Aislamiento de estructuras. Estrategia para incrementar la seguridad estructural y optimizar el uso de los materiales

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Juan Manuel Fuentes García Ingeniero civil con maestría en Estructuras. Integrante en dos ocasiones de la mesa directiva de la SMIS. Es socio y director técnico de la firma de ingeniería estructural Quasar.


En México, durante las últimas dos décadas se han desarrollado un mayor número de proyectos estructurales sobre aislamiento sísmico, y cada vez más despachos de ingeniería estructural se animan a proponer a sus clientes esta alternativa. Por su parte, los beneficios derivados de la aplicación de esta estrategia son cada vez más conocidos por los inversionistas y desarrolladores inmobiliarios, lo cual ha permitido que el número de propuestas con aislamiento sísmico se haya incrementado considerablemente en los últimos cinco años.

Cuando ocurre un sismo, las ondas que son generadas viajan a través de los estratos de suelo desde el lugar de origen hasta varios kilómetros de distancia, en donde se disipan. Si en el trayecto se encuentran con estructuras cuyas cimentaciones están apoyadas sobre dichos estratos, aquellas ondas sísmicas ingresarán en el sistema estructural a través de la cimentación, y provocarán que éste se desplace y deforme de acuerdo con sus características dinámicas.

El aislamiento sísmico parte de ese hecho: introducir un elemento flexible que permita desacoplar el movimiento horizontal en la unión rígida que existe entre la cimentación y la base de la estructura, con la finalidad de disminuir las deformaciones relativas que experimenta la estructura y con esto evitar o minimizar el daño a los elementos que la conforman y sus contenidos.

Antecedentes del aislamiento sísmico en el mundo contemporáneo

El primer antecedente contemporáneo del que se tiene registro en relación con el aislamiento sísmico ocurrió en 1870, cuando Jules Touaillon presentó en la oficina estadounidense de patentes de San Francisco, California, una idea para colocar balines entre la base de la estructura y su cimentación. En 1885, el científico británico John Milne –considerado el padre de la sismología moderna por sus invenciones instrumentales para registrar las señales sísmicas– realizó una serie de experimentos en la Universidad de Tokio colocando pequeñas canicas de acero entre la base de las estructuras y sus cimentaciones. En 1911, Domenico Loda patentó un aislador que podría considerarse como el precursor de los aisladores pendulares actualmente conocidos.

La primera propuesta detallada de aislamiento sísmico surgió en 1909 del médico británico Johannes A. Calantarients, quien expuso con suma claridad el concepto y sus beneficios. Detalla que los edificios podrían colocarse libremente sobre superficies con materiales que permitieran su deslizamiento en caso de ocurrir un sismo, y que el costo por la construcción de una estructura aislada podría ser menor que el de una estructura tradicional; incluso llegó a asegurar que los contenidos podrían permanecer sin daños al finalizar el sismo.

En 1969, la ciudad de Skopje en Macedonia del Norte (ex República de Yugoslavia) sufrió un sismo en el que murieron más de mil personas, hubo más de 3 mil damnificados y aproximadamente el 80% de las edificaciones tuvo daños severos. Ante esto, el gobierno suizo donó un edificio para escuela cuya estructura fue apoyada sobre un sistema con base en aisladores de caucho puro; con el propósito de limitar los desplazamientos horizontales en caso de un sismo intenso, dado el bajo amortiguamiento del caucho, se colocaron bloques laterales de vidrio como elementos de sacrificio, los cuales se romperían una vez alcanzado el límite establecido. No fue hasta 1978 que en Provenza, Francia, Gilles Delfosse propuso aisladores en los que alternó placas de acero y caucho, con lo que controló las deformaciones horizontales excesivas que ocurrían en los aisladores conformados únicamente por caucho.

En la Ciudad de México, la estructura que ocupa la escuela secundaria general número 168 en la calle de Lago Ximilpa, en la zona de Legaria, fue aislada sobre esferas metálicas. Esta edificación fue diseñada por el ingeniero González Flores en la década de 1970, y es considerada el precedente mexicano de estructuras sísmicamente aisladas.

La década de 1980 fue un parteaguas para el aislamiento sísmico mundial, ya que varios países reconocieron oficialmente sus beneficios a través de sus códigos de construcción, y con esto se permitió un rápido avance en la implementación de los aisladores sísmicos. En 1981 se aisló la primera estructura normativamente permitida en Wellington, Nueva Zelanda. En ella se utilizaron aisladores con placas alternadas de caucho y acero, pero incorporando amortiguamiento adicional a través de un núcleo de plomo, con lo que se dio origen a los aisladores denominados LRB, por las siglas de lead rubber bearings.

En 1985 se aisló el primer edificio con dispositivos LRB en la ciudad de Los Ángeles, EUA, avalado por el código de construcción, y un año después en Sanda, Japón, se construyó el primer edificio aislado diseñado con el código de construcción utilizando aisladores LRB; diez años después ocurrió el sismo de Kobe, y este edificio, ubicado a 30 km de la zona epicentral, permaneció en operación.

En 1991 en la ciudad estadounidense de San Francisco se rehabilitó un edificio de departamentos donde se utilizaron por primera vez los aisladores friccionantes pendulares o frictional pendulum system (FPS).

Los sismos de 1994 de Northridge, California, y de 1995 de Kobe, Japón, permitieron demostrar al mundo que la estrategia de aislar estructuras cercanas a las zonas sismogénicas era adecuada, por lo que la confianza generada en el ámbito gubernamental, entre inversionistas y propietarios ha exigido la implementación de estos dispositivos en el mundo. Actualmente, grandes corporativos han adoptado esta estrategia para la construcción de sus edificaciones. Tales son los casos de Apple en Cupertino, EUA, que colocó 700 FPS, y de la empresa desarrolladora inmobiliaria más grande de Japón, Mitsui Fudosan, que optó por el aislamiento sísmico para la protección de su parque logístico en Tokio.

La Gran Mezquita de Argel, en Argelia, concluida en 2019 con un costo total de mil millones de euros y que contiene piezas históricas invaluables, fue aislada sísmicamente. Tanto en Turquía como en Chile se ha vuelto obligatorio el aislamiento sísmico de hospitales y edificios destinados a la salud pública; en Chile, el aislamiento sísmico se ha vuelto incluso un argumento imprescindible de venta para los desarrolladores inmobiliarios. En la ciudad italiana de L’Aquila, después del sismo de 2009 que devastó la mayor parte de la ciudad, el gobierno se propuso reconstruir la ciudad en un tiempo récord, dada la cantidad de damnificados; para ello los ingenieros decidieron erigir grandes plataformas apoyadas en cerca de 2,400 aisladores sísmicos, sobre las cuales se desplantarían 185 nuevas viviendas.

Pero el aislamiento sísmico ha sido utilizado no sólo en países con altos niveles de peligro sísmico. En 2018, la ciudad holandesa de Groninga experimentó un sismo de magnitud 3.4, que podría no ser determinante para la estabilidad estructural de inmuebles localizados cerca de zonas altamente sísmicas; sin embargo, en esa localidad existen cerca de 22,000 casas, muchas de las cuales datan del siglo XVI y no fueron diseñadas para resistir fuerzas horizontales. El sismo ocurrido, no común para la zona geográfica, se produjo por la extracción de gas shell; los daños en las estructuras fueron de leves a moderados. Dado que la extracción de gas shell debe continuar hasta el año 2030 por razones contractuales, el gobierno holandés, luego de diversas consultas y de analizar varias alternativas, decidió solucionar el problema mediante la implementación de aisladores sísmicos en las edificaciones más vulnerables de la ciudad.

Tipos de aisladores sísmicos

Actualmente, los dispositivos para aislamiento sísmico más utilizados en el mundo son los elastoméricos con núcleo de plomo (LRB) y los friccionantes pendulares (FPS). Ambos tipos de dispositivos ofrecen ventajas similares y los precios pueden llegar a variar ligeramente entre ellos.

Los aisladores LRB están conformados básicamente por dos elementos: capas intercaladas de caucho natural y acero, y una barra de plomo en el interior. La combinación de caucho natural y acero genera una capacidad tal que los dispositivos pueden resistir fuerzas verticales sin experimentar grandes deformaciones; asimismo, esta combinación evita que las deformaciones horizontales sean excesivas. En tanto, el núcleo de plomo que se encuentra en el interior incrementa el amortiguamiento del aislador a través de la disipación de energía.

Por otro lado, los aisladores FPS son dispositivos en los que existen dos superficies metálicas dispuestas una encima de la otra, una cóncava y otra que puede ser igualmente cóncava o plana, dependiendo del desempeño que se busque. Entre ambas superficies se coloca un elemento metálico deslizante que tiene dos caras, una de ellas convexa y la otra convexa o plana. Las superficies en contacto son recubiertas con un material a través del cual se controla la fricción. En este caso, a diferencia del LRB, el desplazamiento lateral en el FPS se limita a través de la curvatura inducida a la superficie cóncava; la fricción entre el objeto deslizante y el material colocado en las superficies disipa energía.

Ambos dispositivos logran llevar a la estructura a su posición original una vez que el desplazamiento horizontal producido por el sismo cesa (recentreo); sin embargo, debido a la forma cóncava de los dispositivos FPS, la capacidad de recentreo se da de manera más natural y no depende tanto de la edad del material al momento en que ocurre el sismo; sin embargo, las mejoras que se han realizado en la última década en la calidad del caucho utilizado en los dispositivos LRB han permitido que este efecto vaya en disminución.

Efectos y beneficios del aislamiento sísmico

El aislamiento sísmico en estructuras produce dos efectos: el primero consiste en alargar el periodo fundamental de vibración de la estructura y el segundo en incrementar el amortiguamiento del sistema estructural aislado. El primer efecto ocurre debido a que la rigidez lateral de los aisladores (base flexible) es considerablemente menor que la rigidez lateral de una base rígida, por lo que al disminuir ésta, el periodo fundamental de vibración se incrementará. El segundo efecto proviene de la disipación de energía que ocurre en ambos dispositivos; en el caso del LRB en la barra de plomo, y en de FPS, en la fricción entre las superficies deslizantes.

Teniendo en cuenta lo anterior y observando un espectro de diseño sísmico, será muy sencillo comprender la manera en que influyen ambos efectos para lograr mejorar la respuesta del sistema estructural. El alargamiento del periodo, al incorporar los aisladores sísmicos, provocará que el periodo fundamental se desplace hacia la derecha del espectro, lo cual se verá reflejado en un valor menor de la pseudoaceleración que le corresponda al sistema estructural ahora aislado; un valor empírico utilizado para suponer este incremento es 3, de tal forma que si a una estructura apoyada sobre base rígida que tiene un periodo fundamental de 1 segundo se le incorporan aisladores sísmicos, el periodo de vibración fundamental resultante será cercano a los 3 segundos; a este respecto, es importante aclarar que el factor de incremento mencionado depende de la flexibilidad de la estructura, es decir, una estructura muy flexible o en la que dominan los periodos superiores se acercará a un factor de incremento de 1, mientras que una estructura rígida en la que el periodo fundamental tiene la mayor participación modal, el factor de incremento estará más cercano a 3.

Por otro lado, el incremento de amortiguamiento provocará una disminución en los valores de las ordenadas espectrales; recordemos que los espectros de diseño normativos consideran generalmente un factor de amortiguamiento hasta del 5%, mientras que el amortiguamiento total que podemos lograr a través del aislamiento sísmico puede llegar hasta 28%. Cabe mencionar que el efecto producido por el incremento de amortiguamiento beneficia en mayor medida al modo fundamental de vibración y en menor medida a los modos superiores.

Los beneficios obtenidos al generar de manera eficiente un sistema estructural aislado son diversos e impactan no sólo el comportamiento estructural del inmueble; al ocurrir un sismo, la estructura aislada –a diferencia de la estructura sin aislamiento– se desplazará casi como un cuerpo rígido, por lo que las deformaciones relativas entre un nivel y otro serán menores que las que experimentará la estructura sobre base rígida. Una deformación relativa pequeña significará un daño nulo o mínimo en las conexiones entre los elementos estructurales horizontales y los verticales, y por consiguiente una menor demanda de ductilidad para la estructura. Este es el primer beneficio claramente observado. El segundo beneficio directo que se desprende del primero es que, dado que la demanda de ductilidad será menor, la cantidad de material que será necesaria para reforzar al elemento estructural también será menor que la necesaria para la misma estructura apoyada sobre base rígida, por lo que el costo final y el tiempo de ejecución serán menores. Esto último ha quedado comprobado en diversos proyectos en el mundo, donde se han reportado ahorros hasta del 40% en el consumo de materiales.

Finalmente, el tercer beneficio parte de un requerimiento que ha ido tomando fuerza en los últimos años: la resiliencia. Una estructura resiliente es mucho más económica que una que no lo es; la razón es simple. Una estructura resiliente puede seguir en funcionamiento casi de manera inmediata, una vez que el suceso perturbador ha concluido. Con base en esto, una estructura aislada de manera eficiente puede ser capaz de seguir operando ininterrumpidamente una vez que ocurre un sismo intenso, como se ha visto en Japón y Chile después de sismos con magnitudes cercanas o mayores a 8. Asimismo, existe suficiente evidencia de que el valor de los contenidos, en comparación con el valor de la edificación, se ha incrementado de manera notable en los últimos años; cada vez almacenamos objetos más valiosos dentro de nuestras estructuras, por lo que suponer la falla de la estructura ya no es una opción.

Proyectos mexicanos con aislamiento sísmico

En México, durante las últimas dos décadas se han desarrollado un mayor número de proyectos estructurales sobre aislamiento sísmico, y cada vez más despachos de ingeniería estructural se animan a proponer a sus clientes esta estrategia. Por su parte, los beneficios derivados de la aplicación de esta estrategia son cada vez más conocidos por los inversionistas y desarrolladores inmobiliarios, lo cual ha permitido que el número de propuestas con aislamiento sísmico se haya incrementado considerablemente en los últimos cinco años.

Centros comerciales, hoteles, hospitales, reclusorios y edificios de oficinas son proyectos que se han construido sobre aisladores sísmicos en nuestro país, tanto LRB como FPD de distinta índole. En la Ciudad de México hay un hotel en la zona de Vallejo y un hospital en la zona de Tláhuac que están desplantados sobre aisladores tipo LRB; ambos proyectos fueron diseñados con ingeniería mexicana. El mayor proyecto aislado en América Latina, un centro vacacional apoyado sobre 440 aisladores tipo FPS, se encuentra actualmente en construcción en la zona de la Riviera Nayarit, y ha sido también desarrollado por un despacho mexicano de ingeniería.

Conclusiones

Como se mencionó, los beneficios que puede generar el sistema de aislamiento son diversos: evitar el daño en las estructuras al reducir las deformaciones relativas entre un nivel y otro, incrementar el confort entre los habitantes durante un sismo, reducir el consumo de materiales durante la construcción, y el más importante, preservar las vidas humanas que diariamente confían en nuestro trabajo. Adicionalmente, si estos beneficios son divulgados lo suficiente a las empresas aseguradoras y a los otorgantes de créditos para la construcción, en un futuro no muy lejano podrían lograrse reducciones en los costos de las pólizas y otorgamientos preferenciales de crédito para aquellos inversionistas que opten por esta estrategia.

Por lo anterior, el reto para los colegios, sociedades técnicas e ingenieros estructuristas del país es comprender que el aislamiento sísmico es una estrategia adecuada para ofrecer y divulgar entre los inversionistas y los propietarios de proyectos cercanos o inmersos en zonas sismogénicas, y por otro lado, cabildear entre las instituciones aseguradoras y crediticias divulgando los excelentes beneficios que se han observado en casos alrededor del mundo al utilizar el aislamiento sísmico. Como ingenieros civiles debemos contribuir a crear una conciencia resiliente en nuestra sociedad.