Algorithm design strategies

La necesidad de incorporar un grado de deformación inelástica (plástica) en las estructuras y como administrar esta deformación y ductilidad es el principio fundamental en el cual se basan la teorías sobre cómo controlar las fuerzas y también el grado de rigidez que necesitan las estructuras.

A partir de este principio, vieron la luz los conceptos de aislamiento sísmico y disipación de energía todo esto con fin de conseguir la reducción de las vibraciones en las edificaciones. Su incorporación permite disminuir los efectos sísmicos en edificios y en otras estructuras, protegiendo los elementos estructurales, no estructurales, e incluso su contenido.

Refiriéndonos exclusivamente al aislamiento sísmico, este es utilizado preferentemente en edificios de baja altura permitiendo filtrar el movimiento, a través de la incorporación de aisladores en las cimentaciones del edificio, los cuales cortan la estructura mecánica del edificio y lo aíslan del suelo protegiéndolo considerablemente cuando el terreno vibra.

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Figura 2.23 Comportamiento de dos estructuras la una sin aislación sísmica y

la otra con aislación sísmica ante la acción de un sismo.

Los principios de la aislación son dos: flexibilización y aumento de amortiguamiento. La flexibilización o aumento del periodo fundamental de la estructura se logra a través de la introducción de un piso blando entre el suelo de fundación y la superestructura. Si la rigidez lateral de este piso blando es mucho menor que la rigidez lateral de la superestructura el sistema tendera a deformarse solo en la interface de aislación, trasmitiendo bajos esfuerzos cortantes a la superestructura, la cual permanece como bloque rígido, y por ende con pequeña deformación y sin daño significativo durante la respuesta sísmica, por este motivo el aislamiento de base es recomendable en estructuras rígidas sobre terrenos firmes. Y el aumento del amortiguamiento viene dado por el sistema de aislación utilizado, este aumento de amortiguamiento busca reducir la demanda de deformaciones sobre el sistema de aislación y la superestructura sin producir un aumento sobre las aceleraciones de esta última.

Los aisladores son los dispositivos que se emplean para el aislamiento sísmico, los cuales son la combinación de materiales como la goma (caucho), el plomo y el acero para desarrollar elementos que amortigüen el impacto del sismo y

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permitan reducir considerablemente los daños en los elementos estructurales y no estructurales.

El dispositivo más utilizado comúnmente en los sistemas de aislamiento sísmico es el aislador elastomérico y estos son generalmente de sección cuadrada o circular. Como alternativa para lograr un significativo aumento en los niveles de amortiguamiento (15% al 30%), se utiliza el conocido aislador de goma con núcleo o corazón de plomo.

Los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo están conformados por láminas de caucho natural intercaladas con placas de acero, las cuales son vulcanizadas entre sí y poseen un núcleo de plomo que aumenta su capacidad de amortiguamiento. El amortiguamiento que se logra con la inclusión del núcleo de plomo como se indicó anteriormente fluctúa entre el 15% y el 30 %, al deformarse lateralmente durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye, incurriendo en deformaciones plásticas, y disipando la energía en forma de calor. Al término de la acción sísmica el caucho del aislador retorna la estructura a su posición original, mientras el núcleo de plomo se recristaliza, así el sistema queda listo para un nuevo evento sísmico. Estos dispositivos son fabricados a medida para cada proyecto, de acuerdo a la rigidez horizontal, rigidez vertical, desplazamiento, capacidad de carga y capacidad de amortiguamiento requerida.

A continuación se detalla la nomenclatura utilizada para identificar los elementos que conforman el aislador elastomérico y que intervienen en el diseño del mismo, para el caso de un aislador elastomérico de sección circular. Sea 𝑡𝑟 el espesor de la goma y 𝑡𝑠 el espesor de la placa de acero, la suma de los espesores de goma se denomina 𝑇𝑟 y en base a esta dimensión se determina la rigidez al corte del aislador;

En la parte exterior se tienen dos placas de mayor espesor que en la Figura 2.23 se han identificado como 𝑡𝑡_𝑝, la superior y 𝑡𝑏_𝑝, la inferior. Estas placas deben ser capaces de soportar la carga axial que llega al aislador. Si el espesor de la placa exterior es muy grande se puede colocar una placa de ancho 𝑡_𝑖𝑝 en la parte interior del aislador.

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Figura 2.24 Dimensiones de un aislador con núcleo de plomo

Figura 2.25 Aislador elastoméricos con núcleo de plomo de sección circular Di Do CS tr tbp ttp tip ts

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Figura 2.26 Aislador elastoméricos con núcleo de plomo de sección cuadrada

Las tablas que se presentan a continuación tabla 1 y tabla 2 resultan de mucha utilidad para iniciar el diseño de los aisladores elastoméricos con núcleo de plomo ya que proporcionan una buena aproximación de las dimensiones finales de los mismos y son el punto de partida del diseño, estas tablas son proporcionadas por los fabricantes de los aisladores.

Tabla 2.1 Dimensiones del aislador y placas de montaje

Do H Di L t Ø orificio A B (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 305 125-280 4-14 0-100 355 25 4 27 50 - 355 150-305 5-16 0-100 405 25 4 27 50 - 405 175-330 6-20 0-125 455 25 4 27 50 - 455 175-355 6-20 0-125 510 25 4 27 50 - 520 205-380 8-24 0-180 570 25 8 27 50 50 570 205-380 8-24 0-180 620 25 8 27 50 50 650 205-380 8-24 0-205 700 32 8 27 50 50 700 205-430 8-30 0-205 750 32 8 33 65 75 750 230-455 8-30 0-230 800 32 8 33 65 75 800 230-510 8-33 0-230 850 32 8 33 65 75 850 230-535 8-35 0-255 900 38 12 33 65 95 900 255-560 9-37 0-255 955 38 12 33 65 95 950 255-585 10-40 0-280 1005 38 12 33 65 95 1000 280-635 11-40 0-280 1055 38 12 40 75 115 1050 305-660 12-45 0-305 1105 44 12 40 75 115 1160 330-760 14-45 0-330 1205 44 12 40 75 115 1260 355-760 16-45 0-355 1335 44 16 40 75 115 1360 405-760 18-45 0-380 1435 51 16 40 75 115 1450 430-760 20-45 0-405 1525 51 20 40 75 115 1550 455-760 20-45 0-405 1625 51 20 40 75 115 # capas de goma # de orificios

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Tabla reproducida de Dynamic Isolation Systems

Tabla 2.2 Propiedades, desplazamiento y carga axial en función del diámetro del

aislador.

Tabla reproducida de Dynamic Isolation Systems

Consiste en determinar la carga axial total del edificio que gravita sobre cada uno de los aisladores para en función de esta determinar las dimensiones aproximadas de los componentes del aislador.

Kd Qd Kv (mm) kN/mm kN/mm kN/mm (mm) kN 305 0,2-0,9 0-65 >50 150 450 355 0,2-1,2 0-65 >100 150 700 405 0,3-1,6 0-110 >100 200 900 455 0,3-2,0 0-110 >100 250 1150 520 0,4-2,3 0-180 >200 300 1350 570 0,5-2,8 0-180 >500 360 1800 650 0,5-3,5 0-220 >700 410 2700 700 0,5-4,2 0-220 >800 460 3100 750 0,7-4,7 0-265 >900 460 3600 800 0,7-5,3 0-265 >1000 510 4000 850 0,7-6,1 0-355 >1200 560 4900 900 0,7-6,1 0-355 >1400 560 5800 950 0,7-6,1 0-490 >1800 610 6700 1000 0,8-6,3 0-490 >1900 660 7600 1050 0,9-6,3 0-580 >2100 710 8500 1160 1,1-6,5 0-665 >2800 760 13800 1260 1,2-6,7 0-755 >3700 810 20500 1360 1,4-7,0 0-890 >5100 860 27600 1450 1,6-7,2 0-1025 >5300 910 33400 1550 1,8-7,4 0-1025 >6500 910 40000 Dmax Pmax PROPIEDADES DISEÑO Do

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Figura 2.27 Identificación de la nomenclatura utilizada en las tablas 2.1 y 2.2

Las tablas presentadas fueron reproducidas del catálogo proporcionado por el fabricante de estos sistemas de aislación y protección sísmica, “Dynamic Isolation Systems” empresa norteamericana con más de 30 años de experiencia, por lo que para el desarrollo de esta investigación, la utilización de estos datos iniciales, garantiza los resultados finales obtenidos.

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