Las construcciones de hoy y sus riesgos: investigadores ofrecen alternativas para mitigar el impacto de posibles eventos sísmicos

Bryan Castillo Torres, estudiante de Doctorado en Ingeniería con Énfasis en Mecánica de Sólidos. Al fondo, mesa sísmica unidireccional que sirvió para realizar parte de los experimentos dentro de la investigación. Crédito: Oficina de Comunicaciones, Facultad de Ingeniería.

La implementación del sistema industrializado de construcción de viviendas (ISHC, por sus siglas en inglés) es, en la actualidad, un método utilizado altamente en esta región del continente. El sistema, caracterizado por el uso de muros de hormigón y estructuras delgadas, carece de un comportamiento adecuado ante posibles escenarios de movimientos sísmicos. 

Dada la alta concentración de riesgo sísmico presente en la región del Pacífico, especialmente en la ciudad de Cali, una investigación realizada por el estudiante de Doctorado en Ingeniería con Énfasis en Mecánica de Sólidos, Bryan Castillo Torres, con la participación de la investigadora Sharick Melissa Vides Quintero y la dirección de los profesores, investigadores de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática e integrantes del grupo de investigación Sísmica, Estructural, Eólica y Geotécnica (G-7) Johannio Marulanda, Albert R. Ortiz y Peter Thomson, busca evaluar este comportamiento y ofrecer una alternativa que mitigue los riesgos derivados de tales escenarios. Con esta investigación, cuyos resultados fueron publicados en la revista especializada Building Engineering, se espera estimular el desarrollo técnico y tecnológico de la industria local en el área de la construcción, impactando de manera directa la calidad de las construcciones de viviendas en el futuro inmediato de la región. 

Read the article in English here.

Los riesgos del sistema industrializado de construcción 

Aunque, a nivel macro, el sistema de construcción más utilizado sigue siendo el de la mampostería, en viviendas de interés social y prioritario se ha presentado un aumento considerable en la implementación del sistema industrializado en la industria de la construcción, debido a sus beneficios relacionados con menor costo de mano de obra y uso de materiales. Adoptado de edificaciones norteamericanas y chilenas, estas construcciones se caracterizan por fundiciones en sitio, formaletas metálicas reutilizables y muros delgados, de un grosor que va desde los 25 cm a 30 cm. Esta metodología, al ser industrializada, disminuye los tiempos de construcción, favoreciendo la construcción de más estructuras en un menor tiempo. 

Sin embargo, existe un vacío investigativo a nivel del comportamiento de tales estructuras, una vez son sometidas a movimientos sísmicos de considerable magnitud. Puesto que el grosor de los muros construidos en Cali es menor al internacional (alrededor de unos 10 cm), y dado el riesgo de sus habitantes ante un sismo, nació la necesidad de implementar modelos y estructuras de mitigación para los efectos que podría causar este escenario, de presentarse.  

“Accidentes relacionados con sismicidad han demostrado que se presentan afectaciones, incluso aquí en Cali con el sismo de Pizarro. Se han realizado estudios. Hay muchas investigaciones y un instituto dedicado de lleno a la investigación de este tipo de muros y su comportamiento sísmico”, cuenta el investigador Bryan Castillo, y aclara que, aunque no hay que demeritar las bondades de este sistema de construcción, la ubicación geográfica de la ciudad hace necesario un estudio que determine las posibles soluciones a la problemática, esta vez a través de un sistema de control en forma de aislador, cuyos componentes fueron obtenidos luego del trabajo en conjunto que ha venido realizando el grupo de investigación G-7, con  descubrimientos y adelantos que han hecho posible la creación de estos dispositivos de control a nivel local. 

El papel del dispositivo U-FREI en la investigación y el desarrollo de una industria local de sistemas de control sísmico para edificaciones

La investigación consideró la utilización de los dispositivos elastoméricos reforzados con fibra no conectados (U-FREI, por sus siglas en inglés), un tipo de aisladores sísmicos cuya fabricación es de bajo costo y permite una instalación más fácil con respecto de las estructuras, con el objetivo de que el daño generado a partir de los ejercicios de simulación sísmica desarrollados en laboratorio estuviera concentrado en ellos y no en las estructuras como tal.  

Al ser un dispositivo de fácil reemplazo, resulta en una importante alternativa a tener en cuenta, de cara al costo que puede implicar un escenario sísmico. “Es una pieza de fusible, lo que la hace mucho más económica de reemplazar si la comparamos con reemplazar o rehabilitar nuevamente una estructura, que muchas veces puede llegar hasta el colapso, perdiéndose todo el patrimonio”, explica el investigador Bryan Castillo Torres. Según el, su uso también estuvo pensado para impulsar la fabricación de este tipo de sistemas de aislamiento a nivel local en el futuro, pues actualmente dichos dispositivos son fabricados y evaluados mayoritariamente en países del extranjero como Estados Unidos y Chile. 

Estos dispositivos también representan un paso adelante en el propósito de buscar formas de aprovechamiento de otros materiales de tipo ecosostenible, pues comparados con versiones anteriores (el SREI y el FREI), ha supuesto el reemplazo de materiales como el plomo y el acero por elementos geotextiles, abriendo a su vez la puerta para la industria nacional. Estas decisiones fueron claves para la investigación, dado que de esta manera se eliminaron costos y tiempos de prueba. “Poder hacer eso acá es una de las ventajas y uno de los grandes aportes de la investigación. Ahorrarnos ese costo de traslado de materiales y evaluarlo a nivel local es fundamental para la implementación de estos dispositivos”, comenta el investigador. 

Para realizar el análisis y experimentación con dichos dispositivos fue necesario crear una subestructura que representara un sistema real de edificación de baja altura junto con el aislador. Con dicha subestructura, se procedió a hacer las mediciones, teniendo en cuenta cuatro eventos sísmicos de alto impacto a nivel internacional:  El Centro (EE. UU., 1940), Kobe (Japón, 1995), Loma Prieta (EE. UU., 1989) y Morgan (EE. UU., 1984). La escogencia de estos eventos se dio, a su vez, con el propósito de ampliar los criterios a evaluar. “No nos centramos un contenido frecuencial (potencia del sismo) específico, sino que contamos con un abanico de opciones, para poder evaluar la estructura en diferentes condiciones sísmicas. Eso permitió ampliar el rango de análisis”, dice el investigador Bryan Castillo. 

Posteriormente se trabajó con una metodología de simulación híbrida, que permitió al grupo investigador concentrarse en analizarlos mientras se examinaba el comportamiento estructural de la edificación. “Tomamos un elemento experimental, que en este caso eran los aisladores, y al mismo tiempo tomamos una estructura experimental (un muro a escala real). La metodología consistió en una retroalimentación en tiempo real de un modelo numérico”, explica el investigador Bryan Castillo. Según él, los datos fueron extraídos al modelo, luego fueron probados físicamente, para concluir con el reingreso de tales datos al sistema numérico.  

Esto permitió que los investigadores tuvieran información precisa acerca de lo que ocurriría en la estructura en caso de un evento sísmico, en comparación a las referencias antes mencionadas, presentadas a través de un modelo de histéresis en donde se evidenciaron datos relacionados con la rigidez del comportamiento del edificio, el grado de disipación, la degradación de la rigidez, entre otros valores. 

Tras comparar el sistema aislador desarrollado con base en los cuatro eventos sísmicos internacionales se demostró que dichos dispositivos redujeron el desplazamiento de la estructura de 67,30% en el caso del sismo de Centro, 74,30% en el de Kobe, 80,60% en el de Loma Prieta y 49,30% en el de Morgan. 

El carácter innovador del dispositivo

Para el investigador Bryan Castillo Torres el desarrollo de este modelo de análisis híbrido representa una apuesta innovadora a nivel investigativo, especialmente porque pudo ponerse a prueba a nivel local, gracias a los adelantos tecnológicos con que se cuenta actualmente: “Sin esa tecnología no hubiésemos podido ensayar estos sistemas. Tendríamos el elemento, el muro, pero no podríamos ensayarlos”. 

Además, considera que el sistema desarrollado es un gran avance en la protección de edificaciones construidas con base en el sistema industrializado de construcción de viviendas. “Con estos sistemas vamos a poder evitar daños mayores en las edificaciones, reducir costos de rehabilitación y poder concentrar el daño en estos elementos. Como los elementos son reemplazables, significa que estás cuidando tu patrimonio y estás generando un nivel de seguridad mayor para las personas que habitan estas estructuras”, dice, y añade que la aplicabilidad de estos sistemas recae en el desarrollo con que cuente el país en materia investigativa y de producción de estos elementos.

Si le interesa contactar al estudiante de doctorado o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.