Soluciones contra terremotos

Bricker

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Mientras que Turquía es conocida como un destino de vacaciones caluroso y soleado, también se enfrenta a bajas temperaturas, lo que significa que tiene necesidades sustanciales de calefacción y refrigeración para sus edificios. El país también se encuentra en una de las zonas sísmicas más activas del mundo y las medidas de eficiencia energética deben ser resistentes a los terremotos.

Una consideración adicional es la ubicación del país en una de las regiones más sísmicamente activas del mundo. Esto requiere una cuidadosa selección de medidas de eficiencia energética para garantizar el cumplimiento de las normas de construcción de terremotos. Estos estándares tienen prioridad sobre cualquier trabajo de retroadaptación si los materiales y sistemas utilizados no coinciden con los requisitos de seguridad.

Un ejemplo es el cambio de imagen verde del Hospital Universitario Adnan Menderes, en el oeste de Turquía, donde los colectores solares parabólicos con seguimiento solar, que producirán alrededor de 1.000kW, se están instalando bajo un proyecto de demostración europeo llamado BRICKER.

Hospital Universitario Adnan Menderes

Aunque no está diseñado específicamente para un área propensa a terremotos, esta medida cumple con las regulaciones de resistencia sísmica, debido a que el campo solar se construye a nivel del suelo y ligeramente alejado de cualquier edificio. La intervención también incluye un nuevo sistema de tres generaciones que produce electricidad, calefacción y refrigeración de una sola vez, lo que hace que la energía vaya más allá. [1]

El proyecto BRICKER es una iniciativa de cuatro años destinada a desarrollar un sistema replicable y rentable para la modernización de edificios existentes no públicos de propiedad pública. Al implementar un paquete de medidas en dos sitios de demostración diferentes en condiciones reales, proporcionará orientación y estrategias para abordar tanto la tecnología como los desafíos regulatorios.

Referencias:

[1] Mark Thompson (12 de octubre de 2017). Terremotos, edificios y energía verde: el acto de equilibrio de Turquía. Sitio web oficial del proyecto Bricker: Energy Reduction in public building stock. Recuperado de: http://www.bricker-project.com/News/Articles/earthquakes–buildings-and-green-energy-turkeys-balancing-act.kl. Acceso: martes 26 de junio de 2018.

Cartón

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Para países en desarrollo, donde no es económicamente viable incorporar tecnologías antisísmicas en casa o edificios, equipos de ingenieros trabajan en todo el mundo para diseñar estructuras resistentes a los terremotos utilizando materiales disponibles localmente o de fácil obtención.

Siendo este el caso, cabe mencionar al arquitecto japonés Shigeru Ban, ganador del Premio Pritzker 2014, uno de los galardones más importantes en arquitectura, por su conocido uso innovador de materiales como el cartón en algunos tipos de construcciones. Este arquitecto que ha estado construyendo con cartón desde 1986, ha diseñado todo, desde un museo de arte en Metz, Francia, hasta un alojamiento de emergencia después del terremoto y el tsunami en Japón.

Su obra más representativa se trata de la nueva Catedral de Transición, ubicada en Christchurch, Nueva Zelanda, ubicada en una zona de elevada actividad sísmica ya que este país forma parte del Cinturón de Fuego del Pacífico. El antiguo edificio de la catedral fue destruida por el devastador terremoto de 2011.

Catedral de Transición, en Christchurch, Nueva Zenada

Con una estructura de fachada en forma de A, hecha de 98 tubos de cartón gigantes con una base de madera, acero y concreto, la nueva Catedral de Transición albergará a 700 fieles y está diseñada para durar hasta 50 años. Los tubos están recubiertos con tres capas de poliuretano impermeable y la mayoría están protegidos por el techo de policarbonato, que es translúcido y se ilumina cuando la catedral se ilumina por la noche. Ban dice que la nueva catedral es a prueba de terremotos, a prueba de fuego y no se mojará en la lluvia. El arquitecto japonés usaba papel para espacios interiores cuando se dio cuenta que era lo suficientemente fuerte para ser utilizado como elemento estructural puesto que la madera y el cartón pueden soportar terremotos que destruirían estructuras de hormigón. [1]

Estructura principal de la Catedral de la Transición construida con tubos gigantes de cartón

Las estructuras de cartón y madera son naturalmente más resistentes a los terremotos. El concreto es más pesado, por lo que tiene más inercia y también genera más impulso cuando se desplaza durante un terremoto. Además, la flexibilidad de la madera y el cartón significa que tienen más fuerza bajo tensión y pueden absorber mucha energía con el colapso. Otro aspecto positivo es que, si una estructura de cartón llegase a colapsar, es mucho menos probable aplastar a las personas reunidas en el interior.

La Catedral de Transición, que incluye vigas de madera dentro de los tubos de cartón que forman la estructura principal, está hecho para resistir hasta 1.2g de fuerza lateral, un evento que se esperaría en la región una vez en mil años.

Referencias:

[1] Michael Slezak (16 de agosto de 2013). Catedral a prueba de terremotos hecha de cartón develado. NewScientist, Plataforma web informativa. Recuperado de: https://www.newscientist.com/article/dn24058-quake-proof-cathedral-made-of-cardboard-unveiled/. Acceso: martes 5 de junio de 2018.

Biomateriales

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Mientras que los ingenieros se conforman con las aleaciones de memoria de forma y las envolturas de fibra de carbono, anticipan un futuro en el que incluso materiales mejores estarán disponibles para la construcción resistente a terremotos. Y la inspiración para estos materiales probablemente provenga del reino animal. Considere el humilde mejillón, un molusco bivalvo que se encuentra junto a las rocas del océano o, después de haber sido removido y cocido al vapor en vino, en nuestro plato. Para permanecer unidos a sus precarias perchas, los mejillones secretan fibras pegajosas conocidas como hilos de sésal. Algunos de estos hilos son rígidos y rígidos, mientras que otros son flexibles y elásticos. Cuando una ola se estrella en un mejillón, se queda porque los hilos flexibles absorben el impacto y disipan la energía. Los investigadores incluso han calculado la proporción exacta de fibras rígidas a flexibles (80:20) que le da al mejillón su pegajosidad. Ahora se trata de desarrollar materiales de construcción que imiten al mejillón y su asombrosa capacidad para quedarse quieto. [1]

Mejillones

Seda de araña

Otro hilo interesante proviene del extremo sur de las arañas. Todos sabemos que, libra por libra, la seda de araña es más fuerte que el acero (solo pregúntele a Peter Parker), pero los científicos del MIT creen que es la respuesta dinámica del material natural sometido a una gran tensión lo que la hace tan única. Cuando los investigadores tiraron y tiraron de hebras individuales de seda de araña, descubrieron que los hilos eran inicialmente rígidos, luego elásticos y luego rígidos de nuevo. Es esta respuesta compleja, no lineal, la que hace que las telas de araña sean tan resistentes y la araña enrosque un material tan tentador como para imitar en la próxima generación de construcciones resistentes a los terremotos.

Referencias:

[1] 10 Tecnologías que ayudan a los edificios a resistir los terremotos: Biomateriales. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes9.htm. Acceso: 25 de mayo de 2018.

Aleaciones de memoria de forma

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La plasticidad de los materiales presenta un gran desafío para los ingenieros que intentan construir estructuras resistentes a los terremotos. La plasticidad describe la deformación que ocurre en cualquier material cuando se le aplican fuerzas. Si las fuerzas son lo suficientemente fuertes, la forma del material se puede alterar permanentemente, lo que compromete su capacidad de funcionar correctamente. El acero puede experimentar deformación plástica, pero también el concreto. Y sin embargo, ambos materiales se utilizan ampliamente en casi todos los proyectos de construcción comercial.

La gran mayoría de las estructuras están hechos de acero y hormigón. Si bien esta combinación es conveniente y económica, las estructuras de acero y concreto no se sostienen tan bien en terremotos fuertes (7.0 de magnitud o más). Las columnas reforzadas convencionales dependen del acero y el concreto para disipar la energía durante terremotos fuertes, creando potencialmente deformación y daños permanentes en la columna y volviendo inutilizable la columna.

Bajo la carga de terremotos, los ingenieros permiten el daño de zonas localizadas de concentración de esfuerzos para la disipación de la energía y evitar el colapso toral de las estructuras. Si bien esta práctica es ampliamente aceptada, los efectos del daño pueden inferir con las operaciones de recuperación de desastres y tener un gran impacto económico en la comunidad. [1]

El ingeniero civil M. Saiid Saiidi de la Universidad de Nevada, Reno, y sus colegas, han descubierto una solución, han identificado varios materiales inteligentes como alternativas del acero y el hormigón en estructuras. Las aleaciones con memoria de forma son únicas en su capacidad para resistir una gran tensión y aun así regresar a su estado original, ya sea mediante calentamiento o superelasticidad.

Una aleación prometedora es el níquel titanio, o nitinol. Si bien la mayoría de las aleaciones con memoria de forma son solo sensibles a la temperatura, lo que significa que requieren una fuente de calor para volver a su forma original, el Nitinol también es superelástico. Esto significa que puede absorber el estrés impuesto por un terremoto y volver a su forma original, lo que hace que el nitinol sea una alternativa particularmente ventajosa al acero. De hecho, la superelasticidad del níquel titanio está entre 10 y 30 veces la elasticidad de metales normales como el acero.

Marcos de lentes hechos de Nitinol

Estos investigadores de la Universidad de Nevada, Reno, compararon el rendimiento sísmico de columnas de puentes de acero y hormigón con columnas de nitinol y hormigón. La aleación con memoria de forma superó a los materiales tradicionales en todos los niveles y experimentó mucho menos daño.

Si bien el costo inicial de un puente típico hecho de níquel titanio y estructura de concreto reforzado sería aproximadamente un 3% más alto que el costo de un puente convencional, el costo de vida útil del puente disminuiría. El puente no solo requeriría menos reparaciones, sino que también sería útil en caso de terremotos moderados y fuertes. Como resultado, luego de un fuerte terremoto, el puente permanecerá abierto a los vehículos de emergencia y a otro tipo de tráfico.

Referencias:

[1] Rafiee Misha. (17 de agosto de 2012). Smart Materials Improve Earthquake-Resistant Bridge Design. Portal web informativo Live Science. Recuperado de: https://www.livescience.com/22317-smart-materials-earthquake-safe-bridges-nsf-bts.html. Acceso: 7 de junio 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.