Estudio advierte sobre vacíos en modelos clave para diseñar edificaciones ante sismos

 Permanentemente Colombia está expuesta a la actividad sísmica, por lo que anticipar cómo responden casas, edificios y puentes ante un terremoto es fundamental para proteger vidas. Una investigación encontró que algunos modelos usados para simular ese comportamiento no siempre reflejan lo que ocurre en una estructura durante un sismo, lo que abre la puerta a herramientas más confiables para diseñar dichos modelos.

Los terremotos recientes han puesto en evidencia los riesgos de no anticipar correctamente el comportamiento de las estructuras. En 2017 en Ciudad de México decenas de edificaciones colapsaron, mientras que en Turquía en 2023 más de 35.000 edificios se vinieron abajo evidenciando fallas en el diseño, la construcción y la evaluación estructural.

Estos eventos han reforzado la necesidad de revisar cómo se están modelando las estructuras, es decir qué tan confiables son las herramientas matemáticas usadas por los ingenieros para prever si una edificación resistirá o colapsará.

Ante esta situación, una investigación desarrollada en la Maestría en Ingeniería Estructural de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales revisó críticamente uno de los modelos más utilizados en ingeniería sísmica; una herramienta matemática que permite simular cómo responde una estructura cuando es sacudida repetidamente por un sismo.

El estudio analizó cerca de 90 versiones del modelo y encontró que varias modificaciones incorporadas con el tiempo no tienen un sustento físico claro, es decir que no siempre representan fielmente lo que realmente ocurre en una estructura durante un movimiento sísmico.

Aunque el trabajo tiene una base matemática, sus implicaciones son prácticas, ya que los programas utilizados por los ingenieros para diseñar edificaciones funcionan a partir de estos modelos, que permiten anticipar preguntas cruciales como cuánto se moverá una estructura, qué tanto se deformará y si resistirá sin colapsar.

“Más que hacer modelos más complejos, lo que buscamos es que estos sean más confiables y estén mejor fundamentados en la física real del problema”, explica el ingeniero civil Michael Heredia Pérez, autor del estudio. Esto permite tomar decisiones más seguras desde el diseño y reducir el riesgo de fallas estructurales.

Cómo se simula el comportamiento de una edificación ante un sismo

Para anticipar cómo reaccionan estructuras como viviendas, edificios o puentes durante un terremoto, el investigador se centró en un fenómeno conocido como histéresis, el cual señala que un material o una estructura no responden de la misma manera la primera vez que se deforman y cuando vuelven a ser sacudidas. Es decir que acumulan “memoria” del daño o del esfuerzo previo, lo que afecta su comportamiento en cada nueva sacudida.

Este comportamiento permite calcular cuánto se desplaza una estructura, o sea cuánto se mueve respecto a su posición original y qué tan bien puede recuperar su forma o si queda con daños permanentes.

“Se trata de entender cómo entra la fuerza a un edificio durante un sismo y cómo este responde en términos de movimiento y deformación”, explica el investigador.

El estudio se centró en el modelo Bouc-Wen, desarrollado en la década de 1960 y ampliamente utilizado en el mundo para simular este tipo de comportamientos. Con el paso del tiempo, distintos investigadores han propuesto ajustes para adaptarlo a diferentes materiales y condiciones.

Sin embargo, lo que encontró el magíster es que muchas de esas modificaciones se han ido incorporando sin una validación física sólida, lo que puede afectar la precisión de los análisis.

Hacia modelos más confiables para un país sísmico

En una segunda etapa, el estudio evaluó el uso del algoritmo SINDy, una herramienta que construye ecuaciones a partir de datos experimentales como los obtenidos al medir el comportamiento real de una estructura.

La pregunta era si estos métodos basados en datos podrían reemplazar los modelos tradicionales, y la respuesta fue no. “Los datos por sí solos no son suficientes. Necesitamos que los modelos estén guiados por la física para que las ecuaciones realmente representen el comportamiento estructural”, indica el magíster.

Una tendencia creciente hoy en ingeniería es el monitoreo estructural, que consiste en instalar sensores en edificaciones y puentes para medir cómo vibran y se deforman.

Estos sistemas generan información valiosa, pero el estudio advierte que esos datos se deben interpretar con modelos bien fundamentados, pues de lo contrario se corre el riesgo de tomar decisiones con base en representaciones incompletas de la realidad.

Además de identificar limitaciones, el investigador plantea rutas para avanzar hacia modelos más robustos que integren principios físicos sólidos con herramientas modernas de análisis de datos.

“Dependiendo del objetivo: si es diseñar una estructura o evaluar su comportamiento, se pueden seguir caminos distintos, pero todos deben apuntar a entender mejor cómo responden las estructuras en condiciones reales”, concluye.