Nuevas tecnologías

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.

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.