La tierra tiembla millones de veces cada año. A menudo, estos terremotos se producen en lugares familiares, como los recientes terremotos mortales en Ecuador y Japón. En otras ocasiones, un terremoto puede golpear en un lugar menos familiarizado con los temblores, como el terremoto de magnitud 5.8 que sacudió Virginia en 2011 y dañó el Monumento a Washington.
Las estructuras históricas a menudo son vulnerables durante un terremoto. Varios sitios del Patrimonio Mundial en Nepal fueron destruidos o gravemente dañados en 2015 durante un terremoto de magnitud 7.8 y réplicas tan fuertes como la magnitud 7.3. Las prácticas de construcción más antiguas y el envejecimiento de los materiales de construcción hacen que la mayoría de las estructuras históricas sean menos capaces de soportar las vibraciones que ocurren durante un terremoto o por los fuertes vientos. Las técnicas modernas de construcción se pueden utilizar para actualizar estas estructuras para mitigar algunos de los daños potenciales, pero incluso entonces son más vulnerables que sus contrapartes modernas.
Ahora los ingenieros del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, dicen que pueden ayudar a las estructuras históricas a sobrevivir a estos eventos devastadores. Han desarrollado una forma de cambiar la forma en que los edificios responden al movimiento causado por los movimientos en la corteza terrestre. Y todo comenzó con un cohete.
La tecnología proviene del trabajo en el cohete Ares, un vehículo de lanzamiento diseñado para el programa Constellation que, antes de que se cancelara en 2010, se esperaba que reemplazara al Transbordador espacial para llevar astronautas al espacio. El cohete vibró tanto que habría herido a cualquiera a bordo, por lo que los ingenieros de la NASA tuvieron que encontrar una manera de hacer que el vehículo fuera seguro. Sin embargo, la forma habitual de controlar el temblor, agregando más peso, no era una opción porque el cohete habría sido demasiado pesado para salir de la atmósfera terrestre.
El equipo descubrió una forma de usar el combustible del cohete para resolver el problema. Y la misma solución puede funcionar para edificios vibrantes, incluidos los construidos hace cientos de años, dice Rob Berry, gerente de proyectos de la NASA en Marshall.
Las estructuras históricas pueden carecer de los tipos de conexiones, como el refuerzo de acero, que transforman las piezas individuales de un edificio en un sistema cohesivo más duradero. Sin embargo, los ingenieros pueden adaptar esos edificios con lazos externos que mantienen unido el edificio. "En [algunos] de estos edificios, verá placas en el exterior con un perno que los atraviesa y una tuerca grande y vieja en el extremo", dice Michael Kreger, director del Laboratorio de Estructuras a Gran Escala de la Universidad de Alabama. . "Por lo general, pintarán estas cosas de negro para que parezcan que han estado allí para siempre".
Otra opción es eliminar los acabados interiores, como paneles y molduras, y construir nuevas paredes reforzadas con acero alrededor de los originales. Esas paredes se cubren, por lo que no se pueden ver las modificaciones.
Sin embargo, estos esfuerzos son costosos y no elevan toda la estructura a los códigos de construcción actuales, dice Kreger. Y algunas estructuras históricas no tienen el espacio necesario para agregar muros u ocultar vigas de acero para la mitigación de terremotos.
Los nuevos edificios incorporan muchas de estas tecnologías durante la construcción. El método más común para disminuir el movimiento de un edificio ha sido un dispositivo llamado amortiguador de masa sintonizado (TMD). Un ejemplo de esto sería un objeto muy pesado, la masa, agregada a un edificio en la parte superior de los resortes establecidos a una frecuencia específica. Cuando ocurre un terremoto, o el viento sopla, la masa se pone en movimiento por el movimiento del edificio. Este peso adicional se mueve en la dirección opuesta y reduce el movimiento general del edificio. Sin embargo, dicho dispositivo no es perfecto. El edificio tiene que moverse antes de que el TMD funcione, y esos primeros segundos de un terremoto pueden ser increíblemente destructivos.
El equipo de Berry encontró una nueva forma de usar el edificio en sí o una pequeña cantidad de masa adicional para lograr una caída de movimiento más dramática. La mayoría de los TMD usan un objeto igual a aproximadamente 1 a 2 por ciento del peso del edificio para lograr una reducción en el movimiento de aproximadamente 50 por ciento. En un rascacielos, ese objeto puede pesar hasta 2 millones de libras. Para resolver el problema del cohete, los ingenieros de la NASA usaron el combustible del cohete para mitigar las vibraciones y lograron una reducción del 95 por ciento en el movimiento de su cohete de 650, 000 libras. Eso fue posible con un simple dispositivo con forma de globo llamado acoplador de estructura fluida, dice Berry.
“Piensa en un globo. Ponga aire dentro del globo, se hace más grande; saca el aire y se hace más pequeño ", dice. “Si pongo [el globo] en una piscina, el agua va a reaccionar. Cuando ese globo se contrae, el agua sigue la contracción del globo. Si se expande, el fluido se aleja de él ".
Debido a que el agua responde al movimiento del globo, es posible cambiar la frecuencia natural del líquido ajustando la presión dentro del globo. Con un edificio, un ingeniero puede usar ese concepto para ajustar cómo se moverá la estructura.
Primero, los ingenieros determinan la frecuencia natural del edificio para aprender cuándo comenzará a moverse. Luego configuran el acoplador (globo) a una frecuencia diferente. Al colocar el acoplador en un cuerpo de agua, como en una piscina, o al agregar tuberías llenas de agua unidas al techo, el agua altera la vibración natural del edificio. El líquido actúa como un ancla para un columpio: el columpio seguirá moviéndose, pero será mucho más difícil de empujar. El edificio, asimismo, se mueve menos durante un terremoto o fuertes vientos.
La NASA probó con éxito este concepto en una estructura histórica propia, la Instalación de prueba estructural dinámica en 2013. Pero Berry y su equipo reconocieron que no todos los diseños de edificios tendrían el espacio para agregar este tipo de sistema basado en fluidos. Entonces aplicaron lo que aprendieron para desarrollar un dispositivo mecánico que ocuparía menos espacio pero proporcionaría el mismo tipo de anclaje.
Ahora, el equipo ha creado una nueva versión de la tecnología, llamada masa sintonizada disruptiva (DTM), que utiliza un trozo de metal, en lugar de agua, para mitigar el movimiento de un edificio. Es mucho más pequeño que un TMD convencional y cuesta mucho menos producirlo, pero es igual de efectivo.
A principios de este mes, Kreger y sus colegas, que eran escépticos de las afirmaciones de la NASA, sometieron al dispositivo a su primera prueba en un terremoto simulado en el Centro de Infraestructura Sostenible de la Universidad de Alabama. Fue un éxito.
"La prueba mostró claramente que la masa sintonizada disruptiva superó el amortiguador de masa sintonizada, y mostró claramente que es útil para la mitigación de terremotos", dice Berry. Este nuevo enfoque, dice, "es otro gran ejemplo de dónde la tecnología derivada del programa espacial puede proporcionar nuevas capacidades a la industria".
Kreger está de acuerdo y espera asociarse con la NASA para probar y desarrollar futuros sistemas DTM.
Estas tecnologías son prototipos, pero la NASA está trabajando con compañías privadas para desarrollar productos comerciales que puedan usarse para la mitigación de terremotos en edificios públicos y privados, incluidas estructuras históricas.
Esta nueva tecnología podría incluso ayudar al Monumento a Washington a resistir las vibraciones de los terremotos y el viento, dice Berry. "Apuesto a que han analizado las diversas formas de mitigar", dice. “Pero si ese mismo terremoto sucedió allí con una masa sintonizada disruptiva instalada, la respuesta habría sido totalmente diferente. Podríamos haber silenciado la respuesta.
Él continúa: “Me encantaría que la gente del Monumento a Washington llame. Esta tecnología se desarrolló con dinero de los contribuyentes, por lo que les pertenece a ellos ”.
