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Yandún, M. & Montenegro, C. (Enero - Junio de 2022). Minería de datos para series temporales y su aplicación en las precipitaciones pluviales en la zona del cantón Huaca Ecuador. Sathiri
(18)1, 230-241. https://doi.org/10.32645/13906925.1201
ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES DE
HISTÉRESIS EN UN AISLADOR DE
POLIURETANO APLICADO A MODELOS
ESTRUCTURALES SIMULADOS EN LA
MESA DE VIBRACIÓN SAILHAM
ANALYSIS OF HYSTERESIS PROPERTIES IN A POLYURETHANE
INSULATOR APPLIED TO SIMULATED STRUCTURAL MODELS
ON THE SAILHAM SHAKE TABLE
Recibido: 20/06/2022 - Aceptado: 11/01/2023
Ramiro Humberto Erazo Hernández
Magister en calidad, seguridad y ambiente - Universidad Central del
Ecuador
Docente de la Ponticia Universidad Católica del Ecuador
rerazo171@puce.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-7199-5816
Brian Oswaldo Cando Erazo
Ingeniero Civil - Universidad Central del Ecuador
Jefe (E) de Obras Civiles GADMT
brian.cando@gmtulcan.gob.ec
https://orcid.org/0000-0003-4746-3961
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Erazo, R. & Cando, B. (Enero - Junio de 2022). Análisis de las
propiedades de histéresis en un aislador de poliuretano
aplicado a modelos estructurales simulados en la mesa
de vibración Sailham. Sathiri (18)1, 242-254. https://doi.
org/10.32645/13906925.1202
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ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES
DE HISTÉRESIS EN UN AISLADOR
DE POLIURETANO APLICADO
A MODELOS ESTRUCTURALES
SIMULADOS EN LA MESA DE
VIBRACIÓN SAILHAM
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Resumen
El actual estudio investigativo tiene como objetivo encontrar las propiedades de histéresis de un
material que permita asemejar el comportamiento de un aislador, el mismo que será incorporado a
tres modelos experimentales de diferente material y conguración. Las respuestas de aceleración
fueron determinadas de manera experimental, mediante la simulación en la mesa de vibración
Sailham para cuatro eventos sísmicos de impulsión y cuatro eventos de naturaleza de subducción,
cada uno con dos etapas . Para medir las respuestas de aceleración se colocó un acelerómetro
en cada dintel del piso de aislación. Con los datos obtenidos de la experimentación se analizan
y determinan a través de procesos matemáticos, los desplazamientos y esfuerzos, para de esta
manera elaborar la curva de histéresis de los aisladores de cada modelo experimental. De la curva de
histéresis se obtuvieron las propiedades del aislador de poliuretano como son el amortiguamiento
y la rigidez efectiva, y, con ello analizar la teoría de aislación sísmica.i.
Palabras Claves: Propiedades de histéresis, aislador, curva de histéresis, poliuretano.
Abstract
The current investigative study aims to nd the hysteresis properties of a material that allows to
resemble the behavior of an insulator, it will be incorporated into three experimental models of
dierent material and conguration. The acceleration responses were determined experimentally,
by simulating on the Sailham shake table for four thrusting seismic events and four subduction
events, each with two stages. To measure the acceleration responses, an accelerometer was
placed on each lintel of the isolation oor. With the data obtained from the experimentation, the
displacements and forces were determined through mathematical processes, in order to elaborate
the hysteresis curve of the insulators of each experimental model. From the hysteresis curve, the
properties of the polyurethane insulator were obtained, such as damping and eective stiness,
and with this, analyze the theory of seismic isolation.
Keywords: Hysteretic properties, isolator, hysteresis curve, polyurethane.
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Introducción
Durante mucho tiempo, alrededor de mundo se han realizado varios estudios enfocados a los
efectos que producen los sismos en viviendas y edicios de diferentes alturas. Para comprender
estos fenómenos en el campo de la construcción, se han venido desarrollando herramientas
tecnológicas, que permitan comprender el comportamiento y los efectos de los sismos tanto de
manera experimental como teórica.
En nuestro país, la alta probabilidad de ocurrencia sísmica es latente, debido a procesos de
subducción y por activación de fallas geológicas locales, por lo que es importante realizar
investigaciones sobre la naturaleza sismo resistente de las estructuras.
Generalmente los sismos superciales son los que causan mayor daño, como resultado
de esto se tiene que la Costa Ecuatoriana posee mayor peligrosidad sísmica, seguida por
la Sierra y el Oriente. Por lo tanto, desde el punto de vista sísmico no es mismo construir
en Esmeraldas, donde la peligrosidad sísmica es alta, que en el Tena que tiene una menor
amenaza sísmica. (Aguiar, R.,, 2008).
En países como Estados Unidos y Japón se tuvieron las primeras experimentaciones de
implementación de sistemas de aislación sísmica en estructuras, y estas construcciones tuvieron
un buen comportamiento en los terremotos de Northridge (Estado Unidos) en 1994 y Kobe (Japón)
en 1995. En la actualidad, Japón cuenta con más de 2500 construcciones con sistemas de aislación
sísmica mientras que Estados Unidos con alrededor de 200. (Cámara de la Construcción de Chile,
2011)
Existen técnicas como la aislación sísmica que consiste en desacoplar la estructura de la
subestructura, para ello se utilizan los dispositivos llamados aisladores que se ubican en partes
especícas, los cuales, permiten reducir las demandas de aceleración y desplazamiento producidas
por los movimientos sísmicos, en lugar de tratar de incrementar la resistencia o ductilidad de la
edicación, y eso es lo que se tratará de comprobar en este estudio mediante la experimentación
en la mesa de vibración.
Una estructura con aislación sísmica es más segura que una estructura jada al suelo, puesto
que la incorporación de estos sistemas limita la energía que transere el sismo, reduciendo
considerablemente los esfuerzos y deformaciones en una edicación.
La presente investigación estará enfocada en elaborar modelos estructurales a los cuales se les
incorporará un sistema de aislación sísmica, a los mismos que se les someterá a varios eventos
de determinada magnitud, simulados en la mesa de vibración Sailham, para analizar la teoría de
aislación sísmica.
Fundamentación teórica
La aislación sísmica al igual que un elemento de una estructura sismorresistente se basa en
el principio de introducción de la deformación plástica en las mismas y como administrar esta
deformación. El objetivo de un sistema de aislación sísmica es proporcionar medios adicionales
de disipación de la energía, reduciendo así la aceleración transmitida a la superestructura (Zellat,
2015).
La incorporación de aisladores sísmicos a una estructura genera cambios en las propiedades
dinámicas. El uso de aisladores elastoméricos permite aprovechar la exibilidad de un material
similar al caucho para conseguir una baja rigidez lateral, pero se lo combinan con planchas de
acero para con ello elevar la rigidez vertical. Al ser exible el material se produce también un un
aumento en el período fundamental de la estructura (Korswagen et al., 2012).
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DE POLIURETANO APLICADO
A MODELOS ESTRUCTURALES
SIMULADOS EN LA MESA DE
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A los altos períodos de vibración, corresponden valores bajos de aceleraciones, por lo que las
fuerzas inducidas por el sismo sobre la estructura disminuyen signicativamente. Sin embargo, las
deformaciones se incrementan, pero éstas se concentran en los aisladores sísmicos, por lo que las
deformaciones en la superestructura son pequeñas. Los aisladores también producen un efecto
de amortiguamiento importante que contribuye a disipar la energía introducida por el sismo.
Para poder determinar las propiedades del aislador es importante elaborar la curva de histeresis
la misma que permitirá saber la fuerza máxima que podrá soportar ese material para poder
deformarse ante la acción de esa fuerza y recuperar su estado original.
Los aisladores elastoméricos son dispositivos que permiten grandes deformaciones laterales.
Poseen una forma cilíndrica con capas alternas de material de goma de origen natural o sintético
y placas de acero unidas entre sí mediante un proceso de vulcanización. Estos dispositivos poseen
una gran resistencia ante las cargas verticales de la estructura, por efecto de las capas de acero
que restringen las deformaciones excesivas por abultamiento de las capas de goma y no se dan
efectos en los desplazamientos horizontales (Auqui, 2010).
Las propiedades mecánicas de los aisladores son vericadas mediante ensayos de laboratorio
y entregadas al diseñador o al propietario. Con el n de limitar también el movimiento relativo
y disipar energía, los aisladores deben generar altos valores de amortiguamiento. Para ello, se
incluyen núcleos de plomo que admiten grandes deformaciones y pueden producir un alto
amortiguamiento, el cual varía en función del diámetro del núcleo de plomo (Genatios y Lafuente,
2016).
“El plomo es utilizado principalmente por su comportamiento elastoplástico, su capacidad de
mantener la resistencia durante múltiples ciclos de deformaciones plásticas, además de los altos
valores de amortiguamiento que se consiguen, los cuales pueden llegar al 25% o inclusive al 30%
del amortiguamiento crítico” (Chopra, 2011)
A partir de la curva de histeresis se puede obtener el factor de amortiguamiento del ailasdor que es
una relación entre la energía disipada y la energía elástica, asi como tambien la rigidez efectica que
está denida por el radio de curvatura de la supercie cóncava, como por la deformación lateral.
En general, los espectros de respuesta se calculan por medio de la integración de la ecuación de
movimiento en el tiempo, de una serie de sistemas de un solo grado de libertad, de las cuales se
obtiene las cantidades de respuesta máxima en desplazamiento, velocidad o aceleración (Bermeo,
2016).
Objetivos
Dentro de la investigación experimental realizada, se plantearon los siguientes objetivos, y en
base a ellos determinar las propiedades de histéresis en un aislador de poliuretano aplicado a
modelos estructurales simulados en la mesa de vibración Sailham, que nos permitirá analizar si
con la presencia de estos elementos estructurales se consiguirá una disminución considerable de
las demandas de aceleración.
• Elaborar modelos estructurales de base empotrada, así como un sistema de aislación
sísmica para éstos.
• Ensayar en la mesa de vibración Sailham, los modelos estructurales construidos con base
empotrada y con aisladores sísmicos, para determinar su comportamiento dinámico.
• Determinar las aceleraciones, períodos y desplazamientos máximos obtenidos de los
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ensayos en la mesa de vibración Sailham de los modelos estructurales construidos con
base empotrada y con aisladores sísmicos.
• Efectuar un análisis en el tiempo de cada modelo estructural con y sin aislación.
• Comparar los resultados obtenidos del comportamiento que presentan los modelos
estructurales con aislación y sin aislación.
Como Hipótesis se plantea que la incorporación de aisladores sísmicos de base en los modelos
estructurales inuirá positivamente en el comportamiento dinámico de la estructura, disminuyendo
considerablemente las demandas de aceleración.
Figura 1. Determinación de un espectro de respuesta
Fuente: (Torres, L., 2010)
Al dar una gran importancia al Sismo, esta se deniría como: un sismo es un movimiento vibratorio
producido por pérdida de estabilidad de la masa de la corteza terrestre. Se establece que cuando
este movimiento llega a la supercie y se propaga, se producen los terremotos. Su propagación es
de forma concéntrica y tridimensional. El punto donde se pierde la estabilidad de masas de corteza
se llama hipocentro, a partir de ahí se generan las ondas sísmicas (Alavi y Krawinkler, 2000).
Estudio experimental
Para la presente investigación de tipo experimental, se realizaron tres modelos estructurales, dos
de metal y uno de madera, los mismos que tenían como característica particular la de no ser
tan rígidos, para de este modo tener una mejor visualización del movimiento generado por la
simulación de un evento sísmico.
Figura 2. Dimensiones modelo 1 de metal
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Figura 3. Dimensiones modelo 2 de madera
Figura 4. Dimensiones modelo 3 de metal
Con el material de poliuretano se elaboraron varios aisladores de base que se incorporarán a los
modelos estructurales. Este material fue seleccionado por tener la característica de ser lo bastante
exible, para tener un buen comportamiento ante a la acción de varios eventos sísmicos y a la vez,
ser lo sucientemente resistente para soportar el peso de cada uno de los modelos estructurales.
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Tabla 1.
Dimensiones de los aisladores usados en los modelos experimentales
Figura 5. Aisladores de poliuretano
Los modelos estructurales con aisladores sísmicos, fueron sometidos a la acción de cuatro sismos
impulsivos y cuatro sismos por subducción, con dos estaciones cada uno, simulados en la máquina
agitadora de simulación sísmica Sailham, y se muestran en la Tabla 1.
Tabla 2.
Sismos simulados en la mesa de vibración
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Resultados
Los resultados obtenidos de la experimentación fueron los registros de aceleración, medidos en el
piso de aislación de los modelos estructurales a través de un acelerómetro.
Figura 6. Componentes de la mesa de vibración
A partir de los resultados de aceleración, se obtuvieron los desplazamientos a través de método
de la doble integración, el ltrado de datos de la señal entre 0,1 a 25 Hz y la corrección de la línea
base con el programa SeismoSignal.
De igual manera, se obtuvo la componente de la fuerza mediante la multiplicación de la masa del
modelo por los datos de aceleración obtenidos de la mesa de vibración, dividido para el número
de aisladores.
Dentro de la similitud de escalas para modelos experimentales y bajo cargas dinámicas, tenemos
que “al aplicar adecuadamente las leyes de escala, es posible inferir el comportamiento de una
estructura a partir de la respuesta de un modelo similar cuyas dimensiones están escaladas por un
factor β. Sin embargo, en algunos casos, por ejemplo, en el de las estructuras sensibles a la velocidad
de deformación bajo cargas dinámicas, estas leyes se distorsionan, limitando severamente este
enfoque” (Alves y Oshiro, 2006)
Con los datos desplazamiento y fuerza de los eventos sísmicos de cada modelo se procedió a
dibujar la curva de histéresis.
Figura 7. Curva de histéresis de los aisladores usados en el modelo 1
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Figura 8. Curva de histéresis de los aisladores usados en el modelo 2
Figura 9.Curva de histéresis de los aisladores usados en el modelo 3
Las energías de la curva de histéresis de cada modelo se muestran a continuación:
Figura 10. Energía disipada y elástica del diagrama de histéresis del modelo 1
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Figura 11. Energía disipada y elástica del diagrama de histéresis del modelo 2
Figura 12. Energía disipada y elástica del diagrama de histéresis del modelo 3
El factor de amortiguamiento se calcula mediante la siguiente expresión:
Donde:
ED: Energía Disipada
EL: Energía Elástica
El factor de amortiguamiento se calcula mediante la siguiente expresión:
A partir de la curva de histéresis se determinó los datos que nos permitieron calcular el factor
de amortiguamiento, así como la rigidez efectiva, tanto con el programa Seismosignal y cuyos
resultados se muestran en las siguientes tablas:
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Tabla 3.
Resultados del factor de amortiguamiento
Tabla 4.
Resultados de la rigidez efectiva
Conclusiones
Con base en la experimentación realizada en los tres modelos se pudo demostrar la teoría
de aislación sísmica, la cual maniesta que se disminuirán considerablemente las demandas de
aceleración si se incorpora un sistema de aislación.
Por medio de los análisis de resultados de los acelerogramas generados de los
experimentaciones en la máquina de simulación agitadora, se logró obtener la curva de histéresis
para cada modelo en el Sentido X, con ello, se obtuvieron los resultados de rigidez efectiva del
modelo 1 de 2,672 kg/cm, del modelo 2 de 2,317 kg/cm y del modelo 3 de 2,630 kg/cm.
De igual manera, por medio de la curva de histéresis de todos los registros sísmicos se
pudo establecer la energía disipada para la respuesta cíclica del sistema de aislación, así como
también de la energía elástica las mismas que permiten obtener el factor de amortiguamiento,
cuyos resultados fueron para el modelo 1 de 13,650%, para el modelo 2 de 10,823% y para el
modelo 3 de 21,549%; logrando con ello determinar los parámetros de la curva de histéresis.
En esta investigación se utilizó el poliuretano, ya que es un material cuyo comportamiento
se asemeja al de un aislador elastomérico, con el cual se logró un comportamiento lo bastante
exible para absorber la energía de los diferentes eventos sísmicos simulados, así como también
lo sucientemente rígido para soportar el peso de cada modelo experimental.
Dentro de los resultados entre los distintos modelos experimentos también se realiza
la comparación del porcentaje de aproximación de las aceleraciones de los modelos sin y con
aislación, se observa que todos superan el 70%, sin embargo, el que presentó mejores resultados
fue el del modelo 1 sin aislación con un 80,714% de aproximación entre los valores experimentales
y teóricos. De igual forma, se observa que el modelo 2 con aislación obtuvo un porcentaje menor
de aproximación con 76,060%, siendo de este modo el que menos que se asemeja entre los
resultados.
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Genatios y Lafuente, en su estudio realizado sobre la introducción del uso de aisladores
y disipadores en estructuras, mencionan que “los aisladores sísmicos no solo reducen los
desplazamientos horizontales sino también los concentra al igual que las deformaciones que
generan sismos mayores en la zona de interfaz de la fundación y la estructura, que corresponde
al aislador. Esto permite también hacer reparaciones de manera más sencilla y económica, ya que
los eventuales daños se concentran en esas zonas”, con lo cual raticamos a través de nuestra
investigación experimental que a través de la presencia de aisladores sísmicos conseguimos una
reducción considerable de las demandas de aceleración y por ende de sus desplazamientos
horizontales.
El período fundamental de cada estructura fue determinado mediante la transformada de
Fourier, para lo cual se usó una rutina de MATLAB, que fue elaborada por Hipocuro, A. y Cepeda,
A. (2019), y arrojó los siguientes resultados
Tabla 5.
Frecuencia y período fundamental de cada modelo experimental sin y con aislación sísmica
Al analizar los períodos fundamentales de cada modelo tenemos una diferencia promedio
de reducción en su aceleración espectral de 66% y al realizar un dato comparativo de resultados
de períodos fundamentales con la tesis de Guamán, M. (2017) referente a la comparación del
comportamiento estructural del edicio de aulas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad
Central del Ecuador, empleando el método tradicional (NEC-14) y el método de aislación sísmica.
(Tesis de pregrado) en el cual se tiene una diferencia de 73% de su aceleración espectral, concluyendo
que la presencia de aisladores sísmicos en los dos estudios reduce considerablemente el valor
de la aceleración espectral y por ende se tiene un aumento de seguridad sismorresistente a la
estructura.
Se recomienda realizar otras investigaciones utilizando otros materiales como madera, hormigón
armado para elaborar maquetas estructurales y someterlas a esfuerzos con control de
deformaciones y establecer períodos fundamentales y aceleraciones espectrales, obtener de igual
forma los diagramas de Histéresis para elementos aisladores sísmicos.
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