CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un dispositivo para la aislación tridimensional de vibraciones entre estructuras y equipamiento industrial en general y el suelo o sus fundaciones y más específicamente para la aislación tridimensional de vibraciones de pequeña, mediana o gran intensidad y para ser usado en conjunto con otros dispositivos semejantes, conformando así un sistema de aislación tridimensional de vibraciones.

ESTADO DE LA TECNICA

Los dispositivos de aislación tridimensional (3D) de vibraciones más comunes que existen para proteger las estructuras y equipos industriales de sismos y otras vibraciones de pequeña, mediana y gran intensidad comprenden un elemento central que trabaja en compresión y absorbe vibraciones verticales combinado con uno o más mecanismos auxiliares que proveen aislación en las dos direcciones horizontales.

Un ejemplo es el aislador sísmico de base divulgado en el documento JPH10280660A posee como elementos principales un resorte de aire entre una placa superior conectada al piso de un piso de aislación y una placa inferior conectada a fundaciones a través de una placa de montaje y un par de amortiguadores de fricción. El resorte de aire tiene en su interior, aproximadamente al centro, un bloque de goma que regula la posición límite inferior de la placa superior. Los amortiguadores de fricción consisten en dos brazos articulados dispuestos a uno y otro lado del resorte y teniendo almohadillas de fricción regulables en la articulación. Además, la placa inferior se apoya en un rodamiento plano que es movible en dos dimensiones a lo largo de la superficie de la placa de montaje, evitando que el dispositivo se deforme bajo cargas horizontales. El dispositivo está diseñado para formar parte de un sistema con otros dispositivos equivalentes distribuidos en el piso de aislación para absorber las vibraciones verticales en combinación con un número de resortes de compresión y de tensión dispuestos entre el piso de aislación y las fundaciones para absorber las deformaciones o esfuerzos en sentido horizontal.

También existen algunos aisladores 3D de vibraciones que integran en el mismo dispositivo los elementos que permiten absorber esfuerzos o deformaciones en todas las direcciones y no solo en sentido vertical. Un ejemplo lo constituye el aislador de vibraciones para un panel de conexiones eléctricas divulgado en la patente KR10708215B1 . El aislador de vibraciones comprende un resorte central dispuesto entre una placa superior y una placa inferior, la placa superior estando fijada a una base superior que está a su vez fijada a la parte inferior del panel eléctrico y la placa inferior estando fijada a una base inferior en contacto con el suelo. Además, el aislador de vibraciones comprende una barra flexible por el centro del resorte, en que, ambos, el resorte central y la barra flexible, absorben los impactos cuando el suelo vibra verticalmente y a su vez se doblan elásticamente para permitir que unos resortes de tensión (pueden ser tres, cuatro o más), dispuestos inclinados entre la placa superior y la placa inferior y articulados en sus extremos, amortigüen las vibraciones horizontales y verticales del suelo transmitidas al panel eléctrico y restablezcan éste a su posición original. Por su construcción basada en resortes no posee en sí mismo mecanismo de disipación de energía.

Otro aislador 3D de vibraciones integrado es el de la patente de invención chilena N° 52.267 (Almazán et al.), el cual se caracteriza por estar formado por un armazón de seis placas metálicas conectadas por medio de bisagras que forman un marco hexagonal, con una placa superior horizontal unida a un elemento conector fijado por arriba a la estructura o equipo, una placa inferior fijada a las fundaciones y un par de placas laterales inclinadas a cada lado que sirven de guía al desplazamiento vertical de la placa superior por efecto del peso propio de la estructura y las vibraciones y a su vez de restricción a desplazamientos en eje longitudinal y giros en el eje transversal, teniendo además el dispositivo al menos un resorte que limita el movimiento relativo entre las placas y proveen la rigidez del dispositivo y al menos un disipador de energía que amortigua el movimiento relativo de las placas. El elemento conector es pivotable respecto a un eje de giro de dirección paralela al eje transversal del dispositivo, el eje transversal estando definido como el eje horizontal perpendicular a las bisagras. La restricción de rotación en torno al eje vertical es provista por la fijación de la placa inferior a las fundaciones de la estructura o equipo

El dispositivo de Almazán et al. está diseñado para configurar un sistema que reúne un conjunto de dispositivos para aislación tridimensional de vibraciones en respectivos apoyos discretos de un equipo industrial o estructura, bastando que la estructura a aislar tenga 3 o más apoyos discretos, y que cada dispositivo se oriente de manera que los ejes transversales de cada uno converja al eje vertical que atraviesa el centro de gravedad de la estructura, logrando con ello una aislación tanto en sentido vertical como lateral. Tiene la ventaja de que ocupa poco espacio y posee una alta capacidad de disipación de energía y de deformación vertical (de hasta 300 mm) a un bajo costo. Sin embargo, adolece de una serie de limitaciones: • la capacidad de deformación está limitada por tensión admisible del acero de los resortes;

• no es fácilmente escalable a equipos o estructuras mayores (sobre 2 ton de carga) debido al costo en materiales (volumen de acero);

• funciona en combinación con otros dispositivos con orientaciones específicas;

• requiere un elemento conector pivotable entre el dispositivo y el equipo o la estructura a aislar;

• el esfuerzo de corte en el dispositivo es soportado por un sistema articulado de bisagras, las que trabajan solamente en su dirección longitudinal, razón por la cual sólo la mitad de los dispositivos resiste esfuerzos de corte durante un sismo; y

• usa un disipador de energía para amortiguar el movimiento relativo de las placas, lo cual encarece el dispositivo aislador.

En consecuencia sería deseable poder superar las anteriores limitaciones y proporcionar un aislador de vibraciones tridimensional que sea más simple y eficiente, tenga un mayor espectro de aplicación, sea escalable a cargas mayores y sea más económico de fabricar.

RESUMEN DE LA INVENCION

La presente invención consiste en un dispositivo para la aislación tridimensional (3D) de vibraciones entre estructuras o equipos industriales en general y el suelo o sus fundaciones, que comprende un marco metálico hexagonal articulado conformado por una placa superior de anclaje a la estructura o equipo, una placa inferior de apoyo en el suelo o fundaciones y al menos un par de brazos articulados y opuestamente inclinados a cada lado. Al interior del marco, se disponen centradamente y verticalmente en serie, uno o más anillos elastoméricos verticales de compresión confinados entre la placa superior y un tubo cilindrico vertical que sirve de apoyo inferior para el o los anillos elastoméricos como conjunto y que está unido a la placa inferior. Por otra parte, delante y detrás del marco se dispone al menos un par bandas elastoméricas de tracción, en que cada banda elastomérica de tracción está enganchada en, y pre-tensada entre, un par de los brazos articulados y opuestamente inclinados de cada lado del marco. El dispositivo comprende además una barra guía central de una longitud predeterminada menor a la separación entre la placa superior y la placa inferior, que tiene un extremo unido a la placa superior, atraviesa el interior de el o los anillos elastoméricos verticales de compresión y por el extremo opuesto se introduce en forma no restringida en un buje flexible anular que está fijamente inserto en el tubo cilindrico vertical. Aplicado a una estructura o equipo industrial el dispositivo se combina con al menos otros dos dispositivos equivalentes para conformar así un sistema de aislación 3D de vibraciones compuesto por al menos tres dispositivos no alineados entre sí dispuestos en respectivos apoyos discretos de la estructura o equipo industrial a aislar.

Los anillos elastoméricos verticales de compresión pueden tener placas metálicas entre los anillos.

En cuanto al número de brazos articulados y opuestamente inclinados y el número de bandas elastoméricas de tracción, el dispositivo admite distintas combinaciones de los mismos, según el desempeño que se desee obtener, el peso de la estructura o equipo a soportar y el número de dispositivos que conforman el sistema. Preferentemente, el dispositivo tiene sólo un par de bandas elastoméricas de tracción, las bandas respectivamente situadas delante y detrás del marco metálico hexagonal enganchadas en, y pre-tensadas entre, un par de brazos articulados y opuestamente inclinados de cada lado del marco. Sin embargo, el dispositivo también podría tener dos o más pares de brazos articulados y opuestamente inclinados por lado y las bandas elastoméricas de tracción estar enganchadas en uno o más de dichos pares de brazos por lado, para así aumentar la rigidez del conjunto ante estructuras más pesadas.

Los apoyos para las bandas elastoméricas de tracción pueden ser extensiones de los ejes de la articulación de los pares de brazos articulados opuestamente inclinados o bien barras metálicas ortogonalmente unidas a los brazos.

Los distintos componentes del dispositivo se ensamblan de manera tal que funciona como un apoyo verticalmente flexible y lateralmente rígido, generando así un mecanismo de aislación tridimensional basado en rotación ( rocking , en inglés), donde la barra guía central desliza por el interior del buje flexible anular en respuesta a una vibración vertical y luego retorna, otorgándole fuerza de restitutiva vertical al dispositivo. La barra guía evita además el pandeo de el o los anillos elastoméricos y actúa soportando el esfuerzo de corte. Cuando el dispositivo se combina con otros iguales para aislar una estructura o equipo industrial de vibraciones, el esfuerzo de corte es soportado en forma simultánea y distribuido entre todas las barras guías.

Para deformaciones laterales pequeñas el dispositivo posee cierta flexibilidad otorgada por las propiedades del buje flexible anular, sin embargo para grandes deformaciones éste llega a su límite restringiendo el movimiento y transfiriendo las fuerzas laterales a través del tubo cilindrico. El buje flexible anular puede ser un buje elastomérico o un buje polimérico y permite el giro de la placa superior evitando la necesidad de materializar una rótula externa.

Al reemplazarse los resortes a compresión y tracción de acero de los dispositivos del arte previo, en particular del dispositivo de la patente de invención chilena N° 52.267 (Almazán et al.), por elastómeros, se obtiene una mayor capacidad de deformación y versatilidad para escalar el dispositivo a estructuras de mayor peso y se reduce el costo de los materiales para su fabricación. Además por la fuente de disipación de energía propia de los elastómeros se puede prescindir de un dispositivo disipador de energía auxiliar. Asimismo, la relación fuerza-deformación no lineal propia de los elastómeros es más adecuada para aislamiento sísmico ya que su endurecimiento a grandes deformaciones es gradual, funcionando como un limitador de desplazamientos. Sin embargo, es posible utilizar resortes metálicos y anillos elastoméricos verticales de compresión de manera combinada para lograr el comportamiento deseado, específicamente uno o más resortes metálicos helicoidales coaxiales, de la misma altura y de distinto diámetro, dispuestos por fuera de él o los anillos elastoméricos verticales de compresión.

Por otra parte, al reemplazarse el elemento conector pivotable que existe en Almazán et al. entre el mecanismo de aislación y la estructura o el equipo, por la barra guía central y la estructura de restricción conformada por el tubo cilindrico vertical y el buje flexible anular, la invención sirve tanto para aislar de pequeñas vibraciones de alta frecuencia como para aislar de grandes vibraciones producidas por sismos intensos. Así, el dispositivo de la invención puede usarse en conjunto con otros dispositivos iguales netamente como sistema aislador de vibraciones en diversos equipos que lo requieran, teniendo la ventaja de además brindar protección durante eventos sísmicos.

Algunos ejemplos son:

• Equipos de aire acondicionado ("Centrifugal Liquid Chiller") de gran masa y costo, ubicados generalmente en pisos superiores de edificios donde las aceleraciones del suelo son amplificadas.

• Generadores eléctricos que podrían ser críticos para operaciones necesarias después de un evento sísmico.

• Equipos rotativos de gran masa en general

Asimismo, el dispositivo de la invención puede usarse en conjunto con otros dispositivos semejantes como aislador sísmico de bajo costo para estructuras industriales tales como: • Estanques de acero inoxidable de pared delgada con patas para el almacenamiento de vino u otras sustancias

• Recipientes de presión para procesos industriales tales como digestores y torres de destilación

• Estructuras de madera

• Equipos de subestaciones eléctricas en general

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Para facilitar la comprensión de las precedentes ideas, se describe seguidamente el objeto de la invención, haciendo referencia a los dibujos ilustrativos que se acompañan.

La Figura 1 representa una vista en perspectiva de un ejemplo de realización del dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones de la patente de invención chilena N° 52.267 (Almazán et al.), que constituye el arte previo más cercano a la invención.

La Figura 2 representa una vista en perspectiva de un ejemplo de realización del dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones de la invención.

La Figura 3 representa una vista en perspectiva de despiece del dispositivo de la Figura 2, mostrando los diferentes elementos que lo componen.

Las Figuras 4.1 y 4.2 representan vistas en elevación frontal del dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones de la Figura 2 en dos condiciones, respectivamente, una normal (sin cargas aplicadas) y otra deformado bajo la acción simultánea del peso propio de la estructura o equipo y cargas debidas a vibraciones verticales y horizontales, estas últimas en sentido lateral del dispositivo o, lo que es lo mismo, en el plano (frontal) de la figura.

Las Figuras 5.1 y 5.2 representan vistas laterales del dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones de la Figura 2 en las mismas dos situaciones que en las Figuras 4.1 y 4.2 pero en que las vibraciones horizontales son en sentido delante-detrás o, lo que es lo mismo, en el plano (lateral) de la figura.

La Figura 6 representa un ejemplo de aplicación del dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones de la invención montado bajo las cuatro patas de un estanque contenedor de líquidos. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Como se ve en la Figura 1 , el dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones de la patente de invención chilena N° 52.267 (Almazán et al.), que constituye el arte previo más cercano al invento, se caracteriza primeramente por comprender un mecanismo de aislación conformado por: i) un armazón de seis placas metálicas, una superior (1) horizontal, una inferior (2) horizontal y dos pares de placas laterales inclinadas (3) a cada lado, en que las placas están conectadas por medio de bisagras (4); ii) un resorte primario de compresión de dirección vertical (5) centrado entre las placas superior e inferior y resortes secundarios de tracción de dirección horizontal (6) que se extienden entre las placas laterales de uno y otro lado del dispositivo; y iii) un disipador de energía histerético friccional (7) de dirección vertical situado al interior del resorte vertical entre las placas superior e inferior.

Aquí el resorte primario es el encargado de proveer la estabilidad básica del dispositivo y proporcionar la flexibilidad necesaria para que el dispositivo pueda funcionar como aislador de vibraciones y los resortes secundarios son los encargados de controlar la deformación por peso propio.

Además, este dispositivo de la Figura 1 comprende un elemento conector (8) entre el mecanismo de aislación y la estructura o equipo, dispuesto en la placa superior (1) en forma pivotable respecto a un eje de giro de dirección paralela al eje transversal (T) del dispositivo y constituido por una plataforma de apoyo (8a) pivotablemente unida a la placa superior (1) por un eje (8b) apoyado sobre un par de soportes (8c). Se señalan también los ejes vertical (V) y longitudinal (L) del dispositivo comentados anteriormente.

Las Figuras 2 y 3 muestran un ejemplo de realización del dispositivo de aislación tridimensional de vibraciones (10) de la invención donde se aprecia primeramente el marco metálico hexagonal articulado conformado por una placa superior (20), en este caso circular, una placa inferior (30), también circular, y un par de brazos articulados opuestamente inclinados (90) a cada lado, todos unidos por articulaciones planas (120). Al interior del marco se dispone un anillo elastomérico vertical de compresión (40), confinado entre la placa superior y un tubo cilindrico (80) de apoyo que está unido a la placa inferior y tiene un buje flexible anular (70) inserto dentro del mismo. Más específicamente, el anillo elastomérico vertical de compresión se encuentra confinado superiormente por la placa superior (20) e inferiormente por una pestaña (100) que sobresale ortogonalmente del borde superior del tubo cilindrico (80) y sirve de plataforma de apoyo para el anillo. Una barra guía central (60) que está unida a la placa superior, atraviesa el interior del anillo elastomérico vertical de compresión y por su extremo libre se introduce en forma no restringida en el buje flexible anular. Entre el par de brazos opuestamente inclinados (90) que configuran uno y otro lado del marco metálico hexagonal se extienden dos pares de bandas elastoméricas de tracción (50) horizontales, de modo que un par se extienden por delante del marco y el otro por detrás del marco y se enganchan por su cara interna en unas barras metálicas (1 10) unidas ortogonalmente a cada brazo y tensan.

En la Figuras 4.1 y 4.2 se muestran vistas en elevación frontal del dispositivo de la invención en estado no deformado (Fig. 4.1) y deformado (Fig. 4.2). Se puede apreciar que cuando se deforma el dispositivo el anillo elastomérico vertical de compresión (40) se comprime por efecto de una fuerza vertical, aumentando su sección transversal y permitiendo a su vez que la placa superior (20) rote por efecto de una fuerza en el sentido horizontal. Por su parte las bandas elastoméricas de tracción (50) horizontales se alargan, disminuyendo su sección transversal. Notar que la placa superior (20) puede rotar en el plano (frontal) de la figura debido a tres factores: (i) la deformabilidad a flexión del anillo elastomérico vertical de compresión (40); (ii) la deformabilidad a flexión del buje flexible anular (70); y (iii) la capacidad de rotación en el plano frontal de las articulaciones (120).

En las Figuras 5.1 y 5.2 se muestra una vista en elevación lateral del dispositivo en estado no deformado (Fig. 5.1) y deformado (Fig. 5.2), en que cuando el dispositivo se deforma y al igual que en la Fig. 4.2, el anillo elastomérico vertical de compresión (40) se comprime por efecto de una fuerza vertical y la placa superior (20) rota por efecto de una fuerza en el sentido horizontal. Notar que la placa superior (20) puede rotar en el plano (lateral) de la figura debido a tres factores: (i) la flexibilidad a flexión del anillo elastomérico vertical de compresión (40); (ii) la flexibilidad a flexión del buje flexible anular (70); y (iii) el juego mecánico existente en las articulaciones (120).

Aplicado a la protección sísmica de un estanque de almacenamiento de líquidos con patas, como se muestra en la Figura 6, se tiene que en cada pata se dispone un dispositivo (10). La parte inferior de las patas o soportes del estanque se vinculan en forma rígida, por medio de pernos de anclaje o soldadura, con la placa superior del dispositivo (10). Bajo la acción del peso propio del estanque, y de fuerzas horizontales y verticales producidas por vibraciones ambientales (como un sismo, por ejemplo) la estructura puede moverse verticalmente y girar como un cuerpo rígido en torno a un eje horizontal que pasa por su base ( rocking ), actuando así como un sistema de aislación tanto en sentido vertical como lateral. Este movimiento es posible gracias a la gran capacidad de deformación vertical del dispositivo, y a la capacidad de rotación de la placa superior.