diseño de sistema de aislamiento elastomerico

DISEO DE SISTEMA DE AISLAMIENTO ELASTOMERICO PARA BATERIA DE SILOS

C. Pea (1), M. Medalla (2), M.E Bravo (3), P. Hidalgo (4)

(1) Ingeniero Civil, M. Eng., P&M Structural/Seismic Engineering, [email protected] (2) Ingeniero Civil, M. Eng., P&M Structural/Seismic Engineering, [email protected] (3) Ingeniero Civil, P&M Structural/Seismic Engineering, [email protected] (4) Ingeniero Civil, Ph. D., P. Emrito, P. Univ. Catlica de Chile, [email protected]

Resumen

El presente trabajo se centra en la respuesta ssmica esperada de un sistema estructural industrial real considerando

una solucin aislada ssmicamente con dispositivos elastomricos idnticos entre s. Se presenta la solucin en base fija a

modo de referencia. De manera general, el sistema estructural en estudio est conformado por 6 silos de acero con una

capacidad de almacenamiento de 1000ton cada uno, dispuestos sobre una mesa de soporte de hormign armado. Se

evala la respuesta probable de la estructura en condicin de ausencia de excentricidad en la distribucin de la cargas en

la superestructura, adems de la posibilidad de existencia de mximas excentricidades en la distribucin de material

almacenado. Complementariamente, se estudia una alternativa de optimizacin (dispositivos diferentes) del sistema de

aislamiento "original", cuyos beneficios de implementacin se discuten a la luz de la conveniencia prctica. Los anlisis

ssmicos consideran una verificacin de diseo mediante un anlisis modal espectral consistente con la normativa nacional

vigente. Adems, se realizan anlisis inelsticos de respuesta en el tiempo para tres pares de registros artificiales

compatibles con el espectro elstico de diseo de NCh2745. Luego de los anlisis realizados se concluye que para el caso

estudiado no existe mayor sensibilidad del sistema de aislamiento ante las torsiones en planta que se consideran,

situacin que se discute dentro del trabajo. Por otra parte, tambin se concluye que el sistema de aislamiento

"optimizado" podra ser notablemente ms econmico, sin embargo la conveniencia de la implementacin de esta

mejora no resulta recomendable en el caso de estructuras industriales.

Palabras-Clave: Estructuras industriales, aislamiento ssmico.

Abstract

This paper focuses on the expected seismic response of a 'real' industrial structural system subjected to severe ground

motions, considering a seismically isolated solution using identical elastomeric devices. The fixed base solution as

reference is presented. The structural system under consideration supports six steel storage silos with a capacity 1000ton

each, arranged on a support reinforced concrete slab. The expected seismic response of the structure, in the absence of

mass eccentricity due to the distribution of loads on the superstructure, is evaluated first. Additionally, the possibility of

maximum mass eccentricity in the distribution of the stored material is considered. Also, an alternative "optimization",

(using different elastomeric devices), is studied. The benefits of their implementation are discussed from the practical

point of view. The seismic analysis considered a design verification using a modal spectral analysis consistent with current

national regulations. Furthermore, inelastic, time-history response analyses are performed for three pairs of artificial

records compatible with the elastic NCh2745 design spectrum. It is concluded there exists a minor sensitivity of the

isolation system to the torsional response. Moreover, it is also concluded that the "optimized" isolation system could be

significantly less expensive, but the convenience of the implementation of this "improvement" is not recommended in the

case of industrial structures.

Keywords: Industrial structures, seismic isolation.

Santiago de Chile, 18- 20 de Marzo, 2015

2

1 Introduccin

Actualmente es de conocimiento de la profesin que las estructuras que incorporan dispositivos de

aislamiento de base generan demandas elsticas laterales en la superestructura de hasta un orden de

magnitud menor a las obtenidas con una solucin tradicional de base fija equivalente. Esta reduccin

tan significativa se obtiene debido a la inclusin de una interfaz flexible en la direccin horizontal bajo

la zona de inters. Con esto, los perodos naturales de vibracin de la estructura se elevan

considerablemente, al momento que las formas modales cambian desde las tradicionales hacia

aquellas que corresponden a oscilaciones de cuerpo libre. Paralelamente, el aumento de

amortiguamiento en estos modos aislados crece notablemente en comparacin al 5% tradicional que

es asignado a estructuras de hormign armado. Dicho sea de paso, este amortiguamiento de 5%

implica el desarrollo de inelasticidades considerables, con el consiguiente dao (reparable) asociado.

Es importante notar que los mayores amortiguamientos de las estructuras aisladas, a diferencia del

caso tradicional, se generan nicamente debido a la accin de los dispositivos y no a las posibles

inelasticidades que puedan desarrollarse en la superestructura. En estos casos, debido al objetivo

primario del diseo aislado (dao nulo), las estructuras no trabajan fuera del rango lineal elstico, y

consecuentemente no pueden desarrollar un amortiguamiento considerable para efectos de diseo.

Visto de esta forma, no parece razonable superponer un amortiguamiento estructural considerable

(mayor que un 1%) al desarrollado por el sistema aislado, ya que esto significara que el diseo

permite que la superestructura pueda encontrarse trabajando en un nivel de deformacin que se

contrapone al uso mismo de la tecnologa de proteccin en estudio.

Debido a que el mayor impacto de la incorporacin de una interfaz aislada dentro de la estructura es

el aumento de los perodos de los modos traslacionales, la eficiencia de la solucin viene asociada al

hecho de sacar de la zona de mximos espectrales (Sa) a aquellas estructuras rgidas que se

encuentren en esta zona de perodos bajos. Por otra parte, a nivel de diseo prctico, el objetivo

buscado es llevar a la estructura a la condicin de corte basal mnimo aceptado por la normativa que

corresponda, lo que tiene su mayor ventaja en aquellos casos en que la estructura albergue masas

importantes dentro de ella.

Una estructura sin aislamiento ssmico puede presentar daos reparables en el corto plazo tanto en

los elementos estructurales y no estructurales como en el contenido que alberga (equipos)

provocando detenciones en la operacin. Sin embargo, esta situacin es absolutamente aceptable

dentro de los criterios normativos tradicionales. Pese a que no puede establecerse una regla general

de ahorro directo de materiales resistentes en las diferentes estructuras industriales con sistemas de

aislacin basal (requiere un estudio caso a caso), el costo inherente a la incorporacin del sistema de

proteccin ssmica se ve compensando con creces al considerar en la evaluacin econmica que la

estructura aislada no tendr detenciones de la operacin y procesos productivos en caso de eventos

ssmicos de gran intensidad.

2 Caractersticas de la estructura y condiciones generales de diseo

El estudio consiste en un anlisis comparativo de la respuesta ssmica terica de una estructura

industrial diseada de forma tradicional a la cual se incorporan aisladores elastomricos con corazn

de plomo. La estructura en cuestin corresponde a una batera de 6 Silos cilndricos de acero ASTM

A36 para almacenamiento de Cal, con capacidades aproximadas de 1000ton cada uno. El espesor de

manto es 14mm en sus primeros 2m, disminuyendo a 12mm en sectores superiores. Estos silos son

soportados originalmente y en su conjunto por un sistema de marcos de momento de hormign


3

armado H30 de un solo nivel (mesa de apoyo). Las dimensiones de los silos son 7m de dimetro y 12m

de altura de cilindro sobre el nivel de apoyo de la mesa de hormign armado, cuyas dimensiones a su

vez son 24m de largo, 16m de ancho, y 6m de altura. La estructura de soporte se compone de

columnas cuadradas de 120cm, vigas de 80cm x 150cm, y losa de 100cm de espesor.

Como caso de estudio, se ubican los aisladores en el sector superior de las columnas en lugar de la

base del edificio. Especficamente, los dispositivos se incorporan bajo el tope de concreto inferior de

las vigas de soporte de hormign armado. Se desestima la incorporacin de un diafragma bajo la

interfaz de aislamiento debido a la alta rigidez lateral de las columnas de hormign armado que se

encuentran empotradas en la losa de fundacin superficial del edificio de dimensiones 27.6m de

largo, 19.6m de ancho, 1m de espesor. La Figura 1 entrega esquemas de la estructura en estudio.

Fig. 1 Esquemas de estructura en estudio y ubicacin de dispositivos de aislacin.

Es importante declarar que el presente estudio pretende representar una aplicacin real de este tipo

de tecnologas en el sector de proyectos industriales de nuestro pas. Por este motivo, se toman

decisiones y evalan resultados desde esta perspectiva. Lo anterior significa que en algunas ocasiones

podra no ser el resultado ptimo desde el punto de vista tcnico el que sea elegido para la

implementacin, sino aquel que cumpliendo tcnicamente entregue buenas caractersticas de

constructibilidad, simplicidad, y economa en condicin operacional.

Debido a que se trata de una estructura que alberga equipos de almacenamiento de material, cuyos

diferentes niveles de llenado controlan la respuesta ssmica, se definen los siguientes criterios para

los anlisis que se realizan.

Condicin operacional. Se considera que los seis silos deben ser capaces de alcanzar un nivel de

llenado del 80% de su capacidad de volumtrica en conjunto. Si bien el diseo unitario de cada uno de

los silos admite el llenado al mximo de su capacidad volumtrica, esto no se considera como una

condicin operacional para el conjunto, sino como una condicin eventual que no debiera coincidir

con el llenado lmite de un segundo silo.

Condicin ssmica. Como condicin de llenado probable al momento de producirse el sismo de diseo

se considera, por motivos de proceso, que los silos en su conjunto no debieran sobrepasar un nivel de

llenado equivalente a los seis silos operando al 50% de su capacidad volumtrica (3000ton totales

aproximadamente). Consistentemente, se deben definir dos silos operando en un nivel de 80% y los

otros cuatro operando en un nivel de 35%.

Las solicitaciones para las cuales debe ser verificada la estructura son las siguientes:


4

1) Peso estructural de los elementos resistentes principales. En el caso de los silos de acero el peso

alcanza 37.5t cada uno, mientras el peso del soporte de hormign armado alcanza las 988.7t.

2) Peso de equipos. Se considera la presencia de equipos menores ubicados en el techo de cada silo,

cuyo peso conjunto es 12.8t en cada uno de los techos.

3) Cargas de material almacenado. Sin duda corresponde a la mayor solicitacin de diseo del

sistema. Para la condicin de operacin normal esta carga alcanza un valor total dentro de la

estructura del orden de 4800t, mientras que para el caso ssmico disminuye a 3000t distribuidas

de manera no uniforme al interior de los silos.

4) Solicitaciones de origen ssmico. La estructura se ubica en la zona de mxima sismicidad del pas y

sobre un suelo duro (Zona 3 y Suelo II segn NCh2369 [1] y NCh2745 [2]). Se considera que la

importancia el edificio corresponde a la categora C2 (I=1.0).

3 Sistemas de aislacin

En este estudio se analizan dos sistemas de aislacin elastomricos (metodologas de acuerdo con [3]

y [4]). El primero, que se considera el caso original corresponde al uso de dispositivos idnticos en

todas las posiciones, y el segundo, que se considera un caso optimizado corresponde al uso de

dispositivos diferentes de acuerdo a lo indicado en la Figura 2a y Tabla 1. El mdulo de corte de la

goma utilizada es G=6.5kg/cm2 y el espesor de las lminas 8mm para todos los casos. Los estribos de

acero tienen un espesor de 3mm para todos los casos.

G1 G1 G2G2

G3G3

G3 G3 G4G4

G4 G4

Fig. 2 a) Ubicacin en planta de grupos de aisladores diferentes. b) Modelo bilineal idealizado ([3] y [4]).

Tabla 1 Caractersticas de los aisladores utilizados.

Original

Optimizado

G1 G2 y G3 G4

Dimetro Aislador cm D 100 100 80 60

Dimetro Ncleo cm dp 15 0 20 0

Altura de Goma cm Hr 35.2 35.2 35.2 14.4

Altura Total entre placas cm H 48.1 48.1 48.1 19.5

Nmero de lminas de goma nr 44 44 44 18

De la tabla anterior se desprende que la alternativa optimizada presenta una reduccin en el volumen

de goma de un 46.4% y una reduccin en el volumen de plomo de un 11.1%, ambos valores en

relacin a la alternativa original. Notar que la alternativa optimizada presenta distribucin perimetral

de plomo. Esto tiene la intencin de controlar de mejor manera las posibles torsiones en planta.

X

Y

Aislador 5 Aislador 8


5

Para la evaluacin de las solicitaciones ssmicas de diseo se utiliza el mtodo modal espectral, lo que

requiere estimar propiedades lineales equivalentes de los dispositivos cuyo comportamiento es

intrnsecamente no lineal. Posteriormente, al realizar las validaciones del diseo mediante anlisis

inelsticos de tipo tiempo historia se utilizan las propiedades reales esperadas del dispositivo (ver

Figura 2b). La linealizacin equivalente a utilizar busca principalmente corregir el espectro de diseo

hasta un amortiguamiento consistente con el que se espera contar al desarrollar los desplazamientos

esperados en la interfaz de aislamiento. En el caso de los dispositivos idnticos, podemos asumir que

el amortiguamiento de la base es prcticamente igual al de cada uno de los dispositivos. La Figura 3

muestra el espectro de diseo a utilizar en este caso. Se ha determinado que los aisladores logran un

amortiguamiento de un 22% para un nivel de deformacin del orden de 20.3cm, que es el

desplazamiento total de diseo considerado como mnimo (preliminarmente) por NCh2745. Categoria 2 I 1.0 Ao 0.4 g

Z 1.25 22.0 %Zona 3 MM 1.2 B 2.03

Ta 0.03 seg TD 2.00 segSuelo 2 Tb 0.2 seg Sa (TD) 0.301 g

Tc 0.54 seg Sa Z I / Rl B 0.093 g######### Td 2 seg Cmin 0.100

Te 10 seg Cdiseo 0.100R 2 PGA 0.41 g Sd (TD) 29.92 cm

AA 1100 cm/s2 Sd / B 14.72 cmVV 94 cm/s DD 184.5 mmDD 30 cm DM 221.5 mmRl 2.0 DTD min 203.0 mmT0 1.60 seg DTM min 243.6 mm

Edificio industrial.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

S a[g

]

T [seg]

Sa v/s T

Sa I ZCminT*Sa I Z / R BSa I Z / B

Fig. 3 Espectro de diseo estructura aislada original.

Tabla 2 Caractersticas de la base aislada optimizada Parte 1.

Grupo Cantidad [%] dplomo [cm] Atot plomo [cm2] kp aislador [t/cm] kp tot [t/cm] 1 2 5.0 0 0 1.45 2.900

2 2 32.0 20 628 1.001 2.002

3 4 32.0 20 1257 1.001 4.004

4 4 5.0 0 0 1.276 5.104

12

1885

14.010

Tabla 3 Caractersticas de la base aislada optimizada Parte 2.

Desplazamiento de diseo Dd 20.3 cm

Capacidad de la base a deformacin nula Q 188.5 t

Rigidez al corte postfluencia kp (k2) 14.010 t/cm

Rigidez al corte inicial ki (k1) 140.100 t/cm

Rigidez al corte efectiva k eff 23.295 t/cm

Desplazamiento de fluencia Dy 1.49 cm

Fuerza de fluencia Fy 209.4 t

Amortiguamiento efectivo eff 24 %


6

A diferencia del caso original, en el caso optimizado debe evaluarse un amortiguamiento a nivel basal

de forma detallada (ver Tablas 2 y 3, y Figura 2), ya que cada tipo de dispositivo genera un

amortiguamiento diferente. En este caso, al evaluar para una deformacin de diseo idntica al caso

anterior, se determina un amortiguamiento global de la base el orden de 24%, levemente mayor que

el caso anterior. Consistentemente y en estricto rigor, tambin debiera disminuir levemente el

desplazamiento de diseo considerado, situacin que podra incrementar mnimamente el valor del

amortiguamiento. Como decisin prctica y levemente conservadora, se decide utilizar para este caso

un espectro de diseo idntico al caso original (ver Figura 3).

4 Casos de diseo

Como primer escenario se compara la demanda de diseo entre una estructura de base fija (Caso 0) y

otra de base aislada con dispositivos idnticos (Caso 1). En este escenario la distribucin de material

dentro de los silos es simtrica, y en consecuencia no produce torsiones naturales en planta. Esto se

logra definiendo una carga de trabajo del 80% para los 2 silos centrales, y de un 35% para los 4

restantes.

Como segundo escenario se compara la demanda de diseo entre 3 casos de base aislada. El primero

corresponde al caso de los dispositivos originales trabajando para una condicin que no presenta

excentricidad en la superestructura (Caso 1). El segundo caso corresponde al mismo sistema anterior,

pero trabajando bajo una condicin de mxima excentricidad de carga en la superestructura (Caso 2).

El tercer caso corresponde al trabajo del sistema de aislacin optimizado trabajando bajo mximas

excentricidades de carga (Caso 3). Esta mxima excentricidad se logra definiendo una carga de trabajo

del 80% para los 2 silos del extremo derecho de la planta (ver Figura 2a), y de un 35% para los 4

restantes.

Las combinaciones para verificacin de los dispositivos de aislacin especficamente (ver Tabla 4)

utilizan las solicitaciones ssmicas provenientes de anlisis realizados para la condicin de sismo

mximo (MM) de acuerdo con NCh2745, mientras en todos los dems casos se utilizan solicitaciones

provenientes de anlisis consistentes con el sismo de diseo (probabilidad de excedencia de 10% en

el periodo de exposicin, 50 aos como estndar).

Tabla 4 Combinaciones bsicas para aceptacin de aisladores.

Comb. D M 80% M 50% Ex 50% Ey 50%

A1 1.00 1.00

Ax1 1.20

1.20 1.00

Ax2 0.80

0.80 1.00

Ay1 1.20

1.20

1.00

Ay2 0.80

0.80

1.00

Considerando todo lo anterior, se procede a realizar los anlisis modales espectrales

correspondientes con el fin de determinar las solicitaciones ssmicas de diseo para el sistema

estructural. La Tabla 5 presenta en resumen comparativo de los perodos y porcentajes de masa

movilizados por los modos fundamentales en cada uno de los casos de anlisis, mientras que la Figura

4 muestra las principales formas modales para los casos aislados. Por su parte, la Tabla 6 entrega un


7

resumen de todas las reacciones basales, y particularmente las solicitaciones de origen ssmico, para

cada uno de los casos de anlisis.

Tabla 5 Anlisis modal para Casos 0-1 (Carga centrada), y Casos 2-3 (Carga excntrica).

Modo Perodo UX UY SumUX SumUY Perodo UX UY SumUX SumUY

Caso 0 Caso 1

1 0.29 0.00 0.98 0.00 0.98 2.35 0.98 0.00 0.98 0.00

2 0.29 0.97 0.00 0.98 0.98 2.35 0.00 0.98 0.98 0.98

3 0.20 0.00 0.00 0.98 0.98 1.48 0.00 0.00 0.98 0.98

Caso 2 Caso 3

1 2.41 0.00 0.93 0.000 0.93 2.79 0.000 0.91 0.00 0.91

2 2.35 0.98 0.00 0.98 0.93 2.71 0.98 0.00 0.98 0.91

3 1.68 0.00 0.05 0.98 0.98 2.00 0.00 0.06 0.98 0.98

Tabla 6 Reacciones basales para Casos 0, 1, 2, y 3.

Estado de Carga Caso 0* Caso 1 Caso 2 Caso 3

Fh [t] Fv [t] Fh [t] Fv [t] Fh [t] Fv [t] Fh [t] Fv [t]

Peso Estructural 0 1290 0 1194 0 1194 0 1194

Peso de Equipos 0 77 0 77 0 77 0 77

Material50% 0 3062 0 3062 0 3062 0 3062

Ex elstico 3705 0 561 0 553 0 420 0

Ey elstico 3725 0 561 0 529 0 403 0

E vertical 0 1175 0 1157 0 1157 0 1157

Peso Ssmico [t] 4352 4333 4333 4333

Corte mnimo [t] 435 433 433 433

Reffx 5.00 1.29 1.28 0.97

Reffy 5.00 1.29 1.22 0.93

AMPx 1.00 1.55 1.57 2.06

AMPy 1.00 1.55 1.64 2.15

*Recordar que las solicitaciones correspondientes al Caso 0 derivan del espectro de diseo presente en

NCh2369, mientras que los Casos 1-2-3 son resueltos utilizando las condiciones impuestas por NCh2745.

En la Tabla 6 se presentan valores denominados Reff y AMP, cuyo significado es el siguiente. Reff

corresponde al valor del factor de modificacin de la respuesta elstica que realmente se usar en el

diseo. En caso que la solicitacin elstica reducida por R se encuentre bajo el mnimo definido, es

necesario amplificar por el factor AMP con el fin de alcanzar este mnimo, consistentemente el valor

de R se reducir en comparacin al que permite de manera explcita la normativa correspondiente. En

el caso de las estructuras con aislacin de base, en todos los casos, el corte basal reducido por R=2

(valor que propone NCh2745 para el diseo de la superestructura) resulta menor que el mnimo. Por


8

esta razn debe amplificarse el valor del corte basal reducido, situacin que modifica el factor de

reduccin que efectivamente se est empleando en el diseo. Para la definicin del corte basal del

Caso 3, la tabla indica que debiera realizarse una amplificacin mayor que el factor R original,

situacin que elevara el corte de diseo por sobre el valor elstico. En atencin a la inconsistencia

terica que significa el disear para un Reff menor que la unidad, se decide limitar este valor a 1.0.

La Tabla 7 presenta las deformaciones obtenidas para el nivel de diseo en la interfaz aislada. Podemos ver que

si bien la incorporacin de efectos torsionales incide en los valores mximos, la magnitud de la variacin no

supera el 12%.

Tabla 7 Deformaciones de diseo en interfaz aislada.

Caso 1 Caso 2 Caso 3

Direccin de

deformacin

Max Min Prom. Max Min Prom. Max Min Prom.

cm cm cm cm cm cm cm cm cm

Transversal 18.5 18.5 18.5 20.73 15.43 18.08 20.48 16.60 18.54

Longitudinal 18.5 18.5 18.5 18.35 18.35 18.35 18.49 18.49 18.49

Fig. 4 Primeras 3 formas modales estructura aislada. Condicin centrada y condicin excntrica.

5 Demanda esperada durante un evento ssmico severo

Una vez definido el diseo completo, se estudia la respuesta inelstica de la estructura al ser

sometida a una demanda ssmica definida por 3 pares de registros artificiales compatibles con el

espectro elstico de NCh2745 para Zona 3, Suelo tipo II, y amortiguamiento 5%. Se construyen los 3

pares de registros artificiales a partir de 3 pares de registros semilla (Llolleo 2010, Concepcin 2010,

Constitucin 2010, [5]) considerados representativos de la sismicidad local chilena en aquello que

corresponde a zonificacin y tipo de suelo. Las Figuras 5 y 6 muestran las componentes transversales

de los registros artificiales utilizados.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-0.4

-0.2

0

0.2

0.4 PGA=0.35678 T=52.76

acel

erac

ion [g]

t [seg]

Registro de aceleracion

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ia [no

rmal

izad

o]

t [seg]

Intensidad de Arias - Duracion significativa del registro entre 27.26 [s] y 68.98 [s]

30 35 40 45 50 55 60 65-0.4

-0.2

0

0.2

0.4 PGA=0.35678 T=52.76

acel

erac

ion [g]

t [seg]

Registro de aceleracion - Zona fuerte

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-0.2

0

0.2

PGA=0.33231 T=29.5

acel

erac

ion

[g]

t [seg]


0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ia [no

rmal

izad

o]

t [seg]


10 20 30 40 50 60 70 80

-0.2

0

0.2

PGA=0.33231 T=29.5

acel

erac

ion

[g]

t [seg]


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-0.2

0

0.2

PGA=0.31906 T=25.48

acel

erac

ion

[g]

t [seg]


0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ia [no

rmal

izad

o]

t [seg]


20 30 40 50 60 70 80

-0.2

0

0.2

PGA=0.31906 T=25.48

acel

erac

ion

[g]

t [seg]


Fig. 5 Componente transversal de Registros compatibles. Llolleo, Concepcin, Constitucin respectivamente.


9

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

SA [g] v/s T [seg]SA

[g]

T [seg]

0.05

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

SA [g] v/s T [seg]

SA [g]

T [seg]

0.05

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

SA [g] v/s T [seg]

SA [g]

T [seg]

0.05

Fig. 6 Espectros de respuesta - componente transversal. Llolleo, Concepcin, Constitucin respectivamente.

Los anlisis inelsticos de tipo tiempo-historia se desarrollan mediante integracin directa para todos

los puntos de los registros (t=0.02seg), sin considerar efectos de segundo orden, y sin incorporar amortiguamiento adicional a la disipacin de energa que se produce exclusivamente por efecto del

trabajo inelstico de los dispositivos de aislamiento.

6 Respuestas inelsticas de los anlisis tiempo-historia

Las Figuras 7, 8, y 9 muestran diferentes historias de respuestas inelsticas para cada uno de los casos

y cada uno de los 3 pares de registros considerados. De manera similar, las Tablas 8 y 9 presentan un

resumen de valores representativos de cada caso.

Tabla 8 Comparacin de respuestas aisladas entre Casos 1, 2, y 3.

Reacciones basales Deformacin Aislador 8* Deformacin Aislador 5*

FX [t]

FY [t]

MX [tm]

MY [tm]

MZ [tm]

DX [cm]

DY [cm]

Dt [cm]

DX [cm]

DY [cm]

Dt [cm]

Caso 1

Llolleo 465 452 4047 3767 0.37 11.5 14.4 15.6 11.5 14.4 15.2

Concepcin 412 378 3331 3426 0.55 10.8 10.2 13.0 10.8 10.3 13.0

Constitucin 462 386 3443 3766 0.51 11.4 10.9 14.9 11.4 10.9 14.9

Max 465 452 4047 3767 0.55 11.5 14.4 15.6 11.5 14.4 15.2

Caso 2

Llolleo 447 427 3747 3469 2052 11.3 15.2 16.3 11.4 12.4 14.1

Concepcin 415 369 3670 3585 1933 11.0 12.1 13.6 11.0 8.5 13.9

Constitucin 449 369 3354 3604 1702 11.4 13.5 17.2 11.4 8.0 12.8

Max 449 427 3747 3604 2052 11.4 15.2 17.2 11.4 12.4 14.1

Caso 3

Llolleo 371 351 2973 3015 1566 12.1 14.8 15.6 12.1 13.9 16.1

Concepcin 476 348 2887 3637 1740 13.9 13.7 17.8 14.0 11.0 14.1

Constitucin 431 332 2850 3483 1746 16.4 15.7 18.6 16.4 13.7 16.0

Max 476 351 2973 3637 1746 16.4 15.7 18.6 16.4 13.9 16.1


10

FX, Corte basal en la direccin longitudinal. FY, Corte basal en la direccin transversal. MX, Momento volcante

originado por el corte basal transversal. MY, Momento volcante originado por el corte basal longitudinal. MZ,

Momento torsional en torno a centroide de la base de la estructura. Dx, Deformacin en la direccin

longitudinal. Dy, Deformacin en la direccin transversal. Dt, Deformacin compuesta. *Ver Figura 2a, el

aislador 8 se encuentra ubicado en el extremo que concentra la mayor cantidad de material contenido en los

silos, mientras que el aislador 5 corresponde al elemento opuesto.

Tabla 9 Compresiones de diseo.

Grupo Aislador

Caso 2 Caso 3

PA1 Pmx Ax Pmn Ax Pmx Ay Pmn Ay PA1 Pmx Ax Pmn Ax Pmx Ay Pmn Ay

ton Ton ton Ton ton ton ton ton ton ton

1 7 934 859 526 831 554 940 858 538 838 558

2 8 531 669 358 616 411 532 666 373 624 416

3 3-11 561 532 319 547 304 559 522 327 538 311

4 4-12 198 306 139 302 143 197 287 148 283 152

Ba

se A

isla

da

(C

aso

1)

Concepcin ConstitucinLlolleo

Ba

se F

ija

(C

aso

0)

Fig. 7 Historia de Corte Basal longitudinal.

Caso 1: Anlisis Centrado Caso 2: Anlisis Excntrico Caso 3: Anlisis OptimizadoMximo Corte Compuesto: 524.8 ton Mximo Corte Compuesto: 483.7 ton Mximo Corte Compuesto: 446.0 ton

Fig. 8 Historia de Corte Basal Compuesto Reg. Llolleo.


11

Amortiguamiento Aproximado Caso 2 Reg. Llolleo

Aislador 5: 29.0% Aislador 8: 27.4%

Amortiguamiento Aproximado Caso 3 Reg. Llolleo

Aislador 5: 37.9%

Aislador 8: 35.0%

Fig. 9 Amortiguamiento Aproximado para Aisladores 5 y 8 (ver Figura 2a).

7 Conclusiones

De lo anteriormente expuesto, se puede concluir lo siguiente en relacin a las respuestas esperadas

(ver seccin anterior) de la estructura y escenarios especficos estudiados.

1. En el sistema estructural estudiado, el diseo de los elementos de aislacin queda controlado por la

compresin de largo plazo. Si bien esta es una condicin que en estructuras habitacionales o de

infraestructura resulta poco comn, en equipos-estructuras de almacenamiento de masa variable no

genera sorpresa. Lo anterior en razn que para condiciones estticas estas estructuras deben ser

capaces de trabajar a plena capacidad. Sin embargo, para condiciones ssmicas puede considerarse

una condicin de ocupacin menor, que sea consistente con el nivel de llenado que se espera la

mayor cantidad del tiempo. Este ha sido el caso.

2. Hemos visto como el momento volcante ssmico en la interfaz de aislacin, producido en la

situacin aislada, no ha sido capaz de elevar la compresin de corto plazo en los dispositivos por

sobre la exigencia que produce el caso esttico. Para este efecto (disminucin de momento volcante)

han actuado de manera simultnea dos efectos. El primero corresponde directamente a la

disminucin del corte basal en la estructura aislada, y el segundo corresponde al descenso de la

resultante de solicitaciones laterales en la superestructura. Este segundo efecto es equivalente a

decir que casi no ha existido variacin de las aceleraciones en altura para el caso de la

superestructura aislada, situacin que resulta consistente con el cambio de las formas modales

predominantes a vibraciones de cuerpo libre.

3. Un punto importante de notar es la amplia reserva de deformacin lateral que pueden proveer los

dispositivos. Debido al tamao de los aisladores las deformaciones de diseo no resultan una

exigencia mayor para los dispositivos, situacin que es deseable en la medida que estas

deformaciones puedan crecer por motivos inesperados.

Vale la pena detenerse un momento en este concepto de reserva de capacidad. En al caso de las

estructuras industriales es comn realizar actualizaciones en los sistemas productivos, situacin que

modifica las solicitaciones en las estructuras y exige la realizacin de revisiones y

reacondicionamiento a las mismas. En el caso de los dispositivos de aislamiento la posibilidad de

refuerzo o reparacin podra considerarse nula para efectos prcticos, por lo que slo resulta viable el

recambio del elemento. Si bien se trata de un tema netamente econmico y no tcnico, es

importante considerar en el diseo la posibilidad de estos recambios. En esta lnea, podra ser

altamente recomendable el mantener reservas de capacidad considerables en el sistema original.

Adems, la definicin del sector donde se instala cada uno de los dispositivos debiera ser detallada de

tal forma que permita la incorporacin futura de elementos de mayor tamao y capacidad en caso de

ser necesario.


12

4. Se puede mencionar que claramente los anlisis linealizados tienen un costo (HH de ingeniera)

rdenes de magnitud inferior a las verificaciones no lineales de tipo tiempo historia. Sumado a esto,

tienden a entregar resultados levemente conservadores, situacin por la cual constituyen un real

aporte a la ingeniera de diseo prctico. Por lo anterior, parece razonable acotar el uso de los anlisis

no lineales al mbito de la investigacin o a aquellos casos en que las verificaciones linealizadas de

estructuras construidas se encuentren en el rango de no cumplimiento.

5. Otro aspecto importante es que a travs del estudio se logra mostrar como dos juegos de

aisladores muy diferentes logran obtener una respuesta muy similar a nivel de diseo de la

superestructura. Esta situacin muestra la gran versatilidad de los sistemas y la baja sensibilidad que

se puede lograr bajo determinadas circunstancias, estabilidad y seguridad en la solucin.

6. Si bien la propuesta optimizada (Caso 3) logra obtener una real disminucin en el consumo de

materias primas, es claro que la eleccin de esta alternativa no resulta llamativa para efectos de

ingeniera real de proyectos industriales. El uso de aisladores idnticos en cada uno de los puntos de

apoyo tiene ventajas constructivas inmediatas desde el punto de vista de la estandarizacin. De la

misma forma, la posibilidad de contar con dispositivos de recambio en bodega para ser usados en

cualquier punto bajo cualquier circunstancia, entrega una versatilidad en la administracin de los

repuestos que disminuye los costos directos e indirectos de las mantenciones. Consistentemente,

debiera recomendarse el uso de aisladores idnticos.

7. Como ltimo foco, y no menos importante, se debe establecer que el uso de los sistemas de

aislacin en las estructuras involucradas en este trabajo busca incorporar una flexibilizacin de la

interfaz que disminuya los esfuerzos y las aceleraciones a niveles mnimos, y al mismo tiempo se

incorpora un alto amortiguamiento tendiente a disminuir las deformaciones relativas a un mnimo

razonable.

Referencias

[1] Instituto Nacional de Normalizacin INN-CHILE. NCh 2369.Of2003 Diseo ssmico de estructuras e instalaciones

industriales.

[2] Instituto Nacional de Normalizacin INN-CHILE. NCh 2745.Of2003 Anlisis y diseo de edificios con Aislacin Ssmica.

Instituto Nacional de Normalizacin.

[3] KELLY, J y DIMITRIOS, A (2011) Mechanics of Rubber Bearings for Seismic and Vibration Isolation. John Wiley & Sons,

United Kingdom.

[4] KELLY, J and NAEIM, F (1999), Design of Seismic Isolated Structures. John Wiley & Sons, New York.

[5] Universidad de Chile, Departamento de Ingeniera Civil, R. Boroschek, P. Soto, R. Len, Registros Ssmicos Terremoto

2010.

diseño de sistema de aislamiento elastomerico

Documents

the seismic

of the structure

the benefits of

on the expected seismic

diseo de sistema

ingeniero civil

aislamiento elastomerico

aislamiento ssmico