Presentación del péndulo invertido como mecanismo de rigidez negativa y de un novedoso sistema estructural para mejorar el comportamiento sísmico mediante un enfoque de rigidez cuasi-cero

Por qué importan los edificios más seguros

Para las personas que viven en regiones propensas a terremotos, la seguridad de los edificios no es una preocupación abstracta: determina si viviendas, hospitales e infraestructuras críticas siguen siendo utilizables tras un gran movimiento. Este estudio presenta una nueva forma de proteger los edificios frente a los terremotos replanteando cómo se conectan al terreno. En lugar de limitarse a hacer las estructuras más fuertes o rígidas, los autores diseñan un sistema de apoyo ingenioso que permite al edificio moverse de forma controlada y suave, de modo que las sacudidas peligrosas se filtran antes de alcanzar las plantas ocupadas.

Cómo suelen combatir los edificios los terremotos

Los edificios tradicionales se diseñan principalmente para soportar la carga vertical procedente de forjados, muros y cubiertas. Con el tiempo, los ingenieros añadieron arriostramientos, muros de corte y marcos rígidos para manejar mejor los empujes laterales producidos por los terremotos. Estas medidas incrementan la rigidez lateral del edificio, lo que ayuda a resistir fuerzas intensas pero también puede generar grandes esfuerzos internos y daños cuando el terreno se mueve de forma rápida. Para reducir este problema, los sistemas modernos de aislamiento sísmico colocan elementos flexibles —como apoyos de caucho o péndulos deslizantes— entre el edificio y su cimentación. Estos sistemas alargan el periodo natural de oscilación del edificio, de modo que se desplaza fuera de fase con las frecuencias sísmicas más dañinas, reduciendo las sacudidas que alcanzan la estructura.

Un giro novedoso: usar “rigidez negativa”

La innovación de este trabajo consiste en combinar deliberadamente dos comportamientos opuestos en un sistema híbrido: rigidez positiva, que tiende a devolver un objeto desplazado a su posición de origen, y rigidez negativa, que tiende a empujarlo a alejarse más. La parte positiva la proporciona un aislador basado en un péndulo —similar en espíritu a los apoyos pendulares existentes—, mientras que la parte negativa procede de un péndulo invertido formado por un núcleo central pesado apoyado sobre columnas con apoyos articulados. Dispuestos conjuntamente, la envolvente estructural exterior reposa sobre aisladores pendulares que tienden a recentrarla, mientras que el núcleo interior más pesado se comporta como una columna levemente inestable que “suaviza” la resistencia lateral global. El resultado es un estado de rigidez cuasi-cero: en un rango útil de movimiento, el edificio se siente extremadamente flexible, por lo que oscila de forma lenta y suave en lugar de sacudirse con el terreno.

Cómo funciona el sistema híbrido en la práctica

Para comprender el mecanismo, los autores primero formulan las ecuaciones de movimiento para un par de péndulos conectados —uno normal y otro invertido— utilizando métodos energéticos. Estas ecuaciones muestran que introducir rigidez negativa aumenta efectivamente el periodo de vibración del sistema, como si un péndulo corto se comportara de repente como uno mucho más largo. En pruebas numéricas, un péndulo de un metro equipado con rigidez negativa respondió como si tuviera cinco metros. El equipo luego simula la respuesta del sistema bajo tres registros sísmicos bien conocidos de Estados Unidos y Japón. Comparan varios casos: una estructura con base fija, una estructura con aislamiento de solo rigidez positiva y el nuevo sistema híbrido con distintos niveles de amortiguamiento.

Qué revelan las simulaciones

Los análisis sísmicos muestran que añadir rigidez negativa reduce drásticamente la aceleración transmitida a la estructura, haciendo que el movimiento sea más suave y menos violento para los ocupantes y el contenido. Es importante destacar que, a diferencia de muchos aisladores convencionales que logran menores aceleraciones a costa de mayores desplazamientos, el sistema propuesto puede reducir también los desplazamientos. Medidas basadas en energía confirman que el aislador híbrido permite que entre menos energía sísmica en la estructura en comparación tanto con un armazón fijo como con un sistema aislado estándar con el mismo periodo básico. El análisis por Transformada Rápida de Fourier, que descompone el movimiento en sus componentes de frecuencia, demuestra además que el sistema híbrido filtra gran parte del contenido de frecuencia dañina, mientras que el amortiguamiento añadido mantiene la resonancia bajo control.

Probando la idea en un edificio realista

Para ir más allá de modelos abstractos, los autores diseñan un armazón metálico de cuatro plantas compuesto por dos partes que interactúan. Los marcos exteriores reposan sobre aisladores pendulares y aportan rigidez positiva, mientras que el bloque central más pesado se apoya sobre columnas con apoyos articulados que actúan como el péndulo invertido. Simulaciones numéricas con software estructural comercial muestran que esta configuración puede lograr un periodo efectivo extremadamente largo —comparable al de un edificio apoyado sobre un péndulo de decenas de metros de altura, aunque la longitud real del péndulo sea de solo alrededor de un metro. Bajo terremotos intensos, las aceleraciones en los forjados del edificio caen a niveles cercanos a cero y los desplazamientos permanecen modestos. Estudios adicionales examinan cómo la sensibilidad del periodo del sistema depende de la relación de masas entre las dos partes, cómo se mantiene estable frente al vuelco y cómo se podrían emplear bloqueos mecánicos o electrónicos simples para mantenerlo inmóvil ante el viento o el uso cotidiano, liberándolo solo durante sismos.

Qué supone esto para los edificios del futuro

En términos sencillos, esta investigación muestra que equilibrando cuidadosamente un sistema pendular estable frente a un péndulo invertido intencionadamente inestable, los ingenieros pueden crear apoyos para edificios extraordinariamente blandos frente a la sacudida sísmica sin necesitar espacios pendulares altos y engorrosos. El propio núcleo pesado del edificio pasa a formar parte del mecanismo de protección, convirtiendo la rigidez negativa de un problema en una herramienta. Los modelos y las simulaciones del estudio sugieren que un aislador híbrido de este tipo puede reducir drásticamente tanto las sacudidas como los movimientos de las estructuras durante los terremotos, manteniendo al mismo tiempo estabilidad y viabilidad constructiva. Si se desarrolla y prueba experimentalmente, este enfoque podría dar lugar a una nueva generación de edificios resistentes a terremotos que se sientan casi tranquilos incluso cuando el terreno se mueve violentamente.

Cita: Azizi, A., Barghian, M. Introducing the inverted pendulum as a negative stiffness mechanism and a novel structural system to improve seismic performance using a quasi-zero stiffness approach. Sci Rep 16, 14343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42589-7

Palabras clave: aislamiento sísmico, rigidez negativa, sistemas de péndulo, ingeniería sísmica, control de vibraciones