Aislador sísmico para estructuras esbeltas

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El aislador sísmico para estructuras esbeltas es una tecnología que se implementa especialmente en equipos de patio de subestaciones eléctricas de alta tensión, los cuales son delicados y esbeltos. Esta tecnología protege estos equipos ante eventos sísmicos, lo que disminuye drásticamente las pérdidas probables por sismo.

¿Para qué sirve?

• Mejorar el desempeño sísmico de los equipos de patio de las subestaciones eléctricas (tanto de nuevos equipos como de los existentes por medio de la repotenciación).
• Disminuye de manera importante el riesgo de daño por sismo.
  

¿Cómo funciona?

Según el lugar, existe cierta amenaza sísmica y acorde con ésta y otros criterios, se realiza el diseño y construcción de los equipos.  Debido a la función de aislamiento eléctrico de algunos de estos equipos, los materiales que se utilizan para su fabricación, como la porcelana, son frágiles y poco adecuados para soportar cargas intensas y muy inciertas como los sismos.

El aislador-disipador sísmico es un dispositivo basado en una serie de resortes y amortiguadores diseñados y sintonizados para reducir el movimiento de los equipos cuando son sometidos a movimientos sísmicos en su base.  Un aislador-disipador con una altura de 30 centímetros y un peso aproximado de 100 kilogramos, puede sostener un equipo eléctrico de cinco metros de alto y un peso de una tonelada, aproximadamente. El dispositivo también se puede utilizar en estructuras esbeltas como tanques de agua elevados, vallas, entre otros.

Más específico...

Los equipos de patio de subestaciones eléctricas son equipos que entre muchas otras tienen las siguientes particularidades desde el punto de vista de su respuesta ante movimientos símicos: están fabricados de porcelana por razón al aislamiento eléctrico que requieren, y esto los hace muy frágiles, es decir que se rompen repentinamente ante fuerzas no muy grandes.  En segundo lugar, tienen la particularidad de tener una gran esbeltez, es decir, la relación entre la altura y el ancho de la base es muy alta. Un edificio convencional del orden de 20 pisos tiene una esbeltez del orden de 3 (60 m de alto/20m de base), y un equipo de patio tiene una esbeltez del orden de 10 (4.0 m de altura/0.4m de base).

Aunque los aisladores sísmicos se han venido estudiando, fabricando e implementando en el mundo entero desde hace aproximadamente 50 años, estos se han desarrollado para ser implementados en estructuras convencionales de muy baja esbeltez, <3.0, como edificios, puentes, aeropuertos, etc. El principio de funcionamiento de estos aisladores convencionales es desconectar la estructura de la cimentación a los movimientos horizontales, es decir, propiciar que las estructuras se deslicen, o más bien, dejar que el suelo se deslice debajo de las estructuras de tal manera que estas se queden quietas durante un sismo y sea el suelo el que se mueva.  La primera idea que se viene a la cabeza es montar el edificio en unas ruedas de manera que ocurra el deslizamiento deseado.

El deslizamiento perfecto no existe porque al menos las fuerzas de fricción en los rodamientos habrá que vencerlas antes de que inicie el deslizamiento, y esta fuerza se transmitirá inevitablemente a la estructura y la hará moverse así sea un poco.  Si se usan materiales de muy baja rigidez como los cauchos, al menos la fuerza que requieren estos para deformarse se transmitirá a la estructura y la harán moverse un poco.

Este pequeño movimiento en las estructuras poco esbeltas es perfectamente tolerable y entonces estos sistemas de deslizamiento o cauchos de apoyo que permiten el movimiento horizontal del suelo respecto al pequeño movimiento de las estructuras, resuelven con eficiencia el problema sísmico de este tipo de estructuras y efectivamente terminan aislando las estructuras.

En el caso de estructuras muy esbeltas, >10, como los equipos de patio de subestaciones eléctricas, ese pequeño movimiento que se transmite a la estructura por razón de la "imperfección" del aislamiento, se amplifica por razón de la altura de la estructura y se convierte en una rotación o bamboleo extremadamente grande de la estructura que termina dañándola y haciendo completamente ineficiente el sistema de aislamiento convencional diseñado para estructuras de baja esbeltez.  A medida que aumenta la esbeltez de la estructura más ineficientes son los sistemas de aislamiento a movimiento horizontal.

La innovación que se propone, es un aislador, no al desplazamiento horizontal si no a las rotaciones de la estructura: permitir que el dispositivo rote libremente para que la estructura permanezca quieta.  Este efecto se logra disponiendo en la base de la estructura resortes verticales con propiedades de rigidez adecuadas.  Adicionalmente, se añadieron vigas de disipación, que por deformarse de manera importante permiten disipar por comportamiento no lineal del material una gran cantidad de energía.

El sistema de aislamiento y disipación descrito se ensayó en mesa vibradora a escala real y se simuló computacionalmente, y de las simulaciones se encontraron reducciones de los esfuerzos en la porcelana de los equipos que van de 2.5 a 4 veces, en función del contenido frecuencial del sismo.

¿Qué permite?

• Que las cargas transmitidas a las fundaciones son mucho menos intensas en el caso de estructuras sísmicamente aisladas, lo que reduce las especificaciones de las fundaciones.
• La estandarización en el tamaño de las fundaciones para equipos, de manera tal que solo dependan del peso del equipo y el tipo de suelo de cimentación, y no dependan de la zona de amenaza sísmica.
• La repotenciación de equipos existentes que no cumplan con lo establecido en IEC o IEEE en lo concerniente a desempeño sísmico.  Al instalar los dispositivos se disminuye sustancialmente la demanda sísmica sobre el equipo lo cual hace que cumpla con los factores de seguridad exigidos por estas normas.
• En el caso de subestaciones en las cuales se cambien equipos permite seguir utilizando la misma fundación sin necesidad de aumentar sus dimensiones debido al control que se genera sobre el momento de volcamiento.
  

Registro de propiedad intelectual

Patentes No. 16-93662

Grupo de Investigación en Mecánica Aplicada

El objetivo del grupo es investigar y desarrollar métodos para la simulación realista de fenómenos físicos a través del modelado matemático de estos fenómenos y su solución mediante el uso de métodos analíticos, numéricos y simbólicos.

Nuestros investigadores

Juan Diego Jaramillo Fernández

Doctorado en Ingeniería (Estructuras), Universidad Nacional Autónoma de México. Maestría en Ingeniería (Estructuras), Universidad Nacional Autónoma de México e Ingeniería Civil, Universidad de Medellín. Docente del Departamento de Ingeniería Civil.

Giovanni Gelvez Gelvez

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Melissa Londoño Ávila

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