"Aisladores Elastoméricos de Goma Natural y Goma de Alto Amortiguamiento: Estudios Experimentales y Consideraciones Normativas"


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1 "Aisladores Elastoméricos de Goma Natural y Goma de Alto Amortiguamiento: Estudios Experimentales y Consideraciones Normativas" Eloy Retamal, S.E. EUR Consulting & Development, Inc Representante DIS--Colombia Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento Lima, Perú 20 de Octubre, 2017

2 Aislación

3 Breve Reseña Histórica de la Aislación Sísmica La era moderna comienza en Nueva Zelanda en Primera aplicación en Japón es de 1982; en Estados Unidos en En 2017: Cerca de 50 Edificios en NZ Cerca de Edificios en EEUU Cerca de 4,000 / 8,000 Edificios en Japón Mas de 1,000 Edificios en China También en Italia, Turquía, Chile, Taiwán, Corea del Sur, Méjico, Indonesia, Armenia, Romania, Rusia, Francia, Macedonia Incluyendo miles de puentes, y ahora más de 10,000 estructuras a nivel mundial.

4 Aceleración Respuesta Espectral-Aceleración Periodo (seg)

5 Cambio de Periodo Periodo Cambio de Periodo Periodo

6 Fuerza Sísmica Principios del Diseño con Aislamiento Sísmico La diferencia debe ser absorbida por Ductilidad = Daño a la Estructura Fuerza de la Estructura sin Aislamiento = Demanda Sísmica Probable Resistencia a la Fluencia de la Estructura Diseñada por Código = Capacidad Fuerza en Estructura Aislada con Amortiguamiento = Demanda reducida Fuerza de Diseño de acuerdo al código Estructura Rango 2.0 de Flexibilidad Convencional para las Estructuras Aisladas Periodo (s)

7 Estructura Base Aislada v/s Base Fija Acc : 350% Acc: 30% Acel. Suelo: 100% Acel. Suelo : 20% Estructura: Base Fija Estructura: Base Aislada

8 Aislamiento Sísmico Aplicado: Edificios Edificios Históricos Edificios Convencionales

9 Aislamiento Sísmico Aplicado: Puentes

10 Beneficios del Aislamiento: Inmediata ocupación después de un sismo o Serviciabilidad Reducción de Fuerzas En Edificaciones: Fuerzas en la superestructura y deformaciones En Puentes: Estribos / Fuerzas en la subestructura

11 El Diseño de la Estructura debe : Mantener el Servicio durante y después de un Sismo de gran magnitud Proveer un ambiente seguro para el personal y el público en general Proveer un sistema superior de resistencia sísmica Asegurar que el sistema estructural elegido sea optimo en cuanto a costo beneficio durante la vida útil del edificio

12 Comparación entre las estructuras, con aislamiento sísmico en la base y fija en la base o convencional: Base aislada Daño menor estructural en el caso de un terremoto de gran magnitud Funcionamiento y servicios continúa sin interrupción La Estructura permanece el rango lineal no hay deformaciones permanentes Fija en la base: Daño estructural severo en el caso de un terremoto de gran magnitud Interrupción de servicios prolongada La estructura incursiona en el rango no lineal hay deformaciones permanentes Costo mínimo de reparación Alto costo de reparación Costo de construcción más alto Costo de construcción promedio

13 Alternativas de Diseño Alternativa A Base aislada: Alternativa B Base fija: Interrupción de servicios Daño a elementos estructurales Daño a elementos noestructurales Costo de construcción Tiempo de reparación Maximizar el costo / beneficio

14 Fuerza Real v/s Fuerza de Diseño: Terremoto Northridge, 1994

15 Fuerza Real v/s Fuerza de Diseño:

16 Video-Principios del Aislamiento Sísmico

17 Daños Producidos Por Terremotos

18 Terremoto HYOGOKEN-NANBU (KOBE) 1. Ocurrió : Jan , AM05:46:52 2. Epicentro : Awaji Island N ,E Profundidad : 14.3 km 4. Magnitud : Acceleración Max. Suelo: (NS) 818 [Gal] (EW) 617[Gal] (UD) 332 [Gal] at JMA KOBE 6. Daño Víctimas: 5,502 Heridos : 41,527 Pérdida total de vivienda: 100,282 Pérdida parcial de vivienda: 108,402

19 Daño en Edificios: Terromoto Kobe Municipalidad de Kobe : Colapso de l 6 to Piso Falla por Corte-Edificio de Oficinas

20 Daño en Puentes: Terromoto Kobe

21 Terremoto MAULE-CHILE 1. Ocurrió : Feb , 3:34:00 2. Epicentro : Costa Chilena 3. Profundidad : 35 km 4. Magnitud : S, W 5. Acceleración Max. Suelo: (NS) 0.65g (EW) 0.61g - Concepción 6. Daños (Terremoto y Tsunami) Muertos: 521 (200 Tsunami) Victimas: 800,000 (Heridos, Perdida de Vivienda, Muertos y Desaparecidos) Pérdida total de vivienda: 81,444 Pérdida parcial de vivienda: 288,607

22 Daño en Edificios: Febrero 27, M Terremoto en Chile

23 Daño en Edificios: Febrero 27, M Terremoto en Chile

24 Daños en clínica en Cali-Sismo-Nov. 15 de 2004

25 Daños en clínica en Cali-Sismo-Nov. 15 de 2004

26 Reforzamiento de la clínica con arriostramientos metálicos

27 Aislador

28 Principios de Aisladores de Goma Laminados A (Bloque de Goma) B (Goma Laminada) Rigidez Comp. de B Comp. de A Corte Rigidez de Compresión B>>>A Rigidez de Corte: B=A

29 Propiedad Ultima de Corte Ruptura Pandeo Shear Strain (%)

30 Fuerza Axial P (N) Verificación Ultima del Aislador P P cr P Pcr ( 1 X d ) X Pandeo Ruptura ( δ max, Pmax ) X d Displazamiento Horizontal X (mm)

31 Fuerza de Tensión Propiedades a la Tensión Desplazamiento Vertical ( δ u, Pmin ) 0 Fuerza - fluencia ;P y Fuerza de Ruptura ;P b Ruptura Curva Fuerza-Desplazamiento: Ensayo de Tensión

32 Tensión Fuerza Axial P Compresión Verificación Ultima del Aislador Pandeo Ruptura ( δ max, Pmax ) ( δ max, Pmin ) Desplazamiento Horizontal X (mm)

33 Propiedades de Compresión y Corte Vertical Load (tonf) Propiedades de Compresión Vertical Displacement (mm) K V EC A n t r Horizontal Load (tonf) Propiedades de Corte Horizontal Displacement (mm) K h G A r n t r

34 Modelo Numérico del Aislador Sísmico Horizontal Load (kn) Horizontal Load (kn) Q d Q d K u K u Q y Q y K d K d K h K h Horizontal Displacement displacement (mm) (mm) Horizontal Displacement (mm) K u : Initial stiffness Q d : Sectional force K d : Post-yield stiffne Q y : Yield force K h : Effective stiffness δ y : Yield displacement h eq : Equivalent damping ratio

35 Edificios Instrumentados

36 Ha n s h in -Awa ji Ea r t h q u a k e a m 5 :4 6 JAPAN kyu syu Kobe Osa ka Hok ka id o To kyo Two Base-isolated We st Bu ild in g Buildings Ma t su m u r a -Gu m i KYOUTO 263 gal SANDA 601gal HIMEJI TAKARAZUKA 189 gal FUKIAI 775 gal OSAKA 833 gal KOBE 243 gal NISHIAKASHI 48 1g al SAKAI 17 3g a l AWAJISHI MA 20K m

37 CENTRO DE INVESTIGACION MATSUMURA GUMI Estructura: [Base-Aislada] 3-Pisos-Hormigon Armado Base-Fija [Base Fija ] 3-Pisos-Acero Base-Aislada Base-Fija Base-aislada N334E

38 CENTRO DE INVESTIGACION MATSUMURA GUMI Aisladores: 4 xφ600-4 x φ700 Periodo de aislamiento: 1.91(seg.) Aisladores de Alto Amortiguamiento

39 Respuesta Dinámica: Aceleración Edificio Base- Aislada v/s Base Fija Respuesta aceleración en el techo--edificio Base-Fija Respuesta aceleración en el techo Edificio Base-Aislada Aceleración a Nivel de Fundación Respuesta de Acel. Direcion N-S Base-Aislada Base-Fija Techo 0.200g (0.72) 0.989g (3.5) 1 er Piso 0.148g (0.53) Fundación 0.279g (1.0) 0.279g (1.0)

40

41 Fabricación

42 Caucho Natural: Material de Ingeniería más Elástico Mayor Energía de Deformación por Unidad de Volumen Propiedades Estables en el Tiempo (Resistente con el envejecimiento) Excelente Resistencia a la Fatiga

43 Mescla que Resulta en Caucho

44 Procesamiento

45 Preparación de la Goma-Molde

46 Preparación del Acero

47 Armado y Vulcanizado

48 Aislador de Goma con Núcleo de Plomo Núcleo disipador de energía Placas de acero Cubierta de Caucho Capas internas de Caucho Placa de montaje inferior Patente USA No. 4,117,637, 4,499,694 y 4,593,502

49 Tamaños: Desde 15 a 150 cm.

50 Ensayos

51 Ensayo de Compresión y Corte Upper and lower pressure panels Load cell Bearing Frame Actuator Laminated rubber specimen Actuator

52 Estados Límites del Aislador Cortante: Deformación cortante última aproximadamente 450% a 650% dependiendo de los compuestos Compresión + Cortante: Esfuerzos de compresión utilizados en proyectos tienen impacto en el estado límite último debido al traslape reducido del área

53 Ensayo Aislador Desplazamiento Max.=1.2mt. Dia.=1050mm

54 1200 mm Isolator at 400% Overlap Area = 12% of Bonded Area

55

56 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Aislador Elastómerico de Goma de Alto Amortiguamiento

57 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Descripción del Proyecto: Primer edificio en el mundo totalmente dedicado para la respuesta y manejo de emergencias. Uno de los primeros edificios diseñados con aislación sísmica en EEUU. El diseño del edificio y sus sistemas fueron concebidos para facilitar los procesos de operaciones en estado de emergencia.

58 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC)

59 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Datos Característicos del Edificio: Sistema Estructural: Estructura de acero con sistema lateral de marco arriostrado. La estructura de acero está apoyada en 28 columnas, cada columna lleva en su base un aislador sísmico. Los sistemas mecánicos y eléctricos están diseñados para sostener operacionalmente un período de activación de emergencia de 7 días, en el evento que haya interrupción de los servicios externos.

60 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Definición del Criterio de Diseño Sismo-Resistente: Considerado como una instalación de servicios esenciales, de acuerdo con el Título 24 del Código de Regulaciones de California. El sistema estructural fue diseñado para resistir los efectos de terremoto de hasta 8.3 de magnitud en la escala Richter. Terremoto Máximo Creíble (MCE) considerado incluye fallas ocultas potencialmente activas, con un intervalo estimado de repetición de cientos de miles de años.

61 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Características Dinámicas del Sistema de Aislación Sísmica: Características Dinámicas: Período Estructural (Sin Aislamiento Sísmico): Dirección transversal 0.25 segundos Dirección longitudinal 0.25segundos Período Estructural (Con Aislamiento Sísmico): Dirección transversal 2.00 segundos Dirección longitudinal 2.00 segundos

62 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) SISTEMA ESTRUCTURAL :

63 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Características del Sistema de Aislación Sísmica: Aislador Suministrado por: Bridgestone Japón (Aislador tipo HHD 60) Aislador Tipo: Goma de alto amortiguamiento. Dimensiones Físicas del Aislador: Altura (incluyendo placas de anclaje): 34.2 cm. Ancho: 60 cm. Espesor de Goma: 40 capas de 0.5 cm. = 20 cm. Espesor de Acero: 39 placas de 2.2 mm. = 85.8 cm. Rigidez Efectiva (keff): 0.94 ton/cm. a 20.3 cm. de desplazamiento Deformación de corte de diseño (MCE): 200% Amortiguamiento Viscoso: 16%

64 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Goma Interior Flange Hueco Lamina de Acero Covertura de Goma Aislador Elastómerico de Alto Amortiguamiento Bridgestone Japón (Aislador tipo HHD 60)

65 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) Programa de Ensayos de Los Aisladores Sísmicos Objetivos: Verificar las propiedades dinámicas de los aisladores sísmicos de alto amortiguamiento usados en el diseño. La serie de ensayos incluyó las pruebas regulares (estandarizadas) del fabricante, ensayos requeridos para aisladores tipo prototipos y de producción, además de una prueba ortogonal y una prueba de comprobación de fuerza restitutiva.

66 Los Angeles County Emergency Operations Center (EOC) El propósito de estos ensayos fue para determinar: Características de rigidez y amortiguamiento Histéresis de carga/desplazamiento Fenómeno de sacudida (ablandamiento) Variación y estabilización de histéresis Fenómenos de recuperación rigidez horizontal Propiedades dinámicas ortogonales

67 Prueba Horizontal Ortogonal: Una prueba de carga horizontal adicional fue hecha en un aislador en la dirección ortogonal (θ =90 o ), siguiendo la misma secuencia de la prueba horizontal regular en la dirección de (θ =0 o ) para examinar las propiedades dinámicas en las dos direcciones ortogonales. El criterio de prueba usado en ambas direcciones fueron idénticos.

68 Criterio del Diseño Sísmico: Tabla 1 - TERREMOTOS DE ESTUDIO FALLA TERRE- MOTO PERIODO DE RETOR- NO (AÑOS) MAG- NITUD DISTAN- CIA (km) PGA EN EL SITIO VELOCIDAD ESPECTRAL (cm./seg) SAN ANDREAS MCE 1, G 22 ESTRUC. DEL PASO DEL COYOTE O DEL PARQUE ELYSIAN MCE 1, G 86 ESTRUCT. DEL PARQUE ELYSIAN MCE G 74 PASO DEL COYOTE MCE >100, G 178

69 Tabla 2 - ESPECTRO COMPATIBLE USADOS EN EL ANALISIS DE VERIFICACION FUENTE: TERREMOTO PERIODO DE RETORNO (AÑOS) PGA 1989 LOMA PRIETA CORRALITOS, COMP.000 MCE 1, G 1952 CONDADO DE KERN TAFT, COMP.N213 MCE 1, G 1979 VALLE IMPERIAL EL CENTRO ARRAY ESTATION N.8, COMP.140 MCE 1, G REPRESA PACOIMA RECORD COMP.S16E MCE >100, G

70 Tabla 3 - CRITERIO DE ENSAYO HORIZONTAL PARA AISLADOR PROTOTIPO No. DE SEQUENCIA PH-0: PRUEBA STANDARIZADA DE BRIDGESTONE PRUEBA No P (ton) X (cm.) Ciclos PH PH PH PH

71

72 Prueba de recuperación a diferentes desplazamientos.

73 RIGIDEZ Desplazamiento Las propiedades de rigidez de un aislador con caucho modificado varían con el desplazamiento.

74 Análisis en el Tiempo: Tabla 4 - ANALISIS DE LOS RESULTADOS DE DISEÑO PROPIEDADES PRE-MD TERREMOTO PGA A ESCALA (G) ACEL. DE PISO (G) DESPL. DE PISO (cm.) CORTE EN LA BASE (ton) COEF. DE CORTE EN LA BASE PACOIMA EL CENTRO Tabla 5 - VERIFICACION DE LOS RESULTADOS DE ANALISIS PROPIEDADES POST - MD DESPUES DE LA RECUPERACION TERREMOTO PGA A ESCALA (G) ACEL. DE PISO (G) DESPL. DEL PISO (cm.) CORTE EN LA BASE (ton) COEF. DE CORTE EN LA BASE PACOIMA EL CENTRO LOMA PRIETA TAFT IMPERIAL VALLEY

75 Edificio Salt Lake City and County (Edificio del Estado y Condado de Salt Lake) Aislador de Goma Natural con Centro de Plomo

76 Ensayos de Aisladores de 30 Años de Edad Reporte escrito por: Johnson and Walters Convención SEAOC 2016

77 Introducción El Edificio de la Ciudad y Condado de Salt Lake fue el primer edificio rehabilitado con aislamiento sísmico (Completado por DIS) Es una estructura de muro de carga construida de ladrillo sin refuerzo y sandstone Fue completado en aisladores fueron usados (De Goma (RB), y de Goma con núcleo de plomo (LRB)) Los aisladores son de 17 in. x 17 in. x 15 in.

78 Preocupacion 1) Los aisladores fueron diseñados originalmente usando aproximadamente la mitad de las aceleraciones actuales de diseño (4 pulgadas de desplazamiento máximo) 2) Cambio en las propiedades de los aisladores por edad ASCE site specific 3) Ablandamiento de los aisladores por la repetición de ensayos

79 Objetivos y Metodología Se aplico una carga artificial a 4 aisladores de repuesto y se colocaron en las mismas condiciones del espacio aislado Los aisladores fueron ensayados cada 5 años después de que se completo la rehabilitación Los aisladores finalmente se ensayaron en 2006 con el objeto de comparar los resultados de los ensayos actuales y anteriores

80 Resultados y Observaciones Ensayados al desplazamiento máximo de diseño (aproximadamente 4.0 pulgadas) Se observaron alguna diferencias en propiedades, y parte de la razón son las variaciones en la tasa de pruebas, variaciones en la maquinaria, y protocolo de medición

81 Results and Observations Análisis No-Lineal Diferencias menores en el desempeño proyectado del sistema de aislación

82 Resultados y Observaciones Ensayos a desplazamientos mayores de 4.0 pulgadas Aislador Desplazado a 9 Pulgadas Aislador de Núcleo de Plomo Carga Diagonal a 9 pulgadas

83 Resultados y Observaciones Ensayos a desplazamientos mayores de 4.0 pulgadas Aislador Desplazado a 16 Pulgadas Aislador de Núcleo de Plomo Carga Diagonal a 16 pulgadas Aislador Elastómerico Comportamiento de Rollover del Aislador

84 Conclusiones Los aisladores de caucho natural exhiben cambios insignificantes en sus propiedades con respecto a la edad. Ensayos repetidos de los aisladores de repuesto tiene un efecto insignificante sobre las propiedades del aislador. Las variables asociadas con los ensayos son la explicación mas probable para la diferencia en los resultados de ensayos anteriores. Los aisladores son altamente resistentes y son capaces de sostener cargas verticales significantes bajo alto esfuerzo cortante.

85 Conclusiones El comparativo entre aisladores de goma natural y de goma modificada muestra que los aisladores de goma natural presentan un comportamiento más estable y predecible por ciclo.

86 Conclusiones Es recomendable que los ensayos de los aisladores incluyan todos los ciclos de ensayo sin eliminación del primer ciclo.

87 Conclusiones El comportamiento de un aislador de goma natural tiene un comportamiento predecible para distintos desplazamientos.

88 Conclusiones Se recomienda que el diseño de aisladores elastomericos debe considerar los factores modificación de propiedades(λ) Las especificaciones técnicas de un proyecto deben ser claras respecto al tipo de aislador utilizado en el diseño.

89 Recomendación: Apoyo Suplementario al Sistema al Aislación

90 Basic Characteristics of the Isolation System, Q d and K d Q d : Fuerza histéresis, o fuerza a cero desplazamiento (fuerza de fluencia del plomo o de fricción) Kd: Rigidez segundaria (rigidez de la goma o radio del péndulo) Figure from the AASHTO Guide Specifications for Seismic Isolation Design

91 Factor (λ): Factor de cambio de propiedades Uso de propiedades nominales en el proceso de diseño típicos de sistemas de aislamiento se pueden basar en los resultados previos de pruebas de tipo prototipos proporcionados por el fabricante(es) Propiedades de límite Superior e Inferior para el análisis y el diseño Factor (λ): Factor de cambio de propiedades Basado en el Código AASHTO, pero con valores específicos para el edificio proporcionados por el profesor Constantinou basado en pruebas y experiencia Límite superior de la propiedad = valor nominal x λmax Límite superior de la propiedad = valor nominal x λmin Sin pruebas aprobadas, factores λ default : λmin 0.6 and λmax 1.8 Con pruebas aprobadas, los factores λ del fabricante de calidad también están especificados y son inferiores a las de fabricantes sin experiencia.

92 Variabilidad en las propiedades del aislador Limite Superior para Diseño Corte Basal Limite Inferior para Diseño Desplazamiento Figure C Example of the Upper Bound and Lower Bound Properties of a Bilinear Force Deflection System

93 Comparison of ASCE 7-10 and 7-16 Design Forces ASCE 7-10 ASCE 7-16

94 USRC 2016

95 GRACIAS!

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