Dom. Cien., ISSN:
2477-8818
Vol. 8, núm.
4. Octubre-Diciembre, 2022, pp.
145-166
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
DOI: http://dx.doi.org/10.23857/dc.v8i3
Ciencias Técnicas y
Aplicadas Artículo de Investigación
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga axial controlada, con adición de placas de acero
de refuerzo
Desing, construction and vertical load testing of elastomeric seismic
insulators for controlled axial capacity, with the addition
of reinforcing steel plates
Projeto, construção e ensaios de carga vertical
de isoladores sísmicos
elastoméricos para carga axial controlada, com adição de chapas
de aço de reforço
Gustavo Gioacchini V ggiochini@frm.utn.edu.ar https://orcid.org/0000-0002-8683-4182
Correspondencia: rcabrera@istte.edu.ec
*Recibido:
29 de agosto
del 2022 *Aceptado: 12 de septiembre de 2022 * Publicado: 06 de octubre de 2022
I.
Profesor del Departamento de Construcciones, Carrera
de Ingeniería Civil. UTM, Ecuador.
II.
Profesor del Departamento de Construcciones, Carrera
de Ingeniería Civil. UTM, Ecuador.
III.
Profesor del Departamento de Construcciones, Carrera
de Ingeniería Civil. UTM, Ecuador.
IV.
CeReDeTeC. Facultad
Regional Mendoza. UTN, Mendoza, Argentina.
V.
CeReDeTeC. Facultad
Regional Mendoza. UTN, Mendoza,
Argentina.
http://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/index
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Resumen
La estrategia del aislamiento sísmico de base, es una
técnica usualmente usada en la protección de
estructuras en las regiones que tienen una alta sismicidad, tendientes a
reducir los daños en las edificaciones, las cuantiosas pérdidas
económicas y más que nada la preservación de la vida humana. Pero en nuestro país, esta tecnología
todavía se encuentra muy atrasada en comparación con nuestro vecino país de chile y que decir de los
países desarrollados como los Estados Unidos de América, Japón, Italia, Nueva Zelandia. En nuestro país si tenemos
algunas edificaciones y puentes de mucha importancia,
con aislamiento sísmico de base, pero se ha tenido que importar estos
dispositivos a costos muy elevados,
pero esta técnica de aislación solamente está dirigida a obras de gobierno y de grandes emprendimientos. Los
dispositivos de aislamiento que se desarrollen con tecnología local, eliminarían los costos de importación y el
costo mismo de los dispositivos, siendo este uno de los principales obstáculo
para que se utilicen en el país
y la región.
En este trabajo se presenta el diseño y construcción de prototipos de aisladores sísmicos
elastoméricos de base, que
están destinados para construcciones, con bajas
demandas de cargas axiales y de baja altura,
con costos muy económicos. Estas construcciones representan el 90% de las
construcciones que están emplazadas
en zona de alta peligrosidad sísmica del país. El trabajo presenta el diseño de ocho prototipos de aislación sísmica de
base, reforzados con placas de acero y núcleo de plomo, además se presentan los conceptos desarrollados para el diseño
de los aisladores y se muestran las etapas de construcción y los ensayos
a carga vertical, que es el avance actual
en que se encuentra este trabajo de investigación.
Palabras Claves: aislación
sísmica; protección sísmica; disipación de energía; reducción
de daños.
Abstract
The base seismic isolation strategy is a technique
usually used in the protection of structures in regions that have high seismicity, tending to
reduce damage to buildings, large economic losses and, above all, the preservation of human life. . But
in our country, this technology is still far behind compared to our neighboring country of Chile and
what to say about developed countries such as the United States of America, Japan, Italy, New Zealand. In our country we
do have some very important buildings and bridges, with basic seismic
isolation, but these
devices have had to be imported at very high costs, but this isolation technique is only aimed at government works and large
enterprises.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Isolation devices developed with local technology would
eliminate import costs and the cost of the devices themselves, this being one of the main
obstacles to their use in the country and the region.
In this work, the design and construction of prototypes of
basic elastomeric seismic isolators are presented, which are destined
for constructions, with low demands
of axial loads and low height, with
very economical costs. These constructions represent 90% of the
constructions that are located in areas of high
seismic hazard in the country.
The work presents
the design of eight prototypes of base seismic isolation, reinforced with steel
plates and lead core, in addition the concepts developed for the design of the insulators are presented
and the construction stages and the vertical load tests are shown,
which is the current progress
in this research work.
Keywords: seismic isolation; seismic
protection; power dissipation; damage reduction.
Resumo
A estratégia de isolamento sísmico de base é uma técnica
normalmente utilizada na proteção de estruturas em regiões que possuem alta sismicidade, tendendo
a reduzir danos
a edificações, grandes
perdas econômicas e, sobretudo, a preservação da vida humana. Mas em
nosso país, essa tecnologia ainda está muito atrasada em relação ao nosso país vizinho Chile e o que dizer de países
desenvolvidos como Estados
Unidos da América,
Japão, Itália, Nova Zelândia. Em nosso país temos alguns prédios e pontes muito importantes, com
isolamento sísmico básico, mas esses dispositivos tiveram que ser importados com custos muito altos, mas
essa técnica de isolamento é voltada apenas para obras governamentais e grandes
empresas. Dispositivos de isolamento desenvolvidos com tecnologia local eliminariam os custos de importação e o custo dos próprios
dispositivos, sendo este um dos principais entraves à sua utilização no país e na região.
Neste trabalho são apresentados o projeto e construção de protótipos de isoladores sísmicos
elastoméricos básicos, que se destinam
a construções, com baixas exigências de cargas axiais e baixa altura,
com custos bastante econômicos. Essas construções representam 90% das construções
que estão localizadas em áreas de
alto risco sísmico no país. O trabalho apresenta o projeto de oito protótipos de isolação sísmica
de base, reforçada
com chapas de aço e núcleo de chumbo, além disso são apresentados os conceitos
desenvolvidos para o projeto dos isoladores e são mostradas as etapas de construção
e os ensaios de carga vertical, que é o atual progresso neste trabalho
de pesquisa.
Palavras-chave: isolamento sísmico; proteção
sísmica; dissipação de energia; redução de danos.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Introducción
La región Latinoamericana está formada por distintas placas
tectónicas entre las cuales se destacan; la
Norte Americana, la de Cocos, la del Caribe, la Nazca, la Sudamericana y una
Antártida. Estas placas de material
rocoso, se asientan sobre el material suave de la Astenosfera y se mueven como cuerpos rígidos que flotan a la deriva. El
movimiento relativo entre ellas, es la causa de la gran actividad sísmica generada
en sus bordes. En las costas Latino
americanas del Pacifico
y en la cuenca del Caribe, los sismos de 1985, 2010,
2015 y 2019, los terremotos de México de 1985, 2017 y el reciente de septiembre
de 2022, los de Ecuador de los años 1998 y 2016, son ejemplos evidentes de las enormes pérdidas
humanas y económicas, que con frecuencia provocan estos
fenómenos.
Adicionalmente los sistemas de fallas localizados en el
interior de las placas tectónicas, generan también
actividad sísmica importante, como lo demuestran los recientes terremotos de
Ecuador de fecha abril de 2016 y los del Salvador ocurridos
en los años de 1986 y 1987.
La frecuente actividad sísmica, ha sido la motivación, para
que las comunidades científicas de los países
que integran esta región, adopten medidas rigurosas tendientes a mitigar los
riesgos sísmicos, una de ellas, es
desarrollar, normas Sismo Resistente, otra de ellas es aplicar nuevas
estrategias de protección sísmica,
basadas en la aislación sísmica de base y la disipación de energía, mediante dispositivos ubicados estratégicamente en la superestructura. La aislación sísmica
de base consiste en colocar
dispositivos entre la subestructura y la superestructura de alguna edificación.
La aislación sísmica de base es una de las técnicas más
usadas para la protección de estructuras a nivel de los países
que se encuentran en zonas de alta peligrosidad sísmica,
para minimizar los daños en las edificaciones, para preservar la
vida humana y de los contenidos durante la ocurrencia de un sismo de gran magnitud. Esta técnica no
solamente es usada por los países altamente desarrollados como Estados unidos
de América y Japón, sino también por países en vía de desarrollo como Chile y México [1] y
su funcionalidad ha sido probada para diferentes características de terremotos.
Trabajos anteriores de investigación han permitido el
diseño, la construcción y la determinación experimental
de dispositivos elastoméricos para edificaciones que tienen baja carga axial
[20], estos aisladores se emplearon para valorar la respuesta sísmica
en casas de uno y dos pisos,
cuyos proyectos corresponden a características que se utilizan
en la ciudad de Mendoza
de Argentina y ciudades de la Provincia de Manabí, para la
planificación de sectores de índole social. Se experimentaron modelos estructurales en 3D, de dichas viviendas
con y sin aislamiento sísmico,
empleando como aisladores
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
los dispositivos previamente fabricados, los resultados
obtenidos confirmaron el adecuado
diseño y fabricación de los
aisladores, además de otros beneficios en la respuesta estructural de las
viviendas [21].
El presente trabajo
muestra el grado de avance
del diseño, la fabricación y ensayo a carga vertical
de estos nuevos prototipos
basados en la continuidad de un proyecto de investigación que rescata las experiencias comentadas en el párrafo
precedente y que pretende mejorar la capacidad axial del dispositivo, la capacidad
al desplazamiento lateral
incluidos los valores de amortiguamiento.
Delineación del dispositivo de aislamiento
Con el propósito de obtener la caracterización geométrica y
propiedades mecánicas se realizó un pre diseño del aislador elastoméricos, acogiéndonos a los preceptos indicados
para el método estático de la
Norma Chilena [22]. Ya que tanto en la Argentina como en Ecuador, no se tiene
una Norma específica para el
tema en cuestión.
Las propiedades de la goma que se emplearon para la
construcción del aislador, están en función de
los compuestos utilizados para la fabricación de los mismos, de acuerdo
a las cantidades de los componentes
como son: el Neopreno, el Óxido de Zinc, el Ácido Esteárico, el Negro Humo, el Dutrex,
el Vulcanox, el Antilux, el Azufre, PVI, entre otros,
es posible obtener
diferentes propiedades mecánicas de la goma. Las
especificaciones del compuesto de base para la fabricación de los dispositivos sísmicos, pueden considerarse dentro de los siguientes parámetros. Dureza: [Shore] 60
+/- 10; Tensión Máxima: > 17 [MPa]; Elongación Máxima:
> 400 %; Amortiguamiento > 8 %; Modulo
de Corte: 0,7 % < G < 0,8
[MPa], [23].
Las propiedades geométricas de los prototipos elastoméricos se presentan en las Figuras
1 y 2.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
(a)
(b)
Figura 1. Esquema de los prototipos de los aisladores sísmicos de la
primera y segunda serie
(a)
(b)
Figura 2. Esquema de los prototipos de los aisladores sísmicos
de la tercera y cuarta serie
los prototipos están conformados por dos placas de conexión
de 390 mm de diámetro y 12,5 mm de espesor,
superior e inferior y por un taco de acero de 9,5 mm de espesor y 100 mm de
diámetro. El taco de goma es de 300 mm de diámetro
y 142 mm de altura, ver figuras 1 y 2.
El proyecto de esta investigación está conformado por la
fabricación de ocho prototipos de aislación
sísmica, que se dividen en cuatro series
de dos prototipos cada una. La primera
serie contara con una placa de acero intermedia de refuerzo,
de 270 mm de diámetro y 5 mm de espesor, ver figura 1a. La segunda serie está conformada con dos
placas de acero intermedias de refuerzo, de las mismas dimensiones que la placa de la serie anterior, ver figura 1b. La
tercera serie contara con una placa de acero
intermedia de acero pero a diferencia de la placa de la primera serie a esta se le ha perfora un agujero
de 100 mm de diámetro,
para colocar un núcleo de plomo de 100 mm de diámetro
y 142 mm de altura,
ver figura 2a. La cuarta
serie contara con dos placas
de acero perforadas, el orificio de estas
placas tienen las mismas dimensiones que la placa de la tercera serie,
así mismo es para colocar un núcleo de plomo
de las mismas características que él,
anterior, ver figura 2b.
Rigidez Lateral Requerida
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
La rigidez lateral del sistema de aislamiento se la puede
determinar a partir del periodo para el conjunto aislado.
Para esto se supone un sistema aislado
compuesto de 9 aisladores con un peso total de la edificación We = 1800 Kn es
decir redondeamos a 200 Kn por cada aislador, peso que corresponde a una vivienda de concreto de
dos pisos con losa de entrepiso y losa para terraza, para un periodo de 2 s.
2𝜋 2
𝐾 = ( 1 800 𝐾𝑛
2𝜋 2
)
𝑇𝑖
𝑊𝑒
𝑥
𝑔
𝐾 = ( ) 2𝑠
𝑥 9 810 𝑚𝑚⁄𝑠2 =
1,811 𝐾𝑛⁄𝑚𝑚 = 1 811 𝑁⁄𝑚𝑚
La rigidez
lateral del aislador será, por lo tanto:
1 811 𝑁⁄𝑚𝑚
𝐾𝑖 =
= 201,22 𝑁⁄𝑚𝑚
9
Determinación de las dimensiones del aislador
Las dimensiones del aislador se calculan a utilizando las ecuaciones (2) y
(3)
𝜎𝑐
= 𝑁
𝜋∗𝐷2⁄4
𝐴
- 𝐷 = √ 4∗𝑁
𝜋∗ 𝜎𝑐
70 686𝑚𝑚2
(2)
De donde:
𝑘ℎ = 𝐺
∗
𝑔
= 0.5 𝑀𝑃𝑎 ∗
= 220,9𝑁⁄𝑚𝑚
160𝑚𝑚
(3)
N: Carga axial sobre el aislador (200 000 N)
G: Módulo de corte elástico del aislador (0,5 MPa)
A:
Área de la sección transversal del aislador (70 686 mm2) Hg: Altura del aislador (160 mm)
𝜎𝑐: Tensión de compresión de la goma del aislador (2,83 MPa) D: Diámetro
del taco de goma del aislador (300 mm)
Kh: Rigidez horizontal del aislador calculada (220,9 N/mm) Entonces la rigidez horizontal por los 9 aisladores será:
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
𝐾ℎ(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) = 9 ∗
220,9 𝑁⁄𝑚𝑚 = 1 988,1 𝑁⁄𝑚𝑚
Considerando a la estructura aislada como un sistema de un grado de libertad
traslacional, el período
fundamental de vibración de la
estructura aislada aproximado será:
𝑇 = 2𝜋√ 𝑊𝑒 = 2𝜋√ 1 800 000𝑁
= 1,91𝑠 ≈ 2𝑠
𝑖 𝐾ℎ(𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)∗𝑔
1 988,1 𝑁⁄𝑚𝑚 ∗ 9 810 𝑚𝑚⁄𝑠2
Determinación de la Rigidez
Vertical del Aislador
La rigidez
vertical del aislador se la calcula
con la expresión siguiente:
𝐾𝑣
= 𝐸𝑐 𝐴
𝑡𝑟
𝐸𝑐 = (𝑓1
+ 𝑓2)𝐸
(4)
E: (módulo de compresión confinado) = Módulo de elasticidad longitudinal de la goma, que considera
un valor de E= 5,90 MPa (Tabla 2: Physical constants of Vulcanized
natural rubber, Wood, et al., 1964)
Los valores de 𝑓1 y 𝑓2, se obtienen de las expresiones dadas
en la tabla para aisladores circulares (Gent et al.,
1970):
𝑓2 =
𝑟2
2 ∗ 𝑡2
𝐷2
= 4 ∗ 2
∗ 𝑡2
𝑓1 = 1
𝐷2
= 8 ∗ 𝑡2
𝐷2
= 2 16 ∗ 𝑡2
= 2 ∗
𝑠2
Donde (s) es el factor de forma para
aisladores de varias capas y se define
como la razón del área
de la cara cargada y el área libre de pandeo.
𝑠 =
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑑𝑎
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝐿𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑎𝑛𝑑𝑒𝑜
𝜋 𝐷2
=
4𝜋𝐷𝑡𝑟
𝐷
=
4𝑡𝑟
300 𝑚𝑚
=
4 ∗ 77,5 𝑚𝑚
= 0,97
D: (Diámetro del Aislador) = 300 mm.
𝑡𝑟: (Espesor de placas de Goma) = 77,5 mm.
𝐸𝑐 = (1 + 2 ∗ 0,972) ∗
5.90 𝑀𝑃𝑎 = 16,95 𝑀𝑃𝑎
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
De la expresión para calcular la rigidez vertical
se reemplazan los valores obtenidos se tiene el siguiente resultado:
𝐾𝑣 =
𝐸𝑐 𝐴
𝑡𝑟
16,950 𝑀𝑃𝑎 ∗ 70686 𝑚𝑚2
= = 15459,71
𝑀𝑃𝑎
77,5 𝑚𝑚
Construcción de los Prototipos
En la ciudad de Mendoza se encuentra la empresa de los
hermanos PRABALDI SA. Que viene funcionando más de 60 años, construye
y comercializa productos
moldeados, inyectados y extrusados en caucho sintético y PVC. La misma que cuenta con toda la tecnología necesaria, como maquinarias, hornos y dispositivos para fabricar los
aisladores de base y los ensayos necesarios que nos permitan determinar las propiedades de la goma, que
son los objetivos de investigación de nuestra tesis doctoral. Aunque los dispositivos fueron fabricados de una manera
artesanal se obtuvieron excelentes acabados de construcción.
En la fabricación de los aisladores de base se utilizaron moldes
de acero macizo
de suficiente espesor
para evitar que sufran deformaciones en el proceso
de vulcanizado de la goma, al ser sometida está a altas
temperaturas. Los moldes
están conformados por dos medias
lunas interiores, con un espesor
de pared de 50 mm y una
altura de 160 mm, que luego de unirlas forman un tubo de 300 de diámetro interior y un diámetro exterior de 400,8
mm, estos moldes están cortados de esta manera para poder desmoldarlos con facilidad.
Además de un cilindro hueco exterior, que tiene un espesor
de 30 mm, un diámetro interior de 408 mm,
un diámetro exterior de 460,8 mm y un alto de 200 mm. Este cilindro esta reforzado
por cinco anillos de 30 mm de espesor
y separadas de una forma
equidistante, la finalidad que tiene este cilindro es de mantener unidas las medias
lunas que forman
el cilindro interior.
La figura siguiente
nos muestra la conformación
de estos dos cilindros.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
(a)
(b)
Figura 3.1 La figura (a) muestra los dos cilindros por separado y la (b)
como se acoplan.
Las placas de conexión superior e inferior son de acero
macizo de 12,5 mm de espesor y de 390 mm de
diámetro, además tiene un sobre espesor de 9,5 mm en la parte central y de
diámetro de 100 mm, para permitir una mayor adherencia entre las
placas de conexión y la goma.
También tienen cuatro orificios
equidistantes, para pernos de 20 mm que sirven de conexión con la estructura de fundación y la superestructura según sea el caso de las placas.
Figura 3.2 Placa de conexión superior e inferior del aislador
La producción de las piezas
se realiza principalmente de forma manual,
por lo que la participación de los operarios
tiene un efecto importante en el resultado
final. El primer paso en la fabricación de los
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
aisladores es el de combinar los componentes en una
mezcladora mecánica. Una vez que el material
toma la consistencia deseada es colado en el molde
y llevado a la prensa para su vulcanización. Previo
a ello, en el interior del molde se aplica un aditivo antiadherente que
permite un fácil desmoldado. Para lograr una mejor adherencia entre las pletinas
de conexión y el elastómero se pintan las primeras con un
adhesivo especial.
El proceso de vulcanización consiste en someter
al compuesto de goma a una presión
de 250 toneladas y una
temperatura de 150ºC por un lapso de tiempo de ocho horas, la presión,
temperatura y tiempo dependen de las
dimensiones de la pieza a confeccionar. Una vez retirados de la prensa se dejan enfriar
y se realiza el desmolde
de la probeta. En la Figura 3.3 se muestran
los prototipos posteriormente a ser desmoldados.
(a) (b)
Figura 3.3. La figura (a) muestra
el desmontaje del prototipo y la (b) ya terminado el prototipo.
Ensayo a carga vertical
de los Prototipos
Como se dijo anteriormente el proyecto constaba
de ocho prototipos divididos en cuatro series de dos prototipos cada serie. La figura 4 se
muestra la configuración de las cuatro series de los dispositivos ya terminados.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
(a) (b)
(c) (d)
Figura 4.1. La figura (a) corresponde a los prototipos de la serie 1,
la figura (b) son los de la serie
2, la figura (c) son los de la serie 3 y la figura 4 son los de la serie 4.
En este apartado
se describe el procedimiento metodológico de los ensayos
de las cuatro series de los prototipos propuestos, los resultados
obtenidos y gráficos de las curvas de capacidad. Primero se ensayaron a carga vertical en el
laboratorio de estructuras del Centro Regional de Desarrollos Tecnológicos para la Construcción,
Sismología e Ingeniería Sísmica
(CeReDeTec) de la UTN regional Mendoza, utilizando el pórtico de reacción del
mencionado laboratorio.
Descripción del ensayo
Los ensayos a carga vertical
de las cuatro series de los prototipos se las realizo
como ya se mencionó, en el pórtico de reacción del CeReDeTec
de la UTN, la primera serie (APA-1) de los prototipos está conformada de dos aisladores con reforzamiento de una placa de acero de 5 mm de espesor, la segunda
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
serie (APA-2) también
la conforman dos aisladores pero con dos placas de acero de 5 mm de espesor,
la tercera serie (APAN-1) la conforma dos aisladores con reforzamiento
de una placa de acero de 5 mm de espesor perforada
y un núcleo de plomo
de 100 mm de diámetro
y 142 mm de alto y la cuarta serie (APAN-2) así mismo se conforma de dos aisladores con dos placas
de acero de 5 mm de espesor
y el núcleo de plomo de
la mismas dimensiones que los
de la serie anterior.
A cada prototipo
se le realizaron dos ensayos
y se sacó un promedio
de los desplazamientos verticales y horizontales, a los prototipos de las
dos primeras series (sin núcleo de plomo) se les aplico una carga vertical constante desde 0 Tn hasta
30 Tn. En cambio a los de las series tres y cuatro se les aplico
una carga vertical
desde 0 Tn hasta 35 Tn.
Resultados
Tabla 4.1 - Prototipo
APA1-1 (Con Refuerzo de 1 placa
de acero - Ensayo 1)
Figura 4.2 La figura
muestra la Relación
Fuerza-Desplazamiento para
cargas axiales y la Rigidez
. Vertical del prototipo APA1-1.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Tabla 4.2 - Prototipo
APA1-2 (Con Refuerzo de 1 placa de acero - Ensayo 2)
Figura 4.3 La figura
muestra la Relación
Fuerza-Desplazamiento para
cargas axiales y la Rigidez
. Vertical del
prototipo APA1-2.
Tabla 4.3 - Prototipo APA2-1 (Con Refuerzo de 2 placas
de acero - Ensayo 1)
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Figura 4.4 La figura
muestra la Relación
Fuerza-Desplazamiento para
cargas axiales y la Rigidez
. Vertical del prototipo APA2-1.
Tabla 4.4 - Prototipo
APA2-2 (Con Refuerzo de 2
placas de acero - Ensayo
2)
Figura 4.5 La figura
muestra la Relación
Fuerza-Desplazamiento para
cargas axiales y la Rigidez
. Vertical del prototipo APA2-2
Tabla 4.5 - Prototipo APAN 1-1 (Refuerzo de 1 placa de acero
y núcleo de plomo - Ensayo 1)
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Figura 4.6 La figura
muestra la Relación
Fuerza-Desplazamiento para cargas axiales
y la Rigidez
. Vertical del prototipo APAN1-1
Tabla 4.6 - Prototipo APAN 1-2 (Refuerzo de 1 placa de acero
y núcleo de plomo - Ensayo 2)
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
Figura 4.7 La figura
muestra la Relación
Fuerza-Desplazamiento para
cargas axiales y la Rigidez
. Vertical del prototipo APAN1-2
Tabla 4.7 - Prototipo APAN 2-1 (Refuerzo de 2 placas de acero
y núcleo de plomo - Ensayo
1)
Figura 4.8 La figura
muestra la Relación Fuerza-Desplazamiento para cargas axiales y
la Rigidez
. Vertical del prototipo APAN2-1
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición
de placas de acero
de refuerzo
Tabla 4.7 - Prototipo APAN 2-2 (Refuerzo de 2 placas de acero
y núcleo de plomo - Ensayo
2)
Figura 4.9 La figura muestra
la Relación Fuerza-Desplazamiento para cargas axiales y
la Rigidez
. Vertical del prototipo APAN2-2
Comentarios
A los prototipos de la primera y segunda serie se les aplico una carga vertical hasta
llegar a las 30 Tn. Observándose que
los de la primera serie que tienen de refuerzo una sola placa de acero el desplazamiento vertical bordeo de 25,40 mm
y 26,10 mm en cambio los de la segunda serie el desplazamiento vertical fue de 17,80 mm y 19,00 mm, es decir que
al tener dos placas de refuerzo tiene
una mayor rigidez vertical, por lo que sus desplazamientos son menores. Cabe
mencionar que las deformaciones de los prototipos se mantuvieron en el
rango elástico durante los ensayos.
A estos prototipos de la tercera
serie se le aplicaron la carga vertical
hasta llegar a las 35 Tn, que los prototipos que se les reforzó con una placa de acero y núcleo
de plomo, tuvieron
un comportamiento similar
a los prototipos de la serie 1 y 2 en cuanto
a los desplazamientos, pero en cambio el núcleo de plomo le proporciono una mayor rigidez
vertical, los prototipos de la cuarta
serie son los tuvieron un
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
mejor comportamiento en cuanto a los desplazamientos vertical que tuvieron
en el orden de los 14,95 mm y los 17,13 mm, y tuvieron una mayor
rigidez vertical, ya que estos estaban reforzados con dos placas de acero y un núcleo de plomo.
Además cabe mencionar que durante los ensayos de los prototipos se
mantuvieron dentro del rango elástico.
Además el diseño de los aisladores se los enmarco dentro de
los parámetros de control que define la normativa chilena
NCh2745 y las recomendaciones de diseño que indica la teoría básica
de la técnica del aislamiento
sísmico. Todos los parámetros de diseño verifican los valores estipulados por
la normativa de aplicación y por la
geometría que poseen los dispositivos.
Este trabajo se enmarca dentro de un
proyecto de investigación, dentro sus objetivos principales es la de caracterizar a los dispositivos
frente a cargas horizontales y verticales, ensayos experimentales a cargas axiales y cargas horizontales. Los
ensayos a carga axial se realizaron dentro de esta primera
etapa, los resultados de estos ensayos son los que se muestran en el
apartado anterior. Los ensayos a carga horizontal se los realizara en una próxima etapa.
Agradecimientos: El presente
trabajo fue desarrollado en el marco del proyecto de Investigación homologado ECUTIME0004335TC de la
Universidad Tecnológica Nacional- FRM, (UTN). Los autores agradecen a las autoridades de la Universidades UTN y UTM, por el financiamiento brindado
al proyecto
Referencias
1.
Martelli,
A., (2005). “Modern Seismic Protection Systems for Civil and Industrial Structures”. Congreso Chileno de
Sismología e Ingeniería Antisísmica. IX Jornadas. 16- 19 Noviembre 2005. Concepción. Chile. CD. ISSN 0718-2678.
2.
Kelly J.
M. and Marsico M. R. Stability and post-buckling behavior in no bolted elastomeric isolators. Mathematical sciences publishers. Vol 1- nº1 (2010).
3.
Madera
Sierra I, Marulanda J., Thomson P., Losanno D., Spizzuoco M. (2018). Experimental Behavior of Carbon and Polyester fiber Reinforced Isolator in Unbonded
configuration. XXXVIII Jornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural.
ID: XXXVIIIJSIE-05-085.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
4.
Mordini
A. and Strauss A (2008). An innovative earthquake isolation system using fiber reinforced rubber bearing. Engineering Structures, 30 (doi:10.1016/j.engstruct.2008.03.010), 2739-2751.
5.
Naghshined
A., Akyuz U and Caner A (2015). Lateral Response Comparison of Unbonded Elastomeric Bearing Reinforced
with Carbon Fiber Mesh and Steel. Shock and Vibration.
6.
Bakhshi,
Ali, Hosein M and Valadoust V (2011). Study on dynamic and mechanical characteristics of carbon fiber and polyamide
fiber-reinforced seismic isolators. Material and Structures, 447-457.
7.
Ping T.,
Kai X., Bin W., ChiaMing C., Han L and FuLin Z. (2014) Development and performance evaluation of an innovative
low-cost seismic isolator. Science China Technological Sciences, 57 (doi:
10.1007/s11431-014-5662-6), 2050-2061.
8.
[8] Kang B., Kan G.
and Moon B (2003).
Hole and lead plug effect on fiber reinforced elastomeric. Journal
of Material Processing Technology,
140, 592-597.
9.
Ashkezari
G., Aghakouychaca A and Kokabib (2008). Design, manufacturing and evaluation of the performance of steel
like fiber reinforced elastomeric seismic isolator. Journal of materials processing technology, 197 (doi:10.1016/j.jmatprotec.2007.06.023), 140-150.
10.
Kang G and Kang B (2009).
Dynamic analysis of fiber-reinforced elastomeric isolation structures.
Journal of Mechanical Science and Technology, 23 (DOI 10.1007/s12206- 008-1214-y), 1132-1141.
11.
Russo G.,
Pauletta M. and Cortesia A. (2013). A study on experimental shear behavior of fiberreinforced elastomeric isolators with various
fiber layouts, elastomers and aging conditions. Engineering Structures, 52 (http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2013.02.034), 422-433.
12.
Strauss
A., Apostolidi E., Zimmermann T., Gerhaher U. and Dritos S. (2014). Experimental investigation of fiber and steel
reinforced elastomeric bearing:
shear modulus and damping coefficient. Engineering Structures, 75, 402-413.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
13.
Hedayati F. and Shahria
M. (2014b). Performance of carbon fiber-reinforced elastomeric isolators
manufactured in a simplified process: experimental investigations. Structural Control
and Health Monitoring, 21
(doi:10.1002/stc.1653), 1347-1359.
14.
Hedayati
F., and Shahria M (2014ª). Sensitivity analysis of carbon fiber-reinforced elastomeric isolators based on
experimental test and finite element simulations. Bulletin Earthquake Engineering, 12 (doi 10.1007/s10518-013-9556-y), 1025-1043.
15.
Toopchi-Nezhad H., Tait M., and Drysdale
R (2011). Bonded
versus unbonded trip fiber reinforced elastomeric isolators: Finite
element analysis. Composite Structures, 93 (doi:10.1016/j.compstruct.2010.07.009), 850-859.
16.
Besa, J., de la Llera J. C., Jünemann
R. Experimental behavior
and design of a new kinematic isolator. Engineering Structures, Vol.32, 508-522 (2010).
17.
Revista
BIT, Especial terremoto Chile 2010. Aislación y disipación de energía (Disponible online www.fiic.la/lxv consejo directivo Panama/Delallera 2.pdf.)
(2010).
18.
Auqui M.
V., Aguiar R., Gómez P. Análisis de aisladores sísmicos elastoméricos construidos en el Ecuador.
Proyecto previo a la obtención de título de ingeniero civil
(2010).
19.
Tornello,
M. and Sarrazin, M. Base-Isolated building with hig-damping spring systems subjeted to near-fault earthaquakes.
Eartquake and Structures an International Journal, 3(4), 315-340. (2012)
20.
Gioacchini
G., Tornello M., Frau C. Cuantificación de los parámetros elásticos y mecánicos
de un nuevo dispositivo de aislamiento sísmico.
Revista Internacional de Estructuras. Vol. 20,2, 199-212. ISSN 1390-0315 (2015)
21.
Gioacchini G., Frau
C., Tornello M. (2018). Madera
Sierra I, et al, (2018). Seiemic Protection with low capacity axial elastomeric device. XXXVIII
Jornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural. ID:
XXXVIIIJSIE-02-004.
22.
NCh2745. Of 2013
(2013). Análisis y Diseño
de Edificios con Aislación
sísmica.
23.
Naeim F.,
Kelly J. M. (1999). Design of seismic isolated structures. Editorial J. Wiley and Sons.
INE.
Diseño, construcción y ensayos a carga vertical, de aisladores sísmicos
elastómeros para carga
axial controlada,
con adición de placas de acero de
refuerzo
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