Conforme a los ensayos de laboratorio, los amortiguamientos efectivos provistos por el sistema de aislación serían de 25 y 23% para los sismos de diseño y máximo posible, respectivamente.


Efectos del uso del Efectos del Sistema de Aislación

El modelo de análisis de estructura se ha desarrollado en ETABS. La estructura principal se ha modelado lineal elástica, mientras que los aisladores se han modelado considerando sus propiedades no lineales. La tabla resume las propiedades dinámicas de las estructuras con aislación sísmica y con base fija. En ella se puede observar cómo el período de la estructura aislada se ha desplazado en relación a la estructura de base fija. También destaca el relevante aumento, de un 49 a un 97%, de la participación de los primeros modos de vibrar en la respuesta de la estructura aislada, con la consecuente reducción de la participación de los modos superiores.

Según los resultados de los análisis, las aceleraciones absolutas máximas promedio se reducen de 2.0g en la estructura de base fija a 0.3g, aproximadamente, en la estructura aislada en la base, lo que se traduce en una reducción de los daños de los contenidos que no están anclados a la estructura y de los componentes no estructurales sensibles a aceleraciones. Además, los habitantes del edificio no tienen la sensación de estar en un sismo severo, y se produce una reducción de la probabilidad de daño del sistema estructural.


Costos del Sistema de Aislación

Aun cuando es evidente que la aislación sísmica proporciona una excelente protección sísmica a la estructura, minimizando los daños, la decisión de invertir en este tipo de protección no es trivial. Para este edificio, el costo total de incorporar el sistema de aislación fue del orden de UF 19.800, valor que corresponde al 7,9% del valor del proyecto, y que equivale a un costo de 1 UF/m², aproximadamente. De este costo, 0,5 UF/m² corresponde a costos directos del sistema de aislación (aisladores, ensayos, insertos, anclajes, etc.) y 0,5 UF/m² corresponden a los costos de las obras civiles anexas (elementos flexibles para instalaciones y para cubrir juntas de aislación, envigados, etc.).

De los costos anteriores, se debe descontar los ahorros en materiales por reducción de espesores de muros y elementos de borde de muros. En todo caso, la inversión inicial se compensa con la reducción de la probabilidad de daño moderado o extenso en la estructura.


Conclusiones

Una aplicación práctica ha demostrado la factibilidad de usar sistemas de aislación sísmica en una edificación de 19 pisos, contraviniendo la creencia profesional y de inversionistas sobre la imposibilidad de incorporar aislación sísmica en edificaciones de mediana altura. La evaluación efectuada permite concluir la conveniencia de incorporar sistemas de protección sísmica en el ámbito inmobiliario para incrementar la seguridad estructural. El sistema de aislación reduce las aceleraciones y deformaciones máximas de la estructura en un 75 y 85% respectivamente, con la consecuente reducción de probabilidades de daños y pérdidas económicas durante sismos excepcionalmente severos.