CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.2. Bases Teóricas
2.2.6. Aislamiento Sísmico de Edificaciones
2.2.6.1. Fundamentos del Aislamiento Sísmico
En los últimos tiempos (décadas), en países con zonas de elevada sismicidad, los estudios de edificaciones aisladas con sistemas protección sísmica a crecido notablemente en temas investigativos evaluado su comportamiento estructural frente a las respuestas de los espectros sísmicos de diseño. Esto sucede debido a la presencia de sismos catastróficos que ha ocurrido a lo largo de la historia mundial, dentro estos sismos producidos podemos mencionar a los ocurridos en las últimas décadas en algunos países como por ejemplo el sismos de L'Aquila en Italia en el 2009, el sismo de Maule en Chile en el 2010, el sismo de Canterbury en Nueva Zelanda en el año 2010, el sismo de Tohoku en Japón en el 2011, el sismo de Lushan en China en el 2013, que fueron sismos de elevada magnitud, que han conllevado a grandes pérdidas de vidas humanas, elevadas pérdidas económicas, colapsos totales de las edificaciones, es por
35 ello que desde ese entonces el empleo de dispositivos de aislamiento ha crecido notablemente, puesto que edificaciones aisladas con dispositivos de protección sísmica en su base mostraron grandes resultados frente a dichos eventos sísmicos sin daños estructurales ni en sus contenidos (Van, 2019)
El aislamiento sísmico es una tecnología que cuida la estructura contra los efectos destructivos de un movimiento sísmico, desacoplando la estructura del suelo, incrementando el amortiguamiento estructural e incrementando el periodo, disipando de esta forma la energía en los dispositivos que forman parte del sistema de aislamiento.
Esta forma de desacoplar la estructura del suelo permite que el edificio actúe con mayor flexibilidad, esto permite una mejora considerable en su respuesta ante un movimiento sísmico. La amortiguación extra que se le otorga a la edificación producto de esta tecnología permite que la energía del sismo sea absorbida por el sistema de aislamiento, reduciendo de manera significativa la energía transferida a la estructura. (Dynamic Isolation Systems, 2007)
El aislamiento sísmico se logra de manera física a través de la colocación de la estructura sobre una interfaz de aisladores. Los aisladores se pueden definir como dispositivos lateralmente flexibles, pero con una rigidez vertical muy grande con capacidad suficiente de soportar las cargas axiales actuantes de la estructura. Como los dispositivos de aislamiento muy flexibles horizontalmente, el movimiento se concentra en una mayor proporción en estos dispositivos, liberando de esta manera la energía entrante de sismo y por ende transmitiendo a la estructura una energía muy reducida de un 10% a 20% de la energía entrante de sismo, y por ende las después sísmicas disminuyen considerablemente entrando menor cortante y produciendo desplazamientos relativos y aceleraciones más bajas, ya que existen menores movimientos y menores esfuerzos en la superestructura, las vidas de los habitantes se
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36 encuentran protegidas, las edificaciones permanecen operativas, los contenidos son protegidos. (Dynamic Isolation Systems, 2007)
Si se compara el diseño estructural tradicional con el del aislamiento sísmico, este definitivamente tendrá un mejor rendimiento. En relación a los esfuerzos y desplazamientos en la estructura se pueden reducir hasta en un 75%. El sistema de aislamiento logra deformarse de forma lateral durante la ocurrencia de un sismo.
Después del movimiento sísmico, trae como consecuencia una estructura funcional con poco o ningún daño. (Dynamic Isolation Systems, 2007)
El diseño estructural tradicional está enfocado a prevenir el colapso de la estructura y pérdidas de vidas. Este punto de vista de diseño no toma en cuenta la ocupación inmediata, el mantenimiento del funcionamiento, menos otorga una facilidad para la reparación de la estructura. El diseño de forma tradicional se fundamente en los posibles daños a la estructura, como, por ejemplo, la flexión y la deformación plástica como forma o mecanismo para disipar la energía de un sismo o movimiento telúrico.
El diseño y comportamiento dúctil de las zonas de flexión ayudan a evitar el colapso de la estructura. Comportamiento propio o Inherente a este diseño, está la posibilidad de un daño considerable a la estructura, contenido y una inoperable estructura inservible luego de la ocurrencia de un sismo severo. (Dynamic Isolation Systems, 2007).
37 Figura 4 Comportamiento de una edificación de base fija y con aislamiento de base Comportamiento de una edificación de base fija y con aislamiento de base
Nota. La figura muestra el comportamiento de la estructura en base fija y estructura aislada, en donde se observa grandes distorsiones de entrepiso para estructuras en base fija. Adaptado de (Talavera , 2017)
Figura 5 Principios de diseño con Aislamiento sísmico Principios de diseño con Aislamiento sísmico
Nota. La grafica muestra el comportamiento de una estructura aislada, donde se observa el incremento del periodo y el incremento de amortiguamiento conllevando a reducción de fuerzas cortantes y aceleraciones. Adaptado de (Huamaní, 2021).
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38 2.2.6.1.1. Requisitos Geométricos para Aislar una Estructura
Una estructura para poder diseñar con dispositivos de aislamiento sísmico tiene que cumplir con una relación de esbeltez menor a 3, puesto que para valores mayores la estructura va a empezar a sufrir torciones lo que conllevaría a generar grandes tracciones que imposibilitan el diseño con aislamiento sísmico.
Figura 6 Relación de esbeltez de la estructura a aislar Relación de esbeltez de la estructura a aislar
Nota. La relación de esbeltes H/B para poder aislar una estructura debe ser menor a 3. Adaptado de (Muñoz A. , 2017)
2.2.6.1.2. Efectos del Suelo en Estructuras con Aislamiento Sísmico
El comportamiento de los suelos para edificaciones con sistemas de aislamiento sísmico juega un valor muy importante y es definitorio para poder aislar una estructura, se dice que un suelo blando en periodos cortos presenta respuestas sísmicas bajas, mientras que para periodos altos con los que se diseña los sistemas
39 de aislamiento sísmico las respuestas se ven amplificadas, lo que conllevaría a mayores cortantes, mayores derivas, mayores aceleraciones limitando en este caso el diseño con sistemas de aislamiento sísmico, mientras que un suelo rígido para periodos largos minimiza la respuesta sísmica dando resultados exitosos.
Figura 7 Efectos del tipo de suelo en estructuras con aislamiento sísmico.
Efectos del tipo de suelo en estructuras con aislamiento sísmico.
Nota. La figura muestra el comportamiento del suelo de la estructura para edificaciones asiladas donde los periodos son largos T2 imposibilitando el uso de estos dispositivos.
2.2.6.1.3. Ecuación de Movimiento y Conceptos de Energía
(Kelly & Naeim, 1999) desarrollaron las ecuaciones de movimiento de una estructura con sistemas de aislamiento sísmica. Para el desarrollo de la ecuación realizaron el análisis de una estructura de un solo nivel con sistemas de aislamiento en su base y luego lo generalizaron a una estructura de varios
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40 niveles considerando la estructura como un sistema de masa-resorte de varios grados de libertad.
Figura 8 Modelo numérico de un sistema de aislamiento de uno y varios grados de libertad
Modelo numérico de un sistema de aislamiento de uno y varios grados de libertad
Nota. Adaptado de (Kelly & Naeim, 1999)
2.2.6.1.3.1. Ecuación de movimiento de sistemas de un grado de libertad
Para desarrollar la ecuación de movimiento de la estructura de un grado de libertad se considera que la estructura se compone de dos masas concentradas, una masa m del primer piso y una masa mb del sistema de aislamiento y que independientemente la superestructura tiene una rigidez igual
41 a Ks y amortiguamiento Cs, además el sistema de aislamiento tiene una rigidez igual a Kb y amortiguamiento Cb tal como se muestra en la figura 8 parte (A).
Tomando estos criterios obtenemos la ecuación de movimiento del sistema para un grado de libertad tenemos:
𝑚ü + 𝐶𝑏(𝑢̇ − 𝑥𝑔̇ + 𝐾) 𝑏(𝑢 − 𝑥𝑔) = 0 ( 2.1)
Ahora para simplificar la ecuación de movimiento hacemos que: 𝑥 = 𝑢 − 𝑥𝑔 y encontramos la rigidez y el coeficiente del sistema de amortiguamiento del sistema de aislamiento.
Frecuencia angular 𝜔𝑏 del sistema de aislamiento.
𝜔𝑏 = √𝐾𝑏
𝑚 ( 2.2)
Despejando de (2.2) tenemos que la rigidez 𝐾𝑏 del sistema de aislamiento esta dada por:
𝐾𝑏 = 𝜔𝑏2. 𝑚 ( 2.3) El amortiguamiento del sistema de aislamiento esta dado por la siguiente relación:
𝛽𝑏 = 𝐶𝑏
2𝜔𝑏𝑚 ( 2.4) De la ecuación (2.4) despejamos el coeficiente de amortiguamiento 𝐶𝑏 y tenemos que:
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42 𝐶𝑏 = 2𝜔𝑏𝑚𝛽𝑏 ( 2.5) Reemplazando estos parámetros encontrados parámetros considerados en la ecuación de movimiento inicial tenemos que:
𝑚𝑥̈ + 𝐶𝑏𝑥̇ + 𝐾𝑏𝑥 = −𝑚𝑥𝑔̈ ( 2.6)
De la ecuación (2.6) podemos mencionar que es una ecuación diferencial de segundo orden no homogénea y para poder resolverlo dividiremos ambos miembros de la ecuación entre m, y obtendremos una ecuación diferencial de la siguiente forma:
𝑥̈ + 2𝜔𝑏𝛽𝑏𝑥̇ + 𝜔𝑏2𝑥 = −𝑥𝑔̈ ( 2.7)
Para poder resolver la ecuación (2.7) aplicamos el método de variación del parámetro y consideramos además la frecuencia amortiguada la cual es:
𝜔̅𝑏= 𝜔𝑏√1 − 𝛽𝑏2 ( 2.8)
Reemplazando estos parámetros en la ecuación diferencial tenemos que:
𝑋(𝑡) = 𝐶1(𝑡)𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡sin( 𝜔̅𝑏𝑡) + 𝐶2(𝑡)𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡cos( 𝜔̅𝑏𝑡) ( 2.9) Las funciones 𝐶1(𝑡) 𝑦 𝐶2(𝑡) han sido seleccionadas para cumplir la siguiente condición:
𝐶1̇ (𝑡)𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡sin( 𝜔̅𝑏𝑡) + 𝐶2̇ (𝑡)𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡cos( 𝜔̅𝑏𝑡) = 0 ( 2.10) Derivando la ecuación (2.9) tenemos que:
𝐶1̇ (𝑡)𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡( 𝜔̅𝑏𝑐𝑜𝑠( 𝜔̅𝑏𝑡) − 𝛽𝑏𝜔𝑏𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏𝑡)) −
𝐶2̇ (𝑡)𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡(𝜔𝑏𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏𝑡) + 𝛽𝑏𝜔𝑏𝑐𝑜𝑠( 𝜔̅𝑏𝑡) = 0 ( 2.11)
43 Resolviendo el sistema de ecuaciones de las ecuaciones (2.10) y (2.11)
tenemos que:
𝐶1̇ (𝑡) = − 1
𝜔̅𝑏𝑥𝑔̈ (𝑡). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡𝑐𝑜𝑠( 𝜔̅𝑏𝑡) ( 2.12) 𝐶2̇ (𝑡) = 1
𝜔̅𝑏𝑥𝑔̈ (𝑡). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏𝑡) ( 2.13) Para determinar las funciones 𝐶1(𝑡) 𝑦 𝐶2(𝑡) integramos las expresiones de las ecuaciones (2.12) y (2.13) y tenemos que:
𝐶1(𝑡) = − 1
𝜔̅𝑏∫ 𝑥0𝑡 𝑔̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝜏cos( 𝜔̅𝑏𝜏)𝑑𝜏+ 𝐶1 ( 2.14) 𝐶2(𝑡) = 1
𝜔̅𝑏∫ x0𝑡 g̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝜏𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏𝜏)+ 𝐶2 ( 2.15) Reemplazando todas estas expresiones en la ecuación diferencial de
movimiento tenemos la siguiente expresión:
𝑋(𝑡) = 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝑡(𝐶1𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏𝑡) ) + 𝐶2cos( 𝜔̅𝑏𝑡)) −
1
𝜔̅𝑏∫ 𝑥0𝑡 𝑔̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝜏𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏(𝑡 − 𝜏))𝑑𝜏 ( 2.16) Ahora considerando las condiciones iniciales de un movimiento en donde la posición es cero y la velocidad es igual a cero, por lo tanto, las constantes 𝐶1 = 𝐶2 = 0 y por lo tanto la ecuación de movimiento se reduce a la siguiente expresión que está expresada en función de la integral de Dhuamel.
𝑋(𝑡) = − 1
𝜔̅𝑏∫ 𝑥0𝑡 𝑔̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝜏𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔̅𝑏(𝑡 − 𝜏))𝑑𝜏 ( 2.17) La mayoría de sistemas estructurales consideran bajos amortiguamientos en donde estos sistemas no exceden al 20% del amortiguamiento crítico por ende la frecuencia amortiguada es igual a la frecuencia natural del sistema:
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√1 − 𝛽𝑏2 ≈ 0 ( 2.18)
𝜔̅𝑏= 𝜔𝑏 ( 2.19) Bajo estas consideraciones de amortiguamiento decimos que la ecuación de movimiento se reduce a:
𝑋(𝑡) = − 1
𝜔𝑏∫ 𝑥0𝑡 𝑔̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏(𝑡−𝜏)𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔𝑏(𝑡 − 𝜏))𝑑𝜏 ( 2.20) De la ecuación (2.20) podemos mencionar que el valor absoluto de la integral de Dhuamel representa la pseudo-velocidad del movimiento del sistema y está representado por la siguiente ecuación:
𝑆𝑉 = ⌊∫ 𝑥0𝑡 𝑔̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏𝜏𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔𝑏(𝑡 − 𝜏))𝑑𝜏⌋ ( 2.21)
De la ecuación (2.21) podemos obtener el desplazamiento espectral 𝑆𝐷 del sistema y la pseudo-aceleración 𝑆𝐴 de mi sistema el cual queda representado por:
𝑆𝐷 = 𝑆𝑉
𝜔𝑏 ( 2.22) 𝑆𝐴 = 𝑆𝐷𝜔𝑏2 ( 2.23)
Para determinar mis pseudoaceleraciones, mis presudo-velocidades, mi desplazamiento espectral en necesario que la aceleración del terreno 𝐱𝐠̈ (𝐭) sea conocida.
45 2.2.6.1.3.2. Ecuación de movimiento de sistemas de un grado de libertad
La ecuación de movimiento de un sistema de dos o más pisos tal como se muestra en la figura 8 apartado (B) puede desarrollares como un sistema de masa resorte de varios grados de libertad, para el desarrollo se realiza las ecuaciones de movimiento de cada nivel y se ensambla a través de un sistema matricial siguiendo los mismos pasos que un sistema masa resorte de un grado de libertad.
La siguiente ecuación representa la ecuación matricial de mi sistema de varios grados de libertad analizados como sistema de masa resorte.
[𝑴]{𝒙̈} + [𝑪]{𝒙̇} + [𝑲]{𝒙} = −𝒙̈𝒈[𝑴]{𝟏} ( 2.24)
La matriz [𝑴] representa las masas de los pisos de mi sistema de aislamiento y está dado por la siguiente matriz:
( 2.25)
La matriz [𝑪] representa los amortiguamientos de los pisos de mi sistema de aislamiento y está dado por la siguiente matriz:
( 2.26)
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46 La matriz [𝑲] representa las rigideces de los pisos de mi sistema de aislamiento y está dado por la siguiente matriz:
( 2.27)
La siguiente expresión muestra el vector de desplazamientos de los pisos de la estructura de varios grados de libertad.
{𝑥} = {𝑥1; 𝑥2; 𝑥3… … 𝑥𝑚; 𝑥𝑛} ( 2.28)
La siguiente expresión muestra el vector de velocidades de los pisos de la estructura de varios grados de libertad.
{𝑥̇} = {𝑥̇1; 𝑥̇2; 𝑥̇3… … 𝑥̇𝑚; 𝑥̇𝑛} ( 2.29)
La siguiente expresión muestra el vector de aceleraciones de los pisos de la estructura de varios grados de libertad.
{𝑥̈} = {𝑥̈1; 𝑥̈2; 𝑥3̈ … … 𝑥̈𝑚; 𝑥̈𝑛} ( 2.30) {𝟏} : Representa al vector unitario de dimensión 1xn.
El vector desplazamiento relativo {𝑥} lo vamos a determinar en función de un vector generalizado {𝑥′} a través de la siguiente expresión que incluye la matriz modal del sistema y está dada por:
{𝑥} = [𝛷]{𝑥′} ( 2.31)
47 [𝛷] representa la matriz modal del sistema y está dada por:
( 2.32)
De la ecuación matricial (2.31) derivamos ambos miembros y tenemos la siguiente relación:
[𝑴][Φ] {𝑥´̈} + [𝑴][Φ] {𝑥´̇} = −𝒙̈𝒈[𝑴]{1} ( 2.33)
Para logar desarrollar la ecuación matricial primeramente premultiplicamos a ambos lados de la sección por [Φ]𝑇, luego lo dividimos ambos miembros entre [Φ]𝑇[𝑴][Φ] y obtenemos la siguiente ecuación vectorial matricial tal como se muestra a continuación:
{𝑥´̈} + [Φ]𝑇[𝐶][Φ]
[Φ]𝑇[𝑴][Φ]{𝑥´̇} +[Φ]𝑇[𝐾][Φ]
[Φ]𝑇[𝑴][Φ]{𝑥} = −𝒙̈𝒈[𝑴]{1}[Φ]𝑇
[Φ]𝑇[𝑴][Φ] ( 2.34) El amortiguamiento del sistema de aislamiento esta dado por la siguiente relación:
𝛽𝑚 = 𝐶𝑚
2𝜔𝑚𝑚𝑚 ( 2.35) Para valores de m que van dese el piso 1 hasta el último piso n
Entonces dado dicho amortiguamiento 𝛽𝑚 del sistema de aislamiento, podemos representar matricialmente la siguiente matriz:
( 2.36)
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48 Así mismo se puede escribir la matriz de rigidez diagonal [𝜔2] que lo
mostraremos a continuación:
( 2.37)
En la parte derecha de la ecuación (2.34) de ha formado un vector matricial Γ que presentaremos a continuación:
Γ = [𝑴]{1}[Φ]𝑇
[Φ]𝑇[𝑴][Φ]
Reemplazando estas matrices en la ecuación (2.34) reducimos a la siguiente expresión:
{𝑥̈´𝑚} + [2𝛽𝜔]{𝑥´̇} + [𝜔2]{𝑥} = −Γ𝒙̈𝒈 ( 2.38)
Ahora resolviendo esta ecuación aplicando la ecuación de Dhuamel y haciendo que la frecuencia amortiguada sea igual a la frecuencia natural para cada nivel obtenemos la siguiente ecuación:
Para valores de m =1,2,3….n
𝑥´𝑚(𝑡) = − 1
𝜔𝑏Γ𝑚∫ 𝑥0𝑡 𝑔̈ (τ). 𝑒−𝛽𝑏𝜔𝑏(𝑡−𝜏)𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔𝑚(𝑡 − 𝜏))𝑑𝜏 ( 2.39) Una vez determinada el matiz generalizado de desplazamiento {𝑥´} determinamos las matrices de velocidades y aceleraciones como mostraremos a continuación:
49 {𝑥̇} = [Φ]{𝑥´̇} ( 2.40) {𝑥̈} = [Φ]{𝑥̈´} ( 2.41)
2.2.6.1.4. Dispositivos de Aislamiento Sísmico
Se realiza una descripción de las características físicas y mecánicas de los tipos de aisladores sísmicos más utilizados los cuales son los dispositivos elastoméricos y friccionantes.
2.2.6.1.4.1. Aisladores Elastoméricos
Los materiales elastómeros se han empleado para aplicaciones de aislamiento sísmico desde 1969. Estos elastómeros son deseables para el aislamiento de la base debido al bajo módulo de cizallamiento, la casi incompresibilidad y la capacidad de acondicionarse a grandes deformaciones recuperables a niveles de tensión relativamente bajos. Los actuales dispositivos de aislamiento elastomérico se componen de capas horizontales alternas de refuerzo y elastómero vulcanizado. El refuerzo mejora las características de compresión del aislador concediendo que el dispositivo compuesto desarrolle la resistencia y estabilidad necesarias para soportar la estructura superpuesta.
Convencionalmente, las calzas de acero son el refuerzo prioritario. Los aisladores elastoméricos reforzados con acero (SREI) se utilizan ampliamente en aplicaciones de aislamiento de bases y como cojinetes de puentes. (Van, 2019).
Los elastoméricos son el primer tipo de aisladores o unidades de aislamiento, estos consisten en elementos que contemplan amplias deformaciones laterales. Son cilindros reducidos con capas de materiales flexibles que podrían ser gomas de elevada resistencia, intercaladas con láminas hechas de acero. Estas unidades de aislamiento tienen gran resistencia a las
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50 cargas verticales que ocasiona la estructura, sobre todo fundamentada en la disposición de las láminas de acero, que limitan las desmedidas deformaciones por prominencia de las capas de goma, mientras tanto no tienen mayores repercusiones en los desplazamientos horizontales. El producto es una unidad de aislamiento que posee una elevada rigidez vertical, en contraste con la poca rigidez lateral. (Corporación Andina de Fomento, 2016)
La goma empleada en la producción de los aisladores puede ser de ascendencia natural o sintético. Además, las propiedades mecánicas de las unidades de aislamiento son corroboradas mediante ensayos hechos en laboratorio y proporcionadas al propietario o diseñador. (Corporación Andina de Fomento, 2016).
Con el objeto de restringir el movimiento relativo y disipar energía, las unidades de aislamiento deben ocasionar altos valores de amortiguamiento. Es por esta razón que se incorporan núcleos de plomo que aceptan elevadas deformaciones y pueden causar un gran amortiguamiento, el cual cambia en relación del diámetro del núcleo de plomo. (Corporación Andina de Fomento, 2016)
Es preciso mencionar que el plomo sobre todo es empleado por su comportamiento elastoplástico, su facultad de conservar la resistencia durante variedad de ciclos de deformaciones plásticas, incluso de los elevados valores de amortiguamiento que se logran alcanzar, estos valores pueden llegar al 25%
o al 30% del amortiguamiento crítico (Chopra, 2001). Es importante tener cuenta que valores muy elevados de amortiguamiento, no significa necesariamente que es beneficio, aun cuando el nivel a partir del cual esto ocurre, no ha sido definido con precisión todavía. Ocasionalmente se pueden
51 usar núcleos de goma que ocasionan un amortiguamiento de aproximadamente un valor del 12% (valores que van del 8% al 16%) del amortiguamiento crítico, o amortiguadores hidráulicos. Los núcleos de plomo son puestos en la parte central del aislador y en especial estos últimos, aceptan grandes deformaciones.
(Corporación Andina de Fomento, 2016)
a) Aisladores Elastoméricos de Bajo Amortiguamiento (LDRB o NRB).
Se denominan también como dispositivos de aislamiento elastoméricos de caucho natural. Al comienzo fueron empleados sin ninguna consideración de refuerzo tampoco con placa de conexión; pero, luego se percibió que si se quería elevar la rigidez vertical se tenía que fortificar intercalando unas láminas de acero con capas de caucho, así se producía una rigidez vertical que su valor es cientos de veces la rigidez horizontal. (Korswagen, Arias , & Huaringa, 2012)
La fabricación de los LDRB reside en alternar laminas o capas de acero y caucho que se ponen en una formaleta o molde y se le asigna fuerza a una temperatura de 140°C por seis horas aproximadamente. En el transcurso de ese periodo de tiempo se genera la reacción del epóxico puesto entre las capas y el caucho se vulcaniza y de esta manera adopta su condición elástica. La adherencia entre el acero y el caucho debe ser de tal resistencia que tiempo antes que pierda sus propiedades el pegamento debería colapsar la goma. Al alternar el caucho juntamente con el acero la capacidad para poder soportar cargas de gravedad aumenta significativamente y les da estabilidad a soportes laterales elevados ante cargas laterales. Las láminas o placas de acero que se ponen en la parte superior e inferior funcionan para recluir el núcleo y eludir la compresión del caucho ante cargas de gravedad. En la Figura 9 se enseñan los componentes del LDRB. El amortiguamiento de este tipo de unidades de aislamiento o
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52 aisladores está entre valores de 5 y 10%, lo cual impone en múltiples ocasiones a usar sistemas de amortiguadores extras. La fuerza cortante que se genera y la deformación lateral tienen una relación proporcional y lineal (Figura 10). Las ventajas principales de usar este tipo de unidades de aislamiento o aisladores es su facilidad de modelamiento y de fabricación. (Korswagen, Arias , & Huaringa, 2012)
Este rodamiento emplea caucho natural, que intrínsecamente tiene una baja relación de amortiguación (aproximadamente 2-3% de relación de amortiguación equivalente), muy buena linealidad y una fuerza de restauración estable. Se requiere un amortiguador separado, pero el diseño de aislamiento general tiene una flexibilidad mucho mayor. (Bridgestone, 2015)
Figura 9 Componentes del dispositivo LDRB Componentes del dispositivo LDRB
Nota. La figura muestra cada uno de los elementos que componen a un aislador elastomérico de bajo amortiguamiento LDRB Extraído de (Bridgestone, 2015)
53 Figura 10 Curva de histéresis de un dispositivo LDRB
Curva de histéresis de un dispositivo LDRB
Nota. La figura muestra las curvas de histéresis para un aislador de bajo amortiguamiento LDRB, en donde se observa una mayor capacidad de desplazamiento en el primer ciclo, luego disminuye gradualmente disipando de esa forma su energía. Extraído de (Bridgestone, 2015)
b) Aisladores Elastoméricos de Caucho de Alto Amortiguamiento (HDR).
Estas unidades de aislamiento elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR) están fabricados de caucho reformado con aditivos (así como, resinas, aceites, carbón en polvo, polímeros y elementos adicionales que le otorgan la característica de llegar a tener un mayor valor de amortiguamiento por sí solos), intercalado con láminas de acero y en la parte inferior y superior se les coloca una placa de acero para recluir el núcleo. En la Figura 11 se muestran los componentes del HDR. (Korswagen, Arias , & Huaringa, 2012)
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54 El amortiguamiento de este tipo de dispositivos de aislamiento cambia entre el 10 y 20% para deformaciones angulares menores a un valor de 2. Para originar ciclos con estabilidad pasa por un proceso denominado scragging en el cual se les somete a muchos ciclos de deformación y se obtienen ciclos con estabilidad para deformaciones menores. La relación que existe entre la deformación y la fuerza cortante es lineal como se observa en la Figura 12; pero, forma una histéresis que encierra un área menor que los dispositivos LRB.
(Korswagen, Arias , & Huaringa, 2012)
Es primordial resaltar que al añadirle aditivos al caucho se le modifican algunas propiedades mecánicas como por ejemplo la elongación a la ruptura.
Por otro lado, vale mencionar que otro inconveniente es que este tipo de aisladores se dañan más rápidamente. (Korswagen, Arias , & Huaringa, 2012)
Además, el caucho de elevada amortiguación cuenta con características de resorte, así como de amortiguación. Usualmente, no se necesita un amortiguador separado, esta condición hace que se convierta en una buena alternativa para áreas con pequeños o restringidos espacio. Puesto que sus curvas de histéresis son relativamente ligeras, además el aislamiento sísmico se puede ampliar al equipo dentro de la edificación. (Bridgestone, 2015)