Cómo diseñar edificios que resistan terremotos

Nuestro planeta está cubierto por placas tectónicas que se mueven lentamente, empujando o deslizándose entre sí a lo largo de límites llamados fallas. La fricción a veces hace que dos de estas placas se peguen entre sí en puntos a lo largo de una falla. La tensión se acumula durante años, décadas o incluso siglos hasta que, de repente, la falla se rompe. Los dos lados se tambalean uno al lado del otro, desatando un terremoto.

Desde el lugar donde se rompe la falla, las ondas sísmicas se expanden en todas direcciones. Cuando alcanzan la superficie de la Tierra, pueden hacer temblar edificios o cualquier otra estructura, de manera violenta y destructiva si el terremoto es fuerte y lo suficientemente cerca, como lo fueron los dos temblores masivos que sacudieron Turquía y Siria el 6 de febrero, al que siguió una gran réplica. En el mismo día.

Estos terremotos mataron a más de 45.000 personas, muchas de ellas en edificios derrumbados. Aunque los terremotos no se pueden prevenir ni predecir, la ciencia tiene algunas formas de proteger los edificios y las personas que se encuentran dentro de ellos. Científico americano habló con varios expertos en ingeniería sísmica para obtener más información sobre cómo el uso de los métodos de construcción correctos puede evitar que las casas, oficinas y otras estructuras sucumban a los movimientos caprichosos de la Tierra.

¿Qué le sucede a un edificio durante un terremoto?

Imagina que estás conduciendo un automóvil por la carretera y de repente necesitas detenerte. A medida que pisa los frenos, los comestibles que se encuentran en el asiento del pasajero (y cualquier otra cosa que no esté amarrada) volarán por el aire en la misma dirección y a la misma velocidad que el automóvil originalmente. Esto se debe a la inercia: la tendencia de un objeto a permanecer en reposo oa mantener una velocidad y trayectoria uniformes hasta que alguna otra fuerza actúa sobre él. Esa misma tendencia es lo que pone en riesgo a un edificio durante un terremoto.

Durante un terremoto, el suelo debajo de un edificio se mueve rápidamente de un lado a otro. Pero debido a que el edificio tiene masa, tiene inercia. “El terremoto está sacudiendo el suelo y el edificio está tratando de mantenerse en su lugar”, dice Ertugrul Taciroglu, ingeniero estructural de la Universidad de California en Los Ángeles. Pero una vez que comienza a moverse, el edificio quiere seguir avanzando en cualquier dirección que lo haya empujado el terremoto; esencialmente, siempre está rezagado con respecto al movimiento del suelo. Estos retrasos generan fuerzas de inercia horizontales en el edificio, lo que hace que las columnas y paredes verticales se deformen en ángulo (creando una forma de paralelogramo si uno estuviera mirando una vista lateral de un edificio rectangular). Cuando un edificio tiene varios pisos, cada piso soporta el peso de los que están encima. Eso significa que los pisos inferiores tienen que soportar fuerzas de inercia más grandes que los de arriba. Si las paredes y las columnas no están diseñadas o reforzadas correctamente, es posible que no puedan soportar el peso que alguna vez sostuvieron.

Cuanto más grande es un terremoto y más cerca está de la superficie, y cuanto más cerca está un edificio de la ruptura de la falla, mayores serán las fuerzas de inercia en ese edificio durante un terremoto. El tipo de suelo sobre el que se asienta un edificio también puede desempeñar un papel: en comparación con la roca dura, los suelos más sueltos magnifican los movimientos del suelo.

¿Cómo construimos edificios para que no se derrumben durante un terremoto?

Para mantener un edificio intacto cuando ocurre un terremoto, debe construirse para resistir las fuerzas de inercia horizontales. Exactamente cómo se puede hacer eso depende del material de construcción que se utilice. Centrémonos en dos de los más habituales: el hormigón y el acero. Gran parte del material de construcción en el área afectada de Turquía utilizó estos materiales.

En circunstancias normales, el hormigón es un gran material para soportar el peso de un edificio porque se comporta bien bajo lo que los ingenieros llaman compresión. Un edificio de hormigón puede durar fácilmente décadas si solo tiene que soportar su propio peso. Sin embargo, las fuerzas de inercia generadas por el sismo que hacen que las paredes verticales y las columnas se balanceen ponen el concreto en tensión, lo opuesto a la compresión. Aunque las fuerzas están tratando de estirar el concreto, “no cede. No permite que la forma del edificio se mueva, sino que trata de agarrarse muy fuerte y genera estas grandes fuerzas de inercia”, dice Perry Adebar, ingeniero estructural de la Universidad de Columbia Británica. Las columnas y paredes de concreto estresado pueden eventualmente agrietarse y fallar porque ya no pueden soportar el peso sobre ellas.

El hormigón sigue siendo uno de los materiales de construcción más utilizados en el mundo, en parte porque es barato y abundante y porque tiene la capacidad de soportar el peso estructural. Para hacer que el concreto sea más adecuado para áreas sísmicamente activas, los ingenieros agregan acero (en forma de barras de refuerzo), que es mucho más flexible. “Tienes que poner acero donde sea que haya tensión”, dice Adebar.

El acero se comporta elásticamente cuando se somete a una cierta cantidad de tensión. Piense en tirar suavemente de la parte inferior de una percha de alambre y ver cómo recupera su forma cuando la suelta. Pero cuando se somete a grandes cantidades de tensión, como en un terremoto muy fuerte, el acero “se vuelve plástico y se deforma”, explica Adebar. Piense en tirar lo suficientemente fuerte en la parte inferior de la percha para que se doble y se deforme. En el caso de un edificio durante un terremoto, "eso es exactamente lo que quieres", dice Adebar, porque el acero deformado ha absorbido efectivamente esas fuerzas de inercia pero todavía puede soportar el peso.

¿No significa eso que el edificio está dañado?

En un gran terremoto, sí. Los edificios de concreto reforzado con acero aún pueden sufrir daños considerables, posiblemente hasta el punto de que queden inutilizables después del terremoto. Esto tiene que ver con la forma en que los gobiernos establecen los códigos de construcción, que les dicen a los ingenieros cómo diseñar un edificio para resistir un cierto nivel de sacudidas sísmicas. Los códigos, incluidos los de EE. UU. y Turquía, generalmente requieren que un edificio logre lo que se denomina "seguridad de la vida" bajo un terremoto máximo esperado dado en un área. “Nuestros códigos sísmicos son solo un requisito mínimo”, dice Sissy Nikolaou, ingeniera investigadora de terremotos en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. “Solo quieres que estos edificios al menos te den la oportunidad de salir con vida cuando ocurra el grande, bajo el supuesto de que pueden sufrir daños graves”. La situación es similar a la de un automóvil que se derrumba en un choque: el vehículo absorbe el impacto para proteger a los pasajeros, pero está totalizado.

Por supuesto, existen diferentes estándares para edificios u otras infraestructuras que se consideran críticas y que deben seguir funcionando después de un terremoto, por ejemplo, hospitales. Expertos como Nikolaou también están comenzando a repensar el estándar de seguridad de vida para que se puedan utilizar más estructuras después de un terremoto. Si lo hace, podría evitar situaciones en las que las personas se mantengan fuera de sus hogares durante meses o años. Mucha gente en Turquía se enfrenta ahora a esta posibilidad, con decenas de miles de edificios que se consideran en riesgo de derrumbarse por los daños sufridos por los terremotos del 6 de febrero.

Hay formas de mantener los edificios habitables después de un terremoto. Algunos métodos implican diseños más inteligentes con materiales comunes como el hormigón armado con acero. También puede requerir enfoques más tecnológicos, como el "aislamiento de la base". Con esta técnica, un edificio no se une rígidamente a sus cimientos. En cambio, se asienta sobre estructuras flexibles que lo desacoplan de los cimientos y, por lo tanto, de los temblores del suelo. Sin embargo, este tipo de sistema aumenta los costos de construcción y algunos propietarios de edificios no podrían o no estarían dispuestos a pagar por él. En los EE. UU., se ha utilizado para proteger estructuras cruciales como hospitales y para modernizar edificios históricos conservando su arquitectura original. Algunos hospitales en Turquía tenían sistemas de aislamiento básico y resistieron los recientes terremotos allí.

¿Por qué podría fallar un edificio incluso si está construido según los códigos de terremotos?

Los edificios están diseñados para soportar un cierto nivel de sacudidas, en función de los riesgos sísmicos en su ubicación. Un edificio en Los Ángeles, por ejemplo, se construiría para soportar un terremoto mayor que uno en la ciudad de Nueva York. Pero los sismólogos no siempre saben exactamente qué tan grande es el terremoto que puede producir una falla. “La mayor dificultad en el diseño de ingeniería es la incertidumbre sobre los futuros terremotos, porque no sabemos qué sucederá con precisión”, dice Taciroglu. Cuanto mayor es la magnitud, más raro es el terremoto. Algunos de los más grandes pueden ocurrir solo cada pocos cientos o miles de años, pero las mediciones sísmicas modernas solo se remontan a unas pocas décadas. Muchos sismólogos pensaron que la falla de Anatolia Oriental, la que estuvo involucrada en los terremotos de Turquía y Siria, probablemente produciría una magnitud máxima de 7,4 o 7,5. Pero el terremoto del 6 de febrero fue de 7,8, unas cuatro veces más grande en la escala logarítmica de las magnitudes de los terremotos. Por lo tanto, es posible que algunas estructuras construidas según el código en Turquía simplemente hayan experimentado más fuerza de la que fueron construidas para resistir, dice Taciroglu.

Los códigos de construcción también evolucionan a medida que la ciencia comprende el riesgo de terremotos y cambia la ingeniería, por lo que un edificio que se construyó de acuerdo con el código en el momento en que se construyó podría no cumplir con los estándares actualizados. La modernización de dichos edificios suele tener un costo prohibitivo. Taciroglu dice que esta es probablemente la razón por la que muchos de los edificios en Turquía sufrieron graves daños o se derrumbaron.

El error humano también puede entrar en juego. Puede variar desde cortes de esquinas intencionales y con fines de lucro hasta errores honestos que pueden ocurrir en varios puntos del proceso de diseño o construcción, y que no se revelan a menos que ocurra algo como un terremoto masivo.