Cuando un ingeniero diseña un edificio aislado, su modelo supone que cada aislador tiene cierta rigidez, cierta resistencia y cierto amortiguamiento. Todo el análisis —desplazamientos, fuerzas en la superestructura, tamaño de la junta perimetral— depende de esos números. Las pruebas de prototipo y de producción son la forma de comprobar que el aislador real, fabricado y puesto en una prensa de laboratorio, se comporta como el aislador del modelo. En este artículo explicamos qué pide la norma estadounidense ASCE 7 en su sección 17.8, qué se mide, cómo se aceptan los resultados y cómo encaja la serie internacional ISO 22762.
Por qué un aislador se prueba más que una columna
Una columna de concreto se diseña con propiedades de materiales normalizados y décadas de experiencia. Un aislador, en cambio, suele ser una pieza hecha a la medida de cada proyecto, fabricada con materiales poco tradicionales en la construcción (hule, plomo, compuestos de deslizamiento) y, en algunos casos, con partes móviles. Además, es el elemento que concentra la reducción de la respuesta sísmica: si falla, falla la estrategia completa. McVitty y Constantinou (2015) resumen así las razones por las que ASCE 7 exige un programa de pruebas tan amplio.
La experiencia también pesa. Los mismos autores documentan el caso de aisladores elastoméricos instalados sin pruebas en el aeropuerto de Kunming, China (2011): al aumentar las cargas durante la obra, varios mostraron delaminación y cientos tuvieron que retirarse y sustituirse.
Tres tipos de prueba: calificación, prototipo y producción
ASCE 7 distingue tres familias de ensayos (McVitty y Constantinou, 2015):
| Prueba | Para qué sirve | Cuántas piezas | Cuándo |
|---|---|---|---|
| Calificación | Cuantificar efectos del calentamiento por ciclos, velocidad de carga, scragging, envejecimiento y temperatura | Datos del fabricante, de estudios previos | Antes del proyecto |
| Prototipo | Obtener las propiedades de diseño y los factores λ de prueba del proyecto | Dos aisladores de cada tipo y tamaño | Antes de fabricar la producción |
| Producción | Control de calidad: cada pieza dentro de la tolerancia especificada | El 100 % de los aisladores del proyecto | Antes de instalar |
Las pruebas de prototipo definen cómo es el aislador; las de producción confirman que cada uno de los que llegan a la obra es igual a ese prototipo, dentro de una tolerancia.
La secuencia de ensayos de prototipo (ASCE 7, 17.8.2.2)
Cada prototipo se somete a una secuencia de ciclos completos de carga, con la carga vertical aplicada. Simplificando, la secuencia es:
- Viento: 20 ciclos completos a la fuerza lateral de diseño por viento, para comprobar que el aislador no se “suelta” ante cargas de servicio.
- Amplitudes crecientes (ítem 2a): tres ciclos a cada una de 0.25, 0.5, 0.67 y 1.0 veces el desplazamiento máximo DM. Como alternativa (ítem 2b), la norma acepta un ensayo dinámico al periodo efectivo TM con un ciclo a cada amplitud.
- Desplazamiento máximo (ítem 3): tres ciclos a DM. Es el ensayo de caracterización del que salen las propiedades nominales.
- Durabilidad (ítem 4): al menos 10 ciclos a 0.75·DM, que pueden aplicarse en grupos de cinco ciclos continuos con una pausa entre ellos (Kim y Constantinou, 2023).
- Carga vertical variable: los aisladores que cargan peso repiten los ciclos bajo las combinaciones de carga vertical máxima y mínima.
La intención es que los ensayos sean dinámicos, a una frecuencia ligada al periodo efectivo del edificio aislado, porque el hule y el plomo se calientan y cambian de comportamiento con la velocidad. El comentario de la norma permite ensayos cuasiestáticos según el equipo disponible, pero en la práctica la mayoría de los proyectos hacen dinámico el ensayo de caracterización (Kim y Constantinou, 2023).
Qué se mide y qué se obtiene
De cada ciclo fuerza-desplazamiento se calculan dos cantidades básicas:
keff = (F+ − F−) / (Δ+ − Δ−) · Eloop = área del ciclo
La rigidez efectiva keff y la energía disipada por ciclo Eloop (con ellas, la rigidez posfluencia kd y la resistencia característica) se comparan ciclo a ciclo. El primer ciclo suele dar las propiedades más altas y el tercero las más bajas, por el calentamiento del núcleo y el scragging del hule virgen. De esa diferencia salen los factores de modificación de propiedades λprueba, que junto con los factores de envejecimiento, ambiente y tolerancia de fabricación definen los límites superior e inferior con que se analiza la estructura (McVitty y Constantinou, 2015).
Cómo se aceptan los resultados
ASCE 7 (sección 17.8.4) considera adecuado un prototipo cuando, entre otras condiciones:
- Todas las curvas fuerza-desplazamiento tienen capacidad incremental positiva: la fuerza sigue subiendo al aumentar el desplazamiento.
- El promedio de kd y Eloop de los tres ciclos a DM cae dentro del rango nominal definido por el proyecto.
- En cada ciclo, las propiedades quedan dentro de los límites λprueba,mín y λprueba,máx por el valor nominal.
- El aislador sigue estable y sin daño al terminar la secuencia.
En producción, el ingeniero responsable fija la tolerancia. El comentario de ASCE 7-16 recomienda ±15 % sobre el promedio; tolerancias más estrechas son válidas, pero pueden retrasar la obra (McVitty y Constantinou, 2015).
Lo que dice la investigación reciente
Kim y Constantinou (2023) revisaron si los ensayos actuales representan bien los sismos largos, como los de subducción. Concluyen que tres ciclos a DM bastan para sismos de corta duración, pero que para movimientos de larga duración harían falta cinco. También proponen sustituir la prueba de durabilidad por más ciclos a amplitudes menores (0.4·DM en péndulos de fricción y 0.5·DM en aisladores con núcleo de plomo). Son propuestas de investigación, no requisitos vigentes, pero son relevantes para la costa del Pacífico mexicano, donde los sismos de subducción pueden durar más.
ISO 22762: la referencia internacional para aisladores elastoméricos
La serie ISO 22762 trata los aisladores de hule. La parte 1 (edición 2024) define los métodos de ensayo: propiedades del hule y del aislador, rigidez en compresión y en cortante, dependencia de las propiedades con la deformación, la frecuencia y la temperatura, propiedades últimas y durabilidad. La parte 2 se aplica a puentes, la parte 3 a edificios, y la especificación técnica ISO/TS 22762-4 da guía para aplicar la parte 3, incluidos los ensayos de tipo y de rutina. A grandes rasgos, los ensayos de tipo equivalen a los de prototipo y los de rutina a los de producción, aunque los criterios de aceptación no son idénticos a los de ASCE 7.
Lista de verificación para el proyectista
- Especifica DM, TM, las cargas verticales de diseño y la norma que rige las pruebas.
- Pide que el prototipo se ensaye virgen, sin ciclos previos del fabricante.
- Exige reportes con las curvas fuerza-desplazamiento completas, no sólo tablas de resumen.
- Define desde el principio la tolerancia de producción y qué pasa con una pieza fuera de rango.
- Pide trazabilidad de cada aislador: lote de hule, de placas y de plomo, y número de serie.
- Programa las pruebas en el calendario de obra: un retraso en el laboratorio detiene la instalación.
En VELATOPH®
VELATOPH® fabrica en Manzanillo, Colima, aisladores elastoméricos LRB y LDRB y aisladores de péndulo FPS y DFP, y trabaja con la normativa ASCE 7-22 (capítulos 17 y 18), AASHTO LRFD, ISO 22762, NTC-CDMX 2023 y CFE-Sismo 2015.
Si estás preparando las especificaciones de un proyecto aislado y quieres revisar el programa de pruebas que conviene pedir, te ofrecemos una evaluación técnica gratuita. Escríbenos por WhatsApp.
Fuentes
- ASCE/SEI 7-22, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, capítulo 17 (sección 17.8). asce.org
- McVitty, W. J. y Constantinou, M. C. (2015). Property Modification Factors for Seismic Isolators: Design Guidance for Buildings. Reporte técnico MCEER-15-0005. eng.buffalo.edu
- Kim, H.-M. y Constantinou, M. C. (2023). Development of Performance-based Testing Specifications for Seismic Isolators. Reporte técnico MCEER-23-0002. eng.buffalo.edu
- ISO 22762-1:2024, Elastomeric seismic-protection isolators — Part 1: Test methods. iso.org
- ISO/TS 22762-4:2019, Elastomeric seismic-protection isolators — Part 4: Guidance on the application of ISO 22762-3. iteh.es
When an engineer designs an isolated building, the model assumes that each isolator has a certain stiffness, strength and damping. The entire analysis —displacements, forces in the superstructure, size of the perimeter gap— depends on those numbers. Prototype and production tests are how we check that the real isolator, manufactured and placed in a laboratory press, behaves like the isolator in the model. In this article we explain what the U.S. standard ASCE 7 requires in its Section 17.8, what is measured, how results are accepted and how the international ISO 22762 series fits in.
Why an isolator is tested more than a column
A concrete column is designed with standardized material properties and decades of experience. An isolator, by contrast, is usually a custom-made piece for each project, built with materials that are unusual in construction (rubber, lead, sliding composites) and, in some cases, with moving parts. It is also the element that concentrates the reduction of the seismic response: if it fails, the whole strategy fails. McVitty and Constantinou (2015) summarize in this way the reasons why ASCE 7 requires such an extensive testing program.
Experience also counts. The same authors document the case of elastomeric isolators installed without testing at Kunming airport, China (2011): as loads increased during construction, several showed delamination and hundreds had to be removed and replaced.
Three kinds of tests: qualification, prototype and production
ASCE 7 distinguishes three families of tests (McVitty and Constantinou, 2015):
| Test | What it is for | How many units | When |
|---|---|---|---|
| Qualification | Quantify the effects of cyclic heating, loading rate, scragging, aging and temperature | Manufacturer data, previous studies | Before the project |
| Prototype | Obtain the project design properties and test λ factors | Two isolators of each type and size | Before production is manufactured |
| Production | Quality control: each unit within the specified tolerance | 100% of the project isolators | Before installation |
Prototype tests define what the isolator is like; production tests confirm that every one of the units reaching the site is equal to that prototype, within a tolerance.
The prototype test sequence (ASCE 7, 17.8.2.2)
Each prototype is subjected to a sequence of fully reversed load cycles, with the vertical load applied. Simplified, the sequence is:
- Wind: 20 fully reversed cycles at the lateral wind design force, to check that the isolator does not “let go” under service loads.
- Increasing amplitudes (item 2a): three cycles at each of 0.25, 0.5, 0.67 and 1.0 times the maximum displacement DM. As an alternative (item 2b), the standard accepts a dynamic test at the effective period TM with one cycle at each amplitude.
- Maximum displacement (item 3): three cycles at DM. This is the characterization test from which the nominal properties are obtained.
- Durability (item 4): at least 10 cycles at 0.75·DM, which may be applied in sets of five continuous cycles with a pause between them (Kim and Constantinou, 2023).
- Variable vertical load: load-bearing isolators repeat the cycles under the maximum and minimum vertical load combinations.
The intent is for the tests to be dynamic, at a frequency tied to the effective period of the isolated building, because rubber and lead heat up and change behavior with velocity. The commentary to the standard allows quasi-static tests depending on the available equipment, but in practice most projects run the characterization test dynamically (Kim and Constantinou, 2023).
What is measured and what is obtained
Two basic quantities are calculated from each force-displacement loop:
keff = (F+ − F−) / (Δ+ − Δ−) · Eloop = loop area
The effective stiffness keff and the energy dissipated per cycle Eloop (and with them the post-yield stiffness kd and the characteristic strength) are compared cycle by cycle. The first cycle usually gives the highest properties and the third the lowest, because of core heating and scragging of virgin rubber. From that difference come the test property modification factors λtest, which together with the aging, environmental and manufacturing tolerance factors define the upper and lower bounds used to analyze the structure (McVitty and Constantinou, 2015).
How the results are accepted
ASCE 7 (Section 17.8.4) deems a prototype adequate when, among other conditions:
- All force-displacement curves have positive incremental force-resisting capacity: the force keeps rising as displacement increases.
- The average kd and Eloop of the three cycles at DM fall within the nominal range defined by the project.
- In each cycle, the properties stay within the λtest,min and λtest,max limits times the nominal value.
- The isolator remains stable and undamaged at the end of the sequence.
In production, the registered design professional sets the tolerance. The ASCE 7-16 commentary recommends ±15% on the average; tighter tolerances are valid, but can delay construction (McVitty and Constantinou, 2015).
What recent research says
Kim and Constantinou (2023) reviewed whether current tests represent long earthquakes, such as subduction events, well. They conclude that three cycles at DM are enough for short-duration earthquakes, but that five would be needed for long-duration motions. They also propose replacing the durability test with more cycles at smaller amplitudes (0.4·DM for friction pendulums and 0.5·DM for lead-core isolators). These are research proposals, not current requirements, but they are relevant to Mexico's Pacific coast, where subduction earthquakes can last longer.
ISO 22762: the international reference for elastomeric isolators
The ISO 22762 series covers rubber isolators. Part 1 (2024 edition) defines the test methods: rubber and isolator properties, compression and shear stiffness, dependence of the properties on strain, frequency and temperature, ultimate properties and durability. Part 2 applies to bridges, Part 3 to buildings, and the technical specification ISO/TS 22762-4 gives guidance on applying Part 3, including type and routine tests. Broadly, type tests correspond to prototype tests and routine tests to production tests, although the acceptance criteria are not identical to those of ASCE 7.
Checklist for the designer
- Specify DM, TM, the design vertical loads and the standard governing the tests.
- Require the prototype to be tested virgin, with no previous cycles by the manufacturer.
- Require reports with the complete force-displacement curves, not just summary tables.
- Define from the start the production tolerance and what happens to an out-of-range unit.
- Require traceability for every isolator: rubber, plate and lead batch, and serial number.
- Put the tests in the construction schedule: a delay at the laboratory stops installation.
At VELATOPH®
VELATOPH® manufactures in Manzanillo, Colima, LRB and LDRB elastomeric isolators and FPS and DFP pendulum isolators, and works with the ASCE 7-22 (Chapters 17 and 18), AASHTO LRFD, ISO 22762, NTC-CDMX 2023 and CFE-Sismo 2015 standards.
If you are preparing the specifications for an isolated project and want to review which testing program to request, we offer a free technical assessment. Write to us on WhatsApp.
Sources
- ASCE/SEI 7-22, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, Chapter 17 (Section 17.8). asce.org
- McVitty, W. J. and Constantinou, M. C. (2015). Property Modification Factors for Seismic Isolators: Design Guidance for Buildings. Technical report MCEER-15-0005. eng.buffalo.edu
- Kim, H.-M. and Constantinou, M. C. (2023). Development of Performance-based Testing Specifications for Seismic Isolators. Technical report MCEER-23-0002. eng.buffalo.edu
- ISO 22762-1:2024, Elastomeric seismic-protection isolators — Part 1: Test methods. iso.org
- ISO/TS 22762-4:2019, Elastomeric seismic-protection isolators — Part 4: Guidance on the application of ISO 22762-3. iteh.es