Sistemas de Protección Sísmica

A pesar que su inclusión en el diseño de la estructura representa un gasto adicional, destacados ingenieros consideran que se trata de una inversión altamente rentable que garantiza no sólo una reducción sustancial de posibles daños a la estructura y al contenido del edificio sino también a las personas que lo habitan.

Diversos geólogos han advertido que Lima y el norte del país vienen mostrando desde hace varias décadas un silencio sísmico el cual ha encendido las alarmas de prevención en la población.La forma como ha sido concebido el diseño de las estructuras de las edificaciones resulta primordial para mantener a salvo a millones de personas. Las construcciones con más de 40 años de antigüedad, por ejemplo, no contemplaron ningún tipo de norma de prevención sísmica, lo que las hace más vulnerables ante un movimiento telúrico.

No podemos evitar la ocurrencia de un sismo de gran magnitud pero contamos con las herramientas técnicas suficientes para reducir considerablemente los daños que pueda causar un terremoto. Los dispositivos de protección sísmica más usados en el extranjero y que se encuentran en etapa de introducción en nuestro país son los aisladores sísmicos y los disipadores de energía. Aplicar este tipo de tecnologías resulta relevante para forjar una cultura de prevención sísmica que no sólo debe incluir a los ingenieros, sino a los inversionistas y empresarios del sector construcción.

Aisladores sísmicos

Estos dispositivos aíslan al edificio de toda la energía que el suelo introduce por causa de un evento telúrico. Su aplicación en diferentes edificaciones en Latinoamérica y especialmente antes y después del terremoto ocurrido en Chile, ha tenido resultados alentadores.
“El aislador sísmico desacopla la estructura del suelo y hace que la aceleración sísmica no pase y si lo hace, que esto ocurra en una proporción mínima.
Entonces la estructura se comporta como un bloque rígido que se mueve sobre los aisladores en desplazamientos relativamente pequeños. Por lo tanto, ya no hay desplazamiento entre piso a piso que es lo que destruye la edificación
En los edificios de construcción convencional, que están fijos a tierra, se amplifica la aceleración sísmica en las partes altas, en cambio una edificación que está sobre aisladores se mueve como un bloque, se estabiliza y la amplificación sísmica es menor”, afirmó el ingeniero estructuralista Carlos Casabonne, gerente general de Gallegos Casabonne Arango, Quesada Ingenieros Civiles.

Aislamiento Sísmico

Clases de aisladores

Existen diferentes tipos de aisladores sísmicos dependiendo de las condiciones a las que estará sometido. “Estos son dispositivos que consisten en un conjunto de láminas de caucho natural de alto amortiguamiento y láminas de acero, colocadas alternadamente y adheridas entre sí, para formar un dispositivo con una gran flexibilidad horizontal y una gran rigidez vertical.

La flexibilidad horizontal del aislador permite acomodar la deformación del suelo de fundación durante un sismo, a través de una deformación de corte, evitando la transferencia del movimiento del suelo hacia la estructura. Los aisladores tienen en algunos casos núcleo de plomo, el cual permite aumentar el porcentaje de amortiguamiento. Cabe resaltar que no necesitan mantenimiento, además vienen con unas placas metálicas intermedias que aportan una gran rigidez vertical que les permite soportar el peso de la estructura sin sufrir deformaciones axiales”, explicó Víctor Manzur, jefe de ventas de la Zona Industrial de Vulco Perú.

Para el ingeniero Iván Gonzáles, gerente de Ingeniería de CDV, “las diferencias entre los aisladores elastoméricos que ofrecemos y otros, son a parte de los 30 años de experiencia en terremotos en Japón, Turquía, San Francisco, Nueva Zelandia, su capacidad de deformación al corte (cuánto lo puedes deformar respecto de su altura).
Nosotros fabricamos aisladores con capacidad de deformarse hasta 400%, es decir cuatro veces su altura. Además destacan por su capacidad de soportar cargas axiales elevadas (hasta 4,000 Tn) y altas velocidades (60 pulg/seg)”, afirmó.

Hay diversos aisladores: además de los fabricados de neopreno, también hay los de péndulo invertido (invento de un español). “Se trata de un elemento en forma de plato cóncavo que está en la base y el edificio presenta un péndulo que tiene una barra sobre la que apoya el plato cóncavo, superficie que tiene una parte convexa de titanio que es sumamente pulida. Cuando se mueve el suelo, esta barra tiende a remontar la superficie cóncava y siempre regresa a su sitio por la geometría sin aumentar la rigidez”, aclaró el ingeniero estructuralista Carlos Casabonne.

El riesgo más grande del aislador por ser de neopreno es el incendio, pero al estar entre el edificio y el suelo es muy difícil que ocurra eso. “Proteger a los aisladores del fuego representa el único cuidado a tener para mantener estos dispositivos funcionando en óptimas condiciones. Su vida útil promedio es de 50 años”, agregó.

Fácil instalación

Los aisladores se suelen colocar debajo de la zapata. En el caso de los edificios, los aisladores sísmicos deben poseer una doble cimentación: la tradicional con las columnas y muros de concreto que van hacia arriba, debajo de las cuales se colocan estos aisladores que son los dispositivos hechos de caucho o algunos de fricción y debajo otra zapata.

El aislador, ubicado entre zapatas tiene la capacidad de deformarse sin transmitir la energía sísmica. Entonces el suelo no logra introducir ese movimiento de manera fuerte a la construcción.

“Las únicas obras aisladas en el Perú son tanques de LNG de Camisea en Chincha. El gas que hay en estas estructuras está a 160° bajo cero y ante un sismo severo se podrían generar chispas que podrían originar una gran explosión; por eso eso es que estos tipos de proyectos vienen concebidos con aislamiento sísmico”, explicó Víctor Manzur, de Vulco.

Proteger el contenido

No sólo importa resguardar la edificación sino el contenido del edificio una vez ocurrido el evento sísmico. “Muchas veces la estructura no sufre daños pero sí el contenido. Se rajan los tabiques, se mueven los equipos, se caen las tuberías o el falso cielo; es tanto el daño que luego la instalación debe parar entre 15 a 20 días para reparar todo ello.”
Con aisladores sísmicos eso no ocurre. La experiencia obtenida en Los Ángeles (Estados Unidos) es aleccionadora. Hubo un terremoto en el que muchos hospitales no sufrieron ningpun daño estructural, pero tuvieron que cerrar y gastar millones de dólares en reparación del contenido del edificio, mientras que los dos nosocomios que sí estaban aislados permanecieron operativos”, señaló el ingeniero Casabonne.

Continuar operando es el tema estratégico post terremoto. Muchas estructuas no se pueden caer pero dejan de operar porque Defensa Civil ve una rajadura un tema de riesgo e indica que no pueden funcionar hasta que no se repararen. “El aislamiento sísmico permite reducir entre seis y ocho veces las aceleraciones en comparación a una estructura convencional. Las aceleraciones de 1.5 G se reducen a 0.3 G ó 0.4 G en el edificio.

El periodo del edificio está normalmente alrededor de 0.8 y 1 segundo. Lo que hacen los aisladores sísmicos es amplificar alrededor de 3 ó 3.5 segundos.
Mediante estos dispositivos no sólo se protege a la estructura sino también a sus contenidos como ocurre en un hospital o clínica donde tenemos equipos médicos muy sofisticados, mientras que en un edificio corporativo el área de sistemas informáticos. Esas zonas no deben dejar de operar”, sostuvo Víctor Manzur.

Disipadores de energía

Un disipador tiene como función principal absorber la energía sísmica que ha ingresado al edificio. El ingeniero Julio Rivera Feijóo, gerente general de Seintec, aclaró que cuando se tiene un sismo muy severo, la fuerza con la que la naturaleza empuja de manera horizontal a cualquier elementos es aproximadamente igual al propio peso. Gran cantidad de la energía se disipa en parte por la fisuración de los elementos o también cuando se tienen alguno que se ha colocado para absorber o eliminar esas fuerzas; es así que las edificaciones de concreto armado atenúan una gran cantidad de energía por la fisuración, sin embargo hay una forma de disipar sin provocar daños.
“ El disipador es para edificios flexibles que se van a mover bastante, comúnmente por encima de los 10 pisos, controlando su desplazamiento entre un nivel inferior y otro superior mediante unas diagonales y dentro de unos amortiguadores que van a absorber la energía sísmica. Se usan diagonales metálicas por lo general , y en los extremos de éstas se suele insertar y colocar un disipador que va a funcionar igual que un amortiguador de un carro: absorberá la energía y provocará que el edificio se mueva menos, causando pocos daños en la parte interior”, detalló.

Los disipadores son unos dispositivos que se colocan en la estructura y que tienen por misión oponerse al movimiento del simo y generar fuerzas contrarias a la fuerza del mismo. “Con esto se logra el aumento del amortiguamiento pues se reducen las fuerzas sísmicas y los desplazamientos. Es como si una estructura diseñada para una aceleración de 0.4 G fuera realmente diseñada para 0.3 G, con lo que estamos aumentando el amortiguamiento del 5% -que es lo normal en edificios- a uno de 15% o 20%”, sostuvo Casabonne.

“Los disipadores tienen la particularidad de que no hacen resistencia hacia el movimiento de la construcción sino que tratan de absorber la energía a través del movimiento que el edificio tiende a tener, pero los esfuerzos máximos que se producen son cuando el edificio está quieto. Sin embargo, en la máxima deformación de la torre, estos elementos trabajan en su mínimo esfuerzo. Por eso durante sismos severos esto es muy conveninete porque un edificio siente la reacción de un disipador más fuerte cuando no está deformado, y cuando esto ocurre, tienden a lograr un equilibrio bastante compensando u atenuado”, agregó el Ingeniero Rivera.

Tipos de disipadores

Hay una amplia gama de disipadores de energía que pueden ser aplicados en la prevención de sismos. “Hay dos vertientes: uno de líquidos viscosos y otra de elementos a fricción o fluencia (metálicos). Estos últimos rigidizan más al edificio y llaman más fuerza sísmica; el efecto no es tan beneficioso como ocurre con los de líquido ciscoso que no aumentan la rigidez del edificio. El disipador metálico tiene sus aplicaciones pero es un elemento que requiere ser cambiado después de un evento sísmico.

Son productos de acero que tienen menos capacidad o resistencia y son los primeros que una vez que pasa el rango elástico entran en fluencia; por ello hay que reemplazarlos luego de ocurrido el evento”, refirió Casabonne.
Los comúnmente llamados disipadores viscosos representan una enorme ventaja comparativa respecto a los metálicos. “Nuestra disipación sísmica viscosa tiene una tecnología patentada por la NASA y se diferencia de la metálica en que no sobreesfuerza la estructura por lo que no hay que rediseñar o reforzar algunas partes. Además, no necesitan ser cambiados después de un terremoto severo, incluso pueden soportar otro de mayor magnitud.

A diferencia de los disipadores metálicos, no sufren deformaciones permanentes por lo que si ya trabajaron intensamente durante un sismo no requieren ser reemplazados y, por tanto, no hay lapsos en que la estructura esté desprotegida. Nuestros disipadores viscosos se ensayan uno a uno, lo que significa que los clientes estarán seguros que funcionan antes de que ocurra un sismo”, señaló el ingeniero Iván Gonzales, gerente de Ingeniería de CDV.

“Las diagonales se colocan justo en la intersección entre la columna y la viga del piso inferior y salen hacia el nudo opuesto -un pórtico más-, desplazado hacia la unión de otra viga y columna. Cuando los edificios comienzan a moverse, el amortiguador se estira o encoge. Esta diagonal no hace frente al movimiento como un puntal, sino que tiene la capacidad de deformarse absorbiendo mucha energía”, manifestó el ingeniero Rivera Feijóo.

Aislador elastomérico

Aplicación del aislador elastomérico

Aplicaciones en auge

Los disipadores de energía de líquido viscoso fueron aplicados hace varios años en la torre del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. Un centro de control aéreo tan importante como éste merecía contar con tales dispositivos y, con el paso del tiempo la aplicación de estos ha concitado la atención de muchos inversionistas e ingenieros.
“El edificio de 15 pisos que estamos terminando con GERPAL en la avenida Benavides, tendrá disipadores mostrados no sólo hacia adentro sino hacia fuera, para que las personas vean que el edificio está protegido. Ahora veremos unas diagonales que tienen la magia de defender la estructura en la que han sido colocadas y es la primera vez que se instalan en una nueva torre desde su diseño inicial.

El concepto no ha sido evitar el costo que significa colocar estos y ahorrar en algunos puntos de la estructura como vigas y columnas que, al estar menos esforzadas, van a requerir menos refuerzo. La idea ha sido diferente: ¿qué grado de seguridad adicional puede lograr una edificación común cuando se le colocan estos elementos? Este edificio ha sido concebido para superar dos escalas de seguridad a la que le corresponde normalmente. El proyecto, que tenía las características iniciales de un edificio común, ahora tiene una distinción de edificación esencial; es decir, que si un día se suscita un sismo muy severo, es probable que sea una de las pocas torres en pie”, sostuvo el Ingeniero Rivera.

Tendencia hacia la retrocapacitación en aisladores
Conviene preguntarse dónde se sitúan las tendencias sobre el uso de elementos de protección sísmica en nuestro país. “Por el tipo de construcción que hay en Lima, la mayor representación ha sido hacia los disipadores porque los edificios son más altos y también porque existen muchos que estos casos los disipadores viscosos son los ideales. Sin embargo, existe mucho potencial en el uso de aisladores para edificios de baja altura y de gran área, como museos, centros de datos, hospitales, y cualquier otra estructura que debe seguir operando después de un terremoto de gran magnitud”, explicó el ingeniero de CDV.

Las instancias públicas que congregan mayor cantidad de personas a diario deben ser reforzadas con este tipo de elementos de protección sísmica. “Debería ser una obligación el uso de estos dispositivos en edificaciones como estaciones de bombero, comisarías, postas, hospitales, instituciones financieras y centros de data, que deberías estar protegidos contra daños sísmicos muy resistente, pero el daño del contenido siempre va a existir y eso puede causar deterioros mucho más costosos y perjudiciales a la sociedad que el costo inicial que representa este dispositivo.

Es una responsabilidad del ingeniero estructural promover el uso de aisladores y presentar a su cliente las diferentes opciones que hay para luchar contra el sismo. Exhibir una perspectiva tal que el cliente vea con claridad las ventajas y desventajas, para que pueda evaluar con conocimiento de causa y tomar una decisión acertada.
Hay varias edificaciones que se están retrocapacitando con disipadores sísmicos, tanto privadas como del Estado, generalmente construidas en las décadas de los 50 ó 60, que por ser una tipología estructural previa a cualquier norma, no reúnen las condiciones de seguridad básicas pues los anclajes de las vigas son pequeños.
Pocas personas hacen el análisis de qué es caro o barato porque eso depende en qué tiempo se mida esto, aunque si uno lo mide en 100 ó 150 años de vida, hay una rentabilidad asegurada”, expresó.

“Cuando uno ve el costo de un edificio, que sería el costo real de construirlo, y después el gasto de repararlo consecutivamente en el futuro con tantos sismos como se hayan presentado, resulta más barato y mejor concebida una edificación que tenga estos elementos”, agregó Rivera Feijóo.

“Otro aspecto importante, es el precio de este sistema, que sólo puede representar entre el 2% y 3% del costo de un proyecto convencional (aunque se puede reducir a cero). Esto pasa porque en un edificio con aislamiento físico se puede disminuir en forma importante la cantidad de concreto, de fierro y secciones. El calculista del proyecto y la empresa especializada en el diseño del aislamiento deben trabajar de forma coordinada para lograr soluciones más efectivas”, agregó Vïctor Manzur, de Vulco.

Disipador Sísmico

Un disipador tiene como función principal absorber la energía sísmica que ha ingresado al edificio

Alternativas tecnológicas

Si bien es cierto que en promedio los aisladores sísmicos y los disipadores de energía han sido aplicados en edificios por debajo y por encima de los 10 pisos, existe otra solución que es usada para edificios extremadamente altos. Se trata del sistema de masa sintonizada indicado para estructuras afectadas por la fuerza del viento.
“En las torres que tienen entre 50 y 100 pisos se utilizan otros tipos de elementos colocando una gran masa en su tercio superior.

Esa gran masa, que en algunos casos pesa cientos de toneladas, recibe una señal electrónica de un dispositivo a nivel del suelo de tal modo que cuando se inicia el movimiento telúrico envía un impulso a la masa y ésta comienza a moverse de forma contraria al desplazamiento del terreno, compensado así al edificio y logrando mantenerlo más quieto y menos esforzado. Esos sistemas son bastante caros”, detalló Rivera.

Otra alternativa para reducir la carga sísmica de las estructuras, son los amortiguadores de sintonía de masa, que son dispositivos que se colocan generalmente en el último piso de los edificios altos, y que tienen un peso equivalente entre 5% y 10% del edificio y amortiguadores viscos elásticos en la base de dicho piso, los cuales incrementan el amortiguamiento de la estructura reduciendo las aceleraciones, desplazamientos y esfuerzos en las estructuras hasta en 40%, disminuyendo los daños en la estructura. “Es ideal para proyectos de reforzamiento y de actualización de los edificios que fueron construidos con normas más antiguas a las actuales, ya que no es intrusivo y es más económico que los amortiguadores viscosos” agregó Víctor Manzur.

Además de los disipadores viscosos y metálicos, también existen otros dispositivos que sirven para atenuar el rozamiento entre dos edificios contiguos, cuya distancia de separación es bastante reducida. “Nosotros también hemos desarrollado productos que pueden servir para acoplar dos edificios que están separados por una junta de un ancho tan pequeño que podría medir incluso menos de 5cm.
Hay cientos de edificios contiguos que se chocarían en caso de un terremoto, causándoles grandes daños. Este tipo de disipadores sísmicos evitaría que se choquen, disipando energía, incluso para desplazamientos tan pequeños como de milímetros” afirmó Iván Gonzales, de CDV.