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• Eriksen Mallma Morán

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2014 AISLADORES SISMICOS

INTEGRANTES:  ALCALDE REYES INDIRA  CRUZADO HERNANDEZ CINTIA  MORGAN CAPUÑAY FERNANDA

AISLADORES SISMICOS INDICE

I.- INTRODUCCIÓN

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II.- AISLADORES SISMICOS 1.- CONCEPTO

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2.- CLASES DEAISLADORES

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3.- VENTAJAS DE ESTA TECNOLOGÍA

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4.- TEORÍA

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5.- PRINCIPIOS DE LA AISLACIÓN TERMICA

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III.- CONCLUSIONES

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IV.- BIBLIOGRAFÍAS

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AISLADORES SISMICOS I.- INTRODUCCIÓN El aislamiento sísmico es el sistema más desarrollado de la familia, con continuos avances en dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseño. Los sistemas de protección sísmica pueden ser clasificados en cuatro categorías: sistemas pasivos, activos, híbridos y semi-activos. Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un método suizo denominado “Aislamiento total de la base en tres direcciones” utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empezó la experimentación, implementación y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda principalmente. En el Perú este sistema es relativamente nuevo, pero en el mundo se viene utilizando ya hace algún tiempo, un ejemplo cercano esta en Chile donde ha funcionado muy bien; cuando se produjo el terremoto de febrero del 2010 los edificios que contaban con este sistema no sufrieron daños estructurales. Es importante mencionar que los movimientos sísmicos no son predecibles, por tal motivo debemos tomar conciencia que lo mas importante es que existen las herramientas técnicas para reducir los daños ocasionados por un terremoto y evitar que el interior del edificio sufra daños también, rajaduras de tabiques, tuberías, falso cielo y esto ocasiona a veces que se tenga que dejar la edificación entre 15 y 20 días para repararla.

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AISLADORES SISMICOS II.- AISLADORES SISMICOS 1.- CONCEPTO: Estos dispositivos aíslan al edificio de toda la energía que el suelo introduce por causa de un evento telúrico. Su aplicación en diferentes edificaciones en Latinoamérica y especialmente antes y después del terremoto ocurrido en Chile, ha tenido resultados alentadores. “El aislador sísmico desacopla la estructura del suelo y hace que la aceleración sísmica no pase

y

si

lo

hace,

que

esto

ocurra

en

una

proporción

mínima.

Entonces la estructura se comporta como un bloque rígido que se mueve sobre los aisladores en desplazamientos relativamente pequeños. Por lo tanto, ya no hay desplazamiento entre

piso a

piso que

es

lo que

destruye

la

edificación

En los edificios de construcción convencional, que están fijos a tierra, se amplifica la aceleración sísmica en las partes altas, en cambio una edificación que está sobre aisladores se mueve como un bloque, se estabiliza y la amplificación sísmica es menor”.

Fig. 1: Efecto de un sismo

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AISLADORES SISMICOS AISLACIÓN SÍSMICA DE BASE – Está basada en la idea de aislar una estructura del suelo mediante elementos estructurales que reducen el efecto de los sismos sobre la estructura. Estos elementos estructurales se denominan aisladores sísmicos y son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura. Estos dispositivos pueden ser de diferentes tipos y formas, los mas conocidos son los basados en goma de alto amortiguamiento, goma con núcleo de plomo, neoprenicos o fricciónales. Al utilizar estos elementos, la estructura sufre un cambio en la forma como se mueve durante un sismos y una reducción importante de las fuerzas que actúan sobre ella durante un sismo.

Fig. 2: Efecto de un sismo en un edificio

Fig. 3: efecto de un sismo en un edificio con aislación de base

DIFERENCIA ENTREUNA ESTRUCTURA CON Y SIN AISLADOR ANTE UN EVENTO SÍSMICO:  Reduce las fuerzas cortantes y desplazamientos relativos  Las vidas son protegidas y los elementos no estructurales preservados, manteniéndose las estructuras operativas luego de un sismo.  Reduce sección geométrica de las estructuras.

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AISLADORES SISMICOS  Aminora los costos de siniestralidad.  Evita pérdidas materiales cuantiosas y tiempos en reparaciones.

Fig. 4

2.- CLASES DE AISLADORES:  AISLADORES ELASTOMERICOS El más comúnmente utilizado por arquitectos y constructores, el cual está formado por un conjunto de láminas planas de goma

intercaladas

por

placas planas de acero adheridas a la goma y cubierto en sus extremos superior e inferior por dos placas de acero en las cuales se conecta con la superestructura en su parte superior y la fundación en su parte inferior.

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AISLADORES SISMICOS Entre las placas planas de acero, la lámina de goma puede deformarse en un plano horizontal y de esta manera permitir el desplazamiento horizontal de la estructura relativo al suelo. Para evitar excesivas deformaciones verticales, las placas intermedias de acero del aislador cumplen la función de restringir la expansión lateral (bajo carga vertical) del dispositivo. Este hecho tiene implicancias importantes en el funcionamiento de un sistema de aislación de goma. Este producto permite reducir las fuerzas sísmicas y desplazamientos de una estructura por la absorción de la energía en base de aisladores, y mantener intacta y operable a través de un terremoto.

La serie SI aisladores elastoméricos están reforzadas de caucho

cojinetes

formados por capas alternas de láminas de acero y el caucho vulcanizado en caliente. Por lo general, son de forma circular, pero pueden ser fabricados en la sección cuadrada o rectangular, así.

Estos dispositivos se caracterizan por una baja

horizontal rigidez, alta rigidez vertical y una amortiguación adecuada capacidad. Estas características permiten, respectivamente, a

aumentar el periodo

fundamental de vibración de la estructura, para resistir a las cargas verticales sin apreciable sedimentación, y para limitar los desplazamientos horizontales en estructuras sísmicamente aislados.

Los parámetros de diseño fundamentales

utilizados para determinar rigidez vertical y horizontal son el aislador de Características geométricas (por ejemplo: dimensiones, solo espesor de capa, etc) y las características mecánicas de su elastómero. La capacidad de amortiguación de los aisladores se determina por el tipo de compuesto elastomérico, que por lo general es un alta amortiguación uno.

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AISLADORES SISMICOS

Fig. 5 

CARACTERÍSTICCAS: Los compuestos de caucho usados en la producción de

aisladores

elastoméricos serie SI se caracterizan por una dinámica GDIN módulo de corte efectiva entre 0,4 MPa y 1,4 MPa y por el amortiguamiento viscoso equivalente coeficiente igual a 10% o 15% - sujeto a la Diseño Compuestos de caucho de alta amortiguación se caracterizan por

una variación

significativa de la GDIN módulo de cizallamiento cuando el γ deformación de corte es inferior a 0,5. Esto permite evitar desplazamientos excesivos en condiciones de baja intensidad dinámica excitaciones tales como las cargas de viento. El valor GDIN permanece prácticamente constante para valores de γ entre 1 y 2, correspondiente al diseño sísmico. El coeficiente de amortiguamiento viscoso equivalente ξ también varía como una función de la γ deformación por esfuerzo cortante.

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AISLADORES SISMICOS

Fig. 6: Curva de histéresis típico de un aislador elastomérico logrado durante las pruebas dinámicas con amplitud creciente deformación de corte.

Fig. 7: Variación del coeficiente de amortiguamiento viscoso equivalente media ξ como una función de la γ deformación por esfuerzo cortante.

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AISLADORES SISMICOS  EXISTEN DOS TIPOS: 1. LRB (LEAD RUBBER BEARING) AISLADOR DE CAUCHO CON NÚCLEO DE PLOMO: - Producto desarrollado en la década de 1970. - Utilizado en mas de 8000 estructuras en todo el mundo. - Aislamiento sísmico basal con un único dispositivo. - Apoya la estructura y proporciona fuerza restauradora elástica y amortiguación. - Permite desplazamientos de hasta 700 mm. 2. RB (RUBBER BEARING) AISLADOR DE CAUCHO DE ALTA RESISTENCIA SIN NÚCLEO DE PLOMO: - Alternativa para el cojinete de goma de plomo. - Aislamiento sísmico basal con un único dispositivo - Apoya la estructura necesaria y proporciona fuerza restauradora elástica y amortiguación. DETALLE:

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AISLADORES SISMICOS VENTAJAS: - Inteligente tecnología de vanguardia fuertemente respaldada por los consultores de ingeniería líderes en el mundo. - Sistema ampliamente usado para la protección sísmica de diversos tipos de estructuras. - Reduce hasta un 80% la energía sísmica. - Adaptación aislación sísmica a edificios existentes. USOS: Aislamiento sísmico especialmente adecuado para hospitales, puentes, fábricas, centros educacionales, museos, edificios de oficinas y habitacionales, estanques de agua y combustible

 AISLADORES FRICIONALES

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AISLADORES SISMICOS  AISLADORES DE PÉNDULO DE FRICCIÓN Es un dispositivo consistente en un “deslizador” que se mueve sobre una superficie esférica cóncava. Cualquier movimiento de la base producirá un desplazamiento del “deslizador” a lo largo de esta superficie disipando energía por fricción. Como este desplazamiento ocurre sobre una superficie curva la fuerza vertical transmitida por el “deslizador” provee una componente tangencial que tiende a centrar al sistema. La idea del FPS es muy simple y funciona extraordinariamente bien. También están los denominados deslizadores, los cuales disipan la energía mediante la fricción seca entre superficies de materiales distintos, como por ejemplo fluoropolímero y acero. Son actualmente una alternativa técnica en un incipiente mercado dominado casi exclusivamente por la idea de la efectividad de aisladores compuestos de capas superpuestas de goma y metal. Haciendo abstracción de los problemas tecnológicos vinculados con la construcción de aisladores. 1. AISLADORES SÍSMICOS PARA LA PROTECCIÓN DE EDIFICIOS, PUENTES Y FACILIDADES INDUSTRIALES

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AISLADORES SISMICOS Los Apoyos de Péndulo de Fricción son aisladores sísmicos que se encuentran instalados entre una estructura y sus cimientos para proteger la estructura soportada de los movimientos sísmicos. Usando la tecnología de Péndulo de Fricción, es rentable construir estructuras que resistan elásticamente los movimientos sísmicos sin daño estructural. Los Apoyos de Péndulo de Fricción usan las características del péndulo para alargar el periodo natural de la estructura aislada para así evitar las fuerzas telúricas más fuertes. Durante un sismo, la estructura soportada se mueve

en

pequeñas

oscilaciones

pendulares.

Ya

que

los

desplazamientos inducidos por terremotos se producen principalmente en los Apoyos, las cargas laterales transmitidas a la estructura se reducen significativamente. El Apoyo de Péndulo Simple es el aislador de Péndulo de Fricción original. Este aislador mantiene el apoyo de la carga vertical en el centro del elemento estructural. Esto favorece ventajas en los costos de construcción si el sistema estructural es débil, ya sea encima o debajo del Apoyo. El Apoyo también tiene una altura pequeña, lo cual puede ser ventajoso en algunas instalaciones. El Apoyo de Triple Péndulo incorpora tres péndulos en un solo Apoyo, cada uno con propiedades seleccionadas para optimizar la respuesta de la estructura a diferentes fuerzas sísmicas y frecuencias. En ambos casos, al producirse el desplazamiento sobre un plano horizontal en cualquier dirección, el deslizador se desplaza horizontalmente sobre la superficie esférica cóncava causando adicionalmente un desplazamiento vertical de toda la estructura (es la elevación de todo su peso), lo cual consume una gran cantidad de energía. El deslizador regresa a su centro por efectos de la gravedad produciendo calor en las superficies en contacto. La consecuencia de lo anterior es la disipación de la energía sísmica en trabajo y calor. También existen los Apoyos a Tensión que puede acomodar cargas estructurales verticales que varían de compresión pág. 12

AISLADORES SISMICOS a tensión durante los movimientos sísmicos. Este Apoyo puede reducir sustancialmente costos estructurales mediante la prevención del levantamiento de un elemento estructural principal, y puede eliminar problemas de vuelcos potencia-les o largos movimientos sísmicos verticales.

2. EL APOYO DE TRIPLE PÉNDULO: El Apoyo de Triple Péndulo ofrece mejor desempeño sísmico, reduce los costos a comparación de las tecnologías convencionales de asilamiento sísmico. Las propiedades de cada uno delos tres péndulos que conforman el Apoyo de Triple Péndulo son elegidas para tornarse secuencialmente activas a diferentes fuerzas. A medida que el sismo incrementa su fuerza los desplazamientos del Apoyo se incrementan. A mayores desplazamientos, la longitud efectiva del péndulo y el amortigua-miento efectivo aumentan, lo que resulta en fuerzas sísmicas y desplazamientos del Apoyo más bajos. El aislador Interno del Triple Péndulo está compuesto por un deslizador interno que se desliza a lo largo de dos superficies esféricas cóncavas. Las propiedades del péndulo interno se escogen generalmente para reducir los picos desaceleración que actúan en la estructura aislada y sus contenidos, para minimizar la participación de modos superiores y reducir las fuerzas de cortante que se producen durante sismos de nivel de servicio. Los dos deslizadores cóncavos, que se deslizan sobre las dos superficies cóncavas principales conforman dos aisladores de péndulo independientes. Las propiedades del segundo péndulo son escogidas para minimizar las fuerzas de cortante que ocurren durante los sismos de diseño. Esto reduce los costos de construcción de la estructura. Las propiedades del tercer péndulo son escogidas para minimizar los desplazamientos del Apoyo que ocurren durante el máximo sismo

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AISLADORES SISMICOS creíble. Esto reduce el tamaño y costo de los Apoyos, y reduce los desplazamientos requeridos para mantener una adecuada separación entre estructuras vecinas. El Apoyo de Péndulo Único mantiene la fricción constante, la rigidez lateral, y el periodo constante para todos los niveles de movimientos sísmicos y desplazamientos.

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AISLADORES SISMICOS 3. PRINCIPIOS DE PÉNDULO DE FRICCIÓN: AISLAMIENTO SÍSMICO El periodo del Apoyo de Péndulo de Fricción es seleccionado simplemente escogiendo el radio de curvatura de la superficie cóncava. Es independiente de la masa de la estructura soporta-da. El amortiguamiento se selecciona escogiendo el coeficiente de fricción. Los movimientos de torsión de la estructura son minimizados porque el centro de rigidez de los Apoyos coincide automáticamente con el centro de masa de la estructura soportada. El periodo del Apoyo, capacidad de carga vertical, amortiguamiento, capacidad de desplazamiento y capacidad de tensión pueden ser escogidas independientemente. Para el Apoyo de Triple Péndulo, tres radios efectivos y tres coeficientes de fricción son seleccionados para optimizar el desempeño para diferentes fuerzas y frecuencias de sismos. Esto permite máxima flexibilidad en el diseño para acomodarse a movimientos tanto moderados como extremos. Incluyendo pulsos de fuente cercana.

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AISLADORES SISMICOS  AISLADORES BASADOS EN RESORTES METÁLICOS HELICOIDALES Son actualmente una alternativa técnica en un incipiente mercado dominado casi exclusivamente por la idea de la efectividad de aisladores compuestos de capas Superpuestas de goma y metal. Haciendo abstracción de los problemas tecnológicos vinculados con la construcción de aisladores.

 AISLADORES TIPO FPS Este tipo de aisladores utilizan las características de un péndulo simple para incrementar el periodo natural de una estructura aislada, el periodo de la estructura se selecciona simplemente escogiendo el radio de curvatura de la superficie cóncava del aislador. Básicamente estos dispositivos son de acero inoxidable y constan de una superficie cóncava, un patín esférico articulado y una platina de cubierta (ver Figura 1.10). Durante un sismo, el patín articulado se desliza en la superficie cóncava generando en la estructura soportada pequeños movimientos de péndulo. La disipación de energía se logra mediante pág. 16

AISLADORES SISMICOS la fuerza de fricción dinámica, la cual genera el amortiguamiento necesario para absorber la energía de entrada. En consecuencia, las fuerzas y movimientos laterales transmitidos a la estructura se reducen en gran proporción, pues las grandes deformaciones de desplazamiento son soportadas por los aisladores.

Fig. 8: Detalle de un aislador tipo FPS Muchos detalles de los dispositivos friccionales son importantes y no resultan obvios, como por ejemplo que el "deslizador" es de forma lenticular esférico de modo que el deslizador esté en contacto con la superficie cóncava en un área y no un solo punto, como sería el caso al tener un deslizador perfectamente esférico. Este detalle evita que la superficie esférica de acero se raye, pues dicha superficie es pulida como un espejo, y cualquier rayón podría impedir el desplazamiento libre del aislador. El deslizador está recubierto por un Politetrafluoroetileno, PTFE o teflón de alta resistencia, que tiene un coeficiente de fricción bajo y tiene por objeto evitar la ralladura de la superficie esférica de acero, este material permite trabajar con presiones de diseño cercanas a 500 Kg/cm2. La superficie cóncava y la superficie del deslizador tienen el mismo radio, lo que permite un buen encaje y una distribución de presión bajo cargas verticales

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AISLADORES SISMICOS relativamente uniforme.

Fig. 9: Aislador FPS en posición hacia abajo (a) y hacia arriba (b) 3.- VENTAJAS DE ESTA TECNOLOGÍA: Entre las ventajas que tiene este tipo de tecnología es la seguridad estructural es entre 6 a 8 veces mayor que un edificio convencional, protección de los contenidos, se evita la paralización post-sismo y se puede utilizar tanto en edificaciones como en equipos industriales para el control de vibraciones. En los terremotos de Northridge, EE.UU. (1994) y Kobe, Japón (1995) se comprobó con éxito las ventajas de la aislación sísmica al observar el excelente comportamiento de los edificios aislados frente a los convencionales. Debido a esto, después del terremoto de Kobe, la construcción de edificios aislados en Japón creció a un ritmo de 20 edificios aislados por mes, siendo que hasta antes del sismo el número de edificios aislados era de 80.

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AISLADORES SISMICOS 4.- TEORÍA La aislación sísmica modifica las propiedades dinámicas de rigidez (aumento del período fundamental en torno a 2.5 seg) y amortiguamiento (incremento de amortiguamiento a valores del orden del 10%) del sistema estructural de modo que los esfuerzos inducidos por la excitación son considerablemente menores. Según los estudios realizados por Molinares y Barbad (BOZZO, 1996), la teoría lineal de aislación basal (NAEIM y KELLY, 1999) se puede utilizar como una herramienta efectiva al momento de analizar edificios con aisladores sísmicos, sobre todo en etapas de prediseño, debido a los supuestos que considera y que simplifican el problema. Entonces, para efectos de validar esta teoría lineal mediante el uso de un procedimiento simplificado, se considera el estudio de un modelo de un edificio de un piso con aisladores sísmicos de comportamiento lineal y no lineal. La idea es obtener la respuesta del sistema en tiempo discreto ante una solicitación sísmica. Por lo anterior, en esta sección se presentan las ecuaciones a solucionar que representan a la teoría lineal de aislación basal.

5.- PRINCIPIOS DE LA AISLACIÓN SÍSMICA Los principios en los cuales se basa el funcionamiento de la aislación sísmica son dos: En primer lugar, la flexibilización del sistema estructural o alargamiento del período, y en segundo lugar, el aumento del amortiguamiento.

La flexibilización o alargamiento del período fundamental de la estructura se logra a través de la introducción de un piso blando entre el suelo de fundación y la Superestructura. Intuitivamente se reconoce que la rigidez lateral de este piso blando es mucho menor que la rigidez lateral de la superestructura, el sistema tenderá a deformarse sólo en la interface de aislación, trasmitiendo bajos esfuerzos cortantes a la superestructura la que sufre un movimiento de bloque

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AISLADORES SISMICOS rígido, por ende sin deformación ni daño durante la respuesta sísmica. Por este motivo, el aislamiento de base es más recomendable en estructuras rígidas sobre terrenos firmes. El aumento del amortiguamiento viene dado principal

El aumento del amortiguamiento viene dado principalmente por el sistema de aislación utilizado. Este aumento de amortiguamiento busca reducir la demanda de deformaciones sobre el sistema de aislación y la superestructura sin producir un aumento sobre las aceleraciones de esta última (DE LA LLERA, 1998).

Como se muestra en la figura 2.2-1, el hecho de implementar aisladores sísmicos en la base hace ventajoso el comportamiento de la estructura debido a que evita los efectos más dañinos que se pueden producir en la estructura a causa de los esfuerzos resultantes de los desplazamientos relativos entre pisos.

Fig. 10: Comportamiento de una estructura de base fija y otra con base aislada.

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AISLADORES SISMICOS III.- CONCLUSIONES En un edificio con aislamiento sísmico, se debe cuidar hasta el último detalle en la conexión entre el edificio, el aislador y la cimentación, ya que debe existir un claro deslinde entre la cimentación y la superestructura. El potencial de ahorro en costo en el sistema estructural de un edificio aislado está en función de dos aspectos principales: el nivel de sismo para el cual se diseña la estructura aislada con respecto al nivel que sirve para diseñar la estructura convencional, y la ubicación de los aisladores en el plano de la estructura. El ahorro de los aisladores no se mide en el momento de la construcción, sino después de un sismo. Hay dos factores que influyen importantemente en la efectividad de la respuesta de un edificio con aislamiento sísmico en la base bajo la acción de un sismo que lo lleve aun comportamiento no lineal, los cuales son: La cantidad de energía que el dispositivo absorbe y el cambio del período en el primer modo de la edificación, debido a la flexibilización de la estructura. La factibilidad económica de un edificio aislado se determina a partir de un análisis interdisciplinario que considere: la geología local (fallas locales, estratos, condiciones de suelo, efecto doppler, etc.), amenaza sísmica (sismos presentados, período, frecuencia, severidad, nivel de aceleraciones, etc.), tipo de daño que se considera (menor o reparable), propios de la estructura (forma estructural, regularidad vertical y horizontal, materiales, uso de la estructura, características, etc.) El aislamiento sísmico no es sistema que se pueda implementar en todos los casos, por lo tanto no es general, presenta limitaciones en ciertos rangos de masas y secciones de aisladores. El sistema ideal se encuentra limitado a períodos entre 0.5 y un segundo, pero además las condiciones del suelo deben de ser tales que no amplifiquen el sismo en períodos medios o largos.

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AISLADORES SISMICOS IV.- BIBLIIOGRAFÍA  http://es.scribd.com/doc/132656487/Aisladores-sismicos-pendulos-de-friccion-pdf  http://www.fiic.la/LXV%20CONSEJO%20DIRECTIVO%20PANAMA/DELALLERA%203. pdf  http://www1.frm.utn.edu.ar/sismos/archivos/DESARROLLO_DE_UN_DISPOSITIVO _DE_AISLAMIENTO_SISMICO.pdf  https://cdvrepresentaciones.com/aisladores-sismicos/  http://www.elmostrador.cl/pais/2010/03/07/aisladores-sismicos-la-tecnologiaque-pudo-haber-mitigado-la-catastrofe/  http://html.rincondelvago.com/estudio-comparativo-de-edificios-con-aislamientosismico-en-la-base.html  http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/2043/2/T-ESPE-020940-1.pdf

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