DISIPADORES Y AISLADORES SISMICOS.INTRODUCCIN.La ingeniera ssmica actual ha desarrollado interesantes tecnologas con el propsito de proteger las estructuras frente a terremotos, como los aisladores ssmicos de base, disipadores de energa.En la actualidad, la tcnica de aislamiento ssmico es ampliamente usada en el mundo. Un sistema de aislamiento ssmico es tpicamente ubicado en la cimentacin de la estructura. Debido a su flexibilidad y capacidad de absorcin de energa, el sistema de aislamiento parcialmente absorbe la energa ssmica de entrada antes que esta energa sea transmitida a la estructura. El efecto es una reduccin de la demanda de la disipacin de energa en el sistema estructural, mejorando su desempeo.

El anlisis ssmico de cualquier estructura se basa en el equilibrio dinmico de los cuerpos estructuralesSISTEMAS DE AISLAMIENTO DE BASE.EFECTO DEL AMORTIGUAMIENTO VISCOSO EN LA RESPUESTA DINAMICA.

Cuando son incorporados los disipadores en una estructura, estos disipan la energa inducida por los sismos y pueden adicionar rigidez y resistencia a la estructura. Como una introduccin a sus principios de trabajo, la respuesta de un sistema dinmico simple de una masa con amortiguamiento viscoso suplementario es revisada, primero para el estado armnico, impulsivo, y larga duracin y registros de movimiento ssmico de campo cercano.

Despus, son discutidas las consideraciones involucradas de sistemas de un grado de libertad (1 GDL), extendidas a edificios de varios niveles. Con esta informacin, el diseador puede seleccionar las caractersticas del sistema suplementario de disipacin de energa que pueda tener el ms grande potencial para mejorar el desempeo ssmico a un nivel deseado.

MOVIMIENTOS DEL TERRENO IMPULSIVO Y SINUSOIDAL

La presencia de algn amortiguamiento (disipacin de energa) en edificios convencionales ha sido reconocida y aceptada en la prctica por cientficos e ingenieros. A pesar que la naturaleza de la disipacin de energa inherente en los edificios no ha sido explcitamente identificada, el amortiguamiento viscoso inherente equivalente de alrededor del 2-5% del amortiguamiento crtico ha sido aceptado en la prctica para el anlisis de la respuesta lineal de edificios tpicos. Por otra parte, la mayora de los espectros de diseo desarrollados asumen el 5% del amortiguamiento viscoso crtico en el sistema. Asimismo, la adicin de disipadores puede sustancialmente incrementar el amortiguamiento. En lo sucesivo, se resumirn los diferentes puntos de vista de los efectos del amortiguamiento en los sistemas de edificios; cuyo comportamiento lineal del sistema es asumido.

Vibracin libre velocidad inicialSe puede concluir fcilmente que la respuesta de sistemas ms amortiguados ser ms pequea en comparacin a los sistemas menos amortiguados, porque las amplitudes iniciales son ms pequeas, y las respuestas decaen rpidamente.

Despus, considere la respuesta del estado armnico de un sistema de 1GDL sujeto a una aceleracin sinusoidal del terreno. Tradicionalmente para una fcil comparacin la respuesta a una entrada sinusoidal es normalizada por su respuesta esttica y su frecuencia natural no amortiguada.

AISLADOR SSMICO DE BASEEl aislamiento ssmico es una tecnologa que protege la estructura de los efectos destructivos de un sismo.Reduce la respuesta de la superestructura separando o aislando la estructura de los movimientos del suelo y proporcionndole mayor amortiguamiento.

Elementos que admiten deformaciones de ms de 1 metro.

Es una herramienta de diseo que se fundamenta en desacoplar la estructura del movimiento del suelo con el objetivo de protegerla de los efectos del sismo. Para tal efecto, se utilizan dispositivos flexibles al movimiento horizontal y rgido al desplazamiento vertical. Los aisladores estn localizados entre la base y la superestructura para aisladores.

AISLADORES ELASTOMRICOS DE BAJO AMORTIGUAMIENTO (LDRB)

Este tipo de dispositivos son los ms simples dentro de los aisladores elastomricos. Los aisladores tipo LDRB presentan bajo amortiguamiento (2-5% como mximo), por lo que generalmente se utilizan en conjunto con disipadores de energa que proveen amortiguamiento adicional al sistema. Estos dispositivos presentan la ventaja de ser fciles de fabricar.

AISLADORES DESLIZANTES

Los aisladores deslizantes o tambin llamados deslizadores friccionales utilizan una superficie de deslizamiento, tpicamente de acero inoxidable, sobre la que desliza una placa de acero revestida de Politetra Fluoro Etileno (PTFE), sobre la que se soporta la estructura. La superficie de deslizamiento permite el movimiento horizontal de la estructura de manera independiente del suelo. Este sistema de aislacin ssmica

APOYOS DESLIZANTES PLANOS

Los apoyos deslizantes planos son los aisladores deslizantes ms simples. Consisten bsicamente en dos superficies, una adherida a la estructura y la otra a la fundacin, que poseen un bajo coeficiente de roce, permitiendo los movimientos horizontales y resistir las cargas verticales. Poseen, generalmente, una capa de un material estastomrico con el fin de facilitar el movimiento del deslizador en caso de sismos. Por lo general, las superficies deslizantes son de acero inoxidable pulida espejo, y de un material polimrico de baja friccin. Este tipo de aislacin puede requerir de disipadores de energa adicionales. A fin de prevenir deformaciones residuales luego de un evento ssmico, se debe proveer de sistemas restitutivos (tpicamente aisladores elastomricos o con ncleo de plomo) que restituyan la estructura a su posicin original.

DISIPADORES SSMICOS.

Actan disipando grandes cantidades de energa, asegurando que otros elementos estructurales no sufran demandas excesivas que signifiquen daos. Pero la mejor forma de asegurar la estructura durante un sismo es combinar ambos sistemas de proteccin ssmica, proporcionndole a esta una mayor capacidad de amortiguacin durante un evento ssmico y una mejor respuesta durante este. Cuando existe estructuras donde el uso de aisladores ssmicos no es recomendable (EJ: Suelos Blandos), sistemas de amortiguamiento con alta capacidad de disipacin son la mejor alternativa de proteccin ssmica.

DISIPADORES FRICCIONALESEstos dispositivos disipan energa por medio de la friccin que se produce durante el desplazamiento relativo entre dos o ms superficies en contacto. Estos disipadores son diseados para activarse una vez que se alcanza un determinado nivel de carga en el dispositivo. Mientras la solicitacin no alcance dicha carga, el mecanismo de disipacin se mantiene inactivo. La Figura muestra un esquema de un disipador friccional. Estos disipadores pueden ser materializados de varias maneras, incluyendo conexiones deslizantes con orificios ovalados o SBC (Slotted Bolted Connection).

Losdisipadores RESTON SAde amortiguacin hidrulica para disipar la energa y controlar desplazamientos.

Losdisipadores RESTON STU, son dispositivos de conexin temporal que proveen una conexin rgida bajo movimientos de alta velocidad.

Losdisipadores RESTON PSD, son dispositivos de amortiguacin de fluido viscoso diseados para poseer una funcin de resorte que retorna a su posicin al terminar el evento ssmico.

DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO.

Los disipadores de fluido viscoso tienen la propiedad de reducir simultneamente los esfuerzos y las deflexiones de la estructura. Esto es debido a que los disipadores de fluido varan su fuerza solamente con la velocidad, la cual provee una respuesta que es inherentemente fuera de fase con los esfuerzos debido a la flexibilidad de la estructura. Otros disipadores pueden normalmente ser clasificados como histerticos, donde una fuerza de amortiguamiento es generada bajo una deflexin o los viscoelsticos que son disipadores con un complejo resorte combinado con un amortiguamiento.

DISIPADORES VISCOELSTICOS.

Estos mecanismos disipan energa a travs de deformacin dinmica de materiales viscosos. Los disipadores viscoelsticos pueden separarse bsicamente en tres grupos: i) slidos viscoelsticos, ii) fluidos conducidos a travs de orificios y iii) fluidos viscoelsticos. Su comportamiento depende de la velocidad con la que se genera la deformacin durante los ciclos de carga. Las propiedades de rigidez y amortiguamiento de los dispositivos dependen fundamentalmente de la temperatura que se genere durante la disipacin y la frecuencia de carga.

DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS

Normalmente, los disipadores se colocan cuando la estructura principal porticada ya soporta la mayor parte de la carga vertical, de forma que el sistema disipativo se limita a resistir las acciones horizontales. Tal como vemos en la Figura, el sistema dual no estndar (con disipadores), con el objeto de analizar su comportamiento y dimensionamiento, se divide en dos subsistemas:

Subsistemas estructurales de una estructura sismorresistente con disipadores de energa.

Uno, constituido por la estructura porticada convencional (subsistema flexible) y otro, consistente en el sistema disipativo (subsistema rgido). Establecer que los dispositivos no estn condicionados por las acciones verticales es una hiptesis adoptada con frecuencia, y que se cumple, en mayor o menor grado, en funcin de la configuracin adoptada por el conjunto del sistema disipativo.

El uso de dispositivos histerticos slo tiene sentido en una estructura que tenga puntos cercanos que experimenten desplazamientos relativos durante solicitaciones ssmicas o de otra especie, que obliguen al dispositivo a deformarse dentro de su rango plstico.

BENEFICIOS.

Los dispositivos de disipacin de energa aumentan el nivel de amortiguamiento de las estructuras, reduciendo los esfuerzos y deformaciones en ellas y sus contenidos. Los esfuerzos, aceleraciones y deformaciones inducidos por un sismo en una estructura con sistemas de disipacin de energa, pueden ser entre un 15 a 40% menor que los correspondientes a una estructura sin disipadores, logrando reducir el dao producido a elementos estructurales y no estructurales.

LIMITACIONES DE USO

Algunos tipos de disipadores pueden requerir ser reemplazados parcial o totalmente luego de sismos excepcionalmente severos. Del mismo modo, algunos tipos de disipadores, que si bien reducen las demandas en la estructura, pueden incrementar la probabilidad de que se produzcan deformaciones residuales permanentes en las estructuras.

CUNTO MS SEGURA ES UNA ESTRUCTURA AISLADA SSMICAMENTE?

En general una estructura aislada es al menos 5 veces ms segura que una estructura convencional fija al suelo. De hecho, los esfuerzos producidos por el sismo en la estructura con aislacin ssmica son del orden de 10 veces ms pequeos que los de una estructura anloga fija al suelo. Esta reduccin de esfuerzos es la que implica que la estructura permanecer sin dao incluso durante un sismo de grandes proporciones

QU SE ENTIENDE POR AISLACIN SSMICA?

Aislacin ssmica es una tcnica de diseo sismorresistente que busca reducir la energa que entra a una estructura durante un sismo a travs de colocar dispositivos muy flexibles horizontalmente (aisladores) entre las fundaciones de un edificio o puente, y la estructura arriba de ellos. El efecto que se busca es que el suelo se mueva y la estructura permanezca esencialmente quieta.

CUNTO MS SEGURA ES UNA ESTRUCTURA AISLADA SSMICAMENTE?

En general una estructura aislada es al menos 5 veces ms segura que una estructura convencional fija al suelo. De hecho, los esfuerzos producidos por el sismo en la estructura con aislacin ssmica son del orden de 10 veces ms pequeos que los de una estructura anloga fija al suelo. Esta reduccin de esfuerzos es la que implica que la estructura permanecer sin dao incluso durante un sismo de grandes proporciones.

EN QU SE DIFERENCIA ESTA NUEVA TCNICA DEL DISEO ACTUAL DE ESTRUCTURAS ANTISSMICAS?El concepto de estructura antissmica no es correcto porque cualquier edificio en Chile (y cualquier otro pas ssmico) est diseado por razones de costo para que sufra dao ante un sismo severo. La filosofa de diseo dice que no debe colapsar, pero puede quedar seriamente daado. Para comprobar que los daos son extensos, y que adems la seguridad no queda en realidad garantizada, basta observar lo ocurrido con los edificios de Los Angeles (Northridge, 1994), Japn (Kobe 1995), Turqua (1999), Grecia (1999), y Taiwn (1999). Un edificio convencional no compite en seguridad con uno aislado, y mucho menos en costo de siniestralidad.

DNDE SE FABRICAN LOS DISPOSITIVOS DE AISLACIN?Existen numerosos proveedores de aisladores ssmicos en el mundo entre los que se encuentran bridgestone (japn), andr (inglaterra), skellerup-oiles (nueva zelandia), dis (estados unidos), y vulco (chile).

QU OCURRE CON LOS DUCTOS DE INSTALACIONES QUE CRUZAN EL NIVEL DE AISLACIN?Existen numerosas soluciones de conexiones flexibles (muy sencillas y baratas tales como un doble codo) que permiten acomodar las deformaciones entre el suelo y el edificio.

CUL ES LA DURACIN DE LOS SISTEMAS DE AISLACIN?Los aisladores estn garantizados por una vida til de 50 aos mnimos. el diseo se hace proveyendo a los aisladores de una fijacin que les permite ser fcilmente removidos y cambiados en cualquier momento sin interrumpir el funcionamiento del edificio.

CMO SE VERIFICA LA CALIDAD DE LOS AISLADORES?Los aisladores son ensayados en forma dinmica uno a uno antes de ser colocados en el edificio. estos ensayos son extraordinariamente exigentes y permiten garantizar las propiedades de rigidez y amortiguamiento de los aisladores.

BIBLIOGRAFA.

Dr. GENNER VILLARREAL CASTRO. edificaciones con disipadores de energa. M.Sc. RICARDO OVIEDO SARMIENTO. edificaciones con disipadores de energa. Ing. JORGE RENDN. El Aislamiento Ssmico de Estructuras. CORPORACIN DE DESARROLLO TECNOLGICO - CMARA CHILENA DE LA CONSTRUCCIN. Proteccin Ssmica de Estructuras Sistemas de Aislacin Ssmica y Disipacin de Energa.

DISEO SISMORESISTENTE DE EDIFICIOS17