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Aislamiento Sísmico: Una alternativa atractiva para la Sismorresistencia

A través de los siglos se han inventado muchos mecanismos para desacoplar las edificaciones de la acción dañina de los sismos. Entre estos tenemos: rodillos, bolas, cables, resortes, columnas mecedoras, y hasta talco y arena.

Algunos historiadores sugieren que la técnica de aislamiento sísmico fue utilizada por civilizaciones que como la griega se desarrollaron varios siglos antes de Cristo. Varios edificios han sido aislados sísmicamente en décadas recientes. Vale la pena mencionar que México fue uno de los países pioneros en el proceso de modernización del concepto de aislamiento. En los años setentas del siglo XX (Fig. 1), se aislaron sobre balines algunos edificios de concreto reforzado y mampostería ubicados en Ciudad de México.
Aunque el aislamiento sísmico se aplicó primero a edificaciones de ocupación especial, su uso se ha extendido a estructuras de ocupación estándar. A la fecha, la mayoría de las aplicaciones del aislamiento sísmico sigue concentrándose en estructuras importantes que albergan equipos o contenidos delicados. Una vez que maduró el concepto de aislamiento sísmico, se han hecho varios intentos por aplicarlo en países en desarrollo. Un ejemplo exitoso es Chile, que en años recientes ha aislado varias estructuras importantes, incluyendo hospitales.

Concepto
El desempeño sísmico insatisfactorio de algunas estructuras diseñadas conforme a reglamentos modernos ha preocupado al medio de la ingeniería estructural. Esto ha cobrado importancia a partir de las grandes pérdidas materiales y económicas consecuencia de eventos sísmicos recientes. Dichas pérdidas han remarcado la necesidad de desarrollar metodologías y sistemas estructurales innovadores que permitan un mejor control del daño que sufren las edificaciones construidas en zonas de alta sismicidad. En notable contraste con el pasado, el desempeño de las edificaciones modernas debe trascender la prevención de fallas estructurales catastróficas durante sismos severos. Cada edificio que se construye debe satisfacer múltiples y complejas necesidades socioeconómicas; lo que implica que el daño en sus elementos estructurales y no estructurales, así como en sus contenidos, debe ser cuidadosamente controlado.
El nivel de daño estructural y no estructural, así como de los contenidos de una edificación, es consecuencia de los niveles excesivos de movimiento que su sistema estructural exhibe durante una excitación sísmica. La innovación en ingeniería sísmica puede entenderse a partir del planteamiento de sistemas estructurales, ya sea tradicionales o innovadores que puedan controlar el nivel de daño en los diferentes sub-sistemas de las edificaciones a través de controlar adecuadamente su respuesta dinámica durante excitaciones sísmicas de diferentes intensidades. Las propiedades estructurales que deben suministrarse a una estructura, independientemente del material estructural que se use, deben ser tales que controlen su respuesta dinámica dentro de umbrales congruentes con el nivel de daño o desempeño deseado para sus elementos estructurales, elementos no estructurales y contenidos. Mientras en términos de los sistemas estructurales y no estructurales, el nivel de daño debe controlarse por medio de reducir las demandas de desplazamiento lateral en la estructura; el control de daño en contenidos requiere del control de sus demandas máximas de velocidad y aceleración lateral.
Uno de los mayores dilemas que han enfrentado los ingenieros estructurales ha sido controlar adecuada y simultáneamente las distorsiones de entrepiso (daño estructural y no estructural) y las aceleraciones de piso (daño en contenidos) en las estructuras desplantadas en terreno firme. La Fig. 2 muestra los espectros de Pseudo-aceleración (Sa) y Desplazamiento (Sd) correspondientes a movimientos del terreno generados en terreno firme, y a comportamiento elástico con bajos niveles de amortiguamiento.
En la fig., T denota periodo fundamental de vibración, que depende de la masa y rigidez lateral del sistema estructural; conforme a lo ilustrado, se reduce conforme se incrementa la rigidez lateral. De manera sencilla puede decirse que las ordenadas de los espectros mostrados aportan una idea de las demandas máximas de aceleración y desplazamiento que exhibe una estructura sismorresistente en función del valor de su periodo.
La Fig. 2 muestra que aunque las estructuras rígidas suelen controlar adecuadamente su desplazamiento lateral, los niveles de aceleración lateral que exhiben suelen ser altos. Lo contrario pasa con estructuras flexibles, de tal manera que es difícil establecer las propiedades estructurales que logren un balance adecuado de demandas de desplazamiento y aceleración. Dentro de este contexto, es importante notar que la gran mayoría de estructuras que forman parte del inventario construido y utilizado por las sociedades modernas se encuentra ubicado en terrenos firmes.
El concepto de aislamiento sísmico es simple. Este enfoque se basa en reducir la demanda sísmica como una alternativa al incremento de la resistencia y rigidez laterales de la estructura sismorresistente. Conforme lo ilustra la Fig. 3, el sistema de aislamiento desacopla a la superestructura de la edificación de las componentes horizontales del movimiento del terreno al interponer elementos estructurales con baja rigidez horizontal entre la superestructura y la cimentación. La baja rigidez del sistema de aislamiento resulta en un incremento del periodo de la edificación, lo que resulta, conforme se muestra en la Fig. 4, en reducciones considerables en sus demandas de aceleración. Es común añadir capacidad de disipación de energía (amortiguamiento) a los aisladores con el fin de lograr una mayor reducción de las demandas sísmicas. Aunque dado su mayor periodo, la estructura aislada exhibe mayores demandas de desplazamiento, éstas son acomodadas casi exclusivamente por el sistema de aislamiento, de tal manera que la super-estructura no sólo exhibe una reducción en su nivel de aceleración, sino también en sus demandas de desplazamiento lateral.
El sistema de aislamiento funciona porque el primer modo de vibrar de la estructura aislada, que dinámicamente se asocia con la deformación lateral del sistema de aislamiento, se acopla a la excitación sísmica. Los modos superiores, que dinámicamente están asociados con la deformación de la super-estructura, son ortogonales al primer modo y por lo tanto, a la excitación sísmica. Bajo estas circunstancias los modos superiores no se excitan y la super-estructura queda libre de deformaciones.
Los fundamentos del aislamiento sísmico son relativamente simples. Sus bases teóricas han quedado establecidas y la tecnología ampliamente verificada por un extenso trabajo experimental durante las últimas cuatro décadas. La correcta aplicación de esta tecnología lleva a superestructuras que permanecen prácticamente elásticas durante sismos severos, y que exhiben un mejor desempeño estructural y no estructural. A la vez, los bajos niveles de aceleración lateral permiten proteger los contenidos costosos y delicados que albergue la edificación. Cabe decir que el sistema de aislamiento no es perfecto; es necesario contemplar varias situaciones durante su concepción y diseño. Lo primero que puede mencionarse es que su aplicación a suelos blandos resulta en una solución poco eficiente y en ocasiones hasta peligrosa. Lo segundo es que aunque casi siempre es posible controlar las demandas de desplazamiento en la superestructura, el control de las demandas de aceleración puede llegar a complicarse debido al efecto de modos superiores.

Desarrollo moderno.
Conforme se ilustra en la Fig. 5, el primer sistema de aislamiento de (Figuras 2 y 3), que actúan como “colaborantes” estructurales del concreto, conjunto in situ por su extradós hule se usó en 1969 en una estructura de concreto reforzado (en la escuela primaria Pestalozzi, ubicada en Skopje, antigua Yugoslavia). Aunque probablemente en aquel momento esto se desconocía, el conocimiento actual sugiere que esta edificación no responderá bien del todo a un sismo intenso por su tendencia a rebotar y mecerse debido a la baja rigidez axial de sus aisladores.
Durante las últimas décadas del siglo XX, el aislamiento llegó a ser una realidad práctica con el desarrollo de soportes elastoméricos de varias capas. Conforme a lo que se muestra en la Fig. 6, éstos se conciben adhiriendo láminas de hule a placas delgadas de acero por medio de un proceso de vulcanización. Debido al efecto de confinamiento que les proporcionan las placas de acero, estos soportes son verticalmente rígidos y capaces de acomodar adecuadamente cargas gravitacionales y las componentes verticales del sismo.
Además, las láminas de hule les proporcionan, conforme a lo mostrado en la Fig. 6, una alta flexibilidad en la dirección horizontal. Los japoneses y neozelandeses combinaron aisladores de hule con bajo amortiguamiento con amortiguadores mecánicos, entre los que se incluyeron amortiguadores hidráulicos, barras y hélices de acero, y un corazón de plomo.
De hecho, el aislador más utilizado en los Estados Unidos es el de hule con corazón de plomo. Conforme a lo ilustrado en la Fig. 7, en años recientes se han desarrollado sistemas basados en el enfoque de deslizamiento. Estos sistemas suponen que un nivel bajo de fricción limitará la transferencia de cortante a través de los aisladores y, por tanto, la componente de movimiento lateral actuante en la superestructura. Para proveer la resistencia adecuada contra viento y evitar movimientos excesivos durante sismos leves, este sistema requiere un nivel mínimo de fricción. Una complicación relacionada con el uso de esta opción es que muchas superficies tienen características deslizantes que son dependientes de la presión y la velocidad de deslizamiento. Los cambios de rigidez que se dan cuando se inicia o detiene el deslizamiento del aislador generan vibraciones de alta frecuencia que pueden excitar los modos superiores y por tanto incrementar las demandas de aceleración en la edificación. En un sistema deslizante es importante proveer una fuerza restauradora al sistema para evitar desplazamientos laterales excesivos.
Aunque sin éxito contundente, el uso de resortes se ha planteado para aislar casas habitación (Fig. 8). En Japón, EUA y Europa se han desarrollado y patentado múltiples tipos de aislamiento sísmico. El uso de cualquiera de estos sistemas requiere de un entendimiento conceptual claro de sus bases teóricas, y del desarrollo de requerimientos de diseño sustentados adecuadamente en evidencia experimental

Observaciones
El concepto de aislamiento sísmico se ha estudiado desde puntos de vista experimental y teórico. Este desarrollo, documentado en revistas de ingeniería estructural y sísmica, ha resultado en guías de diseño para estructuras aisladas y en reglas de diseño para diferentes tipos de aisladores. Varios países, incluido México, han desarrollado requerimientos técnicos para el diseño de edificaciones aisladas. En EUA ha habido disponibilidad de códigos de diseño desde 1986. Los primeros lineamientos contemplaban una regulación simple basada en métodos estáticos equivalentes.
El uso de aislamiento sísmico aportaría beneficios socioeconómicos a la sociedad civil mexicana. Lo anterior requiere del desarrollo de sistemas de aislamientos simples y económicos que puedan aplicarse a edificaciones de baja altura de concreto reforzado, y ubicadas en zonas de terreno firme y de alta sismicidad. Una opción sería aislar marcos prefabricados de concreto reforzado rigidizados lateralmente con contravientos metálicos. Esto resultaría en superestructuras sismorresistentes ligeras, cuyos elementos estructurales se construirían en taller y ensamblarían en campo con niveles de eficiencia y rapidez sin precedentes. Cabe mencionar que una estructura resuelta con aislamiento sísmico normalmente tiene un costo directo ligeramente mayor (5-10%) que el asociado a un diseño tradicional. Mientras que el aislamiento sísmico da lugar a estructuras que deben permanecer elásticas durante sismos severos, el diseño convencional presupone que las estructuras exhibirán daños severos en circunstancias similares. Si se comparan sus niveles de desempeño, un edificio aislado siempre será más eficiente en términos de costo total. c

 

Texto de Amador Terán Gilmore.

 

 

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