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

Lámina Elastomérica

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

Deformación δ [cm]

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

19-May-2003

Figura

Probeta de neopreno (γ=0.75)

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

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

19-May-2003

Figura

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

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

19-May-2003

Figura

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

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

19-May-2003

Figura

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.56

Deformación de Corte, γ

, G [k

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

te, ξ

CLIENTE VULCO

CARGA AXIAL -

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

Trabajo Nº

CIG-VUL-P0500

19-May-2003

Figura

Propiedades Efectivas (Neopreno)

0 0.5 1 1.5

Deformación angular, γ

0 0.5 1 1.5Deformación angular, γ

(a) Aisladores

0 2 4 60.02

Deformación angular, γA

0 2 4 66

(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

Propiedades Efectivas (Goma Natural)

Ensayo dinámico de aisladores

fmax = 100 tonvmax = 500 mm

(a) Marco de carga

(c) Ensayo de aisladores

(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

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

24-Feb-2003

Figura

Aislador de Goma (γ=0.25)

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

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

24-Feb-2003

Figura

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

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

24-Feb-2003

Figura

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

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

24-Feb-2003

Figura

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.66

, G [k

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

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

24-Feb-2003

Figura

Propiedades Efectivas (Aislador)

Aislador elastomérico con corazón de plomo

Hr = n t r

• 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

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

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

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

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

N = var.

Deformación (cm)

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

Variación de propiedades

0 0.5 1 1.5 210

0 0.02 0.04 0.060

γ / k

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

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