lunes, 24 de abril de 2006

Aisladores y Disipadores Sismicos

El concepto de los aisladores sísmicos de base, es un recurso conocido como artificio amortiguador, generalmente formado por láminas de goma alternadas con otras de metal que, intercaladas en las bases de las columnas, tienen la virtud de "ablandar" la respuesta sísmica de la estructura, aumentando considerablemente el periodo propio del conjunto. En estructuras relativamente rígidas de periodos del orden de 0.5 segundos, los aisladores tienen la misión de aumentar el periodo hacia los 2 y 3 segundos. Mediante este artificio se reducen las aceleraciones sísmicas del conjunto a solo una fracción de la que corresponde a la estructura rígida, sin dichos aisladores. Los aisladores están siendo empleados principalmente en puentes, constituyéndose en estructuras de gran importancia estratégica, sobre todo al momento de un terremoto, donde es imposible recurrir a la ductilidad estructural propia, como permiten las normas sísmicas actuales. Es decir, aceptar plastificaciones parciales de las estructuras con la intención de forzarlas a respuestas dúcliles, que disipen el exceso de energía de sismos muy destructivos por roturas parciales de los mismos elementos portantes. En un artículo publicado por el ingeniero Agostino Marioni, Presidente del Comité Europeo de Normalización de Apoyos y Dispositivos Antisísmicos, se plantea que también se están introduciendo aisladores en estructuras de pocos pisos, estructuras rígidas en las cuales la instalación de estos aisladores concentra la disipación energética y donde la estructura queda sometida a fuerzas sísmicas discretas. La cual, resiste en régimen elástico sin plastificaciones, incluso con márgenes de seguridad adecuados, garantizando la ausencia total de desafíos en las mismas. El hecho de que mediante el recurso de aisladores sea posible eludir roturas localizadas de las propias estructuras es una opción positiva. La que viene a satisfacer la preocupación expresada por los Ingenieros del Departamento de Ingeniería Estructural de la Universidad Católica, en una carta enviada al Mercurio el 16 de Octubre de 1999, en la que se destaca el peligro de recurrir a roturas parciales de la misma estructura que debe ser protegida, adjudicándole ductulidades muy difíciles de probar y controlar. Con la instalación de aisladores mecánicos de funcionamiento conocido y controlable, es posible un considerable avance de la ciencia sismorresistente.

Marioni en su artículo destaca las particularidades de los aisladores, que se resumen en el siguiente listado:

1) El concepto del aislador es colocarlo en una superestructura rígida, apoyada en aisladores relativamente "blandos"

2) La superestructura debe tener un período propio del orden de los 0,6 seg.

3) Los aisladores deben inducir a un período propio del conjunto del orden de 2 a 3 seg.

4) La relación entre el periodo final del conjunto y de la superestructura debe ser mayor de 3.

5) El diseño debe asegurar que en un sismo máximo, la superestructura no se plastifique y responda siempre en régimen elástico. Debe ser R = 1

6) Los aisladores se deben colocar en todos los apoyos de la estructura.

7) En estructuras con rellenos de mampostería u otros materiales es conveniente el empleo de aisladores, ya que todo aumento de rigidez de la superestructura es beneficiosa.

8) En estructuras convencionales, sin aisladores, los rellenos de mampostería u otros materiales pueden ser perjudiciales, al alterar el modelo de rigidez y frecuentemente introducir torsiones. Además, en un terremoto destructivo la rotura progresiva de estos rellenos puede afectar negativamente la respuesta de la estructura resistente.

9) Los aisladores, en general, aumentan en forma considerable el amortiguamiento, posiblemente un 10%, lo que representa disipaciones energéticas muy convenientes.

10) Las especificaciones de los aisladores es sencilla, ya que sólo se trata de definir el periodo deseado, y determinar el correspondiente corte basal (ver gráfico equipotencial)

11) El problema principal de los aisladores corresponde al fabricante, el que en función de la estructura y período especificado debe suministrar un artefacto que cumpla con estas condiciones, además de las de calidad, durabilidad, resistencia a calor, etc., que debe cumplir para garantizar larga vida e inalterable en el tiempo.

12) Los grandes pilares de autopistas que colapsaron en Kobe han sido reconstruidos con aisladores sísmicos.

La Importancia de la publicación de Marioni, radica principalmente en estimular una comprensión conceptual del fenómeno sismorresistente, antes de insistir en complejas representaciones matemáticas que a veces ocultan la verdad física. A este respecto, es de extraordinaria importancia un gráfico que figura en la citada publicación. En dicho gráfico, en el eje de las ordenadas se representan los desplazamientos laterales del baricentro de la estructura, mientras que en el de las abcisas se observan las aceleraciones máximas espectrales. En líneas que son hiperbolas, se representan las energías cinéticas y en rayos recios que parten del origen se localizan los períodos de la estructura. El análisis de este gráfico, ha permitido trazar un diagrama que hemos denominado "Gráfico Universal de Cortes Basales Equipotenciales", que se muestra en la figura 1, cuya justificación teórica plena se da en otra publicación del autor de este artículo, que escapa al objetivo de este trabajo.
Lo importante de este gráfico, empleado por Marioni, es que permite visualizar cualquier caso de respuesta sísmica posible. Su explicación física es absolutamente rigurosa, ya que cumple estrictamente con la dinámica de las masas vinculadas de la Mecánica Clásica. En esencia, este gráfico no es más que la expresión del "Principio de la Conservación de la Energía". En la figura 1 se muestra como se empleo este gráfico para un ejemplo de una estructura con los siguientes datos:

Zona 2 (Santiago)

Aceleración máxima = 0,75 x 0,88 g = 0.669 del gráfico 5.4 de Norma NCH2369

Período propio de la estructura T = 0,6 seg.

Pesos soportado por la estructura = P (ton)

Amortiguamiento = 0,05 Para el caso de estructura elástica (sin plastificaciones) resulta en el gráfico, para A/g = 0,66 y T = 0,6seg un desplazamiento lateral de. X = 5,6 cm

Energía cinética Ec = 1/2. 5,6 cm. 0,66. P = 1,848 P (ton. cm.) Supogamos que se coloca un aislador, que aumente él período a 2 seg. En el mismo gráfico se traza la curva equipotencial de A/g = 0,66 y donde esta curva intersecta el rayo de T=2 seg, se determina gráficamente el desplazamiento estructural ( del baricentro) de X=19,4 cm y una aceleración de A/g = 0,19. Verificamos la energía:

Ec = 1/2 0,19 P. 19,4 cm = 1,843 P (ton. cm) OK

Por lo tanto si colocamos un aislador que, fehacientemente, logra aumentar el período a 2 seg. el corte basal se reduce de 0,66 a 0,19 a expensas de la deformación que aumenta de 5,6 a 19 cm. Como alternativa veamos que sucede si se coloca, en vez de un aislador, un disipador de base del tipo fusible, que se diseña para que cuando el corte basal llegue al 2% de P, el mecanismo "falle" y pase a deslizarse a fuerza constante de 0,2 P (ton)
En el figura 2 para A/g = 0,2 se determina el desplazamiento elástico Xe = 1,71 cm. Debiendo mantenerse igual se determina el desplazamiento "plástico" (ductil) que resulta de Xy (1,843 – 1,71.0.2) / 0,2 = 8,4 cm X total = 1,71 + 8,4 = 10, 11 cm.
Se observa que en el caso del disipador de fusible si la estructura se diseña para corte basal de 0,2 g., la deformación será de unos 10 cm., algo mayor que la del caso elástico, pero bastante menor que el caso del aislador. Aquí, el diseñador debe decidir si le conviene emplear aisladores o disipadores. Pero lo más importante, es que el empleo del "Gráfico Equipotencial" permite al ingeniero estructural visualizar de inmediato la respuesta estructural de cada una de las opciones que puede emplear. Finalmente, hay que destacar que el caso analizado del disipador es, en esencia, al caso de ductilidad empírica, definida por el coeficiente R de la norma. El ejemplo del disipador con A/g = 0,2 es similar al de suponer una estructura con un R = 0,66 / 0,2 = 3,3. Sin embargo, lo que hay que destacar es que en el caso del empleo de aisladores o disipadores fusible, el ingeniero estructural tiene la garantía de la respuesta sísmica, y el control de la misma. En cambio en el método de las ductilidades empíricas no existen garantías reales de la respuesta de la estructura. En esto reside la gran ventaja del empleo de medios mecánicos y racionales para resistir los sismos, empleando aisladores o disipadores sísmicos.

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