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Prueba a escala real del diseño - edificio de 2 plantas y una superficie de 15×12 m en planta. CC BY

Una idea radical para evitar el derrumbe de edificios ante una catástrofe

A veces las grandes innovaciones ocurren cuando uno se sale de su zona de confort. Lo comprobamos cuando decidimos poner a prueba un nuevo sistema para evitar el derrumbe de construcciones con un edificio experimental a escala real. El nuevo diseño de edificios que proponemos, sorprendentemente, evita que se desplome por completo ante cualquier evento extremo, como un gran impacto, una explosión o un atentado terrorista. Incluso impide la caída en cadena tras una catástrofe natural como un terremoto o un deslizamiento de ladera.

También, a veces, las grandes innovaciones llegan de imitar lo que ocurre en la naturaleza. En este caso, el sistema que desarrollamos es una estrategia defensiva ante la catástrofe que imita el comportamiento de las lagartijas cuando pierden la cola.

El resultado de nuestro trabajo ha tenido enorme eco internacional. La revista Nature (una de las de mayor impacto científico) lo recogió en su portada, algo a destacar si tenemos en cuenta que es la primera vez que una investigación en el campo de la construcción y diseño de edificios ocupa su portada.

El proceso para llegar hasta aquí ha sido toda una aventura. Siete años de trabajo y dos segundos para terminar echando un edificio abajo.

El diseño se puso a prueba en un edificio de hormigón a escala real.

El puente de Haengju y las Champlain Towers

Derrumbe con efecto dominó de las Champlain Towers. Wikimedia commons

Once vanos del puente de Haengju, Corea del Sur, colapsaron por completo tras el fallo inicial de uno de ellos durante la construcción. Las Champlain Towers, en Miami, se desplomaron en un efecto dominó tras un fallo local estructural. La Agencia para el Manejo de Desastres y Emergencias señaló que, solamente en territorio turco, al menos 5 606 edificios se derrumbaron durante y después del terremoto del 6 de febrero de 2023.

A menudo, las víctimas humanas no las provoca la acción externa, como el terremoto, sino el desplome de los edificios.

Las catástrofes ocurridas entre los años 2000 y 2019 han causado 1,23 millones de muertos y 2,97 billones de dólares en pérdidas económicas. Muchas de estas pérdidas pueden atribuirse a colapsos de edificios.


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Por qué caen

Los colapsos se producen por un “fallo inicial” localizado en una parte concreta de un edificio. A partir de ese fallo, comienza una cadena de fallos que se propagan al resto de la estructura, como si de un efecto dominó se tratara.

Las causas iniciales pueden ser diversas: terremotos, inundaciones, tormentas, deslizamientos de terreno, explosiones, impactos de vehículos, el propio envejecimiento de la estructura o incluso errores de construcción o diseño.

Los métodos actuales de diseño de estructuras de edificios se centran en evitar el inicio de un colapso tras un fallo local pequeño. Se consigue haciendo que todos los elementos de la estructura estén muy conectados, de manera que la carga que soporta cualquier elemento que falle se redistribuya al resto de la estructura. Pero si el fallo inicial es de gran envergadura, el sistema no funciona y el puente o el edificio se caen.

En estas situaciones, la aplicación de los diseños basados en una alta conectividad entre elementos puede incluso resultar perjudicial, porque las partes del edificio que colapsan pueden tirar del resto de la estructura, generando un colapso en cadena que puede llegar a afectar a la totalidad de la estructura. El hecho de que los colapsos más catastróficos hayan sido debidos a grandes fallos iniciales plantea preocupaciones sobre la eficacia de los diseños actuales.

Cómo lo abordamos

El artículo que hemos publicado en Nature recoge un nuevo diseño, que cumple con los requerimientos de los códigos actuales, pero evitando que se propague un colapso tras un pequeño fallo inicial local. El diseño introduce un nuevo enfoque, análogo a cómo “las lagartijas pierden su cola frente a una amenaza externa”. Hacemos que el colapso inicial se aísle y… “se pierda”.

El truco reside en la implementación de fusibles estructurales, que permiten segmentar el edificio en caso de fallo. Es decir, perdemos una parte del edificio para preservar el resto.

Las columnas y la cola de las lagartijas

Los componentes más importantes para que un edificio se mantenga en pie son las columnas. Si las columnas fallan, colapsa todo lo que sostienen. Para evitar el fallo sucesivo de columnas, nuestro diseño garantiza que las conexiones de las vigas y forjados con las columnas estén diseñadas para fallar antes de que puedan transmitir fuerzas suficientes para romper las columnas de forma sucesiva.

Nuestro diseño se inspira en cómo las lagartijas se protegen de los depredadores al verse amenazadas, liberando para ello su cola. Este sacrificio táctico evita que sean devoradas.

En condiciones normales, las lagartijas conservan y utilizan su cola. En el caso de los edificios, nuestro diseño asegura un alto nivel de conectividad entre elementos en situaciones normales y en las accidentales definidas en los códigos de diseño. Sin embargo, cuando un gran fallo inicial se va a propagar al resto del edificio, el colapso se aísla protegiendo al resto.

Lo pusimos a prueba

El diseño se puso a prueba y se implementó en un ensayo único sobre un edificio prefabricado de hormigón a escala real. El ensayo reveló que el diseño es eficaz y puede aplicarse a muy bajo coste, utilizando técnicas y elementos que ya se emplean habitualmente en el sector de la construcción.

Todo el proceso de diseño.

El edificio que queda en pie sufre solo daños menores, lo que permite llevar a cabo operaciones seguras de rescate y evacuación, salvando vidas en caso de situación extrema.

En futuros trabajos dentro del marco del proyecto Endure probaremos este diseño en otros dos edificios: con estructura de hormigón ejecutada en obra y con estructura de acero.

También desarrollaremos métodos de diseño simplificados para facilitar su uso en la práctica diaria de la ingeniería y arquitectura. Estas medidas deberían ayudarnos a construir edificios robustos para una sociedad más resiliente.

Control de colapso: El edificio diseñado para limitar catástrofes.

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