ES2969032T3 - Estructuras de protección sísmica - Google Patents

Abstract

Un escudo contra ondas sísmicas para proteger un área de vibraciones sísmicas y un método para proteger un área de ondas sísmicas mediante la instalación de un escudo contra ondas sísmicas. El escudo contra ondas sísmicas comprende un conjunto de columnas (1) incrustadas en regolito (3) y en contacto con el lecho de roca (4). Existe un contraste material entre el material que forma las columnas (1) y el regolito (3). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Estructuras de protección sísmica

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una estructura de protección sísmica, en particular, a estructuras que ofrecen protección sísmica para edificios o grupos de edificios.

Antecedentes

Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos, cada año se producen más de tres millones de terremotos en todo el mundo, la gran mayoría son de magnitud 3,9 o inferior, pero más de 900 miden 5,0 o más en la escala de Richter. Las vibraciones del suelo provocadas incluso por terremotos menores tienen un impacto sobre la integridad estructural de los edificios. De manera similar, las vibraciones intrusivas del suelo de los sistemas de trenes urbanos, subterráneos, maquinaria, como los martinetes y las carreteras, a menudo afectan los valores de propiedad o el uso de la tierra. Las ondas sísmicas están formadas por ondas superficiales (ondas de Rayleigh), ondas de presión y ondas de cizallamiento que viajan a través del suelo. Las ondas superficiales causan la mayoría de los daños y viajan más lejos, pero las ondas de volumen (presión y cizallamiento) también causan daños, especialmente en casos de atrapamiento de ondas en cuencas sedimentarias.

Es deseable proporcionar una estructura protectora para evitar que las ondas sísmicas alcancen los edificios. Las ondas de una frecuencia de alrededor de 1 a 10 Hz en particular pueden causar una gran cantidad de daños porque dichas bajas frecuencias viajan grandes distancias y a menudo coinciden con la frecuencia fundamental resonante de los edificios. Incluso pequeñas magnitudes de ondas sísmicas debidas a maquinaria o vías férreas cercanas pueden causar daños significativos a edificios, especialmente con el tiempo. En edificios tales como centrales nucleares y refinerías de petróleo, incluso un pequeño nivel de daño al edificio puede tener consecuencias desastrosas.

En "Seismic metamaterial: how to shake friends and influence waves?" (S. Brulé, et al.), se realizó una prueba sísmica en una cuadrícula cuadrada regular de pozos cilíndricos vacíos de alrededor de 5 m de profundidad, 320 mm de diámetro y 1,73 m de separación. La prueba mostró una transmisión reducida a través del suelo de ondas sísmicas de alrededor de 50 Hz debido a la interferencia destructiva de las ondas sísmicas en la dirección de transmisión causada por la periodicidad de la red (esta es la llamada banda de parada parcial, es decir, un rango de frecuencias para el cual elástico las ondas de cierta polarización no pueden propagarse en ciertas direcciones cristalográficas dentro de la matriz).

En "Artificial Seismic Shadow Zone by Acoustic Metamaterials" (Sang-Hoon Kim y Mukunda P. Das) y "Seismic Waveguide of Metamaterials" (Sang-Hoon Kim y Mukunda P. Das), se propuso una protección que consistía en enormes cajas vacías (meta-cajas) con orificios laterales correspondientes a las frecuencias de resonancia de las ondas sísmicas. La metabarrera compuesta por muchas metacajas atenúa las ondas sísmicas, lo que reduce exponencialmente la amplitud de la onda disipando la energía sísmica. Estas metabarreras se colocan en el suelo alrededor de un edificio a proteger.

En "Possible Measures Of Taking-Over/ Dynamic Control Of Seismic Actions Applicable To Urban Utility Systems. Seismic Waves Deflection/ Damping Using Metamaterials" (Ungureanu et al.), se describe la reflexión de las ondas sísmicas y los métodos descritos anteriormente (perforaciones vacías en un patrón periódico y meta-cajas para atenuar las ondas) como defensas sísmicas para edificios.

Sumario de la invención

En un aspecto, la invención proporciona un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un conjunto de columnas incrustadas en regolito y en contacto con el lecho rocoso, en donde las columnas están formadas de un material con un contraste de material con el regolito. Un escudo de este tipo refleja las ondas sísmicas al producir una banda de parada que cubre un intervalo más grande de frecuencias y tiene un límite de frecuencia inferior disminuido sobre el de la banda de parada en la matriz de pozos vacíos de la técnica anterior. El escudo tiene una banda prohibida de frecuencia cero amplia. Las ondas sísmicas que tienen una frecuencia dentro de la banda de parada no pueden pasar a través del escudo. El mayor ancho de banda de la banda de parada de la presente invención con respecto a la técnica anterior se debe al contacto entre las columnas y el lecho rocoso y a un parámetro del material (por ejemplo, la densidad y/o el módulo de Young y/o el módulo de volumen y/o el módulo de cizallamiento) no coinciden entre el regolito (a menudo suelo blando) y el material en la columna. Asimismo, el límite inferior de la banda de parada se aproxima a 0 Hz, para crear una brecha de banda de frecuencia cero, debido al contacto entre las columnas y el lecho rocoso. Este contacto fija o sujeta eficazmente las columnas al lecho rocoso.

El ancho de banda aumentado, la banda prohibida de frecuencia cercana a cero y la frecuencia superior aumentada de la banda de parada permiten que la presente invención refleje una gran banda de ondas sísmicas de baja frecuencia. Por lo tanto, las bandas de parada cubren las frecuencias que viajan más lejos y causan el mayor daño a los edificios. La banda de parada también cubre la mayoría de las frecuencias resonantes de los edificios. El efecto es causado por la física ondulatoria, por lo que la composición, la disposición y la forma de las columnas se pueden elegir de acuerdo con la física ondulatoria para producir la banda de parada deseada.

Para crear una banda de parada que cubra frecuencias de alrededor de 1 a 10 Hz usando el método de pozos vacíos, los orificios necesitarían diámetros de unos pocos metros a decenas de metros. Claramente, no es práctico tener grandes agujeros en el suelo, particularmente en áreas donde hay otros edificios cerca. Por lo tanto, la presente invención logra una banda de parada útil de una manera práctica que no se puede lograr con los métodos de la técnica anterior.

El contraste de material entre las columnas y el regolito se produce cuando una propiedad del material de la columna es diferente de la propiedad del regolito. Por ejemplo, las columnas pueden tener una densidad diferente, un módulo de Young diferente, un módulo de cizallamiento diferente o un módulo de volumen del regolito diferente. Más de una propiedad puede diferir entre los materiales de las columnas y el regolito. Por ejemplo, un material que forma columnas puede tener una densidad diferente y un módulo de Young diferente del material de regolito. El material de las columnas puede ser un sólido, un líquido, una espuma o un gel.

El contraste de material puede lograrse mediante las columnas que tienen una densidad más alta que el regolito o el contraste de material puede lograrse mediante las columnas que tienen un módulo de Young más alto que el regolito o el contraste de material puede lograrse mediante las columnas que tienen un módulo de volumen más alto que el regolito o el contraste de material se puede lograr mediante las columnas que tienen un módulo de cizalla más alto que el regolito. El contraste de material puede lograrse mediante una combinación de dos o más de estas condiciones.

El contraste de material puede lograrse mediante las columnas que tienen una densidad de al menos 1,1 veces la densidad del regolito o el contraste de material puede lograrse mediante las columnas que tienen un módulo de Young de al menos 10 veces el módulo de Young del regolito o el material el contraste puede lograrse mediante las columnas que tienen un módulo de volumen de al menos 10 veces el módulo de volumen del regolito o el contraste de material puede lograrse mediante las columnas que tienen un módulo de cizallamiento de al menos 10 veces el módulo de cizallamiento del regolito. El contraste de material puede lograrse mediante una combinación de dos o más de estas condiciones. El módulo de Young del suelo puede ser de 153 MPa y el módulo de Young del lecho rocoso puede ser de 30 GPa.

De acuerdo con la invención, las columnas tienen un módulo de Young diferente del material de regolito, siendo el módulo de Young de las columnas al menos 10 veces mayor que el módulo de Young del regolito.

Las columnas pueden tener una densidad mayor que el regolito. Las columnas pueden ser al menos 1,1 veces más densas que el regolito.

El intervalo de densidad del regolito puede ser de 1600 a 2300 kg/m3 y puede ser de 1800 kg/m3 (o donde el regolito es turba, la densidad puede ser de 1200 a 1300 kg/m3). La densidad del lecho rocoso puede ser de 2500 kg/m3. La densidad de las columnas, que pueden estar formadas de hormigón, puede ser de 2300 a 2500 kg/m3. Otras realizaciones pueden usar hormigón especial (hormigones pesados) que pueden ser más densos. Las columnas pueden ser al menos 1,1 veces más densas que el regolito. Preferentemente, las columnas pueden ser al menos 1,4 veces más densas que el regolito. Las columnas pueden ser al menos 4 veces más densas que el regolito, por ejemplo, cuando las columnas están formadas por pilotes de acero (densidad de alrededor de 7000 kg/m3).

Una porción inferior de cada una de las columnas puede estar incrustada en el lecho rocoso. Esto proporciona una fijación más eficaz de las columnas al lecho rocoso y reduce el límite de frecuencia inferior de la banda de parada creando una banda prohibida de frecuencia cero perfecta o casi perfecta. Esto es ventajoso porque reducir el límite inferior de la banda de parada para crear una brecha de banda de frecuencia cero de este tipo significa que se pueden bloquear las ondas sísmicas de frecuencia más baja.

La altura de la porción inferior puede ser superior a 30 cm. Esto significa que la columna se une más estrechamente al lecho rocoso y, por lo tanto, el límite inferior de la banda de parada se reduce para que esté más cerca de cero.

El diámetro de las columnas (0) puede guiarse por un objetivo de capacidad de resistencia mínima diseñada bajo cargas verticales, y la práctica habitual en la perforación tiene un diámetro de 25 a 50 cm, pero podría realizarse en el intervalo de 10 a 150 cm. El diámetro de las columnas se elige dependiendo de su entorno para que las columnas no fallen bajo la carga vertical aplicada a las columnas por cualquier cosa situada encima de las mismas. La resistencia del material que forma las columnas y la carga vertical que se les aplicará afectarán al diámetro elegido. Por ejemplo, la resistencia máxima del hormigón bajo carga vertical suele ser de 12 MPa (para pilares rígidos) a 25 MPa (para pilotes). Estos son los valores de la tensión correspondiente a la falla del hormigón y el diámetro de las columnas formadas de hormigón se adaptará dependiendo de la carga vertical aplicada (kN). Una carga más alta requerirá un diámetro de columna más grande.

La longitud de la porción inferior de cada columna que está incrustada en el lecho rocoso geotécnico puede ser al menos de 3 a 5 veces el diámetro de la columna (3 a 50).

El volumen total de las columnas puede ser al menos el 15 % del volumen del escudo. Preferentemente, el volumen total de las columnas puede ser de al menos el 19 %. Más preferentemente, el volumen total de las columnas puede ser el 50 % del volumen del escudo. Los volúmenes deseados pueden calcularse usando el límite compuesto diluido para la aparición de bandas de parada parcial (los cálculos numéricos respaldan las conclusiones extraídas de la teoría de Maxwell-Garnett).

La profundidad del escudo es la altura del regolito desde el lecho rocoso hasta el nivel del suelo. El perímetro del escudo está definido por las columnas más exteriores y el más interior del escudo y el área del escudo es el área dentro del perímetro. El volumen es la profundidad multiplicada por el área del escudo. Este porcentaje está optimizado para bloquear las ondas sísmicas.

Las columnas se colocan periódicamente o casi periódicamente en el escudo.

Esto aumenta las frecuencias reflejadas por el escudo provocando una interferencia destructiva para ciertas frecuencias a la manera de un metamaterial. Las columnas se colocan en puntos de un entramado hexagonal, cuadrado, triangular u otro entramado de Bravais. El alto contraste en los parámetros entre las columnas y el material circundante (es decir, el contraste de material) significa que las columnas se comportan como resonadores de Helmholtz y las resonancias localizadas resultantes producen la banda de parada. Por lo tanto, la periodicidad de las columnas se puede romper y las columnas se pueden colocar en una disposición casi periódica o una disposición aleatoria y el escudo seguirá produciendo la banda de parada.

Un ancho del escudo en la dirección de las olas a bloquear es de al menos 2 filas de columnas. Más preferentemente, un ancho del escudo en la dirección de las olas a bloquear puede ser de al menos 3 filas de columnas. Cuanto más ancho es el escudo, más eficazmente se bloquean las ondas. El ancho puede medirse en la dirección desde el área a proteger, radialmente hacia fuera desde la columna más cercana al área a proteger hasta la columna más alejada del área. Como alternativa, el ancho puede medirse en la dirección entre el área a proteger y una fuente de ondas sísmicas, si se conoce la ubicación de esa fuente, desde la columna más cercana a la fuente hasta la columna más cercana al área a proteger.

El escudo también puede tener una placa unida en un primer extremo de la placa a una primera columna del escudo, estando la placa unida además en un segundo extremo de la placa a una segunda columna del escudo. La placa puede estar unida a los lados de las columnas primera y segunda. Las placas pueden unirse a las columnas a una profundidad de 5 m por debajo de la superficie del suelo. Todas las columnas en el escudo o un subconjunto de las columnas pueden unirse mediante placas. Estas placas pueden estar hechas de hormigón, acero, una combinación de hormigón y acero u otro material sólido. Las placas mejoran la estabilidad de las columnas e insertan bandas de tope adicionales.

Las columnas pueden estar formadas de hormigón o acero o madera o una combinación de dos o más de estos materiales, por ejemplo, acero y hormigón. Estos materiales tienen una alta densidad y módulo de Young, por lo que el desajuste entre las columnas y el regolito es alto, haciendo que el ancho de banda de la banda de parada sea grande. Los materiales que forman las columnas pueden variar gradualmente sobre la protección de un extremo de la protección al otro.

El regolito de la invención puede ser suelo blando (por ejemplo, suelo sedimentario con arcilla), cuenca aluvial, grava, aluvión, turba o arena. Cualquier material debajo del suelo, pero por encima del lecho rocoso puede considerarse parte del regolito. En general, la invención funciona de manera más eficaz, cuanto menor sea la densidad o el módulo de Young del regolito, porque esto aumenta el desajuste con las columnas, lo que aumenta el ancho de banda de la banda de parada.

Un segundo aspecto de la presente invención proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 11 de escudo de un área frente a ondas sísmicas instalando un escudo contra ondas sísmicas en al menos una parte de un perímetro del área. Como se ha analizado anteriormente, los escudos contra ondas sísmicas evitan el paso de ondas sísmicas que tienen frecuencias dentro de la banda de detención del protector contra ondas sísmicas. La instalación de un escudo de este tipo alrededor del perímetro de un área evitará que las ondas sísmicas de frecuencias de banda de parada entren en el área, protegiendo así el área y evitando que las ondas sísmicas causen daños dentro del área.

El escudo contra ondas sísmicas se coloca fuera de un perímetro lateral de un edificio. Esto evita que las ondas sísmicas alcancen el suelo debajo de un edificio y, por lo tanto, evita daños al edificio. En un ejemplo que no forma parte de la invención reivindicada, el escudo sísmico puede colocarse parcial o totalmente dentro del perímetro lateral de un edificio. Esto evita que las ondas sísmicas lleguen al edificio.

En un ejemplo que no forma parte de la invención reivindicada, las columnas pueden colocarse debajo de un edificio dentro del perímetro lateral del edificio, pero no son cimientos del edificio. En algunas realizaciones, las columnas no están unidas directamente al edificio. Dentro de estas realizaciones, pero en un ejemplo que no forma parte de la invención reivindicada, las columnas pueden proporcionarse entre los cimientos del edificio, pero las columnas del escudo no están unidas al edificio. De acuerdo con la invención, las columnas no contactan directamente con el edificio, por ejemplo, puede haber regolito presente entre las columnas y el edificio. Adicionalmente, la prevención de que las ondas sísmicas alcancen la estructura conducirá a una menor tensión elástica, disminuirá los cambios de presión intersticial y, por lo tanto, limitará el riesgo de que se produzca licuefacción del suelo.

Un tercer aspecto de la presente invención proporciona un edificio protegido sísmicamente de acuerdo con la reivindicación 12 que comprende un escudo contra ondas sísmicas colocado adyacente a una parte de un perímetro de un edificio. En la dirección del escudo, el edificio está protegido de las ondas sísmicas que tienen una frecuencia dentro de la banda de parada del escudo, reduciendo la posibilidad de daños al edificio.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra una vista en sección horizontal a través del suelo de un escudo, que es una realización de la presente invención, rodeando un edificio.

La figura 2 muestra una vista en sección vertical de un protector, que es una realización de la presente invención, rodeando un edificio.

La figura 3a muestra una vista en perspectiva de la columna de un escudo de acuerdo con la presente invención con placas unidas.

La figura 3b muestra una vista superior de la columna de un escudo de acuerdo con la presente invención con placas unidas.

La figura 3c muestra una vista lateral de la columna de un escudo de acuerdo con la presente invención con placas unidas.

La figura 4 muestra el diagrama de bandas de un escudo formado por columnas mostradas en la figura 3.

Descripción detallada

Las ondas sísmicas pueden viajar largas distancias y causar daños a los edificios como se ha analizado anteriormente. Se puede instalar un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con la presente invención alrededor de un área o edificio a proteger y el escudo reflejará entonces estas ondas para evitar que alcancen el área o edificio.

Un ejemplo de un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con la presente invención comprende un conjunto de columnas incrustadas en suelo superficial (por ejemplo, aluviones o turba), estando las columnas sujetas a un lecho rocoso geotécnico. El módulo de Young, E, los contrastes en este ejemplo son los siguientes:

Ecolumna > 10° .Esuelo superficial

y

Elecho rocoso geotécnico > 5. Esuelo superficial.

1 MPa < Esuelo superficial < 10 MPa

5 000 < Ecolumna < 30000 MPa.

El módulo de Young del hormigón, que puede usarse como material para las columnas es de 15000 a 30000 MPa. El módulo de Young del mortero o una mezcla de suelo más lechada de cemento es de aproximadamente 5000 MPa. Las columnas están formadas de un material con un fuerte contraste de material con el regolito.

Una realización de la presente invención tiene un conjunto de columnas cilíndricas ubicadas en el regolito y en contacto con el lecho rocoso que está de 10 a 200 metros por debajo del suelo. Las columnas están en el intervalo de 25 cm a 1,5 m de diámetro. En este ejemplo, están hechos de hormigón y los 50 cm inferiores de las columnas están incrustados en el lecho rocoso. Las columnas se colocan en una matriz cuadrada y están separadas de 0,5 m a 5 m (con una separación mínima de 2 a 3 diámetros) de sus vecinos más cercanos.

El espaciado mínimo puede determinarse por la influencia de una columna en sus vecinos más cercanos durante el trabajo de perforación mientras se ensambla el escudo. Si las columnas están demasiado cerca, el efecto de perforación producido al crear una columna podría reducir el diámetro de las columnas adyacentes, reduciendo así la eficiencia del protector. La experiencia de los perforadores ha demostrado que un espacio mínimo entre 0,5 m y 5 m puede limitar la aparición de este efecto.

El regolito en este ejemplo es suelo blando, pero, en general, el regolito es el material que se encuentra sobre el lecho rocoso hasta el nivel del suelo. Puede estar hecho de muchos materiales diferentes, como tierra, roca suelta, material biológico, arena, aluvión, turba y/u otros. El lecho rocoso es roca sólida que se asienta debajo del suelo debajo del regolito.

Este escudo tiene una banda de parada para ondas sísmicas de 0 Hz a 20 Hz, lo que significa que las ondas dentro de este rango son reflejadas y parcialmente absorbidas por el escudo. La energía se disipa parcialmente como calor. Como se ha analizado anteriormente, las ondas sísmicas más dañinas tienen una frecuencia baja y están dentro de este intervalo, por lo que este escudo es muy eficaz para evitar daños a edificios por ondas sísmicas. Estas columnas pueden producir una banda de parada mientras tienen un diámetro mucho más pequeño que los pozos de sondeo utilizados en la técnica anterior porque están en contacto con el lecho rocoso y porque la densidad y el módulo del hormigón son mucho mayores que los del aire. El desajuste entre las propiedades de las columnas y el regolito provoca la reflexión de las ondas sísmicas. El contacto entre las columnas y el lecho rocoso aumenta el ancho de banda de la banda de parada y lleva el límite de frecuencia inferior de la banda de parada hacia 0 Hz.

Muchas realizaciones de la presente invención crean una banda de parada completa ondas Rayleigh, de presión y de cizallamiento (para todas las direcciones cristalográficas) y bandas de parada parciales adicionales.

El límite inferior de la banda de parada para escudos de acuerdo con la presente invención es muy bajo y se aproxima a 0 Hz. La banda de parada se produce cerca de 0 Hz porque los puntos en el escudo están fijos, lo que matemáticamente da como resultado una dispersión de onda en el escudo que no pasa a través de la frecuencia cero, produciendo así una banda de parada de frecuencia cero. Los puntos fijos en el escudo son proporcionados por las columnas en el escudo que se fijan al estar en contacto con el lecho rocoso.

En esta realización, los 50 cm inferiores de la columna están incrustados en el lecho rocoso para sujetar las columnas de manera más segura al lecho rocoso. Fijar las columnas de manera más segura al lecho rocoso, aumenta los efectos de las columnas que están en contacto con el lecho rocoso analizado anteriormente. Las columnas incrustadas en el lecho rocoso se sujetan al lecho rocoso. Al sujetar las columnas al lecho rocoso, el límite de frecuencia inferior de la banda de parada se reduce y el ancho de banda de la banda de parada aumenta.

Las columnas en otras realizaciones pueden estar en contacto con la superficie del lecho rocoso o pueden estar incrustadas en el lecho rocoso. Preferentemente, las columnas están incrustadas en el lecho rocoso por más de 0,3 m.

En general, cuanto más de la columna esté incrustada en el lecho rocoso, más firmemente se sujetará la columna y más cerca de 0 Hz estará el límite de frecuencia inferior de la banda de parada.

El material usado para las columnas tiene un módulo de Young más alto que el regolito y puede tener una densidad mayor o menor y/o un módulo de volumen mayor o menor y/o un módulo de cizallamiento mayor o menor que el regolito. El desajuste entre las propiedades de las columnas y el regolito amplía la banda de parada, por lo que, cuanto mayor sea la diferencia entre estas propiedades del regolito y las columnas, mayor será el ancho de banda de la banda de parada producida por el escudo. De este modo, cuando las columnas tienen una densidad mayor que el regolito, cuanto mayor sea la densidad del material utilizado para formar las columnas, menor será la frecuencia de la banda de parada producida.

Si el contraste en los parámetros del material, (por ejemplo, densidad y/o módulo de Young y/o módulo de volumen y/o módulo de cizallamiento) es demasiado grande, el ancho de banda de la banda de parada se reduce, por lo que el contraste debe ser moderadamente alto, no extremadamente alto, lo que requiere optimización para lograr la banda de parada de baja frecuencia óptima en términos de ancho de banda de frecuencia y ubicación en el espectro con parámetros de material alcanzables. Las columnas pueden ser menos de 2 veces más densas que el regolito. El módulo de Young de las columnas puede ser inferior a 200 veces el módulo de Young del regolito. El módulo de cizalla de las columnas puede ser inferior a 300 veces el módulo de cizalla del regolito.

Las columnas en esta realización están hechas de hormigón. El hormigón tiene una densidad y un módulo de Young mucho mayores que el regolito (suelo blando en esta realización) que a menudo está compuesto de suelo o roca suelta. Por lo tanto, el desajuste entre el regolito y el hormigón es alto, lo que hace que aumente el intervalo de frecuencias cubierto por la banda de parada, ampliando la banda y evitando así que más ondas sísmicas se propaguen a través del escudo. En otras realizaciones, las columnas pueden estar hechas de acero que también tiene una densidad y un módulo de Young más altos que el regolito. El caucho también se puede usar para formar columnas. Los valores típicos de los parámetros del hormigón se muestran en la Tabla 1 y los valores típicos de los parámetros de varios tipos de suelo sedimentario se muestran en la Tabla 2.

Como alternativa, se pueden contemplar columnas compuestas de dos o más medios. Las partes de las columnas pueden estar formadas de material más rígido, por ejemplo, acero y las partes de las columnas pueden estar formadas de material más blando, por ejemplo, hormigón o caucho. Por ejemplo, las columnas pueden estar compuestas por capas de hormigón y capas de acero que se alternan verticalmente en la columna. O, las columnas pueden tener una sección transversal circular concéntrica con secciones circulares alternas de hormigón y acero para mejorar las propiedades de reflexión de las columnas y el escudo. Esto es atractivo tanto en términos de fabricación como en la mejora del ancho de banda prohibida. Otra alternativa es que las columnas estén formadas por un manguito de acero que rodee una columna de hormigón.

Las columnas pueden formarse, como alternativa, a partir de una combinación de hormigón y caucho. Se pueden usar capas concéntricas de hormigón y caucho para formar las columnas. También se pueden contemplar capas radiales (alternancia de capas en dirección azimutal en lugar de dirección radial).

El diámetro y la separación preferidos de las columnas se determinan mediante soluciones numéricas basadas en la teoría de Floquet-Bloch para las ecuaciones de Navier e implican el cálculo de diagramas de banda. La banda de parada puede aparecer cuando el espaciado entre las columnas es de 10 a 100 veces menor que la longitud de onda. Obsérvese que más columnas son mejores ya que entonces hay un aumento exponencial en la atenuación de las ondas sísmicas con un aumento en el número de columnas.

En algunas realizaciones, la fracción de llenado (volumen total de todas las columnas como fracción del volumen de la protección) en diferentes partes de la protección puede ser diferente. Por ejemplo, la parte del escudo más expuesta a las ondas (por ejemplo, la parte orientada hacia una fuente de ondas sísmicas) puede tener una fracción de llenado más alta y una parte del escudo más alejada de la fuente puede tener una fracción de llenado más baja. Esto reduce la cantidad de material necesario para producir las columnas, reduciendo el coste y el esfuerzo necesarios para construir el escudo mientras se mantiene un alto nivel de protección en las áreas más importantes.

La fracción de llenado se calcula sumando el volumen de todas las columnas del escudo y dividiendo esto por el volumen total (incluidas las columnas y el regolito dentro de la matriz) del escudo.

La fracción de relleno está preferentemente por encima del 15 %. Más preferentemente, la fracción de relleno está por encima del 19 %. Más preferentemente, la fracción de relleno está por encima del 50 %. La aparición de bandas de parada parciales se puede ver para un radio de inclusión de 0,25 de una celda unitaria cuadrada, por lo que una fracción de área de 0,25*0,25*3,14=0,19 (19 %). Cabe destacar que se pueden observar bandas de parada grandes (y completas, es decir, para todas las polarizaciones y direcciones cristalográficas) para radios superiores a 0,4, por lo que la fracción de área es del 50 %. La fracción de relleno puede estar por debajo del 10-20 % para hacer más practicable la instalación de un escudo.

Las columnas alteran las propiedades del escudo fijando puntos del escudo al lecho rocoso a través de las columnas, alterando así la dispersión de las ondas sísmicas a través del escudo. Esto da como resultado bandas de parada y, en particular, una banda de parada cerca de 0 Hz, causado por el efecto de fijación que resulta del contacto entre las columnas y el lecho rocoso. La eficacia se ve afectada por la fracción de relleno de las columnas en el escudo. Como se ha analizado anteriormente, el efecto de fijación aumenta sujetando las columnas en el lecho rocoso.

En esta realización, las columnas se colocan en el suelo en una matriz cuadrada periódica. También podrían usarse otras matrices, tales como matrices triangulares o hexagonales. Preferentemente, el ancho del escudo (en la dirección de la propagación de las ondas sísmicas que se van a detener como se ha analizado anteriormente) es al menos el doble del espacio entre columnas para permitir 3 o más filas de columnas en el escudo.

La periodicidad del conjunto es un factor secundario para producir la banda de parada y reflejar las ondas sísmicas porque la longitud de onda es grande en comparación con el espaciado de las columnas, por lo que las columnas no tienen que colocarse necesariamente en un patrón periódico. Las columnas pueden colocarse en un patrón casi aleatorio o un patrón casi periódico (por ejemplo, Penrose). Como alternativa, las columnas pueden colocarse aleatoriamente en el área a cubrir por el escudo. Las posiciones de las columnas pueden elegirse para evitar obstáculos en el área (tales como edificios o carreteras) o pueden elegirse donde el lecho rocoso esté más cerca de la superficie para reducir la altura de la columna requerida. La disposición (espaciado y/o forma de celosía) de las columnas puede variar gradualmente sobre la protección de un extremo de la protección al otro.

La forma de las columnas en esta realización es cilíndrica. Otras realizaciones pueden usar diferentes formas (triángulos, cuadrados, pentágonos, hexágonos, círculos, rectángulos, elipses, formas de estrella) y secciones transversales para las columnas. Las columnas dentro de un escudo también pueden tener diferentes formas y la forma de las secciones transversales de las columnas puede variar gradualmente sobre la protección desde un extremo de la protección hasta el otro. La sección transversal de las columnas no necesita ser constante a lo largo de la longitud (altura) de las columnas (por ejemplo, la sección transversal puede variar periódicamente a lo largo de la longitud para crear bandas de parada adicionales en la dirección vertical para reflejar las ondas sísmicas de volumen que se propagan oblicuamente desde el lecho rocoso hacia arriba).

Las columnas se extienden desde el lecho rocoso hacia la superficie del suelo, pero pueden tener su superficie superior debajo del suelo (por ejemplo, 1 a 5 m por debajo) con un suelo o cubierta urbana. La altura de las columnas depende de la profundidad del lecho rocoso superficial en el área del escudo. En este ejemplo, la altura de las columnas es de 10 metros. En otras realizaciones, se pueden usar columnas de alrededor de 50 metros. Cuando sea necesario debido a la profundidad del lecho rocoso debajo del suelo, se pueden utilizar columnas de entre 10 metros y 200 metros de altura. Cuando el lecho rocoso es más profundo que esto, se pueden usar columnas más altas para alcanzar la profundidad del lecho rocoso. La profundidad del suelo por encima del lecho rocoso puede ser de aproximadamente 15 m y la profundidad del lecho rocoso puede ser de aproximadamente 5 m.

Las columnas o un subconjunto de las columnas pueden unirse mediante placas. Estas placas pueden estar hechas de hormigón, acero, una combinación de hormigón y acero u otro material sólido. Las placas mejoran la estabilidad de las columnas e insertan bandas de tope adicionales. Las placas pueden estar ubicadas alrededor de 5 metros por debajo de la superficie del suelo. Pueden extenderse entre columnas vecinas. Pueden extenderse horizontalmente. También pueden estar en contacto con o incrustados en el lecho rocoso. Pueden tener una forma plana, siendo el plano sustancialmente vertical. La mayor estabilidad de las columnas aumenta los efectos de sujeción, reduciendo así el límite de frecuencia inferior de la banda de parada porque las columnas se fijan de manera más segura debido a su interconexión. La adición de las placas crea bandas de tope adicionales ya que el escudo se puede aproximar a una red de vigas que conectan masas. Esto crea bandas de parada adicionales asociadas con las vibraciones de la viga.

Todas las columnas pueden estar unidas entre sí mediante una red de placas que unen columnas adyacentes. Por ejemplo, cuando las columnas están dispuestas en una cuadrícula cuadrada o rectangular, las placas pueden unir cada columna a sus cuatro vecinos más cercanos (tres para rejilla triangular, etc.).

Una columna del escudo se produce perforando un orificio de la forma y el tamaño de la columna en el suelo, a través del regolito y hasta la superficie del lecho rocoso. Si la columna se va a incrustar en el lecho rocoso, el orificio se extiende la distancia requerida en el lecho rocoso mediante perforación. A continuación, el orificio se llena con el material deseado, que puede ser hormigón. Cuando la columna contiene hormigón, la columna puede formarse dentro del escudo, vertiendo hormigón no fraguado en el orificio, de modo que el hormigón se fragua para formar la columna.

La invención puede implementarse para proteger toda una ciudad disponiendo un escudo alrededor de un límite de la ciudad. La invención puede implementarse para proteger una instalación crítica tal como una planta de energía nuclear o una refinería de petróleo mediante la disposición de un escudo alrededor del límite de la instalación. El escudo puede colocarse a menos de 5 metros del límite de un edificio o estructura a proteger. Los edificios individuales pueden protegerse mediante la invención disponiendo un escudo alrededor de un límite de un edificio. El escudo puede estar separado lateralmente del edificio de modo que el edificio no se superponga al escudo. El escudo puede colocarse entre 2 y 10 metros del perímetro de un edificio. El escudo puede estar fuera de los perímetros laterales de cualquier edificio de modo que ningún edificio se superponga al escudo. El escudo también puede proteger puentes, presas, aeropuertos, centrales nucleares e incluso ciudades. Las columnas del escudo pueden estar separadas y desconectadas del edificio o estructura a proteger. El escudo se puede colocar de modo que no esté conectado directamente a la estructura o edificio.

Las áreas también pueden protegerse de las ondas sísmicas producidas localmente, por ejemplo, de trenes o equipos vibratorios colocando un escudo alrededor de la fuente, para evitar que las ondas sísmicas abandonen el área en la que se produjeron. Esto puede ser particularmente útil en trabajos de construcción que se producen en áreas urbanizadas donde se van a proteger múltiples edificios de las ondas sísmicas producidas por el equipo utilizado en una ubicación, ya que es más práctico y rentable.

Cuando un escudo es principalmente para proteger un área de una fuente localizada de ondas sísmicas, el escudo puede colocarse o colocarse solo en los lados del área que miran hacia la fuente. Cuando la fuente de las ondas sísmicas no se conoce de antemano (por ejemplo, en una zona sísmica), el escudo puede colocarse alrededor de todo el límite de un área a proteger.

En la figura 1, se ilustra una realización de la invención, donde se coloca un escudo contra ondas sísmicas alrededor de un edificio a proteger. Hay dos filas de columnas cilíndricas 1 y las columnas están dispuestas en puntos de una celosía cuadrada. Las columnas están separadas del edificio 2, para que el edificio no se superponga a las columnas. Las flechas curvas indican ondas sísmicas que se acercan al edificio que son detenidas por el escudo. Las ondas sísmicas están formadas por ondas de Rayleigh superficiales R, ondas de presión de volumen P y ondas de cizallamiento S. En esta realización, el regolito es el suelo 3. Las columnas se sujetan al lecho rocoso, ya que las porciones inferiores de las columnas están incrustadas en el lecho rocoso.

La figura 2 muestra otra realización de la invención, similar a la realización de la figura 1, pero que tiene cuatro filas de columnas 1 que forman el escudo. Esta figura muestra que las ondas de presión a granel P, las ondas de cizallamiento S y las ondas de Rayleigh (superficiales) R que viajan hacia el edificio 2 a través del suelo 3 son todas detenidas por el escudo. Las porciones inferiores de las columnas se pueden ver como incrustadas en el lecho rocoso 4. Las columnas protegen la región 6 de las ondas superficiales de Rayleigh R, ondas de presión a granel P y ondas de cizallamiento S.

En la figura 3 se muestra una columna 1 que tiene placas 5 unidas. La figura muestra una celda unitaria de un escudo donde el regolito se ha hecho transparente para permitir que se vean la columna y las placas. La celda unitaria contiene una columna. La columna es cilíndrica y tiene un diámetro de 30 cm. La altura de la columna por encima del lecho rocoso es de 15 m y la altura de la parte inferior de la columna que está incrustada en el lecho rocoso es de 80 cm, por lo tanto, la altura total de la columna es de 15,8 m. La columna está unida a cuatro placas que se extienden entre columnas adyacentes. Las placas 5 tienen 10 cm de espesor y 1,7 m de ancho (solo se muestra la mitad de cada placa en la celda unitaria). Las placas tienen la misma altura (15,8 m) que las columnas. Se forma un escudo colocando muchas de las celdas unitarias de la figura 3 una al lado de la otra en una matriz cuadrada. Las placas se extienden entre las superficies de dos columnas adyacentes.

El diagrama de bandas para un escudo compuesto por las columnas mostradas en la figura 3 se muestra en la figura 4. Esto muestra una banda de parada para frecuencias por debajo de 20 Hz. Esto significa que un escudo compuesto por una matriz cuadrada de las celdas unitarias de la figura 3 detendrá las ondas sísmicas con frecuencias por debajo de 20 Hz.

Los valores típicos de los parámetros del hormigón, que es un ejemplo de un material que forma las columnas, se muestran en la tabla 1. Los valores típicos de los parámetros de varios tipos de suelo sedimentario que son ejemplos de materiales que forman regolito se muestran en la tabla 2.

Tabla 1. Parámetros tí icos del hormi ón fuente Sté hane Brulé

T l 2 P r m r í i r l im n ri f n h n Br l

En un ejemplo de un escudo sísmico, se usa un gran número de columnas cilíndricas de acero (densidad de 7850 kg/m3) cada una con un diámetro de 1,2 m con un regolito de suelo que tiene 15 m de profundidad por encima de un lecho rocoso que tiene 5 m de profundidad. Una porción inferior de cada columna está incrustada en el lecho rocoso, teniendo la porción inferior una altura de 80 cm. Las columnas están dispuestas en una matriz cuadrada de modo que la distancia entre el centro de las columnas vecinas más cercanas sea de 2 m. Las columnas tienen 15,8 m de altura para que alcancen la superficie del regolito. Un escudo de este tipo provoca una brecha de banda de frecuencia cero de hasta aproximadamente 4,5 Hz.

Un gran número de columnas puede ser treinta columnas dispuestas en tres filas de diez columnas.

En otro ejemplo de un escudo sísmico, se usa un gran número de columnas cilíndricas de acero (densidad de 7850 kg/m3) cada una con un diámetro de 0,2 m en un regolito de suelo que tiene 15 m de profundidad por encima de un lecho rocoso que tiene 5 m de profundidad. Las columnas están dispuestas en una matriz cuadrada de modo que la distancia entre el centro de las columnas vecinas más cercanas sea de 2 m. Además, cada una de las columnas está unida a cada uno de sus vecinos más cercanos por placas de acero de 0,2 m de espesor. Por lo tanto, las columnas y las placas juntas tienen una sección transversal en forma de cruz. Los 80 cm inferiores de las columnas y las placas están incrustados en el lecho rocoso. Las columnas tienen 15,8 m de altura para que alcancen la superficie del regolito. Este escudo puede modificarse eliminando la parte inferior de las columnas para que las columnas no estén incrustadas en el lecho rocoso y tengan 15 m de altura. Un escudo de este tipo provoca una brecha de banda de frecuencia cero de hasta aproximadamente 26 Hz. El escudo de este ejemplo puede modificarse haciendo las columnas de un diámetro de 0,3 m.

En otro ejemplo de un escudo sísmico, se usa un gran número de columnas cilíndricas de acero (densidad de 7850 kg/m3) cada una con un diámetro de 0,3 m en un regolito de suelo que tiene 15 m de profundidad por encima de un lecho rocoso que tiene 5 m de profundidad. Las columnas están dispuestas en una matriz de panal de manera que la distancia entre el centro de las columnas vecinas más cercanas es de 2 m. Además, cada una de las columnas está unida a cada uno de sus vecinos más cercanos por placas de acero de 0,3 m de espesor. Los 80 cm inferiores de las columnas y las placas están incrustados en el lecho rocoso. Las columnas tienen 15,8 m de altura para que alcancen la superficie del regolito. Un escudo de este tipo provoca una brecha de banda de frecuencia cero de hasta aproximadamente 20 Hz.

Una matriz similar que usa una red hexagonal puede producir una banda prohibida de frecuencia cero hasta aproximadamente 18 Hz.

En otro ejemplo de un escudo sísmico, se usa un gran número de columnas cilíndricas de acero (densidad de 7850 kg/m3) cada una con un diámetro de 0,3 m en un regolito de suelo que tiene 15 m de profundidad por encima de un lecho rocoso que tiene 5 m de profundidad. Las columnas están dispuestas en una matriz cuadrada de modo que la distancia entre el centro de las columnas vecinas más cercanas sea de 2 m. Las columnas perforan una placa de acero horizontal de 0,2 m de espesor ubicada a una altura de 7,5 m desde el lecho rocoso. Este protector puede modificarse para tener tres o siete placas horizontales igualmente espaciadas. Las columnas tienen 15,8 m de altura para que alcancen la superficie del regolito.

En un ejemplo adicional de un escudo sísmico, se usa un gran número de columnas cilíndricas de acero (densidad de 7850 kg/m3) cada una con un radio de 0,6 m en un regolito de suelo que tiene 15 m de profundidad por encima de un lecho rocoso que tiene 5 m de profundidad. Una porción inferior de cada columna está incrustada en el lecho rocoso, teniendo la porción inferior una altura de 80 cm. Las columnas están dispuestas en una matriz cuadrada de modo que la distancia entre el centro de las columnas vecinas más cercanas sea de 2 m. Las columnas tienen 15,8 m de altura para que alcancen la superficie del regolito. Este escudo puede modificarse eliminando la parte inferior de las columnas para que las columnas no estén incrustadas en el lecho rocoso y tengan 15 m de altura.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un escudo contra ondas sísmicas para bloquear y reflejar ondas sísmicas, evitando que las ondas sísmicas alcancen un edificio, que comprende un conjunto de columnas (1), incrustado en regolito (3), en donde el módulo de Young del material que forma las columnas (1) es al menos 10 veces mayor que el módulo de Young del regolito (3), en donde hay un contraste de material entre un material que forma las columnas (1) y el regolito (3), en donde el escudo contra ondas sísmicas se coloca fuera de un perímetro lateral de un edificio (2), y en donde un ancho del escudo en una dirección de las ondas a bloquear, ondas de Rayleigh superficiales R, ondas de presión a granel P, ondas de cizallamiento S, es al menos dos filas de columnas (1), y caracterizado por que las columnas (1) están en contacto con el lecho rocoso (4) y colocadas periódicamente o casi periódicamente en el escudo en puntos de un entramado hexagonal u otro entramado de Bravais.

2. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el material que forma las columnas (1) tiene una densidad más alta que el regolito (3).

3. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde las columnas (1) están incrustadas en el lecho rocoso (4).

4. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el material que forma las columnas (1) es al menos 1,1 veces más denso que el regolito (3).

5. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con la reivindicación 3, en donde las columnas (1) están incrustadas en el lecho rocoso (4) en más de 0,3 m.

6. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde un volumen total de las columnas (1) es al menos el 15 % del volumen del escudo.

7. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde un ancho del escudo en una dirección de las ondas a bloquear, R, P, S, es mayor que dos filas de columnas (1).

8. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende, además, una placa (5) unida en un primer extremo de la placa (5) a una primera columna (1) del escudo, estando la placa (5) unida, además, en un segundo extremo de la placa (5) a una segunda columna (1) del escudo.

9. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde al menos una de las columnas (1) comprende hormigón.

10. Un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde al menos una de las columnas (1) comprende acero y hormigón.

11. Un método para proteger un área (6) frente a las ondas sísmicas, R, P, S, instalando un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en al menos una parte de un perímetro del área (6).

12. Un edificio con protección sísmica (2) que comprende un escudo contra ondas sísmicas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 colocado adyacente a una parte de un perímetro del edificio (2) y fuera de dicho perímetro.