¿De qué forma se pueden construir edificaciones resilientes a los desafíos sísmicos que presenta el país? El ingeniero civil estructural Mario Lafontaine, junto con otros destacados profesionales, analizaron el diseño sísmico de la edificación nacional. ¿El resultado? Se debe limitar el daño estructural y no estructural con rigidez lateral en el diseño, y con ductilidad como última alternativa.
Uno de los aspectos fundamentales que cualquier edificación en altura debe cumplir es que, al momento de enfrentarse a un movimiento sísmico, la obra pueda volver a ser utilizada. Vale decir, que sea capaz de soportar el terremoto sin presentar daños estructurales o no estructurales que signifiquen, por ejemplo, reparaciones o, en el peor de los casos, la demolición del edificio.
Precisamente, esa característica se ajusta a la definición de resiliencia que toma Mario Lafontaine, ingeniero civil estructural de la Universidad de Chile y quien es el director del área de Nuevas Tecnologías de René Lagos Engineers desde el año 2012. “Definimos resiliencia como ‘la capacidad que se tiene después para recuperarse de un evento adverso’ y con ‘recuperarse’, nos referimos a volver a una operación normal”, puntualizó.
En el caso del diseño símico, entonces, la búsqueda de edificaciones que respondan a esa definición de resiliencia está dada por los objetivos declarados en los “distintos códigos de diseño sísmico en el mundo, no sólo acá en Chile”, explicó el ingeniero, los que obedecen al tipo de sismo y, eventualmente, el no daño o daño que se pretende, tenga la estructura al momento de enfrentarlos.
Así, explicó el profesional, “para un sismo de servicio, un sismo leve, se busca evitar daño; para un sismo de una intensidad un poco mayor, al que se puede llamar sismo de diseño, se puede permitir algo de daño, pero éste debe ser reparable y para el sismo máximo, lo que se busca es que el edificio pueda quedar eventualmente muy dañado, pero se evita el colapso”.
Definiendo resiliencia para el análisis
¿Cómo conversa, entonces, la definición dada de resiliencia con el diseño sísmico? Mario Lanfontaine comentó que sólo en “los dos primeros objetivos de desempeño, que son evitar daño y tener daño reparable, conversan con lo de volver a la operación normal de manera rápida”.
No obstante, el objetivo de desempeño esperado para terremotos más severos “va en otra dirección”, aseguró el ingeniero civil estructural, que es proteger la vida de los ocupantes del edificio. “Por lo tanto, se podría decir que la filosofía del diseño sísmico tiene objetivos que son distintos: uno es la resiliencia y el otro, la protección a la vida. No sólo son distintos, sino que ambos necesitan ser satisfechos simultáneamente y, al ser distintos, las estrategias para lograrlos serán distintas”, dijo.
Así, bajo estos objetivos, y tomando en cuenta el sismo máximo, el experto comentó que la estrategia histórica del diseño sísmico para evitar el colapso de la edificación es la ductilidad.
“¿Qué significa tener ductilidad? Significa tener la capacidad de deformación más allá del límite de resistencia y del límite de fluencia. Es decir, que tengamos comportamientos que sean capaces de sostener grandes deformaciones elásticas y que no pierdan abruptamente la resistencia. Eso se puede lograr, usualmente, con detallamiento sísmico”, subrayó Lafontaine.
La importancia de la ductilidad en el diseño de la edificación chilena
Si bien la ductilidad es una característica esencial que debiesen tener las estructuras en ciudades resilientes, a juicio del profesional, la ductilidad, al menos en el caso chileno, “no solamente ha funcionado, sino que tenemos cada vez menos escenarios donde el colapso es total y algo más similar a edificaciones que presentan niveles mínimos, casi inexistentes, de daño”.
Esto, sin embargo, no quiere decir que el sólo hecho que las estructuras tengan un comportamiento dúctil sirva para que las edificaciones no colapsen. “Ejemplo de esto fueron los edificios que tuvieron que ser evacuados porque, ya sea tuvieron daño en algunos elementos no estructurales, a pesar de que no colapsaron y, por ende, cumplieron con el objetivo de desempeño establecido en la norma. O aquellos que, pese a que su estructura estaba impecable, se evacuaron por presentar daños en elementos no estructurales, como tabiques”.
En ese sentido, el ingeniero civil estructural citó lo acontecido en Christchurch, Nueva Zelanda, cuando en el año 2011, un terremoto grado 6,3 afectó a gran parte de las edificaciones y muchas tuvieron que ser demolidas.
“Si bien en Nueva Zelanda hay muchos buenos ingenieros estructurales y han hecho escuela -el diseño por capacidad viene de allá- y muchas de las buenas prácticas que hoy día seguimos vienen de allá, ellos estructuran sus edificios, o gran parte de estos, en base a pórticos, marcos rígidos, y estos son pórticos que tienen muchísima ductilidad, pueden sostener una gran cantidad de deformación lateral. Sin embargo, el daño que presentaron fue tan severo que, pese a ser un daño controlado, gran parte de sus edificios tuvieron que demolerse”, subrayó.
El hecho de reconstruir una ciudad afectada por un sismo de intensidad mayor no se condice con la definición de resiliencia dada por Lafontaine. “Si ahora vemos que la población mundial aumenta en 200 mil habitantes cada día, países como Chile no se pueden dar el lujo de estar reconstruyendo completamente sus ciudades después de cada evento sísmico”, aseveró.
Por ello, el profesional recalcó que, si bien la ductilidad es necesaria, “no es suficiente para tener ciudades resilientes. Se debe controlar el daño estructural y no estructural para tener ciudades con esa característica y sin duda, la ductilidad es un elemento que se debe tener en consideración, pero ojalá no ocuparlo. Es decir, es análogo a un seguro, que se utiliza sólo en caso de catástrofe”, explicó.
¿Qué es el daño?
Si tener una ciudad o estructuras resilientes significa limitar el daño, en este caso, lo que corresponde es definir qué es daño. “Aquí, podemos hablar de daño estructural, daño no estructura y daño en el contenido”, dijo Lafontaine.
Respecto al daño estructural, el ingeniero civil explicó que éste puede relacionarse con la deriva global “en una estructura tipo muro, asumiendo que no existen fallas frágiles como, por ejemplo, fallas de corte. Con deriva global, me refiero al desplazamiento que impone el movimiento al edificio dividido por la altura de éste, ese es un buen indicador de daño estructural”, manifestó.
Asimismo, agregó que “si un edificio tiene una deriva global del orden de un dos por mil, de un tres por mil, es muy probable que no tenga daños. Si esto llega a un 1%, sabemos que sí o sí, el edificio entre en el rango de la fluencia y que lo más probable, es que pueda haber daño asociado a eso”. Cuando se analizan estructuras tipo pórtico, este daño se correlaciona a la deriva de entrepiso con la deriva global y, explicó el ingeniero, ocurre lo mismo cuando se presenta daño en elementos no estructurales tipo tabique.
De esta forma, se pueden correlacionar variables con el tipo de daño. “La gran mayoría, en el daño estructural y no estructural, es la deformación y en el daño en el contenido, nos referimos a la aceleración. Con esto, se debe analizar si tenemos una estrategia de diseño que minimice ambas variables”.
Una de las estrategias que mencionó Mario Lafontaine es el uso de sistemas de protección sísmica y puntualizó que, si bien Chile va en esa dirección, “estamos lejos para poder utilizarlo en el 100% de nuestras estructuras”. En ese sentido, el profesional explicó que se debe tomar una decisión: si minimizar el desplazamiento o la aceleración.
Parámetros que inciden en el daño de las edificaciones
El hecho de aumentar o disminuir las variables mencionadas repercutirá en la construcción de estructuras resilientes. “Si hacemos estructuras más rígidas se disminuirán los desplazamientos, pero aumentarán las aceleraciones. Por el contrario, hacer estructuras más flexibles disminuirá las aceleraciones, pero aumentará los desplazamientos. Entonces, tenemos que decidir a priori por cuál de los dos caminos vamos”, explicó el profesional.
En ese sentido, Lafontaine comentó que “los daños asociados a las aceleraciones, vale decir, al daño por contenido, se pueden tratar con diseño sísmico apropiado y, por lo tanto, si se quiere minimizar todo el resto del daño que no se puede tratar de esa forma, lo que se debe hacer es buscar la disminución del desplazamiento lateral”.
Este desplazamiento lateral dependerá de varios factores, entre los que se encuentran el periodo del edificio y su altura. “En un cierto valor, la relación con el periodo del edificio hace que desplazamiento permanezca constante. Eso se puede reescribir dividiéndolo por la altura del edificio, lo que dará como resultado una curva que se puede correlacionar con el daño estructural, generando así un parámetro que se llama coeficiente o factor de rigidez, denominado como H/T”.
Con este parámetro, el ingeniero explicó que “cuando tenemos edificios más rígidos, el daño será menor, lo cual es bastante lógico ya que, a mayor rigidez, se espera menor desplazamiento y, como ya mencioné, el daño se correlaciona con ese factor”.
Además de gráficos y ecuaciones, esto se puede demostrar gracias a un estudio desarrollado por el Doctor Mario Rodríguez, de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), que estableció un Índice de daño (Id) en un modelo 3D, en el que el Id se ubica en la vertical mientras que los ejes, están la rigidez lateral H/T y el periodo, logrando así graficar cuánto es el valor del Índice de daño para distintas variables de periodo y rigidez.
“En el gráfico, se puede observar que siempre existe una zona que está asociada a rigideces laterales bajas donde el Índice de daño crece. Entonces, si en este gráfico tomamos un punto cualquiera para nuestro diseño, se debe analiza qué estrategia de diseño sísmico hacemos: rigidizar al edificio o flexibilizarlo, viendo las consecuencias que se podrían tener con cada una de ellas”, explicó el experto.
“Por ejemplo -comentó Lafontaine- el ingeniero puede decidir hacer el edificio más flexible y a bjar las oscilaciones y la fuerza de diseño y, por lo mismo, se cree que el comportamiento será mejor al hacerlo de esta forma. Lo que pasará es que, dependiendo del punto de partida donde se ubique en el esquema y en qué periodo se encuentre este mayor Índice de daño, que dependerá del contenido de la frecuencia del terremoto, se puede hacer que un edificio que no tenía problemas ingrese de lleno a la zona que maximiza el Id. Esto, porque se aumenta el periodo, manteniendo la altura y, por ello, se irá en esa dirección”.
En caso contrario, al hacer el edificio más rígido, “independiente de cuál sea el punto de partida, siempre se tenderá a alejarse de la zona donde se maximiza el Índice de daño”, dijo el ingeniero.
Diseño de la edificación chilena
El trabajo realizado por el Doctor Rodríguez, aclaró Lafontaine, abarca muchos registros y “siempre la maximización del Índice de daño está para valores de H/T bajos”. Por lo mismo, si se define que un valor de H/T alto ayudará a controlar el daño, “hay que ver dónde se juega ese índice de rigidez y la respuesta a eso es en el sistema estructural”.
En ese sentido, el ingeniero civil estructural manifestó que “se pueden hacer pequeñas variaciones una vez que se definió el sistema estructural, si se aumenta el espesor de los muros o de las columnas o de las vigas, se puede variar el algo el valor de H/T, pero la gran mayoría de las veces, esa variación será marginal respecto a la que se tendría para distintos sistemas estructurales”.
En el caso de los edificios en Chile, en que la mayoría de los proyectos están basados en diseño de muro, los valores de H/T están por sobre 20, e incluso, 40. “¿Qué significan esos valores? Bueno, nacen de la práctica chilena de que cada muro divisorio entre dos departamentos tiene que ser de hormigón y no de tabique. Eso aporta a la gran rigidez para obtener valores de H/T altos”, explicó Lafontaine.
Eso se puede apreciar en edificios habitacionales de 30 pisos, en los que se tiene una “gran necesidad de muros en ambas direcciones”, dijo. Asimismo, también es posible apreciarlo en edificios de 40 pisos cuya configuración es bastante similar: con alta densidad de muro, “pero en este caso, los espesores de los muros son un poco mayores”.
“En los edificios de oficina, en general, no se pueden tener estas grandes densidades de muro en ambas direcciones porque las plantas necesitan ser libres, por la flexibilidad arquitectónica que necesita cada arrendatario de dichas plantas. Entonces, acá se hace algo más parecido a lo que se ejecuta en Estados Unidos, donde los muros se concentran en torno a las circulaciones verticales y eso trae la consecuencia de que, para mantener un poco los valores de H/T y cumplir la normativa chilena, los espesores de muro tienen que crecer a valores de entre 40 a 70 centímetros”, explicó.
¿Cómo se construye una ciudad resiliente?
Para demostrar la resiliencia de la edificación chilena, a raíz de la práctica de diseñar con mayor densidad de muro, el National Institute of Standards and Technology (NIST) junto al National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP), entidades de Estados Unidos, elaboraron un documento en el que analizaron el diseño de un edificio promedio chileno, con una configuración con alta densidad de muros, y lo rediseñaron de acuerdo a la práctica estadounidense.
“Lo que hicieron fue, básicamente, sacar muros, hacerlos más contundentes y simplificar un poco la forma de estos muros T, que son del diseño chileno, a muros rectangular”, dijo Lafontaine. Finalmente, en el documento se estudiaron ambos diseños con la misma demanda sísmica -en este caso, el terremoto del año 2010- y el resultado de ese análisis fue hubo diferencias entre ambos edificios tanto en desplazamientos totales y laterales entrepiso, “los que correlacionan muy bien con daño estructural y daño no estructural”, puntualizó.
“En el gráfico, se puede ver que la configuración chilena tiene, efectivamente, menos desplazamiento, tanto de entrepiso como totales. Es decir, el edificio chileno es más rígido que el estadounidense aún manteniendo el mismo sistema estructural basado en muro”, sentenció el experto.
A juicio del ingeniero, esto explica el comportamiento de los edificios chilenos frente a eventos sísmicos de alta intensidad, como el terremoto de 2010. “Por ejemplo, entre 1985 y 2010 se ingresaron, aproximadamente, casi 10 mil permisos de edificación en zona de terremotos para edificación de más de 3 pisos y casi 2 mil para edificios de más de 9 pisos, de los cuales 5 colapsaron y aproximadamente, 40 tuvieron que ser demolidos. Esto representa entre un 1% y 2% de la correlación total de edificios”, comentó.
Pese a esta cifra, el actual director de Nuevas Tecnología en René Lagos Engineers aseguró que hubo casos “de fallas que no son resilientes, principalmente daño en el borde del muro, que muchas veces penetra hacia el alma. Estos daños nos enseñaron que a estas estructuras rígidas es necesario darles ductilidad. Por lo mismo, se cambió el código después de eso. Lo primero, fue retomar lo que se sacó en la NCh 433 del 96, que eliminaba el capítulo del ACI que requería elemento de borde”.
“Es decir -agregó- se volvió a colocar el requerimiento de borde si es que el acortamiento en compresión del hormigón es mayor de un 3 por 1.000. Es decir, le da mayor ductilidad a nuestros muros, pero a su vez, y conociendo que esto no es suficiente por sí solo, se agregó la cláusula del Decreto 60 que limita el acortamiento en el borde del muro a un 8 por 1.000 a todo evento. Ahí, básicamente, lo que se hace es controlar el daño, es decir, buscar la resiliencia”, destacó.
