El uso de sistemas de protección sísmica ha sido una alternativa efectiva y eficiente en países altamente sísmicos para proteger la infraestructura. Contrario a lo que comúnmente se cree, los sistemas de protección sísmica son dispositivos económicos que permiten lograr ahorros significativos en la construcción de edificaciones, al tiempo que mejoran de manera notable su desempeño ante acciones sísmicas.

Durante el sismo de Puebla, México del 19 de septiembre de 2017, se observó que el movimiento sísmico generó grandes daños en la zona de lago de la Ciudad de México, en donde los depósitos lacustres son muy blandos y compresibles, con altos contenidos de agua que favorecen la amplificación de las ondas sísmicas. De los edificios identificados por el gobierno de la Ciudad de México como dañados, la gran mayoría se encuentran dentro de esta zona.

En la figura 1 se muestra la ubicación de los edificios dañados (círculos rojos) durante el pasado sismo del 19 de septiembre de 2017, en la Ciudad de México. En la figura también se muestra la zonificación geotécnica de acuerdo con las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Cimentaciones (NTCDCC, 2017). Se puede observar que la mayoría de los edificios dañados se encuentran en las zonas IIIa y IIIb.

_{Figura 1. Edificios dañados en el sismo del 19/09/2017, adaptado de CICM, 2020)}

 

En la nueva versión de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTCDS, 2020) se aumentaron los coeficientes símicos para el diseño de algunas edificaciones, por ello, algunos proyectos nuevos a construir requieren una mayor cantidad de materiales para lograr cumplir con las recomendaciones reglamentarias. Aunado a esto, las nuevas solicitudes arquitectónicas requieren soluciones estructurales cada vez más audaces, y difíciles de resolver. A fin de no alterar la geometría, el funcionamiento y de no tener la necesidad de incrementar la cantidad de materiales en las edificaciones, es recomendable recurrir a alternativas innovadoras que incluyen elementos estructurales que disipan energía.

 

Dispositivos de protección sísmica

En las últimas décadas, se han desarrollado e implementado múltiples dispositivos que ayudan a mejorar el desempeño de las estructuras ante fuerzas externas y a reducir los costos en su construcción. En la Figura 2 se muestran los diferentes dispositivos de protección sísmica de acuerdo con la forma en que trabajan: sistemas de disipación pasiva, sistemas de disipación semiactiva/activa y aislamiento de base (Christopoulos, 2006).

 

_{Figura 2. Clasificación de dispositivos de protección sísmica, (adaptado de Christopoulos, 2006)}

 

Se han realizado varios estudios acerca de las ventajas que se tienen al usar dispositivos de protección sísmica tanto para construcciones nuevas como para rehabilitaciones estructurales. Se pueden observar beneficios económicos tanto en los costos iniciales de construcción, al requerir elementos estructurales de menor tamaño, como en los costos de reparación después de un sismo de gran magnitud. Así mismo, el comportamiento sísmico mejora con el uso de estos dispositivos comparándolo contra otros sistemas estructurales como lo son: contraventeos excéntricos, marcos de acero o contraventeos convencionales. Dichas ventajas se pueden apreciar también para edificios de gran altura. Incluso, estos dispositivos se pueden combinar con elementos prefabricados para aprovechar las ventajas de ambos sistemas.

 

Disipador Dampo BRB

Dentro de los amortiguadores histeréticos, los contraventeos restringidos al pandeo (CRP) son de los más usados actualmente. Esto debido principalmente a su bajo costo, a que han sido ampliamente estudiados y a que su diseño e instalación es muy similar a aquella de los contraventeos convencionales.

En México se ha comenzado a desarrollar este tipo de dispositivos, mostrando comportamientos histeréticos estables y una resistencia similar tanto en tensión como en compresión, tal como se muestra en la figura 3.

_{Figura 3. Curva esfuerzo-deformación para el CRP estudiado. (Dampo Systems, 2022)}

 

En algunos casos se pueden emplear estos dispositivos de forma externa, mientras que, en la mayoría de los casos, su ubicación es al interior de la estructura, tal como se muestra en la figura 4.

_{Figura 4. Uso de disipadores tipo Dampo BRB.}

 

CASOS DE ÉXITO

Hoy en día se han diseñado edificios de acero usando disipadores de energía el primero de ellos es el edificio ubicado en la calle Sinaloa 95, figura. 5 que cuenta con una forma regular y que originalmente se concibió como un sistema mixto de marcos de acero con contraventeos convencionales. Al realizar una evaluación de factibilidad, se encontró que el uso de sistemas de protección sísmica mejoraba su desempeño estructural y presentaba ahorros en el costo de la superestructura, así como menores descargas a cimentación, lo cual se vería reflejado en una obra menos invasiva y más económica.

 

_{Figura 5. Edificio Sinaloa 95.}

 

La segunda estructura mostrada es el proyecto ubicado en calle Ámsterdam 219, figura 6, que cuenta con una forma muy irregular y que originalmente se concibió como un sistema mixto de marcos con muros de concreto. Al realizar una revisión se encontró que la estructura cumplía con los requisitos de las normas, pero económicamente la estructura presentaba costos de construcción elevados. Debido a ello, se propuso una alternativa con un sistema de protección sísmica que consta tanto de disipadores tipo BRB, como de disipadores viscosos. Dicha solución, innovadora, mostró un desempeño estructural mejorado, con un costo más bajo, en comparación con la estructura original.

_{Figura 6. Edificio Ámsterdam 219.}

 

CONCLUSIONES

• Las propuestas que consideran el uso de sistemas de protección sísmica (innovadoras) presentaron desplazamientos laterales y distorsiones máximas de entrepiso menores a las de la estructura convencional (original), con reducciones hasta del 66%.
• Para las estructuras equipadas con sistemas de protección sísmica, la curva de capacidad mostró que la estructura incrementa tanto su resistencia lateral como su capacidad de deformación, con un incremento de resistencia de hasta el 114% y 109% para la capacidad de deformación.
• En las estructuras innovadoras, los estados finales de análisis mostraron que la estructura principal no presentó articulaciones plásticas en sus elementos estructurales, lo que no se esperaría en las estructuras convencionales diseñadas con forme a reglamento.
• Al superponer las demandas de desplazamientos promedio en las curvas de capacidad de la estructura innovadora, se observó que la estructura es capaz de acomodarlas sin ningún problema.
• Al comparar las descargas a cimentación tanto de las estructuras originales como las innovadoras, se observa que, con el uso de sistemas de protección sísmica, las descargas en compresión se reducen hasta un 50%, mientras que en tensión las descargas se reducen en un 65%.
• Al comparar los costos entre las diferentes estructuras (original e innovadora) se observaron ahorros de hasta el 8.3% en estructuras que cuentan con sistemas de protección sísmica. Esto ya incluye el costo de los dispositivos. Es importante mencionar que dicho porcentaje no incluye el costo de la cimentación ni de las conexiones de los elementos, por lo que se puede incrementar aún más el ahorro al evaluar el proyecto con una ingeniería de detalle.

Por lo anterior, se recomienda ampliamente evaluar el uso de sistemas de protección sísmica en edificaciones que estarán sometidas a movimientos sísmicos, ya que como se observó, sus ventajas tanto económicas como de desempeño estructural hacen a estas tecnologías un gran candidato a usarse en diversas edificaciones.

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