No hay ninguna duda que la manera más eficiente de proteger estructuras contra terremotos es controlando la energía sísmica con medios otros que la ductilidad. Primero, porque los resultados después del sismo son evidentemente superiores y segundo porque el modelamiento de la estructura es más acertado en la predicción que cuando se utilizan adaptaciones lineares genéricas que hoy encontramos en la norma sísmica.

Casi siempre tenemos la duda en cuanto que es mejor para un proyecto en términos de manejo de la energía sísmica: ¿Aislación de la estructura o disipación? Como muchas cosas en la vida, y más precisamente en la práctica cotidiana de la ingeniería sísmica, la respuesta es “depende”.

A continuación, presentamos 7 criterios clave para tener en cuenta al decidir que es lo mejor y más conveniente para un proyecto, y no solo desde el punto de vista del manejo de la energía, pero también de cuáles son las consecuencias que su decisión tendrá a nivel proyecto, es decir más allá del diseño estructural:

• Periodo de la Estructura
• Frecuencia del registro sísmico
• Instalación en Obra
• Análisis Estructural
• Precio
• Control de Calidad y Testeo
• Costos a nivel proyecto

Periodo de la Estructura

Este es un criterio clave y muchas veces mal entendido. Parece haber una “regla general” dentro del gremio que presume que cuando el edificio tiene periodos bajos, cualquier cosa debajo de los 0.7 – 1seg, la opción ideal son los aisladores de base. Así mismo, esta presunción indica que si el edificio es alto y tiene periodos largos es mejor usar disipadores sísmicos. Parece que el hecho de, que la documentación existente en aislación es extensiva en reportar su uso en edificaciones de periodos cortos en comparación a lo que se encuentra para edificios altos ha ayudado a infundir esta creencia.

Se puede decir que, en cuanto a manejo de la energía exclusivamente, ignorando los costos adicionales de intervención de cimentaciones, los aisladores sísmicos tienden a desempeñarse bastante cercanos a los disipadores sísmicos, en especial a los disipadores a fricción, cuando se comparan en periodos bajos. En periodos moderados y altos los disipadores tienden a ser mucho más eficientes. Para alcanzar eficiencias similares, hay que adicionarle al sistema de aislación algunas sofisticaciones.

¿Que hacen los aisladores?

En esencia, los aisladores le otorgan a la estructura regular (no aislada y fija en la base) una mayor “flexibilidad” mediante la alteración de su periodo natural. Esta flexibilidad tiende a aumentar el periodo de la estructura entre 1 y 1.5seg generalmente, tanto así que el periodo convencional de las estructuras aisladas es generalmente referenciado a 2seg (Constantinou & Tadjbakhsh, 1985). Entonces, beneficios significativos en estructuras con aislación se encuentran en estructuras cuyos periodos fundamentales son cortos, menores a 1seg (Jain & Thakkar, 2004). Esto no quiere decir que la aislación no se pueda usar cuando el periodo fundamental es más largo, sin embargo, el aumento excesivo en la flexibilidad tiende a opacar los beneficios obtenidos en primer lugar. Cabe anotar que recientes tecnologías de aisladores sísmicos incluyen sofisticaciones como núcleos dúctiles de materiales que permiten aportar algo de amortiguación (damping) a la estructura y permiten una aplicación más eficiente de aisladores en edificios con periodos fundamentales mayores a 1seg. Sin embargo, esta ductilidad en el núcleo del aislador obliga a realizar trabajos en la cimentación después del evento sismo de diseño, implicando un desempeño sísmico menos resiliente. Otras invenciones recientes como aisladores friccionales también permiten aplicaciones en periodos más largos en similares condiciones. En estimaciones conservadoras uno puede esperar que la reducción de la energía sísmica en los elementos sea hasta de un 50%, con algunas excepciones, para garantizar desempeños seguros ante eventos sísmicos mayores (FEMA, 2015) .

Y ….los disipadores?

En el caso de disipadores sísmicos, el periodo de la estructura no es tan importante. Es común encontrar aplicaciones en estructuras altas (180m) o en estructuras bajas, 15m de altura, en especial con la aplicación de disipadores a fricción (Vezina, Proulx, Pall, & Pall, 1992) en donde estos, en diferencia de otros sistemas de disipación o de aislación sísmica, son independientes de la velocidad y hacen parte integral de la estructura logrando disminuir las aceleraciones hasta en un 75% para periodos similares a los de un edificio bajo y sin aislación.

 

En conclusión, no es que para periodos bajos la aislación sea ideal, es más bien que, la aislación tendrá resultados más eficientes en el control de la energía sísmica cuando los periodos son bajos y que a medida que aumente el periodo de la estructura mayor complejidad se aporta al diseño al tratar de adicionar amortiguamiento en la estructura superior para mitigar los efectos adversos y poder hacer el desempeño comparable. Así mismo la disipación, tendrá un desempeño similar, algunas veces mucho mejor, sin la limitación del periodo.

Frecuencia del Registro Sísmico

Este es un punto importante, y desafortunadamente no es abiertamente bien entendido debido a que para observarlo hay que realizar análisis dinámicos adicionales de la estructura y del suelo que usualmente no están al alcance de oficinas estándar de diseño. Las oficinas estándar de diseño tienden a guiarse por los espectros de respuesta genéricos encontrados en la norma sísmica que solo muestran las aceleraciones pico.

Cuando la frecuencia sísmica es muy alta y con periodos de movimiento del suelo muy cortos, estructuras con periodos bajos pueden correr el riesgo de resonancia. Para estos casos, los aisladores sísmicos son definitivamente la solución por escoger (Kelly, 1997). Estos hacen un muy buen trabajo separando la frecuencia natural del edificio de la frecuencia del registro.

Por el contrario, cuando las frecuencias del registro son bajas, usualmente en sismos de subducción como los de la costa del Pacífico Americano, la aplicación de la aislación sin amortiguamiento es muy ineficiente y puede aumentar incluso el riesgo de cuasi-resonancia con estas ondas de periodos largos.

Es mucho más eficiente y fácil de optimizar, si se empieza el diseño estructural con amortiguación en la estructura superior con el uso de disipadores.

Instalación en Obra

Este es un criterio de decisión que afecta el proyecto en general. A veces, tendemos a diseñar estructuras y aplicar conceptos sin el cuidado de mirar como esta decisión afectaría a las otras especialidades de la ingeniería que participan en un proyecto. Algunas veces incluso, desestimamos cuales son las implicaciones en costos para el cliente final.

Los aisladores sísmicos pueden considerarse en un nivel moderado-alto de dificultad de instalación cuando se les compara con la construcción tradicional de cimentaciones. Hay que tener mucho cuidado con tolerancias en su instalación lo que implica tener que usar equipos un poco más sofisticados para la construcción de cimentaciones que aquellos a los que los constructores están acostumbrados para construcción estándar. A medida que estas tecnologías se vuelven más comunes, el constructor tiende a desarrollar esas competencias, pero aún les acarrea dificultad.

Rehabilitación de estructuras existentes

Esta dificultad se vuelve aún más evidente cuando se trata de proyectos de rehabilitación de estructuras que incluyen protección sísmica. Es bastante difícil intervenir cimentaciones sin causar interrupciones mayores en los edificios. Para establecimientos donde la interrupción en operaciones es muy costosa como en hospitales, industrias etc., esto no es una opción. Entonces se deben buscar métodos que reduzcan las aceleraciones, fuerzas axiales y cortantes, tal que se pueda evitar la intervención de cimentaciones.

Reducción de fuerzas cortantes y axiales en columnas cuando se usan disipadores a fricción, (FDF y FDBF). Comparación con otras alternativas: Pórticos a momento (BMF), muros de corte shearwalls (SWF) y pórticos arriostrados resistentes a momento (MRBF). (Vezina, Proulx, Pall, & Pall, 1992), (Chandra, Masand, Tripati, Pall, & Pall)

Con disipadores sísmicos, otorgar nuevas capacidades de absorción de la energía sísmica a la estructura existente se vuelve más fácil y usualmente se evita la intervención de cimentaciones (Maholtra, Carson, & Pall, 2004). Particularmente, cuando se usan disipadores sísmicos a fricción en linea, al ser independientes de la velocidad y de la rotación, estos permiten una flexibilidad mayor en la instalación, pues desde el inicio del análisis estructural se pueden incluir y planear más fácilmente porque su comportamiento es modelado como cualquier otro elemento de viga, columna o diagonal. Esto hace que su rigidez lateral sea compatible con la del piso, así que el ingeniero tiene mucha flexibilidad de instalarlos donde no comprometan el uso arquitectónico del edificio. Así se puede mejorar el calendario de intervención en un proyecto porque se pueden instalar gradualmente cuando se habilitan espacios.

Adicionalmente, los disipadores sísmicos a fricción en línea se instalan tal como los contravientos y diagonales comunes, las conexiones se diseñan normalmente como para cualquier estructura metálica. Se puede decir que la disrupción de operaciones es mínima.

Análisis Estructural

¿Que tan fácil es integrar una de estas dos opciones a nuestro diseño estructural? La respuesta depende de las habilidades y educación específica de cada ingeniero, sin embargo, tecnologías como los disipadores sísmicos a fricción en línea son sencillas de integrar.

Aisladores

Para el caso de aisladores sísmicos, el ingeniero debe manejar por lo menos conceptos básicos del análisis vibracional aun si sigue los lineamientos básicos de la norma sísmica. Es necesario que entienda como la velocidad de aplicación de la fuerza del sismo afectará el comportamiento de la estructura. Nuevas tecnologías que permiten aplicar aislación en edificios altos, aumentando los periodos inclusive en el rango de 2 y 3 segundos incluyen amortiguamiento adicional (damping) en el aislador mismo. Esto es bueno porque permite contrarrestar los efectos nocivos de una flexibilidad excesiva aportada en la alteración del periodo natural, pero requiere de más experticia por parte del ingeniero estructural toda vez que debe calcular un amortiguamiento óptimo para reducir la trasmisión de esfuerzos desde la base hasta la estructura superior que ahora son transmitidos. Mucho amortiguamiento (damping) transmitirá fuerzas excesivas, y muy poco de él, hará el periodo fundamental excesivamente largo e ineficiente. Solo oficinas de diseño con softwares muy potentes son capaces de hacerlo, y aun así el proceso de iteración es algo tedioso pues las fuerzas y el amortiguamiento varían de acuerdo a como varía la velocidad en el registro sísmico. La calibración es más compleja.

Disipadores dependientes de la velocidad

En el caso de los disipadores sísmicos, la integración al diseño estructural puede ser también tediosa para aquellos dispositivos que son dependientes de la velocidad como los disipadores viscosos y los disipadores visco-elásticos. Encontrar dimensiones de diseño optimas para los aparatos es un ejercicio que solo oficinas bien equipadas pueden realizar porque, otra vez, la velocidad juega un papel crucial. En el caso de los disipadores rotacionales a fricción, la fuerza también varía dependiendo del ángulo en la rótula que disipa la energía, por eso si este tipo es usado como un elemento de tensión-compresión no puede modelarse como si la fuerza fuera constante.

La norma sísmica

Algunas normas sísmicas, ofrecen decentes aproximaciones para estos casos de disipación y aislación donde las fuerzas son variables, pero al ser genéricas deben ser extremadamente conservadoras y por consecuente mucho menos eficientes que si se realiza el ejercicio específico para las necesidades de la estructura.

Con disipadores sísmicos a fricción en línea, cualquier ingeniero con un conocimiento básico del diseño estructural puede integrarlos a un proyecto. La fuerza es siempre constante, entonces el ingeniero solo necesita dos parámetros, Fuerza y Desplazamiento, es más, calcularía su rigidez lateral igual que para un contraviento o diagonal común. Es muy cómodo de usar para proyectos nuevos, pues con un análisis básico se puede hacer un pre-diseño rápido tal como para cualquier otro edificio de análisis estático. En el caso de rehabilitación de estructuras, las facilidades son las mismas, sin embargo, el ingeniero debe tener un mínimo de conocimiento de análisis no-linear para entender el comportamiento de la estructura en el sismo de diseño y confirmar que el desempeño que busca está garantizado. Estas competencias no son muy costosas, pues hoy en día softwares populares y de fácil adquisición cuentan con herramientas de push-over muy confiables y fáciles de usar.

Otras opciones

Hoy en día también se usan diagonales restringidas al pandeo (BRBs) como dispositivos de disipación de energía. Por su bajo costo se han vuelto muy comunes y porque diseñar con ellas es tan fácil como con un contraviento o diagonal común. Sin embargo, preocupaciones empiezan a surgir por que el acero no es necesariamente independiente de la velocidad. Hoy en día los códigos no exigen pruebas adicionales a las BRBs para demostrar su independencia con la velocidad de aplicación en la fuerza por que existe el argumento que esto tampoco se les exige a los demás elementos de acero estructural. Aunque este argumento es válido, cuando las BRBs se usan para disipar energía, ellas actúan como protectores del resto de la estructura, que deben deformarse a la fuerza esperada y en el desplazamiento esperado. Es ampliamente conocido (ASM, 1987) y (MacGillivray & Weisner, 1999) que la velocidad y frecuencia de aplicación de la fuerza tiende a aumentar el punto de fluencia y de falla en los metales a veces hasta en un 30%. Si el registro sísmico y su frecuencia de carga hace fallar la BRBs mucho después de la fuerza de fluencia esperada, la estructura será excesivamente rígida y los elementos que se intentaban proteger en primer lugar fallaran antes que el elemento que los protegía. Hoy en día las pruebas estáticas exigidas por los códigos desafortunadamente no permiten ver estos efectos.

Precio por dispositivo

El precio por dispositivo varía de acuerdo con las características del aparato, y el ingeniero deberá escoger la opción que mejor satisfaga sus necesidades técnicas. En el caso de los aisladores sísmicos, sus precios son muy similares a los disipadores sísmicos de tipo viscosos y visco-elásticos. Siendo los aisladores elastomericos la opción mas económica pues son los mas conocidos y abundantes en el mercado de protección sísmica. Estos no tienen las adiciones tecnológicas de aisladores friccionales o de núcleos deformables.

En un nivel aún más económico se encuentran los disipadores a fricción, estando estos casi al mismo nivel de costos directos que las diagonales restringidas al pandeo (BRBs). ¿Entonces, porque no escoger un disipador a fricción en vez de una BRBs si el primero no necesitará reemplazo después del sismo y además es muchos más eficiente y confiable en absorber la energía sísmica?

Por otro lado, un punto importante a aclarar con los dispositivos a fricción y su atractivo precio es que la calidad debe ser 100% certificada. Aunque la disipación por fricción ofrece muchísimas ventajas desde el punto de vista de diseño estructural y constructivo no hay evidencia de muchos fabricantes que puedan ofrecer una fricción dinámica estable. Esto es crucial, a parte del precio atractivo, el ingeniero debe verificar con el fabricante que todos los aparatos a ser instalados cumplen con las especificaciones de diseño: fuerza y desplazamiento. De esto hablaremos en el siguiente punto.

Control de Calidad y Testeo

Tanto para aisladores sísmicos como para disipadores el control de calidad es esencial. En esta industria es muy común encontrar fabricantes internacionales que no fabrican ni testean en los países donde están sus oficinas, usualmente Europa, porque les es demasiado costoso. También se encuentran fabricantes locales que desarrollaron las tecnologías recientemente a partir de reingeniería en conceptos internacionales y a veces generan dudas en cómo han vivido su curva de aprendizaje. Hay solo unos pocos que siguen estrictos protocolos de calidad y sobre todo en el mismo lugar de origen donde los aparatos son diseñados, facilitando la eficacia del control de calidad. Cualquiera que sea el caso, el ingeniero debe siempre quedar satisfecho que el desempeño de todos y cada uno de dispositivos sea lo que él quiere para su diseño, ni más ni menos. Por eso siempre es importante preguntar cuál es el control de calidad que hace el fabricante y participar activamente en él.

Países como Chile han ido a la vanguardia recientemente con la adición a sus normas sísmicas (NCh 3411, 2017) de estrictos controles de calidad y claras guías de como el ingeniero debe evaluar la disipación y la aislación.

Recomendaciones

Siempre es recomendable que se pruebe el 100% de los aparatos al 100% de la condición real. En el caso de los aisladores sísmicos y los disipadores, de tipo viscoso, estos test son costosos, por que los laboratorios usualmente no cuentan con los equipos para simular grandes fuerzas a altas velocidades, entonces, estos costos son generalmente transmitidos al cliente final. En adición, el ingeniero estructural necesita cierto conocimiento específico para interpretar correctamente los resultados, inclusive si es testigo de la prueba misma.

En el caso de las BRBs, cuando se usan como disipadores, estas no se pueden probar en condiciones reales de uso por que sufrirían daños permanentes y no podrían ser usadas luego en el proyecto. Entonces usualmente se testean al 60% de su fuerza de falla. El ingeniero siempre queda con algo de incertidumbre acerca de que ocurrirá en la situación real cuando la fuerza real se aplica en un registro sísmico, a menos que solicite una prueba de prototipo real a las solicitudes que espera. Esto sin duda encarecerá el costo por dispositivo a valores similares de los disipadores viscosos.

En el caso de los disipadores sísmicos a fricción, el testeo es crítico. Se recomienda que todos y cada uno de ellos sea testeado a la fuerza y desplazamientos de diseño. Una ventaja, es que entender los resultados de los ensayos es muy sencillo, por que el ingeniero puede ver Fuerza y Desplazamiento de primera mano y estos son conceptos intuitivos y de común uso. Otra ventaja, es que el testeo de estos aparatos es relativamente menos costoso, garantizando un control de calidad altísimo a costos nada excesivos. El ingeniero podrá confiar en el fabricante, solo si este demuestra que todos los aparatos que enviará al proyecto se comportan tal como se espera.

 

Costos a nivel proyecto

Finalmente, el ingeniero estructural debe hacer un análisis de como todos estos puntos anteriormente mencionados suman o restan a los costos generales. Aunque sucede comúnmente hoy en día, estos puntos, no se pueden analizar de manera individual porque se corre el riesgo de hacer incurrir en costos innecesarios al cliente final, debe ser un análisis integral.

Cuando se es ingeniero estructural, la vida de muchas personas depende de la responsabilidad y eficacia del diseñador. Así mismo, su Good-Will profesional depende que tan eficientes son sus diseños y de que tan hábil aplica estas tecnologías. Afortunadamente, estas cada vez se vuelven más comunes, y algunas de ellas permiten a los ingenieros incursionar el control de la energía sísmica sin necesidad de excesiva sofisticación.

Esperamos que esta guía simplificada pueda ser de ayuda para resolver a esta pregunta común en nuestra práctica diaria profesional y que pueda ser respondida de la manera más eficiente para el bien de toda la sociedad.

 

References

ASM, I. (1987). Metals Handbook.

Constantinou, M., & Tadjbakhsh, I. (1985). Optimum Characteristics of Isolated Structures. J. of Structural Structual Engineering, ASCE, 2733-2750.

FEMA. (2015). NEHRP REcommended Seismic Provisions for New Building and Other Strcutures P-1050-1.

Jain, S. K., & Thakkar, S. K. (2004). APPLICATION OF BASE ISOLATION FOR FLEXIBLE BUILDINGS. 13th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No. 1924. Vancouver.

Kelly, J. (1997). Earthquake-Resistant Design with Rubber. Great Britain: Springer-Verlag London Limited.

MacGillivray, H., & Weisner, C. (1999). Loading Rate Effects on Tensile Properties and Fracture Toughness of Steel. TWI, Cambridge.

Maholtra, A., Carson, D., & Pall, R. (2004). Friction Dampers for Seismic Upgrade of St. Vincent Hospital, Ottawa. Paper #1952. Thirteenth World Conference on Earthquake Engineering.

Vezina, S., Proulx, P., Pall, A., & Pall, R. (1992). Friction Dampers for seismic design of Canadian Space Agency. Tenth World Conference of Earthquake Engineering. Balkema.