Cómo la cola de un lagarto inspiró un nuevo sistema de construcción que libera piezas para evitar un colapso catastrófico

Los humanos modernos existen desde hace unos 300.000 años, pero incluso hoy, la naturaleza todavía nos sorprende e inspira. Desde trenes bala hasta aviones, casi todo lo que hemos inventado está influenciado por elementos que se encuentran en el mundo natural. Un ejemplo reciente de esto es un sistema de construcción recientemente propuesto que evita el colapso total del edificio, que se inspira en los lagartos.

Los edificios pueden colapsar debido a desastres naturales, defectos de diseño, impactos de vehículos y muchas otras razones. Sin embargo, lo que es más importante considerar es cómo estos edificios se derrumban y qué daño causa. A lo largo de los años, esos derrumbes se han cobrado muchas vidas y han causado lesiones, perturbaciones económicas y daños medioambientales.

«Se estima que los desastres registrados entre 2000 y 2019 causaron una pérdida económica de 2,97 billones de dólares y se cobraron aproximadamente 1,23 millones de vidas. Gran parte de esta pérdida se puede atribuir al colapso de los edificios”, señalaron los investigadores.

Pero ¿y si, en lugar de derrumbarse completamente de forma catastrófica, un edificio pudiera separarse de la parte donde comienza el derrumbe, de forma similar a como un lagarto lanza su cola para escapar cuando es atrapado por un depredador?

«De esta manera podremos salvar el resto del edificio y garantizar que allí se puedan llevar a cabo operaciones de evacuación y rescate. Esto nos permite salvar vidas que de otro modo se perderían si el edificio se derrumbara por completo», afirma José M. Adán, uno de los investigadores y profesor de ingeniería civil de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV). Ciencia ZME.

Un problema con el actual sistema de colapso de edificios

Los edificios a menudo parecen colapsar repentinamente durante un desastre. Pero, si bajas el ritmo, notarás que todo comienza con un pequeño fallo inicial que se sigue extendiendo por toda la estructura. Los edificios modernos de hormigón generalmente están diseñados de tal manera que las secciones estén fuertemente conectadas entre sí. Esto es para distribuir el estrés de manera uniforme.

Se ha demostrado que este enfoque funciona eficazmente para abordar pequeños fallos iniciales. Sin embargo, puede resultar contraproducente en escenarios que implican fallas iniciales importantes, provocando el colapso de toda la estructura. Esto se debe a que la conectividad introducida en el sistema puede provocar que los elementos que se derrumben derriben partes del edificio que de otro modo no se verían afectadas.

«El hecho de que no estemos considerando este riesgo en los edificios actuales es bastante alarmante y esto se convierte en el punto de partida de nuestra investigación para el desarrollo de la técnica de aislamiento de colapso», afirmó Adam.

En su nuevo estudio, los investigadores proponen un nuevo enfoque llamado «aislamiento del colapso basado en jerarquías». Se trata de un sistema que detiene la propagación de grandes daños iniciales garantizando que sólo elementos específicos de un edificio fallen antes de que el colapso alcance los componentes estructurales más críticos.

La ciencia detrás del aislamiento por colapso inspirado en los lagartos

Las colas de gecko son bastante únicas en el reino animal. Permanecen completamente conectados con el resto del cuerpo del animal para todas las funciones normales. Sin embargo, si un depredador lo atrapa, un gecko puede realizar un movimiento de torsión oscilatorio que rompe la cola.

En otras palabras, la cola está de alguna manera diseñada para estar bien conectada al resto del cuerpo para acciones (o cargas) específicas y para separarse cuando está bajo el efecto de otras acciones. La técnica de aislamiento de colapso propuesta para edificios funciona de la misma manera.

Hace una distinción importante entre dos tipos de fracasos iniciales. Para el primer tipo, denominado fallas iniciales pequeñas, el sistema de aislamiento garantiza una conectividad suficiente para adaptarse a las condiciones operativas mediante la redistribución de la carga, evitando una mayor propagación de la falla.

Para el segundo tipo de falla inicial, llamada fallas iniciales grandes, el enfoque inspirado en el lagarto apunta a lograr dos objetivos principales: primero, detener la propagación del colapso y segundo, permitir que el edificio encuentre rutas de carga alternativas (ALP). . ). Esto se hace dando prioridad a un orden específico de fallas entre los componentes en el borde de una zona de colapso.

«Se activará un mecanismo específico a nivel de conexión para separar las partes que se derrumban del resto del edificio cuando los fallos iniciales sean demasiado grandes para resistir», dijo Adam. Ciencia ZME.

Esto garantiza que la estructura restante del edificio permanezca intacta, permitiendo tiempo suficiente para los esfuerzos de evacuación y rescate.

Pruebas del sistema de aislamiento de colapso basado en jerarquía

José Adán y sus colegas llevaron a cabo un interesante experimento para probar el sistema de colapso propuesto. Construyeron «un edificio real de hormigón armado de 15 m × 12 m con dos plantas de 2,6 m de altura». Este edificio fue diseñado según el sistema de aislamiento de colapso inspirado en los lagartos.

Una vez terminado el edificio. Introdujeron deliberadamente pequeños y grandes fallos en el edificio para ver cómo reaccionaba. Por ejemplo, en la primera fase de su experimento, quitaron dos columnas para simular una falla moderada.

Sin embargo, el edificio no colapsó, lo que demuestra que su diseño puede redistribuir la carga y evitar el colapso a través de la continuidad proporcionada en las vigas, losas y uniones viga-columna.

«De este modo hemos demostrado que nuestro enfoque es coherente y compatible con los estándares de solidez actuales adoptados en la práctica», afirmó Adam

En la segunda fase, quitaron la tercera columna, lo que provocó un fallo inicial importante. Esta vez, el edificio se derrumbó parcialmente, pero su sistema de seguridad impidió que el colapso se extendiera, salvando la mayor parte del edificio.

“Gracias a la implementación del aislamiento de colapso basado en jerarquías, el frente de colapso fue detenido justo en los límites entre las regiones inicialmente afectadas y el resto del sistema. En consecuencia, se aisló el derrumbe, salvando las partes del edificio situadas fuera de las bahías afectadas», añadió Adam.

El futuro del sistema de colapso inspirado en los lagartos

Por ahora, la técnica de aislamiento de colapso propuesta sólo puede funcionar para edificios nuevos y no se puede aplicar a estructuras existentes.

Esto se debe a que la técnica controla la jerarquía de fallas en un sistema estructural. Por lo tanto, es más práctico para los ingenieros aplicarlo cuando el diseño de diferentes componentes del edificio aún puede modificarse y ajustarse para adaptarse a este enfoque.

«Actualmente estamos trabajando en otro proyecto, el llamado Enhance, donde estamos desarrollando un nuevo enfoque para modernizar los edificios existentes colgando los pisos del techo del edificio», dijo Adam. Ciencia ZME.

Otro desafío importante con este enfoque es que su implementación en la práctica implica la evaluación de múltiples escenarios de falla posibles, que involucran simulaciones de alta fidelidad que no se usan comúnmente.

“En este sentido, estamos trabajando para desarrollar procedimientos de diseño más simplificados para facilitar el proceso de diseño. Esperamos que esto aumente la disponibilidad tecnológica de soluciones para detener la propagación del colapso, lo que conducirá a edificios más resistentes y un impacto positivo en la sociedad», añadió Adam.

El estudio fue publicado en la revista Naturaleza.