aislación elastomérica

Aislamiento Sísmico

AISLACION ELASTOMERICA


Aislador elastomérico(Descripción General)

• Dispositivos formados por un conjunto de láminas planas de goma intercaladas por placas planas de acero adheridas a la goma


• Las láminas de goma, pegadas a las láminas de acero, pueden deformarse en un plano horizontal, permitiendo el desplazamiento horizontal de la estructura relativo al suelo

• Las placas de acero restringen la expansión lateral (bajo carga vertical) de la goma

• Para aumentar los niveles de amortiguamiento, se puede añadir un corazón de plomo al aislador

Descripción general


Láminas de Goma

• La goma es un polímero alto (C5H8)n (n ≈ 5000 - 10000 unidades de isopreno)

• Requiere de un proceso de vulcanización para ser utilizada como material estable (Charles Goodyear, 1839)

• La vulcanización consiste en ‘masticar’ la goma, mezclarla con azufre (4%-10%), y calentar la mezcla

Goma Natural

Goma Sintética (neopreno)

• Polímeros de isopreno, cloropreno o butadiedeno)


• Las propiedades mecánicas de la goma dependen de las condiciones de curado y de los ingredientes utilizados, en general cantidad de azufre, acelerantes, plastificantes, cargas reforzantes(negro de humo), etc.

• A mayor cantidad de azufre, mayor resistencia mecánica y menor resistencia térmica

• A mayor cantidad de carga reforzante, mayor dureza, resistencia a la abrasión, e histéresis

• La goma es un material esencialmente incompresible (ν = 0.4997), G ≈ E/3

Propiedades de la Goma Natural


• La rigidez secante disminuye durante los primeros ciclos, fenómeno que se conoce como ‘scragging’

• Para pegar las capas de goma a las placas de acero se utilizan cementos especiales que son propiedad de los fabricantes

• Resultados recientes obtenidos por la empresa Bridgestone para un período equivalente de 60 años han demostrado que no existe degradación significativa de los compuestos de goma utilizados en aisladores

Propiedades de la Goma Natural


Valores típicos de propiedades mecánicas

Constantes físicas de la goma natural

Goma sin refuerzo Goma con refuerzo AceroIRHD 45 65 100σt MN/m2 28 21 420εu % 680 420 40E MN/m2 1.9 5.9 210000G MN/m2 0.54 1.37 81000k MN/m2 1000 1200 176000ν 0.4997 0.4997 0.29Resiliencia % 80 60 100Vs m/s 37 37 5000


Proceso de fabricación• Mezclado, masticado• Amasado (lámina de espesor deseado)• Cortado de capas de goma• Cortado de placas de acero• Pegado de láminas con cementos especiales• Colocación en molde• Curado: presión, temperatura 140ºC, 4 a 8 horas• Extracción del aislador del molde• Aditivos:

− Negro de humo: rigidez, resistencia a la abrasión, amortiguamiento, dureza, resistencia química

− Azufre: agente vulcanizante− Cera: protección contra ozono, rayos UV, oxidación− Oxido de zinc: acelerador de fraguado− Aceites: reducen rigidez, amortiguamiento y resistencia


Materia prima: goma natural

azufre negro de humo

negro de humo dosificación


Aditivos


Banbury


Amasado y premezclado


Rodillado


Calandras (laminación)


Placas metálicas y pegamento épóxico


Autoclaves, prensas y moldes


Control de calidad de compuesto


Proveedores

• Andre (http://www.silvertown.co.uk/ )• Bridgestone (http://www.bridgestone.com/)• DIS (http://www.dis-inc.com/)• SEP (http://www.sepbearings.com/index.html)• Vulco, Chile (http://www.vulco.com/index1.htm)• Skellerup (http://www.skellerup.co.nz/)


Tipos de aisladores

Aislador de goma cilíndrico

Aislador con núcleo de plomo Aislador de sección rectangular


Perno de anclaje superior

Placa de anclaje inferior

Placa de anclaje superior

Sistema de anclaje


ESTUDIO EXPERIMENTAL DE ELASTOMEROS Y AISLADORES

Simulador dinámicode 6 gdl

Aislación sísmica

Sistemas de disipación de energía


Laboratorio LED-UC


δ

Lámina Elastomérica

F

Ensayo de compuestos

Prensa Dinámica Universal Instron (2.5 ton) para el desarrollo de compuestos viscoelásticos, elastoméricosy sistemas friccionales

N = ± 2.5 tona = ± 2 gv = ± 100 cm/segd = ± 10 cm;



Marco de Carga MTS DINAMICO (25 ton) para el desarrollo de compuestos y disipadores de energía.

V = ± 100 tona = ± 2.0 gv = ± 80 cm/segd = ± 25 cm




Ensayos de corte (probetas de 100x100mm)


-3 -2 -1 0 1 2 3-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Deformación δ [cm]

Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=7.0 kg/cm2

ξ=0.057

PROYECTO La Cigueña

CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL -

DEFLEXION [-0.6,+0.6] cic., (γ=0.760)

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILELaboratorio de Ensayos Dinámicos y Control de VibracionesDepartamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica

Trabajo Nº

CIG-VUL-P0503

Fecha

19-May-2003

Hora

07:51

Figura

03

Probeta de neopreno (γ=0.75)


-3 -2 -1 0 1 2 3-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=7.0 kg/cm2

ξ=0.055


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL -

DEFLEXION [-1.2,+1.2] cic., (γ=1.507)


Trabajo Nº

CIG-VUL-P0505

Fecha

19-May-2003

Hora

07:53

Figura

05



-3 -2 -1 0 1 2 3-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=8.6 kg/cm2

ξ=0.050


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL -

DEFLEXION [-2.0,+2.0] cic., (γ=2.504)


Trabajo Nº

CIG-VUL-P0507

Fecha

19-May-2003

Hora

07:55

Figura

07



-3 -2 -1 0 1 2 3-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=10.2 kg/cm2

ξ=0.041


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL -

DEFLEXION [-2.8,+2.8] cic., (γ=3.497)


Trabajo Nº

CIG-VUL-P0509

Fecha

19-May-2003

Hora

07:59

Figura

09



0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.56

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

Deformación de Corte, γ

Mód

ulo

de C

orte

, G [k

g/cm

2 ]

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0.08


Am

ortig

uam

ient

o E

quiv

alen

te, ξ


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL -

DEFLEXION [0.2→2.8] cm cíclico, (γ=0.26→3.50)


Trabajo Nº

CIG-VUL-P0500

Fecha

19-May-2003

Hora

07:59

Figura

10

Propiedades Efectivas (Neopreno)


0 0.5 1 1.5

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Deformación angular, γ

Am

ortig

uam

ient

o

6

8

10

12

14

0 0.5 1 1.5Deformación angular, γ

Mod

ulo

de c

orte

(a) Aisladores

0 2 4 60.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Deformación angular, γA

mor

tigua

mie

nto

0 2 4 66

8

10

12

14

16


Mod

ulo

de c

orte

(b) Probetas 100x100 mm

Propiedades Efectivas (Goma Natural)


El módulo de corte de la goma:

2 3 4 5( ) 21.89 41.68 45.05 25.33 7.068 0.7675effG γ γ γ γ γ γ= − + − + −

Compuesto H6 de Bridgestone:

2Para 2.0 4.62 kg/cmeffGγ = ⇒ =

( )effG γ


2( ) 13.108 7.4806 2.5501= − +effG γ γ γCompuesto H8 de VULCO:

2Para 2.0 8.35 kg/cm= ⇒ =effGγ

El amortiguamiento efectivo:

Compuesto H6 de Bridgestone:


Compuesto H8 de VULCO:

2603.1243.12491.085159.0)( 5.0 +−+−= − γγγξ γeeff

058.00.2Para =⇒= effξγ

32 002169.0002358.0005391.01669.0)( γγγγξ −−+=eff

15.00.2Para =⇒= effξγ

)(γξeff


Ensayo dinámico de aisladores

v, f

fmax = 100 tonvmax = 500 mm

(a) Marco de carga

(c) Ensayo de aisladores

900

600

100

35

240

22

36

(b) Sección de los aisladores


V = ± 100 toneladasN = 700 toneladas

a = ± 1.5 g; v = ± 20 cm/seg; d = ± 50 cm



Marco de Carga MTS Dinámico (100t) para

el desarrollo y ensayo de apoyos

elastoméricos y friccionales

Permite el ensayo de dispositivos a escala

natural sometido a solicitaciones sísmicas

en tiempo real


-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

-30

-20

-10

0

10

20

30


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=11.5 kg/cm2

ξ=0.116

PROYECTO Hospital Militar

CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL 200 ton

DEFLEXION [-4.0,+4.1] cic., (γ=0.254)


Trabajo Nº

VULCO-SNAGUST-A0501

Fecha

24-Feb-2003

Hora

13:34

Figura

01

Aislador de Goma (γ=0.25)


-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

-30

-20

-10

0

10

20

30


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=10.0 kg/cm2

ξ=0.092


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL 200 ton

DEFLEXION [-8.1,+8.2] cic., (γ=0.504)


Trabajo Nº

VULCO-SNAGUST-A0502

Fecha

24-Feb-2003

Hora

13:36

Figura

02



-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

-30

-20

-10

0

10

20

30


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=7.8 kg/cm2

ξ=0.085


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL 200 ton

DEFLEXION [-16.2,+16.2] cic., (γ=1.002)


Trabajo Nº

VULCO-SNAGUST-A0503

Fecha

24-Feb-2003

Hora

13:38

Figura

03



-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

-30

-20

-10

0

10

20

30


Fuer

za d

e C

orte

[ton

]

G=7.2 kg/cm2

ξ=0.077


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL 200 ton

DEFLEXION [-24.2,+24.4] cic., (γ=1.504)


Trabajo Nº

VULCO-SNAGUST-A0504

Fecha

24-Feb-2003

Hora

13:39

Figura

04



0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.66

7

8

9

10

11

12


Mód

ulo

de C

orte

, G [k

g/cm

2 ]

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12


Am

ortig

uam

ient

o E

quiv

alen

te, ξ


CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL 200 ton

DEFLEXION [4.1→24.4] cm cíclico, (γ=0.26→1.52)


Trabajo Nº

VULCO-SNAGUST-A0500

Fecha

24-Feb-2003

Hora

13:39

Figura

05

Propiedades Efectivas (Aislador)

Aislador elastomérico con corazón de plomo


t r

ts

tb

Hr = n t r

dp

HHl

• La goma otorga la flexibilidad lateral

• Las placas de acero intermedias la rigidez vertical

• El núcleo de plomo: mayor disipación de energía y mayor rigidez inicial para cargas de servicio

• Las placas exteriores de acero conecta la estructura con la fundación y confina al núcleo

Entre sus características destacan:

• Construidos generalmente con gomas de bajo amortiguamiento

• Se utiliza plomo de alta pureza (>99.9%), metal extraordinariamente dúctil que posee muy poco endurecimiento post-fluencia

• Corazón de plomo del 15% al 35% del diámetro del aislador

• Presentan ciclos de histéresis estables (no dependencia de velocidad, no scragging en goma)


Aislador elastomérico con corazón de plomo

Efecto del núcleo de plomo

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80


Fuer

za d

e C

orte

(ton

f)

Deformación (cm)-32 -24 -16 -8 0 8 16 24 32

12

34

56

7

8

δ

N = 3500 kN

1) γ = 0.125, E = 55 tonf·cm2) γ = 0.25, E = 150 tonf·cm3) γ = 0.5, E = 384 tonf·cm4) γ = 0.75, E = 612 tonf·cm5) γ = 1, E = 999 tonf·cm6) γ = 1.25, E = 1127 tonf·cm7) γ = 1.5, E = 1422 tonf·cm8) γ = 1.75, E = 1722 tonf·cm

1) γ = 0.125, E = 22 tonf·cm2) γ = 0.25, E = 59 tonf·cm3) γ = 0.5, E = 174 tonf·cm4) γ = 0.75, E = 306 tonf·cm5) γ = 1, E = 499 tonf·cm6) γ = 1.25, E = 699 tonf·cm7) γ = 1.5, E = 898 tonf·cm8) γ = 1.75, E = 1138 tonf·cm


Comportamiento del núcleo de plomo

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8-150

-100

-50

0

50

100

150


Ten

sión

de

cort

e (K

gf/c

m2 )

El plomo presenta: • Comportamiento

elasto-plástico• Fy de 10 Mpa (103 kgf/cm2)


Efecto de la carga axial (bajas deformaciones)

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08-15

-10

-5

0

5

10

15-1.28 -0.96 -0.64 -0.32 0 0.32 0.64 0.96 1.28

δ

N = var.


Fuer

za d

e C

orte

(ton

f)

Deformación (cm)

Axial Force N = 100 tonfAxial Force N = 200 tonfAxial Force N = 350 tonf


Variación de propiedades

0

1

2

3

0 0.5 1 1.5 210

15

20

25

30


0

5

10

15

20

0 0.02 0.04 0.060

10

20

30


Am

ortig

uam

ient

ohi

ster

étic

o, ξ

Rig

idez

Nor

mal

izad

ak

γ / k

γ=1

f = 0.0887 Hz. N = 100 tonff = 0.2 Hz. N = 100 tonff = 0.5 Hz. N = 100 tonf




ESTUDIO DE FALLAS EN AISLADORES



Ensayos a rotura


Problemas en fabricación de aisladores

aislación elastomérica

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