Aislamiento sísmico: Del aislamiento lineal a la amortiguación integrada

Introducción

Para la ingeniería estructural en zonas sísmicamente activas, la protección de edificaciones e infraestructuras contra las fuerzas devastadoras de los terremotos representa un desafío constante. Si bien las metodologías tradicionales se centraban en fortalecer las estructuras para resistir estas cargas, el concepto de aislamiento sísmico ha revolucionado el enfoque. Esta técnica, no tan innovadora, busca desacoplar la superestructura del movimiento del suelo, interponiendo elementos flexibles que filtran y reducen significativamente la transmisión de la energía sísmica. 

Y decía no tan innovadora porque las construcciones antiguas, sobre todo en la antigua Mesopotamia, se conoce que los templos eran construidos, con una cúpula en su tope y otra de la misma característica en su base, la cual asimilaba todo el movimiento sísmico oscilatorio horizontal de una eventual catástrofe. Sin embargo, el hombre en su empeño de llegar al cielo, cada día construye edificios que son un riesgo si no se toman las previsiones debidas para evitar derrumbes de los mismos causados por terremotos de gran escala. 

Dentro de este panorama, en la actualidad los apoyo o amortiguadores de caucho natural emergen como componentes clave, ofreciendo soluciones versátiles para mitigar los riesgos sísmicos. Entre ellos, el amortiguador de Caucho Natural Lineal (LNR) y el amortiguador de Caucho con Núcleo de Plomo (LRB) representan dos estrategias distintas pero complementarias para alcanzar la resiliencia estructural. 

Caucho Natural Lineal (LNR): Aislamiento con flexibilidad

El apoyo o amortiguador de Caucho Natural Lineal (LNR), ejemplificado por modelos como el LNR 700-II, es uno de los dispositivos que se está utilizando con más frecuencia a la hora de construir edificios, y este se basa en la notable capacidad del caucho natural laminado con la inserción de placas de acero para proporcionar flexibilidad horizontal y rigidez vertical simultáneamente (Skinner et al., 1993).

Por su construcción multicapa el dispositivo permite soportar el peso considerable de la superestructura gracias a la rigidez vertical de las placas de acero, mientras que la baja rigidez horizontal del caucho facilita grandes deformaciones laterales durante un evento sísmico.

Es decir, mientras el peso del edificio por gravedad tiende a presionar hacia abajo el dispositivo asimila la presión, mientras que el movimiento lateral oscilatorio o de lado y lado u horizontal, como quiera llamarle, amortigua y equilibra las tensiones. Entonces, esta flexibilidad es fundamental para alargar el período natural de vibración de la estructura, alejándolo en su movimiento del rango de frecuencias que predominan en los terremotos y reduciendo de esta forma las aceleraciones transmitidas a la edificación. 

El caucho natural utilizado es exclusivamente seleccionado por su elasticidad, durabilidad y la estabilidad de sus propiedades mecánicas. Las placas de acero, por su lado, garantizan que este dispositivo pueda tener una distribución uniforme de las cargas para prevenir el abultamiento del caucho. Es importante aquí también hablar del proceso de vulcanización que crea un vínculo resistente entre estos materiales. 

Si bien la capacidad de carga máxima del LNR 700-II específica requiere datos del fabricante, los apoyos LNR en general pueden soportar cargas que van desde unas pocas toneladas hasta varios miles, dependiendo de su diseño.

Un aspecto a destacar del LNR es su bajo amortiguamiento inherente, típicamente entre el 2% y el 5% del amortiguamiento crítico. Esto significa que, aunque es eficaz para el aislamiento, requiere la incorporación de dispositivos de amortiguamiento adicionales (como amortiguadores viscosos o histeréticos) para controlar los desplazamientos laterales excesivos que podrían ocurrir durante terremotos severos.

El comportamiento relativamente lineal del caucho natural dentro de los rangos de deformación sísmica facilita el análisis del sistema, y su capacidad de recentrado ayuda a la estructura a volver a su posición original después del evento.

Caucho con núcleo de plomo (LRB): Integrando aislamiento y amortiguación

En contraste, el apoyo de Caucho con Núcleo de Plomo (LRB) introduce una estrategia diferente al integrar la función de amortiguamiento directamente en el apoyo. Su diseño también se basa en capas de caucho natural vulcanizadas a placas de acero, pero se distingue por la presencia de un núcleo de plomo cilíndrico insertado verticalmente a través del centro del apoyo.

Durante un movimiento sísmico, la deformación lateral del apoyo LRB provoca la deformación plástica del núcleo de plomo. Este proceso de deformación plástica disipa una cantidad significativa de energía sísmica a través del amortiguamiento histerético, lo que resulta en un amortiguamiento efectivo mucho mayor en comparación con el LNR (típicamente entre el 10% y el 30% del amortiguamiento crítico o incluso superior).

Esta capacidad de amortiguamiento integrada a menudo permite controlar los desplazamientos de la estructura de manera efectiva sin la necesidad de amortiguadores externos adicionales, simplificando el diseño y potencialmente reduciendo los costos.

Sin embargo, la inclusión del núcleo de plomo introduce un comportamiento no lineal en el LRB debido a la plasticidad del plomo. El núcleo tiene una fuerza de fluencia relativamente baja, lo que significa que comienza a disipar energía incluso con movimientos sísmicos moderados. Al igual que el LNR, el LRB también proporciona aislamiento al alargar el período natural de la estructura y ofrece una capacidad de carga vertical significativa, determinada por sus dimensiones y construcción.

Implementación y beneficios económicos: Una perspectiva global

La implementación de sistemas de aislamiento sísmico con amortiguadores de caucho natural, tanto LNR como LRB, ha crecido significativamente en regiones sísmicamente activas alrededor del mundo. Países como Japón, Estados Unidos, Nueva Zelanda, Italia y Chile han adoptado estas tecnologías en una amplia gama de estructuras, desde edificios residenciales hasta hospitales, puentes y centros de datos críticos (Buckle et al., 2002).

Si bien las cifras exactas de implementación del modelo específico LNR 700-II son difíciles de obtener sin datos propietarios, la tecnología LNR en general ha sido ampliamente utilizada, a menudo en combinación con amortiguadores externos. Por otro lado, el LRB ha ganado popularidad por su capacidad de integrar aislamiento y amortiguamiento en un solo dispositivo, lo que puede ser ventajoso en términos de diseño y espacio.

El siguiente video muestra una animacion del funcionamiento de un sistema de protección sísmica. Fuente: Grupo Mageba.

Desde el punto de vista de quien formula y diseña el proyecto, la inversión en este tipo de suplementos repercute favorablemente en la economía del mismo en el pronóstico de escenarios a largo plazo. Los beneficios del aislamiento sísmico son cada vez más evidentes y tangibles. Estos dispositivos integrados a su construcción sufren significativamente menos daños estructurales durante los terremotos, lo cual se traduce en menores costos de reparación y reconstrucción (EERI, 1995), y los estudios realizados en distintas pruebas así lo han confirmado. 

También es importante destacar que la protección del contenido valioso en edificios como hospitales y museos también representa un ahorro económico sustancial. Por otro lado, la capacidad de mantener la seguridad operativa en edificios afectados después de un sismo tiene un valor incalculable. Probablemente el constructor pensará que la inversión inicial en aislamiento sísmico puede ser mayor a lo presupuestado del proyecto, pero, los ahorros a largo plazo en términos de reducción de daños, protección del contenido y continuidad operativa superan con creces estos costos. 

La elección estratégica: LNR versus LRB

La decisión de utilizar amortiguadores LNR o LRB en un proyecto de aislamiento sísmico depende de una serie de factores específicos:

• Requisitos de Amortiguamiento: Si se requiere un alto nivel de amortiguamiento para controlar los desplazamientos en un sitio con alta sismicidad, el LRB puede ser una solución más compacta y eficiente al integrar esta función. Si el amortiguamiento requerido es menor o se puede proporcionar fácilmente con dispositivos externos, el LNR puede ser una opción viable.
• Limitaciones de espacio: En proyectos donde el espacio para la instalación de amortiguadores adicionales es limitado, el LRB ofrece una ventaja al consolidar las funciones de aislamiento y amortiguamiento.
• Consideraciones de costo: El costo inicial de los apoyos LNR puede ser menor, pero el costo total del sistema puede aumentar con la adición de amortiguadores. Los LRB pueden ser más costosos individualmente, pero podrían resultar más económicos al eliminar la necesidad de dispositivos de amortiguamiento separados.
• Comportamiento estructural deseado: La linealidad del LNR puede ser preferible en ciertos análisis estructurales, mientras que la no linealidad del LRB debe modelarse adecuadamente.

Característica	LNR (Linear Natural Rubber Bearing)	LRB (Lead Rubber Bearing)
Amortiguamiento	Bajo amortiguamiento inherente (2-5%). Generalmente requiere amortiguadores adicionales.	Alto amortiguamiento efectivo (10-30% o más) gracias al núcleo de plomo. Puede no requerir amortiguadores adicionales.
Mecanismo de amortiguamiento	Principalmente a través de dispositivos externos.	Deformación plástica del núcleo de plomo (amortiguamiento histerético).
Comportamiento	Más lineal.	No lineal debido a la plasticidad del plomo.
Complejidad del Sistema	Puede ser más complejo debido a la necesidad de amortiguadores separados.	Puede ser más simple al integrar aislamiento y amortiguamiento en un solo dispositivo.
Costo Inicial	Los apoyos LNR pueden ser menos costosos, pero el costo total del sistema puede aumentar con los amortiguadores adicionales.	Los apoyos LRB pueden ser más costosos individualmente.
Aplicaciones Típicas	Estructuras donde se requiere un aislamiento significativo y se pueden acomodar amortiguadores adicionales.	Estructuras donde se busca una solución compacta con aislamiento y amortiguamiento integrados, o donde el espacio para amortiguadores es limitado.

Conclusiones

Tanto el apoyo o amortiguador de Caucho Natural Lineal (LNR), ejemplificado por el LNR 700-II, como el de Caucho con Núcleo de Plomo (LRB) representan avances significativos en la ingeniería de aislamiento sísmico. El LNR ofrece una solución robusta para el aislamiento, requiriendo a menudo la complementación con amortiguadores externos, mientras que el LRB integra eficazmente el aislamiento y la amortiguación en un solo dispositivo.

La elección entre ambos dependerá de las necesidades específicas de cada proyecto, considerando las características sísmicas del sitio, los requisitos de amortiguamiento, las limitaciones de espacio y las consideraciones económicas. A medida que la comprensión de los riesgos sísmicos evoluciona, la implementación y la innovación en tecnologías de aislamiento como los amortiguadores de caucho natural seguirán siendo fundamentales para construir estructuras más seguras, resilientes y económicamente sostenibles en un mundo propenso a los terremotos.

Referencias

1. Buckle, I. G., Mayes, R. L., & Kelly, J. M. (2002). Seismic isolation: History, application, and outlook. Earthquake Spectra, 18(1), 3-26.
2. Earthquake Engineering Research Institute (EERI). (1995). Northridge Earthquake of January 17, 1994: Reconnaissance Report. EERI Publication No. 95-03.
3. Naeim, F., & Kelly, J. M. (1999). Design of seismic isolated structures. John Wiley & Sons.Skinner, R. I., Robinson, W. H., & McVerry, G. H. (1993). An introduction to seismic isolation. John Wiley & Sons.