Estructuras resilientes

Sistema de placas oscilantes: Aislamiento de Alaska

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Un nuevo concepto que supera la mayoría de las limitaciones de diseños de aislamiento de base más antiguos. Con la invención de la placa oscilante como parte de la viga oscilante, nació un nuevo componente de construcción. Este sistema de aislamiento de base tiene el propósito de absorber la energía de desplazamiento de la onda sísmica en todas las direcciones. Este diseño único puede ampliarse para cargas muy grandes y pesadas o reducirse para proteger equipos sensibles de cargas y movimientos destructivos. Esta invención es particularmente adecuada para reducir el choque inicial del desplazamiento de tierra horizontal. Este sistema tiene una forma de diseño simple y, por lo tanto, es económico de construir, es fácil de diseñar y desplegar, no requiere material poco común y requiere muy poco mantenimiento o una electrónica avanzada.

Sistema de aislamiento con placas oscilantes

La tecnología de péndulo a horcajadas cuesta menos. Tiene un factor de forma simple que es fácil de construir. Manejará desplazamientos de tierra más grandes. Tiene muchas opciones para amortiguar el movimiento. Requiere muy poco mantenimiento. Tiene una larga vida útil con un rendimiento constante en condiciones de calor o frío extremos porque no contiene aceites ni cauchos. Y puede ser diseñado para actuar como un amortiguador de masa sintonizado. [1]

Todas las placas de acero planas forman ángulos rectos (muy fuertes) y luego se sueldan fácilmente para formar los componentes de paredes superiores e inferiores. Luego las bandejas de placas se encuentran encima de las paredes. Estas bandejas de placas tienen ranuras semicirculares para sostener el rodamiento cilíndrico redondo, el rodamiento del cilindro tiene una longitud de corte de ranura recta para sostener las placas oscilantes, las placas oscilantes pueden ser de 1/2 pulgada, hasta 3 pulgadas de grosor.

Funcionamiento de las placas oscilantes en el aislador de base

En la actualidad se está trabajando en una nueva unidad que incluya el amortiguamiento vertical.

Referencias:

[1] Larry Bowlus (2013). Aislamiento base de Alaska, tecnología de péndulo a horcadas. Recuperado de: http://straddlingpendulum.com. Acceso: jueves 31 de mayo de 2018.

Sistema con cojinetes de aire

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Ahora algunos ingenieros japoneses han llevado el aislamiento de base a un nuevo nivel. El sistema de aislamiento consiste en dispositivos que se basan en el concepto de flotación de la superestructura mediante cojines de aire. Sin embargo, flotar en cualquier momento puede ser un poco inestable ya que la estructura puede moverse no solo por la carga del terremoto sino también por la carga de viento o cualquier carga pequeña debido al contacto, por lo tanto es necesario saber si un terremoto ha ocurrido o no. Es por ello que el sistema utiliza una alerta temprana de terremoto (EEW por sus siglas en inglés)

Su sistema de hecho levita un edificio sobre un cojín de aire. El sistema consiste en cojinetes de aire para flotar la estructura, un aire compresor para proporcionar aire comprimido a los cojinetes, un aire tanque para acumular aire comprimido, una computadora para analizar información de EEW y determinar la activación del sistema.

Así es como funciona: los sensores de EEW en el edificio detectan la actividad sísmica reveladora de un terremoto. La red de sensores se comunica con un compresor de aire que, dentro de medio segundo de ser alertado, fuerza el aire entre el edificio y su base. El cojín de aire levanta la estructura hasta 1.18 pulgadas (3 centímetros) del suelo, aislándola de las fuerzas que podrían desgarrarla. Cuando el terremoto disminuye, el compresor se apaga y el edificio vuelve a su cimentación. [1]

Sistema de aislamiento inteligente con cojinetes de aire

Las características de este sistema de aislamiento inteligente son: [2]

  • El sistema tiene un rendimiento sísmico adecuado, porque la estructura aislada “flota” y se desliza sobre una superficie de baja fricción debido a una delgada película de aire. Además, el dispositivo aislante funciona con un compresor de aire, por lo que el sistema posee alta seguridad.
  • Si la estructura aún no está flotando cuando llega el movimiento principal, las almohadillas de soporte de los cojines de aire aíslan la estructura del movimiento del suelo por deslizamiento. Es decir, los cojines de aire se comportan como un aislante de fricción.
  • El sistema, además del EEW, posee sensores de ondas sísmicas, por lo tanto la estructura flotará antes que llegue la onda fuerte.
  • Posee un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS, por sus siglas en inglés) que asegura el adecuado funcionamiento del sistema de aislamiento durante el terremoto.

Referencias:

[1] 10 Tecnologías que ayudan a los edificios a resistir los terremotos: La fundación levitante. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes1.htm. Acceso: 25 de mayo de 2018.

[2] Fujita S., Minagawa K., Tanaka V., Shimosaka H. (2011). Intelligent seismic isolation system using air bearings and earthquake early earing, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 31, 223-230.

Sistema de aislamiento deslizante esférico

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Es otro tipo de aislamiento de base. El edificio está soportado por cojinetes que tienen una superficie curva y baja fricción. Durante un terremoto, el edificio puede deslizarse libremente sobre los cojinetes. Como los rodamientos tienen una superficie curva, el edificio se desliza horizontal y verticalmente. Las fuerzas necesarias para mover el edificio hacia arriba limitan las fuerzas horizontales o laterales que de otro modo causarían deformaciones en el edificio. También al ajustar el radio de la superficie curva de los rodamientos, esta propiedad se puede usar para diseñar rodamientos que también alarguen el período de vibraciones del edificio. [1]

Uno de los más conocidos de esta clase es el sistema de péndulo friccional FPS (Frictional Pendulum System). El apoyo FPS se activa sólo cuando la fuerza de corte sobre la interface de aislación, debida a las fuerzas sísmicas, supera la fuerza de fricción estática. [2]

Sistema de aislamiento deslizante esférico

Referencias:

[1] Seismic base isolation technique for building earthquake resistance. Arquitectura inspurada, portal web sobre cotenidos de arquitectura, ingeniería y construcción. Recuperado de: http://articles.architectjaved.com/earthquake_resistant_structures/seismic-base-isolation-technique-for-building-earthquake-resistance/. Acceso: 15 de mayo de 2018.

[2] Aguiar R., Almazán J.L., Dechent P. y Suárez V. Aisladores de base elastoméricos y FPS. Centro de investigación científica de la Escuela Politécnica del Ejército. Quito, Ecuador. Noviembre, 2008.

Rodamientos de caucho y plomo

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Los aisladores de caucho se encuentran entre los más prometedores para aislar los edificios de los movimientos de tierra. Un cojinete de caucho y plomo está hecho de capas de caucho intercaladas con capas de acero, y un centro de plomo sólido. Los rodamientos se unen al edificio y la base a través de placas de acero en la parte superior e inferior y luego, cuando ocurre un terremoto, permiten que la base se mueva sin mover la estructura por encima de ella. Como resultado, la aceleración horizontal del edificio se reduce y sufre mucha menos deformación y daño. [1]

Aisladores de caucho y plomo

Al igual que otros rodamientos, desacoplan el edificio de los movimientos horizontales de un terremoto, literalmente proporcionando un amortiguador entre el edificio y el terremoto. El sistema no absorbe la energía del terremoto, sino que la desvía a través de la dinámica del sistema. Las frecuencias más altas del terremoto y su energía destructiva no se transmiten al resto de la estructura. Los edificios construidos sobre cojinetes de goma seguirán temblando durante un terremoto, pero se deslizarán sobre su base en lugar de tambalearse peligrosamente.

La idea de reforzar los bloques de goma con láminas delgadas de acero fue inventada por el ingeniero francés Eugene Freyssinet. Reconoció que la capacidad vertical de una almohadilla de goma era inversamente proporcional a su espesor, pero su flexibilidad horizontal era directamente proporcional al grosor. En otras palabras, una pieza delgada de goma puede ser rígida en una dirección pero flexible en otra. En los cojinetes de caucho y plomo, el núcleo de plomo hace que el cojinete sea rígido y fuerte en la dirección vertical, mientras que las láminas de caucho y acero hacen que sea flexible en la dirección horizontal.

Los edificios antiguos se pueden adaptar para aprovechar el aislamiento de la base. En California, el ayuntamiento de Oakland y el ayuntamiento de San Francisco, ambos gravemente dañados en el terremoto de Loma Prieta de 1989, ahora flotan sobre sus cimientos en los amortiguadores. El ayuntamiento de Los Ángeles, que fue dañado en el terremoto de Northridge en 1994, fue equipado cuatro años después con cojinetes de caucho natural de alta amortiguación. A 454 pies, ahora es el edificio sísmico más alto del país.

Fuera de los Estados Unidos, el aislamiento de la base se ha perseguido muy activamente en Japón, uno de los países más propensos a los terremotos en el mundo. Allí, el primer edificio aislado de la base se completó en 1986, y uno de los edificios aislados de base más grandes en el mundo es el Centro de Computadores Postales del Oeste de Japón en Sanda, Prefectura de Kobe. Esta estructura de seis pisos y 500,000 pies cuadrados es compatible con 120 aisladores elastoméricos con varios amortiguadores adicionales de acero y plomo. Durante el infame terremoto de Kobe en 1995, el edificio, que se encontraba a tan solo 19 millas del epicentro, experimentó un fuerte movimiento del suelo. Afortunadamente, el centro postal no sufrió daños. No se puede decir lo mismo de una estructura adyacente de base fija. [2]

Un proyecto de demostración se encuentra en Indonesia, donde los trabajadores de una plantación de té en la parte sur de Java Occidental ahora viven en un edificio de cuatro pisos, de hormigón armado, aislado de la base. Contiene ocho unidades de departamentos de bajo costo y es compatible con 16 rodamientos de caucho natural de alta amortiguación. Además del aislamiento de la base, el edificio no es sustancialmente diferente de otros en Java, lo que hace que sea menos costoso de construir y más probable que sea aceptado por los funcionarios locales de construcción. Los rodamientos de aislamiento, que son económicos de fabricar, se encuentran a nivel del suelo y están conectados al resto del edificio mediante una técnica innovadora, rentable y fácil de instalar. Las edificaciones con aisladores de base suelen utilizar conexiones de red flexibles para evitar roturas debidas a los movimientos producidos.

Dormitorio en Java con sistema de aislamiento de base de caucho y plomo

Conexiones flexibles

Referencias:

[1] William Harris. Cómo funcionan los edificios resistentes a terremotos: Fundamentos y materiales resistentes a los terremotos. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/engineering/structural/earthquake-resistant-buildings4.htm. Acceso: 13 de junio de 2018.

[2] James M. Kelly (13 de noviembre de 2013). Una forma probada y económica de proteger los edificios de los terremotos. NovaNext, portal web de arte e información de los Estados Unidos. Recuperado de: http://www.pbs.org/wgbh/nova/next/tech/rubber-bearings-seismic-protection/. Acceso: domingo 10 de junio de 2018.

Aisladores de base

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Los ingenieros y sismólogos han favorecido durante años el aislamiento de bases como un medio para proteger los edificios durante un terremoto. Como su nombre lo sugiere, este concepto se basa en la separación de la subestructura de un edificio de su superestructura.

El concepto de aislamiento de base se explica a través de un ejemplo de construcción que descansa sobre rodillos sin fricción. Cuando la tierra tiembla, los rodillos ruedan libremente, pero el edificio de arriba no se mueve. Por lo tanto, no se transfiere ninguna fuerza al edificio debido a la sacudida del suelo; simplemente, el edificio no experimenta el terremoto. [1]

Los aisladores a menudo están diseñados para absorber energía y así agregar amortiguación al sistema. Esto ayuda a reducir aún más la respuesta sísmica del edificio. Muchos de los aisladores de base parecen almohadillas de goma grandes, aunque hay otros tipos que se basan en el deslizamiento de una parte del edificio en relación con el otro. Además, el aislamiento de la base no es adecuado para todos los edificios. La mayoría de los edificios de baja a media altura descansaban en el suelo duro debajo; los edificios de gran altura o los edificios descansados ​​sobre suelo blando no son adecuados para el aislamiento de la base.

Ante la ocurrencia de un terremoto, el suelo debajo del edificio comienza a moverse. El edificio responde con un movimiento en dirección contraria al movimiento del suelo que se debe en realidad a la inercia. Las fuerzas de inercia que actúan sobre un edificio son las más importantes de todas las generadas durante un terremoto.

Además de desplazarse el edificio en sentido contrario al movimiento del suelo, el edificio no aislado cambia su forma de un rectángulo a un paralelogramo. Decimos que el edificio se está deformando. La causa principal del daño sísmico a los edificios es la deformación que experimenta el edificio como resultado de las fuerzas de inercia sobre él.

El edificio aislado de la base conserva su forma original y rectangular. El edificio aislado de base escapa a la deformación y al daño, lo que implica que las fuerzas de inercia que actúan sobre el edificio aislado de la base se han reducido. Experimentos y observaciones de edificios aislados de base en terremotos a tan solo 1/4 de la aceleración de edificios comparables de base fija.

La aceleración se reduce porque el sistema de aislamiento de la base alarga el período de vibración de un edificio, el tiempo que le lleva a un edificio oscilar hacia atrás y adelante y luego hacia atrás otra vez. Y en general, las estructuras con periodos de vibración más largos tienden a reducir la aceleración, mientras que las que tienen períodos más cortos tienden a aumentar o amplificar la aceleración.

Aislamiento de base

Referencias:

[1] Seismic base isolation technique for building earthquake resistance. Arquitectura inspurada, portal web sobre cotenidos de arquitectura, ingeniería y construcción. Recuperado de: http://articles.architectjaved.com/earthquake_resistant_structures/seismic-base-isolation-technique-for-building-earthquake-resistance/. Acceso: 15 de mayo de 2018.