Para diseñar edificios que puedan resistir las tormentas más grandes, Kostas Keremidis, un doctorado candidato en el MIT Concrete Sustainability Hub, está utilizando la investigación a la escala más pequeña:la del átomo.

Su acercamiento, que se deriva parcialmente de la ciencia de los materiales, modela un edificio como una colección de puntos que interactúan a través de fuerzas como las que se encuentran a escala atómica.

"Cuando miras un edificio, en realidad es una serie de conexiones entre columnas, ventanas puertas etcétera, ", dice Keremidis." Nuestro nuevo marco analiza cómo los diferentes componentes del edificio se conectan entre sí para formar un edificio como los átomos forman una molécula; fuerzas similares los mantienen unidos, tanto a escala atómica como de construcción ". El marco se denomina modelado estructural basado en la dinámica molecular.

Finalmente, Keremidis espera que proporcione a los desarrolladores y constructores una nueva forma de predecir fácilmente los daños a los edificios por desastres como huracanes y terremotos.

Haciendo modelos

Pero antes de que pueda predecir los daños en los edificios, Keremidis primero debe ensamblar un modelo.

Comienza tomando un edificio y dividiendo sus respectivos elementos en nodos, o "átomos". Este es un procedimiento estándar llamado "discretización, "mediante el cual un edificio se divide en diferentes puntos. Luego, le da a cada" átomo "propiedades diferentes según su material. Por ejemplo, el peso de cada "átomo" puede depender de si es parte de un piso, una puerta, una ventana, etcétera. Después de modelarlos, él define sus lazos.

El primer tipo de enlace entre puntos en un modelo de construcción se llama enlace axial. Estos describen cómo los elementos se deforman bajo una carga en la dirección de su tramo; en otras palabras, modelan cómo una columna se encoge y luego rebota bajo una carga, como un manantial.

El segundo tipo de conexión es el de los enlaces angulares, que representan cómo elementos como una viga se doblan en la dirección lateral. Keremidis utiliza estas interacciones verticales y laterales para modelar la deformación y rotura de diferentes elementos de construcción. La rotura ocurre cuando estos enlaces se deforman demasiado, como en estructuras reales.

Para ver cómo le irá a uno de sus edificios en condiciones como tormentas o terremotos, Keremidis debe probar a fondo estos átomos ensamblados y sus enlaces en numerosas simulaciones.

"Una vez que tenga mi modelo y mi edificio, Luego corro alrededor de las 10, 000 simulaciones, "explica Keremidis." Puedo asignar 10, 000 cargas diferentes a un elemento o edificio, o también puedo asignar ese elemento 10, 000 propiedades diferentes ".

Para que él evalúe los resultados de estas condiciones o propiedades simuladas, Keremidis vuelve a los bonos. "Cuando se deforman durante una simulación, estos enlaces intentarán devolver el edificio a su posición original, ", señala." Pero también pueden dañarse, también. Así es como modelamos el daño:contamos cuántos enlaces se destruyen y dónde ".

El daño está en los detalles

Las innovaciones del modelo en realidad radican en su predicción de daños.

Tradicionalmente, Los ingenieros han utilizado un método llamado análisis de elementos finitos para modelar los daños en los edificios. Como el enfoque del MIT, también descompone un edificio en partes componentes. Pero generalmente es una técnica que requiere mucho tiempo y que se basa en la elasticidad de los elementos. Esto significa que solo puede modelar pequeñas deformaciones en un edificio, en lugar de deformaciones inelásticas a gran escala, como una fractura, que ocurren con frecuencia bajo cargas de huracanes.

Un beneficio adicional de su modelo de dinámica molecular es que Keremidis puede explorar "diferentes materiales, diferentes propiedades estructurales, y diferentes geometrías de edificios "jugando con el diseño y la naturaleza de los átomos y sus enlaces. Esto significa que la dinámica molecular puede modelar potencialmente cualquier elemento de un edificio, y más rápido, también.

Al escalar este enfoque más allá de los edificios individuales, La dinámica molecular también podría informar mejor a la ciudad, estado, e incluso esfuerzos federales de mitigación de peligros.

Para la mitigación de peligros, Las ciudades actualmente dependen de un modelo de la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) llamado HAZUS. Se necesitan datos meteorológicos históricos y una docena de modelos de construcción estándar para predecir el daño que una comunidad podría experimentar durante un peligro.

Si bien es útil, HAZUS no es ideal. Ofrece alrededor de solo una docena de tipos de edificios estandarizados y proporciona en lugar de cuantitativo, resultados.

El modelo MIT, sin embargo, permitirá a las partes interesadas entrar en más detalles. "Con HAZUS de FEMA, el nivel actual de categorización es demasiado burdo. En lugar de, deberíamos tener 50 o 60 tipos de edificios, ", dice Keremidis." Nuestro modelo nos permitirá recopilar y modelar esta gama más amplia de tipos de edificios ".

Dado que mide el daño contando los enlaces rotos entre átomos, un enfoque de dinámica molecular también cuantificará más fácilmente el daño que las amenazas como tormentas de viento o terremotos pueden infligir a una comunidad. Esta comprensión cuantificable de los daños por peligros debería conducir a estimaciones más precisas de los costos de mitigación y recuperación.

Según la Oficina de Presupuesto del Congreso de EE. UU., En la actualidad, las tormentas de viento causan daños por valor de 28.000 millones de dólares al año. Para 2075, Causarán $ 38 mil millones, debido al cambio climático y al desarrollo costero.

Con un enfoque de dinámica molecular, Los desarrolladores y las agencias gubernamentales tendrán una herramienta más para predecir y mitigar estos daños.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.