Diseñan un dispositivo para el aislamiento sísmico de edificios

Con el objetivo de mitigar o reducir los posibles daños producidos por los terremotos, los resultados de la investigación en la aplicación de métodos de aislamiento sísmico llevada a cabo por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), revertirán en conseguir una mayor protección de edificios, infraestructuras y equipos sensibles sometidos a cargas dinámicas de tipo sísmico.

Un equipo de investigación de la UPC ha diseñado un dispositivo que sirve para reducir los efectos negativos de los movimientos sobre un objeto soportado. El sistema tiene aplicación a gran escala en la reducción de los movimientos inducidos por terremotos u otras fuentes de vibraciones en edificios o puentes y, a pequeña escala, en la protección de equipos sensibles a los movimientos, como aparatos de medida, máquinas e instrumentos de precisión, como los que se encuentran en laboratorios, centros de investigación o quirófanos, así como piezas de museo, antigüedades u otros objetos valiosos alojados en edificios.

La nueva aplicación, objeto de solicitud de una patente, es un aislador sísmico avanzado llamado Roll-n-cage (RNC) isolator, desarrollado a partir de la tesis doctoral del estudiante Mohammed Ismail titulada An innovative isolation device for aseismic design y realizada en el seno del Grupo de Control, Dinámica y Aplicaciones (CoDAlab), con la dirección del profesor José Rodellar, en el Departamento de Matemática Aplicada III de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona (ETSECCPB) y de la Escuela Industrial de Barcelona (EUETIB).

El Roll-n-cage (RNC)

El Roll-n-cage (RNC) es un dispositivo anti vibraciones que puede proteger en gran medida tanto las construcciones de edificación e ingeniería civil como aquellos objetos valiosos o de precisión que podrían estar sometidos a impactos o movimientos sísmicos.

El dispositivo se coloca en una posición entre el objeto y el terreno o cualquier otra superficie de apoyo para producir un desacoplamiento horizontal entre ambos. Idealmente se trata de que se mueva el terreno, pero que no lo haga el objeto soportado, manteniendo una completa conexión vertical para prevenir caídas por gravedad.

El aislador RNC, construido con materiales habituales como el acero y el caucho, está basado en tecnologías y principios simples, pero implementados de forma innovadora para proporcionar algunas características esenciales no encontradas en otros dispositivos de aislamiento aplicados hasta ahora en la práctica profesional. La mayoría de los aisladores sísmicos disponibles en la actualidad siguen teniendo limitaciones prácticas que impiden que funcionen según lo previsto e imponen restricciones a su uso efectivo y el nivel de protección proporcionada.. En este sentido, el RNC puede probar un rendimiento superior a otros dispositivos existentes bajo condiciones de funcionamiento ligeras, normales o severas.

El dispositivo, que incorpora aislamiento, disipación de energía, amortiguación y capacidad de fuerza recuperadora en una sola unidad, está basado en la idea de reducir o mitigar la demanda sísmica en lugar de aumentar la capacidad resistente de las estructuras. Proporciona un aislamiento multidireccional mediante la disipación de energía y la limitación de la elevación y de los desplazamientos horizontales máximos. El dispositivo mejora el aislamiento de vibraciones que, hasta ahora, se había conseguido mediante un conjunto de apoyos elastoméricos, de neopreno de alto amortiguamiento, de soportes reforzados con núcleo de plomo y sistemas pendulares friccionales.

Simulación numérica para llegar a un diseño asísmico

Como paso previo a la elaboración de prototipos experimentales, el proceso de diseño y validación se ha desarrollado mediante software y simulación numérica. En primer lugar, se ha requerido la caracterización de las propiedades mecánicas del aislador RNC, que ha sido realizada por medio de un código computacional que simula la respuesta de los dispositivos como si estuvieran sujetos a una máquina de pruebas reales. A través de este esquema, se consigue analizar numéricamente el comportamiento del aislador RNC bajo el efecto simultáneo de cargas horizontales y verticales, como se da típicamente en situaciones prácticas.

Para evaluar la viabilidad del aislador RNC y para comprobar su capacidad para proteger los sistemas estructurales y no estructurales de los riesgos sísmicos, el dispositivo se ha implementado numéricamente en una variedad de estructuras con masas ligeras y grandes, además de equipos sensibles alojados en los pisos superiores de estas estructuras. Con el fin de obtener información y extraer conclusiones de carácter relativamente general sobre el funcionamiento del aislador RNC, se ha estudiado una amplia gama de terremotos, las características y propiedades de los aisladores existentes, así como un gran número de estructuras localizadas entre las más habituales.

Los resultados numéricos han revelado que el aislador Roll-on-Cage (RNC) puede reducir la respuesta sísmica ante un amplio rango de movimientos sísmicos, al tiempo que exhibe un rendimiento robusto para una gran variedad de estructuras.

Para construir prototipos experimentales y confirmar su potencial como un nuevo sistema de aislamiento sísmico práctico, efectivo y económico, capaz de resolver los principales inconvenientes de los actuales sistemas manteniendo sus principales ventajas, el equipo cuenta actualmente con una ayuda del Programa ACC1Ó de la Generalitat de Catalunya para desarrollar un proyecto de valorización y acercamiento de esta nueva tecnología al mercado.