Combatiendo terremotos: diseño y prueba de edificios antisísmicos

En enero 2010 murieron unas 200000 personas y 280000 edificios se colapsaron o fueron dañados severamente por un terremoto en Haití. Más cerca de casa – en los Abruzos, Italia - en la madrugada del 6 de abril de 2009 un terremoto causó más de 300 muertos y forzó la evacuación de 60000 personas.

Debido a que los terremotos son consecuencia de movimientos tectónicos, no pueden ser controlados ó fácilmente predecibles, sólo podemos analizar estadísticamente su intensidad y frecuencia (para más información, ver Latchman, 2009). Para una región dada, la intensidad esperada de los terremotos es inversamente proporcional a sus frecuencias de aparición: los terremotos menores son más frecuentes que los fuertes.

Aunque no podemos librarnos de los terremotos, podemos combatirlos, por ejemplo mediante el diseño de edificios a prueba de terremotos – ó antisismos.

Un terremoto es un movimiento de masa terrestre caracterizado por oscilaciones en tres dimensiones; los efectos de estos movimientos en los edificios pueden ser considerables. Los terremotos dan lugar a que los edificios se muevan muy rápidamente; la masa del edificio multiplicada por la aceleración causada por el terremoto producen fuerzas muy grandes, tal como describe la segunda ley del movimiento de Newton (fuerza = masa x aceleración). Puesto que las casas y otras estructuras comunes son diseñadas para soportar sus propios pesos, normalmente pueden resistir las fuerzas verticales adicionales causadas por los movimientos verticales de los terremotos. Las fuerzas horizontales, sin embargo, son frecuentemente subestimadas u olvidadas durante la fase de diseño, y por eso los edificios pueden colapsarse cuando se ven sometidos a un terremoto.

Por razones económicas y prácticas, los edificios antisísmicos necesitan tener niveles apropiados de resistencia: inclusive, el terremoto más fuerte no debería producir que un edificio se colapsase, aunque lo pudiese dañar hasta un cierto nivel. Sin embargo, un terremoto pequeño no debería causar ningún daño, tal como grietas. El diseño de un edificio antisísmico también debe tener en cuenta su importancia y su función: un hospital o un centro de bomberos, por ejemplo, debe permanecer operativo inclusive después del mayor terremoto.

Aun sabiendo el enorme progreso ocurrido en la modelación y simulación de la respuesta de los edificios a los terremotos, el ensayo experimental aun ocupa una parte importante en el desarrollo de edificios antisísmicos. Los ingenieros utilizan modelos pequeños ó a escala real para investigar la respuesta de la estructura a un terremoto: ¿cómo de seguro debería ser un edificio en un terremoto y cómo se podría mejorar?

Existen dos técnicas experimentales y complementarias para simular el efecto de un terremoto en una estructura: una basada en la mesa vibradora y la otra en el sistema de muro de reacción y suelo reforzado (ver imagen más arriba). Una mesa vibradora es una plataforma que imita un terremoto produciendo vibraciones en uno, dos ó tres dimensiones. El edificio a ensayar – normalmente un modelo a escala reducida – se dispone sobre la mesa vibradora, se somete al “terremoto” y se registran los efectos producidos. ¿Se cae el edificio? ¿Aparecen grietas en los muros? ¿Cómo se generan los daños? ¿Cuánto tiempo puede resistir un edificio a un terremoto? El inconveniente de esta simulación es que no se puede detener durante el “terremoto”: sólo se puede evaluar el daño final.

El sistema de muro de reacción y suelo reforzado, por el contrario, permite ensayar estructuras a escala real. La estructura a ensayar se coloca en el suelo del sistema y los cilindros hidráulicos adosados al muro de reacción ejercen presión sobre dicha estructura, como si fuese un terremoto. El terremoto se puede simular con movimientos lentos – un terremoto de unos pocos segundos en la vida real puede necesitar varias horas para simularse. Esto permite que el daño que se produce en el edificio se pueda monitorizar con detalle; el ensayo se puede detener para que los ingenieros examinen el edificio con detalle o para prevenir el colapso completo. Los sensores registran los efectos del terremoto simulado en el edificio, incluyendo deformación, tensiones, inclinaciones y fuerza.

El sistema de muro de reacción y suelo reforzado más grande de Europa está en el Laboratorio europeo de evaluación estructural (ELSA)^w1, que se utiliza para ensayar métodos mediante los cuales grandes estructuras (como puentes y edificios) puedan ser tensionados y reparados.

Tal como puede ser demostrado experimentalmente, el daño más probable causado por un terremoto a un edificio (su vulnerabilidad sísmica) se puede reducir de distintas maneras. Una es separar el edificio de la tierra, de tal manera que las vibraciones causadas por el terremoto no se transmitan al edificio. Por ejemplo, el aislamiento de la base requiere introducir un sistema deslizante entre los cimientos y la parte baja del edificio.

Otro enfoque es el de concentrar el daño en partes predefinidas de la estructura: esto permite la disipación de la energía del terremoto y evita un comportamiento (de la estructura) inesperado. Por ejemplo, si se insertan piezas de hierro en los nodos estructurales (por ejemplo donde las vigas se apoyan en los pilares), durante el terremoto se deformarán estas piezas en lugar del propio edificio.

El diseño de un edificio es extremadamente importante. Por ejemplo, los diseños regulares son más resistentes a los terremotos que los irregulares puesto que están menos sujetos a efectos torsionales y, por tanto, a tensiones locales y deformaciones. Los pequeños detalles son muy importantes. Los muros deben estar bien conectados unos con otros y con el suelo haciendo que la casa resista al terremoto como un todo (se dice que la estructura exhibe un comportamiento de caja). En las viejas casas de mampostería, al insertar tendones de hierro que vayan por los muros estructurales y el suelo, la estructura se comporta como un único elemento compartiendo las deformaciones y tensiones. Esto mejora la capacidad de disipar energía del edificio. En los nuevos edificios, los elementos de hormigón se unen firmemente mediante “estribos confinados muy cerca unos de otros”; esto mejora significativamente la resistencia de los edificios a los terremotos a un coste insignificante.

Los dispositivos antisísmicos son importantes no solo para salvar vidas sino también para proteger nuestro patrimonio cultural: ELSA ha realizado ensayos en un modelo a escala real de una parte del monasterio de Saõ Vicente de Fora de Lisboa, Portugal, y en una fachada reconstruida a escala 50% del Palazzo Geraci de Palermo, Italia. Como resultado de estos ensayos, ELSA ha podido preparar unas guías generales para la protección de monumentos históricos del daño por terremotos.

Actividades escolares en ELSA

ELSA tiene un laboratorio interactivo para los jóvenes que incluye una pequeña mesa vibratoria; como es fácilmente transportable se pueden realizar demostraciones durante las visitas escolares a sus instalaciones en Ispra, Italia, ó directamente en las escuelas (ver Anthoine et al., 2010).

Primero, una demostración de los principios de la dinámica estructural, introduce a los chicos los conceptos de frecuencia natural, modo y forma de vibración y las ideas básicas sobre sensores y adquisición de datos. Después, se les ofrece a los estudiantes montar estructuras hechas de bloques de una piedra especial y ensayarlas en la mesa vibratoria. Y pueden dar rienda libre a su imaginación: algunas casas tienen varias puertas y ventanas, otras son más parecidas a búnkeres, pirámides ó templos griegos.

Los modelos de las casas se colocan sobre la mesa vibratoria y se someten a la simulación de un terremoto real, registrado previamente. Luego se les pide a los estudiantes que describan lo que han observado y expliquen por qué las distintas casas se comportan diferentemente cuando han estado sometidas al mismo terremoto. Esto introduce el concepto de riesgo sísmico: la combinación de vulnerabilidad sísmica (cómo de sensible es una casa a los terremotos) y riesgo sísmico (cuál es la intensidad del mayor terremoto esperado en un determinado lugar). La única manera de reducir el riesgo sísmico es reducir la vulnerabilidad; ¡no tenemos poder sobre el riesgo!

Uno de los métodos más eficaces para reducir la vulnerabilidad – aislamiento de la base – se puede ver en nuestra pequeña mesa vibradora que tiene tres rodillos de pequeño radio soportando la base del modelo. Estos tubos separan el edificio del suelo y aseguran que las vibraciones de un terremoto no son transmitidas hacia arriba. La eficacia de este sistema se comprueba fácilmente cuando dos modelos idénticos, uno con la base aislada y otro sin aislamiento, se ensayan al mismo tiempo: el terremoto destrozará el edificio con la base no aislada mientras que el otro permanecerá intacto.