Avances en la ingeniería estructural sismorresistente

Ingeniería Estructural Sismorresistente

La ingeniería Estructural Sismorresistente es una disciplina que surgió no hace mucho tiempo y que surgió como una manera de dar solución a las catástrofes que surgieron a raíz de terremotos. 

Para esto se propuso establecer una fuerza estática horizontal para representar el efecto sísmico cuyo valor se estima como un 10% del peso de la estructura. Con esto se buscó representar la manera en la que interactúa una construcción con un sismo y los efectos inerciales producidos por la vibración sísmica sobre la construcción. La ingeniería estructural sismorresistente tiene como principal objetivo el buscar, analizar, diseñar y construir estructuras que brinden soporte, seguridad y resistencia al momento de un sismo, esto con el fin de que se logren evitar las diferentes catástrofes a raíz de un sismo. 

Es importante recalcar que no es posible cambiar la naturaleza de un sismo, pero esta ingeniería brinda toda herramienta para reducir el impacto de un sismo hacia una construcción y de esa manera evitar que una población sea vulnerable ante un sismo, de tal manera que aplicando medidas sistemáticas de prevención el daño producido por un sismo pueda controlarse y reducirse a cantidades aceptables. 

¿En que se basan las tecnologías en Sismorresistencia?

Por la posibilidad de ocurrencia de terremoto en el país, como consecuencia, existe mucho interés en los temas relacionados con la resistencia sísmica de las viviendas, la seguridad de los materiales y sistemas de construcción de viviendas, con el fin de garantizar la seguridad de la población más vulnerable. 

Las tecnologías más utilizadas en sismo resistencia actualmente

1. Aislamiento de Base Sísmica basado en la levitación:

Los ingenieros y sismólogos han favorecido el aislamiento de base durante años como un medio para proteger los edificios durante un terremoto. Como su nombre lo indica, este concepto se basa en la separación de la infraestructura de un edificio de su superestructura. Este tipo de sistemas implicaría que un edificio se eleve por encima de su base sobre rodamientos generalmente constituidos por plomo y caucho, que contienen un núcleo de plomo sólido envuelto en capas de caucho y de acero alterna. Las placas de acero se unen los cojinetes del edificio y de su base permitiendo en caso de un sismo que la edificación se eleve para moverse sin mover la estructura por encima de ella. Los sistemas de aislamiento de base consisten en unidades de aislamiento con o sin componentes de aislamiento, donde: 

Las unidades de aislamiento son elementos básicos del aislamiento de base que se encargan de ejercer el efecto de desacoplamiento entre el edificio y la cimentación.

Los componentes de aislamiento son la conexión entre las unidades de aislamiento y las partes que no están desacopladas.

2. Amortiguadores:

Otra tecnología que ayuda a que los edificios se eleven en los terremotos y sufran un menor impacto debido a estos se encuentra inspirada en la industria automotriz. La familiaridad con el amortiguador - el dispositivo en los automóviles que hace parte del sistema de suspensión, que actúa entre el chasís y las ruedas, el cual se encarga de absorber las irregularidades del terreno por el que se transita buscando aumentar el control del vehículo y el confort de los pasajeros. De esta forma, mientras los resortes son los encargados de absorber los impactos del terreno, el amortiguador disminuye rápidamente el movimiento del resorte, restringiendo sus movimientos para evitar que continúen oscilando y garantizar el control sobre el vehículo. 

En este sentido, los amortiguadores pueden ser asimismo útiles en el diseño de edificios resistentes a los terremotos. Los Ingenieros generalmente suelen usar amortiguadores en cada nivel de un edificio, con un extremo unido a una columna y el otro extremo unido a una viga. Cada amortiguador se compone de una cabeza de pistón que se mueve dentro de un cilindro lleno de aceite de silicona. Cuando golpea un terremoto, el movimiento horizontal del edificio hace que el pistón de cada amortiguador sea empujado contra el aceite, transformando la energía mecánica del sismo en calor.

3. El uso de péndulos en amortiguadores de masa sintonizado:

La amortiguación puede tomar muchas formas. Otra solución, especialmente para los rascacielos, implica suspender una masa enorme cerca de la parte superior de la estructura. Los cables de acero soportan la masa, mientras que los amortiguadores de fluidos viscosos se encuentran entre la masa y el edificio que está tratando de proteger. Cuando la actividad sísmica hace que el edificio se balancee, el péndulo se mueve en la dirección opuesta, disipando de esta forma la energía. 

Los ingenieros se refieren a sistemas tales como amortiguadores de masa sintonizados porque cada péndulo se ajusta con precisión a la frecuencia natural de vibración de una estructura. Si el movimiento del suelo provoca un edificio a oscilar en su frecuencia de resonancia, el edificio vibrará con una gran cantidad de energía y es probable que experimente daños. El trabajo de un amortiguador de masa sintonizado o péndulo es contrarrestar la resonancia y reducir al mínimo la respuesta dinámica de la estructura. Taipéi 101, que se refiere al número de plantas en el rascacielos 1.667 metros de altura (508 metros de altura), utiliza un amortiguador de masa sintonizado para minimizar los efectos de vibración asociados con los terremotos y fuertes vientos. En el corazón del sistema es un 730- ton (660 toneladas métricas), la bola de color dorado suspendido por ocho cables de acero. Es el amortiguador de masa más grande y pesado sintonizado en el mundo.

4. Tecnología sismo resistente basada en los fusibles reemplazables:

En el mundo de la electricidad, un fusible proporciona protección si la corriente en un circuito supera un cierto nivel, interrumpiendo el flujo de electricidad que evita el sobrecalentamiento y los incendios. De esta forma después del incidente, sólo se tiene que sustituir el fusible y restaurar el sistema a su estado normal. 

Investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad de Illinois han estado experimentando con un concepto similar en la búsqueda de construir un edificio sismo resistente. Ellos describen a su idea como un sistema de balanceo controlado por marcos de acero elásticos que forman parte de la estructura de la edificación y que le permiten que se mueva desde la parte superior de su base. Pero eso por sí solo no sería una solución ideal. 

Además de los marcos de acero, los investigadores introdujeron cables verticales que anclan la parte superior de cada piso a la cimentación, limitando el movimiento de balanceo, pero no solo es eso, los cables tienen una capacidad de auto-centrado, lo que significa que puede mover toda la estructura en sentido vertical cuando se presenta el temblor. Los componentes finales, por lo tanto, son los fusibles reemplazables de acero que se encuentran entre dos marcos o en las bases de columnas. Los dientes de metal de los fusibles absorben la energía sísmica que producen los movimientos en la construcción. Si se dañan durante un terremoto, pueden ser reemplazados con relativa rapidez y de forma rentable para restaurar el edificio a su forma original.

5. Estructuras de paredes con hormigón armado:

En muchos edificios modernos de gran altura, los ingenieros utilizan la construcción de un núcleo de pared para aumentar el rendimiento sísmico a menor costo. En este diseño, se realiza un núcleo de hormigón armado que pasa por el centro de la estructura de la construcción, rodeando a los ascensores. Para los edificios muy altos, la pared central puede ser muy importante - por lo menos 30 pies en cada dirección de la planta y de 18 a 30 centímetros de espesor. 

Mientras que la construcción del núcleo de pared ayuda a los edificios en caso de un sismo, no es una tecnología perfecta. Los investigadores han encontrado que los edificios de base fijan con este tipo de materiales aún pueden experimentar deformaciones inelásticas significativas, grandes fuerzas de corte y hacer que con las aceleraciones del suelo se deteriore la construcción. 

Por lo tanto, una mejor solución para estructuras en zonas sísmicas requeriría un tipo pared con un núcleo compuesta de hormigón armado combinado con el aislamiento de base y algún tipo de amortiguador a nivel del suelo para evitar que el hormigón en la pared se deforme permanentemente. Para lograr esto, los ingenieros refuerzan los dos niveles más bajos de la construcción con acero e incorporan de postensado a lo largo de toda la altura. En los sistemas de potenzado, los tendones de acero son de rosca a través de la pared del núcleo. Los tendones actúan como bandas de goma, que pueden ser tan menguados por gatos hidráulicos para aumentar la resistencia a la tracción del núcleo de pared.

6. Capa de Invisibilidad sísmica:

Se puede pensar en el agua o el sonido cuando se considera el tema de las ondas, pero los sismos también producen ondas, clasificadas por los geólogos como ondas internas -o de cuerpo-y ondas superficiales. Este tipo de ondas hace un recorrido rápido por el interior de la Tierra. Este recorrido se hace más lentamente a través de la corteza superior incluyendo un subconjunto de las ondas -conocida como ondas de Rayleigh- que mueven el suelo verticalmente. Este movimiento hacia arriba y hacia abajo son los causantes de la mayor parte del sacudimiento del suelo y de los daños asociados a un terremoto. 

En este sentido, ¿podría ser posible interrumpir la transmisión de algunas ondas sísmica? o ¿Podría ser posible desviar la energía o reencaminarla alrededor de las áreas urbanas? Algunos científicos piensan que sí, llamado a su solución la "capa de invisibilidad sísmica", por su capacidad de hacer un edificio invisible a las ondas superficiales. Los ingenieros creen que pueden modelar el " manto" de 100 anillos concéntricos de plástico enterrados bajo los cimientos de un edificio. Como enfoque de las ondas sísmicas, que entran en los anillos en un extremo quedando contenidos dentro del sistema, de esta forma y albergadas las ondas dentro de la "capa", no pueden impartir su energía a la estructura anterior; estas simplemente pasarían alrededor de los cimientos del edificio emergiendo en otro lado, por donde salen los anillos y reanudar su viaje de larga distancia.

7. Aleaciones con memoria de forma:

La plasticidad describe la deformación que se produce en cualquier material cuando las fuerzas se aplican a él. Si las fuerzas son lo suficientemente fuerte, la forma del material puede ser alterado de forma permanente, lo que compromete su capacidad de funcionar adecuadamente. El acero puede experimentar deformación plástica, pero también lo puede concretar. Y, sin embargo, ambos materiales son ampliamente utilizados en casi todos los proyectos de construcción comercial. 

Las aleaciones de memoria permiten soportar tensiones fuertes permitir volver a su forma original. Muchos ingenieros están experimentando con estos llamados materiales inteligentes como sustitutos de la construcción de acero y hormigón tradicional. Una aleación que puede ser aplicable es la de níquel y titanio o nitinol, que ofrece de 10 a 30 por ciento más de elasticidad que el acero.

En un estudio de 2012, investigadores de la Universidad de Nevada, Reno, compararon el desempeño sísmico de columnas de puentes de acero y hormigón con columnas hechas de nitinol y concreto. La aleación con memoria de forma superó a los materiales tradicionales en todos los niveles y se experimenta mucho menos daño. 

De este modo, las aleaciones de memoria de forma (Sam) son únicos en su capacidad de soportar la tensión pesada y todavía volver a su estado original, ya sea a través de calentamiento o supe elasticidad, demostrando así su capacidad para volver a centrar las columnas de las construcciones, lo que reduce al mínimo las columnas de inclinación permanentes pueden experimentar después de un terremoto.

La utilidad de este tipo de materiales como el níquel titanio son muy variadas, con aplicaciones que van desde la medicina a los motores térmicos a los dispositivos e incluso los juguetes de la novedad de elevación - y ahora, la ingeniería sísmica.

8. Revestimiento en fibra de carbono:

Muchas de las tecnologías existentes están enfocadas en la construcción de nuevas estructuras, pero la adaptación de edificios antiguos para mejorar su comportamiento sísmico es igual de importante. Los ingenieros han encontrado que la adición de los sistemas de base de aislamiento para estructuras es a la vez posible y económicamente rentable. Otra solución prometedora, mucho más fácil de implementar, requiere una tecnología conocida como envoltura de plástico reforzado con fibra, o de FRP. Los fabricantes producen estas envolturas mediante la mezcla de fibras de carbono con polímeros de unión, tales como epoxi, poliéster, éster de vinilo o nylon, para crear un material de peso ligero, pero increíblemente fuerte, de material compuesto. 

En la adaptación de estas aplicaciones, los ingenieros simplemente envuelven el material alrededor de las columnas de soporte de hormigón de puentes o de los edificios y luego bombean epoxi a presión en el espacio entre la columna y el material. Sobre la base de los requisitos de diseño, los ingenieros pueden repetir este proceso de seis u ocho veces, creando una especie de un haz de momia envuelta con significativamente mayor resistencia y ductilidad. Sorprendentemente, incluso las columnas dañadas por el terremoto se pueden reparar con envolturas de fibra de carbono.

9. Biomateriales:

Mientras que los ingenieros hacen ver con las aleaciones con memoria de forma y envolturas de fibra de carbono, que anticipan un futuro en el que incluso mejores materiales pueden estar disponibles para la construcción resistente a los terremotos. Y la inspiración para estos materiales puede probablemente provienen del reino animal. Considere el mejillón humilde, un molusco bivalvo encontrado adheridos a las rocas del océano o, después de haber sido retirado y se llenaba de vino, en nuestro plato. Para mantenerse apegados a sus perchas precarias, mejillones secretan fibras adhesivas conocidas como bisos. Algunos de estos temas son duros y rígidos, mientras que otras son flexibles y elásticas. Cuando una onda se estrella en un mejillón, que permanece fija porque los filamentos flexibles absorben el choque y disipan la energía. Los investigadores incluso han calculado la proporción exacta de fibras de dura - a lo flexible - 80:20 - que da el mejillón su viscosidad. Ahora es una cuestión de la elaboración de materiales de construcción que imitan el mejillón y su asombrosa habilidad para quedarse.