El desafío de construir edificios resistentes a explosiones, terremotos y otros eventos extremos

Nuestros edificios están cada vez más expuestos a las devastadoras consecuencias de los eventos extremos causados por el cambio climático, su propio envejecimiento, o un mantenimiento y conservación inadecuados. Entre dichos eventos nos podemos encontrar, por ejemplo: explosiones de gas como la ocurrida hace pocos días en la calle Toledo de Madrid, impactos de vehículos, huracanes, riadas, terremotos de gran magnitud y atentados terroristas. Los eventos extremos suelen provocar daños locales-iniciales en elementos críticos de las estructuras de los edificios, que pueden ir seguidos de un fallo en cadena hasta llegar a provocar colapsos completos o desproporcionados. Este fenómeno, denominado colapso progresivo, está habitualmente asociado con graves pérdidas humanas y materiales.

El colapso del edificio del FBI de Oklahoma en 1995 sirvió como punto de partida para avanzar en el campo de los edificios resilientes, apareciendo el gran desarrollo en este campo tras el atentado sobre el World Trade de Nueva York en 2001. Prueba de ello es que desde el año 2001 muchos grupos de investigación han trabajado en este campo, reflejándose el progreso en cambios y mejoras continuas en los códigos de diseño de edificios. Los países que más han trabajado en este campo son los EEUU y China, gracias a la financiación recibida principalmente por parte de entidades gubernamentales.

Desafortunadamente, en Europa, y por supuesto también España, se ha investigado mucho menos en esta temática y queda un largo camino por recorrer. Aunque los Eurocódigos europeos para el diseño de edificios incluyen explícitamente criterios de diseño de edificios resilientes que eviten la propagación de fallos iniciales, los códigos de diseño españoles aún no contemplan aspectos de diseño específico para evitar colapsos progresivos.

Los agentes participantes en el campo de la construcción están de acuerdo en que uno de los desafíos sociales actuales es conseguir infraestructuras y edificios resilientes que sean capaces de permanecer operativos tras la acción de un evento extremo. En el ICITECH-UPV llevamos trabajando en este campo desde el año 2017, cuando la Fundación BBVA nos concedió una Beca Leonardo. Gracias a este apoyo, conseguimos abrir una nueva línea de investigación que nos ha llevado a conseguir más financiación para avanzar en este campo, incluyendo una financiación del European Research Council – ERC por valor de 2,5 millones de euros, donde pretendemos lanzar una nueva filosofía de diseño de edificios resilientes basada en la segmentación con fusibles estructurales. Con nuestra investigación pretendemos avanzar en este campo con el fin de mejorar la seguridad de los edificios y salvar vidas, y al mismo tiempo posicionar a España como uno de los líderes en este campo de investigación tan necesario para nuestra sociedad.

Los principales avances los hemos conseguido gracias al desarrollo de ambiciosas campañas experimentales. Entre 2017 y 2019 tuvimos la oportunidad de construir, gracias a la Beca Leonardo, un edificio-probeta a escala real que fue sometido a la retirada repentina de columnas de esquina. Estos ensayos nos permitieron comprender mejor los mecanismos que se activan tras un fallo inicial provocado por un evento extremo. El conocimiento adquirido está siendo actualmente empleado por los grupos de trabajo de los Eurocódigos en sus nuevos criterios de diseño para evitar el colapso progresivo de edificios.

Edificios que no colapsan gracias a ‘fusibles estructurales’

Nuestro mayor desarrollo en el campo de la resiliencia y colapso progresivo de edificios vendrá con el proyecto Endure, recientemente financiado por el European Research Council. Con Endure vamos a desarrollar una nueva y radical filosofía de diseño de edificios basada en lo que llamamos fusibles estructurales. De la misma manera que las redes eléctricas se protegen frente a las sobrecargas, conectando diferentes segmentos de la red mediante fusibles eléctricos, nuestro objetivo es lograr el mismo objetivo para evitar el colapso de un edificio con fusibles estructurales.

En una red eléctrica, el principio de funcionamiento del fusible es sencillo: se intercala un elemento más débil en el circuito (fusible), de manera tal que cuando la corriente alcanza niveles que podrían dañar a los componentes del mismo (sobrecarga), el fusible se funde e interrumpe la circulación de la corriente, pero sin dañar el circuito entero. En un edificio, las estructuras son continuas, y por ello en situaciones de amenaza externa como una explosión, un sismo severo o una colisión, los elementos que se derrumban arrastran al resto de los componentes, provocando un efecto dominó. Para evitarlo, nuestro diseño introducirá estos fusibles que serán imperceptibles al ojo humano, pero que en caso de fallo o colapso, evitará que zonas que no están dañadas sean arrastradas y también colapsen. Es decir, se fraccionarán los edificios en varias partes y, entre ellas, se colocarán fusibles estructurales que minimizarán el impacto del fallo o colapso inicial.

El trabajo a llevar a cabo irá desde la investigación básica, con el desarrollo de las bases de la nueva filosofía, a la investigación aplicada, con el desarrollo de fusibles estructurales y dos pruebas concepto sobre dos edificios reales.

Lecciones de la explosión en la Calle Toledo de Madrid

A la vista de las publicaciones en prensa y de las declaraciones de las autoridades competentes, el colapso del edificio en la Calle Toledo de Madrid fue debido a una explosión de gas en las plantas altas. Este trágico suceso provocó el fallecimiento de cuatro personas e importantes daños materiales, tanto en el propio edificio como en los colindantes. Las fotografías publicadas en prensa muestran que los daños se concentraron en las plantas altas, donde ocurrió la explosión, afectando a los cerramientos y tabiques, así como a los últimos forjados y columnas.

Es difícil determinar si este accidente se podría haber evitado o no. Sin embargo, los precedentes en casos similares han sido, en muchas ocasiones, incluso más graves. Cabe mencionar que, a pesar de las graves consecuencias de la explosión, el edificio no colapsó por completo. Eventos extremos, como las explosiones de gas, han provocado colapsos catastróficos en edificios, como el ampliamente conocido de Ronan Point en Londres en 1968.

Cabría preguntarse por qué ocurrió el desastre de Madrid, y por qué sus consecuencias no han sido tan graves como en otros casos precedentes. Los datos de que se dispone de este desastre son aún limitados y, probablemente, tendrá que pasar un tiempo hasta que los investigadores y técnicos determinen con precisión sus causas. Por ello, en estos momentos resulta imposible dar respuesta a la primera de las cuestiones.

Lo que sí podemos afirmar ya es que una explosión como la ocurrida podría haber llevado a un colapso progresivo del edificio con consecuencias incluso más graves. Los motivos por los que no ha sido así podrían ser los siguientes:

• La explosión ocurrió en las plantas altas del edificio, afectando a elementos no estructurales (cerramientos y tabiques) y a los forjados y columnas de las últimas plantas. De producirse estos fallos en las plantas bajas, las consecuencias podrían haber sido catastróficas. Los fallos de elementos estructurales en las plantas bajas suelen propagarse como un efecto dominó, llevando a colapsos progresivos.
• La propia configuración del edificio, y su uso residencial, lleva que a la separación entre columnas sea reducida y además se empleen cerramientos de ladrillo. Los bombardeos de Londres durante la Segunda Guerra Mundial y algunos de los atentados del IRA demostraron que esta configuración o tipología constructiva tenía una sorprendente capacidad para mantener los edificios en pie.

Una explosión como la ocurrida en otra tipología constructiva y en otras circunstancias podría haber provocado daños incluso mayores a los sufridos, que han sido de magnitud desproporcionada, incluyendo el fallecimiento de cuatro personas. Muchos eventos extremos causan daños en las plantas bajas, que son las más vulnerables de cara a propagar un daño inicial. Hospitales, centros deportivos, edificios administrativos, terminales de pasajeros, por citar algunos, están configurados en base a tener separaciones importantes entre columnas y plantas diáfanas con apenas muros de compartimentación. Evidentemente, estas situaciones hubieran agravado las consecuencias de una explosión como la ocurrida.

En definitiva, necesitamos continuar trabajando con el fin de conseguir edificios resilientes. Ello debería ir por tres vías:

• Mantenimiento y conservación de edificios existentes.
• Revisión de edificios críticos para la evaluación de su resiliencia.
• Nuevas técnicas de diseño y construcción que eviten la propagación de daños en edificios.

En muchas ocasiones, la humanidad ha avanzado al aprender de los fallos. En el campo de la construcción ha habido muchos desastres que han llevado a mejoras sustanciales en posteriores diseños y construcciones. Cabe citar, por ejemplo, los colapsos del puente de Tacoma Narrows en 1940, el del edificio de Ronan Point en Londres en 1968, o el del edificio Federal de Oklahoma de 1995. Desastres como el ocurrido en Madrid nos deben hacer reflexionar de cara a mejorar aspectos como el mantenimiento y conservación de edificios e infraestructuras, o el propio diseño y construcción de edificios resilientes.