Combatiendo terremotos: diseño y prueba de edificios antisísmicos Understand article

Traducido por Rafael Martínez-Oña. Los terremotos pueden ser devastadores. ¿Podemos hacer algo para combatirlos? Francesco Marazzi y Daniel Tirelli explican cómo se diseñan y prueban los edificios a prueba de terremotos.

Mapa de riesgo global de
seísmos. Haga clic sobre
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Imagen cortesía de the Global
Seismic Hazard Program

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.

Métodos de simulación de
terremotos: una mesa
vibratoria (izquierda) y un
sistema de muro de reacción
y suelo reforzado (derecha)

Imagen cortesía de ELSA

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.

Ensayo sísmico de un
edificio a escala real en ELSA

Imagen cortesía de ELSA

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.

Los ‘estribos confinados
conjuntamente’ han ayudado
a esta casa en L’Aquila a
resistir el terremoto de 2009

Imagen cortesía de Francesco
Marazzi
Iglesia de la Concepción,
Paganica, L’Aquila, Italia

Imagen cortesía de Fabio
Taucer

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).

Actividades escolares en ELSA
Imagen cortesía de Francesco
Marazzi

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.

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References

Web References

Resources

Author(s)

Dr Francesco Marazzi es profesor de enseñanza secundaria, en excedencia temporal, e investigador en ensayos dinámicos y sísmicos en ELSA. Cuando regrese al aula, su experiencia en este gran y avanzado laboratorio le permitirá mostrar a sus alumnos lo importante que son la física, las matemáticas y la tecnología de la información en el “mundo real”. En su trabajo en ELSA, las matemáticas resultan muy útiles para modelar cualquier fenómeno o analizar datos. La física es necesaria para realizar adecuadamente los experimentos, para desarrollar nuevos dispositivos de protección y para evaluar los resultados de las simulaciones y del análisis de datos. Finalmente, la informática es la herramienta utilizada en todas las actividades de esta investigación. En resumen, prevé utilizar esta experiencia para motivar a sus estudiantes.

Dr. Daniel Tirelli es investigador en el Laboratorio europeo de evaluación estructural (ELSA) que forma parte del Centro Común de Investigación de la Comisión Europea en Ispra, Italia. Una de las tareas realizadas en ELSA, en colaboración con otros organismos, es el desarrollo de los Eurocodesw2, estándares comunes para el diseño de edificios y otras obras de ingeniería civil, que se introducirá en 2010. Uno de estos estándares (Eurocode 8) está dedicado al diseño de estructuras antisísmicas apropiadas, incluyendo cómo estas estructuras deben ser diseñadas, ensayadas y modificadas.


Review

Este artículo es especialmente interesante puesto que explica con claridad que es lo que se hace para diseñar y ensayar edificios a prueba de terremotos. El artículo puede servir como una introducción al tema de ondas en general ó de ondas sísmicas en lecciones de física y de geografía. Es ideal para introducir el tema de los terremotos pues explica su naturaleza y muestra por qué ocurren daños severos en los edificios como resultado de las leyes de Newton. Se puede utilizar para iniciar un debate sobre la destrucción causada por los terremotos, su impacto en la sociedad y qué es lo que se puede hacer para limitar el daño.

Sin embargo, este artículo proporciona una interesante lectura de base y recomienda páginas web a los estudiantes para que se den cuenta de cómo la ciencia puede beneficiar a la sociedad. También contribuye a que los estudiantes y profesores sean conscientes de organizaciones como ELSA que trabajan para mejorar la seguridad de los ciudadanos. A veces tendemos a perdernos en fórmulas y teorías y tratamos a la ciencia como un objeto puramente académico. Este artículo, sin embargo, presenta un ejemplo concreto de cómo la ciencia estudiada en clase es aplicada en situaciones reales, tales como los terremotos, los cuales desafortunadamente han ocurrido recientemente en varios países, produciendo destrucción y estragos.

Este artículo puede ser utilizado como ejercicio de comprensión en temas en los cuales los terremotos son parte del programa de estudios ó si los terremotos (aunque no estén en el programa de estudios) se estudian para hablar de las ondas. Entre otras, se pueden hacer las siguientes preguntas:

  1. ¿Qué es un terremoto?
  2. En relación con la segunda ley del movimiento de Newton, ¿por qué durante un terremoto la fuerza que actúa sobre un edificio es tan grande?
  3. Nombra dos técnicas utilizadas para ensayar edificios antisísmicos. Explica brevemente cómo funcionan.
  4. En relación con los desastres naturales que recientemente han devastado algunos países, ¿crees que estas técnicas deberían ser utilizadas más ampliamente? Explica tu respuesta.

Este artículo puede ser utilizado de diferentes maneras para grupos de diferentes edades:

10-12: da una descripción general de qué es un terremoto e informa a los estudiantes sobre lo que ocurre en Europa y otros países.

12-15: introduce el tema de los terremotos e informa a los estudiantes sobre su naturaleza y cómo suceden. Se puede utilizar el artículo para mostrar que toda una rama de la ciencia se dedica a estudiar estos fenómenos y minimizar sus efectos.

16+: introduce el tema que, entonces, puede dar paso a un estudio más profundo de las ondas sísmicas. Este artículo también puede mostrar cómo la ciencia es utilizada en beneficio de los ciudadanos. Además, puede servir para que los estudiantes discutan las políticas de los países frente a los terremotos y entender cómo la ciencia estudiada en clase se aplica en situaciones reales.


Catherine Cutajar, Malta




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