GENERALIDADES SOBRE EL AISLAMIENTO SÍSMICO DE EDIFICACIONES

El movimiento sísmico se transmite a las edificaciones desde su base, la cual tiende a seguir el movimiento del suelo, mientras por inercia, la masa del edificio se opone a ser desplazada dinámicamente. Las fuerzas que se inducen son función de la intensidad del movimiento del suelo y de las propiedades de la estructura en sí.

Las aceleraciones que se presentan en la estructura son varias veces superiores a las del terreno, pudiendo en algunos casos exceder de una a dos veces el valor de la gravedad, debido a que los movimientos del suelo son amplificados de forma importante por la vibración de la estructura. El grado de amplificación depende del amortiguamiento propio de la edificación y de la relación entre el período de la estructura y el período fundamental del suelo. De esta manera cuando los movimientos del suelo son bruscos con ondas de períodos cortos, resultan más afectadas las construcciones rígidas y pesadas. Cuando el movimiento del terreno es lento, con períodos largos, es en las estructuras altas y flexibles donde se amplifican las vibraciones y se generan aceleraciones más elevadas y fuerzas de inercia mayores.

El diseño de estructuras sismorresistentes radica en la complejidad de la respuesta estructural a los efectos dinámicos de los sismos además de lo impredecible que resulta el fenómeno y las intensidades que pueden alcanzar sus efectos. La filosofía de diseño comúnmente usada es que la capacidad de la estructura sea mayor que la demanda sísmica, siendo esta directamente proporcional al peso de la estructura y por ende a su resistencia. Al aumentar las aceleraciones por piso se debe aumentar la resistencia para evitar el daño estructural, sin embargo aumentar la resistencia elástica de manera indefinida no se considera práctico y es bastante costoso. Por otro lado, a medida que la intensidad de la excitación aplicada al edificio aumenta, se generan cambios en las propiedades dinámicas del mismo, las cuales alteran su respuesta, el comportamiento deja de ser lineal, la rigidez tiende a bajar y el amortiguamiento tiende a aumentar. Cuando la rigidez de la estructura se reduce drásticamente y entran en juego fuentes de amortiguamiento mucho mayores que las que se tienen durante el comportamiento lineal, cobra importancia la modificación de la respuesta que se tiene después de la cedencia. Por tal motivo, en la mayoría de los códigos, se permite utilizar la ductilidad de la estructura (se refiere a la capacidad de mantener su resistencia para deformaciones muy superiores a aquellas para las que se inició la cedencia, pudiendo disipar energía en el rango inelástico), para lograr alcanzar una capacidad mayor a la demanda sísmica.

¿QUÉ CONOCEMOS COMO AISLAMIENTO SÍSMICO Y CÓMO FUNCIONA?

El aislamiento sísmico, también conocido como aislamiento de base, implica la separación de la estructura de la edificación del suelo. Esto se logra mediante la instalación de dispositivos especiales, conocidos como aisladores sísmicos, entre la cimentación y la superestructura (el edificio en sí). Estos aisladores están diseñados para absorber y disipar la energía generada por un terremoto, reduciendo la transmisión de movimientos sísmicos a la estructura.

El diseño por capacidad que conocemos limita la fuerza elástica de la estructura, detallando las secciones para evitar una falla frágil y proporcionar capacidad de deformación, este enfoque en la mayoría de los casos se traduce en permitir cierto grado de daño a la estructura. Evidencia del comportamiento no lineal, y del daño en estructuras metálicas son los pandeos locales, y deformaciones residuales en las estructura. 

El aislamiento sísmico tiene un enfoque opuesto al típicamente usado en el diseño de estructuras sismorresistentes, ya que busca reducir la demanda a la cual estará sometida la estructura en vez de enfocarse en el aumento de la capacidad de la misma. 

El principio fundamental del aislamiento sísmico es desacoplar el movimiento del suelo del movimiento de la estructura interponiendo elementos estructurales con rigidez horizontal baja entre la edificación y la fundación, modificando la respuesta de la misma. Un sistema de aislamiento ideal sería aquel que proporcionaría una separación total entre el suelo y la estructura, sin embargo en la actualidad esto no es posible, ya que es necesario que exista cierto contacto entre ellos para poder resistir las fuerzas gravitacionales; por ende un sistema de aislamiento sísmico práctico sería aquel que garantice la unión entre el suelo y la edificación para resistir la gravedad y que a su vez esa unión tenga una separación tal del suelo que le permita resistir las fuerzas sísmicas. 

Una comparación entre el comportamiento bajo cargas sísmicas de un edificio convencional y de uno con sistema de aislamiento basal puede verse en la siguiente figura:

El Aislamiento Sísmico se ha ido desarrollando y perfeccionando en el tiempo, convirtiéndose en un sistema confiable y práctico que entrega una gran protección sísmica a la estructura y sus componentes; y que ha tenido excelentes resultados en los proyectos en donde se ha implementado.

La demanda social por altos niveles de seguridad, comodidad y alivio del temor causado por los movimientos sísmicos son otra razón que ha hecho florecer la construcción de edificios aislados, sobre todo en Japón. Para ello la mayoría de las principales empresas constructoras japonesas han construido primero sus propios edificios con mecanismos para el control de vibraciones de manera de probar sus efectos. Tales edificios están dotados con sistemas de observación de sismos para registrar las características reales de la respuesta, de manera de verificar la validez de sus métodos analíticos y obtener alguna información nueva que no se pueda predecir por modelos y simulaciones de computador.

COMPONENTES CLAVES EN EL AISLAMIENTO SÍSMICO

Los sistemas de aislamiento sísmico típicamente incluyen los siguientes componentes:

• Aisladores Sísmicos: Son los elementos principales del sistema. Existen diversos tipos, incluyendo: aisladores de elastómero, aisladores de fricción, aisladores pendulares.
• Amortiguadores: Complementan a los aisladores, absorbiendo energía adicional y reduciendo las oscilaciones. Pueden ser de diferentes tipos, como amortiguadores viscosos o de masa sintonizada.
• Conexiones flexibles: Se utilizan en las tuberías de agua, gas y electricidad para permitir el movimiento de la estructura sin romper las conexiones.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y APLICACIÓN

• El diseño de un sistema de aislamiento sísmico requiere una cuidadosa consideración de varios factores:
• Características del suelo: La naturaleza del suelo influye en la respuesta sísmica y en el diseño del sistema.
• Características sísmicas del sitio: Se deben considerar la frecuencia, la magnitud y la duración esperadas de los terremotos.
• Tipo de edificación: El diseño del sistema varía según el tipo de edificio (residencial, comercial, industrial, etc.) y su función.
• Normativas y regulaciones: El diseño debe cumplir con las normativas y regulaciones sísmicas locales.

CONCLUSIÓN

El aislamiento sísmico es una tecnología esencial para la construcción de edificaciones resilientes en zonas sísmicas. Al reducir las fuerzas sísmicas y proteger las estructuras, el aislamiento sísmico contribuye a la seguridad, la continuidad operativa y la sostenibilidad de las edificaciones. A medida que la tecnología continúa avanzando, el aislamiento sísmico seguirá desempeñando un papel cada vez más importante en la protección de nuestras comunidades contra los terremotos.