XXVII JORNADAS SUDAMERICANAS DE INGENIIRIA ESTRUCTURAL

11111 la AL 22 DE SEmElolBRE DE 1995 TUCUMN - AROENTINA

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IIII

Desarrollo de Aisladores Ssmicos Circulares Huecosde Goma de Alto Amortiguamiento

Mauricio Sarrazin, Rubn Boroschek, Mara Ofelia Moroni, Juan VargasDepartamento de Ingeniera Civil

Universidad de ChileCasilla 228-3, Santiago, Chile

RESUMEN

La aislacin ssmica es un mtodo efectivo para mitigar los efectos destructivos de lossismos, lo que ha quedado demostrado con el comportamiento de edificios aislados duranteel sismo de Nonhridge en USA en 1994 y el sismo de Hanshin en Japn en 1995.

En Chile, se construy un edificio de 4 pisos aislado ssmicamente , en el cual se hainstalado una red local de acelergrafos para monitorear su comportamiento ssmico . Aunquehasta la fecha slo han ocurrido sismos de magnitud moderada (M < 5.3) el sistema aislanteha probado ser efectivo.

En este tipo de edificios las cargas permanentes son relativamente bajas como astambin las cargas verticales que descargan sobre cada aislador. Por lo tanto, los aisladoresresultan bastante esbeltos, pudiendo presentar problemas de inestabilidad . Una alternativa quese explora en este trabajo, es el uso de aisladores huecos .

Se presenta el diseo. fabricacin y ensayo de aisladores de goma laminada de formacillndrica circular con un hueco interior. Los aisladores se componen de 37 capas de gomade 5 mm y placas de acero de 2mm. resultando una altu ra totar de 25.7 cm. Los dimetrosinterior y exterior son de 13.8 y 31.7 cm respectivamente. Las dimensiones se seleccionaronpara tener una rigidez tal que el perodo fundamental del edificio sea aproximadamente 2 seg.De acuerdo a las condiciones de diseo. deben resistir una carga vertical de 35 ton y sercapaces de aceptar desplazamientos laterales de hasta 20 cm.

Los ensayos incluyen carga vertical y cclica horizontal. Los resultados indican queaun cuando no aumenta sustancialmente el factor de seguridad al pandeo . resultan mspequellos y econmicos que los aisladores llenos tradicionales.

.41'7

v La tensin de corte en un plano horizontal es despreciable.

Si adicionalmente se supone que el material es incompresible, E, corresponde a la eco 2.1.

Donde : el factor de' forma S corresponde al rea cargada dividida por el rea libre, o sea

S = (D. - DJ/ 1,. G es el mdulo de corte del elastmero; generalmente se utiliza el valorcorrespondiente al 50% de deformacin de COrte y F corresponde a la eco 2.2.

Se observa que E, para una lmina con hueco interior disminuye con respecto al caso sin

hueco en funcin del valor de F. cuyo mnimo es 2/3.

La deformacin mxima de corte inducida por la compresin de la lmina de goma ocurre

en el permetro del hueco interior en los bordes superior e inferior. siendo:

(D.l) l'~F _D_,__ D,

(D ll (l'~)lnD.D, D, D,

Ll

2.2

2.3( D)"ln~'l

D, D,

( .::e ' l) l n ( ~) D, D,

E 6GS'F

Turnax6Sc,.B

l. Il\TRODUCCION

2. ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL AISLADOR

En general. las estructuras de mediana y baja altura tienen en Chile perodos propios de librarque se encuentran dentro de los periodos predominantes de los sismos. teniendo en

consecuencia que ser capaces de disipar gran cantidad de energa a travs de la deformacinde los elementos estructurales. Otra caracterstica importante es que se produce una amplifica-cin de las aceleraciones con la altura provocando grandes esfuerzos en los elementos

estru cturales y deformaciones entre pisos . La aislacin basal modifica rad icalmente el

comportamiento dinmico de estos sistemas.

En Chile. se construy un edificio de 4 pisos aislado ssmicamente. en el cual se ha instalado

una red local de acelergrafos para monitorear su comportamiento ssmico. Aunque hasta la

fecha s610 han ocurrido sismos de magnitud moderada (M < 5 .3) el sistema aislante haprobado ser efectivo.

En este tipo de edificios las cargas permanentes son relativamente bajas como asl tambin lascargas verticales que descargan sobre cada aislador . Por lo tanto. stos resultan bastante

esbeltos. pudiendo presentar problemas de inestabilidad. Una alternativa puede ser el uso de

aisladores huecos. En este trabajo se presenta el diseo. fabricaci6n y ensayo de aisladoresde goma laminada de forma cilndrica circular con un hueco central.

.4111-

y e, es la deformacin de compresin promedio.

Si el material se considera compresible, se define la deformacin volumtrica

t:.V / V = (u + fyy' + fu .

La solucin exacta para E, Y 1'n max fue desarrollada por Constantinou et al. (1992). usandofunciones de Bessel de distintos rdenes, adems de la expresin simplifica dada por :

K es el mdulo de Bulk, F corresponde al factor dado antes para material incompresible y

H es una larga funcin de D./ D, que se asemeja mucho a los valores que toma F. El trmino6GS'F en la ecuacin 2.4 representa el mdulo de compresin de material incompresible,

mientras que el trmino negativo representa la correccin por compresibilidad. En la mayorade las aplicaciones de aislacin sismica el trmino 8GS'HIK es pequero pudindose escribir

la ecuacin 2.4 'como :

Los aisladores ssmicos estn sometidos a una combinacin de carga vertical y grandes

deformaciones laterales provocadas por el peso del edificio y el movimiento del suelo durante

un sismo . El compuesto de goma tiene un comportamiento viscoelstico no lineal. Aunque

es posible modelar la no linealidad de la ley constitutiva. se ha supuesto que la goma presenta

propiedades elsticas lineales, lo cual permite simplificar las soluciones sin cometer errores

de consideracin. segn ha sido demostrado en otros estudios (Kelly 1993).2.1 Comportamiento del aislador ssmico sometido a compresin.

En panicular interesa determinar el mdulo de compresin del elastmero E, y ladeformacin de corte mxima inducida por la compresin de la lmina de goma . De acuerdo

a la teora desarrollada por Chalhoub y Kelly (1991) se considera una lmina de goma.

rodeada por placas de acero infinitamente r gidas (fig . 2.1) y las siguientes hiptesis:L El material es lineal. elstico e istropo,ii .- El estado de tensin es de compresin hidrosttica.iii.- Las secciones verticales toman forma de parbola.iv.- Planos horizontales permanecen horizontales.

-418.

E 6 GS'F (1- Bes' H) J( 2.'

t.

1.1.4 HE. 6GS'F 3X(F) J.S

En esta expresin se ve la dependencia de K~ con la carga axial y la rig idez a flex in del, - -

aislador. Sin embargo, en la prctica se puede determinar la rigidez lateral con la expresin

K. = G A. / h Ypara ver la influencia de la carga vertical se puede usar la ec 2. 9.

En la figura 2.2 se compara E, para material compresible e incompresible. Se aprecia que

para factores de forma mayores que 10 la compresibilidad de la goma provoca disminucionesde ms del 20% en Ec.La rigidez vertical del aislador ssmico se define como:

. en que P,' es la carga de pandeo modificada y P la carga vertical.

Para determinar la deformacin a la que se produce el volcamiento del sistema. se analiza el

estado lmite antes de perder la estabilidad . resultando:K & A~'EC'.' - c-

A, : rea de la lmina de goma

E, : mdulo de compresin de la lmina de goma

t : altura total de goma.

Ir; - X. ( 1 - l :;) .) J.9

3. DISEO DE LOS AISLADORES

En la prctica los aisladores se apernan a la estructura mejorando bastante la estabilidad.

Se definen los siguientes parmetros y condiciones de diseo para el aislador:

a.- Carga vertical mxima = 35 ton

2.2 Com portamiento del aisla dor ssmico sometido a carga lateral.

La teora para estudiar el comportamiento del aislador bajo la combinacin de carga axial ydeformacin lateral fue desarrollada por Haringx (1948 ) y aplicada a los apoyos de goma porGen! (1964) . El modelo es una mod ificacin de la teora lineal para una columna elstica enque predomina la baja resistenc ia al corte . El anl isis permite predecir la carga de pandeo.la rigidez hor izontal y la influencia de la carga axial en la rigidez y amortiguamiento de l

sistema. b.- Carga vert ical mnima

P'Do6.-01 P.K,, 'h

= 21.8 Ion

2.10

- 4%0 -

El . u Glt: (R;-R~) )et,

- 4%1 -

c.-

d.-

Capacidad de deformacin lateral = 20 cm

Rigidez horizontal para 50% deformacin de corte = 258 kg/cm: para deformac iones

menores debe ser a lo menos 4 veces mayor.

e. - Razn de amortiguamiento entre 8 y 10%.f. - Para evitar amplificacin vertical o balanceo de la estructura. la rigidez vertical debe

ser a lo menos 250 veces la rigidez horiwntal.g._ La deformacin de corte producida por sismo ms la producida por compresin no

pueden exceder el 50% de la elongacin mxima de la goma .

h.- El factor de seguridad al pandeo debe ser igual o mayor que 2

A partir de un compuesto de goma con las siguientes propiedades: mdulo de corte al 50 %

de deformacin = 7.4 kg/cm2 razn de amortiguamiento de 9.9% y elongacin admis ible

de 332% se concluye en un aislador de 31.75 cm de dimetro exterior , 13.7 cm dimetro

interior y 25 .7 cm de altura total con 37 lminas de O.S cm de espesor de goma y 0.2 cm deespesor de acero. tal como se muestra en la Foto N1. La relacin OJO, es de 2.31 yel

J.'

J.'

J.6

GA,11 - GA,+Py

P lGA.+PlGA,EI,

IJ'

El mdulo de flexin efect ivo de la lmin a de goma es :

Definiendo los trminos siguientes:

A, = A, . h I t, con h = altura total del aislador.

El, = Ele/! . h / t

la rigidez horizontal del aislador es : allhx. _-~_::.

2 t g ( a2h ) - a llh

factor de forma es 8.45.

4. ENSAYO DE AISLADORESCon la geometra anterior se fabricaron 5 aisladores. uno sirvi para probar el proceso defabricacin y los Otros 4 fueron sometidos a ensayos de carga vertical monotnica. carga

vertical mantenida. carga vertical cclica. carga horizontal esttica con carga vertical constante

y carga horizontal d inmica con carga vertical constante. Las experiencias se realizaron enel Instituto de Investigacin y Ensayo de Materiales (IDIEM) de la Universidad de Chile. Elmdulo de corte efectivo de la goma fue 6.65 kg/crrr' para el 50% de deformacin. por lo que

los aisladores resultaron mas flexibles que lo programado originalmente.

En el primer tipo de ensayo se aplicaron cargas verticales de 15. 30 Y45 Ion con el objetode estudiar la deformacin axial remanente del aislador ante ciclos de carga y descarga.

adems de lograr el acomodo de las placas . Para la carga vertical de 45 ton ocurrieron

deformaciones laterales indicando alguna deficiencia en la fabricacin de los aisladores .

En el ensayo de carga vertical mantenida . se aplic 45 ton las que se mantuvieron durante 12

hrs . registrndose las deformaciones verticales y laterales cada 30 minutos . La deformacin

vertical. del orden de 8 mm .. se produce durante la primera media hora. mientras que la

deformacin lateral en principio de magnitud menor que la vertical. sigui aumentando

durante lodo el ensayo.

Para determinar la rigidez vertical de los aisladores se realiz el ensayo de carga vertical

c iclica. En la tabla 5.1 se presenta la rigidez vertical determinada para cada aislador cuando

los ciclos se aplican en torno a una carga de 15 Ion y de 30 ton . La rigidez terica,

suponiendo una de formacin media de corte del 10% (G = 14.02 Kg/cru ') y materialIncompresible (dado el valor de S < 10). es de 128027 Kg/cm. Se observa que al aumentarla carga vertical. la rigidez disminuye pues la deformacin de corte es mayor y. por ende .

el mdulo de corte del cual depende E, . disminuir.

Carga Aislador I Aislador 2 Aislador 3 Aislador 4

Vertical

15 ton 133340 . 151441. 166703 . 149568 .

30 Ion 136728 . 128932. 1:!l926. 136592.

Tabla 5.1 Rigidez Vertical (Kg/en).4%! '

Con el objeto de comprobar la estabilidad de los aisladores bajo condiciones extremas dedeformacin lateral y ver cmo vara su rigidez horizontal esttica con la carga vertical, se

aplican cargas verticales constantes de 10. 20 Y 30 ton y carga horizontal creciente hasla

lograr desplazamientos del orden de 12 cm .Los resultados se muestran en los grficos 4 .1 y 4.2. Ambos pares de aisladores tienen en

la primera parte del ensayo Urta rigidez alta. luego se ablandan y se deforman prcticamente

en forma lineal. La variacin de la rigidez lateral con la carga vertical aplicada es evidente.

reducindose en un 30% aproximadamente al variar la carga de 10 a 30 ton .. valor similar

al obtenido al aplicar la ec 2.9. Adems. para la carga de 30 ton queda una deformacin

remanente importante. lo que constituye una caracterstica indeseable.

Finalmente los aisladores son sometidos a ensayo de carga vertical constante y carga

horizontal seudo dinmica. El sistema de ensayo permite generar un movimiento sinusoidal.

cuya frecuencia depende de la magnitud de la deformacin alcanzada. El primer par de

aisladores se ensay a carga vertical de lO. 20 y 30 ton. a una frecuencia entre l y 0.6 hz.

logrndose deformaciones mximas de 2 cm. El segundo par se someti a cargas verticales

de 3. 5. 10. 15. 20 y 30 ton. con frecuencias variables entre 1.4 y 0.6 hz y logrando

deformaciones de 3 cm .En las figuras 4.3 y 4 .4 se muestran la rigidez terica de un aislador (sin incluir efecto decarga vertical) y el amortiguamiento determinado para las probetas de goma junto a losresultados experimentales para lO. 20 y 30 ton de carga venical. Se aprecia que cuando la

carga vertical es pequea la rigidez de los aisladores tiene una buena correlacin con la

teora . sin embargo al crecer sta disminuye considerablemente la rigidez del sistema. Hay

que precisar que los ensayos para determinar el mdulo de corte de la goma. con el cual se

determina la rigidez terica. no incluyen efectos de compresin. Por 'esta misma razn elamortiguamiento determinado en los aisladores es mayor que el amortiguamiento de la goma.

En la figura 4.5 se grafica la relacin entre la rigidez lateral y la carga vertical para un Ii) ~de deformacin de corte de los aisladores 3 y 4. junto a la curva dada por la ecuacin :!.9.Al extrapolar dichas curvas. se obtiene una carga de pandeo experimental de 59 .9 ton y

terica de 63.4 ton .

5. CONCLUSIONESCon el fin de estudiar alternativas de aislacin ssmica paraedificios de viviendas econmicasse ha diseado un aislador de gOIl)3 Iamirtada de alto amoniguamiento circular hueco. Esteconsta de 37 lminas de goma de 0.5 en de espesory 36 lminas de acero de 0.2 anoTieneun peso de 40 kg, de los cuales 14 kg corresponden a 1& goma. La relacin entre el dimetro

.42'

exterior e interior es de 2.31 y el factor de forma es 8.45 . El proceso de vulcan izacin

demora 4.5 hrs .

Se han fabricado 4 de estos aisladores y se han sometido a diversos ensayos incl uyendo carga

vertical monotnica. carga vertical mantenida, carga vertical cclica , carga hor izontal est tica

y carga horizontal dinmica. Los resultados indican que aunque no aumenta sustancialm enteel factor de seguridad ame el pandeo. los aisladores huecos resultan ms pequeos y econmi-

cos que los aisladores llenos tradic ionales .

AGRADECIM IENTOS

Este traba jo ha sido financ iado por la Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas de laUniversida d de Chil e. la empresa VULCO S.A . y el Fondo de Desarrollo de C iencia y

Tecnolog a a traves del pro yecto N"1940466. apoyo que agradecemos sinceramente . y .v .--

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Figura 2.1 Deformacin de la lmina de goma sometida a compresin

Figura 2.2 Comparaci6n del mdulo de compresi6n para malerial incompresible y mal .compresible.

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