MX2014005823A - Modulo de disipacion sismica elaborado de esferas resistentes a la compresion sumergidas en un material de baja densidad variable. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a la industria para la elaboración de aislantes sísmicos, es decir, dispositivos usados para el aislamiento de la estructura soporte de carga de edificios, de los efectos de un terremoto y consiste en un panel o módulo de aislamiento y disipación sísmica (1) conformado de esferas resistentes a la compresión (2), elaboradas de alúmina sinterizada, unidas por substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar (3), para utilizarse en edificios nuevos mediante su colocación entre un lecho de concreto reforzado (4) a elaborarse sobre el suelo (5) y las estructuras de cimiento (6) del edificio (7), a fin de que, en caso de un terremoto, pueda haber movimientos del edificio independientes de aquellos del suelo en el cual se construye, absorbiendo y aislando así la onda sísmica y, por consiguiente, reduciendo los efectos en las estructuras hasta ser canceladas, en teoría.

Description

MÓDULO DE DISIPACIÓN SÍSMICA ELABORADO DE ESFERAS RESISTENTES A LA COMPRESIÓN SUMERGIDAS EN UN MATERIAL DE BAJA DENSIDAD VARIABLE CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la industria para la elaboración de aislantes sísmicos, es decir, dispositivos usados para el aislamiento de la estructura soporte de carga de edificios, de los efectos de un terremoto y consiste en un panel o módulo de aislamiento y disipación sísmica, conformado de esferas resistentes a la compresión, elaboradas de alúmina sinterizada, unidas por substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar, a utilizarse en edificios nuevos mediante su colocación entre un lecho de concreto reforzado a elaborarse en el suelo y las estructuras de cimiento del edificio, a fin de que, en caso de un terremoto, pueda haber movimientos del edificio independientes a aquellos del suelo sobre el cual se construye, absorbiendo y aislando así la onda sísmica y, por consiguiente, reduciendo los efectos sobre las estructuras hasta que se cancelen, en teoría.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los eventos sísmicos son la causa de daño considerable tanto a concreto como a edificios residenciales, con consecuencias muy conocidas en la vida de muchas personas. Los edificios se anclan al suelo mediante diversos tipos de cimientos; en consecuencia se afectan totalmente por la onda sísmica que se propaga a través del suelo hacia los cimientos y, por consiguiente, hacia el edificio, produciendo asi fuerzas que provocan tensiones considerables a las masas estructurales, lo cual se intenta remediar mediante la estratificación de considerables dimensiones de estructuras y de refuerzos de metal que puedan soportar estas fuerzas tanto como sea posible .

Para contener las incertídumbres debido a la no certeza de la determinación de parámetros de modelado estructural y garantías en el buen comportamiento de las estructuras bajo acciones sísmicas, deben adoptarse medidas específicas, que se mencionan a continuación, con el propósito de asegurar las características de ductilidad a los elementos estructurales y al edificio en general.

Cuando ocurre un terremoto, la base del edificio aislado puede moverse en todas las direcciones horizontales en comparación con los cimientos; por consiguiente, después de un movimiento, es necesario que el edificio regrese a su posición original, si los movimientos residuales no son de magnitud pequeña en comparación con el edificio. Para tal fin, la base del edificio debe proporcionarse con sistemas adecuados de re-centrado, también llamados dispositivos auxiliares, cuya función es disipar energía y/o volver a centrar el sistema y/o proporcionar el constreñimiento lateral de la estructura.

Los dispositivos que pueden volver a centrar la estructura y disipar también la energia pueden incluir dispositivos hidráulicos o dispositivos en base a las propiedades mecánicas en particular de Aleaciones con Memoria de Forma (SMA, por sus siglas en inglés) . Estos materiales, típicamente conformados de aleaciones de níquel-titanio, tienen la habilidad de "recordar" su forma original, lo cual es inusual para otros tipos de materiales .

En general, los movimientos experimentados por las estructuras aisladas como consecuencia de la acción sísmica deben caer dentro de valores tolerables para contener las dimensiones de las juntas estructurales y no provocar problemas a las conexiones de las instalaciones/sistemas. Para estructuras aisladas, las conexiones flexibles deben preverse de hecho para todas las instalaciones/sistemas que, a nivel de suelo, se conectan a la superestructura.

Las estructuras de cimiento deben soportar los efectos resultantes de la respuesta del suelo y las estructuras anteriores, sin movimientos permanentes que sean incompatibles con el estado extremo de referencia.

Los edificios deben estar provistos con sistemas estructurales que garanticen rigidez y resistencia a los dos componentes ortogonales-horizontales de las acciones sísmicas.

El sistema de cimiento debe estar provisto con elevada rigidez extensional en el plano horizontal y con suficiente rigidez flexural.

Los elementos estructurales de los cimientos, que deben dimensionarse en base a las tensiones transmitidas a ellos desde la estructura anterior, deben tener comportamiento no dispersivo, sin importar el comportamiento estructural que se atribuya al soporte de estructura debajo de ellos.

Al insertar aislantes entre los cimientos y las estructuras de elevación, las frecuencias del terremoto se desacoplan de las frecuencias de la estructura de elevación y se previene así el desarrollo del fenómeno de resonancia.

En el caso de tensiones sísmicas, la inserción de aislantes permite que se incremente el periodo adecuado de vibración de la estructura alejándose así del área del espectro de respuesta con mayores aceleraciones.

Esto provoca efectivamente un desacoplamiento dinámico del edificio en relación al suelo (efecto de "filtro") , a fin de reducir la transmisión de la energía suministrada por la acción sísmica a la superestructura. Como consecuencia de esto último, el sistema de cimiento-aislantes-estructura puede disipar la energía sísmica del suelo: la disipación se concentra casi exclusivamente en los dispositivos de aislamiento, que disipan la energía sísmica transmitida a ellos desde los cimientos a costo de grandes deformaciones plásticas, a través de amplios ciclos de histéresis. Esto permite que la superestructura tenga una respuesta prácticamente en el campo elástico al permanecer casi inmóvil en comparación con el movimiento del suelo. Esto cambia considerablemente la entrada sísmica, ya que, al reducir las aceleraciones transmitidas al edificio, se eleva considerablemente la capacidad de respuesta de la estructura a la última fuerza de colapso y al estado extremo de daño.

Además de proteger la estructura soporte de carga, estos dispositivos también permiten proteger las partes no estructurales y todo lo que contienen. De hecho, como consecuencia de la ausencia casi total de deformaciones intermedias de terreno (desviación) , esta tecnología permite la prevención de fisuras o daño a rellenos, paredes de división, instalaciones/sistemas o a bienes dentro de los edificios, tales como museos o bibliotecas, centros de procesamiento de datos, etc. Esto permite que el daño provocado a las estructuras por un terremoto se reduzca o elimine por completo, manteniendo asi sin cambio la actividad contenida en ellas, incluso después de la ocurrencia de un evento telúrico severo.

Durante un terremoto, la estructura aislada se comporta casi como un cuerpo rígido que tiende a permanecer aún en comparación con las vibraciones del suelo.

Usando aislantes sísmicos, se diseña una estructura que permanece en campo elástico incluso durante los terremotos más violentos y mantiene intacta la capacidad dispersiva de energía dada la ductilidad.

Actualmente, en el caso de ingeniería sísmica, existen tres categorías de aislantes y diversos tipos para cada categoría.

Aislantes hechos de material elastomérica y acero se conforman de estratos de material elastomérico (caucho natural o materiales artificiales adecuados) alternados con placas de acero, que tienen la función predominante de confinar el elastómero, y se colocan en la estructura a fin de soportar las acciones horizontales clasificadas y deformaciones a través de acciones paralelas a la posición de los estratos y de las cargas verticales a través de acciones perpendiculares a los estratos.

Son normalmente de diseño circular, pero también pueden elaborarse con sección cuadrada o rectangular. Se caracterizan por rigidez horizontal reducida, rigidez vertical elevada y adecuada capacidad dispersiva.

Aislantes elasto-plásticos se conforman de elementos que permanecen elásticos cuando solo hay cargas verticales pero se plastifican cuando existen acciones horizontales mayores a un umbral establecido.

Gracias a su elevada capacidad de disipación, los aislantes elasto-plásticos tienen la labor de limitar la transferencia de tensiones a las sub-estructuras y garantizan asi una mejor respuesta de la construcción entera a un evento sísmico.

Aislantes de deslizamiento o giro, elaborados respectivamente de acero y soportes de Teflón y de soportes en rodillos o esferas, se caracterizan todos por bajos valores de resistencia a la fricción. Por consiguiente, aunque para los aislantes elasto-plásticos y para aquellos elaborados de material elastomérico y acero, se asegura la amortiguación necesaria para contener los movimientos relativos de las dos estructuras separadas mediante el comportamiento con fuerte presencia de histéresis del material con el cual se elaboran, para los aislantes de deslizamiento y para los aislantes de giro, es necesario colocar disipadores de energía adecuados, en paralelo.

La dinámica de estos tipos de aislantes es compleja, ya que el proceso de deslizamiento es inherentemente no lineal.

Algunos disipadores, llamados disipadores viscoelásticos , explotan el comportamiento viscoso de materiales tales como plásticos, aceites minerales y silicona. Otros disipadores, llamados disipadores elasto-plásticos, explotan la plastificación de materiales metálicos para disipar energía en ciclos de histéresis. Finalmente, los así llamados disipadores de fricción explotan la fricción entre superficies de metal adecuadamente tratadas que se deslizan entre sí.

Además de la cocción de elastómeros (cauchos) y polímeros termoplásticos (Teflón) , las propiedades físicas y químicas de los adhesivos usados para adherir las láminas de acero al caucho, así como también aquellos de los polímeros de organosilicio de cadena lineal (aceites de silicona y vaselinas) usados en disipadores viscoelásticos, posiblemente colocados en paralelo a aislantes de deslizamiento o de giro, también son importantes para propósitos de durabilidad.

Además, los aislantes elasto-plásticos y aquellos elaborados de material elastomérico y acero son particularmente vulnerables en el caso de incendio y deben protegerse adecuadamente de tal eventualidad o usarse en conjunto con dispositivos que puedan reemplazarlos si se destruyen .

En la técnica actual, también existen bases de mármol asísmico de ENEA para el Bronzi di Riace.

Estos pertenecen a la familia de aislantes sísmicos desarrollados por ENEA para protección de instrumentos delicados. Existen dispositivos de protección sísmica no invasivos, pasivos y/o semi-pasivos , conformados de dos bloques sobrepuestos de mármol en las superficies internas de los cuales, en una manera especular a los dos bloques, se han ahuecado cuatro depresiones cuya geometría es un elipsoide de rotación donde se colocan cuatro esferas de mármol que, con su giro, dan los requisitos de movimientos grandes, baja rigidez y baja fricción requeridos para maximizar el aislamiento sísmico.

Cuando hay un terremoto, será la parte bajo la base que se sujete a la acción sísmica y será capaz de moverse con el suelo sin transmitir las tensiones a la parte superior, ya que se absorben por completo por el movimiento de las esferas dentro de las cavidades ahuecadas en el mármol. El movimiento de las esferas hace al sistema de protección no muy rígido con muy baja fricción, características que reducen las tensiones del terremoto o las vuelven casi nulas. La nueva base de mármol asísmica es particularmente adecuada para estados verticalmente desarrollados que tienen una base muy pequeña y, por consiguiente, son particularmente vulnerables a acciones sísmicas horizontales, que pueden comprometer su balance y provocarles volcadura.

Este tipo de aislamiento sísmico no puede utilizarse para casas y apartamentos ya que los materiales usados para la elaboración de este dispositivo, si se utiliza en áreas grandes, se vuelve muy caro en términos tanto de materia prima como de instalación y, por consiguiente, el uso de estas bases asísmicas con esferas de mármol se limita a trabajos de arte.

Los diferentes tipos de disipadores o aislantes sísmicos en el mercado son muy costosos y se elaboran con una tecnología altamente especializada e incluso su instalación no puede llevarse a cabo por una firma constructora ordinaria.

Los aislantes mecánicos de giro descritos en la patente "MICALI" No. 1146596 se elaboran por completo de acero u otro material rígido adecuado y se conforma cada uno de un par de elementos cóncavos circulares con una esfera interpuesta de diámetro no menor a la suma de las alturas de las dos concavidades. De acuerdo con esta patente, al establecer los elementos cóncavos en dos lechos de concreto reforzados o estructuras similares a una red con una descansando directamente sobre el suelo y la otra sobre las esferas, solo el lecho inferior o estructura similar a una red se obliga a experimentar cualquier movimiento sísmico horizontal del suelo mientras que la superior, gracias al giro de las esferas debajo, puede seguir la inercia tranguila del edificio y permanecer casi inmóvil debido a que se obliga solo a experimentar breves recorridos hacia arriba debido al movimiento momentáneo de los elementos cóncavos inferiores en comparación con los superiores fijados a éstos.

El- limite de estos aislantes mecánicos de giro considera la resistencia a la compresión de las esferas debido al pequeño contacto con los asientos de giro cóncavos, relevantes, y la consecuente necesidad de grandes números o grandes dimensiones. La O 99/07966 describe una esfera de fricción, elaborada ya sea de material homogéneo plásticamente deformable (plomo, aluminio, latón, hierro, acero, etc.) o material elastomérico, que se deforma cuando soporta un peso; generando tal deformación una fuerza friccional que resiste el movimiento de giro en la esfera deformada .

El limite de estas esferas de fricción considera tanto los caros costos de los materiales de que se hacen como también la baja durabilidad con el tiempo en términos de resistencia del mismo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objeto de la presente invención es elaborar un aislante sísmico conformado de materias primas que sean fáciles de hallar en el mercado, que tengan costos muy bajos pero que tengan características técnicas, en términos de densidad y resistencia, que permitan tener una respuesta idéntica para cada evento en caso de terremotos repetidos, y que involucren también costos de mantenimiento nulos, ya que los componentes no necesiten reemplazarse. Además, el aislante formará un aislamiento excelente del daño que surja dada la calidad de agregado de las esferas de alúmina sinterizadas .

Otro objeto de la presente invención es elaborar un aislante sísmico que pueda soportar una entrada sísmica multidireccional a fin de, en caso de un terremoto, pueda haber movimientos del edificio independientes de aquellos del suelo sobre el cual se construye, a fin de absorber y aislar la onda sísmica y reducir, por consiguiente, los efectos en las estructuras hasta que se cancelen, en teoría .

Un objeto adicional de la presente invención es elaborar un aislante sísmico que pueda evitar transmitir las fuerzas sísmicas inducidas en el edificio, dando así una reducción en la dimensión estructural y, al mismo tiempo, mantenimiento de la funcionalidad del edificio.

Estos y otros objetos se logran con la presente invención que se refiere a un panel o módulo para utilizarse en edificios nuevos, a fin de instalarse entre un lecho de concreto reforzado a elaborarse en el suelo y las estructuras de cimiento del edificio, tal como, por ejemplo, un lecho de concreto reforzado o lecho de cimiento, a fin de que, en caso de un terremoto, pueda haber movimientos del edificio independientes de aquellos del suelo en el cual se construye, absorbiendo y aislando asi la onda sísmica y reduciendo, por consiguiente, los efectos de las estructuras hasta que se cancelen, en teoría.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Las características y ventajas adicionales de la invención se volverán más fácilmente aparentes a partir de la descripción de una modalidad preferida, pero no exclusiva, del producto que es el sujeto de la presente solicitud de patente, ilustrada por medio de un ejemplo no limitante en las unidades de figura en las cuales: La Fig. 1 muestra una vista en planta y una vista de corte transversal de un panel o módulo pre-fabricado (1) conformado de esferas (2) , con una distancia preestablecida de centro-a-centro entre ellas, que cambia dependiendo de la carga concentrada (actuando la carga sobre un solo punto de la esfera) que se desea forme el soporte de la esfera, elaborado de alúmina sinterizada, unido por substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar (3); La Fig. 2 es un corte transversal: • del panel o módulo prefabricado (1) elaborado de esferas (2) conformadas de alúmina sinterizada y unidos mediante substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano u otros material similar (3) ; • del lecho de concreto reforzado (4) del cimiento que descansa en el suelo (5) y unido en la parte superior por la "interfaz de aislamiento", entendiéndose por "interfaz de aislamiento" la superficie de separación en la cual se encuentra activo el sistema de aislamiento; • del lecho de concreto reforzado o lecho de cimiento ( 6 ) ; • del edificio (7) con columna (8) .

Las Figuras 3 y 4 muestran una modalidad alternativa del panel o módulo prefabricado (1) en el cual: La Fig. 3 muestra una vista en planta y una vista de corte transversal de un panel o módulo prefabricado (1) elaborado de esferas (2), cuya capacidad de movimiento se localiza dentro de un área circular (9) y que tiene una distancia preestablecida de centro-a-centro entre ellas, que cambia dependiendo de la carga concentrada (carga que actúa sobre un solo punto de la esfera) que se desea forme el soporte de esfera, elaborada de alúmina sinterizada, unido por substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar (3); La Fig. 4 es un corte transversal: • del panel o módulo prefabricado (1) elaborado de esferas (2) conformadas de alúmina sinterizada, con capacidad para moverse dentro de un área localizada (9) y unido por substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar (3); • del lecho de concreto reforzado (4) del cimiento que descansa en el suelo (5) y unido en la parte superior por la "interfaz de aislamiento", entendiéndose como "interfaz de aislamiento" la superficie de separación sobre la cual se encuentra activo el sistema de aislamiento ; • del lecho de concreto reforzado o lecho de cimiento ( 6) ; • del edificio (7) con columna (8) .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En la descripción a continuación, se utilizarán los siguientes términos, de los cuales se da la definición: - "subestructura" o "primer cimiento", la parte de la estructura situada debajo de la interfaz del sistema de aislamiento y que incluye los cimientos, teniendo generalmente capacidad de deformación horizontal insignificante y directamente sujeta a los movimientos impuestos por el movimiento sísmico del suelo; "superestructura" o "segundo cimiento", la parte de la estructura situada por encima de la interfaz de aislamiento y, por consiguiente, aislada.

El poliuretano o poliestireno u otro material similar (3) del módulo prefabricado (1) se utiliza para sostener el fundido de concreto de la superestructura en los primeros 28 días de endurecimiento de tal concreto.

La alúmina sinterizada con la cual se elaboran las esferas (2) del módulo prefabricado (1) es un material cerámico que resulta de la sinterización de alúmina, una substancia presente en bauxita, que consiste en un proceso térmico y mecánico a través del cual se reduce hasta una masa compacta de una forma dada; combina las ventajas de las aleaciones de aluminio y metalurgia en polvo.

Las esferas de alúmina sinterizadas se caracterizan por muy alta dureza y resistencia a la compresión y, por consiguiente, elevada resistencia a cargas axiales, de tal manera que las pruebas de laboratorio muestran que una esfera de alúmina sinterizada, de aproximadamente 5 cm de diámetro, sujeta a una carga axial vertical de 9,000 kg, no muestra efecto plástico alguno sobre su superficie de contacto.

Las ventajas de las aleaciones de aluminio son: - bajo peso específico (aproximadamente 2.7 g/cm3) ; buena resistencia a la corrosión; propiedades mecánicas notables; buena resistencia al desgaste; buena resistencia a la fatiga; las ventajas de la metalurgia en polvo son: bajos costos de producción; buen control de tolerancias sin procesamiento posterior; posibilidad de obtener formas complejas a costo limitado.

El grosor del panel o módulo prefabricado (1) es igual al diámetro de las esferas (2), (ejemplo: 3-5-8 cm, etc.) con un área superficial variable que es adecuada para transporte, (ejemplo: 3.00 x 1.50 m, etc.) o por debajo de tamaños estándares.

La instalación de estos paneles o módulos prefabricados (1) prevé que se coloquen en contacto entre si sobre el plano horizontal, entre el primer y segundo cimiento .

Las esferas de alúmina sinterizada (2) deben cubrirse con un aditivo adecuado en el mercado, un agente de liberación de silicona, para asegurar que el poliuretano o poliestireno u otro material similar (3) no entre en contacto con las esferas (2), ya que estas deben permitirse la posibilidad de girar independientemente de la estructura elaborada de material de enlace (3) que las rodea.

La posibilidad de rotación multidireccional de las esferas (2) en caso de un terremoto absorbe y aisla el movimiento de oscilación horizontal del suelo (5) sin transmitir tensiones a la superestructura del edificio (7), el cual, por inercia, tenderá a mantener la posición, reduciendo asi los muy conocidos efectos desastrosos.

El material de enlace (3) , de las esferas de alúmina sinterizadas (2), a densidad baja y variable, permite su rotación controlada. El módulo prefabricado (1) no experimenta deformaciones durante el terremoto, ya que las esferas de alúmina sinterizadas (2) tienen elevada resistencia a la compresión y se encuentran sin consecuencias plásticas; en consecuencia, la respuesta con efecto dispersivo-aislante, será siempre la misma incluso durante el siguiente choque por terremoto, sin haber tenido que reemplazarse nunca los componentes del panel (1) .

Para el sistema de cimientos (6), pueden utilizarse concretos de resistencia normal, tanto los intradosales del aislante como también los trasdosados, Rck 30, con cargas normales, sin efectos plásticos sobre el concreto debido a la esfera de alúmina sinterizada (2) del aislante (pruebas llevadas a cabo en un laboratorio) . Para cargas particulares sobre el cimiento (6), se utilizará un concreto de cimiento con resistencias adecuadas.

Las distancias de centro-a-centro entre las esferas de alúmina sinterizada (2) pueden adaptarse, en casos particulares, a los requisitos de los pesos anteriores a fin de optimizar la carga concentrada en la esfera (2) .

De acuerdo con una modalidad adicional de este panel o módulo prefabricado (1) para disipación y aislamiento sísmico, el material de enlace (3) de las esferas de alúmina sinterizadas (2) se configura de tal manera que cada esfera (2) debe moverse dentro de un área circular localizada (9) que delimita su posibilidad de movimiento y, del mismo modo, muestra su rotación controlada .

Los materiales y las dimensiones de la invención arriba descrita, ilustrada en las figuras acompañantes y posteriormente reivindicada, pueden variarse de acuerdo con los requisitos. Además, todos los detalles pueden reemplazarse por otro técnicamente equivalentes sin apartarse por esta razón del alcance protector de la presente solicitud de patente de la invención.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Módulo de disipación sísmica para aislar la estructura de soporte de carga de edificios, de los efectos de un terremoto, que consiste en un panel o módulo prefabricado para instalarse entre un lecho de concreto reforzado a fin de elaborarse en el suelo y las estructuras de cimiento de un edificio, en donde tal panel o módulo prefabricado se conforma de esferas resistentes a la compresión, colocadas dentro del panel o módulo prefabricado con una distancia preestablecida de centro-a-centro entre ellas, caracterizado tal panel o módulo prefabricado porque tales esferas resistentes a la compresión se elaboran de alúmina sinterizada y se unen mediante substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar.

2. Módulo de disipación sísmica de conformidad con la reivindicación 1, cuyas esferas de alúmina sinterizada se caracterizan porgue se cubren con un aditivo adecuado en el mercado, tal como un agente de liberación de silicona.

3. Módulo de disipación sísmica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el grosor del panel o módulo prefabricado es igual al diámetro de las esferas de alúmina sinterizadas, con un área de superficie variable que es adecuada para transporte.

4. Módulo de disipación sísmica de conformidad con la reivindicación 1, cuyas substancias de baja densidad variable, espumas de poliuretano o poliestireno u otro material similar que une las esferas de alúmina sinterizada se caracterizan porque se configuran de tal manera que cada esfera de alúmina sinterizada debe moverse dentro de un área circular localizada.