Selección de parámetros del sistema de aislamiento sísmico para el cercano.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14734 (2022) Citar este artículo

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Los beneficios del aislamiento sísmico son muchos. Las estructuras que están aisladas del suelo se comportan sísmicamente mejor que aquellas que no lo están. Experimentan menores aceleraciones y derivas del piso y es menos probable que sufran daños en los elementos estructurales. Además, su contenido está mejor protegido de los efectos de los terremotos. La selección y el diseño de dispositivos de aislamiento sísmico son complejos y requieren una buena comprensión de cómo se comportan durante los terremotos. Este estudio investiga el efecto de varios parámetros del sistema de aislamiento y características del movimiento del suelo en la respuesta sísmica de estructuras aisladas de base con el fin de desarrollar procedimientos racionales para el diseño y análisis. Además, el estudio investiga el problema del diseño óptimo de sistemas de aislamiento sísmico mediante análisis dinámico paramétrico no lineal. Los resultados mostraron que el corte y el desplazamiento máximos de la base eran sensibles a la velocidad y que la velocidad máxima del suelo controla el movimiento. El corte de base máximo más grande ocurrió cuando se usaron sistemas de aislamiento con altos niveles de límite elástico y bajos grados de no linealidad, mientras que el corte de base máximo más pequeño ocurrió cuando se usaron niveles de límite elástico bajos y altos grados de no linealidad. Los resultados del estudio se pueden utilizar para seleccionar los dispositivos de aislamiento adecuados y diseñarlos correctamente para lograr los beneficios que brindan.

El hardware adicional de protección estructural desarrollado para proteger estructuras sujetas a terremotos1,2 se agrupa en tres áreas amplias: aislamiento de base, disipación pasiva de energía y control activo. Los dispositivos de control pasivo se han utilizado con éxito para reducir la respuesta dinámica de estructuras sometidas a terremotos severos; su primer uso comenzó desde la década de 1970. Los dispositivos disipadores de energía se pueden clasificar en tres categorías3: amortiguadores viscosos y viscoelásticos, amortiguadores metálicos y amortiguadores de fricción.

El aislamiento sísmico es una técnica relativamente nueva de diseño sismorresistente de edificios, estructuras de puentes y plantas de energía nuclear4. Sin embargo, la idea del aislamiento de vibraciones existió desde principios del siglo XX; Luego de diferentes etapas y desarrollos, particularmente en los últimos 30 años, esta técnica se ha convertido en una realidad práctica con la invención de diferentes dispositivos de aislamiento sísmico.

El principio del aislamiento sísmico es proporcionar una discontinuidad entre dos cuerpos en contacto de modo que el movimiento de cualquiera de los cuerpos en la dirección de la discontinuidad no pueda transmitirse completamente; esto da como resultado una reducción significativa en la aceleración del piso y las derivas entre pisos. Por lo tanto, se protegen los valiosos contenidos y componentes del edificio. Por su gran desempeño, en USA, Japón, Italia y Nueva Zelanda. La técnica del aislamiento sísmico ha avanzado hasta el punto de que a menudo se considera para la protección de edificios tanto nuevos como existentes5.

Los edificios contemporáneos contienen equipos y contenidos de alto costo que deben protegerse contra terremotos y estar operativos después de un terremoto severo; Dichos edificios son los destinados a investigación, atención médica, telecomunicaciones, plantas de energía nuclear, etc. Los edificios construidos siguiendo los antiguos códigos sísmicos, con enfoques de diseño resistentes convencionales, como muros de corte, marcos arriostrados y marcos resistentes a momentos, no pueden proteger los valiosos equipos que contienen estos edificios.

El aislamiento sísmico no pretende mejorar la capacidad de un edificio, sino que se considera un medio para reducir la demanda sísmica sobre la estructura.

La mayoría de los edificios y puentes existentes utilizan cojinetes elastoméricos, siendo el elastómero caucho natural o neopreno o cojinetes deslizantes, siendo la superficie deslizante teflón y acero inoxidable. Por tanto, los sistemas de aislamiento pueden dividirse en dos categorías; la primera categoría incluye la familia de rodamientos elastoméricos6,7, en la que encontramos el sistema de rodamientos de caucho de alta amortiguación (HDRB), el sistema de rodamientos de caucho de plomo (LRB) y otros sistemas. La segunda categoría incluye la familia de cojinetes deslizantes, en la que encontramos el sistema de fricción pendular (FPS)8 y los cojinetes deslizantes9 con y sin sistema sin recentrar (SI), entre otros10.

La rigidez lateral de un aislador es extremadamente pequeña en comparación con su rigidez vertical, y un aislador es casi elástico para las deformaciones laterales dentro de su radio. Incluso existen dispositivos que tienen rigidez negativa11,12. El sistema de aislamiento no absorbe la energía del terremoto sino que la desvía a través de la dinámica del sistema de aislamiento.

Varios factores influyen en la selección y diseño de dispositivos de aislamiento. La selección del dispositivo de aislamiento apropiado se basa en algunos requisitos que van desde la rigidez lateral y vertical y los beneficios de costos hasta la durabilidad; el diseño del sistema de aislamiento se basa en varios requisitos y políticas. Se propusieron varios métodos de diseño, algunos basados ​​en espectros elásticos, otros basados ​​en el comportamiento linealizado de estructuras de base aisladas y otros se propusieron incluir en códigos sísmicos.

Estudios experimentales13,14,15,16, numéricos y analíticos17,18,19 realizados en dispositivos de aislamiento individuales mostraron que sus características importantes (rigidez horizontal y vertical, resistencia, etc.) dependen de los casos de carga, y demostraron que las cargas axiales tienen un impacto significativo. efecto cuando se combina con cargas laterales. Por ejemplo, Kalpakidis et al.20 demostraron que la resistencia de los cojinetes de caucho de plomo se degrada cuando se someten a grandes deformaciones. Los autores atribuyeron la degradación de la resistencia al calentamiento del núcleo de plomo y luego propusieron un método para incorporar la degradación de la resistencia debido al calentamiento del núcleo de plomo al modelar el comportamiento histerético de los cojinetes de plomo-caucho. También se ha demostrado que los cojinetes elastoméricos fallan bajo grandes tensiones de tracción debido a la formación de cavidades y roturas. Kumar et al.21 realizaron una serie de pruebas en 16 cojinetes de caucho de baja amortiguación para investigar el efecto de la cavitación en las propiedades axiales y de corte de los cojinetes elastoméricos. Los autores desarrollaron y validaron un modelo fenomenológico de apoyos elastoméricos en tensión.

Este estudio fue motivado por la necesidad de investigar el desempeño de estructuras de base aislada durante movimientos sísmicos del suelo. Algunos procedimientos de diseño22 y pautas de diseño existentes requieren que se calculen muchos parámetros y se siga un largo camino para lograr el sistema de aislamiento de base requerido que se utilizará para un edificio. Esto constituye otra motivación para pensar en otro enfoque en el diseño que pueda ayudar a los ingenieros en el proceso de diseño preliminar a seleccionar los parámetros casi óptimos del dispositivo de aislamiento que luego se pueden verificar mediante un análisis de historia temporal no lineal.

Algunos de los procedimientos de diseño propuestos23 son complejos y menos confiables, mientras que otros se basan en la teoría lineal y son menos precisos ya que los sistemas de aislamiento son inherentemente no lineales, especialmente los sistemas de cojinetes de plomo y caucho y los sistemas de péndulo de fricción. Para tener en cuenta la incertidumbre inherente en los parámetros de diseño de los sistemas de aislamiento, se han propuesto métodos de diseño basados ​​en la confiabilidad. Por ejemplo, Castaldo et al.24,25,26 desarrollaron técnicas de análisis de demanda de ductilidad basadas en confiabilidad sísmica para estructuras con base aislada con sistemas de péndulo de fricción.

Los sistemas de aislamiento sísmico han demostrado su eficacia sobre múltiples estructuras que los incorporaron durante terremotos o pruebas recientes27, pero otras estructuras de base aislada no funcionaron como se esperaba. FCLJC (Foothill Communities Law and Justice Center, USA) es un ejemplo de estas estructuras, que no actuaron durante el reciente terremoto de Loma Prieta (octubre de 1989 y febrero de 1990), Kelly et al.28 explicaron la respuesta del FCLJC por el hecho ese período de aislamiento efectivo al nivel de deformación inducida en el elastómero es aproximadamente el mismo que el de la superestructura de base fija, por lo tanto, la estructura se desempeñó con derivas y fuerzas más pequeñas que la estructura de base fija sometida a la misma entrada. movimiento.

Los principales inconvenientes de los sistemas de aislamiento sísmico son las grandes deflexiones laterales de la base y los movimientos indeseables bajo el viento y otras excitaciones menores. Para evitar una deformación lateral excesiva en caso de pequeños terremotos y disipar la energía en caso de fuertes terremotos, se pueden utilizar dispositivos especiales que se pueden fijar en el nivel de los cimientos y en cualquier otro nivel del suelo deseado. Los experimentos realizados por Kelly et al. en un modelo a media escala de una estructura con armazón de acero que emplea dispositivos de absorción de energía unidos a las vigas del piso inferior, muestran que para movimientos de entrada pequeños, la estructura se comportaba como si estuviera unida a una base rígida, amplificando fuertemente el movimiento del suelo. A diferencia de los terremotos fuertes, los dispositivos produjeron y absorbieron grandes cantidades de energía, equivalentes al 30%-35% de la amortiguación crítica.

Bhatti et al.29 realizaron un análisis de optimización para obtener los mejores parámetros de los dispositivos de absorción de energía mediante técnicas de programación no lineal, pero su estudio fue para una estructura particular. Jangid30 realizó un estudio paramétrico de estructuras con base aislada con diferentes sistemas de aislamiento, encontró que el amortiguamiento y el período de la superestructura no tienen efectos perceptibles sobre la respuesta máxima de las estructuras con base aislada, y los efectos del amortiguamiento viscoso tienen poca influencia. cuando está presente una amortiguación adicional en el sistema de aislamiento en forma de histerética.

Este estudio investiga el problema del diseño óptimo de sistemas de aislamiento de bases sísmicas mediante análisis dinámico paramétrico no lineal. Para ello, los principales objetivos de este estudio son los siguientes:

Revisar la tecnología de aislamiento sísmico y los diferentes tipos de dispositivos de aislamiento.

Analizar el comportamiento y prestaciones de un edificio típico de base aislada.

Realizar un análisis paramétrico para determinar la influencia de cada variable en los parámetros de respuesta de interés seleccionados y buscar los parámetros de diseño de aislamiento sísmico casi óptimos para un conjunto seleccionado de movimientos del suelo.

El sismo imparte a la estructura una gran cantidad de energía que causa daños tanto a los elementos estructurales como a sus equipamientos. Las estrategias convencionales de diseño resistente a los terremotos que insertan muros de hormigón armado, arriostramientos u otros sistemas tradicionales para resistir terremotos no protegieron las estructuras contra movimientos severos del suelo. El concepto de aislamiento sísmico es una técnica relativamente nueva en ingeniería sísmica; su principio es proporcionar una discontinuidad entre los cimientos y la superestructura de modo que la energía sísmica no pueda transmitirse completamente a la estructura, lo que da como resultado una reducción significativa en la aceleración del piso y las derivas del entrepiso5.

El diseño resistente a terremotos convencional se basa en la resistencia y ductilidad de los componentes estructurales para resistir las fuerzas inducidas por terremotos y disipar la energía sísmica, evitando así el colapso de las estructuras en caso de un terremoto. Por el contrario, el enfoque de aislamiento de la base tiene como objetivo reducir la fuerza sísmica horizontal dañina transmitida a las estructuras31.

El aislamiento sísmico no pretende mejorar la capacidad de un edificio, sino que se considera un medio para reducir la demanda sísmica sobre la estructura. En los últimos años el aislamiento de bases se ha convertido en una técnica de diseño estructural cada vez más aplicada para edificios y puentes en áreas altamente sísmicas. Se han construido muchas estructuras utilizando este enfoque y muchas otras se encuentran en la fase de diseño o en construcción.

Un sistema práctico de aislamiento sísmico debe cumplir los siguientes tres requisitos32:

Flexibilidad horizontal suficiente para aumentar el período estructural y las demandas espectrales, excepto para sitios de suelos muy blandos;

Capacidad de disipación de energía suficiente para limitar los desplazamientos a través de los aisladores a un nivel práctico;

Rigidez adecuada para que el edificio aislado no se diferencie de un edificio de base fija sometido a cargas de servicios generales.

Además, según Kelly et al.33 los requisitos básicos de un sistema de aislamiento de base para protección sísmica son los siguientes:

Los apoyos deben soportar la carga propia de la estructura y deben tener una alta rigidez vertical;

La rigidez horizontal de los apoyos debe proporcionar una frecuencia natural horizontal lo suficientemente baja como para que el edificio no responda a los componentes destructivos del movimiento del suelo. A partir de los espectros de respuesta de Seed se desprende claramente que, en una amplia gama de condiciones, es apropiada una frecuencia natural horizontal de 0,5 Hz;

Alguna energía sísmica siempre ocurrirá en o cerca de la frecuencia natural horizontal, por lo que el sistema debe contener suficiente amortiguación para limitar el movimiento de traslación a un nivel aceptable;

El sistema de soporte de aislamiento debe evitar el movimiento excesivo del edificio bajo cargas de viento. Debe quedar claro que esta exigencia no se hace por motivos de seguridad (el sistema está diseñado para evitar daños debidos a efectos mucho más graves), sino principalmente por el confort de los ocupantes, ya que incluso un ligero movimiento de balanceo puede resultar desconcertante.

Los sistemas de aislamiento sísmico más utilizados pueden satisfacer todos los requisitos anteriores. Ciertamente, si el sistema de aislamiento sísmico puede equiparse con dispositivos a prueba de fallas para evitar el colapso total de la estructura aislada en el caso de que se produzcan desplazamientos excesivos, entonces el sistema probablemente será satisfactorio.

El primer período de un edificio R/C es de aproximadamente \(0,02\;H\;sec.\) (H: altura, m). Por consiguiente, el primer periodo de un edificio de 15 metros de altura es de aproximadamente 0,3 segundos. Este período podría ampliarse fácilmente a 3 segundos apoyando el edificio con aisladores. Un cambio de período de 0,3 a 3 segundos proporciona una fuerza sísmica diferente en el edificio. Una fuerza sísmica diferente depende principalmente del período y las características de amplitud del movimiento del suelo34.

Curva de respuesta ideal.

Por lo tanto, si el movimiento del suelo incluye muchos componentes cuyos períodos son cercanos a 3,0 segundos, dichos componentes amplificarán el movimiento del edificio, pero otros no. Las características sísmicas cambian la respuesta de los edificios; La relación general entre el movimiento del suelo y la respuesta se indica en la Fig. 1. La figura muestra grandes diferencias en la fuerza sísmica entre “un edificio acoplado rígidamente al suelo (ejemplo: período \(0,3\;seg.\))” y “ un edificio sostenido por aisladores (ejemplo: periodo \(3\;seg.\))”. Esto también indica que la amortiguación controla la respuesta.

Idealmente, los aisladores deberían ubicarse lo más bajo posible en una estructura para proteger la mayor parte posible de la estructura. Sin embargo, el costo y las consideraciones prácticas influyen en la elección del lugar. En un edificio, la elección puede residir entre aislar a nivel del suelo, debajo del sótano o en algún punto encima de las columnas. Cada ubicación tiene ventajas y desventajas relacionadas con la accesibilidad y otras consideraciones de diseño muy importantes, como el revestimiento, las particiones y los servicios del edificio35.

Los aisladores sísmicos vienen en diferentes formas, que van desde superficies deslizantes infinitamente delgadas (cojinetes) hasta múltiples capas de caucho de unos pocos centímetros de espesor montadas en la base, miembros estructurales flexibles o absorbentes de cualquier profundidad. Debido a que generalmente se requiere rigidez vertical para la mayoría de las cargas gravitacionales, el aislamiento sísmico solo es apropiado para movimientos horizontales35.

Generalmente, existen dos categorías de sistemas de aislamiento y se utilizan ampliamente. La primera categoría incluye la familia de cojinetes elastoméricos, en la que encontramos el sistema de cojinetes de caucho de alta amortiguación (HDRB), el sistema de cojinetes de caucho de plomo (LRBs), etc. Según Kelly36, en esta categoría, el edificio o estructura está desacoplado de los componentes horizontales del movimiento sísmico del suelo interponiendo una capa con baja rigidez horizontal entre la estructura y los cimientos. Esta capa le da a la estructura una frecuencia fundamental mucho más baja que su frecuencia de base fija y mucho más baja que las frecuencias predominantes del movimiento del suelo. El primer modo dinámico de la estructura aislada implica deformación sólo en el sistema de aislamiento, siendo rígida la estructura superior. Los modos superiores que producirán deformación en la estructura son ortogonales al primer modo y al movimiento del suelo. Estos modos superiores no participan en el movimiento, por lo que si hay mucha energía en el movimiento del suelo en estas frecuencias más altas, esta energía no puede transmitirse a la estructura. El sistema de aislamiento no absorbe la energía del terremoto sino que la desvía a través de la dinámica del sistema. Este tipo de aislamiento funciona cuando el sistema es lineal e incluso cuando no está amortiguado; sin embargo, cierta amortiguación es beneficiosa para suprimir cualquier posible resonancia en la frecuencia de aislamiento36.

La segunda categoría incluye la familia de cojinetes deslizantes, en la que encontramos el sistema de fricción pendular (FPS) y el sistema de cojinete deslizante sin recentrado (SI)32. El aislador de esta categoría funciona limitando la transferencia de corte a través de la interfaz de aislamiento. Se han propuesto muchos sistemas de deslizamiento y se han utilizado algunos. En China, al menos tres edificios con sistemas deslizantes utilizan arena especialmente seleccionada en la interfaz deslizante. En una central nuclear de Sudáfrica se ha utilizado un tipo de aislamiento que contiene una placa de plomo y bronce que se desliza sobre acero inoxidable con un cojinete elastomérico. El sistema de fricción-péndulo es un sistema deslizante que utiliza un material interfacial especial que se desliza sobre acero inoxidable y se ha utilizado para varios proyectos en los Estados Unidos, tanto de construcción nueva como de modernización31,33,36,37.

Conceptualmente, cualquiera de los sistemas de aislamiento que existen se requiere que cumplan los siguientes objetivos de desempeño:

Flexibilidad;

Mojadura;

Resistencia a cargas de servicio.

El concepto básico del diseño de aislamiento de base es minimizar la fuerza sísmica transmitida a una superestructura y al mismo tiempo suprimir la deformación de los aisladores dentro de un rango permitido. Se espera que una superestructura absorba significativamente menos energía en comparación con el nivel de aislamiento base. La capacidad sísmica de una superestructura corresponderá a la respuesta de una superestructura considerada como un cuerpo rígido. Por lo tanto, la superestructura puede liberarse de varias condiciones que han restringido que los edificios convencionales tengan suficiente capacidad de absorción de energía (es decir, ductilidad).

Seleccionando y ubicando cuidadosamente los dispositivos de aislamiento, la superestructura puede liberarse de la influencia dañina de la vibración torsional causada por una excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez de la superestructura. Por lo tanto, un sistema de aislamiento de base puede proporcionar un procedimiento de diseño mucho más flexible y sencillo que un sistema convencional.

El diseño sísmico convencional ha proporcionado capacidad de carga adicional para cargas, excepto para cargas sísmicas. En realidad, esta carga es la carga de diseño principal de un edificio de base aislada. Esta carga debería estimarse con precisión en el diseño preliminar.

Se pueden configurar diferentes niveles de modelado para una estructura de aislamiento de base, desde modelos simples de una sola masa hasta modelos 3D complicados. El análisis de la historia del tiempo utilizando estos modelos es una forma eficaz de obtener la respuesta real. Se pueden establecer varios niveles diferentes de modelos de análisis de respuesta según los propósitos involucrados, desde los más simples hasta los más complicados38. No importa qué nivel de complejidad sea el modelo matemático, en general la superestructura se modela como un sistema de corte lineal con la no linealidad concentrada en el nivel de aislamiento de la base. De este modo se puede obtener la respuesta de cada nivel de piso34 después de un análisis histórico no lineal.

El sistema de aislamiento se considera no lineal. Las características no lineales de fuerza-desplazamiento de los componentes de aislamiento se modelan explícitamente utilizando elementos de resorte o una combinación de resortes y amortiguadores. Los modelos de componentes de aislamiento se describen aquí. Se hace la siguiente suposición para modelar el sistema de aislamiento38:

El sistema de aislamiento es rígido en la dirección vertical y se desprecia la resistencia al torque de los rodamientos individuales.

El modelo de ecuaciones diferenciales para el comportamiento uniaxial desarrollado por Wen39 y el modelo de ecuaciones diferenciales para el comportamiento biaxial desarrollado por Park et al.40.

Las características esenciales que deben modelarse para el comportamiento uniaxial de los apoyos elastoméricos son la representación adecuada de la rigidez al corte en el rango de fluencia pre y post, y la representación de la dependencia de la tensión de la rigidez al corte debido a los efectos P-Delta.

Hay muchos elementos de aislamiento que se pueden considerar para el modelado de sistemas de aislamiento; existen elementos elásticos, viscosos e histeréticos para cojinetes elastoméricos bilineales y elementos histeréticos para cojinetes deslizantes. Los elementos histeréticos pueden ser uniaxiales o biaxiales, y los elementos lineales elásticos y viscosos se consideran para modelar cojinetes elastoméricos lineales y amortiguadores de fluidos. El comportamiento histerético biaxial de cojinetes elastoméricos bilineales y de cojinetes de fricción se modela utilizando las ecuaciones de interacción biaxial del modelo de Bouc-Wen39.

Considere un apoyo debajo de una columna de un edificio, cuando la estructura está sometida a un fuerte terremoto, el apoyo se desplaza con los componentes de desplazamiento \(U_x\) y \(U_y\) (ver Fig. 2).

Un apoyo debajo de una columna excitado por un movimiento de tierra sísmico.

Se desarrolla un momento de torsión en el rodamiento, pero la contribución de este momento de torsión al par total extendido a la estructura soportada por varios rodamientos es insignificante, por lo que se despreciará en el modelado. Además, las fuerzas laterales se desarrollan y exhiben interacción biaxial; naturalmente, estas fuerzas son opuestas a la dirección del movimiento del suelo.

La dirección de la fuerza movilizada F en los cojinetes elastoméricos está dada por:

Las características de fuerza-desplazamiento del rodamiento se muestran en la Fig. 3.

Las características de fuerza-desplazamiento del rodamiento.

Ahora podemos escribir las ecuaciones usando el modelo de hisreresis de Bouc-Wen38,39:

donde: \(Z_{x}\), \( Z_{y}\) son variables histeréticas adimensionales que están acotadas por valores \(\pm 1\); \(\alpha ,\; \beta ,\; \gamma \) cantidades adimensionales que controlan la forma del bucle histerético; \(\dot{U_{x}},\;\dot{U_{y}}\) son las velocidades en las direcciones X e Y, respectivamente; \(U^y\) es el desplazamiento de rendimiento.

Cuando comienza el rendimiento, la Ec. (3) conduce a \(Z_{x} = \cos {(\theta )}\) y \( Z_{y} =\sin {(\theta }\) (considerando \(\alpha =1\), \(\beta =0.1\) y \(\gamma =0.9\), lo que significa \(\alpha /(\beta +\gamma )\)=1 según lo recomendado por 38.

La interacción biaxial puede despreciarse cuando los términos fuera de la diagonal de la matriz en la ecuación. (3) se reemplazan por ceros. Esto da como resultado un modelo uniaxial con dos elementos independientes en dos direcciones ortogonales.

Equilibrio de fuerzas en el rodamiento.

Ahora, las fuerzas movilizadas en los cojinetes elastoméricos como se muestra en la Fig. 4 pueden modelarse mediante un modelo elástico-viscoplástico con endurecimiento por deformación. Las ecuaciones que caracterizan las fuerzas movilizadas vienen dadas por:

en el que \(k_{e}\) es la rigidez previa al límite elástico; \(k_{p}\) es la rigidez posterior a la fluencia; \(c_{v}\) es el coeficiente de amortiguación viscosa del cojinete o dispositivo elastomérico. Tenga en cuenta que la ecuación. (3) también se puede utilizar para modelar rodamientos deslizantes con superficies deslizantes planas o esféricas mediante un pequeño desplazamiento elástico \(U^{y}\) (debido al comportamiento plástico rígido y gran rigidez) y estableciendo \(c_{v) }\) =0 y \((k_{e}-k_{p})U^{y}\)=\(\mu N\). Aquí, \(\mu \) es el coeficiente de fricción y N representa la fuerza normal promedio en el rodamiento (se desprecia la variación de la fuerza normal).

Equilibrio de fuerzas en el apoyo del péndulo.

Rigidez posterior al rendimiento insignificante para FPS.

La Figura 5 ilustra el equilibrio de fuerzas en el rodamiento. Las fuerzas movilizadas en el rodamiento se pueden escribir de la siguiente manera:

\(k_{p}U_{x}\) y \(k_{p}U_{y}\) representan la fuerza de recentrado debida a la superficie esférica de un cojinete de péndulo de fricción o un deslizador plano. La ecuación 6 se puede simplificar aún más considerando \(k_{p}\) como una cantidad insignificante (ver Fig. 6), las fuerzas movilizadas en el rodamiento se escribirán como:

Así que hemos llegado a la misma ecuación encontrada por Constantinou et al.38. Nuevamente, tenga en cuenta que otros dispositivos de aislamiento, como los amortiguadores de fluido no lineales, también se pueden modelar utilizando la ecuación. (3).

Los edificios con base aislada se pueden diseñar de manera que la superestructura permanezca elástica; también se pueden modelar mediante un sistema elástico lineal condensado con no linealidades concentradas en el nivel de aislamiento. Esta técnica permite el uso del Análisis No Lineal Rápido (FNA)41. Considerando además que la base y los pisos son infinitamente rígidos en el plano (se desprecian los desplazamientos en vertical), tres grados de libertad para cada piso en el centro de masa.

Las ecuaciones de movimiento de la estructura de base fija (Fig. 7) son las siguientes:

Donde: M, C, K son las matrices de masa, amortiguamiento y rigidez de la estructura; R es la matriz de coeficientes de influencia del terremoto. Por el método de superposición de modos, \(U=\sum _{i}^N Y_{i}\phi _{i}\). Las propiedades de la ortogonalidad nos ayudan a escribir:

Modelo de estructura de base fija.

Las ecuaciones de movimiento se pueden reescribir en la forma alternativa:

La matriz C se puede encontrar utilizando el amortiguamiento de Rayleigh:

en el que \(\omega _1\) es la primera frecuencia circular y \(\omega _{N}\) es la frecuencia preponderante más alta.

Las ecuaciones de movimiento de una estructura de base aislada se pueden dividir en dos conjuntos, uno para la superestructura y otro para la base. Las ecuaciones de movimiento de la superestructura elástica son (Fig.8):

Las ecuaciones de movimiento de la base son:

en el cual, \(M_{b}\), \(C_{b}\), \(K_{b}\) son, respectivamente, las matrices diagonales de masa, amortiguamiento y rigidez de la base rígida; f es el vector que contiene las fuerzas movilizadas en los elementos no lineales del sistema de aislamiento.

Modelo de estructura base aislada.

Usando la técnica de reducción modal:

En la que \(\phi \) es la matriz del modelo y \(U^*\) es el vector de desplazamiento del modelo relativo a la base y m es el número de vectores propios retenidos en el análisis, ecuación. (17) combinado con la ecuación. (18) da:

\(\xi _{i}\) y \(\omega _{i}\) son la relación de amortiguación y la frecuencia circular para la estructura de base fija en el modo i. Tenga en cuenta que las matrices \(\left[ 2\xi _{i}\right] \) y \(\left[ \omega _{i}^2\right] \) son diagonales. Nagarajiah et al.38 utilizaron el método de pseudofuerza42,43 en su software 3D-BASIS38 para resolver las ecuaciones de movimiento anteriores. Esto se justificó por las desventajas que presenta el uso de métodos tradicionales. Por ejemplo, los autores descubrieron que, a diferencia del método de pseudofuerza, el método de Newton-Raphson no convergía a la solución en el caso de no linealidades severas como las presentes en los sistemas de aislamiento deslizante.

En el método de pseudofuerza, las ecuaciones de movimiento se escriben primero en forma incremental, luego el vector de fuerzas no lineales se lleva al lado derecho de las ecuaciones de movimiento y se trata como un vector de pseudofuerza. El algoritmo de solución utiliza el método de aceleración promedio constante de Newmark, que es incondicionalmente estable incluso para rigidez tangente negativa44. Se ejecuta un paso iterativo en cada paso de tiempo hasta que se logra el equilibrio. El algoritmo de solución completo se puede encontrar en 38.

Se desarrolló un código Matlab para resolver la Ec. (19) utilizando el método de pseudofuerza. El código se utilizó para analizar la respuesta dinámica de un edificio de hormigón armado aislado de base de tres pisos sometido al movimiento del suelo de El Centro 1940 (componente NS). El sistema de aislamiento consta de un sistema de cojinete de caucho de plomo caracterizado por un grado de no linealidad de \(1/\alpha = 13,5\) y un nivel de límite elástico de \(\mu = 7\%\), diseñado para lograr un período de aislamiento de vibración \(T_b = 2,5\) segundos. La Figura X muestra la curva de histéresis de desplazamiento de base-cortante de base.

Histéresis de desplazamiento base-cortante base.

Para lograr los últimos objetivos de este estudio, en esta sección buscamos los parámetros de diseño de sistemas de aislamiento casi mejores (es decir, casi óptimos) para estructuras a través de un análisis paramétrico extenso considerando los parámetros del sistema de aislamiento y diferentes movimientos del suelo sísmicos.

Edificio aislado de base RC de cinco pisos.

El procedimiento de análisis seguido en el presente estudio paramétrico se describe a continuación:

Modelo estructural: La Figura 10 ilustra la estructura elegida para el análisis paramétrico analizado; Es un edificio de hormigón armado de cinco pisos con una masa total igual a 1313,38 kN.s\(^2\)/m distribuida uniformemente en los pisos. El período fundamental del edificio de base fija modelado como estructura de corte \(T_s = 0,38\) s. Los dispositivos de aislamiento sísmico se montan en un nivel de base que tiene la misma masa de piso, debajo de cada columna de la base.

Parámetros de respuesta de interés: Los parámetros de respuesta de interés que se consideran indicadores de efectividad de un aislamiento sísmico son: el desplazamiento máximo de la base, la aceleración estructural máxima y el corte máximo de la base. También se analizarán brevemente otros parámetros.

Análisis dinámico no lineal del historial temporal: los análisis de alta fidelidad y la evaluación exhaustiva de la influencia de los parámetros seleccionados se consideraron fundamentales para una investigación exitosa. Con ese fin, el código de integración numérica desarrollado se ejecutó con una longitud de paso de tiempo fija de 0,005 s para los análisis lineales y no lineales.

Enfoque básico del análisis: Primero, se estudia la estructura como fija en su base, luego se agrega un sistema de aislamiento con diferentes parámetros y se realiza un análisis de historia del tiempo no lineal para la estructura de base aislada y un análisis de historia del tiempo lineal para la estructura de base fija, suponiendo ocho temblores. El número total de análisis realizados para ambas estructuras a lo largo del estudio es 11+288=299 análisis de historia temporal.

Parámetros de diseño de aislamiento sísmico: Los parámetros de diseño de aislamiento sísmico son: (1) el grado de no linealidad \(1/\alpha \), \(\alpha \) se define como la rigidez posterior (\(k_p\)) a la anterior ( \(k_e\)) y (2) el nivel de límite elástico \(\mu \), definido como la relación entre el límite elástico (Q) y el peso total de la estructura, incluida la base (W).

Movimientos de entrada del suelo: Los ocho registros de terremotos utilizados en este estudio son los componentes fuertes del conjunto de terremotos sugeridos específicamente por la CDMG (División de Minas y Geología de California, Sacramento, EE. UU.) para el diseño de estructuras sísmicas aisladas5.

El objetivo principal del estudio paramétrico es identificar los parámetros de diseño de aislamiento sísmico casi óptimos. El comportamiento de una base aislada de edificios sometidos a movimientos sísmicos del suelo se ve afectado por una serie de variables relacionadas principalmente con los parámetros del sistema de aislamiento y las características del movimiento del suelo. Jangid30 concluyó a partir de su estudio paramétrico que el amortiguamiento y el período de la superestructura no tienen efectos perceptibles sobre la estructura aislada de la base de respuesta máxima. Por lo tanto, en el presente estudio, los parámetros de la superestructura se mantuvieron fijos mientras se variaron las variables que se espera que tengan un efecto significativo en la respuesta de la estructura. La rigidez posterior a la fluencia \(k_p\) del sistema de aislamiento se fijó para lograr un período de aislamiento, \(T_b=2.5\) s:

Los ocho registros de terremotos utilizados en este estudio son los sugeridos específicamente por el CDMG para el diseño de estructuras sísmicas aisladas. La Tabla 1 informa el componente fuerte de cada movimiento del suelo sísmico considerado con sus parámetros. Las historias temporales de aceleración del suelo, sus espectros de Fourier y los espectros de respuesta de pseudoaceleración se muestran en las Figs. 11, 12 y 13.

Como veremos más adelante, la gravedad de un terremoto para estructuras de base aisladas no está relacionada con la aceleración máxima del suelo, PGA, sino que está muy relacionada con la velocidad máxima del suelo, PGV, y el desplazamiento máximo del suelo, PGD. Dado que la frecuencia fundamental de una estructura de base aislada se encuentra en la región de baja frecuencia (por debajo de \(1\;Hz\)), los movimientos del suelo (Fig. 12) con considerable energía de baja frecuencia son entradas extremadamente severas para el aislamiento. sistemas. Se llevaron a cabo análisis dinámicos no lineales de historia del tiempo para cada variable de diseño de combinación. Para cada entrada de movimiento del suelo, el número total de análisis realizados es \(6\times 6\times 8=288\) análisis de historia temporal no lineales, asumiendo 1/\(\alpha \)=5, 7, 10, 12, 15. , 20 (6 variaciones) y \(\mu \)=4%, 5%, 8%, 10%, 12% y 15% (6 variaciones). La estrategia de variaciones de parámetros tiene su base; los parámetros del sistema de aislamiento resultantes son los más razonables y prácticos.

El análisis paramétrico reportado en el presente trabajo consideró el efecto de variar los parámetros de diseño sobre los principales parámetros de respuesta de la estructura con base aislada, como el corte de la base y el amortiguamiento efectivo. Sin embargo, es importante considerar las incertidumbres inherentes a los propios parámetros de diseño. Aunque este estudio se limita al caso determinista de variaciones discretas en los parámetros de diseño, se encuentran disponibles enfoques sofisticados al considerar la cuantificación de la incertidumbre (UQ).

Historias de tiempo de aceleración del conjunto de terremotos CDMG.

Espectros de Fourier para el conjunto de terremotos CDMG.

Espectros de respuesta de pseudoaceleración para el conjunto de terremotos CDMG, \(\zeta =5\%\).

Los datos de los análisis dinámicos consisten en gráficos de cantidades de respuesta directamente relacionadas con los objetivos específicos de este estudio. Los resultados y las discusiones se brindan para cada entrada de terremoto y luego se brinda al final un análisis general para la suite CDMG para analizar el efecto de los parámetros de movimiento del suelo en la respuesta máxima de las estructuras aisladas de la base.

El Centro 1979 (estación Array#6) \(230^o\) La aceleración estructural máxima (aceleración del techo) y el desplazamiento máximo de la base de estructuras aisladas de base sometidas a El Centro 1979 \(230^o\) se muestran en la Fig. 14 (gráficos de doble eje) para valores fijos de \(1/\alpha \). Se puede ver en estos gráficos que para niveles bajos de límite elástico (\(\mu =4\)% a 6%), el grado de no linealidad, \(1/\alpha \) y por lo tanto la rigidez previa al límite elástico \(k_e\ ), no tiene un efecto notable sobre los máximos de desplazamiento de la base y la aceleración estructural; en este caso, la respuesta está controlada principalmente por el nivel de límite elástico. La Figura 15, que muestra las gráficas de corte máximo de la base con la variación de los parámetros del sistema de aislamiento de la base, demuestra la interpretación anterior. La reducción en el corte de base máximo observado al aumentar \(\mu \) de 4 a 5% (pero todavía estamos en la misma región de bajos niveles de límite elástico) se debe principalmente a la cantidad de amortiguación adicional, esto se ve bien en la Fig. .16, incluso el período efectivo se reduce ligeramente (ver Fig. 17).

Por el contrario, en niveles altos de límite elástico (de \(\mu =8\)% a 15%), el grado de no linealidad y, por lo tanto, la rigidez previa al límite elástico controla el corte de base máximo, y no hay ningún efecto perceptible de \(\mu \) en este rango se observa. Además, en este caso la aceleración máxima y la deriva entre pisos son ligeramente constantes. La situación es ligeramente diferente para el desplazamiento máximo de la base, donde el nivel de límite elástico también sigue controlando. Además, en este caso, el aumento de la amortiguación efectiva no tiene influencia significativa en la reducción del cortante base y la aceleración estructural aunque alcance valores superiores al 20%.

De estas figuras se desprende claramente que, incluso la rigidez previa al límite elástico controla la respuesta máxima en la región de alto nivel de límite elástico, un pequeño cambio en 1/\(\alpha \) no cambia dramáticamente los resultados, y los cambia con cantidades muy pequeñas. Entonces, es evidente que un valor de \(\mu \) en este caso y cualquier valor de \(1/\alpha \) dan aproximadamente la misma magnitud de respuesta máxima.

Los parámetros óptimos de diseño de aislamiento sísmico son normalmente aquellos en los que el desplazamiento de la base, la aceleración estructural y el corte de la base son los más pequeños. Basado en este criterio y las Figs. 14, 15, 16, 17, se puede observar fácilmente que la región de parámetros de diseño óptimos se ubica exactamente entre \(\mu =10\)% y 15% con cualquier valor de rigidez previa al límite elástico (o \(1/\alpha \ )), ya que no cambia drásticamente los resultados.

Un valor de \(\mu =15\)% y \(1/\alpha =7\) son los parámetros de diseño óptimos, ya que para este par tenemos la aceleración estructural más pequeña, el desplazamiento de base más pequeño, el segundo corte de base más pequeño y una pequeña deriva entre pisos.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a El Centro 1979.

Corte de base máximo para varios parámetros del sistema de aislamiento (El Centro 1979).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (El Centro 1979).

Periodo efectivo para diversos parámetros del sistema de aislamiento (El Centro 1979).

Loma Prieta 1989 (estación Hollister) \(0^o\) La aceleración estructural máxima (aceleración del techo) y el desplazamiento máximo de la base de las estructuras aisladas de la base sometidas al terremoto de Loma Prieta 1989 registrados en la estación Hollister se muestran en la Fig. 18 para valores fijos de \(1/\alfa \). Además, en la Fig. 19 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 20 y 21 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

Los niveles bajos de límite elástico causan un gran desplazamiento de la base (Fig. 18) debido a la pequeña cantidad de amortiguación efectiva \(\beta _{eff}\) (Fig. 20); incluso el período efectivo más grande \(T_{eff}\) (Fig. 21) se encuentra en esta región. A medida que aumenta el nivel de límite elástico, el desplazamiento máximo de la base se vuelve más pequeño; esto se debe principalmente a la amortiguación histerética añadida.

Un sistema de aislamiento de base con altos niveles de límite elástico induce un mayor corte de base, una gran aceleración estructural y un pequeño desplazamiento de base. El aumento en el corte base se debe principalmente al período efectivo más corto. En general, para estructuras de base aislada sometidas a este terremoto, la influencia del grado de no linealidad no es significativa en la respuesta pico. El nivel de límite elástico tiene un efecto notable sobre el desplazamiento máximo de la base y el corte máximo de la base, pero su influencia se reduce para la aceleración estructural máxima; ya que la aceleración estructural máxima más grande y más pequeña están cerca (diferencia de \(0,77\;m/seg^2\)).

Basado en las Figs. 18, 19, 20, 21, está claro que la región de parámetros de diseño óptimos se ubica exactamente entre \(\mu \)=6% y 10% con cualquier valor de rigidez previa al límite elástico (o \(1/\alpha \) ), ya que no tiene una influencia notable en la respuesta máxima. Un valor de \(\mu \)=8% y \(1/\alpha \)=20 son los parámetros de diseño óptimos, ya que para este par tenemos la aceleración estructural más pequeña, la deriva entrepiso más pequeña, un corte de base pequeño y un pequeño desplazamiento de la base.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a Loma Prieta 1989 (estación Hollister).

Máximo corte de base para varios parámetros del sistema de aislamiento (Hollister).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Hollister).

Periodo de vigencia para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Hollister).

Loma Prieta 1989 (estación de la presa Lexington) \(0^o\) La aceleración estructural máxima (aceleración del techo) y el desplazamiento máximo de la base de las estructuras aisladas de la base sometidas al terremoto de Loma Prieta de 1989 registrado en la estación de la presa Lexington se muestran en la Fig. 22 para valores fijos de \(1/\alpha \). Además, en la Fig. 23 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 24 y 25 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

A niveles bajos de límite elástico, el grado de no linealidad y, por tanto, la rigidez previa al límite elástico no tiene un efecto perceptible sobre la respuesta máxima en general (Fig. 22 y 23), pero tiene un pequeño efecto sobre la aceleración estructural máxima y el desplazamiento máximo (Fig. .22).

A medida que el nivel de límite elástico aumenta como el corte base máximo, la rigidez previa al límite elástico (o \(1/\alpha \)) comienza a influir (Fig. 23). Por lo tanto, en niveles altos de límite elástico, la rigidez previa al límite elástico controla pero ligeramente el movimiento, junto con el nivel de límite elástico; en este caso, el corte de la base se vuelve mayor y el desplazamiento de la base se reduce, pero en pequeña cantidad en comparación con el valor más grande observado en nivel más bajo de límite elástico.

Para niveles de límite elástico entre \(\mu \) = 4 y 5%, la rigidez efectiva es algo constante incluso la rigidez previa al límite elástico alcanza su valor más grande, además, el amortiguamiento efectivo (Figs. 24 y 25), por lo tanto, una energía más pequeña capacidad de disipación. En este caso, la aceleración estructural máxima está influenciada principalmente por el nivel de límite elástico. El efecto significativo de la rigidez previa a la fluencia se observa en la región de altos niveles de límite elástico (\(\mu \) = 8 a 15%), donde los dos parámetros influyen en la respuesta máxima, pero no tan dramáticamente como el aumento en la rigidez máxima. corte de base. En esta región, la rigidez previa al límite elástico reduce la aceleración estructural.

El efecto de amortiguación efectivo en general se reduce cuando se le da un límite elástico grande al sistema de aislamiento sísmico, incluso la capacidad de disipar energía es mayor en este caso; esto se debe principalmente al menor período asociado al sistema.

Basado en las Figs. 22, 23, 24, 25, está claro que la región de parámetros de diseño óptimos se ubica exactamente entre \(\mu \)=4% y 5% con cualquier valor de rigidez previa al límite elástico (o \(1/\alpha \) ), ya que no tiene gran influencia en la respuesta máxima en esta región.

Un valor de \(\mu \)=4% y \(1/\alpha \)=20 son los parámetros de diseño óptimos, ya que para este par tenemos uno de los valores más pequeños de corte máximo en la base, uno de los más pequeños entrepiso deriva, una pequeña aceleración estructural y un pequeño desplazamiento de base.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a Loma Prieta 1989 (estación de la presa de Lexington).

Corte de base máximo para varios parámetros del sistema de aislamiento (presa Lexington).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (presa Lexington).

Período de vigencia para diversos parámetros del sistema de aislamiento (presa de Lexington).

Landers 1992 (estación del valle de Lucerna) Long. La aceleración estructural máxima y el desplazamiento máximo de la base de las estructuras aisladas de la base sometidas al terremoto de Landers de 1992 registrado en la Estación del Valle de Lucerna (componente longitudinal) se muestran en la Fig. 26 para valores fijos de \(1/\alpha \). Además, en la Fig. 27 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 28 y 29 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

El desplazamiento máximo de la base observado en la Fig. 26 es \(7.89\;cm\), que es un desplazamiento muy pequeño, con respecto a los otros valores observados para el resto del conjunto de terremotos; esto puede interpretarse por el pequeño desplazamiento máximo del suelo, que es igual a \(8,82\;cm\).

A niveles bajos de límite elástico, una gran rigidez previa al límite elástico y, por lo tanto, un alto grado de no linealidad no contribuyen notablemente al corte de base máximo (Fig. 27) y la aceleración estructural máxima (Fig. 26). Esto se debe a que el período efectivo y la capacidad de disipación de energía de la estructura no cambian en este rango (\(\mu \)=4% a 5%). Además, en este caso (\(\mu \)=4% a 5%) la base máxima es constante y no se observa ningún efecto de \(1/\alpha \).

Por el contrario, a niveles altos de límite elástico (\(\mu \ge \)8%), el efecto del grado de no linealidad se vuelve notable al reducir el desplazamiento de la base, debido a la cantidad adicional inducida de amortiguación efectiva (Fig. 28). y, por tanto, la capacidad de disipar más energía del movimiento del suelo. Además del efecto significativo del nivel de límite elástico sobre la aceleración estructural máxima, el grado de no linealidad (es decir, la rigidez previa al límite elástico) también influye, de modo que para un alto grado de no linealidad, el sistema de aislamiento induce una aceleración adicional a la superestructura, pero todavía pequeño (Fig. 26). Sin embargo, el corte de base máximo se rige principalmente por el límite elástico y poco por la rigidez previa al límite elástico.

Basado en las Figs. 26, 27, 28, 29, está claro que la región de parámetros de diseño óptimos se ubica entre \(\mu \)= [4%, 5%] y \(1/\alpha \) = [10,20] . Un valor de \(\mu \) = 4% y \(1/\alpha \) = 10 son los parámetros de diseño óptimos, ya que para este par tenemos el corte de base máximo más pequeño, la deriva entre pisos más pequeña, una aceleración estructural pequeña , pero este par no proporciona un pequeño desplazamiento de base en comparación con otros pares. Sin embargo, el desplazamiento de base asociado a este par es \(6,17\;cm\), que sigue siendo bastante pequeño si se considera también el problema del golpeteo. Entonces, en el caso de desplazamientos pequeños, hay que tener en cuenta el corte de base y las aceleraciones estructurales, que son los mejores indicadores de la eficacia de dicho sistema de aislamiento sísmico.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a Landers 1992 (estación de Lucerna).

Máximo corte de base para varios parámetros del sistema de aislamiento (Lucerna).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Lucerna).

Periodo de vigencia de diversos parámetros del sistema de aislamiento (Lucerna).

Northridge 1994 (estación Newhall) \(360^o\) La aceleración estructural máxima y el desplazamiento de base máximo de estructuras aisladas de base sometidas al terremoto de Northridge de 1994 registrado en la estación Newhall \(360^o\) se muestran en la Fig. 30 para valores fijos de \(1/\alpha \). Además, en la Fig. 31 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 32 y 33 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

En niveles bajos de límite elástico (\(\mu \)=4%-5%), el corte de base máximo (Fig. 31) se rige principalmente por el grado de no linealidad (es decir, rigidez previa al límite elástico), en este caso, un alto el grado de no linealidad reduce el corte base máximo, pero su efecto tiende a no ser significativo para rangos más altos; cuando la rigidez previa a la fluencia es más de 10 veces la rigidez posterior a la fluencia. Sin embargo, en este caso (bajos niveles de límite elástico), el grado de no linealidad ya no rige el desplazamiento máximo de la base (Fig. 30); más bien, en este caso es el límite elástico el que gobierna esta cantidad de respuesta. Además, ese no es el caso de la aceleración estructural (Fig. 30), que se rige estrictamente por el grado de no linealidad, cuando la rigidez previa a la fluencia es menor que 7 veces la rigidez posterior a la fluencia, cuando esta relación aumenta, lo que significa un alto grado de no linealidad. , el límite elástico comienza a gobernar también el movimiento, pero para un mayor grado de no linealidad, la aceleración estructural máxima queda estrictamente controlada por el nivel del límite elástico.

A niveles altos de límite elástico (\(\mu \ge \)8%), este último influye notablemente en el corte máximo de la base y el desplazamiento máximo de la base junto con el grado de no linealidad. Sin embargo, la influencia de la rigidez previa a la fluencia se vuelve insignificante cuando es mayor que 10 veces la rigidez posterior a la fluencia, esto puede explicarse por el hecho de que se agrega una pequeña cantidad adicional de amortiguación efectiva (Fig. 32). En estos niveles de límite elástico, la aceleración estructural se rige principalmente por el grado de no linealidad; un alto grado de no linealidad reduce la aceleración estructural máxima. El límite elástico se vuelve efectivo solo para sistemas de aislamiento sísmico con un grado muy alto de no linealidad, digamos más del 15%.

Para este terremoto, la situación es bastante difícil para elegir la región de parámetros de diseño óptimos que conduzcan al mejor rendimiento; porque la aceleración estructural máxima y el desplazamiento de base más pequeños se alcanzan para un sistema de aislamiento sísmico que tiene un alto nivel de límite elástico (\(\mu \)=15%) y un alto grado de no linealidad (\(1/\alpha \)=20), pero el corte de base máximo se alcanza cuando el sistema de aislamiento tiene un nivel de límite elástico bajo (\(\mu \)=5%) y un alto grado de no linealidad (\(1/\alpha \)=20). Sin embargo, basándose en las Figs. 30 a 33, la región de parámetros de diseño óptimos puede ubicarse en algún lugar entre \(\mu \)=5% y 10% con el mayor grado de no linealidad, \(1/\alpha \)=20. Sin embargo, el par (\(\mu \)=8%, \(1/\alpha \)=20) puede considerarse como los parámetros de diseño óptimos.

Respuestas máximas de las estructuras BI sometidas a Northridge 1994 (estación Newhall).

Corte de base máximo para varios parámetros del sistema de aislamiento (Newhall).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Newhall).

Periodo de vigencia para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Newhall).

Petrolia 1992 (estación Petrolia) \(90^o\) La aceleración estructural máxima y el desplazamiento de base máximo de estructuras aisladas de base sujetas al terremoto de Petrolia 1992 registrado en la estación Petrolia \(90^o\) se muestran en la Fig. 34 para valores fijos de \(1/\alpha \). Además, en la Fig. 35 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 36 y 37 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

Como se ve en las Figs. 34 y 35, está claro que la respuesta máxima está gobernada por el nivel de límite elástico, y el grado de no linealidad comienza a contribuir a gobernar la respuesta máxima en la región de niveles altos de límite elástico. El corte de base máximo tiende a ser menor a medida que el nivel de límite elástico alcanza el 5%, luego de eso el máximo se vuelve mayor como el nivel de límite elástico. La aceleración estructural máxima sigue en este caso los niveles de límite elástico. Por el contrario, el desplazamiento máximo se vuelve menor a medida que el límite elástico alcanza su valor más grande (\(\mu \)=15%) con un mayor grado de no linealidad.

Para seleccionar la región de parámetros de diseño óptimos, se debe decidir cuál es la cantidad de respuesta principal que dominará la elección del sistema de aislamiento base que se utilizará. Si el desplazamiento de la base es muy importante, cuando el problema de golpeo está presente, tenemos que elegir un sistema de aislamiento con alto límite elástico y alto grado de no linealidad; en este caso perderemos los beneficios de reducir más el corte de base y la aceleración estructural. Por el contrario, si el problema anterior no es importante, se pueden obtener más beneficios al reducir la aceleración estructural y el cortante de la base al mismo tiempo con los mismos parámetros pero con un desplazamiento de la base mayor; En este caso, la mejor opción es elegir un sistema de aislamiento con un nivel de límite elástico bajo y un alto grado de no linealidad.

Sin embargo, en nuestro caso, un nivel de límite elástico entre 4% y 10% con cualquier grado de no linealidad (o \(1/\alpha \)=15−20) es la opción casi óptima. El par (\(\mu \)=5%, \(1/\alpha \)=20) puede considerarse como los parámetros de diseño óptimos, ya que causan un cortante máximo en la base más pequeño, una aceleración estructural más pequeña y el entrepiso más pequeño. deriva.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a Petrolia 1992 (estación Petrolia).

Máximo corte de base para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Petrolia).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Petrolia).

Periodo de vigencia de diversos parámetros del sistema de aislamiento (Petrolia).

Northridge 1994 (estación Sylmar) \(360^o\) La aceleración estructural máxima y el desplazamiento de base máximo de estructuras aisladas de base sujetas al terremoto de Northridge 1994 registrado en la estación Sylmar \(360^o\) se muestran en la Fig. 38 para valores fijos de \(1/\alpha \). Además, en la Fig. 39 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 40 y 41 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

En niveles bajos de límite elástico, el grado de no linealidad no tiene efecto sobre la respuesta máxima de las estructuras de base aislada (Figs. 38 y 39); el control en este caso pertenece únicamente al nivel de límite elástico. Se observa una gran disminución de las respuestas pico entre \(\mu \)=4% y 5%.

En niveles altos de límite elástico, el grado de no linealidad tiene un efecto insignificante sobre el desplazamiento máximo de la base y la aceleración estructural máxima. El efecto del grado de no linealidad es notable en el caso de niveles de límite elástico muy altos en la reducción del cortante base máximo. Sin embargo, en general, la respuesta máxima de las estructuras de base aislada sujetas a este terremoto en particular se rige principalmente por el nivel de límite elástico. La amortiguación efectiva no es tan grande como cuando se somete a otros terremotos, en este caso la amortiguación efectiva máxima es de alrededor del 10%, lo cual es pequeño.

La capacidad de disipar más energía es muy grande en este caso; respecto a que la energía disipada por ciclo ronda los \(2824.25\;kN.m\), eso es un gran valor en comparación con las mismas estructuras sometidas a otros terremotos. Un terremoto severo del tipo de Northridge 1994 (registrado en el condado de Sylmar) hace que la estructura disipe más energía, de modo que puede reducir el corte máximo de la base al 15% de la correspondiente estructura de base fija. Este nivel de reducción del corte de base es la mejor reducción observada para todo el conjunto de terremotos del CDMG.

La región de parámetros óptimos de aislamiento sísmico se puede seleccionar simplemente en este caso, podemos llegar al corte de base máximo más pequeño con el desplazamiento de base más pequeño, con el par de parámetros del sistema de aislamiento que van desde: \(\mu \)=10%− 15% y un grado muy alto de no linealidad, digamos \(1/\alpha \)=15−20. La aceleración estructural máxima varía ligeramente en este rango. El par [\(\mu \)=15%, \(1/\alpha \)=20] da el corte de base máximo más pequeño, que constituye el 15% del corte de base máximo de la estructura de base fija correspondiente, y el más pequeño desplazamiento máximo de la base, además, este par proporciona la deriva entre pisos más pequeña.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a Northridge 1994 (estación Sylmar).

Corte de base máximo para varios parámetros del sistema de aislamiento (Sylmar).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Sylmar).

Periodo de vigencia para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Sylmar).

Landers 1992 (estación Yermo) \(270^o\) La aceleración estructural máxima y el desplazamiento de base máximo de estructuras aisladas de base sujetas al terremoto de Landers 1992 registrado en la estación Yermo \(270^o\) se muestran en la Fig. 42 para valores fijos de \(1/\alpha \). Además, en la Fig. 43 se muestra el cortante máximo en la base para diferentes parámetros de aislamiento sísmico, y en las Figs. 44 y 45 muestran la variación del amortiguamiento efectivo y el período efectivo con los mismos parámetros.

A niveles bajos de límite elástico, el bajo grado de no linealidad tiene un efecto pequeño en la respuesta máxima de las estructuras de base aislada (Figs. 42 y 43). En este caso, el pequeño aumento en el límite elástico provoca un corte de base máximo mayor, así como el desplazamiento de la base y la aceleración estructural, porque el período efectivo se acorta (Fig. 45), y una amortiguación efectiva agregada muy pequeña no tiene efecto.

Sin embargo, un sistema de aislamiento con un alto grado de no linealidad no afecta la respuesta máxima, es decir, el corte máximo de la base, el desplazamiento máximo de la base y la aceleración estructural máxima; cuando se utiliza un alto límite elástico para el sistema de aislamiento, esto se debe al hecho de que el la amortiguación efectiva no cambia significativamente así como el período efectivo, que parece ser constante para un límite elástico alto y constante, y no cambian con el grado de no linealidad (Figs. 44 y 45).

Debido a la pequeña variación de la aceleración estructural máxima, cuya variación está entre 0,25 gy 0,36 gy debido a que el mayor desplazamiento máximo de la base está en un rango razonable \(19,5\;cm\), el corte máximo de la base en este El caso es el principal indicador de desempeño de un sistema de aislamiento sísmico.

Con base en la consideración anterior, la región de parámetros de diseño óptimos puede ubicarse entre \(\mu \)=4%−5% y cualquier valor de \(1/\alpha \), o entre \(\mu \)= 4% −8% con un alto grado de no linealidad (digamos \(1/\alpha \)=10−20). El par [\(\mu \)=4%, \(1/\alpha \)=20] da el corte de base máximo más pequeño, que constituye el 37,4% del corte de base máximo de la estructura de base fija correspondiente y el entrepiso más pequeño. deriva.

Respuestas máximas de estructuras BI sometidas a Landers 1992 (estación Yermo).

Máximo cortante base para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Yermo).

Amortiguación efectiva para diversos parámetros del sistema de aislamiento (Yermo).

Periodo de vigencia de diversos parámetros del sistema de aislamiento (Yermo).

La Tabla 2 resume los parámetros de aislamiento sísmico de diseño casi óptimos (región y valores discretos) para cada terremoto del conjunto CDMG en paralelo con sus características (las unidades para PGA, PGV y PGD son cm y seg. y el carácter \(*\) significa cualquier valor) obtenido del análisis paramétrico.

Tabla 3 La tabla muestra el corte de base máximo más pequeño para cada registro de sismo, así como el corte de base máximo más grande y el par correspondiente de parámetros del sistema de aislamiento. El PGV controla el corte base máximo junto con el PGD, pero este último tiene un efecto muy pequeño. El PGA no tiene efecto sobre el corte máximo de base de estructuras de base aislada, ya que tienen un período largo que las pone en la sensibilidad a la velocidad (para aquellas que tienen un período de aislamiento largo) y en la sensibilidad al desplazamiento (para aquellas que tienen un período muy largo), Además, esto queda claro en el cuadro. El corte de base máximo se reduce ligeramente para el terremoto de Newhall (en comparación con Petrolia), incluso si tiene mayor PGV que Petrolia, esto no puede interpretarse como la reducción en PGA, porque no tiene ningún efecto (ver, por ejemplo, Lucerna y Yermo en la tabla). , tampoco puede ser interpretado por el PGD, porque la reducción en este caso es insignificante. Esto puede interpretarse por el contenido de frecuencia.

La estructura base aislada (con \(\mu \)=4% y \(1/\alpha =10\)) sometida al terremoto de Lexington (PGV = 84.43 cm/seg.) tiene un corte máximo en la base menor que el de la estructura aislada de base (con \(\mu \)=5% y \(1/\alpha \)) al ser sometida al Hollister (PGV = 62.78 cm/s); Esto puede ser interpretado por el PGD, que es más pequeño en Lexington. En este caso, podemos entender por qué el PGA no tiene ningún efecto, porque Lexington tiene un PGA mayor que Hollister, y el cortante máximo en la base es menor cuando la estructura se somete a él.

El conjunto de terremotos del CDMG se puede dividir en dos categorías principales; la primera categoría incluye El Centro y Sylmar y la segunda categoría incluye el resto de terremotos. La primera categoría tiene un gran PGV, por lo que incluye los terremotos severos. La segunda categoría incluye terremotos moderados y aquellos con menor gravedad.

El corte de base máximo más grande ocurre cuando se usan sistemas de aislamiento con \(\mu \)=15, que significa un alto nivel de límite elástico y \(1/\alpha =5\), que significa un bajo grado de no linealidad para la segunda categoría. Por lo tanto, se debe seleccionar un sistema de aislamiento con un nivel de límite elástico bajo (digamos 4–5%) con un alto grado de no linealidad (digamos \(1/\alpha =10-20\) o incluso más) para obtener la base máxima más pequeña. cortar. Por el contrario, una estructura de base aislada sometida a un terremoto de segunda categoría tiene un corte de base máximo grande cuando el sistema de aislamiento se caracteriza por un bajo nivel de límite elástico (\(\mu =4\%\)) y un grado muy bajo de no linealidad. . Por lo tanto, el sistema de aislamiento apropiado debe tener un alto grado de no linealidad, así como un alto nivel de límite elástico, para cumplir con el desempeño esperado del sistema de aislamiento sísmico.

La Tabla 4 reporta los parámetros del sistema de aislamiento que dan el desplazamiento de base máximo más pequeño y el desplazamiento de base máximo correspondiente para cada registro de terremoto, también se reporta en la misma tabla el desplazamiento de base máximo más grande y el par de parámetros del sistema de aislamiento correspondiente.

Las tablas 2 y 3 muestran que el desplazamiento máximo de la base es sensible a la velocidad, lo que significa que el PGV gobierna el movimiento. La influencia del PGD no es tan notable; afecta la respuesta cuando el PGV es moderado. Existe un equilibrio entre reducir el corte de la base y aumentar el desplazamiento de la base, que se puede superar eligiendo parámetros de acuerdo con la necesidad principal. En nuestro estudio, seleccionamos parámetros que están cerca de los óptimos y fueron elegidos para brindar el mejor rendimiento esperado del uso de un sistema de aislamiento. Generalmente, el cortante de base se considera como el principal parámetro de interés a la hora de seleccionar los parámetros adecuados del sistema de aislamiento, así como la aceleración estructural, que puede amplificarse (efecto de modos superiores). El desplazamiento de la base es menos importante, ya que la deriva del entrepiso está relacionada con el corte de la base.

El aislamiento de la base es una técnica utilizada para prevenir daños a un edificio inducidos por terremotos. Se utilizan dispositivos de aislamiento para desacoplar el edificio del suelo, evitando la transmisión de fuerzas sísmicas al edificio. Al hacerlo, el edificio puede moverse más libremente, minimizando los daños. Hay una variedad de dispositivos de aislamiento disponibles, cada uno con sus propios beneficios e inconvenientes. La selección de un dispositivo apropiado es fundamental para el éxito de un sistema de aislamiento básico.

En el presente estudio, se emplearon un análisis histórico no lineal y un enfoque energético para estudiar las ventajas y desventajas de la tecnología de aislamiento de bases sísmicas. Se ha demostrado que el aislamiento de la base es eficaz para reducir los efectos de los terremotos en los edificios. Sin embargo, la selección del dispositivo de aislamiento adecuado se basa en una serie de requisitos que pueden resultar complejos. Este estudio buscó encontrar los parámetros de diseño casi óptimos para un edificio con base aislada utilizando un análisis paramétrico de una serie de movimientos del suelo. Los resultados mostraron que el corte y el desplazamiento máximos de la base eran sensibles a la velocidad y que el PGV controlaba el movimiento. El corte de base máximo más grande ocurrió cuando se usaron sistemas de aislamiento con altos niveles de límite elástico y bajos grados de no linealidad, mientras que el corte de base máximo más pequeño ocurrió cuando se usaron niveles de límite elástico bajos y altos grados de no linealidad.

Este estudio encontró que para un valor fijo del grado de no linealidad, el límite elástico no tiene un efecto notable sobre el desplazamiento máximo de la base o la aceleración estructural para niveles bajos de relación de límite elástico (4–6%). Sin embargo, para niveles altos de relaciones de límite elástico (8-15%), el grado de no linealidad controla el corte base máximo. Un sistema de aislamiento de base con altos niveles de límite elástico induce un mayor corte de base, una gran aceleración estructural y un pequeño desplazamiento de base. El estudio también encontró que la región de parámetros de diseño óptimos se ubica exactamente entre \(\mu =6\%\) y 10% con cualquier valor de rigidez previa al límite elástico. Un valor de \(\mu =8\%\) y \(1/\alpha =20\) son los parámetros de diseño óptimos. Para resumir:

El corte de base es el principal parámetro de interés al seleccionar los parámetros apropiados del sistema de aislamiento.

El desplazamiento de la base es menos importante, ya que la deriva del entrepiso está relacionada con el corte de la base.

El PGV gobierna el movimiento y la influencia del PGD no es tan notoria; afecta la respuesta cuando el PGV es moderado.

Existe un equilibrio entre reducir el corte de la base y aumentar el desplazamiento de la base, que se puede superar eligiendo parámetros de acuerdo con la necesidad principal.

En nuestro estudio, seleccionamos parámetros que están cerca de los óptimos y fueron elegidos para brindar el mejor rendimiento esperado del uso de un sistema de aislamiento.

Generalmente, el cortante de base se considera como el principal parámetro de interés a la hora de seleccionar los parámetros adecuados del sistema de aislamiento, así como la aceleración estructural, que puede amplificarse (efecto de modos superiores).

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Este estudio fue financiado por el Ministerio de Educación Superior e Investigación Científica de Argelia y el gobierno rumano. La Universidad de Sharjah (EAU) proporcionó apoyo parcial.

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad de Sharjah, POBOX 27272, Sharjah, EAU

Moussa Leblouba

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ML contribuyó a la producción del manuscrito, desde su concepción hasta su redacción.

Correspondencia a Moussa Leblouba.

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Leblouba, M. Selección de parámetros del sistema de aislamiento sísmico para el diseño casi óptimo de estructuras. Informe científico 12, 14734 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19114-7

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Recibido: 22 de mayo de 2022

Aceptado: 24 de agosto de 2022

Publicado: 30 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19114-7

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