Revista Ingeniería Civil 623 Septiembre 2021
Héctor Guerrero Bobadilla Investigador, Instituto de Ingeniería (II) UNAM
Sergio Ernesto Orozco Baute, Valentín Jiménez Ramírez, Óscar Sámano Brito, Eduardo Ernesto Vilchis Domínguez, Luis Samael Cobos Cruz Becarios del II UNAM.
A lo largo de la historia, la sociedad ha experimentado múltiples terremotos de gran magnitud, los cuales han generado numerosas pérdidas económicas y humanas. Por otro lado, y gracias a los avances científicos, se han desarrollado tecnologías que han permitido a los ingenieros diseñar y construir edificaciones cada vez más complejas y a la vez seguras. Será mediante el uso de tecnología que la humanidad podrá lograr un futuro sin pérdidas cuantiosas debidas a grandes terremotos, dejando para el pasado las dolorosas imágenes que hemos visto en eventos sísmicos severos.
Actualmente existen diversas tecnologías de protección sísmica; los dispositivos más populares son los aisladores de base y los disipadores pasivos. En las siguientes secciones se describen de manera breve las tecnologías más comunes, sus principios básicos y sus beneficios para la sociedad.
Aisladores elastoméricos
Los aisladores elastoméricos son apoyos flexibles que se colocan ya sea en la base o en algún nivel de la estructura, con la finalidad de minimizar el movimiento en la superestructura a causa de un evento sísmico. Los aisladores elastoméricos cuentan con láminas de hule vulcanizadas e intercaladas con láminas de acero; éstas le dan una gran capacidad de carga vertical, mientras que las láminas de hule proporcionan gran flexibilidad en dirección horizontal. Entre los aisladores elastoméricos se pueden distinguir los siguientes tipos (CFE, 2019):
Aisladores elastoméricos de goma natural cuyo nivel de amortiguamiento está entre 5 y 7% del crítico
Aisladores elastoméricos de hule sintético de alto amortiguamiento que proporcionan niveles de amortiguamiento superiores al 10%
Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo.
En la figura 1 se presentan los esquemas de los aisladores elastoméricos; allí se aprecian los componentes mencionados.
El sistema de aislamiento sísmico tiene como principal objetivo reducir las aceleraciones en la superestructura y, por lo tanto, las fuerzas de inercia que producen daño. Lo anterior se logra a partir del incremento del periodo, es decir, la estructura se flexibiliza gracias a los aisladores elastoméricos, lo que desacopla del movimiento horizontal del terreno (Skinner et al., 1993; Naeim y Kelly, 1999; Christopoulos y Filiatraut, 2006). En la figura 2 se muestra un espectro de pseudoaceleración (izquierda) y uno de desplazamientos (derecha), donde se observa un cambio de periodo que va de aquél de una estructura convencional (punto rojo), donde las aceleraciones y los desplazamientos son elevados, a uno con sistema de aislamiento sísmico (punto verde), donde las aceleraciones y desplazamientos son bajos. Con un nivel tan bajo de demandas, se espera que la estructura acomode las acciones sísmicas de un terremoto de manera sobrada. Es importante mencionar que el desplazamiento lateral debe ocurrir principalmente en el sistema de aislamiento, mientras que la superestructura se debe mover como un cuerpo rígido. Para lograr esto, es importante lograr un buen contraste de rigideces entre la superestructura y el sistema de aislamiento desde la etapa de diseño. La rigidez de la superestructura debe ser superior a aquélla del sistema de aislamiento.
Con la implementación del sistema de aislamiento sísmico en las estructuras se mejora su desempeño sísmico de manera significativa, en comparación con aquel que presentan las estructuras convencionales con base rígida. Tanto las aceleraciones como las deformaciones laterales se reducen de manera importante, y ello se traduce en daño mínimo (o incluso nulo) en elementos estructurales y no estructurales ante movimientos sísmicos de gran intensidad. Además, los contenidos pueden ser protegidos si son anclados apropiadamente.
El principal beneficio que brinda este sistema a la sociedad es que permite la operación continua de las estructuras ante la ocurrencia de terremotos mayores, lo que ya se ha visto en eventos ocurridos en otros países como Chile y Japón. Esto resulta especialmente importante para construcciones como hospitales, escuelas e infraestructura crítica que ante una emergencia deben estar en funcionamiento total para ayudar a la población. La buena noticia es que actualmente los sistemas de aislamiento son económicos, y esto permite incluso construir edificaciones a costos menores que las estructuras convencionales, debido a los ahorros que se logran en la superestructura por las demandas sísmicas bajas que se generan en ésta.
Aisladores deslizantes
Los aisladores deslizantes consisten en un elemento sólido (conocido como lente) que se desliza sobre una superficie cóncava. En la figura 3 se muestra de manera esquemática un corte de un aislador deslizante y sus partes principales. El principio de los sistemas deslizantes se basa en aprovechar las propiedades del péndulo simple, para así aumentar el periodo de vibrar de la estructura (Constantinou et al., 1990). Como se muestra en la figura 4, el radio de movimiento del péndulo, R, dibuja la curvatura de la superficie deslizante. Al moverse la estructura debido a la excitación sísmica, el lente se mueve sobre la superficie cóncava, y aumenta la energía potencial. Es así que el sistema de aislamiento cuenta con una fuerza restauradora que trata de llevar a la estructura a su posición inicial de equilibrio. El coeficiente de fricción, μ, entre el lente y la superficie cóncava controla el momento en que inicia el deslizamiento, limitando el desplazamiento ante movimientos sísmicos o previniéndolo bajo cargas de viento o tráfico.
El comportamiento histerético de estos dispositivos es prácticamente de tipo bilineal (véase figura 5). Uno de los parámetros que definen este comportamiento es la fuerza de restitución, Fr, debida al peso soportado por el sistema de aislamiento y que al mismo tiempo representa la fuerza cortante necesaria para activar el movimiento; el otro es la fuerza de fricción, Ff, debido a la interacción de superficies deslizantes. La fuerza de restitución provee rigidez al sistema, mientras que la fuerza de fricción provee disipación de energía.
El comportamiento histerético del dispositivo se puede caracterizar finalmente mediante la ecuación 1 (Constantinou et al., 1990),
F =u + μW sgn(u˙)=Fr + Ff (1)
donde W es el peso de la estructura; R es el radio de curvatura; μ es el coeficiente de fricción; u es el desplazamiento lateral; u˙ es la velocidad y sgn(.) es la función signo.
La gran ventaja de estos sistemas es que el periodo de vibrar de la estructura aislada, T, se calcula con la misma ecuación que para el periodo de un péndulo, que es:
T = 2π √ (2)
donde g es la aceleración de la gravedad y R el radio de curvatura. Nótese que el periodo no depende de la masa ni de la rigidez de la estructura. Eso vuelve al sistema muy atractivo, ya que cualquier estructura puede llevarse a un periodo de vibrar deseado simplemente modificando el radio de curvatura, R. Obviamente, la estructura puede ser llevada a un periodo largo para reducir las demandas sísmicas, principalmente las deformaciones en la superestructura, como se observó en la figura 2.
Gracias a los aisladores de tipo deslizante, el comportamiento de las estructuras puede ser mejorado de manera importante, y lograr ocupación inmediata ante eventos sísmicos de gran magnitud. Bajo este concepto, las necesidades de la sociedad moderna, que han cambiado de sólo salvaguardar la vida de los ocupantes sin tomar en cuenta la utilidad de la estructura después del sismo a salvaguardar la vida y garantizar el uso de la estructura, pueden ser satisfechas. Esto da herramientas a los diseñadores para pensar más en el desarrollo sostenido de la sociedad sin tener que sufrir las consecuencias que se observan después de cada gran terremoto (Takagi y Wada, 2019).
Amortiguadores viscosos
Los amortiguadores viscosos son un sistema de control de respuesta sísmica de tipo pasivo, por lo que no requieren una fuente externa de energía para trabajar, sino que se activan con la vibración que se presenta durante un evento sísmico.
El funcionamiento de este tipo de sistema consiste en disipar energía adicional a la que se disipa de manera inherente en una estructura durante un evento sísmico. Para una estructura convencional, la energía se disipa, en mayor medida, por medio de comportamiento no lineal y, por lo tanto, daño en los elementos estructurales. Por otro lado, en una estructura equipada con amortiguadores viscosos la energía es disipada en mayor medida por los dispositivos, lo cual evita daños importantes en la estructura.
Un amortiguador viscoso consiste en un cilindro que contiene un fluido viscoso, generalmente silicón (Hwang, 2002), un pistón con orificios por donde transita el fluido viscoso, dos cámaras en las que se desplaza y almacena el fluido viscoso y selladores que evitan fugas (véase figura 6).
La reducción de la respuesta sísmica se produce debido al movimiento del fluido viscoso cuando se le aplica una fuerza axial producida por el pistón. Este tipo de dispositivos se clasifican como “dependientes de la velocidad”, debido a que la fuerza, FD, que se genera con el movimiento depende de la velocidad con la que se desplaza el pistón, como lo describe la ecuación 3.
FD = C|u|α signo(u˙)
(3)
FD = C|u|α signo(u)
donde C es el coeficiente de viscosidad, α el exponente de la velocidad que define si el comportamiento del dispositivo es lineal (cuando α = 1) o no lineal (cuando α ≠ 1). Los otros parámetros ya han sido definidos. Una de las características más importantes de los amortiguadores viscosos lineales es que no modifican el periodo de vibrar de las estructuras, lo cual puede ser aprovechado por los diseñadores. Por su parte, los amortiguadores viscosos no lineales tienen la ventaja de limitar las fuerzas máximas que se generan en ellos, lo que permite protegerlos ante movimientos muy intensos.
La instalación de amortiguadores viscosos en las estructuras aumenta su amortiguamiento, lo que permite reducir de manera importante la respuesta ante movimientos sísmicos. En otras palabras, se presentan reducciones en las fuerzas y desplazamientos obtenidos, lo que hace posible reducir significativamente el daño, en comparación con el que se podría presentar en una estructura convencional.
En la figura 7 se muestran espectros de pseudoaceleración y desplazamientos para relaciones de amortiguamiento del 5, 20 y 30% del crítico. Se puede apreciar que las ordenadas espectrales son reducidas de manera muy importante gracias al amortiguamiento, especialmente para periodos cercanos a la resonancia.
Este sistema de protección sísmica proporciona opciones de diseño que cumplen con los postulados de diseño más actuales y permiten ocupación inmediata de las estructuras ante eventos sísmicos de gran magnitud. Esto es especialmente importante para estructuras esenciales. Adicionalmente, las estructuras diseñadas desde el inicio con amortiguamiento suplementario podrían resultar más económicas que una estructura diseñada convencionalmente, debido a la reducción de demandas sísmicas y, en consecuencia, de las dimensiones de sus elementos estructurales.
Contraventeos restringidos al pandeo
Los contraventeos restringidos ante pandeo son amortiguadores histeréticos que trabajan axialmente y disipan energía por comportamiento inelástico del material que compone su núcleo. Estos dispositivos están compuestos por un núcleo metálico y una funda rellena de concreto (véase figura 8). Entre el relleno de concreto y el núcleo hay una separación de un material desmoldante que evita la interacción directa de éstos. La función de la funda es evitar el pandeo, mientras que el núcleo es el que se conecta a la estructura y aporta rigidez, resistencia y disipación de energía.
Los contraventeos restringidos contra pandeo trabajan axialmente y exhiben un comportamiento estable ante cargas de compresión y tensión, como se puede observar en la figura 9a. Son capaces de alcanzar ductilidades altas y presentar ciclos histeréticos amplios, estables y simétricos. En contraste, los contraventeos convencionales no tienen un buen comportamiento ante carga cíclica, ya que tienen baja capacidad a compresión debido al fenómeno de pandeo, lo que genera una degradación de carga y rigidez importante en los ciclos histeréticos, como se observa en la figura 9b.
El uso de contraventeos restringidos contra pandeo incrementa la rigidez de las estructuras y, en consecuencia, se disminuye el periodo de vibrar. Además, éstos aportan resistencia a carga lateral y capacidad de disipación de energía por comportamiento inelástico del núcleo. En la figura 10 se observa un esquema de la capacidad de carga lateral de una estructura equipada con estos dispositivos. Se puede ver que la capacidad de carga total se incrementa gracias a los dispositivos. Además, éstos fluyen con desplazamientos pequeños, lo que permite proteger a las estructuras, que preferentemente deben ser diseñadas para permanecer elásticas ante cargas sísmicas. La disipación de energía se debe llevar a cabo en los contraventeos restringidos al pandeo, que son capaces fluir de manera estable para disipar energía.
Una de las principales características de estos dispositivos es que son de bajo costo, lo que los ha convertido en uno de los sistemas más populares en las últimas décadas. Por otro lado, se ha visto que el uso de estos dispositivos permite diseñar estructuras con respuesta controlada, con elementos estructurales de dimensiones relativamente menores y con descargas bajas a la cimentación. Además, aunque es poco probable que se deban sustituir gracias a su gran capacidad de disipación de energía, los dispositivos son reemplazables, lo que reduce significativamente los costos de reparación, si se comparan con los costos esperados en estructuras convencionales.
Comentarios finales
En este artículo se ha presentado un breve resumen de las tecnologías de protección sísmica más comunes en el mundo. Se han mostrado los principios básicos de su funcionamiento y los beneficios que ofrecen a las estructuras y a la sociedad. Se puede decir que el uso de estas tecnologías puede llevar a las estructuras a un estado de ocupación inmediata después de un gran terremoto. Es responsabilidad de todos los involucrados en la industria de la construcción el aprovechar estas bondades para beneficio de nuestra sociedad que demanda mejores construcciones. Será sólo mediante el uso de tecnologías de protección sísmica que lograremos la anhelada resiliencia sísmica de nuestras sociedades
Referencias
CFE (2019). Manual de Diseño de Obras Civiles. Cap. C32. Diseño de estructuras con aislamiento de base. México.
Christopoulos, C., y A. Filiatrault (2006). Principles of passive supplemental damping and seismic isolation. Pavia: IUSS Press.
Constantinou, M., A. Mokha y A. Reinhorn (1990). Teflon bearings in base isolation II: Modeling. Journal of Structural Engineering (2)116: 455-474.
Hwang, J.-S. (2002). Seismic design of structures with viscous dampers. International Training Programs for Seismic Design of Building Structures.
Naeim, F., y J. Kelly (1999). Design of seismic isolated structures from theory to practice. John Wiley & Sons.
Skinner, R., W. Robinson y G. McVerry (1993). An introduction to seismic isolation. Londres: John Wiley & Sons.
Takagi, J., y A. Wada (2019). Recent earthquakes and the need for a new philosophy for earthquake-resistant design. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 119: 499-507.
