Luciano Roberto Fernández Sola Ingeniero civil y doctor en Ingeniería. Profesor investigador en la UAM Azcapotzalco. Miembro del subcomité de la Norma Técnica Complementaria de Diseño por Sismo. En el CICM, coordinador del Consejo Académico y miembro de los comités técnicos de Seguridad Estructural y de Tecnologías.
La resiliencia sísmica puede definirse como la capacidad de reducir la magnitud y duración de los efectos causados por fenómenos perturbadores, en este caso los sismos. La resiliencia es una característica de las comunidades, y no de la infraestructura, por lo que debe entenderse el papel de la infraestructura en la resiliencia sísmica de las comunidades mediante la capacidad que tenga para mantener o recuperar sus condiciones de funcionamiento ante el efecto de los sismos y permitir que la comunidad pueda regresar a un estado de normalidad.
Los eventos sísmicos de los últimos años en el mundo han generado la necesidad de reflexionar acerca de las condiciones y filosofías de diseño utilizadas actualmente en la ingeniería sismorresistente. Los sismos son fenómenos naturales asociados a procesos geológicos de muy larga duración y de gran escala, por lo que es sumamente complicado estimar con precisión las características de los eventos futuros. Adicionalmente, la magnitud de las fuerzas sísmicas que se desarrollan en las edificaciones depende también de sus características físicas. Estas condiciones generan que la incertidumbre asociada a las acciones sísmicas en las estructuras sea muy grande.
Para lograr aminorar los efectos de los sismos sobre las estructuras, se desarrolló la idea de proveer a los sistemas estructurales de la capacidad de sufrir deformaciones inelásticas sin llegar al colapso, limitando la resistencia para la cual la estructura deja de comportaste de manera elástica. Una vez alcanzada esta resistencia, las estructuras se deforman de manera inelástica sin desarrollar mayores niveles de fuerza. De esta manera es posible controlar la máxima fuerza que se producirá en la estructura, ya que está limitada a su resistencia, la cual depende exclusivamente de las características del sistema estructural, en las que las incertidumbres son menores que aquellas asociadas a la magnitud y características de la acción sísmica. Con estos preceptos se desarrollaron los conceptos y filosofías de diseño sismorresistente modernas con muy buenos resultados, puesto que se logró reducir el número de fatalidades en los sismos. Sin embargo, el comportamiento inelástico de las estructuras se traduce en daño.
Resiliencia sísmica de las comunidades
En la última década se han producido sismos de gran magnitud que han generado afectaciones mayores; tales fueron los casos del sismo de Maule en Chile y el de Mexicali en México en 2010; el de Christchurch en Nueva Zelanda y los de septiembre de 2017 en México, por mencionar algunos. Estos sismos de gran magnitud se caracterizaron por el número reducido de fallecidos, pero por las grandes afectaciones económicas en términos de los daños, lo que ha dificultado la recuperación de las comunidades (véase figura 1). Es ante estas condiciones que el concepto de resiliencia sísmica de las comunidades ha comenzado a tomar fuerza en el ámbito de la ingeniería sísmica. La resiliencia sísmica puede definirse, recuperando la definición del National Infraestructure Advisory Council (NIAC, 2009), como la capacidad de reducir la magnitud y duración de los efectos causados por fenómenos perturbadores, en este caso los sismos. Es importante aclarar, como lo han hecho diversos expertos, que la resiliencia es una característica de las comunidades, y no de la infraestructura, por lo que debe entenderse el papel de la infraestructura en la resiliencia sísmica de las comunidades mediante la capacidad que tenga para mantener o recuperar sus condiciones de funcionamiento ante el efecto de los sismos y permitir que la comunidad pueda regresar a un estado de normalidad. Asentada esta aproximación, es probable que los conceptos actuales del diseño inelástico de la infraestructura y la resiliencia sísmica de las comunidades no estén completamente conciliados.
Rodolfo Saragoni, destacado ingeniero chileno, reflexiona que “uno de los aspectos más negativos de este terremoto [sismo de Chile de 2010] fue el comportamiento de los elementos no estructurales […]. Este nivel de inseguridad y daño no estructural en sus departamentos es algo que la comunidad no ha aceptado y queda dentro de los nuevos desafíos a resolver (Saragoni, 2011)”. En la comunidad de la ingeniería sísmica debemos cuestionarnos: ¿cuál debe ser el comportamiento esperado de las estructuras ante un sismo extraordinario? ¿Qué es lo que espera la sociedad del comportamiento de su infraestructura? ¿Se puede soportar que la casa propia, la escuela de nuestros hijos y la sede de nuestro trabajo no se hayan caído pero estén inservibles? ¿Durante cuánto tiempo?
Es necesaria una profunda revisión de las estrategias y técnicas actuales de diseño sísmico para comprender cabalmente cuáles son sus impactos, positivos y negativos, sobre la resiliencia sísmica de las comunidades. Debemos transitar hacia un comportamiento de las edificaciones, incluso ante eventos extraordinarios, que minimice los impactos negativos sobre la sociedad y facilite su recuperación en el menor tiempo posible. Los principales impactos negativos de los daños en la infraestructura son las lesiones, la pérdida de vidas humanas y del patrimonio, y las afectaciones al desarrollo de las actividades. Para poder reducir estos impactos, la tecnología se vuelve un aliado fundamental.
Las tecnologías como aliados
Existe un gran número de tecnologías disponibles para mejorar el desempeño de las estructuras y reducir los daños que experimentan ante la acción de los eventos sísmicos. Las más reconocidas se refieren a los dispositivos de control de la respuesta sísmica. Este conjunto de equipos tiene la finalidad de modificar las propiedades dinámicas de las estructuras, su comportamiento y la distribución del daño. Se pueden clasificar en tres tipos de dispositivos: los de control pasivo, que trabajan con las fuerzas producidas por la respuesta de la estructura; los de control semiactivo, que también trabajan con las fuerzas producidas en la estructura pero sus propiedades pueden modificarse de manera externa para hacerlos más eficientes; y los de control activo, que son aquellos que aplican fuerzas externas a la estructura para controlar su comportamiento (Gómez et al., 2008). Los más utilizados suelen ser los de control pasivo, entre los cuales se encuentran aisladores de base, amortiguadores viscosos y elementos que disipan energía por comportamiento inelástico (histéresis), por mencionar algunos.
Los aisladores son dispositivos con rigidez lateral reducida que se ubican en la base de la cimentación de las estructuras, lo que permite reducir la eficiencia con la que el movimiento del terreno es transmitido hacia la estructura y reducir significativamente las aceleraciones producidas en ella. Este tipo de dispositivos permiten, además de reducir los daños en los elementos estructurales y no estructurales, minimizar las afectaciones en los contenidos de las edificaciones, como muebles, equipos de alto costo, mercancía comercial, etc. (véase figura 2). Este tipo de dispositivos han sido estudiados ampliamente en escala mundial y su uso está extensamente aceptado en países con alto peligro sísmico como Japón y Chile.
Por otra parte, los amortiguadores viscosos son dispositivos que permiten disipar la energía introducida en el sistema mediante la fricción que se genera en un fluido viscoso al pasar por una placa con orificios. Este tipo de amortiguadores son similares a los que utilizan los autos. En las estructuras sin equipamiento, la energía introducida se debe disipar ya sea por la energía cinética asociada a su movimiento o por el comportamiento inelástico de sus elementos. Como ya se ha comentado, el comportamiento inelástico se traduce en daño. A diferencia de los aisladores de base, los amortiguadores viscosos reducen la respuesta de la estructura al dotarla de un mecanismo de disipación de energía adicional que permite que los requerimientos de disipación de energía por el comportamiento inelástico de los elementos sean minimizados. En México existen algunas estructuras icónicas con este tipo de equipamiento, como la Torre Mayor.
El estudio de la distribución del daño en los elementos estructurales se ha desarrollado desde hace varias décadas. Dentro de estas técnicas de diseño se ha acuñado el término de fusible estructural, que se basa en diseñar elementos con menor resistencia relativa que el resto de la estructura para que el daño se concentre en ellos. Esta idea es similar a la del fusible en una instalación eléctrica, en la cual una parte del sistema (el fusible) se daña ante una descarga menor que la que podría causar afectaciones al resto de la instalación eléctrica. Al dañarse, el fusible corta el paso de la corriente y por lo tanto protege al resto de los elementos. De esta manera, independientemente de la magnitud de la descarga, la mayor corriente que llegará a la instalación eléctrica estará limitada por la carga que hará fallar al fusible, un elemento de sacrificio de fácil acceso y menor costo, por lo que es reemplazable. Con este concepto se han desarrollado diversos elementos estructurales con grandes capacidades de deformación inelástica que permiten la concentración del daño en ellos y maximizan la energía disipada por la histéresis de sus materiales. Al introducir estos elementos se tiene la ventaja de limitar las fuerzas que son aplicadas en el resto de la estructura y disipar energía de manera estable. Este tipo de dispositivos tienen diversas variantes y en ocasiones se consideran solamente como elementos estructurales con características especiales, y no formalmente como dispositivos tecnológicos. Sin embargo, son muy eficientes y con una amplia gama de costos. Algunos ejemplos son los llamados ADAS, TADAS y los contravientos restringidos al pandeo.
Su aplicación en México
En la práctica de la ingeniería sismorresistente mexicana, aún no se ha popularizado el uso de este tipo de dispositivos. Una de las mayores limitaciones ha sido la resistencia de inversores y desarrolladores a su implementación, debido a que suelen incrementar los costos iniciales de las obras y no se ha conseguido que sus beneficios sean valorados de manera adecuada por dueños y usuarios. A medida que la sociedad comience a conocer los beneficios del uso de este tipo de dispositivos en la reducción de los daños, y por lo tanto en el incremento de la resiliencia, se comenzará a valorarlos y habrá disposición a invertir en su uso. La industria automotriz es un ejemplo muy claro de cómo la tecnología en la seguridad se ha vuelto un elemento de plusvalía; uno de los factores principales en el precio que la sociedad está dispuesta a pagar por los autos es el nivel de seguridad que ofrecen, mediante la inclusión de mejores sistemas de frenado y bolsas de aire, por ejemplo. Es necesario que todos los actores en la industria de la construcción realicemos esfuerzos para socializar el comportamiento esperado de las estructuras con las técnicas actuales de diseño y las grandes ventajas del uso de tecnologías para reducir los daños.
Existen diversos esfuerzos para socializar la seguridad estructural y poder valorizarla. El Consejo de Resiliencia de los Estados Unidos (USRC, por sus siglas en inglés) ha desarrollado un certificado de resiliencia de las edificaciones, en el que se valora, por medio de análisis no lineales, el nivel de daño esperado de los elementos estructurales y no estructurales para diversos escenarios sísmicos. Con estas evaluaciones, se clasifica la estructura en tres aspectos: la seguridad valorada en función del tipo y número de lesionados estimado durante el sismo, el costo de la reparación de los daños previstos y el tiempo en el que la estructura podrá recuperar su funcionalidad después del evento (véase figura 3). De esta manera, los inversores, ocupantes, arrendatarios y demás personas afectadas por el comportamiento del inmueble pueden conocer el desempeño esperado de éste para tomar decisiones de manera informada.
La instrumentación sísmica, tanto de las estructuras como del terreno, es otra de las tecnologías que han sido fundamentales en el incremento de la resiliencia sísmica. Las mediciones del movimiento del terreno por medio de acelerómetros o sismómetros han permitido, en primera instancia, mejorar las técnicas de diseño al tener una mejor caracterización de los sismos. Sin embargo, una de las aplicaciones de mayor impacto en México ha sido el establecimiento del Sistema de Alerta Sísmica (SAS), desarrollado a principios del decenio de 1990. Como es bien sabido, el SAS se basa en una red de acelerómetros ubicados en las costas del Pacífico que, al momento de registrar un sismo con potencial de generar daños, emite una señal de radio a los centros urbanos que podrían verse afectados (véase figura 4).
Esta señal viaja mucho más rápido que las ondas sísmicas, por lo que tiene la posibilidad de alertar a la población con algunos segundos de anticipación. El SAS ha sido una tecnología disruptiva que ha cambiado radicalmente la forma en que se establecen los planes de actuación ante los sismos.
Por su parte, la instrumentación de las estructuras puede ser utilizada para mejorar la toma de decisiones tanto preventivas como reactivas. En la etapa preventiva, la instrumentación de las estructuras permite analizar sus condiciones y sus posibles cambios de comportamiento mediante diversas técnicas englobadas en el monitoreo de la salud estructural, definido así por su similitud con los procedimientos y análisis con los que se da seguimiento a las condiciones de salud de las personas. Adicionalmente, la instrumentación sísmica permite optimizar la toma de decisiones al momento de la respuesta, al conocer con certeza la respuesta de las estructuras y poder realizar una primera estimación de los daños que pudo haber desarrollado. Este tipo de información es sumamente útil para soportar decisiones acerca del desalojo de los inmuebles. Las técnicas de identificación del daño y monitoreo de la salud estructural han tenido grandes desarrollos. Un ejemplo de ello es el uso de inteligencia artificial para el reconocimiento de grietas en las estructuras de concreto o posibles corrosiones en estructuras de acero a partir de imágenes digitales, que se está desarrollando por el grupo de trabajo de Bill Spencer en la Universidad de Illinois.
Conclusiones
La tecnología puede ser un aliado fundamental en el incremento de la resiliencia sísmica de las comunidades. Existe una gran cantidad de tecnologías disponibles, y en la mayoría de las ocasiones las innovaciones realmente disruptivas tienen que ver con darle un uso distinto a la tecnología existente. Es fundamental que la industria de la construcción integre en el discurso cotidiano las condiciones de seguridad de la infraestructura para potenciar el valor comercial de la tecnología como lo ha logrado la industria automotriz. Debemos ser sumamente celosos de que los desarrollos tecnológicos que se promuevan y utilicen tengan altos estándares de calidad y que los procedimientos en los que se base su uso estén debidamente sustentados y justificados. Desafortunadamente, ante el creciente interés que han despertado en la actualidad este tipo de dispositivos y técnicas, han aparecido en el mercado un sinnúmero de proveedores que ofertan servicios y sistemas que no están debidamente fundamentados y estudiados. Debido a la resistencia natural que ha tenido la industria de la construcción en la adopción de la tecnología, es muy probable que, si aquellos que la utilizan no son responsables en su uso, generen una mala imagen de ésta, y por lo tanto entorpezcan su implementación
