En este artículo exploramos los sistemas de protección sísmica, desde el aislamiento sísmico basal hasta los sistemas de disipación de energía, y su impacto en la seguridad estructural y la resiliencia de comunidades ante la amenaza sísmica.
Países del mundo caracterizados por su alta sismicidad, como lo son Japón, Chile, México, Venezuela, Estados Unidos, Colombia, entre otros, se han visto afectados por daños producidos por eventos sísmicos severos. Si bien las normativas de diseño sísmico han permitido resguardar la vida de sus ocupantes, muchas veces han sido insuficientes para prevenir pérdidas económicas y de operación en edificaciones de vital importancia, como hospitales, datacenters, y edificios de procesos industriales.
Los daños observados se han concentrado principalmente en equipos, contenidos, elementos arquitectónicos y componentes y sistemas no estructurales en general.
Figura 1: Hospital de Talca, Chile. Daños no estructurales en el hospital, incluyendo filtraciones de agua. Terremoto Chile 2010. Fuente: Bill Holmes EERI 2010.
En dirección hacia la Resiliencia Sísmica
Actualmente, autoridades, inversionistas, propietarios y diseñadores buscan la resiliencia sísmica en sus proyectos, con el objetivo de alcanzar un nivel de desempeño sísmico de operación continua en edificaciones e infraestructura esencial y no esencial.
Durante el último medio siglo, se han conducido una gran cantidad de estudios dirigidos a desarrollar sistemas innovadores de protección sísmica con este objetivo de desempeño, la operación continua, manteniendo los costos de construcción razonable, además de resguardar la vida y mejorar el confort de sus ocupantes. La mayoría de estos sistemas se han diseñado para disipar la energía sísmica introducida a la estructura con mecanismos de amortiguamiento extra (disipadores de energía) y/o diseñados para limitar el traspaso de la energía sísmica a la estructura principal a través del aislamiento sísmico [1].
Clasificación de Sistemas de Protección Sísmica
Estos sistemas de protección sísmica de estructuras se pueden clasificar en tres categorías: sistemas activos, sistemas semi-activos y sistemas pasivos:
Sistemas de control activo: Los sistemas de control activo proveen protección sísmica a través de la imposición de fuerzas sobre una estructura que contrarresta las fuerzas inducidas por el sismo [2]. Estos sistemas incluyen actuadores controlados por computadoras que activan los dispositivos de disipación ubicados dentro de la estructura [2].
Sistemas de control semi-activos: Los sistemas semi-activos cuentan con un mecanismo de monitoreo en tiempo real de la estructura, sin aplicar fuerzas de control directamente sobre la estructura [3].
Sistemas de control pasivos: Los sistemas pasivos son aquellos que permiten reducir la respuesta dinámica de la estructura a través de la incorporación de sistemas de aislamiento sísmico basal y/o sistemas de disipación de energía.
Figura 2. Sistemas de Protección Sísmica. Fuente: Adaptado de Bridgestone 2022.
Aislamiento sísmico basal
El aislamiento sísmico basal funciona independizando el movimiento de la estructura del movimiento horizontal del suelo, reduciendo así la demanda de aceleraciones transmitida a la estructura [4]. Generalmente son instalados bajo la superestructura cuando se trata de edificios, o entre la losa y las pilas de los puentes [2].
Figura 3: Hospital Militar La Reina, Santiago de Chile. Cuenta con 164 aisladores elastoméricos. Fuente: BIT, Boletín de Información Tecnológica (2012).
Estos sistemas son diseñados para que presenten rigideces mucho menores a la estructura principal, lo que genera un aumento en el periodo fundamental de la estructura aislada respecto a la estructura de base fija. A su vez, son diseñados para aumentar el nivel de amortiguamiento del sistema, lo que, sumado al aumento en el periodo fundamental de la estructura, generan una disminución de las demandas de aceleraciones y deformaciones de entrepiso en la estructura aislada.
La Figura 4 muestra la comparación del comportamiento esperado de una misma estructura con y sin aislación sísmica en la base. Se muestra que, para el caso del edificio con aislación sísmica en la base, el sistema de aislación actúa como una especie de filtro que reduce la demanda de aceleraciones que entra en el sistema, permitiendo así que la superestructura pueda comportarse como un cuerpo rígido, presentando una menor demanda de deformaciones diferenciales y aceleraciones de entrepiso, respecto al caso de la estructura de base fija.
Figura 4. Comparación del comportamiento esperado de una misma estructura con y sin aislación sísmica en la base. Fuente: CDT-CCHC (2011).
Tipos de sistemas de aislamiento sísmico
Dentro de los sistemas de aislamiento sísmico se encuentran los aisladores de goma con alto amortiguamiento (HDRB), aisladores de goma natural con núcleo de plomo (LRB) y sin núcleo de plomo (RB) y, los sistemas friccionales.
Figura 5: Aisladores elastoméricos. Fuente: Catálogo Bridgestone 2022 (www.bridgestone.com).
.Figura 6: Sistemas friccionales. Fuente: Empresa TIS (www.tis.com.tr).
Disipación de Energía
Los sistemas de disipación de energía se activan a través del movimiento de la estructura principal, lo que hace que reduzcan la respuesta dinámica de la estructura durante los eventos sísmicos. Los elementos estructurales y no estructurales son protegidos a través del desvío de la energía sísmica hacia estos dispositivos, que pueden ser inspeccionados y hasta reemplazados luego de un evento sísmico [1].
El uso de disipadores de energía reduce la respuesta estructural, disminuyendo el daño de componentes estructurales y no estructurales [3]. La Figura 7 muestra la comparación del comportamiento esperado de un edificio sin y con dispositivos de disipación de energía.
Figura 7. Comparación del comportamiento esperado de una misma estructura con y sin sistema de disipación de energía. Fuente: CDT-CCHC (2011).
Tipos de sistemas de disipación de energía
Los sistemas de disipación de energía pueden dividirse en tres categorías según su tipo de activación. La Tabla 1 presenta las 3 categorías en las que se pueden dividir, así como algunos tipos que se incluyen en cada clasificación.
Tabla 1. Categorías de clasificación de sistemas de disipación de energía (modificado de Christopoulos & Filiatrault, 2006).
En detalle se tiene que:
Los dispositivos activados por desplazamiento disipan energía a través de los desplazamientos relativos que ocurren entre los puntos de conexión del dispositivo. Los más típicos incluyen: disipadores metálicos, disipadores friccionales y disipadores auto centrantes.
Los dispositivos activados por velocidad disipan energía a través de las velocidades relativas que ocurren entre los puntos conectados del dispositivo. La respuesta fuerza-desplazamiento de estos disipadores usualmente depende de la frecuencia del movimiento. Dentro de esta clasificación se encuentran los disipadores viscosos.
Los dispositivos activados por el movimiento perturban el flujo normal de energía en la estructura a través de la vibración de un sistema secundario. Como por ejemplo los disipadores de masa sintonizada.
Figura 8. Amortiguador de masa sintonizada utilizado en Taipei 101. Fuente: structuralguide.com
Conclusiones
En resumen, se puede decir que los avances en sistemas de protección sísmica representan un aspecto fundamental en la ingeniería sismorresistente contemporánea. La búsqueda constante de soluciones innovadoras para mitigar los efectos de los eventos sísmicos tanto en infraestructuras críticas como en edificaciones residenciales, ha llevado al desarrollo de una amplia gama de tecnologías, desde aisladores sísmicos hasta sistemas de disipación de energía. La aplicación efectiva de estos sistemas no solo busca mejorar la seguridad estructural, sino que también contribuye significativamente a la resiliencia de comunidades y economías ante la amenaza sísmica.
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Referencias
1. Christopoulos, C & Filiatrault, A. (2006). Principles of Passive Supplemental Damping and Seismic Isolation. Instituto Universitario di Studi Superiori di Pavia, Pavia, Italia.
2. Bozorgnia, Y. & Bertero, V. (2006). Earthquake Engineering – From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering. International Code Council-CRCC PRESS, Boca Raton, Florida.
3. CDT-CCHC (2011). Protección Sísmica de Estructuras, Sistemas de Aislación Sísmica y Disipación de Energía. No 29. Corporación Desarrollo Tecnológico – Cámara Chilena de la Construcción, Santiago, Chile.
4. Gómez, G. & Retamales, R. (2019). Metodología Alternativa para Diseño de Sistemas de Aislación Sísmica Basado en Optimización de Desempeño Sísmico. Tesis Para Optar Al Grado De Magister En Ciencias De La Ingeniería, Mención Ingeniería Estructural, Sísmica y Geotecnia. Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Y Matemática, Departamento de Ingeniería Civil.
5. BIT, Boletín de Información Tecnológica. (2012). Hospital Militar de la Reina Tecnología Vital. Catálogo Cámara Chilena de La Construcción, Santiago, Chile.
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