Ingenieros de la USC trabajan para mejorar el terremoto

Jun 11, 2023

Juan Caicedo tiene experiencia de primera mano con terremotos. El actual presidente del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental vivía en Colombia en 1983 cuando un terremoto de magnitud 5,5 sacudió la ciudad de Popayán y dañó aproximadamente 14.000 edificios.

La tragedia motivó a Colombia a aprobar nuevas leyes que exigen materiales de construcción sismorresistentes en zonas de alta actividad sísmica; también influyó en Caicedo para estudiar ingeniería civil y centrarse en estructuras.

Pero construir estructuras resistentes a los terremotos es sólo una parte de la estrategia de ingeniería necesaria para hacer que las estructuras sean más seguras. El suelo sobre el que se asienta una estructura se considera incluso más importante que los materiales de construcción utilizados, por lo que es esencial que los ingenieros colaboren con otros expertos para garantizar que las estructuras en Carolina del Sur sean resistentes a los terremotos.

"Es importante que quien esté estudiando el suelo comparta información con el ingeniero estructural porque existe una fuerte correlación entre los dos", dice Caicedo. “El ingeniero geotécnico necesita conocer la geometría de la estructura y la capacidad del suelo. Mientras mejor sea la comunicación y la retroalimentación, más sólido será el diseño final”.

El Servicio Geológico de Estados Unidos considera a Carolina del Sur como una zona potencialmente altamente sísmica. Un terremoto de magnitud estimada de 7,6, el más grande registrado en la costa este de los EE. UU., se produjo cerca de Charleston el 31 de agosto de 1886. Hoy en día, todas las estructuras en todo el estado deben construirse según las especificaciones de diseño sísmico.

La experiencia del profesor asociado Inthuorn Sasanakul es la ingeniería geotécnica, una subdisciplina centrada en el comportamiento del suelo y el material natural del suelo. También incluye el estudio de la carga dinámica, que es cuando cualquier carga cambia con el tiempo y ejerce una fuerza sobre una estructura mayor que su resistencia.

La ingeniería sísmica geotécnica tiene en cuenta el suelo, el diseño de los cimientos de una estructura y la dinámica de carga. Dado que las estructuras colapsan principalmente durante los terremotos debido al tipo de suelo debajo de los cimientos, el trabajo de Sasanakul apoya el diseño sísmico requerido de infraestructura crítica, como carreteras, puentes y presas.

"Estamos lidiando con incertidumbres y complejidades relacionadas con cargas dinámicas y materiales naturales, lo que complica la ingeniería sísmica geotécnica", dice Sasanakul.

La investigación de Sasanakul a menudo se centra en el comportamiento dinámico, que se refiere a cómo el suelo, los cimientos y las estructuras se comportan e interactúan en un terremoto.

“Sabemos que los materiales blandos o la arena suelta que están completamente saturados y bajo una carga dinámica o sísmica tienen el potencial de licuarse. Las estructuras construidas sobre estos materiales podrían colapsar en un terremoto”, afirma Sasanakul.

Este agosto, Caicedo y Sasanakul comenzarán un proyecto de cuatro años y 1,5 millones de dólares para actualizar y reescribir el manual de diseño sísmico para puentes del Departamento de Transporte de Carolina del Sur. Esto incluye cómo se diseñan los puentes y sus componentes y el suelo y los cimientos que se relacionan con la ingeniería geotécnica.

“En lugar de intentar desarrollar nuevas teorías sobre terremotos o nuevos materiales, queremos comprender mejor la ingeniería sísmica y las mejores prácticas para el estado”, dice Caicedo. "Cuando el SC DOT comience a solicitar diseños y nuevos puentes, estos podrán ser económicamente viables y capaces de soportar la potencia de los terremotos".

Un desafío para la ingeniería sísmica geotécnica en Carolina del Sur es la falta de terremotos moderados o significativos cada año. A diferencia de un estado con actividad sísmica como California, esto limita la cantidad de datos disponibles para comprender las cargas dinámicas.

Es un desafío cuando no es perfectamente arena o grava. Esto dificulta que un ingeniero pueda evaluar si el material se comportará como líquido o cómo reaccionará durante un terremoto.

Otro problema son las diferentes características geológicas de cada región. Cerca de la costa existen suelos profundos y blandos, lo que puede provocar licuefacción del suelo y pérdida de resistencia. Midlands tiene más afloramientos rocosos más cerca de la superficie, mientras que Upstate tiene una combinación de rocas y montañas. Se necesitan más investigaciones y datos para mejorar el diseño sísmico y comprender mejor los diferentes tipos de suelo y cómo difiere su comportamiento según las características geológicas.

“El diferente perfil del suelo es importante para el diseño sísmico. Necesitamos saber cómo la carga sísmica se propaga realmente en el suelo y sube a la superficie”, afirma Sasanakul.

La investigación de Sasanakul también explora las mezclas entre arena y grava en el suelo. Dado que es posible que la grava no se licue, se desconocen las mezclas entre los dos materiales.

“Es un desafío cuando no es perfectamente arena o grava. Esto hace que a un ingeniero le resulte difícil evaluar si el material se comportará como líquido o cómo reaccionará durante un terremoto”, afirma Sasanakul.

Sasanakul realiza una variedad de pruebas en las instalaciones de centrífuga geotécnica de la Facultad de Ingeniería y Computación. Los materiales se colocan en una centrífuga cerrada para simular el modelo de estructuras a gran escala y se centrifugan a 100 G para simular la condición de tensión. También utiliza un simulador de terremotos que puede sacudir y determinar el comportamiento de un modelo estructural.

“Antes de evaluar si el material se verá afectado o se licuará durante un terremoto, debemos realizar una caracterización ingenieril de las propiedades dinámicas del suelo. Esta prueba mide la rigidez del material para comprender su resistencia”, dice Sasanakul. "Estamos observando el suelo y un modelo de las estructuras porque nos interesa cómo interactúan los cimientos con el suelo".

Un aumento reciente en el número de terremotos menores, especialmente en la región de Midlands, motivó a Carolina del Sur a establecer un capítulo del Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica. Sasanakul espera que esto ayude a reunir a ingenieros, geólogos, sismólogos y otros profesionales de disciplinas relacionadas.

"Esperamos que esto permita intercambiar ideas y mejorar la forma en que abordamos los terremotos en el estado", dice Sasanakul. “Una de las primeras cosas que mencioné fue que necesitamos tener más datos y estaciones sísmicas que recopilen datos de terremotos. Esto permitirá que mi investigación sea multidisciplinaria con sismólogos y geólogos”.

Caicedo agrega que es necesario un esfuerzo colaborativo para crear una infraestructura resistente a terremotos en todo el estado.

"Existe una conexión entre la geología y los ingenieros", dice Caicedo. "Mientras los geólogos estudian la estructura de la tierra, el ingeniero geotécnico toma la información sobre la capacidad del suelo y la carga dinámica que alimenta el diseño de una estructura".

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