La UCR evalúa la salud estructural de edificios altos

Con el propósito de resguardar vidas humanas y de aportar conocimiento al código sísmico de Costa Rica, el M. Sc. Yi Cheng Liu Kuan, investigador de la Escuela de Ingeniería Civil y del LanammeUCR desarrolló un modelo que permite evaluar la “salud” o condición estructural de las edificaciones de gran altura del país por medio de sus características dinámicas, tales como sus frecuencias naturales (identificadas a partir de las vibraciones ambientales).

Se trata del proyecto Monitoreo a Largo Plazo de Edificios de Gran Altura, caso Torre Uno Paseo Colón mediante el cual se observaron y estudiaron las frecuencias naturales de este edificio para analizar su variación temporal.

La investigación analizó la correlación entre la variación temporal de las frecuencias naturales a largo plazo de un edificio de gran altura, y la influencia de los factores ambientales del clima tropical.

Gracias a esta iniciativa, el país ahora cuenta con una metodología que permite evaluar los edificios en términos de validación del diseño, así como en materia de administración y mantenimiento preventivo de las estructuras, con el fin de implementar estrategias para optimizar su vida útil.

Las estructuras “hablan” por medio de sus frecuencias

El investigador Liu explicó este principio de las variaciones de las frecuencias naturales de un edificio a causa de cambios en la condición estructural o daños con la siguiente analogía: “Cuando un vaso de vidrio se golpea, emite un sonido que comprende un espectro de frecuencias específicas; sin embargo, si el vaso se agrieta (cuando se presenta un daño), el sonido que produce cambia. De forma similar ocurre con puentes y edificios, las estructuras vibran con ciertas frecuencias que se modifican cuando presentan daños. Muchas de estas vibraciones son de amplitudes mínimas y de frecuencias muy bajas e imperceptibles para el oído humano, por lo que su detección y monitoreo requieren el uso de tecnología de punta como los acelerógrafos”, así lo analiza Liu.

Desde su perspectiva, el principal objetivo del estudio fue hallar los patrones y el orden de magnitud de las fluctuaciones en las frecuencias naturales de un edificio de gran altura debido a las variaciones en las condiciones meteorológicas de nuestro país, con el fin de discriminarlas de los cambios en frecuencias producidas propiamente por cambios en la condición estructural.

¿Cómo se obtuvo la información?

Este es un estudio pionero y de referencia para los países del trópico, ya que se analizaron las fluctuaciones de las frecuencias naturales de este edificio, del 8 de mayo del 2020 a 8 enero 2022 (período de pandemia por COVID-19), donde se tomó en cuenta la influencia de las condiciones climáticas como la temperatura, humedad relativa, velocidad del viento y la actividad del ser humano (antropogénica).

El investigador Liu señaló que las frecuencias naturales se constituyen como el indicador cuantitativo más utilizado para monitorear la salud estructural de una obra civil, pero que, depende del tipo de estructura, estas frecuencias varían también ante cambios de algunos factores ambientales como la temperatura, la humedad, niveles de excitación, además de las causadas propiamente por daños estructurales.

“Este tipo de estudios no han sido realizados en un país tropical como el nuestro, por lo tanto, esta investigación tuvo como objetivo determinar la variación temporal de las frecuencias naturales a largo plazo del edificio Torre Uno Paseo Colón, el segundo edificio más alto de Costa Rica, (con 99 metros de altura), para la extracción de tendencias o estacionalidades y su correlación con los factores ambientales durante un plazo de 18 meses en forma continua”, dijo Liu.

Para monitorear las vibraciones ambientales a largo plazo, el investigador utilizó los datos generados por cinco acelerógrafos del Laboratorio de Ingeniería Sísmica (LIS) de la UCR instalados en diferentes niveles (1, 7, 15, 21 y 29) del edificio Torre Uno Paseo Colón. Se registraron los bloques de datos de 10 minutos por cada hora durante el período de 18 meses. Fue así como el estudio logró determinar patrones oscilatorios diarios y las fluctuaciones estacionales durante el periodo de estudio, a partir de las cuales se validó la hipótesis de que estas variaciones en las frecuencias naturales están correlacionadas principalmente con la humedad relativa como condición meteorológica y la amplitud de vibración de la estructura.

“Uno de los principales hallazgos de la investigación es que se encontró que las dos variantes determinantes en las fluctuaciones de las frecuencias naturales son la humedad relativa y la amplitud de vibración del edificio, así como que estas fluctuaciones tienen muy poca correlación con la temperatura”, aseguró el investigador Liu, quien lideró el estudio.

Además, la investigación determinó que la velocidad de viento juega un rol importante en la amplitud de vibración de edificios altos y posee una importante correlación con la variación de las frecuencias y especialmente con las variaciones horarias y el patrón cíclico diario, pero de manera inversa: a mayor velocidad de viento, menores son las frecuencias.

“Dado que el viento es una importante fuente de excitación a edificios de gran altura, a mayor velocidad, mayor amplitud tendrá la vibración medida en forma de aceleración. Considerando que las estructuras civiles de concreto reforzado no poseen un comportamiento lineal cuya rigidez generalmente disminuye con el incremento de deformación, es de esperar que se experimente una reducción de frecuencias a mayor amplitud de vibración”, dijo Liu.

Por último, los datos del monitoreo, al analizarse un período que incluía restricciones particulares por el Covid-19, también evidenciaron una variación en amplitud de aceleración durante las distintas etapas de la pandemia, hecho que sugiere que el ruido sísmico en edificaciones de centros urbanos es generado, en gran medida, por las actividades antropogénicas y es sensible al nivel de estas, por lo que podría servir, incluso, como un indicador del nivel de actividad antropogénica de la zona en consideración.

Un nuevo modelo de predicción

A partir de los resultados, el investigador Liu desarrolló un modelo de regresión polinomial que permite la predicción del comportamiento de las frecuencias naturales del edificio en cuestión.

Este modelo logró confirmar que las dos variables determinantes en las fluctuaciones de las frecuencias naturales fundamentales (con frecuencias menores a 2 Hz) del edificio son la media móvil de la humedad relativa (que abarque una ventana de 96 horas) y la amplitud de aceleración del edificio expresada en media cuadrática, y a diferencia de lo encontrado en la literatura técnica internacional, las variaciones en temperatura no correlacionan de forma significativa.

Aporte de la ciencia de la UCR a los países del trópico

El investigador Liu explicó que este tipo de investigaciones contribuirán a fortalecer el código sísmico, así como a optimizar el diseño, la gestión y la administración de la obra civil, tanto en Costa Rica como en otros países del trópico.

“Me siento muy contento y orgulloso de pertenecer a la UCR y de aportar, desde mi trabajo, a un conocimiento clave en el campo de la ingeniería civil. Uno es consciente de que, si no fuera por la universidad, muchos de estos aportes no se realizarían, ya que otras organizaciones o entidades no cuentan con los recursos necesarios para desarrollar investigación de alto nivel”, aseguró Liu.

El investigador destacó además el papel de la Universidad de Costa Rica en su formación académica. “Fui becado por la UCR para estudiar en Taiwán, donde adquirí los conocimientos que sustentan este trabajo sobre monitoreo de salud estructural en obras civiles. Para mí es motivo de orgullo saber que este estudio no solo aporta a la academia, sino también al país, desde una perspectiva práctica y aplicada de la ciencia. Estas son tecnologías y prácticas emergentes que se encuentran implementándose en países desarrollados y, cuando estas empiezan a ser tomados en cuenta en Costa Rica, nosotros ya contaremos con experiencia en esta área”, añadió.