Download - Aislación elastomérica
Aislamiento Sísmico
AISLACION ELASTOMERICA
Aislamiento Sísmico
Aislador elastomérico(Descripción General)
• Dispositivos formados por un conjunto de láminas planas de goma intercaladas por placas planas de acero adheridas a la goma
Aislamiento Sísmico
• Las láminas de goma, pegadas a las láminas de acero, pueden deformarse en un plano horizontal, permitiendo el desplazamiento horizontal de la estructura relativo al suelo
• Las placas de acero restringen la expansión lateral (bajo carga vertical) de la goma
• Para aumentar los niveles de amortiguamiento, se puede añadir un corazón de plomo al aislador
Descripción general
Aislamiento Sísmico
Láminas de Goma
• La goma es un polímero alto (C5H8)n (n ≈ 5000 - 10000 unidades de isopreno)
• Requiere de un proceso de vulcanización para ser utilizada como material estable (Charles Goodyear, 1839)
• La vulcanización consiste en ‘masticar’ la goma, mezclarla con azufre (4%-10%), y calentar la mezcla
Goma Natural
Goma Sintética (neopreno)
• Polímeros de isopreno, cloropreno o butadiedeno)
Aislamiento Sísmico
• Las propiedades mecánicas de la goma dependen de las condiciones de curado y de los ingredientes utilizados, en general cantidad de azufre, acelerantes, plastificantes, cargas reforzantes(negro de humo), etc.
• A mayor cantidad de azufre, mayor resistencia mecánica y menor resistencia térmica
• A mayor cantidad de carga reforzante, mayor dureza, resistencia a la abrasión, e histéresis
• La goma es un material esencialmente incompresible (ν = 0.4997), G ≈ E/3
Propiedades de la Goma Natural
Aislamiento Sísmico
• La rigidez secante disminuye durante los primeros ciclos, fenómeno que se conoce como ‘scragging’
• Para pegar las capas de goma a las placas de acero se utilizan cementos especiales que son propiedad de los fabricantes
• Resultados recientes obtenidos por la empresa Bridgestone para un período equivalente de 60 años han demostrado que no existe degradación significativa de los compuestos de goma utilizados en aisladores
Propiedades de la Goma Natural
Aislamiento Sísmico
Valores típicos de propiedades mecánicas
Constantes físicas de la goma natural
Goma sin refuerzo Goma con refuerzo AceroIRHD 45 65 100σt MN/m2 28 21 420εu % 680 420 40E MN/m2 1.9 5.9 210000G MN/m2 0.54 1.37 81000k MN/m2 1000 1200 176000ν 0.4997 0.4997 0.29Resiliencia % 80 60 100Vs m/s 37 37 5000
Aislamiento Sísmico
Proceso de fabricación• Mezclado, masticado• Amasado (lámina de espesor deseado)• Cortado de capas de goma• Cortado de placas de acero• Pegado de láminas con cementos especiales• Colocación en molde• Curado: presión, temperatura 140ºC, 4 a 8 horas• Extracción del aislador del molde• Aditivos:
− Negro de humo: rigidez, resistencia a la abrasión, amortiguamiento, dureza, resistencia química
− Azufre: agente vulcanizante− Cera: protección contra ozono, rayos UV, oxidación− Oxido de zinc: acelerador de fraguado− Aceites: reducen rigidez, amortiguamiento y resistencia
Aislamiento Sísmico
Materia prima: goma natural
azufre negro de humo
negro de humo dosificación
Aislamiento Sísmico
Aditivos
Aislamiento Sísmico
Banbury
Aislamiento Sísmico
Amasado y premezclado
Aislamiento Sísmico
Rodillado
Aislamiento Sísmico
Calandras (laminación)
Aislamiento Sísmico
Placas metálicas y pegamento épóxico
Aislamiento Sísmico
Autoclaves, prensas y moldes
Aislamiento Sísmico
Control de calidad de compuesto
Aislamiento Sísmico
Proveedores
• Andre (http://www.silvertown.co.uk/ )• Bridgestone (http://www.bridgestone.com/)• DIS (http://www.dis-inc.com/)• SEP (http://www.sepbearings.com/index.html)• Vulco, Chile (http://www.vulco.com/index1.htm)• Skellerup (http://www.skellerup.co.nz/)
Aislamiento Sísmico
Tipos de aisladores
Aislador de goma cilíndrico
Aislador con núcleo de plomo Aislador de sección rectangular
Aislamiento Sísmico
Perno de anclaje superior
Placa de anclaje inferior
Placa de anclaje superior
Sistema de anclaje
Aislamiento Sísmico
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE ELASTOMEROS Y AISLADORES
Simulador dinámicode 6 gdl
Aislación sísmica
Sistemas de disipación de energía
Aislamiento Sísmico
Laboratorio LED-UC
Aislamiento Sísmico
δ
Lámina Elastomérica
F
Ensayo de compuestos
Prensa Dinámica Universal Instron (2.5 ton) para el desarrollo de compuestos viscoelásticos, elastoméricosy sistemas friccionales
N = ± 2.5 tona = ± 2 gv = ± 100 cm/segd = ± 10 cm;
Aislamiento Sísmico
Ensayo de compuestos
Marco de Carga MTS DINAMICO (25 ton) para el desarrollo de compuestos y disipadores de energía.
V = ± 100 tona = ± 2.0 gv = ± 80 cm/segd = ± 25 cm
Aislamiento Sísmico
Ensayo de compuestos
Aislamiento Sísmico
Ensayos de corte (probetas de 100x100mm)
Aislamiento Sísmico
-3 -2 -1 0 1 2 3-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=7.0 kg/cm2
ξ=0.057
PROYECTO La Cigueña
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL -
DEFLEXION [-0.6,+0.6] cic., (γ=0.760)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
CIG-VUL-P0503
Fecha
19-May-2003
Hora
07:51
Figura
03
Probeta de neopreno (γ=0.75)
Aislamiento Sísmico
-3 -2 -1 0 1 2 3-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=7.0 kg/cm2
ξ=0.055
PROYECTO La Cigueña
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL -
DEFLEXION [-1.2,+1.2] cic., (γ=1.507)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
CIG-VUL-P0505
Fecha
19-May-2003
Hora
07:53
Figura
05
Probeta de neopreno (γ=1.5)
Aislamiento Sísmico
-3 -2 -1 0 1 2 3-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=8.6 kg/cm2
ξ=0.050
PROYECTO La Cigueña
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL -
DEFLEXION [-2.0,+2.0] cic., (γ=2.504)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
CIG-VUL-P0507
Fecha
19-May-2003
Hora
07:55
Figura
07
Probeta de neopreno (γ=2.5)
Aislamiento Sísmico
-3 -2 -1 0 1 2 3-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=10.2 kg/cm2
ξ=0.041
PROYECTO La Cigueña
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL -
DEFLEXION [-2.8,+2.8] cic., (γ=3.497)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
CIG-VUL-P0509
Fecha
19-May-2003
Hora
07:59
Figura
09
Probeta de neopreno (γ=3.5)
Aislamiento Sísmico
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.56
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
10.5
11
Deformación de Corte, γ
Mód
ulo
de C
orte
, G [k
g/cm
2 ]
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
0.06
0.065
0.07
0.075
0.08
Deformación de Corte, γ
Am
ortig
uam
ient
o E
quiv
alen
te, ξ
PROYECTO La Cigueña
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL -
DEFLEXION [0.2→2.8] cm cíclico, (γ=0.26→3.50)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
CIG-VUL-P0500
Fecha
19-May-2003
Hora
07:59
Figura
10
Propiedades Efectivas (Neopreno)
Aislamiento Sísmico
0 0.5 1 1.5
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
Deformación angular, γ
Am
ortig
uam
ient
o
6
8
10
12
14
0 0.5 1 1.5Deformación angular, γ
Mod
ulo
de c
orte
(a) Aisladores
0 2 4 60.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Deformación angular, γA
mor
tigua
mie
nto
0 2 4 66
8
10
12
14
16
Deformación angular, γ
Mod
ulo
de c
orte
(b) Probetas 100x100 mm
Propiedades Efectivas (Goma Natural)
Propiedades Efectivas (Goma Natural)
El módulo de corte de la goma:
2 3 4 5( ) 21.89 41.68 45.05 25.33 7.068 0.7675effG γ γ γ γ γ γ= − + − + −
Compuesto H6 de Bridgestone:
2Para 2.0 4.62 kg/cmeffGγ = ⇒ =
( )effG γ
Aislamiento Sísmico
2( ) 13.108 7.4806 2.5501= − +effG γ γ γCompuesto H8 de VULCO:
2Para 2.0 8.35 kg/cm= ⇒ =effGγ
El amortiguamiento efectivo:
Compuesto H6 de Bridgestone:
Aislamiento Sísmico
Compuesto H8 de VULCO:
2603.1243.12491.085159.0)( 5.0 +−+−= − γγγξ γeeff
058.00.2Para =⇒= effξγ
32 002169.0002358.0005391.01669.0)( γγγγξ −−+=eff
15.00.2Para =⇒= effξγ
)(γξeff
Propiedades Efectivas (Goma Natural)
Ensayo dinámico de aisladores
v, f
fmax = 100 tonvmax = 500 mm
(a) Marco de carga
(c) Ensayo de aisladores
900
600
100
35
240
22
36
(b) Sección de los aisladores
Aislamiento Sísmico
Aislamiento Sísmico
Ensayo dinámico de aisladores
V = ± 100 toneladasN = 700 toneladas
a = ± 1.5 g; v = ± 20 cm/seg; d = ± 50 cm
Aislamiento Sísmico
Ensayo dinámico de aisladores
Marco de Carga MTS Dinámico (100t) para
el desarrollo y ensayo de apoyos
elastoméricos y friccionales
Permite el ensayo de dispositivos a escala
natural sometido a solicitaciones sísmicas
en tiempo real
Aislamiento Sísmico
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-30
-20
-10
0
10
20
30
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=11.5 kg/cm2
ξ=0.116
PROYECTO Hospital Militar
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL 200 ton
DEFLEXION [-4.0,+4.1] cic., (γ=0.254)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
VULCO-SNAGUST-A0501
Fecha
24-Feb-2003
Hora
13:34
Figura
01
Aislador de Goma (γ=0.25)
Aislamiento Sísmico
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-30
-20
-10
0
10
20
30
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=10.0 kg/cm2
ξ=0.092
PROYECTO Hospital Militar
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL 200 ton
DEFLEXION [-8.1,+8.2] cic., (γ=0.504)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
VULCO-SNAGUST-A0502
Fecha
24-Feb-2003
Hora
13:36
Figura
02
Aislador de Goma (γ=0.50)
Aislamiento Sísmico
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-30
-20
-10
0
10
20
30
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=7.8 kg/cm2
ξ=0.085
PROYECTO Hospital Militar
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL 200 ton
DEFLEXION [-16.2,+16.2] cic., (γ=1.002)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
VULCO-SNAGUST-A0503
Fecha
24-Feb-2003
Hora
13:38
Figura
03
Aislador de Goma (γ=1.0)
Aislamiento Sísmico
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-30
-20
-10
0
10
20
30
Deformación δ [cm]
Fuer
za d
e C
orte
[ton
]
G=7.2 kg/cm2
ξ=0.077
PROYECTO Hospital Militar
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL 200 ton
DEFLEXION [-24.2,+24.4] cic., (γ=1.504)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
VULCO-SNAGUST-A0504
Fecha
24-Feb-2003
Hora
13:39
Figura
04
Aislador de Goma (γ=1.5)
Aislamiento Sísmico
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.66
7
8
9
10
11
12
Deformación de Corte, γ
Mód
ulo
de C
orte
, G [k
g/cm
2 ]
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
Deformación de Corte, γ
Am
ortig
uam
ient
o E
quiv
alen
te, ξ
PROYECTO Hospital Militar
CLIENTE VULCO
CARGA AXIAL 200 ton
DEFLEXION [4.1→24.4] cm cíclico, (γ=0.26→1.52)
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica
Trabajo Nº
VULCO-SNAGUST-A0500
Fecha
24-Feb-2003
Hora
13:39
Figura
05
Propiedades Efectivas (Aislador)
Aislador elastomérico con corazón de plomo
Aislamiento Sísmico
t r
ts
tb
Hr = n t r
dp
HHl
• La goma otorga la flexibilidad lateral
• Las placas de acero intermedias la rigidez vertical
• El núcleo de plomo: mayor disipación de energía y mayor rigidez inicial para cargas de servicio
• Las placas exteriores de acero conecta la estructura con la fundación y confina al núcleo
Entre sus características destacan:
• Construidos generalmente con gomas de bajo amortiguamiento
• Se utiliza plomo de alta pureza (>99.9%), metal extraordinariamente dúctil que posee muy poco endurecimiento post-fluencia
• Corazón de plomo del 15% al 35% del diámetro del aislador
• Presentan ciclos de histéresis estables (no dependencia de velocidad, no scragging en goma)
Aislamiento Sísmico
Aislador elastomérico con corazón de plomo
Efecto del núcleo de plomo
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Deformación angular, γ
Fuer
za d
e C
orte
(ton
f)
Deformación (cm)-32 -24 -16 -8 0 8 16 24 32
12
34
56
7
8
δ
N = 3500 kN
1) γ = 0.125, E = 55 tonf·cm2) γ = 0.25, E = 150 tonf·cm3) γ = 0.5, E = 384 tonf·cm4) γ = 0.75, E = 612 tonf·cm5) γ = 1, E = 999 tonf·cm6) γ = 1.25, E = 1127 tonf·cm7) γ = 1.5, E = 1422 tonf·cm8) γ = 1.75, E = 1722 tonf·cm
1) γ = 0.125, E = 22 tonf·cm2) γ = 0.25, E = 59 tonf·cm3) γ = 0.5, E = 174 tonf·cm4) γ = 0.75, E = 306 tonf·cm5) γ = 1, E = 499 tonf·cm6) γ = 1.25, E = 699 tonf·cm7) γ = 1.5, E = 898 tonf·cm8) γ = 1.75, E = 1138 tonf·cm
Aislamiento Sísmico
Comportamiento del núcleo de plomo
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8-150
-100
-50
0
50
100
150
Deformación angular, γ
Ten
sión
de
cort
e (K
gf/c
m2 )
El plomo presenta: • Comportamiento
elasto-plástico• Fy de 10 Mpa (103 kgf/cm2)
Aislamiento Sísmico
Efecto de la carga axial (bajas deformaciones)
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08-15
-10
-5
0
5
10
15-1.28 -0.96 -0.64 -0.32 0 0.32 0.64 0.96 1.28
δ
N = var.
Deformación angular, γ
Fuer
za d
e C
orte
(ton
f)
Deformación (cm)
Axial Force N = 100 tonfAxial Force N = 200 tonfAxial Force N = 350 tonf
Aislamiento Sísmico
Variación de propiedades
0
1
2
3
0 0.5 1 1.5 210
15
20
25
30
Deformación angular, γ
0
5
10
15
20
0 0.02 0.04 0.060
10
20
30
Deformación angular, γ
Am
ortig
uam
ient
ohi
ster
étic
o, ξ
Rig
idez
Nor
mal
izad
ak
γ / k
γ=1
f = 0.0887 Hz. N = 100 tonff = 0.2 Hz. N = 100 tonff = 0.5 Hz. N = 100 tonf
f = 0.0887 Hz. N = 200 tonff = 0.2 Hz. N = 200 tonff = 0.5 Hz. N = 200 tonf
f = 0.0887 Hz. N = 350 tonff = 0.2 Hz. N = 350 tonff = 0.5 Hz. N = 350 tonf
Aislamiento Sísmico
ESTUDIO DE FALLAS EN AISLADORES
Aislamiento Sísmico
Aislamiento Sísmico
Ensayos a rotura
Aislamiento Sísmico
Problemas en fabricación de aisladores
Aislamiento Sísmico
Problemas en fabricación de aisladores
Aislamiento Sísmico
Problemas en fabricación de aisladores