Aisladores de Goma

AISLADORES LRB-HDRB-LRB

ESPE-2008 Universidad de Concepción.

DISPOSITIVOS DE APOYO DE GOMA LAMINADA (ELASTOMÉRICO RB) Aisla Ai slador dor elastomé elastoméric ricoo (RB: Rubber Rubber Bearing): Bearing): Actualmente Actualmente el el más difundido. difundido. R.B.: Láminas alternadas de goma y acero de espesor t r y ts respectivamente. Placas de acero en su parte superior e inferior de espesor t p mayor que el de las láminas internas. Todas ellas ellas unidas entre sí sí por un proceso de vulcanizaci vulcanización. ón. Razón de utilizar goma: Posee una baja rigidez horizontal, horizontal, logrando un apoyo apoyo flexible. flexible. Razón de utilizar placas de acero: Baja rigidez vertical de la goma produce excesivas deformaciones verticales en el apoyo. apoyo. Para evitar estas estas grandes deformaciones se introducen placas intermedias de acero, que restringen la expansión lateral del aislador sometido a carga vertical. Aumento significativo significativo de Kv Principal objetivo de la aislación basal: Reducir las aceleraciones horizontales de la superestructura.

Aisladores elastoméricos: Generalmente de sección cuadrada o circular. Desventaja Aislador cuadrado: Concentración de deformaciones locales en las esquinas. Valores significativos de amortiguamiento: Modificación en la composición química, alcanzando razones de amortiguamiento efectivo que varían entre 12 y 18%. MATERIALES CONSTITUTIVOS DE LOS ELASTÓMEROS. LOS CAUCHOS, GOMAS O ELASTÓMEROS PERTENECEN A UN GRUPO DE MATERIALES DENOMINADOS POLÍMEROS. HABILIDAD DE DEFORMARSE ELÁSTICAMENTE CUANDO HAN SIDO VULCANIZADAS (PROCESO QUE NO REVISTE MAYOR COMPLEJIDAD). Las propiedades físicas tales como elongación, tracción, módulo de corte y amortiguamiento pueden ser mejoradas en un amplio rango mediante aditivos, variación en los tiempos de vulcanización, cantidades de reforzante, agentes de protección , etc. Dentro de la variedad de elastómeros, los más usados son los siguientes: 1.- Caucho natural. 2.- Natural sintético o polilsopreno 3.- Cloropreno o neopreno. 4.- Butilo. 5.- Butadieno

El caucho natural es el elastómero más versatil de todos: Buenas propiedades mecánicas (tensión, elongación y alta elasticidad) Buena resistencia al desgarro, abrasión y flexión. Agentes dañinos: Petroleo, benceno y aceites lubricantes. Pobre resistencia al ataque del ozono. Todos estos inconvenientes pueden ser superados agregando aditivos a la mezcla cruda de caucho y con protección a nivel de superficie. Polilsopreno: Tiene una estructura molecular y propiedades similares al caucho natural, sin embargo el proceso de manufactura conduce a una histéresis menor que el caucho natural. Cloropreno: Tiene propiedades físicas similares al caucho natural pero inferiores, esto sí, con una mejor resistencia al ataque del ozono y agentes externos. Butilo: Tiene excelente resistencia a la oxidación, ataque de ozono y agentes externos en general. Es inferior en propiedades físicas al caucho natural y al mejorarlas mediante aditivos se disminuye su capacidad de histéresis a temperatura ambiente. Caucho butadieno: Las propiedades físicas dependen del contenido de cis, normalmente son buenas pero ligeramente menores al caucho natural. Una característica importante es que tiene muy buena resilencia lo que implica una menor histéresis. Se necesita de la incorporación de aditivos para obtener mejores propiedades de este caucho.

CARACTERÍSTICAS DE LA GOMA. La propiedad de alta elasticidad de la goma proviene de su estructura molecular más que de su estructura química. Pertenecen a la familia de los polímeros que están compuestos de largas cadenas moleculares flexibles, que al ser vulcanizadas pueden adquirir grandes deformaciones y volver a su posición original. Las moléculas de la goma o elastómero son largas y capaces de rotar en torno a las uniones de los bordes de las unidades moleculares. Están unidas por una cantidad de enlaces, constituidos por uniones químicas o enrejados mecánicos, dependiendo del tipo de elastómero, formando una malla tridimensional. Las moléculas pueden moverse fácilmente gracias a que las atracciones moleculares son pequeñas. La goma es utilizada en un amplio rango de actividades desde material para borrar escrituras de lápiz de grafito hasta en obras de ingeniería. Las propiedades de elongación, tracción y módulo de corte de la goma se pueden mejorar por medio de aditivos, los niveles de vulcanización, tipo de reforzantes y agentes de protección. Otras características de la goma que se pueden mencionar son su gran capacidad de absorber energía, ser un buen aislante eléctrico, tener una alta resistencia a la fatiga, al fuego, a la erosión y a la corrosión, es moldeable y de bajo costo, todo esto en comparación con otros materiales utilizados en ingeniería. Módulo de Poisson: Aproximadamente 0,5. Le confiere la propiedad

 Propiedad Tensión Deformación Característica importante de la goma: No linealidad de la curva Tensión-Deformación dentro de la región en que se utiliza. Su comportamiento elástico no se puede definir por medio del módulo de Young considerado para un comportamiento elástico típico.  Relación Temperatura Deformación Para que los movimientos moleculares ocurran, las atracciones intermoleculares deben ser superadas a través de la energía producida por la vibración de los átomos. Cuando la temperatura de la goma desciende, las vibraciones de los átomos son menores, por lo que las atracciones intermoleculares son más difíciles de romper produciéndose deformaciones más lentas y de difícil ocurrencia. Si la temperatura es muy baja la energía de vibración es completamente irregular y no supera la energía de atracción de las moléculas, comportándose la goma como un sólido rígido.  Energía de Disipación y Absorción. La goma es capaz de disipar gran cantidad de energía en sus ciclos de carga y descarga. La trayectoria de la curva de descarga nunca coincide con la trayectoria de la curva de carga (generación del ciclo de histéresis). Energía disipada que se transforma en calor durante la deformación del material. Esta energía disipada puede ser aumentada adicionándole a la goma mayor capacidad de amortiguamiento.

 Propiedades Térmicas. La goma tiene la ventaja de ser un mal conductor del calor, otorgándole la propiedad de ser excelente aislante del calor. El coeficiente de expansión de la goma es mayor que el del metal. Esta característica debe ser tomada en cuenta en el diseño de la matriz que se utilizará como molde para la vulcanización. La variación de tamaño que experimenta la goma produce que la unidad vulcanizada final tenga dimensiones de un 2,5% menor que las del molde.  Deterioro Producido por Agentes Externos. La goma, por ser un elemento orgánico, sufre grandes cambios con el paso del tiempo y es afectada por los agentes externos del ambiente. La principal causa del envejecimiento de la goma, es la presencia de oxigeno que produce el efecto de oxidación, siendo este mayor si además existe luz, altas temperaturas o indicios de elementos tales como el cobre o el manganeso. Las consecuencias de la oxidación de la goma son la pérdida de la capacidad de elongación, pérdida de tensión y otras propiedades mecánicas de la goma. El efecto de la luz sólo se observa en la superficie de la goma como también el que produce la presencia de ozono en el ambiente. El ozono produce agrietamiento en la superficie de la goma aumentando la cantidad de superficie expuesta a los agentes externos, por ello es el efecto más serio y preocupante.

OTROS AGENTE EXTERNO QUE AFECTAN A LA GOMA EL FUEGO: LOS AISLADORES SE DEBEN PROTEGER PARA EVITAR QUE ESTÉN EXPUESTOS A UN POSIBLE FUEGO. Roedores: Pueden destruir la capa de goma de protección de éstos como lo hacen con cables de

Principales Aditivos de la goma Reforzantes La cantidad y tipo de reforzante o carga son usados para controlar la extensibilidad de la mezcla de goma. Un tipo de reforzante o carga es el llamado Negro de Humo (o carbón negro), que es el más utilizado en los compuestos de goma. El tamaño de sus partículas va de 20 µm a 50 µm. El negro de humo se clasifica según el método de manufactura (alto horno o procesos térmicos), el tamaño de las partículas y su estructura (juntas de unión de partículas en cadenas cortas o grupos). La cantidad de este reforzante que contiene un compuesto de goma es de un 25 a 50% y se expresa en partes por cien de goma en peso. La variación de la cantidad de negro de humo modifica las propiedades físicas de la goma, aunque estas propiedades no son optimizadas únicamente por una determinada cantidad de este, sino que dependen además de otros componentes. Negro de humo: Aumenta la disipación de energía histéretica en una cantidad que depende del tipo y porcentaje de este en el compuesto. Contribuye a la rigidez de la goma. Es uno de los principales aditivos para el diseño de la goma de Alto Amortiguamiento que se utiliza en los aisladores. Plastificante o Aceite. Los plastificantes o aceites son utilizados como diluyentes para mejorar el proceso de mezclado y para ajustar el amortiguamiento dentro de un rango limitado. Por su propiedad plastificante (entrega mayor poder de deformación a la goma), se utiliza gran cantidad de aceite en las mezclas para aumentar las áreas de histéresis y la calidad de mezclado. El aceite se utiliza también para regular el aumento de la rigidez de la goma que se produce en el proceso de vulcanización a causa de la gran cantidad de negro de humo que posee la mezcla. El aumento en la cantidad de

Plastificantes: Son derivados del petróleo y existen de tres tipos: Parafínico, Nafténicos y Aromáticos. Los aromáticos se dividen en dos grupos: los aromáticos, propiamente tal, y los altamente aromáticos. Antes de utilizar un aceite en la goma se debe tener en cuenta que este tiene que ser compatible con el caucho base de la mezcla. Los aceites parafínicos y nafténicos son compatibles con el caucho butilo; el aromático con el caucho natural y el butadieno; y el altamente aromático con el neopreno. Aditivos Protectores Como ya se señaló, las gomas están expuestas a agentes externos que la deterioran, tales como el oxígeno, la luz y el que más la afecta produciéndole grietas, el ozono. Para evitar o retardar este efecto existen una serie de aditivos antioxidantes y antiozonantes que se incorporan a la mezcla para retardar o evitar este tipo de efectos. Estos aditivos pueden actuar debido a sus propiedades químicas o formando una capa protectora en la superficie de la goma.

DISEÑO DE AISLADORES DE GOMA LAMINADA. Teorías en que sé Basa el Diseño de un Aislador de Goma Laminada: Teoría lineal: Considera que el comportamiento de la goma está en un rango donde el módulo de corte es aproximadamente constante. Esta consideración se debe a que los desplazamientos que se producen debido a sismos severos son grandes, es decir mayor al 50% de la deformación de la goma. Características requeridas, para que los aisladores desarrollen un comportamiento efectivo: 1.

Soportar el peso propio y sobrecargas de la estructura con un factor de seguridad adecuado.

2.

Otorgar a la estructura una frecuencia natural de vibración horizontal sustancialmente menor que las frecuencias predominantes de los sismos, que probablemente los afecten durante su vida útil.

3.

Tener una rigidez vertical alta para evitar la amplificación vertical o el balanceo de la estructura.

4.

Proveer de un adecuado amortiguamiento para obtener una reducción en la respuesta en caso de que las frecuencias del sismo y la fundamental de la estructura se acerquen.

5.

Ser capaces de soportar las deformaciones de corte que le serán provocadas por un sismo de

6. Mantener su estabilidad vertical bajo movimientos sísmicos severos. 7. El sistema aislante debe tener la rigidez suficiente frente a cargas de viento y sismos leves como para impedir el balanceo de la estructura. 8. El sistema aislante debe asegurar una vida útil a lo menos igual al de la estructura o proveer de algún sistema que posibilite el recambio de los aisladores. 9. La efectividad del sistema aislante no debe estar limitada a la ocurrencia de un sismo grande, es decir, el sistema debe ser efectivo durante el sismo y después de él, para soportar las probables réplicas. 10. El sistema aislante deberá permanecer efectivo a través de un rango normal de condiciones climáticas y ambientales, es decir su efectividad no debe ser influenciada por cambios de temperatura. Propiedades más importantes en el diseño de los aisladores basales sísmicos: Rigidez horizontal , rigidez vertical (Verificar el pandeo y estabilidad lateral del aislador).

SISTEMAS DE SUJECIÓN DEL APARATO DE APOYO: Sistema de conexión con pasadores o clavijas. Los aisladores no están apernados a la fundación o a la estructura. Descansan sobre los pasadores o clavijas. Este método de sujeción es usado para proteger a los aisladores del esfuerzo excesivo que se produce en las esquinas de estos. Bajo un sismo severo es posible que la estructura aislada ruede sobre las clavijas o pasadores, es decir, ocurra un volcamiento de los aisladores, debido a esto es aconsejable el incorporar cojinetes en la fundación sobre el cual la estructura descansará en tales casos. Debido a sus limitaciones se espera un pronto discontinuo en su uso. Sistema de conexión con pernos o fijos. Estos sistemas incorporan un par de placas de acero en la base y tope del aislador (alas), los cuales están apernados a la fundación y estructura respectivamente. En estos sistemas de sujeción se limita la posibilidad de que el aislador tenga problemas de volcamiento y los esfuerzos excesivos sobre estos son distribuidos de manera uniforme en todo el aislador. Se ha podido observar, en algunas investigaciones realizadas, que el roll-out o volcamiento del aislador no se produce en aisladores con conexión apernada a pesar de la gran deformación provocada a la pieza de ensayo. Por lo tanto, el volcamiento no sería la principal causa de falla en este tipo de conexión para el caso extremo, no así para aisladores que usen el sistema de clavijas. Conexión tipo clavijas.

Conexión tipo apernada

Rigidez Horizontal La rigidez horizontal de un aislador es la que le permite a la estructura comportarse en forma rígida o flexible, por lo que viene a ser la propiedad principal de diseño. La ecuación que caracteriza la rigidez horizontal de un aislador de goma es: Kh =

Donde:

GAs tr

G = Módulo de corte de la goma utilizada. As = Área de corte del aislador , es decir, área de la lámina de goma. tr = Espesor total de la suma de las “ n “ láminas de goma que tiene un espesor individual de “ t “ , es decir nt.

 Aislador de goma laminada

   ]

35

  m 30   c    /   g    K 25    [   e 20    t   r   o    C 15   e    d 10   o    l   u 5    d    ó 0    M

0

50

100

150

Deformación [ % ]

 Módulo de corte en función del porcentaje de deformación.  Determinación experimental.

Rigidez Vertical Frecuencia de vibración vertical de una estructura aislada: Depende de la rigidez vertical de los aisladores utilizados. Aplicación de la teoría de vigas:

E A Kv = c tr Donde : A: Ec : tr :

es el área de las placas de acero de refuerzo del aislador corresponde al módulo de compresión efectivo del aislador es el espesor total de las placas de goma.

Módulo de compresión del elastómero: Existen proposiciones de diferentes autores como Gent y Lindley; J Kelly; y Rocard . Todas estas expresiones dependen de un factor de forma S, que se define para la lámina de goma como la razón entre el área cargada y el área total libre de carga:

S=

área cargada área libre de carga

Factor de forma S:

S=

área cargada área libre de carga

El factor de forma es una razón adimensional que mide el tamaño relativo de una lámina de goma. Altos valores del factor de forma corresponden a una lámina de goma delgada, lo que produce alta rigidez vertical en el aislador, y valores bajos corresponde a láminas más gruesas de goma dando un aislador con rigidez vertical baja. La fórmula obtenida para E c es limitada a factores de forma menores que 10. El valor de S es el correspondiente a un aislador circular, es decir,

S=

Donde “D” es el diámetro del aislador y “t” es el espesor total de goma. Módulo de compresión según norma chilena NCh2745: 1  1 4  = + E c  6Gef  S 2 3K   

D 4t

Estabilidad Lateral y Carga de Pandeo Sismo Severo Desplazamientos importantes Efectos que condicionan el Diseño: Carga axial de pandeo y la estabilidad lateral. Para el análisis de estos efectos se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones: Los edificios aislados en la base requieren que se utilice un gran número de unidades de aisladores. Para minimizar el diseño y el costo de manufactura, sólo unos pocos tipos de aisladores se fabrican. Las dimensiones de los aisladores dependen de las cargas verticales, en consecuencia, cada diseño se debe realizar para un amplio rango de cargas axiales. Para casos de sismos de gran magnitud el momento volcante del edificio causa cambios significativos en la carga axial que recibe cada aislador. Por lo general cuando las cargas axiales estáticas que actúan en los aisladores son pequeñas, el momento volcante, puede incrementarlas en forma considerable. Según las experiencias realizadas a los aisladores de goma laminada, se ha observado que la carga axial (compresión) sobre los aisladores aumenta la capacidad de disipación de energía por ciclo. Bajo la combinación de corte y compresión se puede producir pandeo por flexión. Al considerar este efecto, la expresión dada para la rigidez horizontal del aislador K = GA s h

tr

no es exacta. El pandeo causa inclinaciones de las placas internas, haciendo que las caras de los elementos individuales no sean paralelas, lo que cambia el comportamiento de las láminas de goma.

Columna de Haringx que simula un aislador sísmico con cargas en su extremo:

Esta teoría es esencialmente una modificación de la teoría lineal de una columna elástica que incluye la deformación por corte. Se supone una columna de longitud “L” sujeta a una carga de compresión “P”. La columna está empotrada en su extremo inferior, es decir, sin desplazamiento ni giro de la sección. Se aplica una fuerza horizontal “F” en su extremo superior, que está liberado en su desplazamiento horizontal pero restringido en su giro. Esto simula las condiciones de borde que tiene un aislador (ver figura).

Pandeo en el aislador: La carga que produce el pandeo en el aislador (Pcrit) está dada por: Pcrit Con PS = GAs

π 2 ( EI) eff  PE = L2

1 (EI)eff  = E C I 3

1

  PS   PE   2  1 + 4  − 1 =  2   PS   



Volcamiento del aislador (Roll- out) Debido al gran desplazamiento que sufre un aislador frente a un sismo severo, se puede producir el volcamiento o “Roll-Out” del mismo, a menos que se encuentre anclado. Para poder definir el valor de la deformación máxima que puede alcanzar el aislador antes de volcarse, se considera una situación de volcamiento inminente:

Ecuación de equilibrio: F × H = P(b − δ) De la ecuación de equilibrio resulta: δ = Pb P + Kh H donde H: altura total del aislador (incluyendo placas externas) F: fuerza de corte = Kh * δ b: diámetro del aislador δ: desplazamiento horizontal del aislador. De donde δ crit se define como el desplazamiento límite del aislador, que se puede expresar de la b siguiente manera: δcrit = GASH 1+

Pt r

El Factor de Seguridad al Volcamiento se puede evaluar de la siguiente manera: FS =

δ crit δ max

Deformación de cizalle (corte) máxima En el diseño, la deformación máxima de cizalle queda determinada por la elongación máxima del elastómero a través del siguiente criterio: γ  γ max ≤ 1 2

Donde: comp

de la elongación máxima del elastómero

γγ  max = γγ  comp + γ  γ corte

γ  γ comp = 6 S ∈c

: deformación máxima de corte inducida en una lámina de elastómero por una carga de compresión.

δ γ corte = corte tr δ comp ∈c = tr δ comp =

P Kv

: deformación de corte máxima directa debido al desplazamiento de diseño. : deformación de compresión máxima. : desplazamiento por compresión máximo.

Esto nos indica, que por efecto de la carga axial, existe un aumento sustancial en la deformación de corte cíclica impuesta, y por consiguiente el elastómero o goma se deformará dentro de la región para la cual el comportamiento del material es no-lineal. La carga axial sobre el aislador tiene el efecto de comprimir la unión elastómero-reforzante, lo que en resumen causa una amplificación de la deformación y aumenta la no-linealidad de la deformación del material.

Procedimiento de diseño del aislador de goma laminada circular: Antes de realizar el diseño de un aislador se deben determinar las cargas bajo las cuales estará actuando durante su vida útil. Esto se realiza a través de un análisis previo de la estructura aislada, con su modelación correspondiente y bajo las cargas tanto de servicio (peso propio y sobrecarga) como sísmicas. Los datos que se requieren para realizar el diseño son los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.

Número de aisladores que se usarán en el sistema de Aislación Basal: N Peso total de la estructura: W Este peso considera el peso propio del edificio más un 25% de la sobrecarga. Rigidez horizontal inicial de los aisladores. Es la rigidez que se requiere para que el sistema de aislación (aislación y superestructura) alcance un período de vibración entre 2 y 3.5 segundos (Usual 2 seg., período recomendado): Khi [kg/cm]. Cargas máxima bajo la cual estará actuando el aislador durante su vida útil: Pmax [Kg] Carga mínima bajo la cual estará actuando el aislador durante su vida útil: Pmin [Kg]

(Tanto la carga máxima como la mínima de diseño para los aisladores, pueden definirse cada ciertos rangos a modo de limitar la cantidad de tipos diferentes de aisladores a diseñar, esto es para minimizar los costos de manufactura).

6. Desplazamiento máximo dmax [cm]. Es el desplazamiento máximo obtenido a través del análisis sísmico de la estructura aislada en el extremo superior de los aisladores. 7. Módulo de corte obtenido para un 50% de deformación G50[Kg/cm2] 8. Deformación de cizalle máxima [%]. Se considera como deformación máxima de cizalle el 250% de la altura del aislador. 9. Espesor de las placas internas de acero ts [cm] 10. Espesor de las placas extremas de acero text [cm] 11. Espesor del recubrimiento de goma del aislador. rec [cm] El proceso de diseño consiste en un método iterativo donde se va cambiando el diámetro exterior del aislador y se van eligiendo los valores de los parámetros tanto aquellos referidos al espesor de la goma como cantidad de capas de ésta, de modo de ir satisfaciendo las restricciones y factores de seguridad.

 DISPOSITIVOS DE APOYO DE GOMA LAMINADA CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB) Apoyos de goma laminada de alto amortiguamiento (ζ=20% - 40%): Aislador elastomérico con núcleo de plomo (LRB: Lead Rubber Bearing). Esencialmente similar al aislador elastomérico convencional, con la diferencia que en su centro se le introduce un núcleo de plomo, el cual queda confinado por las láminas de goma y de acero. Debido a la incorporación de este núcleo de plomo en el aislador elastomérico se logra aumentar significativamente el amortiguamiento, logrando con lo anterior reducir los desplazamientos horizontales de la estructura aislada y además proporcionar una fuente adicional de disipación de energía en el sistema estructural.

La característica del aislador elastomérico con núcleo de plomo es que combina en una unidad, el elemento flexible y el disipador de energía, haciendo que el núcleo se deforme plásticamente en corte por las placas de acero. Por lo tanto, el núcleo trabaja como un amortiguador de histéresis interno y además cumple la función de dar mayor rigidez para deformaciones pequeñas (producidas por el viento u otras solicitaciones menores). Algunas de las razones del porqué se escogió el plomo en el sistema de apoyo son: • En corte el plomo tiene baja tensión de fluencia (~10Mpa) y se comporta como un sólido elastoplástico con muy poco endurecimiento post-fluencia. Además posee una alta rigidez de corte inicial. • La temperatura cuando el plomo es deformado plásticamente es alta, pero las propiedades mecánicas del plomo están siendo continuamente restauradas por un proceso interrelacionado de recuperación, recristalización y crecimiento granular que ocurren simultáneamente. • Es fácilmente disponible en un 99.9% de pureza para los requerimientos de propiedades mecánicas. • Tiene la capacidad de disipar energía proporcionalmente al desplazamiento plástico. •Posee buenas propiedades de fatiga para ciclos plásticos. Por ejemplo, el resultado de una serie de tests dinámicos de un apoyo de 650 mm de diámetro con un núcleo de plomo inserto de 140 mm de diámetro se muestran en la Figura siguiente. En esta figura se muestra el efecto de 24 ciclos de histéresis realizados.

Para lograr un buen funcionamiento mecánico del núcleo de plomo en el aislador, se requiere un buen ajuste entre éste y las placas intermedias de acero. Esto se logra haciendo que el volumen del plomo sea ligeramente mayor que el volumen del orificio donde se colocará, lo que produce una extrusión del plomo en las capas de goma. Además también es importante que el corazón de plomo se encuentre bien confinado por las placas intermedias de acero y las placas superior e inferior para garantizar su fluencia uniforme. Típicamente, las dimensiones del diámetro del núcleo de plomo d en aisladores son tales que satisfacen B/6