•Notícia

Un terratrèmol no és res més que l’alliberament sobtat de l’energia acumulada a l’escorça de la Terra, provocat pel moviment d’una falla. Aquest sotrac produeix ones que es propaguen en totes direccions. Segons un estudi del Centre d’Investigació sobre l’Epidemiologia dels Desastres (CRED, en les seves sigles en anglès), els terratrèmols van provocar l’última dècada el 60 % de les morts causades per desastres naturals, percentatge que representa 780.000 víctimes.

Les conseqüències poden ser catastròfiques, com ha quedat demostrat després del terratrèmol que ha arrasat Haití i que ja figura entre els més destructius de la història pel que fa a nombre de víctimes, més de 220.000. Aquest sisme, de magnitud 7,0, ha destruït 97.294 cases i ha provocat danys en 188.383 més a l'àrea de Port-au-Prince i del sud del país.

A partir de les dades analitzades en les últimes dècades, els investigadors coincideixen a afirmar que els desastres naturals —els terratrèmols suposen el 9 %— no han augmentat, ni quant a freqüència ni quant a energia. El que ha augmentat significativament és la vulnerabilitat social i territorial.

 

“Les dades estadístiques mostren que, al llarg dels anys, el risc, entès com a pèrdues esperades, en qualsevol zona sísmica del món, ha augmentat i tot fa pensar que seguirà augmentant. En primer lloc, per la densitat de població i, en segon lloc, perquè en moltes àrees urbanes hi ha un segon o tercer cinturó de zones industrials amb instal•lacions cada vegada més sofisticades que també es deterioren durant un terratrèmol. Cal no oblidar que hi ha una superposició gairebé perfecta entre les zones sísmiques i algunes de les zones més poblades del món, per exemple a Àsia”, explica Àlex Barbat, director del Grup de Gestió de Riscos del Departament de Resistència de Materials i Estructures a l’Enginyeria de la UPC. 

Atès que la predicció dels terratrèmols encara és una assignatura pendent i que “els edificis són les construccions on es concentra la majoria del risc en cas de sisme en una àrea urbana, la majoria de les pèrdues, tant de vides humanes com econòmiques, culturals i socials, estan causades per un comportament sísmic deficient dels edificis”, puntualitza Barbat. La conclusió immediata que se’n pot extreure és que és necessari dissenyar estructures que resisteixin l’efecte dels terratrèmols.

Les vibracions produïdes per sismes forts provoquen greus danys en elementsestructurals. Generalment, les estructures es defensen mitjançant la capacitat de resistència, la deformabilitat i la capacitat de dissipar l’energia. Com a alternativa al disseny convencional, en què el que es busca és que les bigues es deformin, pateixin algun dany, o, fins i tot, es trenquin, per evitar que l’edifici es col·lapsi, ha sorgit amb força una nova filosofia de disseny anomenada control d’estructures.

En enginyeria civil, aquesta és una àrea de coneixement que considera les estructures com a sistemes dinàmics, és a dir, sistemes sotmesos a accions externes que experimenten un comportament al llarg de la seva vida útil en resposta a aquestes accions, habitualment una excitació no desitjada que provoca un moviment en l’estructura que convindria reduir de la millor manera possible. “En el cas concret dels terratrèmols, l’acció externa és el moviment del terreny i el sistema dinàmic o estructura sol ser un edifici”, explica José Rodellar, director del Grup de Control, Dinàmica i Aplicacions del Departament de Matemàtica Aplicada III de la UPC.

“En el fons —diu— es tracta de veure l’estructura com un sistema que ‘està viu’ i que estarà sotmès a excitacions, i el que interessa és que tingui algun mecanisme addicional connectat a l’estructura que serveixi per millorar-ne el comportament i la resistència en cas de sisme”.

La primera alternativa és utilitzar sistemes de control passiu (aïllament de base i dissipadors d’energia), és a dir, incorporar dispositius a l’estructura amb l’objectiu d’absorbir una part de l’energia del terratrèmol. Actualment, la tecnologia més madura i també més utilitzada és l’aïllament de base, que consisteix a posar suports especials que permeten desacoblar el moviment de la base de l’estructura del moviment del terreny. Això s’aconsegueix mitjançant la instal·lació d’un dispositiu flexible que deixa que la base es mogui i que, mitjançant la fricció, facilita que es dissipi una part de l’energia que entraria directament a l’estructura. Un altre sistema és sostenir l’estructura sobre elements flexibles construïts amb materials com ara el neoprè. En aquest cas també es permet un moviment de la base gràcies a la deformació d’aquests elements de suport.
Els sistemes de dissipació d’energia són essencialment amortidors que es col·loquen habitualment en unions entre elements estructurals, per exemple, en la unió entre bigues i braços de suport diagonals. Es tracta de dispositius fets d’un acer molt dèbil que durant el sisme poden experimentar deformacions plàstiques, a vegades fins i tot trencar-se, però només en una zona molt concreta i predefinida de l’edifici.

Els avantatges dels sistemes de control passiu tenen a veure principalment amb la seva simplicitat, amb la possibilitat de reemplaçar-los si envelleixen o es trenquen, i amb el fet que no necessiten energia externa, ja que són elements que reaccionen al moviment de l’estructura a la qual estan connectats. Però tenen limitacions quan les forces sobrepassen certes magnituds.

Una altra alternativa són els sistemes de control actiu. En aquest cas, l’objectiu també és aplicar una força que contraresti la del terratrèmol, però la diferència principal respecte als sistemes passius és que aquesta força s’aplica a l’estructura a través d’un procés que opera en temps real. Per començar, uns quants Sensors mesuren la resposta de l’estructura (el desplaçament, la velocitat i l’acceleració). Aquestes mesures són digitalitzades i rebudes per un ordinador que implementa un algorisme de control.

Aquest algorisme calcula el valor de desplaçament necessari i governa el mecanisme dels actuadors, els quals són els encarregats de transformar el senyal en una força efectiva.

Malgrat el seu potencial, els sistemes actius són difícils d’implementar a la pràctica. La dificultat principal és tecnològica i se centra en la manera com es poden aplicar forces a estructures grans com són els edificis.

És per això que una part important de la recerca es concentra en el desenvolupament d’estratègies de control semiactiu.

Aquesta és una línia de treball intermèdia que consisteix a dissenyar dispositius de control passiu les característiques dels quals no són fixes per construcció, sinó que poden ajustar-se en temps real mitjançant un controlador en funció de la resposta mesurada de l’estructura mitjançant l’acció de sensors.

L’aparició dels anomenats materials intel·ligents, que responen a estímuls concrets de l’entorn i duen a terme funcions com a resultat de les seves propietats intrínseques, ha tingut un impacte rellevant en el camp del control estructural.

Per exemple, els materials electroreològics o magnetoreològics són fluids que poden canviar molt ràpidament, en mil·lisegons, de líquids a sòlids (i viceversa) amb l’aplicació d’un camp elèctric o magnètic. Els magnetoreològics contenen partícules magnètiques en suspensió distribuïdes aleatòriament, que es poden reorientar quan estan sotmeses a un camp elèctric o magnètic, de manera que se n’augmenta la capacitat de resistència a les vibracions i es dificulta qualsevol possibilitat de deformació en la direcció en què s’han reorganitzat. Això els atorga la possibilitat d’utilitzar-los en el disseny de dispositius de control semiactiu, sobretot amortidors que continguin aquest tipus de fluids.

Aquesta tecnologia s’està aplicant per esmorteir les vibracions en la suspensió dels vehicles i s’està intentant traslladar a l’enginyeria civil, camp en què ara per ara només hi ha aplicacions en l’àmbit experimental. El repte que té encara és que el voltatge que s’aplica per fer que aquests materials canviïn de propietats es pugui modificar de manera automàtica, amb l’objectiu d’aconseguir una resposta ràpida, efectiva i duradora. Això ha motivat darrerament una línia de recerca en què s’integren el disseny de dispositius, la modelització matemàtica i la formulació d’algorismes.