Señales que Ayudan al Mejoramiento en las Edificaciones

Eventos sísmicos como los ocurridos en México 1985 y 2017, Northridge 1994, Japón 1995 y 2011 (principalmente por el Tsunami), Turquía 1999, Chile 2010, entre otros, ocasionaron daños estructurales que han cuestionado los criterios de análisis y diseño sismorresistentes establecidos en los reglamentos de diseño vigentes. De esta manera, surge la necesidad de mejorar el conocimiento de la respuesta estructural en las edificaciones y de la naturaleza de las acciones sísmicas a las que son sometidas las estructuras (propiedades dinámicas), con el fin de definir las características estructurales deseables, con el fin de generar diseños más adecuados y/o de reforzamiento, principalmente desde el punto de vista de la seguridad y económico, evitando el colapso. De esta manera, la finalidad del diseño sísmico y las construcciones sismo- resistentes es la de proporcionar estructuras seguras que preserven la vida humana ante fenómenos naturales que alteran las condiciones normales de una edificación.

Tal vez, la mayoría de las tragedias más visibles ante los terremotos, resulta en el daño sobre edificaciones civiles que habitamos, incluyendo las hechas de concreto reforzado. Normalmente, este renglón de construcciones es el que más sufre, y así mismo, el que mayores pérdidas humanas induce, debido a la dificultad de rescatar a personas en medio de hierros retorcidos unidos al concreto, en un contexto de uso generalizado de este tipo de estructuras en Latinoamérica.

Los daños en edificaciones civiles y la forma de evitarlos han sido la tarea, de los últimos 100 años para las sociedades y la ingeniería, sin embargo, los problemas y daños siguen presentándose, dependiendo del tipo de estructura y del tipo de fenómeno que las ataque, ya que las variables involucradas son múltiples y no siempre fáciles de evaluar. Para diseñar una edificación que sea capaz de resistir eventos sísmicos es necesario tener control de la rigidez, la masa, la resistencia, la capacidad dúctil y el conocimiento de la forma del movimiento.

Sabemos que el periodo estructural de una edificación es el tiempo que le toma en desplazarse para llevar a cabo un ciclo completo de oscilación, a su vez, la frecuencia es el número de ciclos que puede llevar a cabo la edificación en una unidad de tiempo. Los periodos de casas pequeñas, son muy bajos en el orden de 1/10 o 1/3 de segundos, mientras que edificios de mediana altura, hasta cinco pisos, oscilan entre 1/3 y 3/4 de segundo. A medida que las edificaciones crecen en altura, crecen en masa mucho más rápido de lo que lo hacen en rigidez, por lo que el periodo se incrementa. Edificaciones de 20 pisos o más, tienen periodos de vibración de más de 2 segundos, y en altos edificios los periodos son tales que en muchas ocaciones, cuando la estructura se mueve, las personas que habitan o trabajan en los pisos elevados, antes que movimiento, sienten mareo y nauseas. Los periodos en edificios de más de 50 pisos tienen periodos que superan los cinco segundos.

El periodo de una edificación puede condenarla o salvarla durante un movimiento sísmico, dependiendo de condiciones como el origen del evento, la distancia al hipocentro, la naturaleza de los suelos presentes en el lugar, efectos de sitio o por la relación existente entre las propiedades inherentes a la estructura y al suelo de cimentación.

Existen lugares (como la Ciudad de México), en donde los periodos de vibración de los suelos se acercan a los dos segundos, por lo que cualquier movimiento incidente será filtrado por los suelos y aflorará en la superficie con un periodo predominante similar a los dos segundos. Las edificaciones con periodo similar a dos segundos en esta zona serán sometidas a una mayor carga que los demás. En cambio, aquellas edificaciones con periodos diferentes a los del suelo subyacente, puede que no sufran daños, así no hayan sido diseñadas sismorresistentemente, porque el nivel de carga será ínfimo, debido a que el movimiento de la estructura, estará fuera de fase con el movimiento del suelo y no se amplificará.

El periodo estructural está íntimamente relacionado a los desplazamientos del sistema, los periodos bajos están relacionados a movimientos de pequeña amplitud, alta frecuencia y alta aceleración, mientras que los periodos altos están correlacionados a movimientos amplios, lentos y de baja aceleración.

En el análisis y diseño de estructuras, es una práctica común suponer que éstas tienen cimentaciones rígidas y están desplantadas en suelos indeformables. Lo anterior no es necesariamente cierto ya que estudios realizados han demostrado que existe interacción entre el movimiento de la estructura con el del suelo en la cual está cimentada. El movimiento del suelo se ve afectado por el movimiento de la estructura, existiendo un acoplamiento. Tal comportamiento se conoce .como interacción suelo-estructura, ésta tiene mayor importancia en la respuesta sísmica de edificaciones cimentadas en suelos blandos. Sin embargo, la magnitud de los efectos de interacción depende más de las relaciones de masa y rigidez existentes entre la cimentación y el sistema estructural que de la presencia de un depósito de suelo blando o de una estructura flexible (acero). Estos efectos pueden influir en la respuesta estructural de tal forma que las propiedades dinámicas estructurales varíen considerablemente.

La instrumentación de estructuras es una actividad que ha adquirido una gran importancia, ya que permite conocer la respuesta real de las estructuras a través del análisis de registros de movimientos sísmicos de baja, moderada y gran intensidad a los que estarán sometidas (lineal o no lineal). Consiste en la instalación de aparatos que registran datos bien sea de movimientos o deformaciones de una estructura o sitio del que se desea obtener información. Esta información puede ser de desplazamientos, velocidades, aceleraciones, fuerzas, entre otros y permiten la caracterización de la estructura y la identificación de las propiedades dinámicas de la estructura. Es posible instrumentar estructuras (edificaciones, presas, puentes, etc.), así como también se usa la instrumentación del terreno para la realización de estudios de amenaza, microzonificaciones sísmicas y comprender en general el comportamiento de las ondas sísmicas es sitios determinados.

La instrumentación de edificaciones es un tema que tiene una gran cantidad de aplicaciones dentro de los que se encuentran la comprensión de las teorías de la dinámica de estructuras, la evaluación de los diseños sísmicos de una estructura, la valoración de edificaciones después de la ocurrencia de sismos, la comprensión del comportamiento de estructuras sometidas a cargas dinámicas constantes como el viento o la acción de maquinaria, entre otros.

Un tipo de aparatos utilizados en la instrumentación de edificaciones son los acelerómetros, que como su nombre lo indica registran valores de aceleración de la estructura instrumentada. Además es posible utilizar varios tipos diferentes de sensores, como medidores de desplazamiento, de temperatura, entre otros.

El análisis de señales provenientes de las vibraciones (registradas por los acelerómetros instalados) de las estructuras se establece como una serie de pruebas experimentales de la dinámica estructural que posibilitan la identificación de las propiedades dinámicas de las estructuras sometidas a algún tipo de excitación. Este procedimiento presenta, además de una posibilidad de comprender el comportamiento real de las estructuras y una forma de corroborar las suposiciones del diseño, una manera de verificar si la estructura ha evidenciado daños que afectan su comportamiento estructural debido a eventos sísmicos u otro tipo de afectaciones.

Existen tres tipos de ensayos que se pueden llevar a cabo en las estructuras para comprender las propiedades dinámicas de las mismas: pruebas sísmicas, forzadas y de vibración ambiental. En las primeras se registran las vibraciones de la estructura producto de movimientos telúricos, en las segundas se induce artificialmente una excitación a la estructura con el fin de registrar su comportamiento y en las últimas se registra por medio de aparatos de alta resolución las vibración producto del uso normal de la edificación.

En el caso de la vibración ambiental, a partir del análisis de registros de aceleraciones obtenidos en diferentes puntos de la estructura, es posible identificar las propiedades dinámicas de la misma, empleando el análisis espectral. El procedimiento se lleva a cabo mediante el uso del análisis espectral, el cual utiliza espectros de potencia, funciones de transferencia, funciones de coherencia, entre otros, para describir el comportamiento de una estructura sometida a cualquier tipo de excitación.

Los instrumentos se colocan estratégicamente en puntos de interés en una edificación, en donde, y como mínimo, principalmente se debe tener las señales de la base y de azotea para un análisis muy general. Por cada punto se obtiene la parte longitudinal (larga), transversal (corta) y de torsión (rotacional). Respecto a la orientación de los equipos, canal X (longitudinal), canal Y (transversal). El primer modo simplemente es el periodo fundamental de la estructura, que generalmente coincide con la parte longitudinal de la estructura.

Por cada punto y por cada componente se obtiene: Espectro de Fourier, Espectro de potencia, Función de transferencia (el punto del nivel (ej. azotea) entre la base), la cual no se hace respecto al campo libre y con la componte correspondiente, Coherencia y Ángulo de fase. Es decir que, por ejemplo, para la función de transferencia de la azotea, sería la componente transversal de la azotea, entre las componente transversal de la base, así como la componente longitudinal de la azotea, entre las componente longitudinal de la base

Sería interesante instrumentar todos los edificios, que sería un proyecto ambicioso económicamente hablando, valdría la pena que por lo menos las escuelas y hospitales estuvieran instrumentados no solo con sismómetros para los desplazamientos, sino con GPS’s para ver si hay subsidencia en donde se encuentren los inmuebles, para que con una aplicación, estemos atentos de cómo va la estructura en donde nos encontramos o se encuentran nuestros hijos y/o seres queridos.