El rápido crecimiento de la población en ciudades ubicadas en zonas sísmicas propició que se incrementara en las mismas la construcción de edificios de baja y mediana altura. Muchos de estos edificios, supuestamente preparados para resistir los efectos de los temblores, han sido dañados o destruidos por sismos ocurridos en las últimas décadas.

En la mayor parte de los edificios fijos en su base, la reducción de las fuerzas cortantes sísmicas se ha apoyado en la disipación histerética de energía, disipación basada en la ductilidad de los miembros de la estructura y en la formación en éstos de articulaciones plásticas. Sin embargo, cuando se presentan tales condiciones, la estructura sufre en muchos casos daños apreciables, por lo regular más severos si en la misma se ha utilizado concreto. Además, se presenta otra importante consecuencia: los usualmente grandes desplazamientos horizontales relativos entre pisos consecutivos dañan también a los elementos no estructurales y pueden provocar pánico entre los moradores de los edificios.

Una alternativa para reducir los efectos de los temblores es el empleo de sistemas de control estructural. Entre los conocidos como sistemas de aislamiento de base, los que se emplean con más frecuencia son aquellos que utilizan como aisladores dispositivos compuestos por capas de hule o de neopreno.

El sistema GT-BIS de aislamiento sísmico

El autor de este artículo ideó hace tiempo un sistema de aislamiento que, complementado y perfeccionado en los últimos años, se ha denominado GT-BIS. Se compone de varios elementos, que en las figuras 1 y 2 se muestran en una de las varias formas en que se pueden aplicar en un edificio, a saber: a) aisladores basados en la acción pendular; b) dispositivos especiales de amortiguamiento hidráulico diseñados de manera de poder regular a voluntad la fuerza de oposición al desplazamiento relativo y, en caso necesario, evitar el giro relativo de la estructura aislada; c) elementos mecánicos que pueden utilizarse cuando en los aisladores se emplean cables, con los que se puede regular la longitud libre de dichos cables en los casos en que haya necesidad de anular los efectos de los asentamientos relativos de la cimentación; d) un perno restrictor de desplazamientos, que se utilizaría solamente en los casos en que se esperase un alto desplazamiento relativo de los aisladores ocasionado por las fuerzas de viento (este perno libera automáticamente la estructura al iniciarse un sismo).

Las pruebas realizadas en la mesa vibratoria

El Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Illinois efectuó un estudio del sistema GT-BIS en la mesa vibratoria de los laboratorios de Investigación de Construcción e Ingeniería de las Fuerzas Armadas de Estados Unidos (USACERL). El estudio consistió en el desarrollo de pruebas del modelo de un edificio de nueve pisos, modelo que, construido a una escala de 1:8 (figura 3), fue sujeto al efecto de varios sismos. Previamente, y dotado con aisladores de hule laminado, había sido estudiado en los laboratorios de la Universidad de California en Berkeley.

El modelo estudiado en Illinois se probó tanto estando fijo a la base, como provisto del sistema de aislamiento GT-BIS. Se desarrollaron pruebas de vibración libre, de excitación por ruido blando y por los efectos de cuatro acelerogramas: el Centro, el Parkfield, el Taff y el México 1985 SCT. Se utilizaron para las pruebas tres longitudes libres de los cables de los aisladores, de manera de obtener tres periodos fundamentales de oscilación.

Se instalaron amortiguadores de diseño especial que permiten variar a voluntad el amortiguamiento deseado y que evitan además un giro que pudiera incrementar desfavorablemente los desplazamientos lineales en los extremos de la estructura; esto último es conveniente cuando no se tiene mucho espacio entre los elementos unidos a la superestructura y los fijos al suelo.

La conclusiones del estudio fueron sumamente favorables para el sistema probado. Entre los resultados más importantes están: a) su completa estabilidad; b) su ventajosa utilización para edificios de mediana altura, aun cuando estén ubicados en suelos sumamente suaves: c) la gran reducción de los efectos críticos de un sismo, reducción que puede llegar hasta 96 por ciento (figura 4); d) su apreciable ventaja sobre el sistema de aisladores de hule laminado y, de primordial interés, e) la minimización de los desplazamientos relativos entre pisos consecutivos, con lo que prácticamente se podría esperar la anulación de daños, aun durante sismos intensos.

Los resultados en la nave de prensa del periódico Reforma

La empresa editora CICSA decidió emplear el sistema GT-BIS para reducir los efectos sísmicos en la nave de impresión de su periódico Reforma, y también para aprovechar la ventaja de que con él se pudieran eliminar los efectos de los probables asentamientos diferenciales en la cimentación. Este último objetivo se estimaba necesario para cumplir con las especificaciones de los fabricantes de sus rotativas, las que limitan el desnivel entre las bases de dichos equipos a 0.003".

La edificación está ubicada en la llamada Zona de Transición del área del Lago, en México, D.F. La nave de impresión tiene aproximadamente en planta 45 x 9 m y una altura de 15 m (figura 5). Se obtuvo un periodo natural de oscilación cercano a los seis segundos, muy superior al dominante del suelo. Se instalaron ocho amortiguadores especiales (figura 6) para proporcionar el amortiguamiento calculado como óptimo.

Por los resultados de las pruebas físicas desarrolladas se espera eliminar al menos 90 por ciento de los efectos que en una instalación convencional podría producir un temblor, lo que ya se ha comprobado al registrarse algunos sismos de intensidad moderada.

Para lograr los requerimientos de nivelación se implantó un sistema de monitoreo de niveles cuyos módulos se colocaron en la losa suspendida frente a cada una de las 12 columnas. Con ese equipo especial, diseñado por el autor, se detectan desniveles relativos menores de 0.001". Cuando las lecturas indican la necesidad de una corrección, los asentamientos de la cimentación se compensan rápidamente aplicando tuercas hidráulicas sobre los extremos superiores de los tirantes y efectuando enseguida el ajuste correspondiente de sus tuercas mecánicas (figura 7).

La aplicación en edificios de baja y mediana altura

Estudio comparativo de los desplazamientos relativos en dos estructuras integradas por marcos rígidos

Se diseñaron las estructuras de dos edificios, una de acero y la otra de concreto. Estos edificios son similares al prototipo del modelo probado en Champaign, Illinois, con excepción de su planta, la que se cambió de tal manera que ambos edificios tuvieron las mismas características en las dos direcciones ortogonales (figura 8). Se supuso su ubicación en la llamada Zona del Lago de la ciudad de México, en la que el 19 de septiembre de 1985 fueron destruidos, o seriamente dañados, numerosos edificios de mediana altura. Se estudió su comportamiento bajo la acción de la componente E-W del sismo antes citado, de acuerdo con el acelerograma registrado en la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (México 85, SCT), el mismo que fue utilizado en las pruebas del modelo en mesa vibratoria mencionadas anteriormente.

El diseño de las estructuras se desarrolló suponiéndolas con su base fija en el suelo, soportando las cargas verticales correspondientes al prototipo del mencionado modelo, y siguiendo las normas vigentes en la ciudad de México para la zona correspondiente a su supuesta ubicación (zona III). Se adoptó un factor reductivo Q=4, empleándose el análisis estático. Se eligió este último procedimiento dado el propósito principal del estudio: la evaluación de los desplazamientos entre pisos consecutivos de la estructura cuando se utiliza el sistema de aislamiento de base propuesto, sujetándolo a la acción del temblor México 85, SCT. Se empleó el programa STAAD - III para el análisis y diseño de las estructuras, así como para la evaluación de los desplazamientos relativos. Las características de los miembros de las dos estructuras se muestran en el cuadro 1.

En cambio, para la determinación de los desplazamientos relativos en las estructuras dotadas con el aislamiento de base se aplicaron las fuerzas sísmicas correspondientes a las aceleraciones máximas resultantes de las pruebas desarrolladas en Champaign, Illinois, para una longitud libre de los cables de los aisladores de 66 cm (26-1/8"), y bajo la excitación del temblor mencionado anteriormente. Estas aceleraciones se muestran en la figura 6 para los niveles 1, 4, 7 y 10; al ser muy parecidos sus valores, se determinaron los de los niveles restantes por interpolación (figura 8). Como las relaciones de escala entre el modelo y su prototipo eran de 1/8 para las longitudes y 1/1 para las aceleraciones, las arriba mencionadas son las que se registrarían en las estructuras reales aisladas para una longitud equivalente de los cables de los aisladores de 5.30 m (8 x 26-1/8). De esta manera se obtendría un periodo fundamental igual al registrado para el modelo multiplicado por la relación escalar (1.6xV 8), igual a 4.53 segundos. Este periodo sobrepasa apreciablemente al dominante del suelo, aproximadamente 2 segundos. Se consideró en el sistema de aislamiento una fracción del amortiguamiento crítico de 0.06, que fue la que se aplicó en el sistema de aislamiento del modelo.

En el cuadro 2 se muestran los desplazamientos relativos con respecto a la base de la superestructura. En la figura 9 se muestra la relación desplazamiento lateral relativo/altura de entrepiso. Los desplazamientos totales correspondientes a las estructuras fijas al suelo son considerablemente superiores a los que resultan cuando se emplea el sistema de aislamiento. También lo son los de entrepiso, los que sobrepasan grandemente a los permitidos por las normas vigentes. Como se mencionó anteriormente, estos desplazamientos fueron calculados mediante un análisis estático, empleado por no ser su determinación el propósito principal de este estudio; podrían ser aún mayores los que resultaran de un análisis dinámico inelástico paso a paso que se basara en el acelerograma de la componente E-W del sismo México 85, SCT.

En cambio, los desplazamientos entre pisos consecutivos calculados para las estructuras aisladas se derivan de las pruebas físicas desarrolladas en la mesa vibratoria; son muy reducidos, con un promedio de 6.6 mm en la estructura de acero y de 2.4 mm en la de concreto. El desplazamiento máximo relativo entre el suelo y la base de los edificios (nivel 1) sería de 28 cm, el que tendría lugar en el sistema de aislamiento de base.

Conclusiones

1. El estudio demuestra que el sistema de aislamiento de base GT-BIS es muy eficiente para la reducción de las fuerzas sísmicas y los desplazamientos relativos, tanto en la estructura de acero como en la de concreto.

2. Ambas estructuras estarían siempre dentro del rango lineal de respuestas y, dado lo reducido de los desplazamientos de entrepiso, no se justifica un análisis de segundo orden.

3. Dada la pequeña excentricidad que las fuerzas sísmicas causan en la base de los edificios, su cimentacíon podría ser diseñada para soportar solamente los efectos de las cargas verticales.

4. Los desplazamientos de entrepiso son muy pequeños en ambos edificios; los correspondientes a la estructura de concreto son aproximadamente un tercio de los de acero. Son tan reducidos (2.4 mm en promedio) que sus efectos podrían ser prácticamente ignorados.

5. Las normas de construcción vigentes para la zona III (Zona del Lago) de la ciudad de México no prohíben el uso de estructuras de concreto para edificios de más de seis pisos. Sin embargo, su empleo ha sido reducido durante la última década. Como se demuestra en este estudio, el empleo de concreto en estructuras de mediana altura, de más de seis pisos, podría ser aceptable y ventajoso.

6. En los casos de suelos altamente compresivos, como es el de la zona a que se refiere este estudio, se producen frecuentemente altos asentamientos diferenciales en la cimentación de los edificios con estructuración convencional.

Por lo regular, estos asentamientos son corregidos mediante procedimientos complicados y costosos; sin embargo, las usualmente muy rígidas trabes de los niveles inferiores pueden haber sido permanentemente dañadas por los efectos de esos asentamientos. Estos daños pueden incrementar el riesgo de colapso de un edificio bajo los efectos de posteriores temblores. En el caso del empleo del sistema de aislamiento propuesto, los asentamientos diferenciales pueden ser limitados a fracciones de milímetro mediante un ajuste periódico de la longitud de los cables o tirantes de los aisladores.

7. Aunque un edificio con estructura de concreto esté localizado en una zona de alto riesgo sísmico, debido a lo reducido de los efectos de un temblor podría considerarse como localizado en una zona sísmica moderada cuando, por ejemplo, se sigue lo especificado en el capítulo 21 del Código ACI 318-89. De esta manera, solamente podría ser necesario cumplir con la sección 21.9.

8. Además de ser capaz de prevenir daños a los miembros estructurales de concreto, GT-BIS los evita también en los elementos no estructurales, tales como tabiques divisorios, fachadas, ventanales, cielos falsos, instalaciones, etcétera. Así, también se evitarían los gastos correspondientes y el tiempo necesario para la reparación de estos elementos.

Un análisis preliminar comparativo de costos mostró que para la ciudad de México, considerando exclusivamente las superestructuras, el costo de la de concreto es aproximadamente 50 por ciento menor que el de la de acero. Lógicamente, esta estimación puede variar para otros casos y otras localizaciones.