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ESTUDIO DE DIFERENTES MATERIALES UTILIZADOS EN AISLADORES SÍSMICOS

23 de Octubre de 2023

El elastómero, plomo y acero inoxidable son los principales materiales utilizados en aisladores sísmicos, entender sus propiedades ayuda a diseñar estructuras resistentes para proteger residentes y propiedades. ¡Aprenda más aquí!

 

La ingeniería sísmica, en su búsqueda por fortalecer la seguridad de las estructuras ante la amenaza constante de los terremotos, ha llevado a un profundo estudio y desarrollo de materiales destinados a la fabricación de aisladores sísmicos. Estos dispositivos desempeñan un papel crucial al reducir las fuerzas transmitidas a las estructuras durante un sismo, protegiendo de esta manera vidas humanas, propiedades e infraestructura de un país.

Escoger el material apropiado para los aisladores es una decisión crítica que involucra una compleja evaluación de propiedades físico-mecánicas, así como la evaluación de los costos y beneficios asociados. Es por eso que el día de hoy, en Escobar y Martínez, le hablaremos en detalle sobre los materiales utilizados en aisladores sísmicos, con enfoque a los elastómeros como los de utilidad principal para los diferentes propósitos estructurales. ¡Quédese e infórmese acerca de sus características únicas, ventajas, entre otros aspectos, que le ayudarán a tomar una buena decisión a la hora de usarlos!

 

¿Por qué es importante hacer un estudio de los materiales de los aisladores sísmicos?

 

Los aisladores sísmicos, como ya lo mencionamos, son elementos clave para la mitigación de los efectos de los movimientos sísmicos, ya que ayudan a reducir las fuerzas sísmicas transmitidas a la estructura principal. Elegir los materiales de estos resulta fundamental para garantizar que cumplan con su función de proteger la edificación y sus ocupantes.

 

Cuando se utilizan materiales inadecuados podría ponerse en riesgo el correcto comportamiento del dispositivo y con ello la seguridad de la estructura, comprometiendo su desempeño en caso de un terremoto. Por lo tanto, cada uno de los componentes de un aislador debe ser cuidadosamente estudiado para aportar en las propiedades requeridas por el diseñador estructural tales como el amortiguamiento, rigidez, capacidad de desplazamiento y resistencia, pero este comportamiento debe alcanzarse sin que ninguno de los componentes presente fallas durante las pruebas de prototipo y mucho menos durante un evento sísmico real. Asimismo, hay que tener en cuenta que los aisladores sísmicos deben resistir cualquier condición adversa a lo largo del tiempo sin degradarse, debe ser capaz de mantener sus características dentro de un rango seguro antes cambios de temperatura, envejecimiento, velocidad de aplicación de las cargas o a lo largo de los diferentes lotes de producción. Si esta condición no puede garantizarse es probable que se deban hacer mantenimientos costosos y complejos, además de que durante un evento sísmico podría no comportarse de la manera definida por el ingeniero calculista.

 

Por ello, realizar un estudio de los materiales de los aisladores sísmicos es importante porque influye directamente en la capacidad de una estructura para resistir terremotos y proteger a las personas. La elección de materiales correctos asegurará el trabajo de estos dispositivos en un escenario sísmico.

 

¿Cómo se realiza un estudio óptimo de los materiales de los aisladores sísmicos?

 

En primer lugar, se debe llevar a cabo una exhaustiva investigación de los materiales disponibles en el mercado, pues los aisladores sísmicos pueden estar fabricados con una variedad de materiales, como elastómeros, acero, plomo, entre otros y para los cuales también hay distintos proveedores y fuentes de materias primas. Cada material tiene sus propias características físicas y mecánicas, por lo que es esencial comprender sus propiedades, alcances y limitaciones.

 

Una vez recopilada la información sobre los materiales disponibles, se procede a la realización de una caracterización a la luz de las normas correspondientes, de aquellos que son viables para usar en dispositivos de protección sísmica de base. Una elección adecuada de los materiales a usar en un aislador sísmico debe contemplar el tipo de estructura, su ubicación geográfica, nivel de demanda sísmica, condiciones medioambientales, posibilidad de inspección y mantenimiento, entre otros aspectos que se consideren relevantes. Es necesario garantizar que el material es compatible con estas condiciones y es capaz de responder antes las solicitaciones impuestas por la estructura.

 

No solo será importante revisar que los materiales individualmente poseen las propiedades adecuadas, si no que ellos como conjunto en un aislador responden adecuadamente a las exigencias del diseño estructural mediante los ensayos de prototipo y calidad requeridas para evaluar su comportamiento y aptitud.


Principales tipos de materiales de aisladores sísmicos para una adecuada implementación

 

- Elastómeros

 

Los elastómeros son materiales flexibles y deformables que pueden disipar energía durante un terremoto. Tienen una capacidad inherente para recuperar su forma original después de deformarse, característica que les permite recentrar la estructura a su posición original (recentrado). Estos pueden ser fabricados en diversas formas y grosores, lo que permite su adaptación a las necesidades específicas del aislador. Según su formulación con otros componentes también permiten tener adecuados niveles de amortiguamiento.

 

Otras ventajas relevantes son su facilidad de instalación en el proceso de fabricación de los aisladores, bajo costo en comparación con algunas alternativas y resistencia a la corrosión. Los elastómeros que han sido usados frecuentemente para la elaboración de aisladores son el neopreno (policloropreno) el cual posee excelentes propiedades mecánicas, resistencias a los efectos medioambientales y disipación de energía; el otro tipo es la goma natural o Polisopreno, que también cuenta con adecuadas características para ser usado en aisladores sísmicos, aunque debe estudiarse muy bien su comportamiento ante cambios del medio ambiente.

 

Muchas de las propiedades frecuentemente deben ser reforzadas por medio del uso de componentes que otorgan efectos deseados en cada caso, en particular, por ejemplo, el Negro de Humo, óxidos de Magnesio y Zinc, entre otros, que permiten, por ejemplo, obtener un mejor resultado durante la vulcanización, mayores velocidades de curado, mayor resistencia a fenómenos medio ambientales, antioxidantes, antiozonizantes y plastificantes. Para lo anterior es fundamental contar con un conocimiento profundo en este tipo de materiales.

 

Algunas de las características que deben revisarse a los elastómeros usados en la elaboración de aisladores sísmicos son:

 

- Dureza

 

- Resistencia a la tracción y elongación

 

- Resistencia al rasgado

 

- Adhesión Caucho – Metal

 

- Módulo de corte

 

- Cambio de dureza

 

- Cambio de resistencia a la tracción

 

- Cambio en elongación última

 

- Compresión set. 22 horas 158 °F

 

- Envejecimiento por ozono

 

- Fragilidad a bajas temperaturas

 

- Rigidez térmica instantánea

 

- Cristalización a bajas temperaturas

 

- Deformación por flujo plástico en 25 años

 

- Máxima deformación admisible

 

Entre otros que pueden ser considerados para cada proyecto en particular.

 

- Acero

 

Los aisladores sísmicos deben ser equipados con láminas de acero de refuerzo, ya que los elastómeros son susceptibles de sufrir deformaciones de cortante debidas a las cargas axiales, rotaciones y desplazamientos a los que se ven expuestos. El uso de láminas internas de acero ayuda a controlar esas deformaciones, aportando mayor resistencia a cargas axiales, más rigidez y también tiene contribución en sus propiedades dinámicas. Es importante garantizar la calidad del acero para refuerzo interno del elastómero el cual debe ser en calidad ASTM A36 o ASTM A570.

 

Este acero estará sometido a esfuerzos que pueden llevarlo a la fluencia, además de que la generación de estas fuerzas internas se tendrá de una manera repetitiva durante la vida del dispositivo, razón por la cual debe evaluarse la resistencia a la fatiga. Como es sabido, este tipo de acero debe ser protegido contra la corrosión, razón por la cual debe quedar completamente cubierto de goma. Estas láminas no deben contener rebabas o aristas vivas que puedan desgarrar el caucho y usualmente son tratadas con sandblasting antes de ser sometidas al proceso de vulcanización para vincularlas con la goma. Las propiedades más importantes a tener en cuenta son:

 

- Esfuerzo de fluencia

 

- Esfuerzo último

 

- Esfuerzo admisible a fatiga

 

- Relación de Poisson

 

- Módulo de elasticidad

 

- Plomo

 

La función del plomo en los aisladores sísmicos es principalmente la de brindar mayores niveles de amortiguamiento de los que los aisladores de solo goma ofrecen. En pequeñas deformaciones, como las impuestas por cargas de servicio, el plomo posee una rigidez relevante para garantizar la serviciabilidad de la estructura, sin embargo, una vez supera un esfuerzo de cortante cercano a los 10.0 MPa entra en fluencia y permite obtener ciclos histeréticos estables con una gran capacidad de disipación de energía. Una ventaja es su propiedad de recristalizar a temperatura ambiente (20?°C aproximadamente) y eso lleva a que, al verse sometido a repetidos ciclos de fluencia, no presente daño por fatiga. Para asegurar que este comportamiento pueda darse es necesario garantizar que el plomo tenga una pureza mayor al 99.9% De esta manera, las propiedades más importantes a analizar y garantizar para el plomo de aisladores sísmicos es:

 

- Pureza > 99.9 %

 

- Esfuerzo de fluencia

 

- Acero inoxidable

 

El acero inoxidable es un material metálico altamente resistente a la corrosión y duradero. En algunas aplicaciones, como lo son los aisladores de fricción o péndulo, suele usarse este tipo de acero para implementar superficies deslizantes agregando también teflón. El acero inoxidable es excelente para resistir condiciones ambientales severas y mantener su integridad estructural. Este debe ser en calidad ASTM A167-304 o ASTM A240-304 y será además importante contar con un acabado pulido o acabado brillante espejo. Es recomendable realizar mediciones para establecer el coeficiente de fricción de las superficies, ya que esta juega un papel fundamental en las propiedades del aislador, inclusive a diferentes velocidades de ensayos para verificar la variación de este parámetro. En este tipo de material será importante medir: 

 

- Esfuerzo de fluencia

 

- Esfuerzo último

 

- Esfuerzo admisible a fatiga

 

- Relación de Poisson

 

- Módulo de elasticidad

 

- Coeficiente de fricción 

 

- PTFE (teflón)

 

El teflón o politetrafluoroetileno (PTFE) se usa también en donde se requieran superficies deslizantes para tener una baja fricción en las mismas por lo que naturalmente será importante conocer su coeficiente de fricción al estar en contacto con Inox. Debe considerarse que este material debe tener una adecuada resistencia al calor, ya que este material se adhiere al acero por medio de un proceso con epóxico que cura con el calor. Además de las propiedades físicas antes descritas tales como resistencias mecánicas también es necesario caracterizar el material en otras características importantes como la resistencia al impacto, la dureza Brinell y resistencia química y efectos medioambientales.

 

En términos amplios, la elección del material de aisladores sísmicos depende de las necesidades específicas del proyecto y las condiciones ambientales. Cada tipo de material tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que es esencial considerar cuidadosamente estos factores para una implementación efectiva de protección sísmica.

 

Recuerde que sí está buscando productos técnicos de calidad, en Escobar y Martínez estamos comprometidos con ofrecer aisladores sísmicos respaldados por materiales excepcionales. Nuestros dispositivos están meticulosamente fabricados con elastómeros de vanguardia, que garantizan una protección sísmica en cualquier tipo de estructura.

 

¡Asesórese con nosotros y cumpla las expectativas de sus proyectos!

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