Pruebas destructivas de aisladores elastoméricos: una guía completa para las pruebas de propiedades definitivas GB/T 20688.1
1. Introducción
Los aisladores elastoméricos, también conocidos como aisladores sísmicos elastoméricos, son componentes críticos en la protección sísmica de edificios y puentes. Soportan cargas verticales pesadas al tiempo que permiten un movimiento horizontal controlado, aislando las estructuras de los efectos dañinos de los terremotos. Pero, ¿cómo demuestran los ingenieros que un rodamiento resistirá cargas extremas sin fallas catastróficas?
La respuesta está en las pruebas destructivas: el proceso de cargar deliberadamente un rodamiento hasta que se rompa, se doble o se vuelque. En China, esto se rige por la norma nacional GB/T 20688.1-2007, Aislador elastomérico - Parte 1: Métodos de prueba de aisladores de protección sísmica, una adopción modificada de la norma ISO 22762-1. En Europa, la norma EN 15129:2018, Dispositivos antisísmicos, establece requisitos equivalentes. Este artículo explica qué implican las pruebas destructivas de aisladores elastoméricos, por qué son importantes y cómo GB/T 20688.1 estructura estos procedimientos y los compara con EN 15129.
2. ¿Qué es un cojinete de goma?
Un cojinete de caucho es un dispositivo laminado hecho de capas alternas de caucho y placas delgadas de acero, unidas entre sí durante la vulcanización. Las placas de acero confinan el caucho lateralmente, dando al rodamiento una alta rigidez vertical mientras mantienen baja la rigidez horizontal. Los tipos comunes cubiertos por la norma incluyen:
LNR (cojinete lineal de caucho natural): proporciona elasticidad sin una amortiguación significativa.
LRB (Cojinete de caucho con plomo): contiene un núcleo de plomo vertical que disipa la energía sísmica.
HDR (cojinete de caucho de alta amortiguación): utiliza caucho especialmente compuesto para absorber energía.
Estos cojinetes se utilizan para el aislamiento sísmico de edificios y puentes.
3. ¿Qué se considera prueba "destructiva"?
Según GB/T 20688.1, un rodamiento alcanza sus propiedades definitivas cuando experimenta uno de tres estados de falla:
Rotura: fractura del rodamiento causada por compresión (o tensión) combinada y carga de corte.
Pandeo: pérdida de estabilidad bajo compresión y corte combinados.
Roll-out: vuelco o inestabilidad de rodadura que puede ocurrir en rodamientos conectados con clavijas o ranuras durante el desplazamiento horizontal.
El diagrama de propiedades últimas (UPD) registra la relación entre la fuerza de corte y el desplazamiento de corte en el punto de falla: el resultado principal de las pruebas destructivas. La EN 15129 aplica el mismo marco conceptual de falla bajo carga de corte-compresión, expresada como comportamiento último en rotura o pandeo.
4. Pruebas destructivas a nivel de material de caucho
Antes de probar rodamientos completos, la norma exige pruebas destructivas en el propio material de caucho, siguiendo las normas chinas referenciadas:
Propiedades de tracción (GB/T 528): mide la resistencia a la tracción, el alargamiento de rotura y el módulo al 100 % de deformación.
Fractura/fallo por corte (GB/T 12830): un método de corte de cuatro placas que determina la tensión de corte por falla y la deformación del compuesto de caucho.
Fuerza de unión (GB/T 7760): evalúa el tipo de falla en la interfaz caucho-metal, verificando la unión vulcanizada que mantiene unido el rodamiento.
Estas pruebas confirman la resistencia básica del material y su adherencia a las placas de acero, requisitos previos para cualquier prueba destructiva de tamaño real. EN 15129 especifica de manera similar la caracterización del compuesto elastomérico, incluida la dureza, la tracción, el desgarro, la deformación por compresión, el envejecimiento por ozono y la resistencia de la unión a los sustratos.
5. Pruebas definitivas a nivel de aislador
5.1 Prueba de propiedad de corte definitiva
La prueba destructiva más importante es la prueba definitiva de propiedad de corte. El rodamiento está sujeto a un esfuerzo de compresión de diseño constante mientras que el desplazamiento de corte horizontal aumenta hasta que ocurre la falla. Según GB/T 20688.1 sección 6.5:
Las pruebas se realizan bajo la tensión de compresión máxima de diseño.
Para rodamientos conectados por pasadores o ranuras, o aquellos que pueden experimentar elevación, la prueba también se realiza bajo la tensión de compresión mínima de diseño.
El estado último de desplazamiento por cortante se define como el punto de rotura, pandeo o desplazamiento.
Si no aparece ningún daño obvio y la curva fuerza-desplazamiento aumenta monótonamente una vez que se alcanza el desplazamiento último especificado, se puede detener la prueba y el desempeño último se determina a partir de la fuerza de corte y el desplazamiento máximos registrados.
5.2 Prueba de propiedad de tracción
La elevación de los cojinetes durante terremotos fuertes puede poner en tensión los aisladores. Por lo tanto, GB/T 20688.1 sección 6.6 requiere una prueba de tracción bajo un desplazamiento de corte constante, con tensión aplicada lentamente hasta que la muestra ceda o se rompa. La norma define:
Fuerza de fluencia y tracción: determinada intersectando la curva de prueba con una línea desplazada en un 1% del espesor interno total del caucho desde una línea de referencia basada en el módulo de corte.
Fuerza de tracción de rotura y deformación de corte correspondiente.
El rendimiento del rodamiento en condiciones combinadas de corte y tensión es fundamental para estructuras donde se esperan momentos de vuelco.
5.3 Prueba de propiedad de compresión
Si bien es principalmente una prueba de capacidad de servicio, la compresión constituye la base para la evaluación destructiva. La carga se aplica en ciclos 0–Pmax–0 repetidos tres veces (o un patrón equivalente de varios pasos), y la rigidez a la compresión vertical (Kv) se calcula a partir del tercer ciclo. La rigidez a la compresión debe establecerse antes de los ensayos de corte y de rotura, porque la estabilidad del rodamiento depende del efecto de confinamiento de la carga vertical.
6. Condiciones de prueba y preparación de muestras
Las pruebas destructivas confiables requieren un control estricto de las condiciones de prueba:
Acondicionamiento: las muestras se almacenan a temperatura estándar (23 grados) durante un período definido antes de realizar la prueba.
Ciclos de carga: las pruebas de corte utilizan 3 u 11 ciclos de carga; el rendimiento se toma del tercer ciclo o se promedia entre los ciclos 2 a 11.
Niveles de deformación por corte: las pruebas cubren un amplio rango, desde ±5 % hasta ±400 %, lo que permite a los ingenieros mapear el comportamiento hasta el fallo.
Frecuencia y temperatura: la frecuencia de carga y la temperatura (de -20 grados a 40 grados) se seleccionan para representar las condiciones de servicio, ya que las propiedades del caucho dependen de la velocidad y la temperatura.
Sensores de desplazamiento: al menos dos sensores están dispuestos simétricamente y los valores medidos se promedian.
7. Comparación con EN 15129:2018 (Norma europea para dispositivos antisísmicos)
7.1 Descripción general de EN 15129
EN 15129:2018, publicada por CEN, es la norma europea armonizada para dispositivos antisísmicos. A diferencia de GB/T 20688.1 -, que es principalmente una norma de método de prueba, la EN 15129 es una norma integral de producto y conformidad que integra requisitos funcionales, reglas generales de diseño para situaciones sísmicas, características de los materiales, requisitos de fabricación y prueba, evaluación de la conformidad (marcado CE), instalación y mantenimiento de dispositivos dependientes del desplazamiento, como los cojinetes elastoméricos.
7.2 Similitudes clave
A pesar de sus diferentes funciones, los dos marcos comparten varias características comunes:
Ambos definen estados últimos o de falla bajo cargas de corte-compresión (rotura y pandeo; el despliegue se aborda en el marco chino).
Ambos requieren pruebas de rigidez a la compresión, pruebas combinadas de compresión y corte y carga de corte o rampa para caracterizar el comportamiento del aislador.
Ambos cubren aisladores elastoméricos tipo LNR, LRB y HDR.
Ambos prescriben pruebas de materiales de caucho (tracción, dureza, unión, envejecimiento) como requisitos previos para la calificación de rodamientos completos.
7.3 Diferencias clave
Las principales diferencias reflejan el propósito y la estructura de cada norma:
Alcance y rol. GB/T 20688.1 es un estándar de método de prueba basado en ISO 22762-1; EN 15129 es una norma completa de diseño, conformidad y marcado CE.
Protocolo de carga. GB/T 20688.1 realiza pruebas de corte bajo tensión de compresión constante. EN 15129, especialmente para las clases de mayor importancia, requiere carga vertical-horizontal acoplada para reproducir el efecto P-Δ.
Límites de diseño. EN 15129 limita la deformación cortante total máxima de diseño (normalmente εq,max menor o igual a 2,5, es decir, . 250%) bajo el desplazamiento sísmico de diseño. GB/T 20688.1 prueba deformaciones de corte de hasta ±400 % y permite detenerse cuando no aparece ningún daño y la curva fuerza-desplazamiento aumenta monótonamente.
Clases de importancia. EN 15129 clasifica las estructuras en clases de importancia e impone pruebas de prototipos más estrictas para edificios críticos (por ejemplo, hospitales y centros de emergencia). GB/T 20688.1 aplica un enfoque de prueba de tipo uniforme sin clasificación de importancia.
Conformidad. EN 15129 vincula las pruebas con los procedimientos de evaluación de la conformidad y el control de producción en fábrica para el marcado CE; GB/T 20688.1 admite la inspección de tipo según el régimen de certificación de productos chino.
Frecuencia de amortiguación. EN 15129 especifica pruebas de amortiguación a una frecuencia de referencia como 0,5 Hz; GB/T 20688.1 enumera grupos de frecuencias que van desde 0,05 Hz a 2,0 Hz.
7.4 Tabla resumida de comparación
|
Aspecto |
GB/T 20688.1-2007 |
EN 15129:2018 |
|
Rol estándar |
Estándar de método de prueba (MOD ISO 22762-1:2005) |
Producto + norma de conformidad (marcado CE) |
|
Alcance |
Aisladores sísmicos para edificios y puentes |
Dispositivos antisísmicos, incluidos cojinetes elastoméricos. |
|
Estados de falla |
Rotura, pandeo, lanzamiento |
Comportamiento último en rotura/pandeo |
|
Carga de prueba de corte |
Esfuerzo compresivo constante |
Carga vertical-horizontal constante más acoplada (P-Δ) para clases de alta importancia |
|
Rango de deformación por corte |
Probado hasta ±400% |
Límite de diseño εq,max Menor o igual a 2,5 (250%) |
|
Frecuencia de prueba de amortiguación |
Grupos 0,05–2,0 Hz |
Frecuencia de referencia, por ejemplo, . 0.5 Hz |
|
Clasificación de importancia |
Pruebas de tipo uniforme |
Clases de importancia; Pruebas más estrictas para edificios críticos. |
|
Conformidad |
Admite inspección de tipo chino |
Marcado CE + control de producción en fábrica |
Tabla 1 - Comparación de GB/T 20688.1 y EN 15129 para pruebas de aisladores elastoméricos
8. Por qué son importantes las pruebas destructivas
Las pruebas destructivas tienen un propósito simple pero esencial: demuestran que un rodamiento no fallará antes que la estructura que protege. El aislamiento sísmico funciona sólo si el cojinete sobrevive al terremoto más grande esperado. Al empujar deliberadamente los rodamientos hasta que se rompan, se pandeen y se deslicen, los fabricantes e ingenieros:
Verifique que los supuestos de diseño sobre la capacidad última sean correctos.
Producir diagramas de propiedades últimas (UPD) utilizados directamente en el diseño sísmico.
Identificar puntos débiles en materiales, unión o fabricación.
Establecer puntos de referencia de calidad para pruebas de tipo e inspecciones de rutina.
Debido a que estas pruebas destruyen la muestra, generalmente se realizan en prototipos o rodamientos de prueba de tipo en lugar de en cada unidad de producción. Tanto GB/T 20688.1 como EN 15129 se basan en estas pruebas definitivas para validar el margen de seguridad de los aisladores bajo cargas extremas de compresión-cortante.
9. Conclusión
Las pruebas destructivas de aisladores elastoméricos, según lo definido por GB/T 20688.1-2007, son la última línea de defensa en el diseño sísmico. Desde pruebas de tracción y fractura en el compuesto de caucho hasta pruebas de corte, tracción y compresión de tamaño completo, la norma proporciona un marco integral para verificar que los aisladores elastoméricos pueden soportar cargas extremas y aun así realizar su función de salvar vidas.
En comparación con la norma EN 15129:2018, los dos marcos persiguen el mismo objetivo conceptual (demostrar que un rodamiento sobrevive a cargas extremas de compresión-cortante), pero difieren en el énfasis. GB/T 20688.1 ofrece un marco de prueba amplio, puramente basado en métodos, que alcanza deformaciones de corte muy altas (hasta ±400 %) y cubre rotura, pandeo y desplazamiento, mientras que EN 15129 integra las pruebas dentro de un diseño armonizado y un sistema de conformidad, impone un límite de deformación de corte de diseño del 250 %, clasifica los requisitos por clase de importancia y requiere carga acoplada vertical-horizontal para estructuras críticas. Para los ingenieros que trabajan a nivel mundial, comprender ambos estándares es esencial: un rodamiento calificado según GB/T 20688.1 puede validarse según los requisitos de EN 15129 con los ajustes adecuados al protocolo y los límites de carga.
Ya sea ingeniero estructural, fabricante o investigador que trabaja con aisladores LNR, LRB o HDR, dominar estos procedimientos de prueba destructivos es esencial para garantizar la seguridad y confiabilidad de los sistemas de aislamiento sísmico en cualquier jurisdicción.
