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1. WO2020121029 - DISPOSITIVO CINEMÁTICO DE AISLAMIENTO SÍSMICO

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DISPOSITIVO CINEMÁTICO DE AISLAMIENTO SÍSMICO

MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con el rubro de la construcción e inmobiliario, para la protección de todo tipo de estructuras frente a vibraciones antrópicas o naturales como los sismos. En particular, la presente invención se relaciona con un dispositivo cinemático de aislamiento sísmico, o simplemente aislador, el cual puede ser utilizado en edificios de baja o moderada altura o estructuras de peso relacionado a dichas alturas.

En el presente campo técnico se define a edificios de baja altura a los edificios que tienen alturas máximas de hasta 40 metros, mientras que los edificios de mediana o moderada altura tienen una altura de entre 40 metros y 125 metros, mientras que los edificios altos, tienen alturas por sobre los 125 metros.

Cabe de mencionar que estos rangos son para la presente solicitud, pero en la literatura, dicha definición puede tener variaciones, en donde, la definición de altura máxima definida para edificios de baja altura puede tener una variación de ± 10 metros, mientras que la definición de altura para edificios consideradas altos, puede tener una variación de ± 25 metros. De la misma manera, la definición de la altura mediana o moderada puede tener una variación de ± 10 metros en su altura mínima, y su altura máxima, puede tener una variación de ± 25 metros.

ESTADO DEL ARTE

La tecnología de aislamiento sísmico es una de las formas más efectivas para proteger de los efectos de los terremotos a las estructuras, sus habitantes y su contenido. Se basa en el desacoplamiento del sistema en el dominio de la frecuencia, filtrando el input sísmico que alcanza a la estructura, reduciendo su potencia energética. Esto se logra eliminando el vínculo rígido que comúnmente une al sistema estructural con el suelo a través de las fundaciones, cambiándolo por una interfaz horizontalmente mucho más flexible que el sistema estructural que se busca proteger. Esta interfaz, divide al sistema estructural en dos partes, denominándose superestructura a aquella parte que está por sobre dicha interfaz y subestructura a la que está por debajo. El input sísmico afecta de manera directa a la subestructura y de manera indirecta a la superestructura, ya que, para lograr alcanzarla, debe atravesar la interfaz flexible o nivel de aislamiento. El input sísmico es filtrado o modificado al pasar por el nivel de aislamiento, reduciendo la potencia del sismo para aquellas componentes de frecuencias que se alejan de la frecuencia de aislamiento del sistema. Sólo las componentes del sismo cuyo contenido de frecuencia es cercano a la frecuencia de aislamiento son capaces de llegar a la superestructura sin ser atenuadas por la interface de aislamiento. Debido a que las frecuencias naturales de la superestructura están lejanas (son mucho mayores) al contenido de frecuencia del input sísmico que logra llegar a afectarla, se tiene por resultado una respuesta estructural atenuada. La respuesta sísmica de la superestructura resulta ser una combinación de movimiento de cuerpo rígido, más vibraciones atenuadas. El primero no genera daño y el segundo tipo de vibración genera deformaciones relativas pequeñas en comparación con aquellas que sufriría la misma estructura sin aislamiento sísmico, por lo que se espera que su comportamiento sea lineal elástico y sin daño considerable.

En la actualidad, los sistemas de aislamiento sísmico pueden agruparse en tres categorías: 1) basados en materiales híper-elásticos, comúnmente goma, con disipación histerética y/o adicionada 2) basados en deslizamiento con disipación de energía por roce y 3) mecanismos cinemáticos que pueden incluir disipación de energía. El primer tipo de aisladores es el más ampliamente conocido y utilizado en edificios de baja y moderada altura, aunque también se conocen casos de implementación en edificios altos; sin embargo, su eficacia y buen desempeño está aún en duda. El segundo tipo de aislador es usado

únicamente en estructuras bajas, debido a sus limitaciones de diseño. El tercer tipo corresponde a los dispositivos más novedosos y menos conocidos, teniendo características ventajosas sobre los dos anteriores.

El uso de aisladores elastoméricos o de goma presenta dos grandes limitantes técnicas. La primera es que la rigidez lateral del aislador decrece en presencia de carga axial, lo cual puede hacer incluso que se alcance la inestabilidad lateral. Por otra parte, la resistencia a la tracción de la goma es muy reducida en comparación con su resistencia a compresión, siendo al menos un orden de magnitud menor. Estas dos limitantes generan problemas técnicos en la implementación de este tipo de dispositivos de aislamiento en estructuras altas. Esto debido a que las estructuras altas son más pesadas, induciendo inestabilidad en los aisladores. Adicionalmente, las cargas laterales generadas por el sismo inducen volcamiento del sistema estructural. El fenómeno producido por la tendencia al volcamiento que se conoce como rotación (“rocking”) se representa en la Fig. 6A, y su efecto podría aumentar en gran medida las aceleraciones de piso provocando daño estructural, lo cual trae consigo sobrecargas verticales en los aisladores. Estas sobrecargas no sólo incrementan de forma significativa la compresión y, por tanto, la inestabilidad del dispositivo, sino que pueden eventualmente generar tracción en estos, con ruptura de la goma en el aislador. Esto último, representa una condición crítica que podría generar fallas catastróficas en estructuras esbeltas con aislamiento sísmico.

Los mecanismos cinemáticos que pueden incluir disipación de energía incluyen a dispositivos de aislamiento sísmico del tipo péndulo friccional o del tipo rodillo (rollers). Estos resuelven el problema de estabilidad lateral, pero su resistencia a la tracción es nula, pudiendo ser implementados únicamente en edificios bajos y poco esbeltos.

Perteneciente a éste último grupo de dispositivos, se encuentra el mostrado en el documento KR 20020004164, referido a un aislador sísmico direccional de péndulo de fricción. Este aislador consiste de una placa inferior de deslizamiento, que forma una pista de movimiento en una dirección y sentido; consiste también de una placa superior de

deslizamiento, que es una pista de movimiento en la misma dirección, pero en sentido opuesto; y una pieza de deslizamiento de dirección biaxial entre las placas de deslizamiento superior e inferior, permitiendo un movimiento de forma pendular. También describe como interviene la curvatura que posee una placa de deslizamiento, para amortiguar el movimiento proveniente de algún sismo. Notamos que se requiere de dos pares de superficies de fricción y que todo desplazamiento en una orientación distinta a las placas de deslizamiento debe descomponerse entre ellas, sometiendo el dispositivo a la descomposición de fuerzas correspondiente.

El documento KR 101438704, se refiere a un aislador de vibración con una superficie de fricción cónica. Se presenta una pieza de deslizamiento superior que se apoya sobre un elemento con dos superficies de fricción contiguas, una primera superficie central de forma cóncava esférica y una segunda superficie de forma cóncava cónica dispuesta en la circunferencia de la primera superficie de fricción. Esta formación incluye al menos una superficie superior y una inferior (con dos zonas o superficies de distinta concavidad).

En JP 2008057572 se presenta un aislador sísmico basado en deslizamiento, en el cual, para reducir la tensión de trabajo sobre una capa aislante se emplea una estructura aislante con forma de arco, que permite el movimiento entre la estructura superior y la inferior, reduciendo de esta manera la vibración horizontal. Sin embargo, al promover el movimiento de la estructura superior a lo largo del arco, se produce un giro de dicha estructura superior en lugar de un desplazamiento horizontal, lo que se traduce en desplazamientos mayores en edificio de mayor altura.

De modo que, el presente dispositivo aborda las dos grandes problemáticas asociadas a los clásicos aisladores de goma, esto es, inestabilidad lateral y escasa resistencia a tracción. Lo anterior con el propósito de extender el uso de la tecnología de aislación basal a edificios más altos y/o esbeltos que en la actualidad. Además de hacerse cargo de otros problemas observados en el estado de la técnica como son la necesidad de una descomposición de

fuerzas entre pistas de deslizamiento, y el incremento de desplazamientos observado en aisladores que pivotean la superestructura desde la base.

DESCRIPCIÓN RESUMIDA DE LA INVENCIÓN

En respuesta a la problemática planteada, se proporciona un aislador o dispositivo cinemático de aislamiento sísmico, que utiliza el peso de una superestructura para mantenerse erguido, aislando a la superestructura del movimiento de una subestructura o cimiento. El dispositivo presenta forma de paraguas, es verticalmente muy rígido y capaz de rotar con respecto a su punto de apoyo pivoteado en la base, permitiendo el desplazamiento lateral de la superestructura que rueda sobre él. El dispositivo consiste de un casco convexo (en caso particular esférico), ubicado en la parte superior y un cuerpo intermedio que se extiende hasta un extremo inferior, donde se conecta, con libertad para oscilar, a la subestructura o cimiento. La parte convexa del casco se orienta hacia arriba y sobre él descansa una placa de rodadura que se ancla a una superficie inferior plana de la superestructura. En un aspecto esencial, el radio de curvatura del casco es mayor o igual que la altura del dispositivo.

Por su particular y versátil diseño el presente dispositivo permite utilizar el propio peso del edificio para generar fuerza restitutiva y obtener la rigidez lateral y frecuencia de aislamiento deseada.

Además, se puede generar una fuerza horizontal restitutiva adicional a la proporcionada por el peso de la estructura o en reemplazo de ésta, por medio de la inclusión de un elemento de tracción y un elemento de pos-tensado en el interior del dispositivo, cuyo extremo superior atraviesa el casco para su fijación en la placa de rodadura, a fin de mantener en contacto el casco y la placa de rodadura. Al proporcionar rigidez lateral al aislador por medio del elemento de pos-tensado, no sólo dicha rigidez es indiferente a las sobrecargas verticales debido al sismo, sino que también se proporciona al sistema la capacidad para

resistir niveles de tracción significativos, reduciendo la probabilidad de colapso por volcamiento.

Una modalidad de la presente invención se refiere a un dispositivo cinemático de aislamiento sísmico para aislar una superestructura del movimiento experimentado por una subestructura o cimiento proporcionando un aislador con estabilidad lateral y resistencia a tracción, que comprende un casco de estructura rígida con la parte convexa del casco orientada hacia arriba y un radio de curvatura R; y un cuerpo intermedio de estructura rígida, que se acopla por su extremo superior a la parte inferior del casco y que se extiende hasta un extremo inferior del dispositivo donde se conecta a través de un medio de conexión pivotante a la subestructura o cimiento; en donde, el radio de curvatura R es mayor o igual que la altura H del dispositivo, altura definida con el dispositivo en posición vertical como la distancia entre ápice del casco y el centro de giro del medio de conexión pivotante; y en donde, una placa de rodadura, que está anclada a la superficie inferior de la superestructura, se apoya sobre el casco.

En una realización particular, la placa de rodadura comprende una lámina de rodadura flexible unida a la superficie inferior de una placa de estructura rígida.

En otra realización particular, la lámina de rodadura está constituida de elastómero reforzado con fibras, en donde el elastómero se fabrica de caucho natural o sintético u otro polímero de cadenas de carbono e hidrógeno que sea altamente elástico y deformable, y en donde las fibras para reforzamiento son resistentes a tracción, como fibras de acero o fibras de carbono.

En una realización, la placa es una placa plana de contorno circular fabricada en acero u otro material resistente y rígido que permita la transferencia de cargas y anclaje a la superestructura.

De manera preferente, la superficie inferior de la placa es plana.

De manera opcional, el cuerpo intermedio es hueco, definiendo un alojamiento axial interno del mismo.

En forma opcional, el cuerpo intermedio comprende una parte superior y una parte inferior que se acoplan entre sí por medios roscados.

En otra realización, el dispositivo cinemático de aislamiento sísmico, de acuerdo a cualquiera de las dos configuraciones opcionales mencionadas antes para el cuerpo intermedio, comprende un elemento de tracción unido en serie con un elemento de postensado, en que un extremo inferior del elemento de tracción y el elemento de pos-tensado están dispuestos en el alojamiento axial interno del cuerpo intermedio, en donde el elemento de pos-tensado se fija por su extremo libre al interior del cuerpo intermedio y el elemento de tracción pasa por un orificio que atraviesa axialmente el casco y comunica con el alojamiento axial interno, y el extremo superior del elemento de tracción se fija a la placa.

Con respecto al elemento de tracción, éste es axialmente rígido y flexuralmente flexible, y el elemento de pos-tensado es axialmente flexible con capacidad de resistir grandes deformaciones.

En un caso particular, el elemento de tracción, es un cable de acero u otras fibras resistentes a tracción trenzadas entre sí.

En una modalidad el elemento de pos-tensado es un resorte.

En otra modalidad, el elemento de pos-tensado es un cilindro neumático cuya camisa es integral con el cuerpo intermedio.

Opcionalmente, el medio de conexión pivotante comprende una rótula de bola, una pista superior y una pista inferior, en que la rótula de bola tiene un vástago con rosca para su unión con el cuerpo intermedio y las pistas se fijan a la subestructura o cimiento.

Adicionalmente, el interior de las pistas superior e inferior está recubierto de un material diferente al de su estructura, que posee un coeficiente de roce conocido, determinado según los requerimientos de disipación de energía de acuerdo al diseño sismo-resistente.

Opcionalmente, el radio de curvatura del casco es variable en la dirección horizontal respecto del eje de simetría vertical del dispositivo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

En las figuras que acompañan esta presentación y que pasamos a describir brevemente se incluyen esquemas básicos, modelos a escala con algún grado de detalle y, en general, ejemplos de realización de la presente invención sin ninguna intención de limitación.

La figura 1A muestra un esquema en elevación de una realización del dispositivo de

aislamiento.

La figura 1 B muestra el dispositivo de la Fig. 1A en posición inclinada debido al desplazamiento relativo de la superestructura respecto de la base del aislador.

La figura 2A muestra un esquema en elevación y en corte de una realización

alternativa del dispositivo de aislamiento que incorpora un elemento de tracción y un elemento de pos-tensado en su interior.

La figura 2B muestra el dispositivo de la Fig. 2A en posición inclinada debido al desplazamiento relativo de la superestructura respecto de la base del aislador.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva y explosionada de una forma de

realización ejemplar del dispositivo de la Fig. 2A.

La figura 4A muestra una vista en sección y explosionada de otra forma de realización

ejemplar relacionada al dispositivo de la Fig. 2A, que corresponde a uno de los modelos de pruebas a escala.

La figura 4B muestra una vista superior del dispositivo de la figura anterior, mostrando

el casco con un orificio pasante al centro.

La figura 5 muestra un gráfico de la relación Fuerza-Desplazamiento y Tensión- Desplazamiento, para un ejemplo de aislador.

La figura 6A muestra la rotación (“rocking”) de un edificio producto de un sismo

cuando se emplea aisladores de goma del Estado del Arte.

La figura 6B muestra un edificio con los aisladores de la presente tecnología.

Las figuras 7A y 7B son, respectivamente, gráficos de aceleraciones y desplazamientos en función del tiempo para el ensayo de mesa vibradora del ejemplo 1 - Sin aislamiento de base.

Las figuras 8A y 8B son, respectivamente, gráficos de aceleraciones y desplazamientos en función del tiempo para el ensayo de mesa vibradora del ejemplo 2 - Sin aislamiento de base.

Las figuras 9A y 9B son, respectivamente, gráficos de aceleraciones y desplazamientos en función del tiempo para el ensayo de mesa vibradora del ejemplo 3 - Sin aislamiento de base.

Las figuras 10A y 10B son, respectivamente, gráficos de aceleraciones y desplazamientos en función del tiempo para el ensayo de mesa vibradora del ejemplo 1 - Con aislamiento de base.

Las figuras 1 1A y 11 B son, respectivamente, gráficos de aceleraciones y desplazamientos en función del tiempo para el ensayo de mesa vibradora del ejemplo 2 - Con aislamiento de base.

Las figuras 12A y 12B son, respectivamente, gráficos de aceleraciones y desplazamientos en función del tiempo para el ensayo de mesa vibradora del ejemplo 3 - Con aislamiento de base.

Las figuras 13, 14 y 15 muestran las dos primeras formas modales calculadas experimentalmente para los modelos 1 , 2 y 3 sin aislamiento de base, respectivamente.

Las figuras 16, 17 y 18 muestran las dos primeras formas modales calculadas experimentalmente para los modelos 1 , 2 y 3 con aislamiento de base, respectivamente.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

A continuación, se presenta en detalle el dispositivo de aislamiento sísmico de la presente tecnología, que busca resolver las deficiencias de los dispositivos elastoméricos actuales, que son los más ampliamente usados en aislamiento sísmico de estructuras. Su operación se sustenta en el modelo de caracterización teórica y las pruebas de conceptos que muestran la efectividad del dispositivo propuesto.

El dispositivo de aislamiento sísmico cumple con los requerimientos fundamentales de un aislador sísmico, siendo estos los que siguen:

a) Es verticalmente muy rígido, específicamente en compresión (no sufrirá aplastamiento). También es muy rígido en tracción, siempre que la fuerza de pos-tensado del elemento de tracción en su interior no sea superada.

b) Posee una baja rigidez lateral, proporcionando una fuerza lateral en función del desplazamiento lateral, permitiendo así desacoplar a la estructura del suelo en el dominio de la frecuencia.

c) Es capaz de resistir las cargas gravitacionales de la superestructura, así como también mantenerla en equilibrio estable en condición de servicio.

Además, parte o la totalidad de la rigidez lateral puede ser proporcionada por el peso propio de la estructura aislada sísmicamente. Esto se logra mediante un diseño particular en el cual el pivote del aislador no está contenido en la línea de acción del peso del edificio sobre éste en su condición deformada lateralmente.

Los principios o las leyes constitutivas que conducen al modelo de caracterización teórica del presente dispositivo, vinculando fuerza con desplazamiento, son los siguientes:

• El dispositivo de aislamiento es un cuerpo rígido, por lo que no se consideran deformaciones, éste solamente rota en su punto pivote en la base.

• La resistencia del pivote (momento de roce resistente) es despreciable, en comparación a las fuerzas que están involucradas en el sistema, es decir, el pivote se considera como una rótula perfecta.

• El elemento de tracción y el elemento de pos-tensado en el interior del dispositivo de aislamiento se consideran trabajando en rango lineal elástico. Las no linealidades en el aislador son de tipo geométrico, debido a grandes desplazamientos.

• Para efectos de análisis, se considera que la superestructura está en contacto con el dispositivo de aislamiento en un único punto. Esto debido a que el área de contacto es pequeña en comparación a la superficie del dispositivo.

• Se considera que el roce en la superficie de contacto del casco convexo del dispositivo con la placa de rodadura sujeta a la superestructura permite la rodadura, por lo que el deslizamiento no está permitido.

• La superficie inferior de la placa de rodadura, que está en contacto en su cara superior con la superestructura y en su cara inferior con el dispositivo de aislamiento, se mantiene horizontal.

• La masa del dispositivo se considera despreciable en comparación con la masa de la superestructura que se está siendo aislada sísmicamente.

En términos de resultados, la ecuación siguiente permite obtener la fuerza con la que responde el dispositivo contra la estructura, Fs (fuerza restitutiva), al imponer un desplazamiento lateral, u, para el caso particular de superficie convexa semiesférica. Dicha fuerza es no-lineal en la variable de desplazamiento lateral u, y está escrita en forma implícita, ya que Au=Au(u), a= a(u), D/=D/( u), 0=0(u) y w=w(u).

Al) eos (Q) Kt


En la ecuación:

Pe es el peso de la superestructura que recae sobre el aislador;

Au, la excentricidad de la carga de peso Pe respecto del pivote en la base, que se produce cuando R > H;

H, es la altura del dispositivo;

a, es el ángulo con respecto a la vertical de la porción de elemento elástico que asoma del casco esférico.

DIo, es el alargamiento inicial de pos-tensado del elemento elástico en el interior del aislador;

DI, es el alargamiento adicional al pos-tensado del elemento elástico;

Q, es el ángulo de giro del dispositivo respecto a la vertical;

Kt, es la rigidez axial del elemento de pos-tensado dentro del aislador;

w, es la elevación de la superestructura que se produce cuando R > H.

A partir del análisis de la expresión para Fs se deduce lo que sigue:

• Al aumentar la altura H, la fuerza restitutiva disminuye.

• Al aumentar la rigidez Kt, la fuerza restitutiva aumenta.

• Al aumentar la elongación inicial DI0, la fuerza restitutiva aumenta.

· Al aumentar el cociente entre el radio de curvatura R sobre H, Au aumenta y, por ende, la fuerza restitutiva también.

Después de una serie de aproximaciones y supuestos realizados considerando la normativa chilena de diseño sísmico es posible obtener Fs en forma directa, conociendo los parámetros Pe, H, p=R/H, DI0, Kt y el valor de la variable u.


En donde la expresión para el ángulo de giro es:


De este modo se describe el comportamiento teórico del dispositivo de aislamiento sísmico, como se muestra en el gráfico de la Fig. 5, que muestra la tensión del elemento elástico (3 en conjunto con 5) y la fuerza restitutiva, Fs, a partir de parámetros particulares, en función del desplazamiento total. A partir de dicha figura se puede apreciar que la tensión del elemento de tracción (3), por ejemplo, un cable, aumenta al imponer un mayor desplazamiento. También se observa que la fuerza Fs no es función perfectamente lineal del desplazamiento, esto se debe a la no-linealidad geométrica, la cual hace que dicha fuerza sea no lineal, aunque sí es elástica.

En teoría, cuando R=H, la rigidez lateral del aislador solamente es proporcionada por la tensión del elemento elástico (5) pos-tensado en su interior. Esto debido a que, la carga axial no influye en la respuesta del aislador cuando H=R.

Cuando el parámetro p=R/H toma valores mayores a 1 y la carga axial Pe es de compresión, ésta ayuda a estabilizar al aislador, esto es, aporta rigidez lateral equivalente positiva. Si b>1 y la carga Pe es de tracción, esta carga reduce la rigidez lateral del aislador, esto es, aporta rigidez negativa. Pese a lo anterior, la rigidez lateral resultante de un edificio con aislamiento sísmico sometido a cargas de compresión y tracción en sus aisladores no se altera por este efecto. Esto se debe a que el incremento de rigidez de los aisladores sobrecargados es igual al decremento de rigidez de aquellos que se descargan axialmente, resultando en incremento nulo de la rigidez lateral total del edificio. Del análisis se observa a que valores de b poco superiores a 1 generan incrementos significativos en la rigidez lateral, por ejemplo, se puede apreciar dicho efecto para valores de b entre 1 y 1 ,1 .

En caso de utilizarse, el elemento elástico (5) pos-tensado correspondiente debe ser capaz de resistir el alargamiento inicial de pos-tensado, más el alargamiento adicional máximo probable debido a la acción sísmica.

En la Fig. 1A se representa esquemáticamente una realización del dispositivo de aislamiento sísmico en equilibrio, manteniendo una posición vertical entre un punto de la placa de rodadura (2) y una conexión pivotante anclada a una base o cimiento (10). El eje axial del dispositivo, en particular del cuerpo intermedio (6’), está alineado con la línea segmentada A, que pasa por el ápice del casco (4’), por el centro de giro del medio de conexión pivotante (7) y por el punto O, que es el centro de curvatura del casco (4’); condición que se cumple también cuando R=H y los dos últimos puntos son coincidentes. Se hace ver que, no obstante en este ejemplo de realización el radio de curvatura del casco es constante, en general, el casco es convexo y su radio de curvatura puede variar.

La Fig. 1 B muestra al dispositivo de la Fig. 1A inclinado en un ángulo Q respecto a la línea vertical A' a causa de un desplazamiento relativo de la superestructura (1) hacia la derecha respecto de la base o cimiento (10). De este modo, la parte de la superestructura (1) alineada con la línea A en la Fig. 1A se encuentra desplazada (en una distancia“u”) hasta la línea B. En esta situación, el peso de la superestructura (1) actúa en el casco (4’) en un punto (o una zona que incluye a un punto) ubicado en el casco (4’) que está alineado verticalmente con centro de curvatura "O", es decir, en la intersección de la superficie del casco con la línea segmentada C, en donde, la distancia entre las líneas C y A’ es Au.

Las figuras 2A, 2B, 3, 4A y 4B corresponden a representaciones esquemáticas de otras realizaciones de la invención y/o de modelos para pruebas de laboratorio que tienen en común la posibilidad de incorporar al aislador el elemento elástico, que se forma de un elemento de tracción (3) y un elemento de pos-tensado (5).

En la Fig. 2A el dispositivo se presenta en sección transversal para mostrar el elemento de tracción (3), que puede ser por ejemplo un cable de acero, y asociado o en conexión con éste un elemento de pos-tensado (5) para aplicar carga de tensión inicial al elemento de

tracción (3). Ambos están dispuestos en un alojamiento axial que tiene salida superior mediante un orificio (8) en el ápice del casco (4), ver en Fig. 4, de manera que el elemento de tracción (3) atraviesa el orificio en el casco (4) y se ancla a la placa de rodadura (2).

En la Fig. 2B, la posición inclinada o desplazada del dispositivo permite apreciar una porción del elemento de tracción (3) sometido a tracción entre la placa de rodadura (2) y el ápice del casco (4).

La Fig. 3 corresponde a una representación en despiece del dispositivo, en donde el elemento de tracción (3) se muestra entre su punto de anclaje a la placa de rodadura (2) y el casco (4). Más abajo, el elemento de pos-tensado (5) se muestra fuera del alojamiento axial al interior del dispositivo, entre el casco (4) y el cuerpo intermedio (6). Más abajo se representa el pivote o medio de conexión pivotante (7), que incluye las pistas superior e inferior de pivote (7a, 7c) y la rótula de bola (7b) que tiene un vástago con medios de sujeción, por ejemplo, roscados, para su unión al extremo inferior del cuerpo intermedio (6). El medio de conexión pivotante que permite rotar de manera esférica, tal como lo hace una rótula de bola, pero con alta capacidad de transmisión de carga. Se destaca que en el desarrollo de las ecuaciones analíticas de comportamiento mecánico del dispositivo de aislamiento se ha considerado como hipótesis que el roce en el elemento pivotante (7) es despreciable. Dicha hipótesis no ha sido verificada experimentalmente aún. Sin embargo, de no ser despreciable el roce puede ser fácilmente adicionado a la ecuación de comportamiento del aislador sin que la componente elástica antes descrita sufra modificaciones.

También con referencia a la Fig. 3, la placa de rodadura (2), que se fija a la superestructura (1) y que puede recibir el extremo superior del elemento de tracción (3), está constituido por una placa rígida (2a) y una lámina flexible de rodadura (2b). La primera aporta resistencia para la fijación a la superestructura (1), para la transmisión de carga al casco (4) y el soporte material para el anclaje del elemento de tracción (3), y la segunda es un elemento que sirve de interfaz para la rodadura entre el casco (4) y la superficie inferior de la placa (2a). La lámina de rodadura (2b) puede ser en general, un elastómero como caucho natural o

sintético u otro polímero de cadenas de carbono e hidrógeno que sea altamente elástico y deformable, y para darle mayor resistencia puede incorporar un tejido de malla de acero u otra fibra, como fibras de carbono, que proporcione resistencia a tracción en el plano de la lámina. La lámina de rodadura (2b) es especialmente relevante ya que, sin ella, la carga se transmitiría entre dos elementos rígidos generando aplastamiento, rallado entre las partes y se dificultaría o impediría la rodadura. Ésta lámina de rodadura es indispensable para la distribución de la carga de contacto en un área finita evitando concentraciones de tensiones, además de permitir la rodadura debido al coeficiente de roce con el elastómero del que está formada.

Las Fig. 4A y 4B corresponden a una realización para pruebas de laboratorio, por lo que los detalles constructivos no corresponden a limitación alguna.

En la Fig. 4A el dispositivo de aislamiento se presenta en sección transversal, con un casco (4), un cuerpo intermedio (6), que comprende una parte superior (6a) y una parte inferior (6b) que se acoplan entre sí por medios roscados lo que puede facilitar la fabricación, traslado e instalación del dispositivo en obra, separándolo en una mitad superior que incluye: placa de rodadura (2), casco (4), la parte superior (6a) del cuerpo intermedio y una mitad inferior que incluye la parte inferior (6b) del cuerpo intermedio y el medio de conexión pivotante (7). Además, mediante esta configuración del cuerpo intermedio (6) se permite regular la altura del dispositivo. Se presenta además el medio de conexión pivotante (7) que se acopla en el extremo inferior del cuerpo intermedio (6). La vista superior en la Fig. 4B se incluye para aportar claridad respecto al orificio (8) que atraviesa el caso (4).

Ahora, refiriéndose en particular a los elementos constitutivos de la invención, la placa (2a) es rígida, de forma preferiblemente circular y puede ser fabricada en acero u otro material de gran rigidez o si la superestructura es liviana podría ser posible usar algún tipo de polímero, a condición que asegure capacidad de resistir la carga vertical transmitida por la superestructura (1) al casco (4) del aislador, de acuerdo al diseño sísmico correspondiente. Además, el material de la placa (2a) debe permitir que se le pueda adherir por vulcanización u otro método de la técnica a la lámina de rodadura (2b). La placa (2a) se ancla a la

superestructura (1) por su cara superior mediante conexiones o fijaciones apropiadas para resistir la transferencia de cargas de corte, paralelas a su plano, y axiales, perpendiculares a su plano. En su centro permite el anclaje del elemento de tracción (3) de modo que se mantenga solidario a la superestructura (1). El diámetro y grosor de la placa (2a) son parámetros de diseño de acuerdo a las cargas solicitantes y demanda de desplazamiento en el sistema de aislamiento. A modo de ejemplo, se estima su diámetro en alrededor de 100 cm.

La lámina de rodadura (2b) posee un orificio en su centro que permite el paso del elemento de tracción (3) para su anclaje con la placa (2a), evitando el contacto entre la lámina de rodadura (2b) y el elemento de tracción (3). Como se ha mencionado, su función es distribuir la carga de contacto con el casco (4, 4’), reduciendo la concentración de tensiones, además de facilitar la rodadura entre ambos. Puede incluir refuerzo de fibras resistentes a tracción dispuestas en su interior en sentido paralelo a sus caras (sentido horizontal), de ser requerido de acuerdo a las solicitaciones de diseño. Su grosor es un parámetro de diseño de acuerdo a las solicitaciones.

El elemento de tracción (3) es un elemento flexible en flexión y corte, pero axialmente rígido, con resistencia a la tracción de acuerdo a cargas de diseño. Su extremo inferior se aloja al interior del cuerpo intermedio (6) del dispositivo y se conecta con el elemento de postensado (5). Este elemento de pos-tensado (5) tiene la función de generar las fuerzas que hacen que la lámina de rodadura (2b) y el casco (4) se mantengan en contacto. De este modo, cuando el sismo impone un desplazamiento relativo entre la placa de rodadura (2) y el casco (4), el elemento de tracción (3) deforma elásticamente al elemento de pos-tensado (5), haciendo que ambas partes, la placa de rodadura (2) y el casco (4), tiendan a juntarse nuevamente. Lo anterior tiene por efecto el tender a lograr que la lámina de rodadura (2b) y el casco (4) mantengan juntos sus respectivos orificios por donde pasa el elemento de tracción (3), minimizando la elongación que éste último le impone al elemento de pos-tensado (5).

Todo esto se traduce en un efecto restitutivo equivalente a una fuerza lateral, Fs, que hace que el aislador recupere su posición de reposo o vertical.

El elemento de pos-tensado (5) es axialmente flexible y ejerce la carga de pos-tensado al momento del montaje. La carga de pos-tensado, resistencia a tracción y rigidez axial de este elemento se determinan de acuerdo a rigidez lateral requerida para el dispositivo de aislamiento sísmico conjuntamente con la demanda de tracción solicitante en éste, de acuerdo al diseño sísmico. El elemento de pos-tensado (5) en su extremo superior se une al elemento de tracción (3) y su extremo inferior está unido al cuerpo intermedio (6). El elemento elástico, compuesto en conjunto por el elemento de tracción (3) y el elemento de pos-tensado (5) aplican una tensión inicial para evitar que la superestructura (1) sufra levantamiento al someterse a un sismo vertical y momento sísmico volcante, junto con proporcionar capacidad restitutiva a desplazamiento lateral o rigidez a lateral.

El casco (4, 4’), es una estructura rígida de vista en planta circular y superficie superior convexa y forma simétrica respecto del eje vertical que pasa por su punto medio. Su superficie superior tiene un radio de curvatura que puede variar en el sentido horizontal respecto de su eje de simetría, siendo este radio de curvatura mayor o igual a la altura del dispositivo. Dicho radio de curvatura puede ser constante, tal como se mostró en la configuración preferente de figuras 1 A, 1 B, 2A y 2B. Sin embargo, el radio de curvatura puede ser variable, en función de la distancia entre un punto del casco (4, 4’) y el eje de simetría vertical en posición de reposo. En dicha configuración preferente, cerca del eje de simetría el radio de curvatura tiende a crecer formando un plano, de modo que esta zona más plana permite una mejor distribución de cargas en condición estática. Además, dicha configuración favorece la capacidad auto-centrante del dispositivo de aislamiento, pudiendo ser capaz de recuperar su posición vertical incluso cuando la magnitud de la fuerza lateral debido a la disipación por roce en el medio de conexión pivotante (7) no es despreciable o bien cuando cuenta con mecanismos histeréticos adicionales de disipación de energía. La altura del dispositivo se define en condición operacional, una vez ensambladas las partes, como la distancia entre el punto medio de la

superficie superior del casco (4, 4’) y el centro de rotación del medio de conexión pivotante (7). Su diámetro en planta se determina de acuerdo a la demanda de desplazamiento máximo posible esperado en el aislador sísmico. Se debe tener en cuenta en la determinación del diámetro antes mencionado, la dimensión del área de contacto entre este elemento y la lámina de rodadura (2b), de acuerdo a las cargas de diseño. Esto es el diámetro del casco (4) no debe ser menor a dos veces el desplazamiento lateral máximo posible, más el diámetro de la zona de contacto entre casco (4) y lámina de rodadura (2b). Se estima un diámetro en planta de al menos 75 cm en estructuras pequeñas, con poca variación en relación al tamaño de ésta, estando en general en el rango de 75 cm a 130 cm en estructuras de un amplio rango de tamaños, por ejemplo, edificios de entre 1 y 30 pisos.

El cuerpo intermedio (6), es un elemento rígido de geometría hueca o tubular, que transmite las cargas de la superestructura (1 ) a la subestructura o cimiento (10). El cuerpo intermedio (6) se conecta en su interior al elemento de pos-tensado (5) mediante una unión removible, que puede ser de rotulada. Mientras que en su extremo inferior se conecta al medio de conexión pivotante (7), mediante la cual se vincula a la subestructura (10). El cuerpo intermedio (6) debe permitir el alojamiento del elemento de pos-tensado (5), pudiendo eventualmente ser ambos un único elemento indivisible, como, por ejemplo, un cilindro neumático que genera la componente elástica, cumpliendo las funciones de ambos componentes a la vez. Las dimensiones y materialidad del cuerpo intermedio (6) se determinan de acuerdo a las cargas de diseño máximas posibles. Más aún, la forma de este elemento constituyente del aislador no está restringida más que por la funcionalidad del dispositivo. Este elemento sólo debe transmitir adecuadamente las cargas desde la superficie convexa del casco hasta el pivote, además de permitir alojar en su interior el elemento de tracción (3) y elemento de pos-tensado (5), si éstos son requeridos por condiciones de diseño. Considerando lo anterior, sólo a modo de ejemplo, el cuerpo intermedio puede ser de forma cilindrica, de columna, troncocónica invertida o una combinación de las anteriores, y en cuanto a su materialidad puede estar fabricado de metal (acero, aleaciones, etc.), polímeros rígidos, entre otros.

El medio de conexión pivotante (7) es un elemento compuesto de tres partes ensamblajes que constituyen la rótula de sujeción del dispositivo aislador sísmico a la subestructura o cimiento (10). El roce por rotación entre la rótula de bola (7b), cuyo diámetro es un parámetro de diseño, y el conjunto formado por la pista superior (7a) y la pista inferior (7c) genera disipación de energía. El interior de las pistas (7a, 7c) de este elemento puede estar recubierto de algún material diferente al de su estructura, como teflón, para controlar el coeficiente de roce entre las superficies en contacto. Esto último con el objetivo de que la capacidad de disipación de energía por roce pueda ser modificada, según requerimientos de diseño. El diámetro de la rótula de bola (7b) también permite regular la cantidad de disipación de energía, ya que, a mayor diámetro, mayor desplazamiento relativo habrá entre las superficies y, por lo tanto, mayor será la energía disipada.

PRUEBAS REALIZADAS

Las pruebas de concepto del aislador se realizaron usando modelos a escala 1 :25 en un modelo de edificio de 2 niveles con 1 metro de altura con planta de 50cmX50cm, usando un aislador en cada esquina de la planta. El modelo de prueba se sometió a vibraciones con frecuencia variable en un amplio rango, siempre por sobre la frecuencia de aislamiento sísmico. La mesa vibradora empleada permite alcanzar la frecuencia máxima de 10 Hz (período de 0,1 s), con amplitud de movimiento de hasta 25 cm, movilizando una masa superior a los 250 kg. Los resultados mostraron clara efectividad del dispositivo en la reducción de las vibraciones estructurales del modelo de pruebas.

Posteriormente se realizaron ensayos más elaborados, utilizando tres modelos estructurales que simulan edificios de 12, 18 y 24 pisos. Los modelos de prueban se confeccionaron a escala 1 :25, con plantas de 40cmX40cm y alturas de 120, 180 y 240 cm respectivamente, disponiéndose de 9 aisladores en la planta en una grilla regular cada 20 cm.

Los tres modelos de edificios fueron ensayados en mesa vibradora donde fueron sometidos a vibraciones de base de amplitud 10 mm (equivalente a 25 cm en escala real) y frecuencia variable. Se ensayaron los tres modelos con y sin aislamiento sísmico, tomando a este último caso como referencia para la determinación de la efectividad de la tecnología usada para reducir las vibraciones de la superestructura. Los resultados obtenidos demuestran que en todos los casos se registró reducción de las aceleraciones absolutas de piso al comparar el desempeño de los modelos con y sin aislamiento basal, siendo la reducción de hasta un 65%. También se registraron reducciones de desplazamiento relativo de piso de similar magnitud relativa. En ninguno de los ensayos se observó levantamiento en la interfaz entre superestructura y los aisladores, por lo que se demuestra la efectividad del dispositivo propuesto en controlar el levantamiento (“uplift”) y la rotación (“rocking”) del nivel de aislamiento. Ejemplos de los resultados de esta investigación se muestran en las figuras 7 a la 18. Por lo tanto, se demuestra experimentalmente que el presente dispositivo puede ser utilizado en estructuras rectangulares de al menos hasta 24 pisos, con esbeltez (relación altura / ancho de la base) de hasta por lo menos 6.

En figuras 7A, 8A y 9A se muestran las series de aceleraciones medidas para los modelos sin aislamiento sísmico y en figuras 7B, 8B y 9B los correspondientes desplazamientos de piso relativos a un sistema de referencia inercial fijo. Los sensores se ubicaron en la plataforma de la mesa vibradora (que representa al suelo en un edificio real), el piso medio y en el último piso de la estructura respectivamente, lo cual se muestra de izquierda a derecha en las figuras.

En figuras 10A, 1 1A y 12A se muestran los registros de aceleraciones para los modelos con aislamiento sísmico, y en figuras 10B, 1 1 B y 12B los correspondientes desplazamientos de piso relativos a un sistema referencia inercial fijo. Los acelerómetros que registraron dichas mediciones se ubicaron en la plataforma de la mesa vibradora, sobre el nivel de aislación y en el último piso de la estructura respectivamente, lo cual se muestra de izquierda a derecha en las figuras.

Con respecto a las series de tiempo versus aceleración mostrados en las figuras 7A, 8A y 9A, correspondientes a modelos de 12, 18 y 24 pisos fijos en la base, versus figuras 10A, 1 1A y 12A, correspondientes a los mismos edificios de 12, 18 y 24 pisos, pero con aislamiento sísmico, es posible hacer una comparación de ellos con el propósito de cuantificar la reducción de la respuesta. Para ello, se consideraron los registros obtenidos en el último piso de la estructura y se identificó mediante un análisis comparativo que el sistema de aislación propuesto es capaz de disminuir las aceleraciones de piso. En el modelo de 12 pisos se registró una reducción de la aceleración absoluta desde aproximadamente 40,4 a 7,8 m/s2 (4,4g a 0,8g), correspondiente a una reducción aproximada del 82%; en el modelo de 18 pisos la reducción fue de 32,4 a 6,9 m/s2 (3,3g a 0,7g), siendo aproximadamente de un 79%; finalmente en el modelo de 24 pisos se redujo la aceleración de 26,5 a 8,8 m/s2 (2,7g a 0,9g), siendo de aproximadamente un 65%. Esto es, incluso en edificios de hasta 24 pisos y esbeltez 6, del tipo que se construye en Chile como edificio habitacional y oficinas, el aislamiento sísmico con el dispositivo propuesto puede presentar beneficios en la reducción de la aceleración de al menos un 67% en reducción de la respuesta, controlando efectivamente el levantamiento (uplift) y el cabeceo o rotación en torno a la base (rocking).

En relación a los desplazamientos de piso, al comparar figuras 7B con 10B, correspondientes al modelo representativo de edificio de 12 pisos fijo en la base y con aislamiento sísmico respectivamente, se observa una reducción en el desplazamiento relativo de techo de 7 cm en el edificio fijo a 2,2 cm en el edificio con aislamiento basal. Algo similar ocurre al comparar las figuras 8B con 1 1 B, modelos de edificio de 18 pisos, donde se registró reducción del desplazamiento relativo máximo de techo desde 6,4 cm a 2,5 cm al incorporar aislamiento sísmico. Menor, pero aún significativa, fue la reducción de desplazamientos relativos en el modelo de 24 pisos, figuras 9B y 12B, donde se observó reducción de desplazamiento de techo desde 5,4 cm a 2,8 cm. Como era de esperar, la máxima reducción ocurrió en el edificio de 12 pisos, siendo de aproximadamente 69%. Si bien se observó reducción del desplazamiento relativo máximo de techo conforme se incrementó la altura del modelo de edificio, llegando a una reducción de 48% en el modelo de edificio de 24 pisos y esbeltez 6, dicha reducción aún es significativa.

Mediante el análisis de la respuesta de los modelos estructurales mostrados en figuras 7 a la 12, usando transformada de Fourier de las series de tiempo obtenidas, fue posible determinar las frecuencias naturales de los modos 1 y 2 asociados a la superestructura sin y con aislamiento. Filtrando las series de tiempo en torno a las frecuencias de los primeros dos modos, se determinaron las correspondientes formas modales de los modeles estructurales fijos en la base, las cuales se muestran en figuras 13 a la 15. Lo mismo se hizo para los modelos estructurales con aislamiento basal, lo cual se muestra en figuras 16 a la 18. En estas últimas figuras se observa, particularmente en la gráfica de la izquierda, la predominancia del desplazamiento del nivel de aislamiento en relación al desplazamiento relativo de los pisos superiores respecto al nivel de aislamiento. Esto muestra que el comportamiento de la superestructura está fuertemente influenciado por movimiento de cuerpo rígido, que no impone cargas ni esfuerzos en la superestructura, más una porción mucho menor de deformación relativa de la superestructura, la cual está asociada a solicitaciones internas. Todo lo anterior da cuenta del beneficio de usar el sistema de aislamiento propuesto en estructuras de al menos hasta 24 pisos y 6 de esbeltez, para reducir efectivamente la respuesta y solicitaciones internas en la superestructura.

Tabla 1 : Periodos asociados a cada modo de vibrar.


La tabla 1 , muestra un resumen de los resultados obtenidos para cada ensayo realizado a los modelos a escala correspondientes a edificios de 12, 18 y 24 pisos con y sin aislamiento sísmico.

Con respecto a los ensayos realizados a la estructura fija en la base, fue posible identificar de forma certera el modo fundamental mediante los ensayos de vibración libre. Estos últimos resultados, se consideraron más fidedignos que los obtenidos en vibración forzada puesto que en éstos se observaron leves levantamientos y pequeñas rotaciones en el nivel de la mesa vibradora, debida deformación de la estructura de ésta última, cuando el modelo de prueba alcanzó la resonancia, lo cual pudo haber alterado los resultados.

El primer modo de vibrar de la estructura con aislamiento basal, Ta en la Tabla 1 , corresponde al modo de aislamiento y corresponde a aquel donde predomina la traslación de cuerpo rígido de la superestructura. Los períodos Ti y h del edificio con aislamiento basal corresponden a modos superiores donde el aporte de la vibración de la superestructura es significativo.

En el modelo 1 , el más bajo, se observan reducciones de desplazamientos máximos de techo desde 7 cm a 2,2 cm, correspondiendo a reducción de un 69%.

En el modelo 2, de moderada altura, se observan reducciones de desplazamientos máximos de techo desde 6,4 cm a 2,5 cm, correspondiendo a reducción de un 61 %.

En el modelo 3, la de mayor altura, se observan reducciones de desplazamientos máximos de techo desde 5,4 cm a 2,8 cm, correspondiendo a reducción de un 48%. En estos tres casos se registraron reducciones en el desplazamiento relativo máximo de techo al incorporar aislamiento basal, siendo mayores estas reducciones en modelos estructurales menos esbeltos. Esto se debe al mayor desacoplamiento logrado entre período fundamental de edificio fijo y período de aislamiento en el modelo 1 , como se observa al comparar el consciente de dichos períodos (Tabla 1), así como al efecto del incremento de la flexibilidad de los modelos de prueba en la medida de que su altura crece.

En figuras 13, 14 y 15, se muestran las formas de vibrar o formas modales para maquetas fijas en la base. A la izquierda, se muestra el modo 1 y a la derecha modo 2. Los gráficos representan los edificios a escala, donde se muestran los desplazamientos relativos de piso de cada estructura.

En figuras 16, 17 y 18, se muestran las formas de vibrar para maquetas con aislamiento basal. A la izquierda, se muestra el modo 1 (modo aislado) y en la derecha modo 2. Los gráficos representan los edificios a escala, donde se muestran los desplazamientos relativos de piso de cada estructura más el sistema de aislación, cuya altura es de 63 mm.

De las figuras, se puede concluir que en un edificio con aislamiento sísmico se concentra la deformación en la interfaz de aislamiento reduciendo la demanda de deformación en la superestructura. Esto reduce favorablemente las solicitaciones o fuerzas internas desarrolladas en la superestructura, mejorando su comportamiento estructural ante eventos sísmicos.

LISTADO DE REFERENCIAS

1 superestructura

2 placa de rodadura

2a placa rígida

2b lámina de rodadura

3 elemento de tracción

4, 4’ casco

5 elemento de pos-tensado

6 cuerpo intermedio

6a parte superior (del cuerpo intermedio)

6a parte inferior (del cuerpo intermedio)

7 medio de conexión pivotante

7a pista superior

7b rótula de bola

7c pista inferior

8 orificio

10 subestructura, base o cimiento

El componente“elemento elástico” referido en la descripción teórica corresponde al conjunto formado por el elemento de tracción (3) unido en serie con el elemento de postensado (5).