Conf.1(2019ReyesSIAlmazánJL)SistemadeaislamientoTridimensionalconlevantamientopermitidoparaestructurasindustrialesAchisina

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A three-dimensional isolation
system with uplift allowed for
industrial structures
Conference Paper
Author(s):
Reyes, Sergio ; Almazán, José L.
Publication date:
2019-04
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-b-000638515
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A three-dimensional isolation system with uplift allowed for industrial structures 
Sergio Reyes (1), José Luis Almazán (2) 
 
(1) Investigador asistente, Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres 
Naturales (CIGIDEN) CONICYT/FONDAP/15110017, sergio.reyes@cigiden.cl 
(2) Profesor asociado, PhD, Pontificia Universidad Católica de Chile, jlalmaza@ing.puc.cl 
Resumen 
La mayoría de los sistemas de aislamiento sísmico proveen a la estructura de aislamiento horizontal, como lo 
hacen dispositivos elastoméricos o de fricción, pero la componente vertical del sismo es transmitida 
directamente a la estructura y el aislamiento vertical podría ser necesario. El aislamiento vertical también es 
necesario para el control de vibraciones de alta frecuencia en equipos mecánicos industriales que podrían ser 
molestas para condiciones de servicio, pero se ha visto alrededor del mundo que los dispositivos de control de 
vibraciones no tienen un buen desempeño en eventos sísmicos. Por lo tanto, se propone un sistema de 
aislamiento sísmico tridimensional basado en rocking, que protege de las vibraciones sísmicas y operacionales 
de manera simultánea. En este trabajo se presenta una comparación del desempeño sísmico de tres tanques 
de almacenamiento de vino con patas aislados con el sistema propuesto. Los resultados muestran los 
beneficios de permitir el levantamiento en estructuras o equipos cuando existe un elemento flexible disipativo 
en la parte inferior que controla el contacto entre la estructura y el suelo en caso de impacto, limitando las 
fuerzas de corte a un valor máximo posible asociado al levantamiento del sistema. 
Palabras-Clave: Aislación sísmica tridimensional, Equipamiento industrial, Estanques de almacenamiento de 
vino. 
Abstract 
Most used seismic isolation systems provide to the structure of horizontal isolation, just like elastomeric or 
frictional devices does, but the vertical component of excitation is still transmitted directly into the structure 
and vertical isolation is needed in some cases. Vertical isolation is needed also for vibration control of industrial 
mechanical equipment to isolate high-frequency operational vibrations that could be annoying for 
serviceability objectives, but it has been seen around the world that vibration control devices do not have a 
good performance at strong seismic events. Therefore, a three-dimensional seismic isolation system based in 
the rocking motion of structures that works isolating in an effective way from operational vibrations and 
seismic accelerations at the same time is proposed. A comparison of the seismic performance of three isolated 
legged wine storage tank with uplift allowed is presented in this work. The results show the beneficial effects of 
allowing uplift in structures or equipment when a flexible dissipative element is placed on the bottom that 
controls the contact between the structure and the ground in case of impact, limiting the shear forces to a 
maximum possible value associated to the uplift of the system. 
Keywords: Three-dimensional seismic isolation, Industrial equipment, Wine storage tanks. 
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1 Introducción 
El fenómeno de rocking o balanceo de algunas estructuras esbeltas y su natural asociación a un 
posible colapso por vuelco hacen que generalmente tengan una connotación negativa, por lo que se 
utilizan medidas para evitar este levantamiento y posible vuelco (por ejemplo, grandes cimientos en 
edificios, pernos de anclaje en estructuras de acero, etc). Sin embargo, restringir este 
comportamiento en el caso de edificios podría llevar a un aumento de las fuerzas internas en los 
elementos [1]. De hecho, se ha visto que en muchos eventos sísmicos de gran intensidad, estructuras 
de acero altas y esbeltas que se encuentran ancladas al suelo sobrevivieron a terremotos, mientras 
que estructuras que parecían más robustas y estables sufrieron daños severos, siendo Housner uno 
de los primeros en investigar este fenómeno en estructuras de péndulo invertido concluyendo que la 
fluencia y posterior alargamiento de los pernos de anclajes deja un espacio suficientemente grande 
para permitir a la estructura levantarse y balancearse hacia adelante y atrás sobre sus cimientos [2,3]. 
Una forma fácil de entender lo que le sucede a una estructura cuando se le permite el levantamiento 
es analizando un cuerpo rígido simplemente apoyado. En la Fig. 1 se muestra el esquema de un 
bloque rígido y la relación fuerza lateral-rotación resultante de aplicar una fuerza lateral. 
Considerando una condición de apoyo sin deslizamiento, cuando se aplica una fuerza lateral en el 
centro de gravedad o un momento volcante equivalente, el vuelco comenzará solo si el momento 
aplicado es más grande que el momento resistente asociado al peso de la estructura, y desde allí la 
fuerza necesaria para mantener el equilibrio disminuye a medida que el centro de La gravedad se 
acerca al plano de apoyo reduciendo el momento resistente. Si los desplazamientos son más grandes 
que este límite de desplazamiento (es decir, el centro de gravedad se mueve más allá del punto de 
apoyo O), el sistema se vuelve inestable y el cuerpo volcará por su propio peso. Una conclusión 
importante de este análisis es que la fuerza lateral máxima que inicial el volcamiento es 
independiente del ancho 2b o la altura 2h de la estructura, sino que solo depende de la relación de 
aspecto . 
 
Fig. 1 – (a) Esquema del bloque rígido simplemente apoyado. (b) Relación fuerza lateral aplicada y 
rotación del bloque rígido. 
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El mismo análisis se puede realizar considerando una flexibilidad de la estructura con la diferencia de 
que el volcamiento comienza después de que la estructura ya se ha deformado lateralmente, y una 
vez que esto ocurre la estructura rota como cuerpo rígido en torno a uno de los apoyos, pero 
oscilando de acuerdo con su período natural [4,5]. Chopra et al [6] incluyó a este análisis la 
interacción suelo-estructura en el movimiento de rocking de una fundación apoyada en dos resortes y 
en una del tipo Winkler, proponiendo un análisis simplificado para estructuras con levantamiento en 
la base, considerando que cuando comienza el levantamiento no se puede desarrollar más momento 
volcante, por lo que existe un máximo corte basal. También algunos autores afirman que estas 
estructuras disfrutan de los mismos beneficios que estructuras con aislación sísmica [7,8], explicado 
parcialmente por un alargamiento importante en el período debido al levantamiento [9]. Incluso se 
han desarrollado pautas de diseño para estructuras propensas a sufrir rocking con el fin de 
aprovechar este comportamiento [10]. 
La Fig. 2 muestra la relación idealizada entre la fuerza lateral y el desplazamiento lateral de una 
estructura rígida apoyada en una base flexible de dos resortes, en donde es el desplazamiento 
lateral al que ocurre el levantamiento de uno de los apoyos, es la fuerza lateral necesaria para 
producir ese levantamiento, y es el desplazamiento máximo que la estructura puede soportar 
antes de volcarse, que es lamitad de la distancia entre los puntos de apoyo. 
 
Fig. 2 – Relación Fuerza lateral vs desplazamiento lateral para una estructura rígida con base 
flexible. 
De todos estos estudios es posible concluir que permitir un balanceo y levantamiento controlado 
puede ser una forma efectiva de aislamiento sísmico, con una cota superior para las fuerzas laterales 
(y por lo tanto para el corte basal) asociada al momento volcante lo cual explica el motivo por el cual 
estructuras que se les permite balancearse resultan con un menor daño en eventos sísmicos de gran 
intensidad. De hecho, recientemente se han aplicado algunos mecanismos que permiten el balanceo 
como un método de aislamiento o reducción de daños en estructuras civiles como en el caso del 
Puente de Rio Vista en Sacramento [11], el Puente de la Puerta de los Leones en Canadá [12], y el 
Viaducto Rangitikei del Sur en Nueva Zelanda [13]. 
Uno de los aspectos más importantes a considerar en estas estructuras es que el levantamiento es 
seguido por un fuerte impacto cuando la estructura vuelve a caer al piso, generando ondas de presión 
en el suelo que podrían dañar el suelo, la cimentación o incluso a la estructura. También existe un 
fuerte acoplamiento horizontal-vertical que hace que la desaceleración vertical repentina del impacto 
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provoque un efecto de rebote a través de los modos verticales y horizontales de la estructura. Estos 
efectos negativos aumentan mientras mayor sea la rigidez de los elementos que participan en el 
impacto, por lo que usar elementos flexibles entre la zona de impacto es una buena manera de 
reducir este efecto. 
En este trabajo se propone un sistema de aislamiento sísmico denominado Sistema de Aislamiento 
Tridimensional Vertical-Rotacional (SATVR). Este sistema puede materializarse con cualquier 
dispositivo que sea verticalmente flexible pero lateralmente rígido, ubicándolos en la base de la 
estructura generando un sistema de apoyo estable y flexible. Esta interacción entre la flexibilidad 
vertical y rigidez lateral de los dispositivos genera el mecanismo de aislación por rocking que permite 
que el centro de masa de la estructura se desplace lateralmente debido a una rotación en la base, sin 
que exista una traslación lateral en la base. Este sistema se caracteriza por tener tres modos flexibles 
de baja frecuencia: traslación vertical en la dirección Z, rotación alrededor del eje X y rotación 
alrededor del eje Y; y tres modos rígidos de alta frecuencia: traslación en la dirección X, traslación en 
la dirección Y y rotación alrededor del eje Z (considerando coordenadas globales según la Fig. 4a). 
Para el caso de estudio específico de este trabajo se utilizará el dispositivo ISO3D-2G para materializar 
el sistema de aislación (dispositivo con solicitud de patente PCT en proceso), ya que es un dispositivo 
ampliamente estudiado y optimizado por los autores para materializar el sistema de aislación 
propuesto. 
2 Dispositivo de aislación ISO3D-2G 
A grandes rasgos, el dispositivo ISO3D-2G es un aislador que está compuesto por un marco metálico y 
un conjunto de elastómeros a compresión y tracción que combina y compatibiliza la aislación sísmica 
con el concepto de control de vibraciones utilizado en equipamiento industrial. La Fig. 3a muestra el 
montaje experimental de un ensayo a compresión realizado al dispositivo, donde se aplicaron ciclos 
de carga monotónicamente crecientes. La Fig. 3b muestra la relación fuerza-deformación obtenida en 
el ensayo. 
A partir de los ensayos experimentales se ha concluido que es conveniente separar la relación 
constitutiva del material elastomérico en una componente elástica, que puede ser modelada 
mediante la teoría de la hiperelasticidad, y en una parte histerética que puede ser modelada con el 
modelo Bouc-Wen. Esta idea fue tomada del trabajo realizado por Alessandi et al. [14] donde el 
comportamiento de los aisladores utilizados se modela con este enfoque. El detalle del modelamiento 
numérico de las relaciones constitutivas tanto verticales como horizontales del dispositivo se 
desarrollará en detalle en otro trabajo de los autores. 
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Fig. 3 – (a) Montaje experimental, (b) relación constitutiva del dispositivo a compresión. 
3 Caso de estudio 
 
Debido al deficiente desempeño sísmico observado en estanques de almacenamiento de vino con 
patas alrededor del mundo [15,16,17,18], este tipo de estructuras se vuelven particularmente 
atractivas para aplicar el sistema de aislación propuesto. La Fig. 4a muestra un estanque de 
almacenamiento de vino con patas montado sobre cuatro dispositivos ISO3D-2G, mientras que la Fig. 
4b muestra una vista bidimensional del mecanismo de aislación por rocking con la respectiva 
distribución en planta de los dispositivos (ubicados uno en cada pata del estanque). Por otro lado, la 
Fig. 4c muestra una vista 2D del modelo idealizado que se considera apropiado para representar el 
sistema de aislación, el cual consiste en un modelo de estructura rígida con seis grados de libertad con 
su masa concentrada a una altura sobre el nivel del sistema de aislación conformado por cuatro 
dispositivos ISo3D-2G que se encuentran simplemente apoyados en el suelo que provee una reacción 
de fuerza hacia arriba, pero cuando existe levantamiento no generan una reacción hacia abajo. 
 
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Fig. 4 – (a) Estanque de almacenamiendo aislado, (b) vista bidimensional del estanque y 
distribución en planta de los dispositivos, (c) modelo idealizado de masa concentrada. 
3.1 Ecuación de movimiento 
Resultados de modelos tiempo-historia obtenidos por Auad G. [19] muestran que la diferencia entre 
usar un modelo completo de interacción fluido-estructura y un enfoque cuasi-estático para líquidos 
en tanques de almacenamiento es despreciable, por lo tanto, las propiedades inerciales equivalentes 
utilizadas para representar el líquido al interior del estanque en la matriz de masa son las que se 
proponen de acuerdo con la teoría de la dinámica de fluidos en recipientes cerrados [20,21]. La forma 
general de la ecuación de movimiento del sistema se presenta en la Eq. (1): 
 (1) 
3.2 Estimación de la curva de pushover 
Si la estructura se empuja lateralmente en el centro de masa, registrando su desplazamiento y el 
corte basal en cada instante, se obtiene una curva como la que se muestra en la Fig. 4. Estos tres 
valores característicos pueden estimarse con la Eq. (2), Eq. (3) y Eq. (4) respectivamente: 
 
 (2) 
 
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 (3) 
 
 (4) 
Donde es la separación de los dispositivos en la dirección de análisis (según la Fig. 4b) y es la 
deformación vertical del dispositivo al soportar la mitad de la carga de la estructura, que a partir de 
los ensayos experimentales de la Fig. 3b se considerará un valor aproximado de para 
1600 kgf. 
3.3 Modelos considerados 
Tres estanques de almacenamiento son analizados considerando distintas dimensiones para el ratio y 
la altura del manto. Esto genera que los tres estanques posean distintas esbelteces. Los tres 
estanques poseen cuatro patas con una misma altura de 90 cm y pesan 3200 kgf. La Tabla 1 resume 
las propiedades geométricas de los estanques, la separación de los dispositivos, y valores 
característicos de la curva pushover: 
Tabla 1 – Propiedades geométricas de los estanques y sistema de aislación. 
Modelo Radio 
(cm) 
Separación de los 
dispositivos (cm) 
Altura manto 
(cm) 
Altura centro de 
gravedad (cm) 
 
(cm) 
 
(kgf) 
M1 75 106 210 195 11.76 666 
M2 67.4 95.3 260 220 14.77 471 
M3 61.7 87.3 310 245 17.97330 
 
3.4 Inputs onsiderados en el modelo 
Los tres modelos fueron sometidos a dos inputs: (i) una condición inicial de velocidad de tal manera 
que se produjera el levantamiento del sistema y un posterior impacto , y (ii) un análisis tiempo-
historia aplicando las tres componentes del registro sísmico de Curicó del terremoto del Maule 
ocurrido el 27 de febrero del año 2010 en Chile (se escogió por la cercanía de este lugar a importantes 
viñedos del país). 
4 Discusión de resultados 
La Fig. 5 muestra la respuesta de los tres modelos a la condición inicial de velocidad y la estimación de 
la curva pushover según las expresiones de la subsección 3.2. Se observa que la respuesta dinámica 
de la estructura se asemeja bastante a la estimada mediante expresiones teóricas para la curva de 
pushover, obteniendo que el corte basal en la estructura comienza a disminuir luego que ocurre el 
levantamiento. 
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Una vez que comienza el levantamiento, se alcanza el máximo corte basal teórico y la estructura 
comienza a rotar como un bloque rígido sobre los dispositivos que aún se encuentran en contacto con 
el suelo, sin embargo, continúa oscilando debido a la flexibilidad que le otorgan los dispositivos tanto 
vertical como lateralmente. 
Si la estructura posee demasiada energía cinética al momento de producirse el levantamiento, esta 
corre el riesgo de alcanzar su desplazamiento límite y volcarse. Si esto no ocurre, la estructura regresa 
e impacta contra el suelo produciendo un efecto rebote que afecta tanto a los modos verticales como 
horizontales de la estructura, tal como se muestra en la figura en las oscilaciones que se producen en 
el esfuerzo de corte luego del impacto. 
A partir de los gráficos se observa que al momento de impactar, el corte basal aumenta de golpe 
entre un 30-50%, sin embargo, si no se utilizaran elementos flexibles en la base este aumento sería 
drásticamente mayor. 
 
Fig. 5 – Estimación de la curva pushover y la respuesta dinámica de la estructura para una condición inicial 
de velocidad: (a) M1, (b) M2, (c) M3. 
La Fig. 6a muestra muestra el desplazamiento del centro de masa (CM) en planta de los tres modelos 
en el análisis tiempo-historia, observando que todos poseen desplazamientos máximos similares en 
cada dirección, sin embargo, dado que la altura del CM es distinta en cada modelo la rotación 
necesaria para generar estos desplazamientos fue menor en el modelo M3, rotando 0.037 radianes 
aproximadamente y siendo el modelo M1 el que sufrió una mayor rotación de 0.044 radianes 
aproximadamente. 
La falla más común en este tipo de estanques es por pandeo de las patas o incrustación de las mismas 
en el manto, producida principalmente por altos esfuerzos de compresión y corte. La Fig. 6b muestra 
la interacción entre el esfuerzo axial y corte en la pata más solicitada del estanque para cada modelo 
donde se aprecia una reducción en el esfuerzo de corte a medida que se aumenta la esbeltez del 
estanque. Estos resultados evidencian una reducción en los esfuerzos de corte de las patas en 
aproximadamente un 80% para el caso del modelo M1 según resultados obtenidos por Auad [19] 
para el mismo estanque apernado al suelo, mientras que la carga axial se redujo un 60%. 
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Fig. 6 – Resultados tiempo historia de los tres modelos: (a) desplazamiento en planta del centro de 
masa de la estructura, (b) interacción de esfuerzo de corte y carga axial para cada modelo. 
5 Conclusiones 
En este trabajo se analizó la efectividad del sistema de aislación propuesto denominado Sistema de 
Aislamiento Tridimensional Vertical-Rotacional aplicado a tres estanques de almacenamiento de vino 
con diferentes razones de aspecto. Las expresiones teóricas estáticas resultaron representar con 
bastante precisión el comportamiento dinámico del sistema, siendo posible validar expresiones 
simplificadas para un futuro procedimiento de diseño. 
Finalmente se concluye que el uso de dispositivos verticalmente flexibles en la base de las estructuras 
para generar un mecanismo de aislación por rocking es una forma efectiva de reducir los esfuerzos de 
corte en las estructuras, limitándolos a un máximo valor asociado al levantamiento. 
6 Agradecimentos 
Los autores agradecen el apoyo económico otorgado por el proyecto FONDEF IT15I10037, por el 
Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN) 
CONICYT/FONDAP/15110017, y el programa de emprendimientos Brain Chile. Además, agradecer la 
ayuda brindada por el equipo del laboratorio del departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica 
de la Pontificia Universidad Católica de Chile para realizar los ensayos presentados en este trabajo. 
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