El aislamiento sísmico es una estrategia crucial para proteger las estructuras de daños provocados por terremotos, ya que reduce la transmisión del movimiento del terreno al edificio. Dos tipos principales de aisladores ampliamente utilizados en sistemas de aislamiento sísmico son los elastoméricos y los deslizantes. Si bien ambos sirven para minimizar las fuerzas sísmicas, difieren sustancialmente en materiales, mecánica, características de diseño y rendimiento.
1. Composición y estructura
Los aisladores elastoméricos se componen principalmente de capas de materiales elastoméricos, como caucho natural o sintético, alternadas con placas delgadas de acero unidas entre sí para formar un cojinete laminado. Estos elastómeros proporcionan flexibilidad lateral, mientras que las placas de acero aportan una rigidez vertical significativa y evitan la deformación lateral del caucho bajo carga. Entre las variantes se incluyen los cojinetes de caucho de alta amortiguación (HDRB) y los cojinetes de plomo-caucho (LRB); estos últimos contienen un núcleo de plomo para una mayor disipación de energía mediante la deformación del plomo.
En contraste, los aisladores deslizantes funcionan mediante una interfaz de deslizamiento por fricción entre la estructura y su cimentación. Suelen incorporar superficies de apoyo de acero o acero inoxidable recubiertas con materiales de baja fricción como el teflón o compuestos similares. Los tipos más comunes incluyen deslizadores planos y deslizadores de superficie curva, como los sistemas de péndulo de fricción (FPS). Estos aisladores se basan en el movimiento deslizante controlado durante eventos sísmicos para desacoplar la estructura del movimiento del terreno.
2. Soporte de carga y rigidez
Los aisladores elastoméricos ofrecen una alta capacidad de carga vertical y son rígidos bajo compresión vertical, lo que les permite soportar pesos considerables de edificios con una deformación vertical mínima. Su flexibilidad horizontal se traduce en una importante capacidad de desplazamiento lateral y permite la disipación de energía mediante histéresis del material, especialmente en apoyos de plomo-caucho.
Los aisladores deslizantes gestionan cargas verticales mediante una combinación de la interfaz deslizante y, a menudo, un mecanismo de recuperación auxiliar, como resortes o cojinetes laminados. Su rigidez vertical suele ser menor que la de los cojinetes elastoméricos, pero pueden soportar desplazamientos horizontales mayores, a veces de hasta +/- 1000 mm, lo que los hace adecuados para estructuras que requieren gran capacidad de movimiento bajo fuertes excitaciones sísmicas.
3. Mecanismos de disipación de energía
La disipación de energía en los aisladores elastoméricos se produce principalmente por las características de amortiguamiento inherentes a las capas de caucho y, en los cojinetes de plomo-caucho, por la deformación plástica del núcleo de plomo. El coeficiente de amortiguamiento de estos dispositivos suele oscilar entre el 20 % (HDRB) y el 30 % (LRB).
Los aisladores deslizantes disipan energía mediante la fricción generada entre las superficies deslizantes durante el movimiento relativo. Por ejemplo, los sistemas de péndulo de fricción disipan energía mediante la acción deslizante de un deslizador sobre una superficie cóncava curva, combinada con una fuerza de recuperación creada por el efecto péndulo del peso de la estructura. El factor de amortiguamiento por fricción en estos sistemas puede superar el 30%, lo que los hace altamente eficaces para atenuar la energía sísmica.
4. Características del movimiento y restauración
Los aisladores elastoméricos presentan flexibilidad lateral, pero no presentan una separación física significativa entre la estructura y la cimentación. El movimiento se produce principalmente por deformación dentro de las capas de elastómero. La rigidez del aislador regula el desplazamiento lateral y su capacidad para volver a su posición original es elástica.
Los aisladores deslizantes permiten el desplazamiento relativo real al permitir el movimiento sobre la superficie de deslizamiento. La recuperación del equilibrio se logra mediante mecanismos como resortes de alta tensión o la geometría de deslizadores curvos. Los aisladores deslizantes pueden causar un ligero desplazamiento vertical (elevación) de la estructura debido a la curvatura de los sistemas de péndulo, lo cual debe considerarse en las integraciones de diseño.
5. Aplicaciones típicas e idoneidad
Los aisladores elastoméricos se utilizan comúnmente en edificios y puentes que requieren soporte de cargas verticales de moderadas a altas y desplazamiento lateral moderado. Su compacidad, rendimiento comprobado y facilidad de fabricación los hacen muy populares en numerosos proyectos de aislamiento sísmico.
Los aisladores deslizantes suelen preferirse cuando los desplazamientos sísmicos previstos son muy grandes o cuando la estructura y sus conexiones pueden absorber grandes movimientos relativos. Se utilizan ampliamente en infraestructuras críticas, aislamiento de equipos pesados y estructuras que requieren una alta disipación de energía y una gran capacidad de desplazamiento.
6. Limitaciones y consideraciones
Los aisladores elastoméricos pueden perder capacidad de carga vertical bajo grandes desplazamientos laterales debido a efectos de abombamiento. Además, su capacidad de disipación de energía, si bien significativa, puede ser inferior a la de los sistemas basados en fricción en algunos casos.
Los aisladores deslizantes requieren un diseño cuidadoso de los coeficientes de fricción, los mecanismos de restauración y los límites de desplazamiento para evitar un movimiento relativo excesivo que podría dañar los sistemas conectados. Generalmente, no se combinan bien con los apoyos elastoméricos en la misma estructura, ya que el efecto de sustentación en los puntos de deslizamiento puede causar movimiento diferencial.
En resumen, los aisladores elastoméricos son dispositivos laminados de caucho y acero que proporcionan rigidez vertical y flexibilidad lateral con disipación de energía mediante amortiguamiento del material, ideales para aplicaciones con cargas moderadas a altas y desplazamientos controlados. Los aisladores deslizantes se basan en superficies de deslizamiento por fricción y mecanismos de recuperación para absorber grandes desplazamientos sísmicos con alta disipación de energía, ideales para escenarios que exigen gran capacidad de movimiento y mayor amortiguamiento. La elección entre estos aisladores depende de los requisitos estructurales, las condiciones de carga, el movimiento sísmico esperado y los criterios específicos de rendimiento.
Estas distinciones están bien documentadas en la literatura de ingeniería y en las revisiones de tecnología de aislamiento sísmico.[1][2][3]
[1]https://www.extrica.com/article/18455
[2]https://avestia.com/CSEE2019_Proceedings/files/paper/ICSECT/ICSECT_151.pdf
[3]https://www.mageba-group.com/in/es/1078/223329/Lo-que-debe-saber-sobre-las-soluciones-de-aislamiento-sismico.htm
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