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ASCE/SEI 7-10 “MINIMUN DESIGN LOADS FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES”
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CAPITULO 17
REQUERIMIENTOS DE DISEÑO SÍSMICO PARA ESTRUCTURAS AISLADAS
17.1 GENERAL
Todas las estructuras aisladas sísmicamente y sus elementos serán diseñados y construidos de
acuerdo con los requerimientos de esta sección y los requerimientos aplicables de la presente
norma.
17.1.1 Variaciones en las propiedades del material.
El análisis de las estructuras aisladas sísmicamente, incluyendo la subestructura, aisladores,
y la superestructura, considerará variaciones en las propiedades de los materiales del
aislador sísmico durante la vida útil proyectada de la estructura, incluyendo los cambios
debido al envejecimiento, contaminación, exposición ambiental, velocidad de carga,
scragging y temperatura.
17.1.2 Definiciones
DESPLAZAMIENTO:
Desplazamiento de diseño: Desplazamiento lateral para sismo de diseño,
excluyendo desplazamiento adicional debido a torsión real y accidental, requerido
para el diseño del sistema de aislamiento.
Desplazamiento total de diseño: Desplazamiento lateral para sismo de diseño,
incluyendo el desplazamiento adicional por torsión real y accidental, requerido para
el diseño del Sistema de aislamiento o un elemento del mismo.
Desplazamiento total máximo: Desplazamiento lateral para sismo máximo,
incluyendo el desplazamiento adicional por torsión real y accidental, requerido para
verificación de la estabilidad del Sistema de aislamiento o sus elementos , el diseño
de la separación de la estructura y las pruebas por carga vertical de los tipos de
aisladores.
SISTEMA DE RESTRICCIÓN DE LOS DESPLAZAMIENTOS: Un conjunto de
elementos estructurales que limitan el desplazamiento lateral de las estructuras
sísmicamente aisladas debido al máximo sismo considerado.
AMORTIGUAMIENTO EFECTIVO: El valor equivalente de amortiguamiento viscoso
correspondiente a la energía disipada durante la respuesta cíclica del Sistema de
aislamiento.
RIGIDEZ EFECTIVA: El valor de la fuerza lateral en el sistema de aislamiento, o un
elemento del mismo, dividido por el desplazamiento lateral correspondiente.
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INTERFAZ DE AISLAMIENTO: El límite entre la parte superior de la estructura, la
cual es aislada, y la parte inferior de la estructura la cual se mueve rígidamente con el
suelo.
SISTEMA DE AISLAMIENTO: Conjunto de elementos estructurales que incluye todas
las unidades de aislamiento, todos los elementos estructurales que transfieren la fuerza
entre los elementos del sistema de aislamiento, y todas las conexiones a otros elementos
estructurales. El sistema de aislamiento también incluye el sistema de control de viento,
dispositivos de disipación de energía, y/o el sistema de control de desplazamiento si
tales sistemas y dispositivos son usados para cumplir los requerimientos de diseño de
este capítulo.
UNIDAD DE AISLADOR: Elemento estructural horizontalmente flexible y
verticalmente rígido del sistema de aislamiento que permite grandes deformaciones
laterales bajo cargas de diseño sísmico. Es permitido usar a una unidad de aislador
como parte, o una adición al sistema de soporte del peso de la estructura.
DESPLAZAMIENTO MÁXIMO: Desplazamiento lateral considerando el sismo
máximo, excluyendo el desplazamiento adicional debido a la torsión real y accidental.
SCRAGGING: Proceso de carga cíclica en los productos de goma, incluyendo los
aisladores elastoméricos para efectuar una reducción de las propiedades de rigidez, una
parte de la cual será recuperada con el tiempo.
SISTEMA DE CONTROL POR VIENTO: Conjunto de elementos estructurales que
proporciona control de la estructura sísmica-aislada para cargas de viento. Al sistema de
control de viento se permite ser parte integral de los aisladores o un dispositivo
separado.
17.2 REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO.
17.2.1 Factor de Importancia
Todas las partes de la estructura, incluyendo la estructura encima del sistema de
aislamiento, serán asignadas a una categoría de riesgo conforme a la Tabla 1.5-1. El
factor de importancia, Ie, para una estructura aislada sísmicamente será igual a 1,
independientemente de su asignación de categoría de riesgo.
17.2.2 - Parámetros de aceleración de respuesta espectral ( SMS and SM1) para el máximo
sismo considerado ( MCER).
Los parámetros de aceleración de respuesta espectral para el máximo sismo considerado
(SMS and SM1) serán determinados conforme a la Sección 11.4.3.
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17.2.3 Configuración.
Cada estructura será designada teniendo una irregularidad estructural basada en la
configuración estructural encima del sistema de aislamiento.
17.2.4 Sistema de Aislamiento.
17.2.4.1 Condiciones Ambientales.
Además de los requerimientos para cargas verticales y cargas laterales inducidas por el
viento y por sismo, el sistema de aislamiento añadirá otras condiciones ambientales
incluyendo efectos por envejecimiento, creep (fluencia lenta), fatiga, temperatura de
funcionamiento, y la exposición a la humedad o sustancias perjudiciales.
17.2.4.2 Fuerzas de viento.
Las estructuras aisladas resistirán cargas de diseño por viento en todos los niveles
encima del interfaz de aislamiento. En el interfaz de aislamiento, se proporcionará un
sistema de control de viento para limitar el desplazamiento lateral en el sistema de
aislamiento a un valor igual al requerido entre los pisos de la estructura encima del
interfaz de aislamiento conforme a la Sección 17.5.6.
17.2.4.3 Resistencia al Fuego.
La resistencia al fuego para el sistema de aislamiento se cumplirá con lo requerido
para las columnas, muros, u otros elementos de gravedad en la misma región de la
estructura.
17.2.4.4 Fuerza de Restauración lateral.
El sistema aislado será configurado para producir una fuerza de restauración tal que la
fuerza lateral para el desplazamiento total de diseño sea al menos 0.025W mayor que
la fuerza lateral al 50% del desplazamiento total de diseño.
17.2.4.5 Control de desplazamiento.
El sistema de aislamiento no será configurado para incluir un control por
desplazamiento que limite el desplazamiento lateral debido al máximo sismo
considerado a menos que el desplazamiento total máximo, a no ser que la estructura
aislada sísmicamente sea diseñado conforme a los siguientes criterios en donde sea
más riguroso que los requerimientos de la sección 17.2:
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1.-La máxima respuesta sísmica considerada es calculada conforme a los
requerimientos del análisis dinámico de la Sección 17.6, explícitamente
considerando las características no lineales del sistema de aislamiento y la
estructura encima del sistema de aislamiento.
2.- La capacidad última del sistema de aislamiento y elementos estructurales debajo
del sistema de aislamiento excederá la fuerza y las demandas de desplazamiento
del máximo sismo considerado.
3.-La estructura encima del sistema de aislamiento será verificada por estabilidad
y ductilidad por la demanda del máximo sismo considerado.
4.- El control de desplazamiento no se hace efectivo en un desplazamiento menos
de 0.75 veces el desplazamiento total de diseño, a no ser que sea demostrado por el
análisis que lo tomado inicialmente no causa un funcionamiento insatisfactorio.
17.2.4.6 Estabilidad por Carga vertical.
Cada elemento del sistema de aislamiento será diseñado para ser estable bajo cargas
verticales de diseño donde sea sometido a un desplazamiento horizontal igual al
desplazamiento total máximo. Las cargas verticales de diseño será calculada usando
la combinación de carga 5 de la Sección 2.3.2 para la carga vertical máxima y la
combinación de carga 7 de la Sección 12.4.2.3 para la carga vertical mínima donde
SDS en estas ecuaciones es substituida por SMS. Las cargas verticales que son resultado
del uso de fuerzas sísmicas horizontales, QE, estarán basadas en la respuesta máxima
debido al máximo sismo considerado.
17.2.4.7 Volcamiento.
El factor de seguridad por volcamiento estructural en el interfaz de aislamiento no
será menos de 1.0 para combinaciones de carga requeridas. Todas las condiciones de
gravedad y carga sísmicas serán investigadas. Los cálculos de las fuerzas sísmicas por
volcamiento estarán basadas en el máximo sismo considerado, y W será usado para la
fuerza de restauración vertical.
No permitirá la elevación local de elementos individuales a no ser que el resultado de
las deflexiones no cause sobrecarga o inestabilidad de los aisladores u otros elementos
de la estructura.
17.2.4.8 Inspección y Reemplazo
a. Se proporcionará el acceso para la inspección y el reemplazo de todos los
componentes del sistema de aislamiento.
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b. Un profesional de diseño certificado completará la serie final de inspecciones u
observaciones de separación de las áreas y componentes de la estructura que cruzan el
interfaz de aislamiento antes de la publicación de ocupación para la estructura aislada
sísmicamente. Tales inspecciones y observaciones indicarán que las condiciones
permiten libertad y sin obstáculos al desplazamiento de la estructura a niveles de
diseño máximos y que todos los componentes que cruzan el interfaz de aislamiento
son instalados si son capaces de cumplir los desplazamientos estipulados.
c. Las estructuras sísmicamente aisladas tendrán supervisión, inspección y un
programa de mantenimiento para el sistema de aislamiento establecido por el
profesional de diseño certificado responsable del diseño del sistema de aislamiento.
d. Remodelar, reparar, o actualizar el diseño del interfaz de sistema de aislamiento,
incluyendo que los componentes que cruzan el interfaz de aislamiento serán
optimizados bajo la dirección de un profesional de diseño certificado.
17.2.4.9 Control de calidad
Será establecido un programa de pruebas de control de calidad para las unidades de
aisladores por el profesional de diseño certificado responsable del diseño estructural.
17.2.5 Sistema Estructural
17.2.5.1 Distribución Horizontal de la Fuerza.
Un diagrama horizontal u otros elementos estructurales proporcionarán continuidad
encima de la interfaz de aislamiento y tendrán la fuerza y ductilidad adecuada para
transmitir fuerzas (debido al movimiento no uniforme del suelo) de una parte de la
estructura a otra.
17.2.5.2 Separación de edificios.
La separación mínima entre la estructura aislada y los muros de contención perimetral
u otras obstrucciones fijas no serán menos que el desplazamiento máximo total.
17.2.5.3 Estructuras no fabricadas.
Las estructuras no fabricadas serán diseñadas y construidas de acuerdo con los
requerimientos del capítulo 15 usando las fuerzas y desplazamientos de diseño
calculados de acuerdo con la sección 17.5 o 17.6.
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17.2.6 Elementos de la estructura y componentes no estructurales.
Los elementos o partes de una estructura aislada, los componentes permanentes no
estructurales y sus accesorios, y los accesorios para el equipo permanente soportado
por una estructura, serán diseñadas para resistir fuerzas sísmicas y desplazamientos
como lo establece esta sección y las requerimientos aplicables del Capítulo 13.
17.2.6.1 Componentes en o encima del Interfaz de Aislamiento.
Los elementos de estructuras aisladas sísmicamente y los componentes no
estructurales, que están en o encima el interfaz de aislamiento serán diseñados para
resistir el total de la fuerza sísmica lateral igual a la máxima respuesta dinámica del
elemento o el componente bajo consideración.
EXCEPCIÓN: Los elementos de estructuras aisladas sísmicamente y componentes
no estructurales o partes de ellos, serán diseñados para resistir fuerzas sísmicas y
desplazamientos descritos en el Capítulo 12 o 13 según corresponda.
17.2.6.2 Componentes que Cruzan la Interfaz de Aislamiento.
Los elementos de las estructuras aisladas sísmicamente y los componentes no
estructurales, o partes de ellos, que cruzan el interfaz de aislamiento serán diseñados
para soportar el desplazamiento máximo total.
17.2.6.3 Componentes debajo del Interfaz de Aislamiento.
Los elementos de estructuras aisladas sísmicamente y los componentes no
estructurales, o partes de ellos, que están debajo del interfaz de aislamiento serán
diseñados y construidos conforme a los requerimientos de la Sección 12.1 y el
Capítulo 13.
17.3 MOVIMIENTO DEL SUELO PARA SISTEMAS AISLADOS.
17.3.1 Espectro de diseño.
Los procedimientos del movimiento del suelo en sitios específicos establecidos en el
capítulo 21 serán permitidos para determinar el movimiento del suelo para cualquier
estructura.
Para estructuras sobre la Clase de Sitio F, el análisis de respuesta del sitio será realizado
conforme a la Sección 21.1.
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Para estructuras aisladas sísmicamente sobre sitios con S1 mayor o igual a 0.6, un análisis
de riesgo del movimiento del suelo será realizado conforme a la Sección 21.2
Las estructuras que no requieren o usen procedimientos del movimiento del suelo en
sitios específicos serán analizados usando el espectro de diseño desarrollado para el sismo
de diseño conforme con la sección 11.4.5.
Un espectro será construido para el máximo sismo considerado (MCER ) del movimiento
del suelo . Este espectro no será tomado como menos de 1.5 veces el espectro para los
movimientos de suelo del sismo de diseño.
17.3.2 Registro de los Movimientos de suelo.
Donde los procedimientos de respuesta en el tiempo son usados, los movimientos del
suelo consistirán en los apropiados pares de componentes de la aceleración del
movimiento de suelo horizontal desarrollados por Sección 16.1.3.2 excepto que 0.2T y
1.5T serán substituidos por 0.5TD y 1.25TM respectivamente, dónde TD y TM son
definidos en la Sección 17.5.3.
17.4 SELECCIÓN DE LOS PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS.
Las estructuras aisladas sísmicamente excepto aquellas definidas en la Sección 17.4.1 serán
diseñadas usando los procedimientos dinámicos de la Sección 17.6.
17.4.1 Procedimiento de la Fuerza Lateral Equivalente.
Se permitirá el procedimiento de fuerza lateral equivalente de la Sección 17.5 para ser
usado en el diseño de una estructura sísmicamente aislada siempre que:
1.-La estructura esté localizada en un sitio con S1 menos que 0.60g.
2.-La estructura esté localizada sobre la clase sitio A, B, C o D.
3.-La estructura encima del interfaz de aislamiento sea menor o igual a cuatro pisos o
65 pies (19.8 m) en la altura estructural, hn, medida desde la base como se define en la
Sección 11.2.
4.- El período efectivo de la estructura aislada en el desplazamiento máximo, TM, es
menor o igual a 3.0 s.
5.-El período efectivo de la estructura aislada en el desplazamiento de diseño, TD, sea
mayor que tres veces el periodo elástico, el periodo de la base fija de la estructura
encima del sistema de aislamiento sea determinado por Eq. 12.8-7 o 12.8-8.
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6.-La estructura encima del sistema de aislamiento tenga una configuración regular.
7.-El sistema de aislamiento cumpla con todos los siguientes criterios:
a. La rigidez efectiva del sistema de aislamiento en el desplazamiento de diseño
es mayor que un tercio de la rigidez efectiva al 20% del desplazamiento de
diseño.
b. El sistema de aislamiento es capaz de producir una fuerza restauradora
especificada en la Sección 17.2.4.4.
c. El sistema de aislamiento no limita el máximo desplazamiento a menos que el
desplazamiento total máximo.
17.4.2 Procedimientos dinámicos.
Los procedimientos dinámicos de la Sección 17.6 son permitidos para ser usados como
especifica esta sección.
17.4.2.1 Procedimiento Espectro de Respuesta.
El análisis del espectro de respuesta no será usado para el diseño de una estructura aislada
sísmicamente a menos que:
1.-La estructura esté localizada sobre las clases de sitio A, B, C o D.
2.-El sistema de aislamiento cumpla los criterios del ítem 7 de la sección 17.4.1.
17.4.2.2 Procedimiento Respuesta en el tiempo.
El procedimiento de respuesta en el tiempo está permitido para el diseño de cualquier
estructura aislada sísmicamente y serán usadas para el diseño de todas las estructuras
aisladas sísmicamente que no cumplan los criterios de la sección 17.4.2.1.
17.5 PROCEDIMIENTO DE FUERZA LATERAL EQUIVALENTE.
17.5.1 General.
Donde el procedimiento de fuerza lateral equivalente es usado para diseñar estructuras
aisladas sísmicamente, se aplicarán los requerimientos de esta sección.
17.5.2 Características de la Deformación del Sistema de Aislamiento.
Las mínimas fuerzas desplazamientos y laterales por sismo de diseño sobre las estructuras
aisladas sísmicamente estarán basados en las características de deformación del sistema
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de aislamiento. Las características de deformación del sistema de aislamiento
explícitamente incluirán los efectos del sistema de control de viento, si tal sistema es
usado para cumplir con los requerimientos de diseño de esta norma. Las características de
deformación del sistema de aislamiento estarán basadas en pruebas correctamente
verificadas y realizadas conforme a la Sección 17.8.
17.5.3 Mínimos Desplazamientos Laterales.
17.5.3.1 Desplazamiento de Diseño
El sistema de aislamiento será diseñado y construido para soportar los mínimos
desplazamientos laterales por sismo, DD, que actúan en la dirección de cada uno de los
ejes horizontales principales de la estructura usando Eq.17.5-1:
(17.5-1)
Donde:
g = Aceleración de la gravedad. Las unidades para g son in./s2
(mm/s2) si las
unidades del desplazamiento de diseño DD son in.(mm).
SD1 = Parámetro de aceleración espectral de diseño con 5% de amortiguamiento
para un periodo de 1-s en unidades g-s tal como se determinó en la sección 11.4.4.
Tabla 17.5-1 Coeficientes de Amortiguamiento, BD o BM
Amortiguamiento efectivo, βD o βM
(porcentaje crítico)a,b
Factor BD o BM
≤ 2 5
10
20
30 40
≥ 50
0.8 1.0
1.2
1.5
1.7 1.9
2.0 a El coeficiente de amortiguamiento será basado en el amortiguamiento efectivo del
sistema de aislamiento determinado de acuerdo con los requerimientos de la sección
17.8.5.2. b El coeficiente de amortiguamiento será basado en una interpolación lineal para otros
valores de amortiguamiento efectivo que los dados en la tabla.
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TD=Periodo efectivo en segundos de la estructura aislada sísmicamente, en el
desplazamiento de diseño en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto
por la Eq. 17.5-2.
BD= Coeficiente numérico relacionado con el amortiguamiento efectivo del sistema
de aislamiento en el desplazamiento de diseño, βD, como puede verse en la tabla
17.5-1.
17.5.3.2 Periodo Efectivo en el Desplazamiento de Diseño.
El periodo efectivo de la estructura aislada en el desplazamiento de diseño, TD, será
determinado usando las características de deformación del sistema de aislamiento y la
Eq. 17.5-2:
√
(17.5-2)
Donde:
W = Peso sísmico efectivo de la estructura encima de la interfaz de aislamiento
definido en la sección 12.7.2
KDmin = Mínima Rigidez efectiva en kip/in.(KN/mm) del sistema de aislamiento en
el desplazamiento de diseño en la dirección horizontal bajo consideración, descrito
por la Eq.17.8-4
g = Aceleración de la gravedad.
17.5.3.3 Desplazamiento Máximo.
El desplazamiento máximo del sistema de aislamiento, DM, en la dirección más crítica
de respuesta horizontal será calculado usando la Eq. 17.5-3:
(17.5-3)
Donde:
g = aceleración de la gravedad.
SM1 = Parámetro de aceleración espectral para el máximo sismo considerado con
5% de amortiguamiento en un periodo de 1-s en unidades g-s tal como se
determinó en la sección 11.4.3.
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TM= Periodo efectivo en segundos de la estructura aislada sísmicamente, en el
desplazamiento máximo en la dirección bajo consideración, descrito por Eq. 17.5-
4.
BM= Coeficiente numérico relacionado con el amortiguamiento efectivo del
sistema de aislamiento en el desplazamiento máximo (βM), como se muestra en la
tabla 17.5-1.
17.5.3.4 Período Efectivo en el Desplazamiento Máximo.
El período efectivo de la estructura aislada en el desplazamiento máximo, TM, será
determinado usando las características de deformación del sistema de aislamiento y la
Eq. 17.5-4:
√
(17.5-4)
Donde:
W = Peso sísmico efectivo de la estructura encima de la interfaz de aislamiento
definido en la sección 12.7.2 (kip o KN)
KMmin = Mínima Rigidez efectiva en kips/in.(KN/mm) del sistema de aislamiento
para el desplazamiento máximo en la dirección horizontal bajo consideración,
descrito por la Eq.17.8-6
g = Aceleración de la gravedad.
17.5.3.5 Desplazamiento Total.
El desplazamiento total de diseño, DTD, y el desplazamiento total máximo, DTM, de
los elementos del sistema de aislamiento incluirán el desplazamiento adicional debido
a la torsión real y accidental calculada de la distribución espacial de la rigidez lateral
del sistema de aislamiento y la posición más desventajosa de masa excéntrica.
El desplazamiento total de diseño, DTD, y el desplazamiento total máximo, DTM, de los
elementos de un sistema de aislamiento con una distribución espacial uniforme de
rigidez lateral no serán tomados como menos de lo especificado por las Eqs. 17.5-5 y
17.5-6:
*
+ (17.5-5)
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*
+ (17.5-6)
Donde:
DD = Desplazamiento de diseño en el centro de rigidez del sistema de aislamiento
en la dirección bajo consideración definido por la Eq. 17.5-1.
DM = Desplazamiento máximo en el centro de rigidez del sistema de aislamiento en
la dirección bajo consideración definido por la Eq. 17.5-3.
y = la distancia entre los centros de rigidez del sistema de aislamiento y el
elemento de interés medido perpendicularmente a la dirección de carga sísmica
bajo consideración.
e = la excentricidad real medida en planta entre el centro de masa de la estructura
encima del interfaz de aislamiento y el centro de rigidez del sistema de aislamiento,
más la excentricidad accidental, en pies (mm), tomado como el 5 por ciento de la
mayor dimensión en planta de la estructura perpendicular a la dirección de la
fuerza bajo consideración.
b =la dimensión en planta más corta de la estructura medida perpendicularmente a
d.
d = La dimensión más larga en planta de la estructura.
EXCEPCIÓN: Se permitirá considerar el desplazamiento total de diseño, DTD, y el
desplazamiento total máximo, DTM, con un valor menor a lo definido por las Eqs.
17.5-5 y 17.5-6, respectivamente, pero no menos de 1.1 veces DD y DM,
respectivamente, a condición de que el sistema de aislamiento demuestre por
cálculo ser configurado para resistir por lo tanto la torsión.
17.5.4 Mínimas Fuerzas Laterales.
17.5.4.1 Sistema de Aislamiento y Elementos Estructurales debajo del Sistema de
Aislamiento.
El sistema de aislamiento, la cimentación, y todos los elementos estructurales debajo
del sistema de aislamiento serán diseñados y construidos para soportar una mínima
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fuerza lateral sísmica, Vb, usando todos los requerimientos adecuados para una
estructura no aislada y según lo dispuesto por la Eq. 17.5-7:
(17.5-7)
Donde:
KDmax = Máxima rigidez efectiva, en kips/in.(kN/mm), del sistema de aislamiento
en el desplazamiento de diseño en la dirección horizontal bajo consideración según
lo dispuesto por la Eq. 17.8-3.
DD = Desplazamiento de diseño, en in.(mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislamiento en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto por la 17.5-1
Vb = No se tomará menos que la fuerza máxima en el sistema de aislamiento en
ningún desplazamiento incluyendo el desplazamiento de diseño.
17.5.4.2 Elementos Estructurales encima del Sistema de Aislamiento.
La estructura encima del sistema de aislamiento será diseñada y construida para
soportar una mínima fuerza cortante, VS, usando todos los requerimientos apropiados
para una estructura no aislada y según lo dispuesto por la Eq. 17.5-8:
(17.5-8)
Donde:
KDmax = Rigidez efectiva máxima, en kips/in.(kN/mm), del sistema de aislamiento
en el desplazamiento de diseño en la dirección horizontal bajo consideración.
DD = Desplazamiento de diseño, en in.(mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislamiento en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto por la Eq.17.5-1
R1 = Coeficiente numérico relacionado al tipo de sistema fuerza-resistencia
sísmica encima del sistema de aislamiento.
El factor R1 estará basado en el tipo de sistema fuerza-resistencia sísmica usado por la
estructura encima del sistema de aislamiento y será 3/8 del valor de R dado en la tabla
12.2-1, con un valor máximo de 2.0 y un valor mínimo de 1.0.
17.5.4.3 Límites de VS
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El valor de VS no será tomado menor que lo siguiente:
1. La fuerza lateral sísmica requerida por la Sección 12.8 para una estructura fija
del mismo peso sísmico efectivo, W, y un período igual al período aislado, TD.
2. La cortante en la base correspondiente a las cargas factoradas de diseño por
viento.
3. La fuerza lateral sísmica requerida para activar totalmente el sistema de
aislamiento (e.g., el nivel de rendimiento de un sistema de ablandamiento, la
capacidad última de un sistema de control de viento, o el nivel de fricción de
ruptura de un sistema de deslizamiento) multiplicado por 1.5.
17.5.5 Distribución Vertical de la Fuerza.
La fuerza cortante VS será distribuida en la altura de la estructura encima del interfaz de
aislamiento usando la Eq. 17.5-9:
∑
(17.5-9)
Donde:
Fx = Parte de la cortante (VS) que es asignada al nivel x.
VS = Fuerza lateral total de diseño sísmico o cortante de los elementos encima del
sistema de aislamiento según lo dispuesto por la Eq. 17.5-8.
Wx = Parte del peso sísmico efectivo (W) que está localizado o asignado en el nivel
x.
hx = Altura encima de la base al nivel x.
En cada nivel designado como x, la fuerza Fx , será aplicada sobre el área de la
estructura conforme a la distribución de la masa en el nivel.
17.5.6 Límites de la deriva.
La deriva máxima de la estructura encima del sistema de aislamiento no excederá 0.015
hsx. La deriva será calculada por la Eq. 12.8-15 con Cd para la estructura aislada igual a
R1 según lo dispuesto en la sección 17.5.4.2.
17.6 PROCEDIMIENTOS DEL ANÁLISIS DINÁMICO.
17.6.1 General.
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Donde el análisis dinámico es usado para diseñar estructuras aisladas sísmicamente, se
aplicarán los requerimientos de esta sección.
17.6.2 Modelamiento.
Los modelos matemáticos de la estructura aislada incluyendo el sistema de aislamiento, el
sistema de fuerza-resistencia sísmica, y otros elementos estructurales serán conforme a la
Sección 12.7.3 y a los requerimientos de las Secciones 17.6.2.1 y 17.6.2.2.
17.6.2.1 Sistema de Aislamiento.
El sistema de aislamiento será modelado usando las características de deformación
desarrolladas y verificadas por pruebas conforme a los requerimientos de la Sección
17.5.2. El sistema de aislamiento será modelado con suficiente detalle para:
a. Representar la distribución espacial de las unidades de aisladores.
b. Calcular la traslación, en ambas direcciones horizontales, como la torsión de la
estructura encima del interfaz de aislamiento considerando la ubicación más
desventajosa de la masa excéntrica.
c. Evaluar fuerzas en elevación por volcamiento en los aisladores individuales.
d. Representar los efectos de carga vertical, carga bilateral, y/o los ratios de carga
si las propiedades fuerza-deflexión del sistema de aislamiento son dependiente
en uno o más de estos atributos.
El desplazamiento total de diseño y el desplazamiento total máximo a través del
sistema de aislamiento serán calculados usando un modelo de la estructura aislada que
incorpora las características fuerza-deflexión de los elementos no lineales del sistema
de aislamiento y el sistema fuerza-resistencia.
17.6.2.2 Estructura Aislada.
El desplazamiento máximo de cada piso y las fuerzas y desplazamientos de diseño en
los elementos del sistema fuerza-resistencia sísmica pueden ser calculados usando un
modelo lineal elástico de la estructura aislada siempre y cuando las siguientes
condiciones se cumplan:
1. Las propiedades de rigidez asumidas para los componentes no lineales del
sistema de aislamiento están basadas en la máxima rigidez efectiva del sistema de
aislamiento;
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2. Todos los elementos del sistema fuerza-resistencia sísmica de la estructura
encima del sistema de aislamiento permanecen elásticos para el diseño sísmico.
Los sistemas fuerza-resistencia sísmica con los elementos elásticos incluidos, pero no
limitados a, sistemas irregulares estructurales diseñados para una fuerza lateral no
menor del 100 por ciento de VS y para sistemas estructurales regulares diseñados para
una fuerza lateral no menor del 80 por ciento de VS, donde VS es determinada
conforme a la Sección 17.5.4.2.
17.6.3 Descripción de Procedimientos.
17.6.3.1 General.
El espectro de respuesta y el procedimiento de historia de respuesta serán realizados
conforme a la Sección 12.9 y el Capítulo 16, y los requerimientos de esta sección.
17.6.3.2 Sismo de entrada.
Los movimientos del suelo para el sismo de diseño serán usados para calcular el
desplazamiento total de diseño del sistema de aislamiento, las fuerzas laterales y los
desplazamientos en la estructura aislada. El máximo sismo considerado será usado
para calcular el desplazamiento total máximo del sistema de aislamiento.
17.6.3.3 Procedimiento del Espectro de respuesta.
El análisis del espectro de respuesta será realizado usando un valor de
amortiguamiento modal para el modo fundamental en la dirección del interés no
mayor que el amortiguamiento efectivo del sistema de aislamiento o el 30% del
crítico, cual sea el menor valor. Los valores de amortiguamiento modales para modos
más altos serán seleccionados compatiblemente con aquellos que serían apropiados
para el análisis espectro de respuesta de la estructura encima del sistema de
aislamiento asumiendo una base fija.
El análisis espectro de respuesta será usado para determinar el desplazamiento total de
diseño y el desplazamiento total máximo incluyendo la excitación simultánea del
modelo en el 100% del movimiento del suelo en la dirección crítica y el 30% del
movimiento del suelo en la dirección horizontal perpendicular. El desplazamiento
máximo del sistema de aislamiento será calculado como la suma vectorial de los dos
desplazamientos ortogonales.
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17
El cortante de diseño en cualquier piso no será menor que la cortante resultado de la
aplicación de las fuerzas por piso calculados usando la Eq. 17.5-9 y un valor de VS
igual a la cortante basal obtenido del análisis de espectro de respuesta en la dirección
del interés.
17.6.3.4 Procedimiento Respuesta en el Tiempo.
Donde un procedimiento de respuesta en el tiempo es realizado, un conjunto no menor
a tres pares apropiados de movimientos del suelo serán usados en el análisis; los pares
del movimiento del suelo serán seleccionados y escalados conforme a la Sección
17.3.2.
Cada par de componentes del movimiento del suelo serán aplicados simultáneamente
al modelo, considerando la posición más desventajosa de masa excéntrica. El
desplazamiento máximo del sistema de aislamiento será calculado por la suma
vectorial de los dos desplazamientos ortogonales cada vez que pasan.
Los parámetros de interés serán calculados para cada movimiento del suelo usado para
el análisis de respuesta en el tiempo. Si siete o más pares de movimientos de suelo son
usados para el análisis de respuesta en el tiempo, entonces el valor promedio de los
parámetros de respuesta de interés será usado para el diseño. Si menos que siete pares
de movimientos del suelo son usados para el análisis, el valor máximo del parámetro
de respuesta de interés será usado para el diseño.
17.6.4 Mínimos Desplazamientos y Fuerzas Laterales.
17.6.4.1 Sistema de Aislamiento y Elementos Estructurales debajo del Sistema de
Aislamiento.
El sistema de aislamiento, cimentación, y todos los elementos estructurales debajo del
sistema de aislamiento serán diseñados usando todos los requerimientos apropiados
para una estructura no aislada y las fuerzas obtenidas del análisis dinámico sin
reducción, pero la fuerza lateral de diseño no será tomada como menos del 90% de Vb
determinada conforme a la Eq. 17.5-7.
El desplazamiento total de diseño del sistema de aislamiento no será tomado como
menos del 90% de DTD especificado por la Sección 17.5.3.5. El desplazamiento total
máximo del sistema de aislamiento no será tomado como menos del 80% de DTM
conforme a la Sección 17.5.3.5.
Los límites de los desplazamientos especificados en esta sección serán evaluados
usando los valores de DTD y DTM determinados conforme a la Sección 17.5.5 excepto
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18
que se permite usar en lugar de DD y
en lugar de DM conforme a las Eqs.
17.6-1 y 17.6-2:
√ ( ⁄ )
(17.6-1)
√ ( ⁄ )
(17.6-2)
Donde:
DD = desplazamiento de diseño, en in. (mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislamiento en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto por la Eq. 17.5-
1.
DM = Desplazamiento máximo en in. (mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislamiento en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto por la Eq. 17.5-3
T = Periodo Elástico de la base fija de la estructura encima del sistema de
aislamiento determinado por la Sección 12.8.2
TD = Periodo efectivo de la estructura aislada sísmicamente en segundos, en el
desplazamiento de diseño en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto
por la Eq. 17.5-2.
TM = Periodo efectivo en segundos de la estructura aislada sísmicamente, en el
desplazamiento máximo en la dirección bajo consideración, según lo dispuesto por
la Eq. 17.5-4.
17.6.4.2 Elementos Estructurales encima del Sistema de Aislamiento.
Sujeto a los límites específicos del procedimiento de esta sección, los elementos
estructurales encima del sistema de aislamiento serán diseñados usando los
requerimientos apropiados para una estructura no aislada y las fuerzas obtenidas del
análisis dinámico reducidas por un factor R1 determinado conforme a la Sección
17.5.4.2.
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El diseño de la fuerza cortante lateral de la estructura encima del sistema de
aislamiento, si la configuración es regular, no será tomado como menos del 80% de
VS, o menos que los límites especificados por la Sección 17.5.4.3.
EXCEPCIÓN: La fuerza cortante lateral de la estructura encima del sistema de
aislamiento, si la configuración es regular, se permite tomar menos del 80%, pero no
será menor que el 60% de VS , donde el procedimiento de respuesta en el tiempo es
usado para análisis de la estructura aislada sísmicamente.
La fuerza cortante lateral de la estructura encima del sistema de aislamiento, si la
configuración es irregular, no será tomado menos que VS o menor que los límites
especificados por la sección 17.5.4.3.
EXCEPCIÓN: El diseño de la fuerza cortante lateral de la estructura encima del
sistema de aislamiento, si la configuración es irregular, se permite tomar menos del
100%, pero no será menor que el 80% de VS , donde el procedimiento de respuesta en
el tiempo es usado para el análisis de la estructura aislada sísmicamente.
17.6.4.3 Escalamiento de los resultados.
Donde la fuerza cortante lateral factorada sobre los elementos estructurales, son
determinadas usando cualquiera de los procedimientos espectro de respuesta o
respuesta en el tiempo, es menor que el mínimo valor según las Secciones 17.6.4.1 y
17.6.4.2, entonces todos los parámetros de respuesta, incluyendo fuerzas y momentos
de los miembros, serán ajustadas hacia arriba proporcionalmente.
17.6.4.4 Límites de la deriva.
La máxima deriva correspondiente al diseño de la fuerza lateral incluyendo los
desplazamientos debido a la deformación vertical del sistema de aislamiento no
excederán los siguientes límites.
1. La deriva máxima de la estructura encima del sistema de aislamiento calculado
por el análisis del espectro de respuesta no excederá 0.015 hsx.
2. La deriva máxima de la estructura encima del sistema de aislamiento calculado
por el análisis de respuesta en el tiempo basado en las características fuerza -
deflexión de los elementos no lineales del sistema fuerza-resistencia sísmica no
excederá 0.020 hsx.
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La deriva será calculada usando la Eq. 12.8-15 con Cd de la estructura aislada igual a
R1 definido en la sección 17.5.4.2.
Los efectos secundarios del desplazamiento máximo de la estructura encima del
sistema de aislamiento combinado con las fuerzas de gravedad serán investigadas si el
ratio de la deriva excede 0.010/R1.
17.7 REVISIÓN DEL DISEÑO
Una revisión del diseño del sistema de aislamiento y los programas de prueba relacionados
serán realizados por un equipo de ingeniería independiente incluyendo a personas
certificadas en las disciplinas apropiadas, experiencia en métodos de análisis sísmicos, la
teoría y la aplicación del aislamiento sísmico. La revisión del diseño del sistema de
aislamiento incluirá lo siguiente:
17.8 PRUEBAS.
17.8.1 General.
Las características de deformación y los valores de amortiguamiento del sistema de
aislamiento usados en el diseño y el análisis de estructuras sísmicamente aisladas se
basarán en las pruebas de una muestra seleccionada de los componentes antes de la
construcción, como se describe en esta sección.
Los componentes del sistema de aislamiento para ser probados incluirán el sistema de
control de viento si tal sistema es usado en el diseño.
Las pruebas específicas en esta sección son para establecer y validar las propiedades de
diseño del sistema de aislamiento y no será considerado para satisfacer las pruebas de
control de calidad de la fabricación de la Sección 17.2.4.
17.8.2 Pruebas a los Prototipos.
Las pruebas a los prototipos serán realizadas separadamente sobre dos especímenes de
tamaño completo (o conjunto de especímenes, como sea apropiado) de cada tipo
predominante y tamaño de aislador del sistema de aislamiento. Los especímenes de
prueba incluirán el sistema de control de viento así como las unidades de aislador
individuales si tales sistemas son usados en el diseño. Los especímenes probados no serán
usados para la construcción a no ser que sean aceptados por el profesional del diseño
responsable del diseño de la estructura y aprobados por la autoridad de jurisdicción.
17.8.2.1 Registro.
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21
Para cada ciclo de cada prueba, el comportamiento de la curva fuerza-deformación y
histerético de los especímenes de prueba serán registrados.
17.8.2.2 Secuencia y ciclos.
La siguiente secuencia de pruebas será realizada para un número establecido de ciclos
en la carga vertical igual al promedio de carga muerta más la mitad de los efectos
debido a la carga viva en todas las unidades de aisladores para un mismo tipo y
tamaño:
1. Veinte ciclos de carga totalmente invertidos para una fuerza lateral
correspondiente a la fuerza de diseño por viento.
2. Tres ciclos de carga totalmente invertidos para cada uno de los siguientes
incrementos del desplazamiento total de diseño 0.25 DD, 0.5 DD, 1.0 DD, y
1.0 DM donde DD y DM son determinadas en las Secciones 17.5.3.1 y
17.5.3.3, respectivamente, o la Sección 17.6 según corresponda.
3. Tres ciclos de carga totalmente invertidos en el desplazamiento total máximo,
1.0 DTM.
4. 30 SD1/SDSBD ciclos de carga totalmente invertidos (no menos de 10) por una
vez el desplazamiento total de diseño, 1.0DTD.
Si una unidad de aislador es también un elemento de transmisión de carga vertical,
entonces el artículo 2 de la secuencia de pruebas cíclicas especificadas en el texto
precedente será realizado para dos casos de carga verticales adicionales especificadas
en la Sección 17.2.4.6. El incremento de carga debido al volcamiento sísmico, QE,
será igual o mayor a la fuerza vertical del sismo máximo correspondiente al
desplazamiento de prueba evaluado. En estas pruebas, la combinación de carga
vertical será tomada típica o el promedio de las fuerzas hacia abajo sobre todas las
unidades de aislador de un tipo y tamaño común.
17.8.2.3 Unidades Dependiente de los índices de carga.
Si las propiedades fuerza-Deflexión de las unidades de aislador son dependiente de los
índices de carga, cada conjunto de pruebas especificadas en la Sección 17.8.2.2 será
realizado dinámicamente con una frecuencia igual al inverso del período efectivo, TD.
Si los especímenes prototipo a escala reducida son usados para cuantificar los índices
de dependencia de las propiedades de los aisladores, los especímenes prototipo a
escala reducida serán del mismo tipo y material, serán fabricados con el mismo
proceso y calidad como los prototipos a escala completa y serán probados con una
frecuencia que representen los índices de carga para los prototipos de escala completa.
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22
Las propiedades fuerza-deflexión de un aislador serán considerados para ser
dependientes de los índices de carga si las propiedades medidas (rigidez efectiva o
amortiguamiento efectivo) en el desplazamiento de diseño cuando son probadas con
cualquier frecuencia del rango entre 0.1 a 2.0 veces el inverso del periodo TD es
diferente de las propiedades cuando son probadas a una frecuencia igual a la inversa
de TD por más del 15%.
17.8.2.4 Unidades dependientes de la carga bilateral.
Si las propiedades esfuerzo-deflexión de los aisladores son dependientes de la carga
bilateral, las pruebas especificadas en las secciones 17.8.2.2 y 17.8.2.3 serán
aumentadas incluyendo la carga bilateral en los siguientes incrementos del
desplazamiento total de diseño, DTD : 0.25 y 1.0, 0.5 y 1.0, 0.75 y 1.0, 1.0 y 1.0.
Si los especímenes prototipo a escala reducida son usados para cuantificar las
propiedades dependientes de carga bilateral, los especímenes a escala reducida serán
del mismo tipo, material, fabricados con el mismo proceso y calidad que los
prototipos completos.
Las propiedades de fuerza-deflexión de un aislador son considerados dependientes de
la carga bilateral si la rigidez efectiva donde actúa la carga bilateral es diferente de la
rigidez efectiva donde actúan las cargas unilaterales por más del 15%.
17.8.2.5 Carga vertical máxima y mínima.
Las unidades de aislador que transmiten la carga vertical serán probadas estáticamente
por carga vertical descendente del máximo y el mínimo en el desplazamiento total
máximo. En estas pruebas, la combinación de cargas vertical será tomada como
especifica la Sección 17.2.4.6 sobre cualquier aislador de un mismo tipo y tamaño. La
carga muerta, D, y la carga viva, L, están especificados en la Sección 12.4. La carga
sísmica E está dada por las Eqs.12.4-1 y 12.4-2, donde SDS en estas ecuaciones es
substituida por SMS y las cargas verticales que son resultado de la aplicación de
fuerzas horizontales sísmicas, QE, se basarán en la respuesta debida al máximo sismo
considerado.
17.8.2.6 Sistemas de control de viento.
Si un sistema de control de viento es usado, su capacidad última será establecida por
pruebas.
17.8.2.7 Pruebas de Unidades Similares.
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Las pruebas prototipo no son requeridas si un aislador es de similar tamaño, del
mismo tipo y material como un aislador prototipo que ha sido previamente probado
usando la secuencia de pruebas especificadas.
17.8.3Determinación de las características Fuerza-Deflexión.
Las características fuerza-deformación del sistema aislado se basarán en las pruebas de
carga cíclica de los aisladores prototipo especificadas en la sección 17.8.2.
En caso necesario, la rigidez efectiva de un aislador, keff, será calculada para cada
ciclo de carga según lo dispuesto por la Eq. 17.8-1:
| | | |
| | | | (17.8-1)
Donde F+
y F- son las fuerzas positivas y negativas, con +
y -, respectivamente.
En caso necesario, el amortiguamiento efectivo, βeff, de un aislador será calculado para
cada ciclo de carga por la Eq. 17 .8-2.
(| | | |) (17.8-2)
Donde la energía disipada por ciclo de carga, Eloop, y la rigidez efectiva, keff, se
basarán en los desplazamientos máximos probados de + y -
.
17.8.4 Adecuación del Espécimen de prueba.
El funcionamiento de los especímenes de prueba será considerado adecuados si se
cumple las condiciones siguientes:
1. La gráfica fuerza-deflexión para todas las pruebas especificadas en la sección
17.8.2 tienen un incremento positivo de la capacidad fuerza-resistencia.
2. Para cada incremento del desplazamiento de prueba especificado en el ítem 2
de la Sección 17.8.2.2 y para cada caso de carga vertical especificada en la
Sección 17.8.2.2,
a. Para cada espécimen de prueba, la diferencia entre la rigidez efectiva de
cada uno de los tres ciclos de prueba y el valor promedio de la rigidez
efectiva no sea mayor que el 15%.
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24
b. Para cada ciclo de prueba, la diferencia entre la rigidez efectiva de dos
especímenes de prueba del mismo tamaño,tipo del aislador y la rigidez
efectiva promedio no sea mayor que el 15%.
3. Para cada espécimen no hay cambios mayores del 20% de la rigidez efectiva
inicial durante los ciclos de prueba especificados en el ítem 4 de la Sección
17.8.2.2.
4. Para cada espécimen no hay disminuciones mayores del 20% del
amortiguamiento efectivo inicial durante los ciclos de prueba especificados
en el ítem 4 de la sección 17.8.2.2.
5. Todos los especímenes de transmisión de la carga vertical de los elementos
del sistema de aislamiento permanecen estables si son probados según lo
dispuesto por la sección 17.8.2.5.
17.8.5 Propiedades de Diseño del Sistema de Aislamiento.
17.8.5.1 Máxima y Mínima Rigidez efectiva.
En el desplazamiento de diseño, la máxima y mínima rigidez efectiva del sistema de
aislamiento kDmax y kDmin , serán basados en las pruebas cíclicas del ítem 2 de la
sección 17.8.2.2 y calculados usando las Eqs. 17.8-3 y 17.8-4:
∑|
|
∑| |
(17.8-3)
∑|
|
∑| |
(17.8-4)
En el desplazamiento máximo, la máxima y mínima rigidez efectiva del sistema de
aislamiento kMmax y kMmin, serán basados en las pruebas cíclicas del ítem 3 de la
sección 17.8.2.2 y calculadas usando las Eqs. 17.8-5 y 17.8-6:
∑|
|
∑| |
(17.8-5)
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∑|
|
∑| |
(17.8-6)
La máxima rigidez efectiva del sistema de aislamiento kDmax ( o kMmax ), serán
basados en las fuerzas de las pruebas cíclicas prototipo para los desplazamientos de
prueba igual a DD (DM) que produce el mayor valor de rigidez efectiva. La rigidez
efectiva mínima del sistema de aislamiento kDmin( o kMmin ), serán basados en las
fuerzas de las pruebas cíclicas de prototipo para los desplazamientos igual a DD o (DM)
que produce los valores más pequeños de rigidez efectiva.
Para los aisladores que son encontrados por las pruebas de las secciones 17.8.2.2,
17.8.2.4 tienen características fuerza-deflexión que varían con la carga vertical,
índices de carga, o carga bilateral respectivamente, los valores de kDmax y kMmax se
incrementarán y los valores de kDmin y kMmin disminuirán, según sea necesario, limitar
los efectos medidos de la variación de la rigidez efectiva.
17.8.5.2 Amortiguamiento efectivo.
En el desplazamiento de diseño, el amortiguamiento efectivo del sistema de aislamiento,
βD, será basado en las pruebas cíclicas del ítem 2 de la sección 17.8.2.2 y calculado
usando la Eq. 17.8-7:
∑
(17.8-7)
En la Eq. 17.8-7, la disipación de la energía total por ciclo de respuesta del
desplazamiento de diseño, ∑ , se tomará como la suma de la disipación de la energía
por ciclo en todos los aisladores medidos en los desplazamientos de prueba igual a DD y
serán basados en las fuerzas y deflexiones de las pruebas cíclicas de prototipo en las
pruebas de desplazamiento DD que produce el valor más pequeño de amortiguamiento
efectivo.
En el desplazamiento máximo, el amortiguamiento efectivo del sistema de aislamiento,
βM, será basado en las pruebas cíclicas del ítem 2 de la sección 17.8.2.2 y calculados
usando la Eq. 17.8-8
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∑
(17.8-8)
En la Eq. 17.8-8, la disipación de la energía total por ciclo de respuesta del
desplazamiento máximo, ∑ , se tomarán como la suma de la disipación de la
energía por ciclo en todos los aisladores medidos en los desplazamientos de prueba
igual a DM y serán basados en las fuerzas y deflexiones de las pruebas cíclicas de
prototipo en las pruebas de desplazamiento DM que produce el valor más pequeño de
amortiguamiento efectivo.