EVALUACION DEL RIESGO SÍSMICO MEDIANTE EL MÉTODO DEL ÍNDICE DE VULNERABILIDAD. APLICACIÓN AL MICROCENTRO DE LA CIUDAD DE SALTA, ARGENTINA Ing. Roberto A. Caro Profesor Titular, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Salta Avda. Bolivia Nº 5150. (4400) Salta.
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Resumen Las ciudades en zonas de alta sismicidad están sometidas a la amenaza que significan los sismos. Esta es una de las causas que produce mayor pérdida de vidas humanas y económicas, es decir lo que más incrementa el riesgo en éstas zonas son los sismos, y la mayor parte de las mencionadas pérdidas se deben al comportamiento sísmico inadecuado de los edificios. Existen dos tipos de medidas para reducir el riesgo sísmico: 1. Incrementar la seguridad sísmica de las estructuras existentes y futuras. 2. Desarrollar planes de emergencia que permitan actuar una vez ocurrida la catástrofe sísmica. Ambas acciones requieren la estimación previa del riesgo sísmico en la zona, lo que también implica evaluar la vulnerabilidad de los edificios. Actualmente, los estudios que se requieren para estimar el comportamiento sísmico de estructuras existentes se enmarcan dentro del campo de la vulnerabilidad sísmica, el cual forma parte del campo más amplio de la ingeniería sísmica y de la dinámica estructural. Obviamente los estudios de vulnerabilidad se extienden también a otras disciplinas relacionadas, como pueden ser la planificación urbana y la protección civil. Sin embargo, una de sus mayores aplicaciones se encuentra en el cálculo y en la mitigación del riesgo sísmico. Para reducir el riesgo sísmico en zonas urbanas existentes debemos buscar estrategias adecuadas para reducir la vulnerabilidad de las estructuras. Dentro del marco teórico, se presentan las últimas metodologías desarrolladas para evaluar el riesgo sísmico mediante el índice de vulnerabilidad. Todo esto tendiente a aplicarla, sobre todo en aquellos países en donde existe un gran vacío en los estudios de vulnerabilidad, siendo una poderosa herramienta que puede ser usada y calibrada en diferentes zonas sísmicas. En este etapa se muestran los primeros estudios realizados para la determinación del Riesgo Sísmico aplicado al microcentro de la Ciudad de Salta. Para ello se demarcó una zona de 24 manzanas.
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RIESGO Y VULNERABILIDAD SÍSMICA El concepto de riesgo sísmico Los sismos fuertes son los causantes de catástrofes naturales tan terribles, que se calcula en más de catorce millones el número de víctimas que han provocado en todo el mundo desde 1755. Durante el siglo pasado se han producido en el mundo más de de 1100 sismos fuertes, ocasionando la pérdida de más de un millón y medio de personas. Ejemplos que se refieren sólo al último cuarto de siglo, demuestran demuestran las grandes grandes pérdidas producidas producidas por sismos tan destructivos como los de Rumanía (1977), Chile (1985), México (1985), Armenia (1988), Estados Unidos (1987, 1989, 1994), Colombia (1983, 1994) o Japón (1995). Por todo ello, en el mundo entero empezaron a realizarse investigaciones para encontrar medidas que permitan mitigar el efecto de los desastres sísmicos. Obviamente, a la pérdida de vidas humanas debe añadirse las también cuantiosas pérdidas ocasionadas por la interrupción de la actividad económica, de las líneas de comunicación y de los servicios públicos. En este contexto, el riesgo sísmico se ha definido como las pérdidas esperadas en un elemento en riesgo durante un período de tiempo especificado. El elemento en riesgo puede ser un edificio, un grupo de edificios, una zona urbana, una ciudad entera o las personas que viven en los mencionados edificios o ciudad. Pero el elemento en riesgo también podría ser la actividad económica desarrollada en la zona, los servicios públicos o las líneas de comunicación. Por este motivo, el riesgo puede medirse en términos de pérdidas de vidas humanas, de pérdidas económicas o de daño físico de las estructuras, dependiendo dicha definición de cuál es el elemento en riesgo. Definición del riesgo sísmico En la evaluación del riesgo se requiere la definición previa de los conceptos de peligrosidad sísmica y de vulnerabilidad sísmica. La peligrosidad sísmica representa la probabilidad de ocurrencia, dentro de un período específico de tiempo y dentro de un área dada, de un movimiento sísmico del terreno, de un nivel de severidad determinado. La sismología es la ciencia que proporciona los datos necesarios necesarios para la definición definición de la acción sísmica. La vulnerabilidad sísmica de una estructura, grupo de estructuras o de una zona urbana completa se define como la predisposición intrínseca a sufrir daño ante la ocurrencia de un movimiento sísmico de una severidad determinada. La vulnerabilidad está directamente relacionada con las características de diseño de la estructura. Es obvio que los avances que se realizan en el campo del diseño de estructuras pueden aplicarse solamente a las nuevas. Sin embargo el número de éstas es muy pequeño en comparación con el número total de estructuras existentes en una zona. Consecuentemente, para reducir las pérdidas debidas a los sismos, es necesario mejorar también el comportamiento de las estructuras antiguas. Dicha mejora requiere una evaluación previa del comportamiento sísmico esperado de las estructuras de la zona, lo que ha sentado las bases de los estudios de vulnerabilidad sísmica de las estructuras. Éstos están orientados hacia la predicción de daños esperados en las estructuras, en el caso de que ocurra un sismo de una determinada fuerza. A partir de dicha predicción, pueden definirse soluciones de reducción de la vulnerabilidad estructural y, en consecuencia, de las pérdidas esperadas, es decir del riesgo sísmico.
Refiriéndonos solo a las estructuras, se define al riesgo sísmico como “el “el grado de pérdidas esperadas que sufren las estructuras durante su período de vida útil, en el cual permanecen expuestas a la acción sísmica”. sísmica”.
Las definiciones anteriores hacen referencia a la interrelación existente entre peligrosidad, vulnerabilidad y riesgo sísmicos: el riesgo depende tanto de la vulnerabilidad de la estructura 2
como de la peligrosidad en el emplazamiento y se expresa en costos que pueden ser de cualquier tipo: físico o mecánico, económico, financiero, social, humano, etc.
Formulación matemática del problema de evaluación del riesgo sísmico El daño que sufre una estructura como consecuencia de un movimiento sísmico fuerte depende de tres factores: 1. La severidad del sismo en el emplazamiento 2. Las características de la estructura 3. Las funciones que relacionan el grado de daño esperado con la fuerza del sismo Presentamos un marco matemático del concepto de riesgo sísmico. Parte de definir el riesgo sísmico específico S , como la probabilidad de que una estructura o grupo de estructuras sufra uno o varios grados de daño durante un tiempo dado. Matemáticamente esto significa que dicho riesgo se obtiene mediante la operación de convolución (x) entre la peligrosidad sísmica H , definida como la probalidad de ocurrencia de todos los niveles posibles de fuerza de los sismos en la zona, y la vulnerabilidad V correspondiente a cada nivel de fuerza mencionado: S
H xV
(1)
El riesgo sísmico R se obtiene mediante la operación de convolución (x) entre S y el valor C de los elementos en riesgo: R
S x C H x V x C
(2)
El valor C de los elementos en riesgo proviene tanto de los costos directos de los elementos estructurales, no estructurales y del contenido del edificio, como de los costos indirectos. Estos últimos pueden ser por una parte sociales y por otra la reducción debida a la interrupción del servicio de las estructuras y de las comunicaciones. El riesgo sísmico puede expresarse como pérdida de vidas humanas, como pérdidas económicas o en forma de daño físico de las estructuras. Haciendo referencia solo al caso de los edificios, es útil expresar el valor de su daño físico como el costo de reparación de todo lo que ha sido dañado o puesto fuera de uso por el sismo. Es necesario tener en cuenta que el valor del daño o incluso del colapso sufrido en los edificios de carácter histórico es enorme y, en muchos casos, imposibles de evaluar económicamente.
Aplicación práctica de los estudios de riesgo sísmico Después de haber visto una de las maneras de cuantificar el riesgo sísmico, sería interesante plantear el problema de cuáles son los posibles usos prácticos que pueden darse a un estudio de riesgo y de quienes serían sus posibles usuarios. Podemos analizar las posibles decisiones que toman distintos usuarios a partir de resultados de estudios de riesgo sísmico, tipificando tres casos: 1. Decisiones preventivas de carácter normativo para el diseño sismorresistente. Las decisiones se deben tomar por los que elaboran las normativas de diseño antes de que se haya producido un sismo severo. Por ello se las denomina decisiones “a priori”.
2. Decisiones preventivas relacionadas con la determinación de las primas de seguro sobre bienes en riesgo sísmico , que requieren la inspección de la estructura después de un sismo severo, para así poder actualizar los datos acerca de su vulnerabilidad. P or ello son conocidas como decisiones “a posteriori”.
3. Decisiones preventivas a tomar por los responsables de protección civil u otros servicios de emergencia que lleven la elaboración de planes para reducir los efectos de los sismos. Una vez producido el accidente por sismo, en el 3
marco de los planes desarrollados a priori, se toman decisiones en tiempo real acerca de la intervención en las zonas afectadas. Tales decisiones deben tomarse con rapidez, a medida que se recibe la información de los daños producidos. Con respecto a esta última tipología de decisiones, podemos profundizar, pero contemplando otras facetas del problema como, por ejemplo, las posibles formas de reducir el efecto de los sismos. Debido al continuo crecimiento del tamaño de las ciudades, el potencial de destrucción masiva de los sismos también se incrementa paulatinamente. Como consecuencia, el riesgo sísmico en el mundo ha llegado a ser actualmente mayor que nunca en toda la historia y, además, sigue creciendo. Durante la segunda mitad del siglo XX, se han producido en distintas regiones del planeta catástrofes sísmicas sin precedentes. Si las autoridades responsables no empiezan a realizar esfuerzos importantes orientados a la reducción del riesgo, es muy probable que en el futuro ocurran con más frecuencia catástrofes similares o aun más graves. Habitualmente, por “mitigación del riesgo sísmico” se entiende, en el ámbito de la ingeniería,
la totalidad de acciones que tienen como objetivo la mejora del comportamiento sísmico de los edificios de una zona a fin de reducir los costos de los daños estructurales esperados durante un sismo. Últimamente se ha introducido en la práctica otro término, el de “ prevención sísmica”, que es similar al anterior pero de un contenido más amplio: incluye
aspectos humanos, sociales y gubernamentales relacionados con la reducción de los efectos sísmicos. La forma de mitigar el riesgo sísmico en una zona urbana puede estudiarse partiendo de la definición del riesgo R. De acuerdo a las ecuaciones presentadas de R, es obvio que para disminuir el riesgo R debe disminuirse la peligrosidad H, la vulnerabilidad V o el costo C. Es posible reducir la peligrosidad sísmica actuando sobre las condiciones locales del suelo. En cuanto a la reducción de la vulnerabilidad, se deben considerar dos casos. El primero es el de las construcciones nuevas, que se encuentran en etapa de proyecto; la reducción de su vulnerabilidad puede lograrse mejorando su diseño sismorresistente especialmente mediante el cumplimiento de todos los requisitos de las normativas sísmicas del lugar. Por ello, es también muy importante que dichas normativas se perfeccionen y actualicen a medida del avance de los conocimientos del comportamiento sísmico de las estructuras. Adicionalmente, es esencial mejorar también la tecnología y la calidad de la construcción. El segundo caso es el de las construcciones ya existentes. En la práctica, es éste el caso más común, debido a la existencia de un número mayor de obras construidas que de obras por construir. La única forma de mitigar el riesgo sísmico en este caso es reduciendo la vulnerabilidad de las estructuras de la zona a partir de una evaluación de las pérdidas sísmicas esperadas, lo que permite realizar un estudio económico costo-beneficio para decidir entre el refuerzo, la rehabilitación o la demolición. Para reducir las pérdidas humanas se deben emprender campañas de preparación y educación de la población acerca de las formas de protegerse durante los sismos. El número de víctimas también podría reducirse elaborando códigos de urbanización que traten de evitar concentraciones masivas en sitios de riesgo. Asimismo, es importante que los centros de atención hospitalaria y auxilio frente a catástrofes estén ubicados en los lugares más estratégicos y que su número sea adecuado a la población de la zona. En la puesta en marcha de un plan de prevención sísmica en una cierta zona, tienen que tomarse medidas relacionadas con campos muy diversos, tales como la mejora del diseño de estructuras, el incremento de la calidad de la construcción, la toma de decisiones políticas y administrativas, la educación de la población, etc. Este hecho confiere a la prevención sísmica un carácter multidisciplinario y hace que en su puesta en práctica estén involucradas todas las personas que viven en la zona. 4
Dilemas éticos en el uso del concepto de riesgo sísmico La mayoría de los problemas relacionados con la acción sísmica son polifacéticos por su naturaleza y su resolución tiene carácter multidisciplinario, implicando incertidumbres, juicios de expertos y ponderación de criterios completamente opuestos; también requiere la toma de decisiones difíciles que, a veces, tienen un carácter político. Una de las primeras dificultades con las que se enfrenta el ingeniero proyectista al plantearse la reducción del riesgo en una zona sísmica es la de identificar, entender y aceptar el riesgo en el que se encuentran todas las estructuras y cualquiera de sus elementos. Cualquier análisis del problema debe partir del hecho de que es imposible eliminar completamente el riesgo. A esto se añade el hecho de que los conocimientos acerca del riesgo son aun incompletos y los resultados están afectados por un alto nivel de incertidumbres. Éstas repercuten en cualquier decisión relacionada con el riesgo sísmico de las estructuras; incluso las que se toman inmediatamente después de un sismo están condicionadas por las incertidumbres en la ocurrencia de próximos sucesos sísmicos en la zona. Debido a las incertidumbres en los resultados de los estudios de riesgo sísmico surgen dilemas éticos y morales referentes al uso que debe darse a tales resultados. Concretamente, se plantea el problema de cómo interpretarlos y a quién revelarlos. En California, por ejemplo, el criterio para dar a conocer tal información es la existencia de una situación de riesgo inminente para la población. Si un especialista en el tema observa una situación de este tipo, está obligado a avisar a los posibles afectados. Sin embargo, no ha sido posible hasta ahora dar una definición, aceptada por todas las partes implicadas, de lo que es una situación de riesgo inminente, en el contexto de sucesos tan poco frecuentes y tan difícilmente predecibles, pero con consecuencias tan terribles, como son los sismos. No obstante, otros especialistas tienen dudas acerca de que ésta sea la mejor línea de actuación en un caso como éste. Algunos consideran que la solución consiste en influir en los responsables políticos, a través de las Asociaciones Profesionales, para que tomen las medidas oportunas. Otros opinan que a partir de un cierto nivel de riesgo sísmico es necesario avisar directamente a los posibles afectados. Esto hace que surja otro dilema: ¿Cuál es el nivel de riesgo que se puede aceptar y a qué precio? Distintos grupos de personas, relacionados de distinta forma con el tema, pueden tener opiniones diferentes acerca del riesgo aceptable; entre estos grupos pueden encontrarse los propietarios de edificios, los inquilinos, los responsables del municipio, los especialistas en riesgo sísmico, etc. A medida que los métodos de análisis sísmico de estructuras, la ingeniería de la construcción y la teoría de las decisiones avanzan, los conocimientos del riesgo sísmico mejoran y también su cuantificación es más precisa. En este sentido, puede mencionarse que hoy en día se dispone de metodologías de evaluación de pérdidas, de técnicas de investigación del comportamiento sísmico de las estructuras, de un mejor conocimiento de la relación entre el daño físico y el daño económico, de nuevos procedimientos de rehabilitación, de descripciones probabilísticas de la peligrosidad, de mapas de peligrosidad, de escenarios de riesgo sísmico, de técnicas avanzadas de reducción de la vulnerabilidad de las estructuras (por ejemplo, mediante sistemas de aislamiento de base o de disipación de energía), de datos observados acerca del comportamiento real de estructuras proyectadas usando normativas sismorresistentes modernas, etc. Pero en este nuevo contexto, se plantea la cuestión de si las mejoras en la cuantificación del riesgo sísmico requieren un cambio en las obligaciones sobre la revelación de los resultados que se obtienen. Por ejemplo, al tenerse hoy en día conocimientos más amplios acerca del comportamiento de los edificios, ¿debe informarse a los usuarios de que un edificio, proyectado correctamente hace 20 años, puede que no se comporte adecuadamente durante un futuro sismo? Puede plantearse un dilema similar sobre la necesidad de informar a los usuarios cuando crece la probabilidad de que ocurra un sismo en una zona en la que existen estructuras de alto riesgo. Hubo una época, ya bastante lejana, en la que existía la posibilidad de que el proyectista se encontrase en la punta del conocimiento técnico. Hoy en día, debido al rápido desarrollo de la 5
ciencia y de la tecnología, se produce un importante atraso en la incorporación de los conocimientos más avanzados en el diseño y en las normativas de diseño. Y uno de los aspectos menos tenidos en cuenta en el diseño es el del riesgo sísmico. No obstante, su consideración en las tomas de decisiones de diseño es científicamente posible y perfectamente aplicable en la práctica. Por este motivo, sería ético elaborar normativas de diseño sismorresistente, proyectar y construir edificios teniéndolo en cuenta como un factor importante.
VULNERABILIDAD SÍSMICA Y DISEÑO SISMORRESISTENTE La relación vulnerabilidad - diseño La causa más frecuente de pérdidas de vidas durante los sismos es el colapso de edificios. Esta afirmación tan tajante debe matizarse para tener en cuenta las diferencias que existen entre las características de diseño de los edificios en diferentes zonas sísmicas del mundo. Por ejemplo, en el caso de California o Japón, donde la calidad de diseño y construcción sismorresistente de los edificios es alta, sólo un número muy pequeño de ellos llegan a sufrir un colapso total durante los sismos. Por este motivo, la mayoría de las víctimas que se producen en esos países se debe a la falla de los elementos no estructurales o a accidentes. No hay dudas de que en muchas zonas sísmicas se han producido y se están produciendo continuamente mejoras en la práctica del diseño y construcción que tienen como resultado un incremento del número de edificios sismorresistentes, es decir, una reducción de la vulnerabilidad sísmica. Sin embargo, ésta es insuficiente para contrarrestar el incremento mucho mayor de la población en riesgo en algunas de las mencionadas zonas. Por ejemplo, si en una zona sísmica el porcentaje anual de crecimiento de la población fuera del 1.6%, dicha población se duplicaría en 44 años. Para mantener el riesgo sísmico constante en la zona, sería necesario reducir la vulnerabilidad a la mitad en el mismo período de tiempo, en el supuesto que la sismicidad y los costos de los edificios se mantuviesen constantes. Partiendo de esta observación, es fácil ver que el riesgo sísmico se polariza: en los países industrializados, en los que el porcentaje anual de crecimiento de la población es muy pequeño, se alcanzan grados de seguridad cada vez más altos, mientras que la población en continuo crecimiento de los países en vías de desarrollo estará cada vez más expuesta a desastres sísmicos potenciales. Aunque la vulnerabilidad sísmica está directamente relacionada con la calidad de diseño y construcción de los edificios, que depende en gran medida del nivel científico-técnico de las normativas, es relevante destacar que sólo unos 44 países del mundo tienen actualmente una normativa sísmica propia. Formas de cuantificar la vulnerabilidad sísmica Tal como se definió anteriormente, la vulnerabilidad sísmica es el grado de daño que sufre una estructura debido a la acción de un sismo de determinadas características. El concepto de vulnerabilidad sísmica definido de esta manera es aplicable a cualquier obra de ingeniería civil (edificio, presa, carretera, puente, etc.) cuyo comportamiento frente a un posible sismo se requiera conocer. El resultado de un estudio de vulnerabilidad es siempre la descripción global del daño que experimentaría una estructura de una tipología dada, sometida a la acción de un sismo de un cierto nivel de fuerza y caracterizado por determinados parámetros. La manera concreta en la que se haga la mencionada descripción, tanto del daño estructural como del nivel de severidad del sismo, condiciona el resultado de cualquier estudio de vulnerabilidad sísmica. Para dar una definición general de la vulnerabilidad sísmica, se utilizará para el daño estructural un concepto intuitivo, como es el de “ nivel de daño”, al que
denominaremos N D. El nivel de severidad de un sismo debe caracterizarse mediante parámetros capaces de describir la peligrosidad sísmica. Una vez precisados estos aspectos, el resultado de un estudio de vulnerabilidad puede formularse de las dos formas siguientes: 6
1. Mediante matrices de probabilidad de daño , que expresan en forma discreta la probabilidad condicional de obtener un nivel de daño igual a j, dado un sismo con un nivel de severidad i. 2. Mediante funciones de vulnerabilidad , las cuales son relaciones gráficas o matemáticas que expresan en forma continua la vulnerabilidad en función de algún parámetro que describa la severidad del sismo. Es importante recalcar la influencia que tiene el así denominado “factor país” sobre las funciones de vulnerabilidad. Tales funciones, obtenidas para una cierta región, no pueden ser aplicadas directamente a cualquier otra región del mundo, sino que deben adecuarse mediante la utilización de factores empíricos, lo que tiene como efecto, por una parte, la modificación de la forma de las curvas y por otra, un incremento de las incertidumbres inherentes a los estudios de riesgo sísmico. Sin embargo, lo más útil sería disponer de funciones de vulnerabilidad propias para cada región en la que se requieran estudios de este tipo. Otro aspecto que influye determinantemente en las incertidumbres de los resultados es la selección del parámetro que expresa la severidad del sismo y la manera en que éste describe la peligrosidad sísmica. La obtención de los daños causados por sismos mediante inspecciones en las zonas afectadas, ha dado origen a las escalas de intensidad macrosísmica. La vulnerabilidad sísmica también nace de la observación y levantamiento de planos del estado de fisuración producido por sismos y por su posterior estudio estadístico. Este proceso, que tiene un carácter por una parte empírico y por otra subjetivo, permite obtener la denominada vulnerabilidad observada. La vulnerabilidad de los edificios que pertenecen a una misma tipología también puede cuantificarse mediante el cálculo de su respuesta sísmica no lineal, en cuyo caso se denomina vulnerabilidad calculada . En esta última situación se utilizan las mismas dos formas de caracterizarla, es decir, las matrices de probabilidad de daño o las funciones de vulnerabilidad. El resultado más importante de un cálculo de este tipo es un índice de daño que caracteriza globalmente la degradación que sufriría una estructura sometida a la acción de un sismo. El concepto de vulnerabilidad es indispensable en los estudios de riesgo sísmico y en la mitigación de desastres por sismos. Pero además de esto, dicho concepto también ha empezado a utilizarse por sí mismo con fines igualmente importantes como, por ejemplo, la evaluación de la vulnerabilidad de las diferentes zonas de las grandes ciudades. Actualmente, el concepto de vulnerabilidad se utiliza no sólo para aspectos estructurales sino también funcionales, operativos y urbanos. El objetivo de tales estudios es proporcionar información útil para la prevención de desastres, la planificación y el ordenamiento del territorio. En este sentido, constituyen un importante punto de partida para la toma de decisiones referentes, por ejemplo, a la rehabilitación o demolición de edificios peligrosos, a la ubicación de hospitales y de puestos de socorro en una cierta zona o al diseño de vías alternativas de escape y de rápido acceso de las ayudas hacia las zonas más vulnerables. Cabe destacar que también se están realizando estudios de vulnerabilidad sísmica de los equipos, de la maquinaria, así como del contenido en riesgo de ciertas estructuras frente a un posible sismo.
Formas de cuantificar el daño estructural En muchos de los estudios de vulnerabilidad y riesgo que se llevan a cabo en el mundo, la evaluación del daño estructural de los edificios se realiza utilizando la definición de grado de daño global existente en las distintas escalas de intensidad macrosísmicas (por ej. Mercalli Modificada). Al ser éstas escalas de efectos, cuyos grados de intensidad se relacionan directamente con el daño, permiten llevar a cabo operaciones de inspección post-terremoto de edificios. Sin embargo, un análisis posterior, más detallado, de los resultados de daños obtenidos mediante inspección, requiere caracterizar el comportamiento sísmico global de los edificios, 7
utilizando un índice de daño global , que toma valores en una escala de 0 a 100. Éste debe representar globalmente el deterioro del conjunto de todos los elementos estructurales, incluyendo tanto la del sistema resistente vertical como la de los entrepisos, de la cubierta, etc. Por este motivo, es necesario disponer de una relación entre este índice de daño y el grado de daño establecido mediante inspección, según los grados de la Escala de Intensidades utilizada. Y obtener esta relación no es nada fácil. Existen actualmente varios métodos que permiten evaluar el riesgo sísmico de edificios. Algunos de ellos han sido desarrollados por el ATC-21(1988) y se utilizan mucho en los Estados Unidos. Otro es el método Italiano, uno de los más avanzados que existen hoy en día en el mundo y que permiten evaluar el riesgo sísmico no sólo de edificios individuales, sino también a escala urbana. En el marco de este último método, el tipo y el alcance del daño se evalúa mediante la inspección de cada uno de los elementos componentes de un edificio tanto los que forman parte del sistema estructural resistente como los no estructurales, y se clasifica de acuerdo con una escala propia de grados de daño.
MÉTODO ITALIANO Aspectos metodológicos Este método comienza a desarrollarse en Italia en el año 1978, a partir de los estudios realizados después del terremoto de Friuli. Utiliza los datos obtenidos mediante inspección para realizar una calificación de la calidad del diseño y construcción sismorresistente de los edificios mediante un coeficiente denominado índice de vulnerabilidad . La operación de calificación consiste en hacer una valoración de once parámetros estructurales preestablecidos por expertos y calcular, a partir de estos valores, el índice de vulnerabilidad; la valoración de algunos de estos parámetros se apoya también en cálculos estructurales simplificados. El método relaciona luego el índice de vulnerabilidad obtenido con el grado de daño que sufre la estructura, a través de funciones de vulnerabilidad para cada grado de intensidad macrosísmica del sismo o para diferentes niveles de aceleración máxima. También permite el uso de matrices de probabilidad de daño. El método ha sido desarrollado para el estudio tanto de los edificios de mampostería no reforzada como de los de hormigón armado. Sin embargo, la mayor parte de los esfuerzos se han dedicado a los primeros, debido a la gran cantidad de edificios de este tipo en Italia. De acuerdo con este método existen dos niveles en la obtención, mediante inspección, de los datos necesarios para los edificios. Éstos son: 1. Obtención de datos referentes al daño sufrido durante sismos , si tales datos existen; esta operación requiere la inspección post-terremoto de edificios. El resultado final es el índice de daño y, si se dispone de suficientes datos, funciones de vulnerabilidad correlacionando dicho índice con alguna característica que describa la peligrosidad. 2. Evaluación del índice de vulnerabilidad ; esta operación también requiere la inspección de edificios, pero ésta puede realizarse independientemente de la existencia de daños por sismo, puesto que en este caso dicha inspección está orientada a detectar las características de diseño sismorresistente y de construcción de las estructuras. La correlación de estos dos índices obtenidos como resultado de la inspección (índice de daño e índice de vulnerabilidad) permite obtener funciones de vulnerabilidad observadas. Caso de los edificios de mampostería no reforzada El estudio de estas construcciones es de importancia, debido a que en las grandes ciudades predominan los edificios antiguos, de mampostería no reforzada, que en muchos casos condicionan la vulnerabilidad de las zonas urbanas. 8
Para evaluar el daño global de un edificio de mampostería no reforzada, se califican sus elementos, tanto los que forman parte del sistema resistente como los no estructurales, en una escala entre A (ningún daño) y F (falla total). Los elementos considerados son: paneles verticales, entrepisos, cubiertas y escaleras. Una vez realizada esta evaluación, los grados de daño (A – F ) se deben relacionar con un índice de daño global del edificio entre 0 y 100. Un procedimiento de un edificio propuesto por Braga et al.(1985) considera como índice de daño global del edificio el nivel de daño alcanzado por los elementos del sistema resistente vertical, puesto que éste tiene la mayor influencia en el comportamiento global de la estructura. De esta manera, el índice de daño global de la estructura se expresa como indica la tabla 1.
Grado de daño en el sistema resistente vertical A B C D E F
Índice de daño global [%] 0 10 25 50 75 100
Tabla 1: Relación entre grado de daño e índice de daño global (Braga et al. (1985)). A partir de la experiencia de los expertos se han identificado once parámetros cuya influencia sobre el daño sísmico de los edificios de mampostería no reforzada es determinante (tabla 2). Calificación
Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
→
Parámetro Organización del sistema resistente Calidad del sistema resistente Resistencia convencional Influencia de la cimentación Elementos horizontales Configuración en planta Configuración en elevación Separación máxima entre muros Tipo de cubierta Elementos no estructurales Estado de conservación
K i
A
B
C
D
Wi
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
5 5 5 5 5 5 5 5 15 0 5
20 25 25 25 15 25 25 25 25 25 25
45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45
1 0,25 1,5 0,75 1 0,5 1 0,25 1 0,25 1
Tabla 2: Escala numérica del I. V. propuesto por Benedetti y Petrini (1984) para edificios de mampostería no reforzada. Cada parámetro se califica en una escala de A a D en forma decreciente, conforme la calidad del parámetro decrezca. Los detalles de los parámetros y las condiciones de calidad consideradas en su calificación mediante inspección se pueden ver a continuación: Una vez realizadas las calificaciones en clase de calidad A, B, C ó D de los once parámetros, se asignan valores numéricos K i a cada una de dichas clases de acuerdo con una escala 9
propuesta por Benedetti y Petrini (1984). El valor del índice de vulnerabilidad I , que sintetiza en un único número la calidad del diseño y construcción sismorresistente del edificio, se realiza sumando los valores K i de los once parámetros, ponderados por W i: v
11
I v
K iW i
(3)
i 1
A través de los valores del coeficiente de ponderación W i se atribuye una mayor o menor influencia a los once parámetros que se consideran en la determinación del índice de vulnerabilidad sísmica de un edificio. Los valores de W i y K i son subjetivos y provienen de la experiencia de los autores del método (Benedetti y Petrini (1984)). Del análisis de la Tabla 2 puede observarse que los valores posibles del índice de vulnerabilidad están comprendidos entre 0 y 382.5, creciendo conforme el edificio se muestra más vulnerable. Este índice se normaliza a valores entre 0 y 100. Diferentes estudios realizados en el marco de este método han permitido obtener correlaciones entre el índice de vulnerabilidad y el índice de daño para edificios de mampostería no reforzada, obteniendo así funciones de vulnerabilidad. Tales estudios utilizaron inspecciones post-sismo de los daños para establecer funciones de vulnerabilidad como las de la figura 1, que han sido obtenidas por Angeletti et al. (1988) después de los sismos de Venzone y Barrea en Italia.
Figura 1: Funciones de vulnerabilidad para edificios de mampostería no reforzada, propuestas por Angeletti et al. (1988). Caso de los edificios de hormigón armado Existen muchos menos estudios de riesgo sísmico de edificios de hormigón armado que de mampostería no reforzada. El método prevé un procedimiento de evaluación del grado de daño de los edificios de hormigón armado a partir de la inspección post-sismo de los edificios en una escala desde A (ningún daño) a F (daño completo). En la calificación se tiene en cuenta el estado de la estructura resistente vertical, los entrepisos, las cubiertas, las escaleras y el estado de los tabiques. En la evaluación mediante inspección del índice de vulnerabilidad sísmica de los edificios de hormigón armado se consideran de nuevo once parámetros que tienen mayor influencia en el daño. Cada parámetro es analizado y calificado en una escala que va desde A (óptimo) hasta C (deficiente). Ver tabla 3. Una vez obtenidas todas las calificaciones en clases de calidad A, B ó C de cada uno de los once parámetros, se les asigna a éstas un valor numérico K i, de acuerdo con una escala similar 10
a la utilizada en el caso de edificios de mampostería no reforzada. El valor del índice de vulnerabilidad I , que sintetiza en un único número la calidad del diseño y construcción sismorresistente del edificio, se realiza sumando los valores K i de los once parámetros, ponderados por W i, según la ecuación (3). v
Calificación
→
K i
Nº Parámetro A B C 1 Organización del sistema resistente 0 1 2 2 Calidad del sistema resistente 0 1 2 3 Resistencia convencional -1 0 1 4 Influencia de la cimentación 0 1 2 5 Elementos horizontales 0 1 2 6 Configuración en planta 0 1 2 7 Configuración en elevación 0 1 3 8 Conexión entre elementos 0 1 2 9 Elementos de baja ductilidad 0 1 2 10 Elementos no estructurales 0 1 2 11 Estado de conservación 0 1 2 Tabla 3: Escala numérica del I. V. de edificios de hormigón armado (CNR 1993).
Wi 4 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2
ESTUDIO DE VULNERABILIDAD EN EL MICROCENTRO DE LA CIUDAD DE SALTA (ARGENTINA) DETERMINACIÓN DE LA ZONA EN ESTUDIO Se delimitó la zona en estudio, eligiéndose 24 manzanas alrededor de la Plaza Principal, coincidiendo esta elección con la parte más antigua y más vulnerable de la ciudad. Haciendo un análisis de las distintas tipologías estructurales existentes y un agrupamiento de las mismas, podemos tener una idea de la situación en la zona de estudio. La ubicación de las 24 manzanas, con las parcelas correspondientes y las características de las construcciones destino y número de pisos) podemos observarlo en el Anexo 1, figura 5. DESARROLLO DEL ESTUDIO Clasificación de las construcciones Una vez delimitada la zona en estudio, se procede al análisis documental tanto de los datos catastrales de cada manzana y dentro de cada manzana, de cada parcela (total 635 parcelas). Parte de esta documentación fue recabada en la Dirección General de Inmuebles de la Provincia de Salta, teniéndose acceso directo a la base de datos de dicha institución. Se recopilan los planos de obra de los archivos municipales de cada una de las parcelas, con lo cual se pueden obtener datos de importancia de las construcciones, como ser características, dimensiones en planta y altura y fecha de construcción de las mismas. Se clasifican las distintas construcciones, las cuales quedan agrupadas en los siguientes grupos (fig. 2): Edificios de la Red de Emergencias (Policía, Bomberos, Clínicas u Hospitales, Consultorios Médicos, Emisoras de Radio y T.V.). Varios: Viviendas, Locales Comerciales, Locales Comerciales y Viviendas, Edificios Públicos (nación, provincia y municipio), Escuelas, Hoteles, Bancos, Teatros y Cines. Iglesias.
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Museos. Estacionamientos, Obras en Construcción y Terrenos Vacíos.
De toda esta gama de edificaciones, se dejarán afuera del estudio las correspondientes a los tres últimos grupos, o sea Iglesias, Museos, Estacionamientos, Obras en Construcción y Terrenos Vacíos.
Figura 2: Grupos definidos, según las parcelas en estudio En las figuras 3 y 4 podemos ver los distintos componentes y sus incidencias dentro del Grupo Varios y Red de Emergencias, valores obtenidos de acuerdo a las planillas del Anexo 1
Figura 3: Distintos componentes dentro del grupo Varios
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Figura 4: Distintos componentes dentro del grupo Red de Emergencias Tipologías Dentro de las construcciones a estudiar, se tipifican de acuerdo al año de su construcción: anteriores al año 1979 inclusive y posteriores al año 1980, adoptándose esta fecha como parámetro, ya que en el año 1980 comenzó a ser obligatorio en la Ciudad de Salta la verificación de los planos de estructuras por la Oficina Revisora de los Reglamentos Sismorresistentes, determinada por Ley provincial. En lo que respecta a las construcciones anteriores al año 1979, se las clasifica como: A1: Mampostería no reforzada (se incluyen en este grupo las de adobe). A2: Pórticos de hormigón armado, sin mayores detalles sismorresistentes.
Para las posteriores al año 1980, tenemos: B1: Mampostería reforzada. B2: Pórticos de hormigón armado, con detallado sismorresistente.
En el Anexo 1 (Tabla 4) podemos observar en cada caso a la tipología a la que pertenece cada construcción. De la totalidad de las construcciones a considerar en la zona en estudio (583) solo un 8.92% (52) pertenecen a la tipología B1 y B2, que corresponden a construcciones ejecutadas posterior al año 1980, las cuales se suponen tienen una estructura de acuerdo a los reglamentos sismorresistentes en vigencia a la fecha de ejecución. Las construcciones A1 y A2 ejecutadas anteriores al año 1979 y que no responden a ninguna reglamentación sismorresistente obligatoria vigente en el territorio de la provincia de Salta, representan un 91.08% (531). En el Anexo 2 podemos ver diversas fotografías de las construcciones existentes en la zona de estudio.
CONCLUSIONES DE ESTA ETAPA Se presentan los fundamentos del Método del Índice de Vulnerabilidad para ser aplicado a zonas urbanas. Conocidas las características del mismo, se lo aplica al Microcentro de la ciudad de Salta, la cual se sitúa en una zona de alta sismicidad dentro de la república argentina. Del análisis realizado en la zona elegida, se desprende que existe un elevado porcentaje de construcciones (91.08%) que se ejecutaron sin que se pudiera verificar el cumplimiento de una reglamentación sismorresistente. Esto indica la importancia de cumplimentar el estudio, 13
para determinar la verdadera vulnerabilidad de éstas construcciones y de esa manera evaluar el riesgo existente en la zona.
TAREAS FALTANTES A REALIZAR Determinar los índices de vulnerabilidad de las construcciones en el área de estudio y utilizar las funciones de vulnerabilidad propuestas por Angeletti et al. (1988), para distintos valores de Intensidad según la escala MSK, y para mampostería no reforzada y pórticos de hormigón armado. Estas funciones serán utilizadas, por no tener en la zona funciones de vulnerabilidad observadas, y servirán para determinar los índices de daño para edificios similares y para distintos valores de intensidad, según la escala de Mercalli Modificada (que es la que se usa en Argentina), similar a la escala MSK. Con esto se podrá encarar la primera etapa de la Gestión del Riesgo, que corresponde a la prevención y la mitigación del desastre. Gestión que deberá llevarse a cabo por un amplio número de instituciones que, de acuerdo al ámbito de su competencia a nivel nacional, regional y local, lleven a cabo actividades denominadas medidas estructurales y no estructurales. Determinar para la zona en estudio, con la ayuda del sistema GIS, mapas de vulnerabilidad, de riesgo, de personas sin vivienda, costos de reparación, etc., necesarios para tener una idea de la situación de las construcciones dentro del microcentro de la Ciudad y así poder las autoridades competentes plantear planes de acción ante un eventual sismo y minimizar los efectos del mismo. ANEXO 1 MANZANAS EN ESTUDIO Las 24 manzanas a estudiar, se presentan en la figura 5 y las parcelas en cada manzana (por ejemplo Manzana 01), en la figura 6.
Fig. 5: Manzanas en estudio.
Fig. 6: Manzana 001. Sección E
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DETALLES DE LA EDIFICACIÓN EN CADA PARCELA
Manz ana 001
Calles
ALBERDI
ALVARA DO
FLORIDA
CASEROS
Parce la 002 003 004 005 006 007 008 009 010 011 012 013 014 015 016 017 018 019 020 021A 029A 022 023 024 025 026 027 028 029A 030 031 032 033 034 035 001
Catastro 4718 126428/29 16745 4219 2133 1856 2671 113856/67 16971 8210 5046 2672 83036 83037 75338/39 4852 4781 681 5473 97391 97392 4756 9692/3127 9693 30175 30176 89689/90 5292 97392 131385/39 3829 928 1916 3103 443 3631
Nº Tipología Destino Pisos 3 Local Comercial A2 2 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 2 Local Comercial A2 4 L. Comercial y Vivienda A1-A2 2 Local Comercial A2 3 L. Comercial y Vivienda A2 1 Local Comercial B2 3 L. Comercial y Vivienda A2 2 Banco B2 1 L.Comercial (Galería) B2 2 L. Comercial y Vivienda A2 2 L. Comercial y Vivienda A2 2 Museo A1(adobe) 2 L. Comercial y Vivienda A1-A2 1 Local Comercial A2 2 Local Comercial A2 1 Local Comercial (Galería) A2 2 L. Comercial y Vivienda A1-A2 2 L. Comercial y Vivienda A1-A2 2 Local Comercial A1-A2 3 Local Comercial A1-A2 1 Local Comercial A2 2 L. Comercial y Vivienda A1-A2 2 L. Comercial y Vivienda A2 3 L. Com.(Galería)y Viv. A2 2 L. Comercial y Vivienda A2 3 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2 1 Local Comercial A2
Tabla 4: Detalles por parcela para la manzana 01.
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ANEXO 2 FOTOGRAFÍAS DE ALGUNAS CONSTRUCCIONES EXISTENTES EN LA ZONA DE ESTUDIO
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REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA Ang, A. H-S. y Wen, Y. K. (1987). Nonlinear random vibration in structural safety and performance evaluation. IUTAM Symposium, Innsbruck, 493-505. Angeletti, P., Bellina, A., Guagenti, E., Moretti, A. y Petrini, V. (1988). Comparison between vulnerability assessment and damage index, some results . Proceedings of the 9th World Conference on Earthquake Engineering , Tokyo- Kyoto, Japan , 181-186. ATC-13 (1985). Earthquake damage evaluation data for California, ATC-13 . Applied Technology Council. Redwook City, California. 492 pp. ATC-21 (1988). Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards: A handbook, Applied Technology Council, Redwood City, California. Barbat A. H., Carreño M. L., Pujades L. G., Lantada N., Cardona O. D. and Marulanda M. C. Seismic vulnerability and risk evaluation methods for urban areas. A review with application to a pilot area. Structure and Infrastructure Engineering (accepted). Barbat A. H., Pujades L. G. and Lantada N. (2008). Seismic damage evaluation in urban areas using the capacity spectrum method: application to Barcelona. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 28, 2008, 851 – 865. Barbat A. H., Pujades L. G. and Lantada N. (2006). Performance of buildings under earthquakes in Barcelona, Spain. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 21,
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