La gestión del riesgo sísmico en el proyecto IFMIF-DONES

Los Terremotos

Sin duda, quienes vivimos en la Tierra percibimos que ésta se mueve. Sus movimientos cabe clasificarlos en externos e internos. Los más obvios entre aquéllos son la rotación en torno al eje polar, responsable del ciclo diurno, y la traslación alrededor del Sol, que motiva los cambios anuales de estación. Otros desplazamientos también externos, pero menos ostensibles, son la precesión de los equinoccios y del perihelio, la nutación, el bamboleo de Chandler y otros ciclos orbitales. No obstante, ahora nos centraremos en los internos.

Estos movimientos, también denominados endógenos, son la causa, entre otros efectos, de los terremotos, cuya intensidad se mide mediante sismógrafos y acelerómetros (instrumentos capaces de detectarlos incluso cuando su magnitud es muy baja). Además, estos dispositivos han permitido conjeturar la estructura interna de nuestro planeta, que ahora asumimos constituida básicamente por cuatro capas concéntricas: una corteza sólida, un manto caliente y viscoso, un núcleo exterior líquido y un núcleo interior sólido.

Los terremotos nos recuerdan, en ocasiones con gran dramatismo, que vivimos en un planeta geológicamente activo. Y suceden con bastante frecuencia en cualquier parte del mundo, pero, afortunadamente, la mayoría de modo imperceptible. A pesar de semejante asiduidad no pudieron explicarse aceptablemente hasta el pasado siglo, gracias a Alfred Wegener, que aportó evidencias basadas en la paleotopografía, la climatología y el registro fósil, fundamentando la teoría de la deriva continental y la tectónica de placas.

En efecto. La corteza terrestre, fría y sólida, está fracturada en múltiples «placas continentales», especie de ciclópeas piezas de un puzle planetario que flotan sobre el manto, mucho más caliente y fluido, y se mueven continuamente,[1] empujadas por la enorme cantidad de materia que se desplaza bajo ellas por efecto convectivo (en virtud de los gradientes térmico y de densidad existentes entre las zonas profundas y superficiales del manto).

El continuo desplazamiento de estas placas tectónicas genera no sólo tensiones capaces de agrietar la corteza terrestre, sino también fricción entre sus bordes que, si sobrepasan cierto umbral, provocan terremotos, pudiendo liberar súbitamente una enorme cantidad de energía.

Efectos sísmicos en el terreno y las infraestructuras

Los registros históricos y geológicos nos advierten que los terremotos afectan tanto a las construcciones humanas como al terreno donde éstas se erigen, pudiéndolas dañar significativamente. Esto aconseja analizar la construcción de la obra civil desde ambas perspectivas, geológica y arquitectónica, para adecuar su diseño al «escenario sísmico» y minimizar los posibles daños producidos durante y después del seísmo. El objetivo no sólo es lograr la mejor construcción sismorresistente sino también minimizar los subsiguientes efectos sísmicamente inducidos (por ejemplo, debidos a la «licuefacción» del terreno cuando éste es sedimentario no consolidado, con un elevado nivel freático).

Sin duda, la dinámica sísmica es no lineal. Aunque esto ya era sabido a mediados del pasado siglo, sus implicaciones no afloraron hasta los trabajos de Seth Stein, tras los grandes terremotos de Sichuan (12 de mayo de 2008), Haití (12 de enero de 2010) y Tōhoku (11 de marzo de 2011). De hecho, este último, causante del accidente de Fukushima, hizo que la IAEA empezase a considerar en los estudios de seguridad de las centrales nucleares los riesgos asociados con los efectos geológicos subsiguientes, y no sólo con los directos del propio seísmo [IAEA-TECDOC-1767 (2015)], exhortando al uso de la paleosismología en los modelos de predicción de riesgos.

Así pues, aunque el análisis estadístico no basta para protegernos de los terremotos, afortunadamente la geología, mediante técnicas paleosismológicas (ayudándose de la geomorfología, la estratigrafía y la geología estructural), arqueosismológicas (sirviéndose de la arqueología y la arquitectura) y de sismicidad instrumental, ya es capaz de anticipar, con notable acierto, el dónde y el cómo de un terremoto. Y saber en qué punto se va a producir un seísmo y cuánta energía puede llegar a liberar —con ayuda de la escala ESI-2007— permite paliar bastantes consecuencias.

IFMIF-DONES frente a los terremotos

La cuenca granadina, formada por un conjunto de rocas sedimentarias cenozoicas, cuya antigüedad abarca desde el neógeno al cuaternario, está asentada en la frontera entre las placas litosféricas euroasiática y africana,[2] más exactamente sobre la linde entre las zonas interna y externa de la cordillera Bética-Alborán, cuya dirección es NE-SW. En consecuencia, es una de las zonas sismotectónicas más activas de la península ibérica. De hecho, se tiene constancia de seísmos en la zona desde el año 1431, cuando sufrió un intenso terremoto que dañó el complejo áulico de la Alhambra. Más cerca en el tiempo, a finales del siglo xix y asimismo durante el xx, se han registrado seísmos de diversas magnitudes (desde 4 a 8 grados en la escala Richter) hasta llegar a principios de 2021, cuando fue sacudida por un enjambre sísmico, con terremotos que han superado los 4,4 grados de magnitud en esa misma escala.

¿Cómo influye en el diseño y el funcionamiento de la instalación IFMIF-DONES su proximidad a la falla de Escúzar?

La pregunta es oportuna. El proyecto IFMIF-DONES supone la construcción de uno de los aceleradores de deuterones más potentes del mundo, cuyo objetivo principal —pero no el único— es el análisis y la cualificación de los materiales necesarios para construir los futuros reactores de fusión. Este dispositivo se instalará en el Parque Metropolitano Industrial y Tecnológico de Escúzar (Granada), en una parcela de unas 10 hectáreas de superficie. La obra civil constará de un edificio principal (que albergará el acelerador, los circuitos de litio y el área de irradiación de muestras) y una veintena de edificios auxiliares. Centrándonos en el edificio principal, diremos que sus dimensiones aproximadas son 160 metros de largo, 80 de ancho y 34 de alto.

Es decir, IFMIF-DONES en esencia es un instrumento que proyecta partículas subatómicas a largas distancias con una precisión submilimétrica (del orden de un cabello humano). Bastaría, pues, un pequeño temblor de tierra para desajustarlo y que perdiera la puntería. En primera instancia, si sucediese un seísmo durante la operación del acelerador, los detectores registrarían una desalineación y lo apagarían de manera segura. Sin embargo, proteger un instrumento científico tan delicado es algo muy diferente de salvaguardar la integridad estructural de un puente, un rascacielos o un hospital. ¿Cómo se aborda este problema en el proyecto IFMIF-DONES?

Diseñar una instalación resistente desde la perspectiva sísmica exige caracterizar minuciosamente la sismicidad del terreno con todas las herramientas científicas disponibles. Un terremoto ―como el vulcanismo, los huracanes, los tsunamis, el fenómeno de El Niño, entre otros― es una amenaza no antrópica, íntimamente asociada con la dinámica planetaria, que, en el actual estado científico y tecnológico de la humanidad (aún en el peldaño cero de la escala de Kardashov), no cabe impedir, lo que en modo alguno significa que en determinadas circunstancias no pueda existir cierto tipo de control. En efecto. Tras evaluar sísmicamente el emplazamiento, el proceso de diseño considera dos niveles de protección: por un lado, y como en cualquier otra edificación, hay que minimizar los daños a las personas y los equipos frente a los seísmos más intensos y, por otro, hay que asegurar el funcionamiento de la instalación en el caso de los seísmos menores, mucho más frecuentes.

Ciertamente, la mayor parte de los movimientos endógenos, considerando las protecciones que van a implantarse en la instalación, apenas perturban laboratorios semejantes en otras partes del mundo. Una característica crucial de este tipo de infraestructuras es la elasticidad, que impide desplazamientos indebidos como consecuencia de las vibraciones habituales del día a día. Esto se logra mediante dispositivos de aislamiento sísmico y puntos de ruptura incorporados en las conexiones entre la máquina y el equipo circundante, para asegurar que la maquinaria permanecerá estacionaria en caso de un terremoto.

Con relación al primer nivel de protección, ¿cómo afrontar el denominado seísmo máximo de diseño?, la estrategia para proyectar IFMIF-DONES consiste en asumir los parámetros de aceleración que debe resistir una instalación civil, según las normas sismorresistentes, pero multiplicados por un amplio factor de seguridad. Las tecnologías antiseísmo previstas son las utilizadas en instalaciones científicas similares, como el reactor de fusión ITER, y otras infraestructuras críticas. ¿En qué se traducen estas consideraciones?

La edificación sismorresistente

Ya se ha dicho que los terremotos son la consecuencia del súbito y acusado desplazamiento de las placas tectónicas, haciendo de las regiones cercanas a las fallas o a los bordes de las placas lugares especialmente vulnerables. Los terremotos generan ondas de choque omnidireccionales que se propagan por el terreno a intervalos cortos y rápidos, provocando desplazamientos laterales durante lapsos que pueden durar minutos.

Ciertamente, la estructura de un edificio está permanentemente sometida a las fuerzas verticales debidas a su masa y a la aceleración de la gravedad, algo muy diferente de gestionar las fuerzas sísmicas laterales. De hecho, cuando una infraestructura sufre un terremoto, el movimiento horizontal del suelo hace que los cimientos del edificio oscilen, haciendo vibrar paredes, forjados, columnas, vigas y sus interconexiones.  Muy simplificadamente, podría decirse que, debido a la inercia, el movimiento de la parte inferior de la construcción es diferente al de la superior, y esto provoca tensiones estructurales, capaces de fracturar soportes y ocasionar el colapso del edificio.

Seguridad de los ocupantes del edificio

Sin duda, la principal prioridad siempre es la seguridad de quienes se encuentran en el edificio y sus alrededores. En consecuencia, para diseñar el proyecto IFMIF-DONES se han tenido en cuenta estructuras y materiales de construcción antisísmicos, minimizando así las probabilidades de que cualquier persona que se halle en el interior o las inmediaciones del edificio resulte perjudicada por un seísmo.

Protección de la inversión

Con ser menos importante que la protección de la vida, otra prioridad consiste en garantizar la integridad de las construcciones IFMIF-DONES.

¿Cómo construir una estructura antisísmica?

Hemos visto que el proyecto IFMIF-DONES supondrá la construcción de múltiples edificios, cada uno con una tipología distinta y, por tanto, con una estrategia antisísmica particular. No obstante, hay algunas consideraciones clave que se han tenido en cuenta en términos generales.

Diseñar cimientos flexibles

Un modo de contrarrestar las fuerzas horizontales es cimentar el edificio empleando alguna tecnología que desacople la frecuencia de resonancia del edificio de la frecuencia típica del seísmo. Uno de estos métodos consiste en construir el edificio sobre aisladores flexibles (por ejemplo, almohadillas de acero, caucho y plomo), de modo que, cuando la base se mueve durante un terremoto, estos aisladores absorben las ondas sísmicas, evitando que se distribuyan por el edificio, logrando así estabilizar su estructura.

Instalar dispositivos para el control vibratorio

La mayoría somos conscientes de la utilidad de los amortiguadores para controlar las oscilaciones indeseables en los automóviles. Esta misma filosofía se ha adaptado en los edificios para reducir la amplitud de las ondas de choque sísmicas y reducir las tensiones sobre la estructura constructiva. Son los dispositivos de control vibratorio.

Estos dispositivos son de distinto tipo. Por ejemplo, unos amortiguadores ubicados entre las columnas y las vigas de cada nivel de un edificio, o unas rótulas (especie de péndulos que al moverse rozan sobre una superficie dispuesta al efecto). En caso de seísmo, la energía vibratoria se disipa en forma de calor. Actualmente, se está estudiando aplicar en IFMIF-DONES la técnica de las rótulas.

«Sismología de transformación» [3]

Esta innovadora disciplina científica trata de conseguir «envolturas de invisibilidad sísmica» capaces de redirigir casi toda la energía de un seísmo. Se han probado distintos procedimientos, por ejemplo, enterrando bajo los cimientos del edificio barreras que constan de un centenar de anillos concéntricos de material plástico y hormigón. En caso de terremoto, las ondas sísmicas, al viajar más fácilmente en el seno de los anillos, son redirigidas hacia el exterior de esta barrera. Como resultado, los efectos del terremoto se canalizan fuera del edificio y se disipan en el suelo.

Refuerzos estructurales del edificio

Para evitar el colapso de la construcción, las fuerzas sísmicas se tienen que redistribuir a lo largo de la estructura del edificio. Por ello, resultan fundamentales los muros de carga, las crucetas, los diafragmas y los pórticos.

• Los muros de carga, hechos de múltiples paneles, suelen estar soportados por riostras diagonales de acero, capaces de aguantar fuerzas de compresión y tensión. Al contrarrestar estos empujes y presiones se mantiene la integridad del edificio durante el seísmo.
• Los diafragmas, que suelen colocarse en los forjados,ayudan a eliminar las tensiones horizontales, transfiriéndolas hacia las estructuras verticales del edificio.
• Los pórticos resistentes a momentos angulares, al permitir que las columnas, los pilares y las vigas se doblen mientras las uniones permanecen rígidas, brindan flexibilidad adicional a la estructura.

Materiales sismorresistentes

Sin duda, la selección de los materiales constructivos es clave en el diseño de IFMIF-DONES. Para que un material resista las tensiones y las vibraciones debe ser elástico, es decir, capaz de tolerar grandes deformaciones y tensiones y recuperarse tras la perturbación. El acero estructural, con una enorme variedad de formas, permite que los edificios sufran flexiones sin llegar a quebrarse (la madera también es un material sorprendentemente elástico, con una gran resistencia a pesar de su ligereza).

Materiales innovadores

La ciencia y la ingeniería están desarrollando nuevos materiales de construcción^[4], por ejemplo aleaciones con «memoria», capaces de soportar fuertes tensiones y de recobrar su forma original. Envolturas plásticas reforzadas con fibra, capaces, por ejemplo, de proporcionar a columnas y pilares hasta un 38 % de resistencia y elasticidad adicionales.

En consecuencia, en el diseño de IFMIF-DONES se han aplicado óptimas soluciones de ingeniería sísmica, convenientemente adaptadas al entorno local de Escúzar, asegurando así un alto grado de robustez y resiliencia estructural para proteger a las personas y a las inversiones tecnológicas.

En IFMIF-DONES seguimos innovando.

[1] Puede sorprender que uno de los métodos más precisos para medir el desplazamiento de las placas continentales repose en la observación de los cuásares. Se conocen más de doscientos mil de tales objetos astronómicos, todos ellos tan distantes de la Tierra (el más cercano está a 780 millones de años luz y el más lejano a 13000 millones de años luz) que sus movimientos propios son indetectables. Así, cuando un observatorio astronómico divisa un cambio de posición de un cuásar, éste sólo cabe interpretarlo como el movimiento de la placa continental en que se asienta el observatorio. De este modo se ha averiguado que las placas continentales suelen trasladarse a velocidades de apenas unos pocos centímetros al año. Por el contrario, durante un seísmo, este desplazamiento es mucho mayor.

[2] El movimiento de estas placas, además de ir acercando África y Europa unos cuatro o cinco milímetros al año, también causa anualmente varios cientos de seísmos, imperceptibles en su inmensa mayoría.

[3] A finales del siglo pasado surgió una nueva disciplina, llamada óptica de transformación, que estudia la posibilidad de invisibilizar objetos frente a las ondas electromagnéticas, por ejemplo, buscando materiales con índices de refracción negativos.

Advirtiendo las analogías entre las ondas electromagnéticas y sísmicas (reemplácense los conceptos permitividad eléctrica y permeabilidad magnética por, respectivamente, densidad y módulo de elasticidad del suelo), recientemente se están tratando de transferir a la sismología los conocimientos adquiridos en el ámbito de la óptica de transformación.

[4] La ciencia de los materiales está investigando las propiedades de algunas sustancias naturales para reforzar la estructura de las edificaciones. Por ejemplo, buscando aplicaciones para las fibras adhesivas pero rígidas de los mejillones o la seda de los arácnidos. por otro lado, el bambú y los materiales impresos en 3D, permiten crear estructuras entrelazadas livianas sin limitación de forma, capaces de conferir mayor resistencia a los edificios.