Day: 22 de August de 2018

Capa de invisibilidad sísmica

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Las aplicaciones de la física podrían hacer que las consecuencias de los devastadores terremotos sean cada vez menores en los edificios. La idea del «manto sísmico» proviene de investigadores en el Reino Unido, Italia y Francia, algunos de los cuales fueron los primeros en demostrar que la física de las capas de invisibilidad podría tener otras aplicaciones

En el año 2000, el físico teórico John Pendry, del Imperial College de Londres, propuso una vía para conseguir la invisibilidad en objetos. En el año 2006 su teoría se confirmó con los primeros experimentos que hacían desaparecer objetos a simple vista. Para ello utilizaron metamateriales con estructuras geométricas más pequeñas que las longitudes de onda que la luz que estaban desviando. Así consiguieron guiar las microondas a través de un cilindro de cobre, lo cual permitía que cualquiera que mirara a través del detector de microondas viera simplemente un espacio vacío. [1]

A partir de este mismo concepto, el equipo de investigadores liderado por Sebastien Guenneau de la Universidad de Liverpool en el Reino Unido, su colega de Liverpool Sasha Movchan , Michele Brun en la Universidad de Cagliari, Italia, y Stefan Enoch y Mohamed Farhat en el Fresnel Institute (CNRS) en Marsella, Francia, ha calculado la forma con la que convertir la tierra bajo nuestros pies en una suerte capa de invisibilidad que desvía y anula las ondas sísmicas. Lo que propone el equipo es convertir un área en invisible para las ondas sísmicas. Para ello quieren utilizar el mismo concepto teórico que se aplica para hacer desaparecer los objetos a través de metamateriales. Las ondas sísmicas de un terremoto se dividen en dos grupos principales: las ondas del cuerpo que se propagan a través de la Tierra y las ondas superficiales que viajan solo a través de la superficie. Esta capa inhibidora se centra en la protección de los edificios frente a las ondas superficiales producidas en un evento telúrico que generalmente son las más destructivas que causan estragos en las estructuras.

Disposición de anillos concéntricos para formar el manto sísmico

Este sistema consta de una serie de hasta un máximo de 100 anillos concéntricos incorporados bajo el edificio, cada uno sintonizado a una frecuencia determinada. De esta forma, cuando vienen las ondas a lo largo de la superficie, los anillos que están sintonizados en particular, recuperan la mayor parte de esa frecuencia y comienzan a vibrar a lo largo de la misma. Posteriormente, estos anillos situados alrededor del edificio, desvían las ondas de choque hacia otra dirección concreta para su eliminación.

En experimentos realizados por estos grupos de investigadores, y tal y como estaba predicho en modelos teóricos, la energía se dispersó en gran medida llegando a registrarse tan solo un 20% de la energía total de la prueba de control. [2]

En el trabajo publicado en la revista Physics Review Letters de marzo de este año explican que para disipar ondas sísmicas de 1,5 metros se necesita realizar agujeros en la tierra de 30 centímetros de ancho y separados unos de otros 1,73 metros. Cuando se produzca un terremoto, cada agujero dispersará una onda. La acción conjunta de este fenómeno permitirá que las ondas se contrarrestarán hasta eliminarse evitando cualquier vibración [3]. Para proteger un edificio de 10 metros de ancho, cada anillo tendría que ser de 1 a 10 metros de diámetro y 10 centímetros de espesor.

El problema es que el metamaterial está hecho para usarse a una longitud de onda específica con lo que no se puede asegurar que funcionaría en un terremoto normal. Por otra parte, estas ondas reflejadas han de ir hacia algún sitio con lo que lo más probable es que acabaran afectando a los edificios colindantes. Es por ello que ya se está estudiando absorber las ondas en lugar de reflejarlas. [4]

Guenneau sueña con que un día su teoría sirva para proteger a ciudades enteras de terremotos. Incluso cree que podría utilizarse para disipar la fuerza de los tsunamis utilizando columnas de madera estratégicamente colocadas a 200 metros de la costa.

Referencias:

[1] Amate Chema (16 de junio de 2014). Este sistema podría proteger ciudades enteras de ndas sísmicas. Portal de información digital. Recuperado de: https://blogthinkbig.com/ondas-sismicas. Acceso: 5 de junio de 2018.

[2] Un Manto de Invisibilidad podría esconder edificios de los terremotos. (28 de junio de 2009). Revista digital ConstruGeek. Recuperado de: http://www.construcgeek.com/tecnologia/un-manto-de-invisibilidad-podria-esconder-edificios-de-los-terremotos. Acceso: 5 de junio de 2018.

[3] Brûlé S., Javelaud E.H., Enoch S., Guenneau S. (2014). Experiments on Seismic Metamaterials: Molding Surface Waves. Physical Review Letters, 112, 133901.

[4] La capa de invisibilidad sísmica ya se prueba en Francia. (2013). Hipertextual, publicaciones digitales independientes. Recuperado de: https://hipertextual.com/archivo/2013/02/capa-de-invisibilidad-sismica/. Acceso: 5 de junio de 2018.

Corazón de roca: núcleo de hormigón

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En muchos edificios modernos de gran altura, los ingenieros utilizan la construcción de pared central para aumentar el rendimiento sísmico a un menor costo. En este diseño, un núcleo de hormigón armado atraviesa el corazón de la estructura, rodeando los bancos de ascensores. Para edificios extremadamente altos, la pared del núcleo puede ser bastante considerable: al menos 30 pies en cada dirección del plano y de 18 a 30 pulgadas de espesor.

Si bien la construcción del muro central ayuda a los edificios a resistir los terremotos, no es una tecnología perfecta. Los investigadores han descubierto que los edificios de base fija con muros de núcleo aún pueden experimentar importantes deformaciones inelásticas, grandes fuerzas de corte y aceleraciones dañinas en el piso. Una solución, como ya hemos discutido, involucra el aislamiento de la base, flotando el edificio sobre los rodamientos de plomo y caucho . Este diseño reduce las aceleraciones del piso y las fuerzas de corte, pero no previene la deformación en la base de la pared del núcleo.

Una mejor solución para las estructuras en las zonas de terremotos requiere una pared de núcleo oscilante combinada con aislamiento de base. Una pared de núcleo oscilante se balancea al nivel del suelo para evitar que el concreto en la pared se deforme permanentemente. Para lograr esto, los ingenieros refuerzan los dos niveles inferiores del edificio con acero e incorporan postesado a lo largo de toda la altura. En los sistemas de postensado, los tendones de acero se roscan a través de la pared del núcleo. Los tendones actúan como bandas elásticas, que pueden tensarse estrechamente mediante gatos hidráulicos para aumentar la resistencia a la tracción de la pared central. [1]

De entre las grandes estructuras que utilizan en su diseño un núcleo de hormigón se encuentra la Gran Torre Santiago, en Santiago de Chile.

Núcleo de hormigón de la Torre Santiago de Chile

Referencias:

[1] 10 Tecnologías que ayudan a los edificios a resistir los terremotos: Rocking Core-wall. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes5.htm. Acceso: 25 de mayo de 2018.

El poder del péndulo: Amortiguador de masa sintonizado

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La amortiguación puede tomar muchas formas. Otra solución, especialmente para los rascacielos , consiste en suspender una enorme masa cerca de la parte superior de la estructura. Los cables de acero soportan la masa, mientras que los amortiguadores de fluido viscoso se encuentran entre la masa y el edificio que está tratando de proteger. Cuando la actividad sísmica hace que el edificio se balancee, el péndulo se mueve en la dirección opuesta, disipando la energía.

Los ingenieros se refieren a tales sistemas como amortiguadores de masa sintonizados porque cada péndulo se ajusta con precisión a la frecuencia vibratoria natural de una estructura. Si el movimiento del suelo hace que un edificio oscile a su frecuencia de resonancia, el edificio vibrará con una gran cantidad de energía y es probable que experimente daños. El trabajo de un amortiguador de masa sintonizado es contrarrestar la resonancia y minimizar la respuesta dinámica de la estructura. Este tipo de mecanismos utiliza el acoplamiento entre la frecuencia natural de la estructura y un oscilador simple para reducir la respuesta dinámica de la estructura. [1]

Uno de los más claros ejemplos de un amortiguador de masa sintonizada corresponde al utilizado en la Torre Taipei 101, en Taiwan.

Amortiguador de masa sintonizado

Referencias:

[1] 10 Tecnologías que ayudan a los edificios a resistir los terremotos: Poder del péndulo. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes3.htm. Acceso: 25 de mayo de 2018.

 

Amortiguadores de deformación o de rendimiento metálico

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En los amortiguadores de deformación la energía es absorbida por los componentes metálicos que ceden. También conocido como el dispositivo de disipación de energía de rendimiento metálico, como un dispositivo de disipación de energía pasiva bien conocido, proporciona una nueva forma de resistir las cargas impuestas a las estructurales. La respuesta estructural puede reducirse cuando se somete a vientos y terremotos mediante el montaje de amortiguadores metálicos de rendimiento en los edificios, con lo que se reduce la demanda de disipación de energía en los miembros estructurales primarios y se minimiza el posible daño estructural. su efectividad y bajo costo ahora son bien reconocidos y ampliamente probados en el pasado en ingeniería civil. Los MYD están hechos principalmente de algún metal especial o material de aleación y es fácil de obtener y tienen un buen rendimiento de disipación de energía cuando se utiliza en la estructura que sufrió los eventos sísmicos.

Amortiguador de rendimiento metálico convencional

La teoría de trabajo de Metallic Yield Damper se basa en el principio de que el dispositivo metálico se deforma plásticamente, disipando así la energía vibratoria y reduciendo el daño a la estructura primaria. La parte funcional principal del amortiguador de rendimiento metálico está hecha de un material especial de metal o aleación. La deformación inelástica del metal es un mecanismo efectivo para la disipación de energía de los terremotos de entrada. Además, el metal es también una opción popular y económica para un dispositivo de disipación de energía debido a su rigidez elástica relativamente alta, buena ductilidad y alto potencial para disipar energía en la región posterior al rendimiento. Cuando la estructura sufre por los eventos sísmicos, los amortiguadores de rendimiento metálico son muy fáciles de obtener y disipan la energía de los eventos sísmicos de manera suficiente. [1]

U-shaped metalic-yielding damper

Otro modelo de amortiguador de deformación es el llamado U-shaped metallic-yielding dampers, que busca disipar energía mediante el trabajo conjunto de piezas metálicas en forma de U entre otras grandes planchas metálicas que sirven de soporte. Esta tecnología es aplicada en grandes rascacielos como la Torre Titanium la Portada, en Chile.

Disipadores sísmicos utilizados en la Torre Titanium

Referencias:

[1] Amortiguador de rendimiento metálico. Sitio web oficial de la Changzhou Road Structure Damping Co., Ltd, proveedor profesional de soluciones de disipación de energía y fabricante de dispositivos de amortiguación en China. China 2016. Recuperado de:  http://www.roadjz.com/en/show.asp?id=19. Acceso: 17 de julio de 2018.

Amortiguadores de fricción

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Los amortiguadores de fricción son uno de los sistemas de control pasivo que tienen una aplicación creciente en los cuadros de momento. Estos son muchos proyectos de tales amortiguadores en todo el mundo. El amortiguador de fricción funciona según el mecanismo de fricción entre los materiales rígidos. De hecho, la fricción es un gran mecanismo de disipación de energía, utilizado en los sistemas de frenos de automóviles de forma exitosa y extensa.

Dispositivo de amortiguación por fricción

La energía es absorbida por las superficies frotando entre sí. Los dispositivos amortiguadores de fricción consisten en placas de acero que giran una contra otra en direcciones opuestas. Las placas de acero están separadas por almohadillas que producen fricción entre las placas de acero.

Mecanismo de un amortiguador por fricción

Cuando una fuerza externa excita una estructura de marco, la viga se desplaza horizontalmente debido a la fuerza. El amortiguador seguirá el movimiento de la placa central debido a las fuerzas de tracción entre los elementos de arriostramiento. Cuando las fuerzas aplicadas se invierten. Las placas rotarán en sentido contrario. El amortiguador disipa la energía por medio de la fricción entre las superficies. [1]

Referencias:

[1] Dispositivos de disipación de energía para diseño de edificios resistentes a terremotos. Arquitectura inspurada, portal web sobre cotenidos de arquitectura, ingeniería y construcción. Recuperado de: http://articles.architectjaved.com/earthquake_resistant_structures/energy-dissipation-devices-for-earthquake-resistant-building-design/. Acceso: 15 de mayo de 2018.