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Seguridad integrada frente a terremotos: ciudades y diseños de vanguardia

Each year, there are approximately 500,000 detectable earthquakes around the world, about 20 of which are large ones. And only a few of those occur in densely populated areas. But why is it that earthquakes of similar magnitudes can have such widely varying effects? For instance, cities in New Zealand, Chile and Haiti experienced similarly sized major quakes in 2010. Christchurch and Santiago suffered, but Port Au Prince was devastated. Most of the injuries from earthquakes come from collapsing buildings, so everything from zoning and planning to design and construction are key factors in creating safer buildings. URBAN HUB looks at some of the cities and ideas at the cutting edge of earthquake safety.
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Inteligentes por dentro y por fuera - De muchas maneras, el concepto de ciudad inteligente es simplemente una buena planificación urbana que incorpora los avances en tecnología digital y los nuevos pensamientos a los antiguos conceptos urbanos de relaciones, comunidad, sostenibilidad medioambiental, democracia participativa, buen gobierno y transparencia.
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Creado el 09.05.2018

¿Por qué los terremotos suponen un reto tan difícil?

Cuando las placas tectónicas de la tierra colisionan y entran en contacto, las ondas que se generan sacuden el suelo y todo lo que hay sobre él. Los edificios se construyen para soportar la carga vertical de la estructura, pero los terremotos también crean una carga lateral, lo que complica una construcción segura de los edificios.

Es complicado, pero no imposible, ya que hay métodos de probada eficacia para construir edificios resistentes a terremotos. Lamentablemente, estos métodos no siempre se utilizan. Por ejemplo, gran parte de la devastación del gran terremoto de la Ciudad de México de septiembre de 2017 se originó por el derrumbe de edificios construidos con hormigón de losa plana barato, material que está actualmente prohibido en numerosos países.

En cambio, el edificio de oficinas de 57 plantas Torre Mayor ubicado en la misma ciudad se construyó con los materiales y tecnologías adecuados. El edificio de 225 m de altura tiene unos cimientos reforzados con 252 pilotes profundos, que sujetan una superestructura de acero estructural y columnas de acero recubiertas de hormigón armado. En el interior del edificio, 98 amortiguadores sísmicos absorben y neutralizan las vibraciones sísmicas. Por tanto, el edificio no sufrió daños en septiembre de 2017.

«Los edificios con una altura baja o media son intrínsecamente más susceptibles a los temblores sísmicos, mientras que un edificio con 100 plantas de altura irónicamente no está dentro de la frecuencia del terremoto y, por tanto, no entra en resonancia».

David Malott, Chairman, Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano

Torre Mayor incluye diversas características de seguridad frente a terremotos.

Normas: el primer paso para la creación de ciudades resistentes a terremotos

Gran parte de la devastación que sufrió la Ciudad de México podría haberse evitado si se hubieran establecido normas adecuadas. Entre dichas normas se incluyen la creación de códigos de zonificación y edificación que indiquen dónde y cómo se puede construir un edificio, así como la comprobación de que dichas normas realmente se cumplen.

Los gobiernos establecen las pautas relacionadas con la seguridad pública mediante el desarrollo de excelentes proyectos de microzonificación sísmica y planificación de uso del suelo (por ejemplo, tipo de suelo, tipo de falla geológica, etc.). La ingeniería sísmica es una ciencia, pero los expertos sólo pueden hacer un uso fructífero de sus conocimientos si se establecen las normas adecuadas, además de garantizar su cumplimiento.

Los ingenieros pueden implementar sus herramientas, empezando por los métodos de preconstrucción, como, por ejemplo, análisis de interacción de suelo-estructura y análisis espectrales específicos de la obra. Los investigadores realizan simulaciones a gran escala en gigantescas «mesas vibratorias» en laboratorios de distintos lugares del mundo: Kobe (Japón), Delhi (India), Argel (Argelia) y Reno (Estados Unidos).

Continúan trabajando con diversas herramientas numéricas, instrumentación en tiempo real y software de visualización 3D, además de adoptar y calibrar el diseño del proyecto a medida que se desarrolla. Esto genera una solución adaptada a la combinación específica de riesgos y peligros a los que cada edificio debe hacer frente.

 

Una experiencia emocionante: una gran mesa vibratoria ubicada cerca de Kobe.

Aislamiento de los cimientos

Las normas establecen un armazón que permite a los expertos en diseño y construcción alardear de sus habilidades y creatividad. En este sentido cabe destacar los cimientos.

Las técnicas de aislamiento de los cimientos permiten construir un edificio que flote en un sistema de cojinetes, tales como cojinetes de caucho y núcleo de plomo o metálicos, almohadones reforzados, cilindros acolchados, palancas deslizantes o incluso amortiguadores de aire. Las terminales del nuevo y gran Aeropuerto Internacional Sabiha Gökçen de Estambul (Turquía) utilizan 300 sistemas aislantes de cimientos capaces de soportar un terremoto de 8,0 Mw.

El objetivo de este tipo de aislamiento es absorber de forma pasiva o desviar la energía cinética del terremoto mediante la colocación de un tope elástico o deslizante entre los cimientos o la subestructura y la superestructura del edificio. Otro ejemplo reciente lo tenemos en las nuevas y futuristas sedes centrales de Apple cerca de San Francisco (Estados Unidos), que se encuentra sobre 700 aisladores de cimientos. Los edificios que utilizan esta técnica también suelen estar rodeados de un «foso» que les permite moverse libremente sin dañar las estructuras cercanas.

Control de las vibraciones de los edificios

Si el objetivo del aislamiento de los cimientos es reducir la carga sísmica en los cimientos de un edificio, el objetivo de las técnicas de control de las vibraciones es dispersar, disipar o absorber las energías de las ondas dentro del edificio.

Uno de estos métodos se ha convertido en una atracción turística y está situado entre las plantas 87 y 92 del rascacielos Taipei 101 de Taipéi (Taiwán). En este edificio, lo que parece una bola dorada de 728 toneladas actúa como el amortiguador de masa sintonizado (TMD, por sus siglas en inglés) de mayor tamaño del mundo. Además de contrarrestar ondas sísmicas y fuertes vientos, este amortiguador se mueve como un péndulo en la dirección contraria de las vibraciones que actúan sobre el edificio, neutraliza la energía y mantiene el equilibrio del edificio.

Mientras tanto, en Tokio (Japón), la Torre Mori de 238 m utiliza un sistema en los cimientos del edificio para contrarrestar de forma semiactiva la energía sísmica. Cerca de los cimientos del interior hay amortiguadores de acero blando que permiten al edificio estirarse y balancearse. Estos amortiguadores están conectados a amortiguadores de aceite que utilizan la resistencia del fluido para absorber las vibraciones, mientras que los amortiguadores de freno simultáneamente convierten otras vibraciones en calor por fricción.

Uso de materiales de mejor calidad

Los materiales son importantes, además de las normas, el diseño y las técnicas. Los materiales deben combinar resistencia a la flexión y ductilidad: deben ser capaces de doblarse sin romperse. Los materiales frágiles como, por ejemplo, bloques de hormigón o mampostería no reforzados son los materiales más peligrosos durante los terremotos.

Tomemos como ejemplo el nuevo Wilshire Grand Center de 73 plantas: el edificio más alto de Los Ángeles. Utiliza aleaciones con memoria de forma (SMA, por sus siglas en inglés) en sus refuerzos resistentes al doblamiento. Estos se doblan de forma dinámica bajo presión, pero vuelven a su forma original. Si logran alcanzar el límite de su elasticidad, se calientan y la energía cinética sísmica se transforma de forma segura en energía térmica. El edificio también cuenta con un gran núcleo rectangular y vigas de soporte en varias plantas, como en Taipéi, que se han dejado a la vista.

En líneas generales, los diseñadores usan cada vez más unos techos más ligeros, cimientos más resistentes y estructuras más flexibles (pero también resistentes). Entre los materiales que se utilizan actualmente en el mundo de la construcción se incluyen hormigón con refuerzos de acero, acero estructural, hormigón reforzado inteligente (IRC, por sus siglas en inglés) con cables SMA y polímeros con memoria de forma.

¿Y qué ocurre con los edificios antiguos?

Los edificios antiguos también deben resistir a los terremotos. Muchos de los nuevos métodos de seguridad frente a terremotos también se utilizan en su renovación. La incorporación de un aislamiento sísmico de los cimientos es un método conocido de proteger edificios antiguos e históricos, como, por ejemplo, el «City-County Building» en Salt Lake City (Estados Unidos) y la oficina principal de 122 años de antigüedad de las sedes centrales del Banco de Japón en Tokio.

Otra forma de renovar las características de seguridad frente a terremotos en los edificios es incorporar una estructura de acero exterior. Rostrevor House en Wellington (Nueva Zelanda) utiliza una estructura de acero reforzada excéntricamente (EBF, por sus siglas en inglés) para añadir de forma económica resistencia a su estructura. Y en Nomi (Japón), una ligera capa de varillas de fibra de carbono y termoplástico de 9 mm permite al edificio Fa-bo balancearse al ritmo de las ondas sísmicas.

También se están replanteando el uso de métodos más antiguos. Por ejemplo, en Quito (Ecuador), el gobierno local está fomentando el uso de bambú en edificios pequeños gracias a sus sencillas características de flexibilidad y resistencia. Incluso más ambicioso es el trabajo de Fraunhofer WKI en Braunschweig (Alemania). Este instituto de investigación avanzada en madera está explorando el uso de grandes vigas de madera maciza para usarse como soporte de carga en edificios altos. Si esto no parece que sea tecnología muy avanzada, también están trabajando en conectores de acero elásticos controlados por sensores y de gran duración para ayudar a los edificios a mantener su integridad estructural durante los terremotos.

Fa-bo a Japón
«La madera es extremadamente resistente, ligera pero a la vez estable, y perfecta para los terremotos. En sus propiedades mecánicas puede compararse a la perfección con materiales compuestos muy resistentes, aunque con unos costes mucho menores».

Norbert Rüther, Project manager, Fraunhofer WKI

Planificación urbana y preparación holística

La creación de características de seguridad frente a terremotos es una tarea multifacética y forma parte de lo que se denomina planificación holística urbana de mitigación de riesgos. Por ejemplo, las ciudades con riesgo sísmico también deben proteger lugares peligrosos e infraestructuras de vital importancia. Asimismo, los servicios de emergencia deben ser capaces de responder con rapidez. Muchas ciudades utilizan sensores sísmicos inteligentes para alertar de un terremoto antes de que tengan lugar las grandes ondas.

La concienciación y preparación de los ciudadanos antes, durante y después de un terremoto también forman parte de la política pública. En Bogotá (Colombia), por ejemplo, los propietarios reciben las herramientas necesarias para renovar las características de resistencia de sus hogares. En ciudades de toda Norteamérica, como Seattle y Vancouver, tiene lugar cada año el simulacro Great Shakeout, que combina asesoramiento y entrenamiento con diversión y juegos.

La seguridad de los ascensores también forma parte del panorama general. Los fabricantes responsables investigan continuamente cómo los terremotos afectan a los rascacielos y a los componentes de los ascensores. Por ejemplo, thyssenkrupp Elevator está llevando a cabo una investigación sobre este tema de forma conjunta con la Universidad de Tongji en Shanghái. La empresa también utiliza un sistema integrado de amortiguadores de masa activa (AMD, por sus siglas en inglés) en sus nuevas torres de prueba de la Ciudad de Zhongshán (China) y Rottweil (Alemania). Estos edificios pueden simular realmente un terremoto, de modo que los científicos pueden seguir protegiendo los dispositivos de movilidad que utilizamos a diario.

Mientras tanto, los ascensores cuentan con detectores sísmicos para alertar de forma temprana de un terremoto inminente. Los controles llevan automáticamente al ascensor a la próxima planta disponible y abren las puertas.

Construcción de ciudades resistentes a terremotos

La preparación ante terremotos se está extendiendo en todas las direcciones, desde ideas de próxima generación como ViBa, una barrera vibratoria diseñada para colocarse por debajo de las calles y en los alrededores de los edificios para que absorban las ondas sísmicas, hasta una mejor zonificación, la garantía del cumplimiento de las normas y una mayor preparación de los ciudadanos en el caso de que pase lo inevitable en zonas susceptibles a terremotos. Construir ciudades a prueba de terremotos supone una tarea compleja que implica tecnología, planificación, diseño, materiales y preparación de los ciudadanos. Así es como mantenemos nuestras ciudades seguras: tanto en zonas susceptibles a terremotos como en cualquier otro lugar.

 

This short video by The Economist shows some of the techniques being applied to make buildings more earthquake-proof. Note that one of the techniques is hundreds of years old but has been updated and resized for use in supertall skyscrapers.