Diseño, programación y validación experimental de una mesa sísmica de bajo costo para la reproducción de movimientos sísmicos

Abstract

En este trabajo se desarrolló una mesa sísmica de baja envergadura, controlada por una placa Arduino UNO en el marco del apoyo a la docencia e investigación de la Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Diseño de la Universidad San Sebastián. Se programó y calibró una rutina que, para el caso particular, permitió replicar la sección del movimiento fuerte del acelerograma correspondiente al sismo ocurrido el 27 de febrero del año 2010 en Chile, aplicando los criterios necesarios para que la operación se llevara a cabo según los márgenes impuestos por el diseño de la mesa. Con el fin de demostrar la versatilidad de esta herramienta, se realizó una serie de pruebas de simulación de aislación sísmica geotécnica mediante la implementación de un bloque de espuma de polietileno sobre la placa deslizante de la mesa. A raíz de esto, se dedicó un pequeño capitulo que abarca la investigación relacionada a los sistemas de aislación sísmica geotécnica como alternativa a los métodos convencionales que se emplean hoy. Con relación a los estudios expuestos y extraídos para las pruebas realizadas, se dejó abierta la entrada a dos fenómenos dinámicos que cobran alta relevancia en las investigaciones actuales sobre la respuesta de las estructuras frente a cargas sísmicas. Es por esto por lo que se dedicó un capítulo para realizar una breve introducción a los fenómenos de interacción estructura-suelo y estructura-suelo-estructura, con la finalidad de que aporte a la comprensión de los eventos que surgen en las investigaciones actuales respecto al comportamiento dinámico de estructuras, y así, que este documento a través de sus distintos capítulos sea una motivación para realizar ensayos que contemplen todas las aristas descritas y presentadas. Los resultados obtenidos en el proceso demuestran la capacidad que se posee de manejo de herramientas, a través del análisis de datos y programación de rutinas adecuadas, para comprender de mejor manera los efectos que tienen las cargas sísmicas sobre las estructuras. Se logró crear una rutina específica para el control de un motor paso a paso NEMA 23 que permitió simular un acelerograma dentro de los márgenes esperados obteniendo aceleraciones basales máximas con un 95% de proximidad a la registrada durante el evento del 27 de febrero del 2010. Por otra parte, las pruebas con espuma como simulación de un tratamiento geotécnico para la aislación sísmica confirmaron las hipótesis planteadas, obteniendo un promedio de disminución del 40% del PGA en comparación a las pruebas sin este método.

This work developed a low-profile seismic shake table controlled by an Arduino UNO board within the framework of supporting teaching and research at the Faculty of Engineering, Architecture, and Design of the Universidad San Sebastián. A routine was programmed and calibrated to replicate the strong motion section of the accelerogram corresponding to the earthquake that occurred on February 27, 2010, in Chile, applying the necessary criteria so that the operation was conducted according to the margins imposed by the design of the table. To demonstrate the versatility of this tool, a series of simulation tests were performed on geotechnical seismic isolation by implementing a block of polyethylene foam on the sliding plate of the table. As a result, a small chapter was dedicated to investigating geotechnical seismic isolation systems as an alternative to conventional methods currently employed. Regarding the studies presented and extracted for the tests performed, the entry to two dynamic phenomena that are highly relevant in current research on the response of structures to seismic loads was left open. This is why a chapter provided a brief introduction to soil-structure interaction and structure-soil-structure interaction phenomena, with the aim of contributing to the understanding of events that arise incurrent research regarding the dynamic behavior of structures. Thus, this document, through its various chapters, serves as motivation to conduct tests that consider all the aspects described and presented. The results obtained in the process demonstrate the capacity to manage tools through data analysis and programming of suitable routines to better understand the effects of seismic loads on structures. A specific routine was created for controlling a NEMA 23 stepper motor, allowing the simulation of an accelerogram within the expected margins, achieving maximum basal accelerations with a 95% proximity to those recorded during the event of February 27, 2010. On the other hand, tests using foam as a simulation of geotechnical treatment for seismic isolation confirmed the hypotheses proposed, obtaining an average reduction of 40% of the Peak Ground Acceleration (PGA) compared to tests without this method.