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La ciencia responde

Caer o no caer ante un terremoto

La ingeniería antisísmica investiga en diseños sismorresistentes para construir edificios capaces de mantener el tipo ante los terremotos. Resistir, absorber la energía o disiparla son las tres estrategias para evitar el derrumbe.

José Cegoñino Banzo 11/11/2016 a las 06:00
Edificios destruidos en la localidad de Amatrice por efecto de los terremotos que sacuden el centro de Italia.EFE

La Gran Torre Santiago, en el Costanera Center de Santiago (Chile), probó su resistencia al soportar sin daño alguno el terremoto de 8,8 en la escala de Richter que azotó Chile en febrero del 2010. Es un edificio antisísmico. No lo eran las casas de Amatrice que se derrumbaron tras el seísmo del 24 de agosto. La ciencia sabe por qué y sigue preguntándose cómo aumentar la resistencia de los edificios ante terremotos como los que sufre el centro de Italia.

¿Por qué se derrumba un edificio cuando hay un terremoto?

Un movimiento vibratorio sacude los edificios tanto vertical como horizontalmente en un seísmo. Las fuerzas horizontales –las que predominan a kilómetros del epicentro– son las más peligrosas para la estructura. El movimiento del suelo se traduce en acciones horizontales que flexionan los elementos resistentes verticales (muros y columnas); la gravedad hace el resto. Su acción sobre la estructura fisurada produce el derrumbe. Por ello, ante un sismo, no es habitual que los edificios caigan hacia los lados, sino que se desploman verticalmente, ya que el peso de los edificios provoca su caída.

Cuando la Tierra tiembla, el edificio actúa como un apéndice al suelo. La energía del terremoto se transmite por las diferentes plantas mediante ondas que suben y bajan por la construcción.

El inmueble se resiste al movimiento producido en su base por la vibración del terreno y opone la fuerza de inercia generada por él mismo.

Los edificios suelen estar preparados para resistir cargas estáticas, de tipo gravitatorio, no cargas dinámicas como las que retan su capacidad de resistencia en un movimiento sísmico. En esas ocasiones, nos enfrentamos a un problema de dinámica estructural.

Con ayuda de la ingeniería antisísmica se investiga en el diseño sismorresistente para construir edificios que mantienen el tipo ante los terremotos.

¿Cuál es el secreto de los edificios sismorresistentes?

No existen edificios totalmente sismorresistentes. No obstante, ciertas características estructurales aumentan la resistencia de un edificio frente a un sismo:
  • Formas regulares y simétricas. Una geometría irregular favorece las torsiones del edificio y las concentraciones de tensiones en esquinas, creando situaciones difíciles de resistir. La distribución de masas debe ser uniforme en cada piso. Cuanto más compacta sea la planta, más estable será la vivienda. Una planta cuadrada es mejor que una rectangular y una circular es la forma óptima.
  • Materiales capaces de deformarse y ceder, amortiguar las vibraciones y absorber energía, es decir, dúctiles. Como el acero y el hierro forjado.
  • Estructuras rígidas, que se deformen poco cuando se mueven ante la acción de un terremoto.
  • Una buena base. Cuanto mayor sea la base del edificio, más resistente y seguro será este. Los cimientos son clave en la flexibilidad y aguante de los edificios. La cimentación debe ser capaz de trasmitir con seguridad el peso de la edificación al suelo. Mejor si el suelo es duro y resistente.

¿Cómo puede defenderse un edificio de un terremoto?

Resistir, absorber la energía o disiparla son las tres estrategias para evitar el derrumbe.
Aisladores y disipadores se emplean a fondo.
Una estructura correctamente aislada sísmicamente recibe solo la cuarta o quinta parte de la aceleración del terreno, mientras que una estructura convencional la amplifica de tres a cuatro veces.

Aisladores sísmicos estratégicamente colocados desacoplan la estructura del suelo e impiden el paso de la aceleración sísmica. La estructura se comporta como un bloque rígido que se mueve sobre los aisladores en desplazamientos relativamente pequeños, evitando el desplazamiento entre piso a piso, que es lo que provoca el colapso de la edificación.

Los aisladores sísmicos de base son elementos elastoméricos reforzados interiormente con láminas de acero colocados en la estructura; su flexibilidad permite minimizar los daños.

Los disipadores sísmicos siguen otra estrategia. Su función es disipar las acumulaciones de energía sin sobrecargar otros elementos de la estructuras. Así se evitan daños y la amortiguación de la estructura aumenta.

Cada tres pisos, la Torre Titanium de Santiago de Chile tiene instalados disipadores de energía. El edificio está anclado a 50 metros de profundidad con 65 pilotes de hormigón y acero, y puede soportar un sismo de 8,5 en la escala de Richter.

La disipación puede ser activa, semiactiva o pasiva. Los sistemas activos y semiactivos de protección sísmica saben qué respuesta sísmica está dando la estructura en tiempo real. Mientras los activos aplican directamente fuerzas de control para contrarrestar los efectos sísmicos, los semiactivos actúan modificando, en tiempo real, las propiedades mecánicas de los dispositivos de disipación de energía.

Los elementos de disipación pasiva proporcionan una amortiguación suplementaria mediante elementos que absorben la energía del terremoto. A esta categoría corresponden los sistemas de aislamiento sísmico de base y los disipadores de energía. Amortiguadores de aceite, de metal, viscoelásticos, viscosos… disipan energía por medio de calor.

Son los dispositivos de protección sísmica más comúnmente utilizados en la actualidad. En México se encuentra el primer rascacielos del mundo que cuenta con amortiguadores sísmicos. La Torre Mayor cuenta con 98 amortiguadores que liberan silicio para disipar la energía producida por un terremoto. Es considerado el edificio más fuerte del planeta.

El rascacielos Taipei 101 de Taiwán (China) dispone de un sistema amortiguador de masas colocado en la parte superior del edificio que compensa el centro de gravedad del edificio, evitando así su balanceo y posible desplome en caso de que la Tierra tiemble.
 
La ciencia sigue haciéndose preguntas

¿Cómo aumentar la resistencia a las vibraciones?

Investigadores de todo el mundo trabajan en el desarrollo de novedosos disipadores de energía mediante el uso de materiales inteligentes. Los materiales electrorreológicos o magnetorreológicos son fluidos que pueden cambiar muy rápidamente, en milisegundos, de líquidos a sólidos (y viceversa) con la aplicación de un campo eléctrico o magnético. Los elementos magnetorreológicos contienen partículas magnéticas en suspensión distribuidas aleatoriamente, que pueden reorientarse cuando están sometidas a un campo eléctrico o magnético, de tal forma que aumenta su capacidad de resistencia a las vibraciones y se dificulta cualquier posibilidad de deformación en la dirección en la que se han reorganizado. Son perfectos para dispositivos de control semiactivo, sobre todo en amortiguadores que contengan este tipo de fluidos.
 
¿Qué país va a la cabeza en investigación?
Chile es una referencia mundial en construcción antisísmica, junto a Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda. A pesar de su fuerza devastadora, el terremoto del 2010 en Chile produjo 550 víctimas frente a las casi 21.000 de Japón en el 2011. La tecnología antisísmica desarrollada en Chile está basada en dos grupos de dispositivos: de aislamiento sísmico –utilizados en edificaciones de hasta 18 pisos– y de disipación de la energía –aplicados en estructuras de mayor altura–. La empresa SIRVE (Soluciones Integrales de Reducción de Vibraciones en Estructuras) desarrolla 45 proyectos y exporta tecnología a Perú y México.

¿Y en España?

En España existen diferentes grupos de investigación en ingeniería antisísmica (Universidad de Granada, Universidad de Zaragoza o Universidad Politécnica de Madrid). Centran sus investigaciones en el diseño de sistemas de monitorización sismorresistente de edificios, basados en una red de sensores desplegados en edificios, que permitan realizar seguimientos y control de variables estructurales. También diseñan nuevos dispositivos antisísmicos, como los disipadores de energía de tipo histerético, y estudian materiales inteligentes que responden a estímulos concretos del entorno y llevan a cabo funciones como resultado de sus propiedades intrínsecas, con un impacto relevante en el campo del control estructural.

JOSÉ CEGOÑINO BANZO Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza. Miembro del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A)

Esta sección se realiza en colaboración con la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza




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