Sistema de aislamiento base para terremotos: un esquema de principios, tipos, ventajas y aplicaciones

Un terremoto o terreno por sí solo no es un desastre, es un fenómeno natural que resulta del movimiento del suelo, a veces violento. Estos producen ondas superficiales, que causan una vibración del suelo y las estructuras que se encuentran en la parte superior. Dependiendo de las características de estas vibraciones, el terreno puede desarrollar grietas, fisuras y asentamientos. El posible riesgo de pérdida de vida agrega una dimensión muy grave al diseño sísmico, lo que pone una responsabilidad moral en los ingenieros estructurales. En los últimos tiempos, se han desarrollado muchos sistemas nuevos, ya sea para reducir las fuerzas del terremoto que actúan sobre la estructura o para absorber una parte de la energía sísmica.
Uno de los sistemas de protección sísmica más implementados y aceptados es el aislamiento base.

El aislamiento base es uno de los sistemas de protección sísmica más ampliamente aceptados en las áreas propensas a los terremotos. Mitiga el efecto de un terremoto al aislar esencialmente la estructura de movimientos terrestres potencialmente peligrosos. El aislamiento sísmico es una estrategia de diseño, que desacopla la estructura para los efectos dañinos del movimiento del suelo. El término aislamiento se refiere a una interacción reducida entre la estructura y el suelo.

Cuando el sistema de aislamiento sísmico se encuentra bajo la estructura, se conoce como "aislamiento base".
El otro propósito de un sistema de aislamiento es proporcionar un medio adicional de disipación de energía, reduciendo así la aceleración transmitida a la superestructura. El desacoplamiento permite que el edificio se comporte de manera más flexible, lo que mejora su respuesta a un terremoto. El concepto de aislamiento base se explica a través de un ejemplo de un edificio que descansa sobre rodillos sin fricción. Cuando el suelo se agita, los rodillos rodan libremente, pero el edificio de arriba no se mueve.
Por lo tanto, no se transfiere ninguna fuerza al edificio debido a la agitación del suelo; Simplemente, el edificio no experimenta un terremoto.

El concepto de aislamiento base se explica a través de un ejemplo de un edificio que descansa sobre rodillos sin fricción. Cuando el suelo se agita, los rodillos rodan libremente, pero el edificio de arriba no se mueve. Por lo tanto, no se transfiere ninguna fuerza al edificio debido a la agitación del suelo; Simplemente, el edificio no experimenta un terremoto.
Ahora, si el mismo edificio se encuentra en almohadillas flexibles que ofrecen resistencia contra los movimientos laterales, entonces se transferirá algún efecto del temblor del suelo al edificio anterior.
Las almohadillas flexibles se denominan isoladores de base, mientras que las estructuras protegidas con estos dispositivos se llaman edificios aislados de base. La característica principal de la tecnología de aislamiento base es que introduce flexibilidad en la estructura.

Se requiere un estudio cuidadoso para identificar el tipo de dispositivo más adecuado para un edificio en particular. Además, el aislamiento base no es adecuado para todos los edificios. Las estructuras más adecuadas para el aislamiento de la base son edificios bajos a medios de altura descansados ​​en tierra dura debajo. Los edificios o edificios de gran altura descansados ​​sobre suelo blando no son adecuados para el aislamiento de la base.

El principio fundamental del aislamiento base es modificar la respuesta del edificio para que el suelo pueda moverse debajo del edificio sin transmitir estos movimientos al edificio. Un edificio perfectamente rígido tendrá un período cero. Cuando el suelo se mueva, la aceleración inducida en la estructura será igual a la aceleración del suelo y habrá cero desplazamientos relativos entre la estructura y el suelo. La estructura y el suelo mueven la misma cantidad. Un edificio perfectamente flexible tendrá un período infinito.
Para este tipo de estructura, cuando el suelo debajo de la estructura se mueva, habrá cero aceleración inducida en la estructura y el desplazamiento relativo entre la estructura y el suelo será igual al desplazamiento del suelo. Entonces, estructuras inflexibles, la estructura no se moverá, el suelo lo hará.

Los requisitos básicos de un sistema de aislamiento son
1). Flexibilidad
2). Mojadura
3). Resistencia a las cargas de servicio verticales u otras.

La protección del terremoto de las estructuras que utilizan la técnica de aislamiento base es generalmente adecuada si se cumplen las siguientes condiciones
1. El subsuelo no produce un predominio del movimiento del suelo de largo período.
2. La estructura está bastante unida con una carga de columna suficientemente alta.
3. El sitio permite desplazamientos horizontales en la base del orden de 200 mm o más.
4. Las cargas laterales debido al viento son inferiores al 10% del peso de la estructura.
 

· Cuando el terremoto se ve afectado en la estructura de base fija en ese tiempo, la estructura no se defiende contra el terremoto.
· Pero en una estructura aislada de la base, cuando un terremoto se ve afectado en la estructura, el edificio está defendiendo muy bien contra el terremoto.
· En una estructura fija, la estructura se mueve con el movimiento del suelo.
· En una estructura aislada, la estructura no se mueve con movimiento de tierra. Pero el cojinete de aislamiento se mueve con el movimiento del suelo. Entonces podemos decir que la estructura es segura.

Aisladores sísmicos

Aisladores elastoméricos
▶ Rodamientos de goma natural lineal (LNR)
▶ Rodamientos de goma de bajo rato
▶ Rodamientos de plomo-ruber (LRB)
▶ Rodamientos de goma de alto marco (HDR)

Aisladores corredizos
▶ Sistema de fricción resistente
▶ Sistema de péndulo de fricción (FPS)

Estos están formados por capas horizontales de caucho natural o sintético en capas delgadas unidas entre placas de acero.
Las placas de acero evitan que las capas de goma se abulten y, por lo tanto, el rodamiento puede soportar cargas verticales más altas con solo pequeñas deformaciones.
Los rodamientos elastoméricos simples proporcionan flexibilidad pero no hay amortiguación significativa y se moverán bajo cargas de servicio.

1, rodamiento de goma natural de baja amortiguación (LDR)
Relación de amortiguación=2% a 3%
La fabricación es fácil.
Respuesta no es una temperatura fuertemente sensible, velocidad de carga y envejecimiento.
La tensión de corte se excede hasta el 100%.

2, cojinete de goma natural de amortiguación alta (HDR)
La amortiguación aumenta al agregar negros de carbono extra-fino, aceites o resinas y otros rellenos.
Deformación de corte máxima=200 a 350%
Relación de amortiguación=10 a 20% a 100% de tensión de corte
La amortiguación efectiva depende de:
· Velocidad de cargas
· Historial de carga
· Temperatura

3, rodamientos de goma de plomo (rodamiento de goma laminado) (LRB)
Un cojinete de goma de núcleo de plomo o núcleo de plomo se forma de un enchufe de plomo ajustado en un orificio preformado en un rodamiento elastomérico. El núcleo de plomo proporciona rigidez bajo cargas de servicio y disipación de energía bajo altas cargas laterales. Las placas de acero superior e inferior, más gruesas que las cuñas internas, se utilizan para acomodar hardware de montaje. Todo el rodamiento está encerrado en la cubierta de caucho para proporcionar protección ambiental.
Cuando se somete a cargas laterales bajas (como terremotos menores, viento o cargas de tráfico), el rodamiento de goma de plomo es rígido tanto lateral como verticalmente.
La rigidez lateral resulta de la alta rigidez elástica del enchufe de plomo y la rigidez vertical (que permanece en todos los niveles de carga) resultan de la construcción del cojinete de acero del rodamiento.

4, aisladores deslizantes
El segundo tipo más común de sistema de aislamiento utiliza elementos deslizantes entre la base y la base de la estructura.
Por resortes de alta tensión o rodamiento de goma laminado haciendo una superficie curva deslizante.
Estos mecanismos proporcionan una fuerza de restauración para devolver la estructura a su posición de equilibrio.
4a. Aisladores deslizantes planos (sistema de fricción resistente)
Dos tipos de aisladores deslizantes planos:
· Con una capacidad de reciente
· Sin capacidad de reciente
1). Aislador deslizante sin capacidad de reciente
Esto consiste en una superficie deslizante horizontal, que permite un desplazamiento y, por lo tanto, disipa la energía mediante la fricción definida entre los componentes deslizantes y el acero inoxidable.
Un problema particular con una estructura deslizante son los desplazamientos residuales que ocurren después de los terremotos importantes.
2). Aislador deslizante con capacidad de reciente
En comparación con los aisladores deslizantes, la péndula de aislamiento deslizante (SIP) con capacidad de reciente tiene una placa deslizante cóncava.
Debido a la geometría, cada desplazamiento horizontal da como resultado un movimiento vertical del aislador.
La energía potencial, almacenada por la superestructura, que ha sido empujada a la cima, resulta automáticamente en reciente el rodamiento en una posición neutral.
Permanecen horizontalmente flexibles, disipan la energía y recién recentrando la superestructura en una posición neutral.

4B. Aisladores deslizantes esféricos (rodillos) (sistema de péndulo de fricción) (FPS/FPB)
El sistema de péndulo de fricción es un sistema de aislamiento deslizante en el que el peso de la estructura está soportado en superficies deslizantes esféricas que se deslizan entre sí cuando el movimiento del suelo excede un nivel umbral.

El requisito de la instalación de un sistema de aislamiento base es que el edificio puede moverse horizontalmente en relación con el suelo, generalmente al menos 100 mm.
La configuración más común es instalar un diafragma inmediatamente por encima de los aisladores.
Si el edificio tiene un sótano, las opciones son instalar los aisladores en la parte superior, inferior o media altura de las columnas y paredes de los sótanos.

1. Redujo la demanda sísmica de estructura, reduciendo así el costo de la estructura.
2. Menores desplazamientos durante un terremoto.
3. Mejora la seguridad de las estructuras
4. Redujo los daños causados ​​durante un terremoto. Esto ayuda a mantener el rendimiento de la estructura después del evento.
5. Mejora el rendimiento de la estructura bajo cargas sísmicas.
6. Preservación de la propiedad

· Desafiante implementar de manera eficiente.
· Subsidio para los desplazamientos del edificio.
· Ineficiente para edificios de gran altura
· No es adecuado para edificios descansados ​​en tierra blanda.
 

1. Aislamiento base de puentes
2. Aislamiento base de edificios importantes
3. Mejora de la respuesta de las estructuras históricas
4. Aislamiento en campo de maquinaria

El método de aislamiento de la base sísmica ha demostrado ser un método confiable de diseño resistente a los terremotos.
El éxito de este método se atribuye en gran medida al desarrollo de dispositivos de aislamiento y una planificación adecuada.
Se requiere que los sistemas de aislamiento adaptables sean efectivos durante una amplia gama de eventos sísmicos.
Se requieren esfuerzos para encontrar las soluciones para situaciones como regiones cercanas a la falla donde pueden ocurrir una amplia variedad de movimientos de terremotos.