Así funcionan los Aisladores Sísmicos en un movimiento telúrico:

 

 

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Los edificios aislados sísmicamente necesitan una zona de inspección para el sistema de aislamiento.

La norma ASCE 7-10 indica que los edificios aislados deben tener una zona de inspección para el sistema de aislamiento. Se presentan dos casos, cuando el edificio no tiene sótanos y cuando el edificio si tiene sótanos.

Edificio Aislado SIN Sótanos: Los edificios aislados sin sótanos deben tener un semisótano de inspección. Se recomienda que tenga una altura de 1.8 m, medido del fondo de losa al nivel del piso del semisótano. Esta altura está relacionada con la altura estándar de las personas y con las temperaturas de las zonas, en zonas cálidas se recomienda que sea un poco mayor. La altura del pedestal, donde el aislador descansa, está definida por la altura del semisótano, el pedestal debe tener sección suficiente para soportar cargas de pandeo y de segundo orden.

 

Fig.01 Semisótano de Inspección

 

 

Edificio Aislado CON Sótanos: En el caso de edificios con sótanos ya no se necesita un semisótano adicional, ya que el sótano bajo el sistema de aislamiento puede usarse como zona de inspección. Las vigas bajo los aisladores que conectan a los capiteles inferiores no requieren losas de conexión quedando vacíos que sirven como accesos de inspección.

 

Fig.02 Zona de inspección

 

Referencias:

-ASCE 7-2010, Minimum Design for Building and Other structures. Library of Congress Cataloging-in-Publication data. 2010, EEUU.

Sabías que los aisladores de caucho, en especial los de caucho de alto amortiguamiento presentan un efecto denominado SCRAGGING.

Fig. : Efectos de Scragging presentado de manera predominante en

Aisladores de Caucho de Alto Amortiguamiento.

En caso de Aisladores de Caucho Natural, el efecto es mínimo. (Thompson et all)

 

Las curvas fuerza-desplazamiento en los aisladores de caucho cambian con ciclos repetitivos. Se observan mayores valores de rigidez y resistencia en el primer ciclo de deformación de un aislador comparado con ciclos posteriores.

El efecto Mullins (Mullins, 1969) o scragging es la reducción cíclica de la rigidez de los aisladores para deformaciones al corte moderadas a altas. Mullins mostró que la mayor parte de la reducción (ablandamiento) ocurre luego del primer ciclo de deformación y que el ciclo subsiguiente a ese mismo nivel de deformación produce reducciones de rigidez gradualmente menores. Tal estabilización en la histéresis se puede ver en la figura 1.

El porcentaje de reducción en la rigidez efectiva respecto al primer ciclo depende de la composición del caucho, del proceso usado para fabricar el aislador y el historial de deformación.

Muchas veces se añaden aditivos químicos al caucho natural para modificar el módulo de corte y/o amortiguamiento del aislador. Mullins observó que al modificar químicamente el caucho natural mediante aditivos el porcentaje de scragging aumentaba. Esta tendencia se refleja en la Guía de Diseño de Aislamiento de la AASHTO y en la Norma ASCE 7-16 recientemente publicada, en la que se asignan valores más grandes del factor scragging para aisladores de caucho de alto amortiguamiento en comparación de los aisladores de caucho natural con núcleo de plomo.

Cómo influye en el diseño del edificio aislado el efecto de scragging?

Luego de haber establecido las propiedades nominales de los aisladores, éstas se tienen que afectar por factores (l) que contemplen la variabilidad de los aisladores debido al envejecimiento, medio ambiente, scragging, entre otros. En el caso del Scragging los factores que usa la norma AASHTO son los siguientes:

TIPO DE AISLADOR l PARA  Kd l PARA Qd
Caucho Natural Con/Sin Núcleo de Plomo 1.0 1.0
Caucho De Alto Amortiguamiento (b<15%) 1.2 1.2
Caucho De Alto Amortiguamiento (b> 15%) 1.8 1.5

 

REFERENCIAS:

Andrew Thompson et all, “Property Modification Factors For Elastomeric Seismic Isolation Bearings”, 12WCEE 2000, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, CA 94804.

Mullins, L. (1969), “Softening of rubber by deformation”, Rubber Chemistry and Technology, Volume 42, No. 1, February.

American. (2014), “Guide Specifications for Seismic Isolation Design”, American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), Washington, D.C.

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Si tu duda era la capacidad que tienen los sistemas de aislamiento de regresar a su posición original pasado un evento sísmico, pues la respuesta es que estos dispositivos SI tienen la capacidad de retomar su posición original pasado algún evento sísmico (si es que hablamos de sistemas basados en aisladores elastómeros) sin embargo lo anteriormente es válido bajo el cumplimiento de algunos parámetros.

Se han desarrollado dos estrategias competitivas para verificar la capacidad de retorno del aislamiento sísmico: (a) una estrategia defendida por ingenieros en Nueva Zelanda, Estados Unidos y Japón que presumen una fuerte fuerza restauradora en el sistema de aislamiento y la estrategia italiana en la que asumen que el sistema de aislamiento exhibe un comportamiento esencialmente elasto-plástico.

Las especificaciones de USA en la normativa ASCE 7-10 establecen una rigidez mínima requerida para el todo sistema de aislamiento (sistemas que no cuenten con dispositivos viscosos), tal que la fuerza de al desplazamiento de diseño (D) menos la fuerza  a la mitad del desplazamiento (D/2) sea mayor que 0.025W, esto es:

K_d D ≥ 0.05 W

Donde (D) es el desplazamiento de diseño del sistema de aislamiento, (Kd) es la rigidez post-fluencia del sistema de aislamiento y (W) es el peso del edificio. (Definido por la norma).

Por otro lado, las especificaciones del Eurocode 8(Comité Europeo de Normalización, 2005) establecen que la fuerza de al desplazamiento de diseño (D) menos la fuerza  a la mitad del desplazamiento (D/2) sea mayor que 0.025W.Dr/D, donde Dr está definido por:

Dr = Qd / kd

Lo especificado en Eurocode 8 puede expresarse como:

K_d D ≥ W (0.05µ) ^ 0.5

µ = Qd / W

Donde (D) es el desplazamiento de diseño del sistema de aislamiento, (Kd) es la rigidez post-fluencia del sistema de aislamiento, (W) es el peso del edificio y (Qd) es la fuerza característica.

Las ecuaciones anteriores tanto de la ASCE 7-10 y Eurocódigo 8 (Comité Europeo de Normalización, 2005)  reconocen la importancia de verificación de la fuerza de restauración del sistema de aislamiento. Cabe mencionar que la nueva ASCE 7-2016 ha incluido nuevos enfoques para la fuerza de restauración y desplazamientos residuales, los cuales se invita al lector a investigar.

 

Fig. 1: Relación Fuerza-Desplazamiento para aisladores elastómeros

Referencias:

-Normativa ASCE7-2017-Minimum design loads for building and other structures, cap.18.

-Analysis and design procedures for bridge bearings and seismic isolators, cap.3

-Erocode 8, seismic design of bridge.

 

Cuando se habla de procedimientos de diseño de sistemas de aislamiento en estructuras podemos diferenciar 3 metodologías aceptadas por la normativa ASCE7-2010. Asi mismo esta normativa indica las restricciones de uso para cada procedimiento en su capítulo 17.

Método estático o de fuerza lateral equivalente:

El procedimiento de fuerza lateral equivalente (ELF) es un método basado en el desplazamiento, que utiliza ecuaciones simples para determinar la respuesta de estructura aislada, el método nos permite conocer el cortante basal de la estructura y con ello conocer las fuerzas que actúan en la estructura para finalmente resolverlo con un análisis estructural.
Calculo de desplazamiento:

Δ = Sa*T²*g/(4*π²*B)

Calculo del coeficiente amortiguamiento:

B = (β/0.05)°·³

Calculo del periodo de la estructura:

T = 2π√ W / keff g

Donde:
Δ = Desplazamiento de diseño de la estructura aislada.
Sa = Aceleración espectral al periodo T.
B = Coeficiente de amortiguamiento.
β = Amortiguamiento efectivo del aislador.
KD = Rigidez efectiva del aislador.

Método Dinámico Espectral
Los métodos de análisis del espectro de respuesta requieren que los aisladores sean modelados (sea en Etabs, SAP o en otro software) usando valores dependientes de la amplitud de rigidez y amortiguación efectivas que son esencialmente los mismos que los del procedimiento ELF, sujeto a la limitación de que la amortiguación efectiva de los modos aislados de respuesta no exceda el 30% del amortiguamiento crítico.
Es probable que se tenga que hacer iteraciones de manera que con los valores de rigidez y amortiguamiento efectivos dependientes del desplazamiento se obtengan desplazamientos iguales a los asumidos para el cálculo de los valores anteriormente brindados.

Método Dinámico Tiempo-Historia
Para el análisis de respuesta de tiempo-historia, las características no lineales de los aisladores se modelan explícitamente en el modelo matemático (en lugar de usar rigidez y amortiguación efectivas). Para este análisis es necesario conocer la curva de histéresis del aislador.

Referencias:
Normativa ASCE7-2017 Minimum design loads for building and other structures, capítulo 17.
FEMA P-751; Chapter 12: Seismically Isolated Structures

CDV Ingeniería Antisísmica estará presente en el Seminario Internacional Durabilidad y Patologías del Concreto, evento organizado por ACI PERU en el Colegio de Ingenieros (Av. Arequipa 4947 – Miralfores)  este viernes 15 de julio.

Para mayor información, los invitamos a visitar la página del evento Seminario ACI PERU – Corrosión en Estructuras de Concreto

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El ACI PERU y el Colegio de Ingenieros del Peru se han reunido para organizar el primer Conversatorio Técnico: RIESGO SÍSMICO EN EL PERÚ.

El evento, que reunirá a diversos especialistas, se realizará el viernes 1 de julio en el Auditorio Principal del CIP en Miraflores.

Para mayor información, ingrese al siguiente link: http://tinyurl.com/jzvuzm9

Invitacion_Conversatorio_Sismo

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