En un simulador de terremotos único al aire libre, los ingenieros sometieron recientemente a prueba el edificio con estructura de acero más alto jamás probado de esta manera. La estructura de diez pisos, de aproximadamente 30 metros de altura, se balanceó, se retorció y se sacudió mientras potentes actuadores hidráulicos replicaban las fuerzas devastadoras de algunos de los terremotos más infames, incluido el terremoto de Loma Prieta de magnitud 6,9 que azotó California en 1989. El objetivo principal de este ambicioso proyecto era determinar científicamente si las limitaciones de altura existentes para los edificios construidos con acero conformado en frío podrían aumentarse significativamente, abriendo la puerta a una nueva era en la construcción.

Esta serie de pruebas tuvo lugar en una plataforma sísmica, más conocida como "mesa vibratoria", en la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), una instalación financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de EE. UU. Es uno de los tres simuladores de terremotos más grandes del mundo y el único que se encuentra al aire libre. Esta característica es de crucial importancia para las pruebas que superan los límites, como esta, ya que permite probar estructuras de más de 27 metros de altura, una hazaña que no se puede realizar en ningún otro lugar del mundo. Hace solo dos años, en la misma plataforma se probó un edificio de madera maciza de 35 metros, en ese momento el edificio más alto jamás sometido a una simulación sísmica.

Enfoque en el material del futuro: Acero conformado en frío

La investigación de este año se centra en un edificio cuya estructura portante está hecha de acero conformado en frío (CFS). Este material se destaca por ser ligero, sostenible y, lo que es sumamente importante, incombustible. Su componente medioambiental también es significativo, dado que se produce con entre un 60 y un 70 por ciento de metal reciclado. A pesar de estas ventajas, los códigos de construcción actuales en muchas regiones, incluidas las zonas sísmicamente activas, limitan la altura de las estructuras de CFS a 20 metros, es decir, seis pisos. Los investigadores plantearon una pregunta clave: ¿se puede elevar este límite de forma segura a 10 pisos, o 30 metros? Los resultados de las pruebas hasta ahora sugieren firmemente una respuesta afirmativa.

“El edificio se comportó extraordinariamente bien”, declaró Tara Hutchinson, directora del proyecto y profesora del Departamento de Ingeniería Estructural de la UC San Diego. “A pesar de una serie de 18 simulaciones de terremotos de intensidad creciente, incluidos tres terremotos extremadamente fuertes que estuvieron al nivel o incluso por encima de lo que los diseñadores deben tener en cuenta en sus diseños, el sistema estructural portante mantuvo su integridad.”

Aunque se esperaban ciertos daños en los elementos no estructurales del edificio, los aspectos clave de seguridad se mantuvieron funcionales. Las escaleras, que son de vital importancia para la evacuación segura de los ocupantes y están diseñadas para moverse junto con el edificio, permanecieron completamente transitables y utilizables incluso después de los terremotos más fuertes. “Dentro de este edificio instalamos casi mil sensores para medir su respuesta en términos de aceleración, desplazamiento y tensiones locales. Tenemos un conjunto de datos excepcional para analizar que finalmente nos ayudará a mejorar los códigos de construcción y a respaldar el deseo de las comunidades de diseño de utilizar este excelente material en la construcción de edificios más altos, más ligeros y más resilientes”, añadió Hutchinson.

Una de las ventajas clave del acero conformado en frío es su baja masa, lo que permite el ensamblaje de unidades modulares en condiciones de fábrica. Estas unidades se unen luego en el sitio de construcción para formar un edificio completo, recordando el ensamblaje de ladrillos de Lego gigantes. Esta técnica acorta drásticamente el tiempo de construcción en comparación con la construcción tradicional del esqueleto de un edificio desde cero en el propio lugar.

La maravilla tecnológica tras bambalinas: El simulador de terremotos mejorado

Estas pruebas también destacaron la importancia de la reciente mejora de 17 millones de dólares de la plataforma sísmica, también financiada por la NSF. El proyecto, finalizado en abril de 2022, le dio al simulador la capacidad de moverse en seis grados de libertad (6-DOF). Antes de la mejora, la plataforma solo podía moverse en una dirección, este-oeste. Ahora también puede moverse hacia arriba y hacia abajo (vertical), de norte a sur (lateral) y realizar movimientos de rotación conocidos como cabeceo (pitch), balanceo (roll) y guiñada (yaw).

Las grabaciones de terremotos reales muestran que el suelo no solo se sacude en una dirección. Se mueve hacia adelante y hacia atrás, hacia arriba y hacia abajo, de un lado a otro e incluso oscila. "Aquí podemos simular lo que llamamos condiciones de terremoto casi reales", explicó Joel Conte, uno de los investigadores principales del simulador y profesor de la UC San Diego. Durante una de las pruebas, los investigadores observaron una cantidad significativa de movimiento de torsión en los movimientos del edificio, algo que no se habría podido observar mientras la plataforma se movía solo de forma unidimensional. "Los movimientos que vimos hoy demostraron por qué la mejora de la plataforma era fundamental para la ciencia que estamos haciendo aquí", añadió Ben Schafer, codirector del proyecto CFS10 y profesor de ingeniería en la Universidad Johns Hopkins.

¿Qué sigue? Pruebas de resistencia al fuego después de un terremoto

Sin embargo, la serie de pruebas aún no ha terminado. Además de una inspección detallada del estado físico del edificio después de las pruebas sísmicas, el equipo de investigación se está preparando para la fase final: una prueba de fuego en vivo, que se llevará a cabo durante julio de 2025. Estas pruebas, dirigidas por el profesor Richard Emberley de Cal Poly-San Luis Obispo, tienen como objetivo comprender la propagación de la temperatura, el humo y las partículas a través de las partes del edificio previamente dañadas por el terremoto. Este es un escenario realista conocido como "incendio después de un terremoto" (fire-following earthquake), que puede ser provocado por fugas de gas u otras sustancias peligrosas que sirven como fuente de ignición.

"El acero conformado en frío es un material incombustible, a diferencia de la madera y algunos otros materiales de construcción, lo cual es una característica beneficiosa importante si los incendios son motivo de preocupación", enfatizó Hutchinson. Comprender cómo se comporta una estructura dañada en condiciones de incendio es crucial para desarrollar estándares de seguridad integrales.

Amplio apoyo para el futuro de la construcción

El proyecto CFS10 no habría sido posible sin un amplio apoyo de los círculos académicos, gubernamentales e industriales. Además de la financiación clave de la NSF, las pruebas también fueron patrocinadas por el Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbano de los EE. UU., la Comisión de Seguridad Sísmica de California, la Oficina de Servicios de Emergencia del Gobernador de California y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

También brindaron un apoyo significativo numerosas organizaciones de la industria, como el Instituto Americano del Hierro y el Acero, la Asociación de la Industria de Estructuras de Acero y el Instituto Americano de Construcción en Acero. Muchas empresas hicieron contribuciones significativas a los esfuerzos de diseño y construcción, incluidas ClarkDietrich, Clark Construction, Standard Drywall Inc., Mid-Rise Modular, Bapko Metal, Grabber Fastening y otras. Esta fuerte colaboración demuestra un interés compartido en innovaciones que permitirán la construcción de comunidades más seguras y resilientes en el futuro.

Fuente: Universidad de California