PROPOSITO Históricamente México se ha visto afectado por eventos naturales de gran magnitud que han causado grandes daños. En el caso de los sismos de septiembre de 1985, los mayores daños se concentraron en la ciudad de México, a una distancia aproximada de 400 km del epicentro, ubicado en las cercanías del puerto de Lázaro Cárdenas, Michoacán. A partir de este tipo de eventos, en varios países se han propuesto diversos procedimientos para evaluar el nivel de seguridad de las edificaciones. Establecer un procedimiento general de inspección y evaluación de inmuebles ante una contingencia resulta de vital importancia para el restablecimiento de las actividades sociales después de la ocurrencia de un sismo de gran magnitud. Además, con el propósito de poder llevar a cabo dichas inspecciones y evaluaciones de inmuebles, resulta necesario formar personas capacitadas en la inspección de estructuras a fin de recopilar de manera rápida y eficiente la información mínima para la evaluación de los daños producidos por una contingencia. Como parte del Plan Sismo se inició la creación de una base de datos de profesionistas en las ramas de ingeniería civil y arquitectura -la Red Nacional de Evaluadores-, que puedan incorporarse a un grupo de inspectores para ser llamados en caso de un desastre de grandes proporciones. Estos inspectores deberán cubrir el proceso de capacitación definido en el presente curso. Este se ha diseñado con una duración de hasta 10 horas y termina con una evaluación final del participante y la determinación de su estatus dentro de la red como evaluador, coordinador de brigada o colaborador de brigada.
COMPETENCIAS Al finalizar el curso el participante: Usará el formato de recopilación de información para poder evaluar, con un alto nivel de certidumbre y de manera sistematizada, la seguridad estructural y la vulnerabilidad de edificaciones; asimismo, identificará los diferentes tipos de sistemas estructurales empleados en las edificaciones y los principales materiales constitutivos, así como los diferentes tipos de daños en los componentes de las edificaciones y el impacto que tendrán en la reducción de la seguridad estructural.
TEMARIO Las siete unidades que conforman este curso son estas: Unidad 1 Introducción Unidad 2 Sismicidad Unidad 3 Movimiento del Terreno Unidad 4 Tipos de Sistemas Estructurales y Efecto del Movimiento del Terreno en las Edificaciones
Unidad 5 Parámetros Importantes para Evaluar la Seguridad Estructural y Vulnerabilidad de las Edificaciones ante un Sismo
Unidad 6 Uso del Formato de Recopilación de Información para Evaluación de la Seguridad Estructural y Vulnerabilidad de Edificaciones ante Sismo Unidad 7 Algunos Conceptos y Procedimientos para Evaluar la Seguridad Estructural y Vulnerabilidad de Edificaciones
1 INTRODUCCIÓN Al finalizar la unidad, el participante será capaz de:
Reconocer las características e importancia del Programa de atención ante sismo del gobierno federal y de la Red Nacional de Evaluadores a fin de dar una respuesta suficiente y adecuada de las necesidades de las zonas afectadas ante la incidencia de un sismo de gran magnitud.
En esta unidad usted se introducirá en el tema de la atención de una emergencia, particularmente como producto de la incidencia de un sismo de gran magnitud; como posible miembro voluntario de la Red Nacional de Evaluadores podrá colaborar en la recopilación de información sobre las características generales de las estructuras de edificación, así como del estado que estas presentan después de un sismo (potencialmente dañino). El Programa de atención ante sismo se activará a partir de la medición de valores de aceleraciones en el terreno que sean considerados como el límite a partir del cual se puede esperar daño o comportamiento anómalo en edificaciones comunes. Este Programa es activado y organizado por el gobierno federal junto con las autoridades de los otros dos niveles de gobierno (estatal y municipal). La importancia de conocer el Programa de atención ante sismo o, de la misma manera que la existencia de la Red Nacional de Evaluadores, radica en la necesidad de contar con personal especializado, que le permita a las autoridades de los tres niveles de gobierno tener información suficiente para determinar el protocolo de acción más adecuado después de un sismo con gran potencial destructivo, de la misma manera que le permitirá a la autoridad correspondiente contar con información para definir políticas públicas de adecuación de edificaciones con alto nivel de vulnerabilidad.
1.1 Programa de atención ante sismo El gobierno federal, en el marco de sus atribuciones, implementó un programa de atención ante la incidencia de un Sismo y Tsunami de gran Magnitud, al cual de manera simple se le define como “Programa de atención ante Sismo”. Esta estrategia consiste en brindar soporte, fortaleza y congruencia a la ejecución de todos aquellos planes de respuesta institucionales y todas las iniciativas solidarias de la sociedad civil y del sector privado, en el momento inmediato posterior al acontecimiento de un sismo o tsunami de gran magnitud en el país hasta el control y restablecimiento de los servicios estratégicos. Lo anterior se realizará sin menoscabo de los planes que se llevan a cabo para la prevención, mitigación y reducción de riesgos, anticipación, preparación y respuesta, mientras no se presente el escenario que active el Programa de atención ante Sismo, así como los planes correspondientes a la organización de las acciones de reconstrucción y recuperación específicas. En el marco de la normatividad aplicable del Sistema Nacional de Protección Civil y en seguimiento a los compromisos del presidente constitucional de los Estados Unidos Mexicanos, por contar con los instrumentos necesarios para su adecuado funcionamiento, para la elaboración de este plan se coordinaron los esfuerzos entre las dependencias federales, la iniciativa privada y las organizaciones de la sociedad civil, entre las cuales destacan las siguientes:
Presidencia de la República Secretaría de Gobernación Secretaría de la Defensa Nacional Secretaría de Marina Secretaría de Hacienda y Crédito Público Secretaría de Economía Secretaría de Desarrollo Social Secretaría del Trabajo y Previsión Social Secretaría de Educación Pública Secretaría de Salud Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación
Secretaría de Desarrollo Agrario, Territorial y Urbano Secretaría de Comunicaciones y Transportes Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Secretaría de Relaciones Exteriores Procuraduría General de la República Instituto Mexicano del Seguro Social Instituto de Seguridad y Servicios Sociales de los Trabajadores del Estado Sistema Nacional para el Desarrollo Integral de la Familia Instituto Nacional de Estadística y Geografía Instituto Nacional de las Mujeres Petróleos Mexicanos Comisión Federal de Electricidad Comisión Nacional del Agua Comisión Nacional de los Derechos Humanos Servicio de Administración Tributaria Administración General de Aduanas Cruz Roja Mexicana
México es un país con alto peligro sísmico; la mayor actividad se concentra en las regiones de la Brecha de Guerrero, el Istmo de Tehuantepec, la Falla de San Andrés y la Brecha de Michoacán. La probabilidad más alta de que exista un sismo de gran magnitud e impacto se presenta en la Brecha de Guerrero, por lo cual la elaboración de este plan se basó en la construcción de un escenario a partir de un sismo postulado para esta brecha. Tal sismo puede ser aplicable a otros escenarios en los que se continúa trabajando y en los que permanentemente se analizan y actualizan los resultados de diversas investigaciones, los cuales se relacionan con el peligro directo de la sismicidad y sus diversos peligros concatenados, la vulnerabilidad y la exposición de la población y de la infraestructura en general que se encuentran en las áreas de influencia, así como los efectos secundarios que repercutirían en el resto del país. La información que se puede presentar en el escenario del sismo postulado, se genera a partir de los datos, investigaciones y estudios más recientes sobre el tema, los cuales pueden ser actualizados, por lo que estos datos se establecen desde una perspectiva general del país, pero también desde un contexto regional. En algunos casos, como la ciudad de México y el estado de Guerrero, la información se puede detallar de manera más específica por contar con más investigaciones del tema en estas zonas.
1.2. Red Nacional de Evaluadores En relación con el accionar del Programa de atención ante sismo, la Presidencia de la República dictará las directrices generales de este plan con el propósito de formalizar e institucionalizar el auxilio a la población para preservar el estado de derecho y la gobernabilidad. Primera directriz Gobierno Federal hace un llamado de alerta a la población. Segunda directriz El presidente de la República instruye el auxilio inmediato de la población: Ordena al secretario de gobernación que, en el marco del Sistema Nacional de Protección Civil, a que se inicien los programas de emergencia y se integre una evaluación inmediata de daños y necesidades. Instruye a las Fuerzas Armadas para que activen los planes DN-III-E y Plan Marina, y a la Secretaría de Seguridad Pública para que contribuya en el marco de sus atribuciones a brindar seguridad a la población. Convoca a los gobiernos de las entidades federativas, a los colegios de agrupaciones de profesionales, a las fuerzas de respuesta, a las organizaciones de la sociedad civil, a la iniciativa privada y a la ciudadanía en general a cooperar con el ejecutivo federal en el marco de un esquema de colaboración ágil para inducir un proceso gradual y ordenado de estabilidad. Ordena al secretario de relaciones exteriores, al secretario de turismo y al secretario de comunicaciones y transportes que establezcan los vínculos necesarios para atender los ofrecimientos de ayuda internacional y las demandas de información relativas a la localización y protección de extranjeros en las zonas afectadas. Llama a la Secretaría de Salud y a la Secretaría de Desarrollo Social para que activen sus programas de ayuda, y a la Comisión Nacional del Agua, la Comisión Federal de Electricidad y Petróleos Mexicanos para responder a la emergencia de modo eficaz e inmediato. Para tales efectos instruye la instalación en sesión permanente del Consejo Nacional de Protección Civil, que preside el ejecutivo federal. Tercera directriz El presidente de la República ordena el apego a la legalidad: cúmplase lo establecido en la Ley General de Protección Civil y en el Programa de Auxilio del Manual de Organización y Operación del Sistema Nacional de Protección Civil. Cuarta directriz El presidente de la República presenta a la población su estrategia general de respuesta: i. Activar en todo el país, en el marco del Sistema Nacional de Protección Civil, los sistemas estatales y municipales correspondientes; es decir, las estructuras y procedimientos formales, legales, logísticos y funcionales que integran la respuesta institucional. ii. Proveer de inmediato en las zonas afectadas seguridad, servicios de búsqueda, rescate y ubicación de personas, servicios médicos de emergencia, dotación de víveres, ropa limpia, utensilios; así como establecer servicios estratégicos básicos, como energía eléctrica, suministro de combustibles, agua potable y en general de todo aquello que contribuya al bienestar de la población. iii. Proteger a niños, mujeres, ancianos, personas con discapacidad y en general a toda persona o grupo vulnerable, que en estas circunstancias requiera un trato especial. iv. Poner en marcha los planes familiares y comunitarios de protección civil, para que quienes viven en zonas de alto riesgo busquen lugares seguros con amigos, familiares y vecinos, o se informen sobre la ubicación de refugios temporales autorizados, ante posibles réplicas y ocurrencia de tsunami. v. Responder a situaciones críticas, distender los conflictos sociales y atender los problemas generados por la ocurrencia del sismo. vi. Reducir la improvisación, responder con eficacia y eficiencia aplicando procedimientos establecidos. vii. Detectar y monitorear permanentemente las amenazas derivadas del sismo que pongan en riesgo la seguridad de la población. Se exhorta a la población a mantenerse alerta a las indicaciones de las autoridades competentes. viii. Procesar de manera efectiva las demandas y necesidades de la población considerando las limitaciones que se presenten por la emergencia. ix. Informar a la comunidad internacional que México emite una solicitud de apoyo para enfrentar la emergencia.
El órgano ejecutor de las actividades del Programa de Atención ante Sismos es el Comité Nacional de Emergencias; dentro de este, para atender todos los requerimientos de la población afectada, se establece una organización basada en tres ejes de acción, que a su vez se dividen en grupos, 14 en total. Cada uno de estos tiene designado uno o varios coordinadores, así como acciones definidas que deben considerarse para su desarrollo y operación.
Subdirección de Riesgos Estructurales del Cenapred. Organización para la actuación del Comité Nacional de Emergencias
Los tres ejes de acción son estos: • Eje A. Operativo • Eje B. Logístico • Eje C. Administrativo En relación con el Eje A. Operativo, su objetivo es dirigir todas aquellas acciones de atención directa a la población, orientadas a reducir o eliminar el impacto negativo de un sismo de gran magnitud, atendiendo prioritariamente la salvaguarda de la vida humana, así como las necesidades primarias de la población afectada. Los grupos de trabajo que conforman este eje son los siguientes: 1. Búsqueda y Rescate 2. Centro de Comunicaciones 3. Evaluación de Daños 4. Sanidad 5. Seguridad Pública El tercer grupo, Evaluación de Daños, tiene como objetivos realizar la evaluación y cuantificación de los daños producidos por el sismo o tsunami, estimar las pérdidas económicas que resulten y, de este modo, determinar la dimensión física y social de las afectaciones, la estimación de las pérdidas humanas, cantidad de heridos, damnificados y sus bienes afectados, las necesidades que deben satisfacerse y la determinación de posibles y nuevos riesgos. Este grupo será coordinado por la Dirección General de Protección Civil de la Coordinación General de Protección Civil de la Secretaría de Gobernación, y estará integrado por:
Control y Seguimiento del Fondo de Desastres Naturales Grupo de evaluación de daños
El grupo de Evaluación de Daños tendrá las siguientes funciones: i. Realizar vuelos de reconocimiento para una evaluación preliminar de daños en las zonas afectadas. ii. Coordinar con las autoridades de comunicaciones y transportes, seguridad pública y autoridades locales la evaluación de daños aéreos y terrestres, así como de toda la infraestructura estratégica de las zonas afectadas. iii. Activar la Red Nacional de Evaluadores y los procedimientos de evaluación de daños en todos sus niveles. iv. Concentrar el análisis de entidades, municipios o delegaciones políticas en donde se encuentre la infraestructura afectada. v. Convocar a todas las instancias competentes, tanto federales como locales, a la instalación del Comité de Evaluación de Daños del Fondo de Desastres Naturales, para llevar a cabo los trabajos de evaluación y cuantificación de los daños y poder tener acceso a los recursos de dicho fondo en sus diferentes etapas. vi. Realizar la estimación de las pérdidas humanas, cantidad de heridos, damnificados y sus bienes afectados; la evaluación y cuantificación de daños de la infraestructura estratégica por cada sector afectado (vivienda; infraestructura urbana; residuos sólidos; infraestructura de transporte, hidráulica, educativa y de salud; monumentos históricos, artísticos y arqueológicos; áreas naturales protegidas, pesqueras y acuícolas; áreas forestales y de viveros, y zonas costeras). vii. Determinar la dimensión física y social de las afectaciones, las necesidades que deben satisfacerse y la evaluación de posibles y nuevo riesgos. viii. Evaluar el impacto económico de la emergencia. ix. Mantener informado al Comité Nacional de Emergencias respecto de la evaluación de daños, de la emergencia y acciones de atención a la población. x. Aquellas que encomiende la Secretaría de Gobernación a través de la Coordinación General de Protección Civil. La actividad iii del grupo de Evaluación de Daños menciona la conformación de una Red Nacional de Evaluadores, cuyo objetivo general es establecer un procedimiento de inspección y evaluación de inmuebles ante una contingencia importante. En el marco de la constitución de una red de este tipo, resulta necesario un curso cuyo objetivo básico sea formar personas capacitadas en la inspección de estructuras a fin de recopilar de manera rápida y eficiente la información mínima para la evaluación de los daños producidos por una contingencia.
Como parte del Programa de atención ante sismo se inició la creación de una base de datos de profesionistas en las ramas de ingeniería civil y arquitectura que pueden incorporarse a un grupo de inspectores para ser llamados en caso de un desastre de grandes proporciones. Estos voluntarios deberán colaborar en la recopilación de información que permita, dependiendo de la cantidad y calidad de la información, hasta cuatro niveles de evaluaciones sistematizadas de la seguridad estructural de las edificaciones. A continuación se muestran, de manera esquemática, los tiempos esperados de colaboración del personal que forma parte de la Red Nacional de Evaluadores, y que participaría activamente tanto en la recopilación de información para el proceso de la “Inspección rápida (ReNE)” como para el proceso de “Evaluación detallada”, después de un sismo.
Subdirección de Riesgos Estructurales del Cenapred. Inspección postsísmica de estructuras
A continuación se muestra gráficamente el organigrama de la Red Nacional de Evaluadores, pues hay que tomar en cuenta que las labores de la red se podrán requerir en cualquier entidad de la República Mexicana. Se presenta el planteamiento básico del primer nivel de evaluación para dos casos: a) cuando se requiere conocer el nivel de vulnerabilidad de las edificaciones existentes ante la posible incidencia de un sismo máximo probable (postulado como un escenario); y b) cuando se necesita determinar el nivel de seguridad estructural de edificios afectados por la ocurrencia de un sismo (evaluación post-sismo).
Subdirección de Riesgos Estructurales del Cenapred. Red Nacional de Evaluadores
En el siguiente esquema se muestran las características generales de los cuatro niveles de evaluación de vulnerabilidad estructural (para edificios existentes) y de la seguridad estructural de edificios dañados por la ocurrencia de un sismo.
Subdirección de Riesgos Estructurales del Cenapred. Esquema global de respuesta técnica
Sobre la pregunta: ¿Cuándo se activará la Red Nacional de Evaluadores?, una propuesta de protocolo de respuesta se muestra en el siguiente esquema, en donde se identifica, como primera propuesta, que la activación de la Red Nacional de Evaluadores debe ir de la mano con la previa activación del Programa de atención ante sismo, y esto se determinaría después de la ocurrencia de un sismo de magnitud mayor a 8.0.
Subdirección de Riesgos Estructurales del Cenapred. Protocolo de respuesta después de la ocurrencia de un sismo
Una vez activado el Programa de atención ante sismo, se instruye sobre la activación de la ReNE, ante lo cual se constituye el grupo de coordinación general, conformado por el coordinador del gobierno local, el coordinador técnico local y el coordinador técnico general. Este grupo analizará la pertinencia de que la ReNE local (recopiladores de información local) solvente el proceso de recopilación de información y que eventualmente emita algunas resoluciones sobre el estado de seguridad estructural de los inmuebles (esta labor sería realizaría únicamente por aquel miembro de la ReNE certificado como evaluador). Independientemente de que las labores de recopilación de información en campo sean realizadas por la ReNE local o la federal, los miembros de la ReNE harán esa tarea en sitio con base en el formato de recopilación de información elaborada para tal efecto. La información alimentará un sistema de evaluación por medio del cual se emitirá un resultado semaforizado con las siguientes características: Estructura segura y habitable Estructura con indicios de comportamiento anómalo, habitable con reserva Estructura insegura o con colapso Inhabitable Estos resultados serán colocados por personal de Protección Civil de la localidad en las fachadas de las edificaciones revisadas. Salvo en el caso en que se requiera la intervención de un miembro de la ReNE con certificado de evaluador o que se solicite la evaluación de la seguridad estructural del inmueble con carácter de emergencia, el estudio de seguridad estructural y la colocación del resultado corresponderá al evaluador
2 SISMICIDAD Al finalizar la unidad, el participante será capaz de: • Identificar las situaciones que originan los sismos y los términos básicos de la sismología. Una de las mayores fuerzas de la naturaleza a la que se enfrenta el ser humano es el fenómeno del movimiento o sacudida del terreno, conocido como movimientos telúricos, temblores, terremotos o sismos. No hay una diferencia específica en los términos; sin embargo, en lenguaje científico es más correcto denominar como sismo, al movimiento del terreno cuyo origen o fuente puede ser de tipo natural (fenómenos geológicos) o bien, generado por el hombre (origen antrópico). Los primeros pueden alcanzar grandes magnitudes y generar destrucción a gran escala, mientras que los otros generalmente son más pequeños y sólo son percibidos en zonas cercanas a la ocurrencia del mismo.
Origen de los sismos Se puede definir a los sismos como una liberación repentina de energía que tiene la capacidad de propagarse en todas direcciones. En ocasiones estos movimientos son mayormente percibidos en una de sus componentes horizontales o en la vertical, lo que ha generado que en medios de difusión masivos se cataloguen como “sismos oscilatorios” o “sismos trepidatorios”, respectivamente. Sin embargo, resulta importante destacar que esta clasificación no es reconocida en sismología o ingeniería sísmica, ya que el movimiento del terreno generado por un sismo se manifiesta en todas direcciones. Existen varias fuentes que dan lugar a los sismos, las de origen natural y de origen artificial. Las primeras son generadas por fenómenos de tipo geológico: movimientos tectónicos, actividad volcánica, colapso de laderas, impacto de meteoritos o derrumbe de cavernas. Particularmente, los sismos de origen tectónico son los que pueden generar gran impacto y destrucción. Para el caso de sismos de origen artificial o inducido, las fuentes pueden ser muy variadas, desde la utilización de explosivos en la industria, pruebas nucleares o inyección de fluidos en pozo. La diferencia de estos eventos con los anteriores es que las magnitudes que pueden generar son notablemente más pequeñas así como los grados de afectación.
Estructura interna de la Tierra. La Tierra está formada por varias capas concéntricas con diferentes composiciones y características. Partiendo del centro son: • Núcleo interno. Su característica principal es que se trata de un sólido muy caliente. • Núcleo externo. Su composición se puede definir de característica líquida. • Manto. Las altas presiones y temperaturas en esta capa hacen que el material se comporte de forma plástica (ni sólido, ni líquido), esto es, como una plastilina que al enfriarse en la parte superior genera corrientes convectivas donde el material caliente en el interior sube, mientras que el material frío de la superficie baja para calentarse y, posteriormente, subir a la superficie de nuevo. • Corteza. La corteza se encuentra dividida en corteza oceánica y continental.
La corteza terrestre, junto con la parte superior del manto constituyen la litósfera, que es la cubierta rígida de la Tierra. La litósfera se encuentra fragmentada en varias secciones, conocidas como placas tectónicas.
Con base en estudios de sismicidad se han determinado las fronteras entre las placas tectónicas, que se muestran en el siguiente mapa.
A
B
C
D
E
Existen siete grandes placas, seis de éstas están identificadas con el nombre de la masa continental que alojan (Euroasiática, Norteamericana, Sudamericana, Australiana, Africana, Antártica, Pacífico); además hay ocho placas pequeñas; son importantes especialmente porque su interacción con las otras placas genera sismos de magnitud considerable en algunos países. México se encuentra casi en su totalidad sobre la placa Norteamericana, aunque es afectado por la interacción de cinco placas; estas son: Norteamericana, Pacífico, Cocos, Caribe, Rivera. En el siguiente mapa se muestran los epicentros de los sismos a nivel mundial en un periodo importante de años; se puede observar la correspondencia entre las zonas generadoras de sismos y las fronteras entre las placas tectónicas. En particular, existe gran actividad sísmica alrededor de la placa del Pacífico, que incluye la costa de Sudamérica con países con alta sismicidad -Chile, Perú, la costa sur de México- y se extiende por la falla de San Andrés en California, Estados Unidos. También es bien conocida la alta sismicidad de Alaska, y de aquí continúa la frontera de la placa en una de las regiones más sísmicas del mundo, que incluye Japón, Indonesia y Nueva Zelanda. Toda esta franja alrededor del océano Pacífico es conocida como el Cinturón de Fuego o Circumpacífico. Cabe recordar que en los últimos años se han presentado sismos de enorme magnitud en estos países, como los de Indonesia de magnitud 9 (2004) y 8.6 (2012); el sismo de Japón de magnitud 9 (2011), o el de Chile de magnitud 8.8 (2010). Basta decir que el sismo más grande registrado ocurrió también en las costas de Chile, en 1960, de magnitud 9.5.
Mapamundi epicentros USGS
En la teoría de la tectónica de placas se postula que la litósfera está fracturada y dividida, formando una especie de mosaico o rompecabezas de sectores rígidos, conocidos como placas, que se mueven entre sí flotando sobre un sustrato viscoso (el manto), y cuyos desplazamientos promedio son de dos a doce centímetros por año. El movimiento de estas placas entre sí, alejándose unas de otras en unos casos, desplazándose lateralmente en otros e incluso chocando y empujándose una contra otra, se debe a que existen movimientos de convección en el manto.
Imagen de la dinámica de la tectónica de placas
Los principales sismos que afectan a la Tierra se generan por el rompimiento súbito de grandes extensiones de la corteza terrestre, lo que es estudiado por la tectónica de placas. En 1620, Francis Bacon reconoció que existía una correspondencia en la forma de las líneas de la costa atlántica de América y las de África Occidental; y en 1912 Alfred Wegener desarrolló la teoría de la deriva continental. Según esta teoría, los continentes actuales estaban unidos en un supercontinente llamado Pangea, y se han ido desplazando a lo largo de millones de años. De esta forma, el continente americano se ha ido separando lentamente (y sigue separándose) del euroasiático y del africano, como se muestra a continuación.
Mapamundi con las placas tectónicas
Existen tres formas en que interactúan las placas tectónicas en sus fronteras. • Convergente. Cuando una placa oceánica choca contra una continental. Debido a que la primera es más densa, subduce a la continental. Este tipo de contactos es el que predomina y genera la sismicidad en la costa del Pacífico, incluyendo nuestro país. • Divergente. Cuando dos placas se separan se forma una dorsal oceánica (especie de grieta en la corteza terrestre) por donde asciende nuevo material proveniente del manto, generando nueva corteza oceánica. La nueva corteza empuja a la ya existente, provocando que se acelere la convergencia entre las placas y con ello la sismicidad. • Transformante o de Cizalla. Cuando las placas se mueven lateralmente entre sí, un ejemplo de este tipo de contacto se presenta en el mar de Cortés, como parte del sistema de la falla de San Andrés.
Imagen de la dinámica de la tectónica de placas
Al paso de los años y décadas, los movimientos entre placas van acumulando energía potencial, ya que existe fricción entre las placas, que se deforman y se resisten a movilizarse. Esto continúa hasta que se vence la fricción o se produce la fractura de la placa, entonces se libera súbitamente la energía potencial acumulada, que se convierte en energía de movimiento con la generación de ondas sísmicas, que viajan como las ondas de agua en un estanque al que se arroja una piedra. En el caso de sismos de subducción, la zona en que se vence la fricción o se rompe la placa puede estar a decenas de kilómetros de profundidad. Si bien el sismo se produce por el rompimiento de una extensa área que puede medir cientos de kilómetros cuadrados, con la finalidad de tener una referencia, se ubica el origen del sismo en un solo punto, conocido como foco o hipocentro, que se identifica por sus coordenadas geográficas y su profundidad. A la proyección de este punto sobre la superficie terrestre se le denomina epicentro.
En el caso de México, los mayores efectos sísmicos se generan por la interacción de las placas de Cocos y Norteamericana, en la costa sur del país. En el siguiente dibujo las flechas marcan la dirección de movimiento de las placas, y cuál de las placas subduce a la otra. En este caso las placas de Cocos y Rivera penetran bajo la Norteamericana, mientras que las placas del Caribe y del Pacífico tienen un contacto de tipo transcurrente con respecto a la Norteamericana. La tasa de subducción y desplazamiento entre las placas varía en cada uno de los estados, es por ello que en unos estados se presenta una mayor sismicidad que en otros. Los puntos de la imagen muestran algunas de las ubicaciones de los sismos registrados, los marcados en color rojo son más someros que los marcados en color morado.
Mapa de ubicación de contacto entre placas tectónicas y la sismicidad asociada a ellas
En resumen, uno de los fenómenos naturales más devastadores son los sismos de origen tectónico, que pueden alcanzar grandes magnitudes. El rompimiento se origina, principalmente, en la frontera entre las placas tectónicas, lo cual genera ondas sísmicas que se propagan a gran distancia. La distribución de la ocurrencia de estos fenómenos en el tiempo y en el espacio define las condiciones de sismicidad de cada región. Los sismos de origen natural han ocurrido durante toda la historia de la Tierra y seguirán ocurriendo. Lo importante es conocer su origen, sus efectos y estimar con qué frecuencia se pueden generar movimientos de cierta intensidad para cada zona del territorio nacional. Los daños que han producido los sismos en muchos países del mundo han llegado a ser catastróficos, con el colapso de edificaciones y la muerte de cientos, miles y hasta decenas de miles de personas en apenas unos cuantos segundos. En el caso de México, los mayores efectos sísmicos se generan por la interacción de la Placa de Cocos y la Placa Norteamericana en la costa sur del país. En el siguiente dibujo las líneas marcan las fronteras entre placas, y la simbología con triángulos sobre una frontera señala el efecto de subducción y cuál de las placas subduce bajo la otra. En este caso la Placa de Cocos penetra bajo la Norteamericana. Las flechas indican el movimiento de las placas, que puede ser de varios centímetros al año.
Al paso de los años y décadas, los movimientos entre placas van acumulando energía potencial en estas, ya que existe fricción entre las placas que se deforman y que se resisten a movilizarse. Esto continúa hasta que se vence la fricción o se produce la fractura de la placa; entonces se libera súbitamente la energía potencial acumulada, que se convierte en energía cinética con la generación de ondas sísmicas que viajan como las ondas de agua en un estanque al que se arroja una piedra. En el caso de sismos de subducción, la zona en que se rompe la fricción o se fractura la placa puede estar a decenas de kilómetros de profundidad. Si bien el sismo se produce por el rompimiento de una extensa área que puede medir cientos de kilómetros cuadrados, con la finalidad de tener una referencia se ubica el origen del sismo en un solo punto, conocido como foco o hipocentro, que se identifica por sus coordenadas geográficas y su profundidad. A la proyección de este punto sobre la superficie terrestre se le denomina epicentro.
En resumen, uno de los fenómenos naturales más devastadores es el producido por sismos de origen tectónico de gran magnitud. El rompimiento de la corteza terrestre se origina principalmente en la frontera entre las placas tectónicas (que son los fragmentos en que está dividida la corteza terrestre), lo cual genera ondas sísmicas que se propagan a gran distancia. La distribución de la ocurrencia de estos fenómenos en el tiempo y en el espacio define las condiciones de sismicidad de cada región.
3 MOVIMIENTO DEL TERRENO Al finalizar la unidad, el participante será capaz de: • Distinguir cómo es la propagación del movimiento sísmico y las distintas regiones del país con peligro sísmico. • Identificar qué es el efecto de sitio que puede causar daño en ciudades alejadas del epicentro. • Diferenciar entre magnitud e intensidad y lo que representa la diferencia en cada grado en magnitud. Como se explicó en la unidad anterior, el rompimiento de grandes porciones de la corteza terrestre, entre la frontera de placas tectónicas o al interior de éstas, genera una súbita liberación de energía acumulada, lo que provocaba el movimientos del terreno. Mediante el estudio de las ondas sísmicas, los especialistas realizan la descripción de este movimiento y su propagación.
1. Propagación de las ondas sísmicas Existen varios tipos de ondas según las características del movimiento de las partículas al paso de ellas, y su estudio permite definir características tan importantes como la ubicación del epicentro del sismo.
Es la más rápida, su velocidad está entre 1100 y 8000 m/s, dependiendo del tipo de roca. La característica principal de esta onda es que alternadamente comprime y expande la roca en la dirección de su trayectoria. Es capaz de propagarse a través de rocas (sólidos) y de líquidos; por ejemplo, el magma y los océanos. Además, se puede transmitir a través de la atmósfera; en ocasiones, personas y animales la perciben como un sonido grave y profundo.
Viaja a menor velocidad que la onda P (normalmente entre 500 y 4400 m/s). Mientras se propaga, deforma el material que se encuentra lateralmente respecto de su trayectoria; por esta razón no se transmite en fluidos (líquidos y gases) ya que estos carecen de resistencia a esfuerzos cortantes. La diferencia en velocidad y el hecho de que la onda S no se transmite a través del magma han permitido definir la composición del interior de la Tierra con sus distintas capas (unidad 2) al medir sismos lejanos incluso al otro lado del mundo.
Debido a la diferencia de velocidades de las ondas sísmicas, si estuviéramos en un sitio distante del epicentro de un sismo primero se sentiría la onda P, con un efecto de retumbo que hace vibrar paredes y ventanas. Unos segundos después llegaría la onda S, con movimiento vertical y de lado a lado, de tal manera que sacude la superficie del terreno vertical y horizontalmente. Este segundo tipo de movimiento es el responsable del daño a las construcciones que están en zonas cercanas al epicentro e incluso a las que están a distancias considerables. Ondas superficiales (ondas Love) El tercer tipo de ondas sísmicas son las ondas superficiales, cuya característica es propagarse por la parte más superficial de la corteza terrestre; a medida que la profundidad aumenta, disminuye la amplitud de su movimiento. Las ondas superficiales generadas por un sismo se pueden clasificar en dos grupos: uno de estos son las ondas Love (llamadas así en honor de su descubridor, el físico A. E. H. Love), que deforman las rocas similarmente a las ondas S, aunque únicamente en dirección horizontal. Ondas superficiales (ondas Rayleigh) El segundo grupo de ondas superficiales son las ondas Rayleigh (en honor de lord Rayleigh), que producen movimiento vertical, similar al de las olas marinas. Las ondas superficiales viajan más despacio que las internas. De las ondas superficiales, las Love son un poco más rápidas. Debido al componente vertical del movimiento de las Rayleigh, los cuerpos de agua, por ejemplo lagos, pueden ser afectados. A causa del movimiento lateral del sustrato rocoso de lagos y bahías, las ondas Love pueden afectar la superficie de estos cuerpos de agua.
2. Ubicación y medición de los sismos Para la medición del movimiento sísmico existen instrumentos que actualmente son electrónicos y de mucha precisión, conocidos como sismómetros(“aparato que mide los sismos”), o bien como sismógrafos (si grafica el movimiento del sismo); más específicamente, si medimos aceleraciones del terreno, tendremos acelerómetros o acelerógrafos. Estos equipos son montados en lugares de interés, donde todo el equipo que conforma el sistema forma una estación acelerográfica (acelerómetro, baterías y celdas solares, antena y sistemas de telemetría, incluso la caseta de albergue). Mapas de sismicidad Con la información de los epicentros y magnitudes de los sismos se han podido generar mapas como el que se muestra a continuación. Allí se registra la posición y magnitud de los sismos registrados en el país. Se observa claramente que la mayoría de los sismos se origina en la región de la costa sur de México, en la zona de subducción de la Placa de Cocos en el océano Pacífico, así como una franja que corre por el golfo de California y cruza por la zona de la frontera entre Baja California y Sonora, que son zonas de fronteras entre placas tectónicas.
México, sismos recientes
Como se dijo anteriormente, el epicentro es un punto (sin tamaño) donde se ubica el origen de un sismo. Sin embargo, téngase en cuenta de que en realidad el fenómeno ocurre por el rompimiento de una basta zona de la corteza terrestre alrededor de dicho punto. Para definir el área real de ruptura los sismólogos, los geofísicos y otros científicos y técnicos se trasladan a la zona de un sismo y miden réplicas en los siguientes días y semanas. En el caso de sismos antiguos (cuando no había red sísmica) se hacen estudios reconstruyendo la posible ubicación, magnitud y área de ruptura de los sismos. Desde el punto de vista de la ingeniería, resulta importante contar con formas de medir “el tamaño” de los sismos. Así, se han conformado principalmente dos escalas de medición de las características de los movimiento de tierra. Las escalas con las que se puede medir un sismo son las siguientes:
3. Efecto de sitio Anteriormente se explicó cómo la energía liberada por un sismo se transmite en forma de ondas sísmicas que viajan a gran distancia de la zona de origen y que se van atenuando o reduciendo en su intensidad. Sin embargo, cuando llegan a una región con depósitos blandos de suelo, estos pueden ser excitados; el resultado de ello es una amplificación de las ondas sísmicas, lo que es conocido como efecto de sitio. En el siguiente esquema se presenta un corte Norte-Sur del valle de México; en la figura se muestra los depósitos profundos y algunos acelerogramas de un sismo ocurrido el 25 de abril de 1989, dibujados a la misma escala. En el esquema el perfil café es el de la corteza terrestre, compuesta por rocas, mientras que los valles, marcados con color azul claro, fueron rellenados a lo largo de miles de años por depósitos del antiguo lago del Valle de México que dejó arcillas muy blandas y con altos contenidos de agua. Obsérvese que los registros medidos sobre suelo firme son pequeños y de poca duración, mientras que el mismo sismo se registró en las zonas de lago con amplitudes mucho mayores, así como de mayor duración.
Efectos de sitio
Abajo se presenta un plano de la ciudad de México en donde se muestra una serie de sismogramas con desplazamientos medidos durante un sismo de magnitud 7.3. Se identifica con distinto tono la zona de terreno firme y la zona de rellenos de lago; y se observa la diferencia de amplitudes medidas en distintos lugares según las características c.
Efecto de sitio. Mapas
Gracias a los estudios realizados por científicos a lo largo de muchos años ha sido posible determinar diferentes zonas, en la ciudad de México, para fines de diseño geotécnico (cimentaciones) y diseño sísmico. A estos planos se les conoce como microzonificación o bien como zonificación sísmicade algún lugar específico. A continuación se muestra el plano de zonificación sísmica de la ciudad de México publicado en las normas de sismo del reglamento para construcciones del Distrito Federal de 2004. Sin embargo, en este caso el diferente peligro sísmico no es por la cercanía a zonas donde se origina el sismo, como en el caso del mapa a nivel nacional, sino por las zonas que más amplifican las ondas sísmicas.
Zonificación sísmica de la ciudad de México
Conviene aclarar que para el diseño de edificaciones resistentes a sismos no es suficiente solo conocer la aceleración máxima del terrero que puede llegar a ocurrir en la vida útil de la estructura, sino otras características, en particular la amplificación de las aceleraciones que pueden sufrir los edificios dependiendo de su comportamiento dinámico. Por lo tanto, a partir de los estudios de ingeniería sísmica se definen los valores de las aceleraciones con que deben ser diseñados los edificios, a este conjunto de aceleraciones que pueden llegar a experimentar las edificaciones en su masa se les conoce cono espectros de diseño. En los siguientes esquemas se muestran los espectros de diseño sísmico para las distintas zonas en que está dividida la ciudad de México, y es el resultado final del estudio de la generación de los sismos desde su origen, su propagación mediante diferentes tipos de ondas sísmicas, la atenuación de su efecto con la distancia y la amplificación local por los efectos de sitio; para finalmente determinar la aceleración máxima probable que experimentará la masa de la edificación ante la incidencia del sismo. Los valores de los parámetros mostrados en la tabla permiten elaborar los espectros de diseño presentados en la figura. El eje vertical de la figura, donde se presentan los espectros de diseño, representa la aceleración máxima probable en el edificio normalizada respecto a la aceleración de la gravedad.
Espectros para diseño sísmico de la ciudad de México
4 TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES Y EFECTO DEL MOVIMIENTO DEL TERRENO EN LAS EDIFICACIONES Al finalizar la unidad, el participante será capaz de: • Reconocer los diferentes componentes de un sistema estructural y el nivel de importancia que tiene cada uno de los elementos estructurales como parte de un conjunto. • Diferenciar el tipo de movimiento generado por sismo en una edificación, así como las clases de daño que se pueden generar en ésta. La presente unidad tiene como objetivo principal presentar algunos aspectos básicos del comportamiento de los edificios sometidos a movimientos originados por un sismo. Una vez que se conoce sobre el origen de los sismos y las consecuencias que pueden generar, en esta unidad se hace una breve descripción de las características de las edificaciones y de sus propiedades ante la incidencia de un sismo, de las cuales dependerá su buena o mala resistencia. También se hace una descripción sencilla sobre los diferentes tipos de estudios del comportamiento de las estructuras de edificaciones sujetas a los efectos de sismos, finalizando con una reseña de los reglamentos de construcción, que son los que regulan el análisis y diseño sísmico de las estructuras y que permiten tratar de lograr que las edificaciones presenten comportamientos adecuados ante la incidencia de movimientos del terreno.
1. ¿Cómo están conformadas las edificaciones? Las edificaciones, en general, tienen el propósito primario de solventar la necesidad social de proporcionar un espacio seguro de vida para un grupo de seres humanos, esto se cubrió inicialmente con cuevas y chozas de materiales naturales; actualmente se cuenta con una gama importante de materiales que pueden usarse para las construcciones que se destinan a ser vivienda. Además, las propiedades de los materiales para construcción han permitido que realicen edificios de más de un nivel, llegando incluso a rascacielos como apartamentos para vivienda. De manera similar al cuerpo humano, para poder mantenerse en pie, las edificaciones requieren de un esqueleto, que en este caso está constituido por los denominados elementos estructurales, los cuales se dividen en verticales y horizontales, dentro de los primeros se puede mencionar a las columnas y los muros; y para los segundos se tienen a las trabes o vigas y las losas. Además, de la misma manera que los humanos, que mientras mejor tengan los pies en la tierra, mejor será el comportamiento ante la vida, en el caso de las edificaciones, estas no pueden estar en el aire, necesitan apoyarse en el suelo, así como todo el peso del mobiliario y los usuarios. Las fuerzas que provoque la incidencia de un sismo o vientos fuertes deben ser transmitidas y, por lo tanto, resistidas adecuadamente por el suelo. Para tal efecto es necesario conocer las características de comportamiento del suelo, por ejemplo cuánto resiste y se espera que se deforme ante las cargas que se le aplicarán. Con base en esos parámetros se elegirá y diseñará una cimentación suficientemente resistente, la cual, junto con el suelo y la estructura, conformarán finalmente a la edificación. Existen diferentes propuestas de configuración de las estructuras para edificación, entre las que se pueden mencionar y ejemplificar gráficamente a las siguientes:
Las soluciones estructurales anteriores se pueden encontrar principalmente con materiales como el concreto reforzado, el acero estructural y la mampostería confinada, ya sea de manera independiente, o con alguna combinación de ellos.
¿Qué es la losa y cuál es su función dentro de la edificación? La losa es un elemento en el cual una de sus dimensiones (espesor) es considerablemente menor que las otras dos dimensiones (lados), y resulta de gran utilidad para proporcionar grandes espacios libres dentro de las edificaciones. Las losas, generalmente, son elementos horizontales, aunque en algunos casos, cuando se tiene techos a “dos aguas”, pueden tener cierto grado de inclinación. Por lo tanto, deberán soportar, además de su peso propio, las cargas producto del mobiliario, equipos y usuarios que estén dentro de las edificaciones; transmitir esas cargas a las trabes, estas a su vez la comunicarán a las columnas, elementos que finalmente la transferirán a la cimentación y al suelo. Por las dimensiones de los diferentes elementos estructurales que componen una edificación (columnas, muros, trabes y losas), la mayor parte del peso de la estructura se concentra en el “sistema de piso”, el cual está constituido, principalmente, por las trabes y las losas. También las losas tienen la función de mantener unidos a los demás elementos estructurales de la edificación, permitiendo que, mientras mejor ensamblados estén, el comportamiento de ésta ante cualquier tipo de carga, incluyendo el sismo, sea óptimo.
2. Fuerzas generadas por el sismo en las edificaciones. ¿Por qué se mueven las edificaciones? La mayor parte del tiempo un edificio está sometido a fuerzas cuya intensidad (su tamaño) no cambia. Un ejemplo es el peso propio del edificio, ya que el peso de los diferentes elementos que forman parte de este (columnas, trabes, losas, muros, etcétera) permanece constante con el paso del tiempo. A estas se les denomina fuerzas estáticas. El tamaño de las fuerzas estáticas, como el peso propio del edificio, o el de sus contenidos, se puede cuantificar fácilmente, ya que se conoce el tamaño de cada elemento y el peso del material del que está hecho. De manera similar, el peso del contenido de un edificio también se puede estimar. Por ejemplo, si en una escalera caben 20 personas y se sabe el peso promedio de un adulto, se puede estimar el peso total que puede llegar a actuar sobre una escalera.
Fuerzas laterales por sismo actuando en un edificio
Un edificio, durante un temblor, además de resistir su peso propio, el de sus ocupantes y de sus contenidos, debe soportar las fuerzas que le genera el sismo. Este tipo de fuerzas que experimenta un edificio durante un temblor son semejantes a las que percibe una persona que está parada sobre un tapete, el cual es jalado repentinamente. Si bien nadie la empuja, esta siente como si lo estuvieran haciendo en dirección opuesta a la dirección en que se jala el tapete. Los edificios ciertamente no se encuentran sobre un tapete; sin embargo, durante un sismo, el suelo sobre el que se apoyan se mueve, lo que produce fuerzas invisibles que parece empujan al edificio como se muestra en el esquema. Estas actúan de forma semejante al ejemplo de la persona sobre el tapete, pero son aun más complejas porque se trata de fuerzas de tipo dinámico, cuya intensidad (su tamaño) varía en el tiempo, es decir, tienen un tamaño diferente en cada fracción de segundo. Comparativamente hablando, el movimiento absoluto del terreno y de un edificio durante un sismo no es realmente muy grande, aun durante la ocurrencia de un gran temblor. Es decir, las edificaciones regularmente no presentarán desplazamientos grandes en comparación con las dimensiones propias de los edificios. No es solo el desplazamiento que presente el edificio el que generará daño este; también juega un papel importante la fuerza abrupta que el sismo hace incidir en la masa de la estructura.
Volviendo al ejemplo de la persona sobre el tapete, cuando este es jalado de forma rápida, independientemente de que del desplazamiento de este y el de la persona resulte pequeño (problema de gran aceleración y poco desplazamiento), el efecto sobre la persona puede resultar en su caída. Por otro lado, si es jalado de manera lenta, amén de que se recorran grandes distancias (problema de aceleración pequeña y grandes desplazamientos), el efecto sobre la persona puede ser no tan desafortunado como el primer caso. Entonces, el daño en un edificio estará determinado principalmente por dos factores: la aceleración y el desplazamiento.
¿Qué tan grandes pueden ser las fuerzas sísmicas? Como ya se comentó, el tamaño de las fuerzas sísmicas que actúan en un edificio depende principalmente de dos factores: 1. Qué tan pesado es el edificio. 2. Qué tan grandes son las aceleraciones que el sismo provoca en el edificio. Entonces, si se tienen dos edificios del mismo peso, pero a uno se le somete a una aceleración del doble que al otro, las fuerzas sísmicas serán también del doble. De manera similar, si hay dos edificios en un sitio dado, las aceleraciones que el sismo generaría en el terreno son iguales, pero uno de los edificios es del doble de peso que el otro, también las fuerzas sísmicas que se generen en el edificio pesado resultarían del orden del doble de las fuerzas que se generaran en el edificio ligero. Esto implica, como ya se ha mencionado, que el tamaño de las fuerzas sísmicas depende del tamaño de la aceleración provocada por el sismo, y del peso mismo del edificio. A partir de las aceleraciones que se midan en un edificio y conociendo su peso, es posible determinar el tamaño de las fuerzas sísmicas que actúan en la construcción. En ocasiones, las fuerzas sísmicas son tan grandes que pueden llegar a ser más de la mitad del peso del edificio. Eso quiere decir que si uno de 10 pisos pesa por ejemplo 9,000 toneladas (aproximadamente el peso de 10,000 coches compactos), el tamaño de las fuerzas sísmicas puede ser cercano o mayor a 5,000 toneladas. Es por eso que los edificios construidos en zonas de alta sismicidad deben ser especialmente resistentes. Como se mencionó anteriormente, durante un sismo el suelo se mueve en todas direcciones, así el movimiento horizontal del suelo produce fuerzas predominantemente horizontales, o también llamadas laterales, sobre los edificios (figura 1); mientras que el movimiento vertical del suelo produce fuerzas predominantemente verticales (figura 2). Figura 1 El movimiento o sacudida horizontal del suelo durante un sismo produce fuerzas predominantemente laterales en un edificio.
Fuerzas laterales en edificio
Figura 2 El movimiento o sacudida vertical del suelo durante un temblor produce fuerzas predominantemente verticales en un edificio.
Fuerzas verticales en edificio
Deberá entenderse que no existen propiamente los “sismos oscilatorios”, o bien los “sismos trepidatorios”, en realidad, durante la ocurrencia de un sismo siempre se presentan movimientos tanto laterales, como verticales, por lo que en cualquier caso habrá fuerzas sísmicas laterales y verticales. Desde luego, dependiendo de la localización geográfica del sitio de interés habrá sitios donde el movimiento predominante sea el horizontal, y otros con movimiento predominante vertical. En ambos casos siempre se presentará también el otro tipo de movimiento.
Factores que afectan al movimiento de un edificio durante un sismo El tamaño de las fuerzas sísmicas sobre un edificio depende del valor de la aceleración que el sismo le incida, por lo que es necesario conocer los principales factores que afectan el tamaño de la aceleración en la construcción. En términos generales, la aceleración máxima que experimenta un edificio durante un sismo depende de los siguientes factores: 1. La aceleración máxima del suelo; 2. El periodo dominante del movimiento del suelo; y 3. El periodo de vibración del edificio.
3. Daño en edificaciones Al revisar los temas anteriores, sabemos que el comportamiento de las estructuras depende de varios factores (aceleraciones máximas del terreno, periodo dominante del movimiento del suelo y del periodo de vibrar del edificio), pero ¿qué es lo que hace que los edificios sufran daños durante un sismo?
¿Como identificar el nivel de daño que tenga un elemento estructural? Cuando una edificación tiende a presentar un comportamiento considerado como anómalo, es necesario identificar las características o tipo de mecanismo que generó el daño, por ejemplo, la flexión y cortante. Además, será importante saber y determinar si pone en riesgo la estabilidad de la estructura y, por lo tanto, de la edificación. La forma de identificar un posible comportamiento anómalo de los materiales de las edificaciones parte de la presencia de agrietamiento o desplazamientos de la estructura. En relación con la aparición de agrietamientos deberá diferenciarse, sobre todo cuando se emplean materiales pétreos como las mamposterías y los concretos, entre los agrietamientos por variaciones de temperatura durante los primeros meses de vida de la edificación y los agrietamientos por trabajo estructural propiamente dicho, este último tipo ha sido ejemplificado en párrafos anteriores. Por otro lado, los desplazamientos en las edificaciones o en sus componentes generalmente estarán asociados con insuficiencia en el tamaño del elemento estructural y no necesariamente con una insuficiencia en la resistencia. El caso más común y claro es el de las losas de pisos y techos, las cuales en algunas ocasiones pueden presentar desplazamientos verticales grandes, generando que “la losa se cuelgue”, aspecto que resulta inadecuado desde el punto de vista de la funcionalidad del edificio y de la sensibilidad del usuario, pero en la mayoría de las veces no pone en riesgo la estabilidad de la estructura. Entonces, surge un sinnúmero de preguntas, de las cuales podemos extraer algunas como las siguientes: ¿Todas las grietas en las edificaciones son peligrosas? ¿Todas las deformaciones en las edificaciones son peligrosas? De las cuales la respuesta es: no necesariamente.
4. Reducción del daño en las edificaciones El ser humano se caracteriza, respecto a los demás animales, por su necesidad de saber el origen de las cosas y los fenómenos que lo rodean; en el caso del sismo, y del efecto de este en las estructuras de las edificaciones, es el profesional de la ingeniería estructural quien se encarga de desarrollar los diferentes tipos de estudios que permiten entender el comportamiento de las edificaciones ante cualquier tipo de excitación externa ante el efecto del sismo. Dentro de los procedimientos que emplea el profesional de la ingeniería estructural se pueden mencionar de manera resumida los siguientes: • Estudios analíticos • Estudios experimentales en laboratorios • Estudios experimentales en mesa vibradora • Estudios experimentales en sitio
¿Cómo impacta el avance del conocimiento en la reducción del riesgo ante la incidencia de sismo? Para lograr reducir la vulnerabilidad de las edificaciones y, por lo tanto, la reducción de la densidad y nivel de daño probable que se presente en ellas producto de la incidencia de un sismo, la sociedad, a través de las autoridades que la representan, emite una serie de normas, reglamentos, códigos o recomendaciones que presentan los aspectos de mayor relevancia que se deberán cumplir durante los procesos de diseño y construcción para lograr que las edificaciones, aun presentando cierto daño durante un sismo, no fallen y definitivamente nunca se presente una pérdida de vida humana. Por ejemplo, como parte de un reglamento de construcciones, existen una serie de normas emitidas por un comité de especialistas en el tema y avaladas por la autoridad, cuyo objetivo es salvaguardar la seguridad de la población, dando con estas normas un nivel adecuado de seguridad en las construcciones. Para la elaboración de las normas el comité de especialistas toma en cuenta toda la información que a la fecha de la revisión o proceso de emisión del documento se haya generado por los estudiosos de los temas relacionados con el comportamiento de las edificaciones ante los efectos del sismo. Los procesos de revisión y emisión de las normas son periódicos, con una frecuencia variable, generalmente entre cinco y 10 años, tiempo en el que se genera gran cantidad de información y conocimiento sobre el tema y este se trata de plasmar en las recomendaciones de la normatividad. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos, los procesos de revisión de las normas guardan una relación directa con el impacto de un sismo que haya generado daño significativo en las edificaciones. Primer punto En el caso de la capital del país, el primer Reglamento de las Construcciones para el Distrito Federal, que contiene recomendaciones para el diseño sísmico, se publicó en 1942. En esa época los edificios de la Ciudad eran de baja altura, por lo que tenían pocos pisos y muchos de ellos tenían estructura de muros de carga. La parte del reglamento que se refiere al diseño sísmico es breve, pero para la época en que se publicó estaba al día, y no difería sustancialmente de los códigos en vigor de otras grandes ciudades del mundo. Segundo punto Pero, la mañana del 19 de septiembre de 1985 un sismo de intensidad excepcional e inesperada sacudió a la Ciudad de México, causando gran destrucción y la pérdida de muchas vidas. Un número elevado de construcciones sufrió falla total y muchas más experimentaron daños de diversos grados de importancia. La intensidad del sismo fue mucho mayor y sus características mucho más destructivas que las de cualquier otro terremoto sufrido por la ciudad con anterioridad. Los daños en edificios fueron mucho más extensos. Las incertidumbres en la respuesta de las edificaciones ante solicitaciones sísmicas son muchas, y de ahí ha provenido la necesidad de efectuar cambios en los procedimientos de diseño, cada vez que un nuevo temblor ocurre, la información y enseñanza generada por ese simple hecho hace que aumenten nuestros conocimientos sobre el tema. Algunos de los aspectos principales en que los sismos recientes han ampliado significativamente el conocimiento del comportamiento de las edificaciones ante sismo se pueden resumir de la siguiente manera: 1. Parámetros ajenos a la edificación misma, como son la magnitud del evento, la distancia del epicentro al sitio de interés, así como otros aspectos estructurales del mecanismo generador del sismo, se constituyen en parámetros que influyen significativamente en las características del movimiento y sus efectos sobre la edificación. También, parámetros propios de la estructura de la edificación, como son su geometría general en planta y elevación, así como las propiedades de los materiales componentes, constituyen parámetros que impactan en el comportamiento de la edificación. Aunado a los aspectos propios de la edificación, se ha identificado que elementos no necesariamente considerados como importantes para lograr un comportamiento adecuado ante la incidencia de un sismo, también influyen en buena parte de las características de movimiento de la estructura, tal es el caso de los sistemas de piso (que es un elemento estructural), muros divisorios, fachadas, escaleras, y otros elementos aparentemente no estructurales. 2. La edificación ha de planearse, diseñarse, detallarse y construirse de manera que todos los elementos que la constituyen trabajen en conjunto. 3. Ha de evitarse, en la medida de lo posible, que los edificios presenten configuraciones irregulares y complejas.
4. De la misma manera que lo indicado en el punto anterior, es recomendable tratar de evitar que los periodos naturales de vibración de las edificaciones resulten cercanos a los periodos dominantes del terreno en el que se construyen. Una manera simple y conservadora de obtener edificios que siendo factibles económica y funcionalmente, tengan al mismo tiempo una probabilidad lo suficiente alta de que su comportamiento ante sismos futuros resulte satisfactorio, es presentando una atención mucho mayor a aspectos que hasta ahora no se han considerado básicos e importantes. Entre estos aspectos se incluyen, prioritariamente, los relativos al diseño arquitectónico: uno de las aspectos altamente recomendados en la normatividad radica en estimular la construcción de estructuras regulares en planta y en elevación.
5 PARÁMETROS IMPORTANTES PARA EVALUAR LA SEGURIDAD ESTRUCTURAL Y VULNERABILIDAD DE LAS EDIFICACIONES ANTE UN SISMO Al finalizar la unidad, el participante será capaz de: • Identificar los diferentes mecanismos de daño y posible falla de elementos estructurales y los sistemas que los contienen, así como las características generales de dichos mecanismos y su repercusión en el comportamiento general de la estructura.
Introducción Esta unidad tiene como objetivo principal introducir al lector en los mecanismos básicos de comportamiento, de generación de daño y posible falla de elementos estructurales de diferentes tipos de materiales y sistemas estructurales. También se hace una descripción sencilla sobre el efecto que pueden tener estos diferentes mecanismos en el comportamiento global de las estructuras de edificación.
5.1. Columnas de concreto reforzado Detallado de conexiones Las edificaciones están formadas por elementos estructurales conectados entre sí (trabes, columnas, losas, muros, cimentación). Las conexiones son un punto determinante para la estabilidad de un edificio, ya que en estas se presentan elevadas concentraciones y condiciones complejas de esfuerzos. Por lo tanto, son esas conexiones las que en muchas ocasiones presentan el tipo de daño como el que se muestran en la imagen de abajo. Diversos aspectos ocasionan que las conexiones sean una parte vulnerable de la estructura; por ejemplo, deben ser capaces de resistir y transmitir las fuerzas de trabes y, además, las de las columnas; por lo tanto se convierten en una zona potencialmente vulnerable. En la siguiente imagen se puede apreciar una estructura de marcos, hecha a base de vigas y columnas, en la que se presentó la falla de las conexiones.
Edificio a base de columnas y trabes con falla en la zona de unión durante el sismo de Turquía de 1999
5.2. Trabes de concreto reforzado Daño en trabe por formación de articulación plástica La formación de una articulación plástica es un daño esperado cuando la estructura se ve sometida al sismo máximo probable de su vida útil. El diseñador tomó en cuenta que esto sucedería cuando la estructura fuera solicitada a la acción de los sismos (estos daños pueden ser reparables), ya que de esta manera se obliga a que se dañe la trabe y se conserva la integridad de la columna, principio de diseño de columna fuerte y viga débil. La manifestación de este tipo de daño o falla se identifica por la aparición de agrietamiento principalmente perpendicular al eje longitudinal del elemento (agrietamiento vertical en trabes y horizontal en columnas); además de la ocurrencia del aplastamiento, y posible desprendimiento, del concreto. En el caso del concreto reforzado estas características son propias del mecanismo de falla, como se muestra en la siguiente imagen. Se deberá tener presente que en caso de la ocurrencia de un sismo extremo, este es un mecanismo de falla deseable.
Daño por formación de articulación plástica en trabe (daño o falla por flexión)
Falla por cortante en viga Este tipo de falla es menos deseable ya que, al igual que en las columnas, la falla por cortante es del tipo frágil y puede conducir a problemas mayores. Incluso los reglamentos son más exigentes cuando se diseña por cortante (para cualquier elemento estructural); es decir, se utilizan factores que obligan a crear secciones mayores y a utilizar también una mayor cantidad de acero para lograr con esto que se evite este tipo de falla. Las características que permiten identificar este tipo de daño o falla es la aparición de agrietamiento diagonal, como se muestra en la siguiente imagen. La falla se puede presentar por fractura del refuerzo transversal (estribos o anillos) o por aplastamiento del concreto en las diagonales del mecanismo.
Falla por cortante en viga peraltada
Daño en elementos de concreto por un mal detallado del acero de refuerzo El acero de refuerzo, al ser una de las partes primordiales del concreto reforzado, debe ser detallado adecuadamente, ya que debe ser colocado en la cantidad, con la geometría y en la posición apropiadas para que funcione junto con el concreto. La mayoría de los reglamentos exige utilizar acero corrugado para que exista mejor adherencia entre acero y concreto, lo cual genera una transmisión de esfuerzos por trabazón entre las corrugaciones del acero y el concreto que lo rodea. La falta de adherencia puede producir comportamientos anómalos y daños, como el que puede verse en la imagen, caso este en el que el acero es liso.
Utilización de acero liso como acero longitudinal, y detallado inadecuado en la colocación del acero
Las recomendaciones reglamentarias sobre el detallado del acero incluyen el diámetro máximo de las barras, la longitud de anclaje de la barra en una conexión o en un elemento de concreto, la geometría de los ganchos o barras de anclaje, las separaciones máxima y mínima entre las barras y el recubrimiento de concreto hacia las caras externas.
5.3. Muros de concreto reforzado Son varios los modos de falla que se pueden presentar en muros estructurales, en los que el tipo de falla depende de diversas características, como son el detallado, el armado, la geometría del elemento y las características del anclaje del refuerzo del muro en los elementos inferiores o la cimentación.
Falla por deslizamiento en la base del muro de concreto En el caso de muros de concreto, la resistencia a la flexión en su plano (la fuerza necesaria para que falle por flexión en el plano) es relativamente alta comparada con la resistencia a cortante (la fuerza necesaria para que se presente la falla por cortante), por lo que en muchas ocasiones el mecanismo de falla dominante en este tipo de elementos se da por tensión diagonal de cortante; los elementos visuales manifestados son grietas inclinadas 45º aproximadamente. Sin embargo, si la resistencia a cortante resulta suficientemente alta, puede cambiarse el modo de falla al de deslizamiento; este es el caso también de muros muy largos en relación con su altura. La zona crítica puede ser la base del muro en donde se genera un mecanismo resistente de cortante por fricción, que puede ser insuficiente para evitar la falla. Una clara manifestación de este mecanismo de falla por deslizamiento en la base se presenta en la siguiente imagen.
Falla por deslizamiento en muros de concreto
Falla por tensión diagonal por fuerza cortante sísmica en muros de concreto En el caso de muros de cualquier material, la falla de tensión diagonal por cortante sucede generalmente al inducir fuerzas horizontales en los muros, las cuales generan esfuerzos de compresión y tensión diagonales a los ejes horizontales y verticales de los elementos, haciendo que se produzcan grietas a 45°, este tipo de fallas se cataloga como frágil por lo abrupto de su ocurrencia y por la poca competencia de los materiales pétreos (como es el concreto y las mamposterías) ante los esfuerzos de tensión. Una muestra de este tipo de daño se presenta en la siguiente figura. En este caso la parrilla de acero horizontal y vertical (con malla o con barras de acero) sirve para restringir la abertura de las grietas como lo harían los estribos en una trabe.
Falla por tensión diagonal
5.4. Muros de mampostería La mampostería es un elemento formado por piezas prismáticas de materiales térreos unidos por un mortero aglutinante con propiedades cementantes. Las piezas de mampostería pueden ser de fabricación moderna, artesanal o industrializada, como los tabiques de arcilla cocida o los bloques de concreto (cemento-arena), o bien de piedra natural. Incluso los adobes, que son prismas de tierra amasados y secados al sol, también pueden considerarse piezas de mampostería. Con mampostería pueden construirse elementos como muros, cimientos, muros curvos -las chimeneas-, cubiertas -bóvedas y cúpulas-, trabajando en arco o como sistemas de piso con la ayuda de vigas metálicas o de madera. En las edificaciones modernas se combina el uso de la mampostería con elementos de refuerzo mediante barras de acero y elementos de concreto de pequeñas dimensiones. En cada caso se tendrá alguna de las modalidades de la mampostería confinada y la reforzada. La mampostería confinada es aquella que cuenta con elementos de concreto reforzado de pequeñas dimensiones que rodean los paneles de mampostería, los cuales son conocidas en México como “castillos”, cuando son verticales, y “dalas” o “cadenas” si son horizontales. Por lo general tienen el mismo ancho del muro o un poco mayor; se cuelan después de levantado el muro, por lo que se logra una fuerte conexión por la adherencia del concreto a la mampostería. De las experiencias sobre el comportamiento de las edificaciones de mampostería ante la incidencia de sismos de gran potencial destructivo, se ha identificado que aquellas estructuras que respetan los lineamientos generales establecidos en los reglamentos y normas no presentarán problemas severos o daño. A continuación se incluyen algunos comentarios sobre problemas de mampostería durante la ocurrencia de sismos.
5.5. Elementos de acero estructural El acero, además de su uso en la fabricación de innumerables herramientas, equipos y máquinas, es uno de los más importantes materiales para construcción que ha creado la humanidad. No solo permite la conformación del armazón completo de múltiples estructuras y grandes edificaciones, sino que incluso las estructuras de concreto y de mampostería reforzada hacen uso importante de él. Tiene la ventaja de que se pueden conformar elementos estructurales desde fábrica (perfiles hechos de placas) y requerir en campo solo de las conexiones entre ellos. También permite estructuras relativamente más ligeras y flexibles que con otros sistemas. Sin embargo, en México no es tan usado por el costo y por la necesidad de técnicos especializados para su montaje, salvo en estructuras de techos ligeros, naves industriales y edificios de gran altura. Otro problema es la necesidad de protección contra la corrosión (oxidación) y contra el fuego, situaciones en las que el concreto reforzado bien diseñado tiene ventajas. En la siguiente sección se muestran algunos modos de falla esencialmente por soluciones para la conexión de elementos de acero contra otros elementos o contra cimentaciones.
5.6. Parámetros de vulnerabilidad general en edificaciones Daño en la cimentación hundimiento del edificio Cuando la capacidad de carga del suelo se ve superada por la carga del edificio sumada a la acción del sismo, el suelo falla, lo que provoca que la estructura se hunda y se vuelva inhabitable o que colapse. Esto puede suceder por un diseño inadecuado al no considerar el efecto del sismo en el diseño de la cimentación, o por no haber contado con datos confiables de la capacidad de carga del suelo por un insuficiente estudio de mecánica de suelos.
Hundimiento del edificio
Emersión de edificios Existen dos casos en los que los edificios emergen del terreno circundante; uno es porque puede haber fuerzas del suelo que lo movilicen hacia arriba, como en el caso de edificios sobrecompensados: el peso del suelo excavado (por ejemplo, para alojar un cajón de cimentación) fue mayor que el peso del edificio, y obran acciones como las del agua freática en el subsuelo por lo que el edificio “flota como barco”. En el otro caso en realidad el edificio no está emergiendo, sino que el terreno y las construcciones de alrededor están hundiéndose simultánea y uniformemente por los asentamientos del suelo debidos principalmente a la extracción de agua, a veces da la impresión de que emergen los edificios que se encuentran cimentados sobre suelos duros (por ejemplo, con pilotes de punta), como lo muestra la siguiente imagen.
Emersión del edificio
Daño por asentamiento del edificio vecino Es necesario estar consciente de que un edificio, su cimentación y el subsuelo no están solos. En las ciudades modernas las edificaciones por lo general se encuentran a pocos centímetros de otras estructuras, por lo que necesariamente hay una interacción con los edificios vecinos, con su cimentación y el terreno que los soporta. El mayor asentamiento de un edificio vecino debido a que tiene más peso y una inadecuada solución de cimentación pueden provocar que se generen hundimientos diferenciales que dañarían seriamente a los edificios que lo rodean.
Asentamiento del edificio vecino
Colapso de edificios por volteo de la cimentación La liga entre la estructura y su cimentación y la liga de la cimentación al suelo son puntos esenciales para la estabilidad de los edificios. Se han presentado colapsos por el volteo completo del edificio cuando las estructuras son muy esbeltas y la capacidad del suelo es inferior a las demandas; ello ocasiona que su centro de masa se encuentre elevado y que tenga una gran tendencia a girar, y si a ello le sumamos que su cimentación es muy somera, los edificios prácticamente son arrancados desde la base cuando ocurre un sismo.
Volteo de edificios
Volteo de edificios
Volteo de edificios por licuación de arenas El fenómeno de licuación de arenas (llamado por algunos como “licuefacción”, que es una traducción más literal del inglés) es la pérdida momentánea de la resistencia a cortante y, por tanto, de la capacidad de carga de un suelo compuesto por arenas finas saturadas cuando se presenta una vibración, como en el caso de un sismo. La pérdida súbita de la resistencia del suelo puede producir el hundimiento general o el volteo de edificios completos cuando están construidos en este tipo de terrenos sin haber tomado medidas para preverlo. En la imagen de abajo se ven algunos edificios en Japón que se inclinaron o se voltearon completamente debido a este fenómeno de licuación.
Falla por licuación de arenas
Vulnerabilidad en edificios La vulnerabilidad es la propiedad de un sistema de poder ser dañado. En una estructura podemos entenderla como las características que le confieren debilidades a tal estructura ante las acciones que esta puede sufrir en su vida, como cargas gravitatorias, acciones accidentales (sismo, viento) e incluso condiciones ambientales que degradan sus materiales. En cuanto a las propiedades o características generales de las edificaciones que pueden ser generadas de vulnerabilidad se pueden mencionar las siguientes:
Vulnerabilidad por una configuración inadecuada en planta. La configuración inadecuada en la planta de los edificios produce vulnerabilidad. Particularmente las configuraciones irregulares generan una respuesta desfavorable de la estructura. Los casos más importantes de la irregularidad en planta son estos: 1. Configuraciones asimétricas: ya sea por la forma asimétrica de la figura que define el entrepiso (visto en planta), por una distribución irregular de cargas o elementos de gran peso, o finalmente por una distribución irregular de elementos resistentes y de distintas rigideces laterales (columnas, muros). Esto puede generar fuertes giros del edificio alrededor de un eje vertical, lo cual se conoce como “torsión de planta”, fenómeno que puede generar fuerzas adicionales en los elementos verticuales (columnas y muros) que pudieran no ser soportados por los sistemas resistentes. 2. Geometrías muy alargadas: en este caso se pueden generar desplazamientos laterales de los sistemas de piso que pueden no ser tolerados por los sistemas que resisten las cargas verticales, además de que se invalidan los resultados de análisis estructurales que se hayan hecho suponiendo la hipótesis del diafragma rígido. 3. Con grandes huecos en el sistema de piso (losa) para patios internos o cubos de ventilación e iluminación, o para accesos como escaleras y elevadores: esta condición también hace más compleja la redistribución de las fuerzas horizontales y puede no ser válida la suposición de diafragma rígido. 4. Con sectores del entrepiso que sobresalen del cuerpo principal en su geometría vista en planta (llamadas “salientes”), o bien espacios vacíos junto al perímetro (conocidas como “entrantes”): el mayor problema es que esas alas vibran de formas diferentes y ocasionan concentraciones de esfuerzos o flujos de fuerzas en las uniones de estas con el resto del edificio, con la posibilidad de fallas locales.
Mala configuración en planta
Mala configuración en planta
Mala configuración en planta
Un caso particular de asimetría que produce torsiones de entrepiso es el observado en muchos edificios “en esquina”; es decir, que están en la intercepción de dos calles y que por lo tanto son resueltos con dos fachadas colindantes que dan a dichas vialidades. El problema es que mientras estas fachadas cuentan con una amplia cantidad de ventanas o están formadas por marcos abiertos con ventanales, las otras dos fachadas, que dan hacia los predios vecinos, están cerradas con muros sin aberturas o muros de relleno dentro de los marcos (muros diafragma). De este modo, unas fachadas son muy flexibles y las otras son altamente rígidas, y así se produce la torsión del edificio ante fuerzas laterales. Representaciones gráficas de distribuciones vulnerables de elementos y sistemas estructurales se presentan en la siguiente imagen.
Edificación con irregularidad en planta
Vulnerabilidad debido a una mala distribución de elementos resistentes. La asimetría en la distribución en planta de los elementos resistentes provoca un mal comportamiento estructural, debido a esta se produce una vibración torsional y somete a elevadas fuerzas o demandas de deformaciones a los elementos de la periferia. La imagen es una representación de este problema.
Vulnerabilidad debida a una mala distribución de elementos resistentes
Vulnerabilidad por mala distribución del peso en el edificio. Ya que las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa y en consecuencia al peso del edificio, siempre es buena recomendación procurar que el peso del edificio sea el menor posible. Como las aceleraciones introducidas en el edificio crecen con la altura, es importante evitar masas excesivas en las partes altas del edificio. Así, en el proyecto arquitectónico es importante ubicar en los pisos más bajos los mayores pesos muertos, como archivos y bóvedas; de igual manera es necesario que no existan concentraciones de pesos distribuidos irregularmente en cualquier parte de la estructura, ya que esto generaría problemas de amplificación dinámica o fenómeno de torsión sísmica, como se muestra en las imágenes de abajo.
Edificación con distribución irregular de masa
Concentración de masa en un entrepiso
Vulnerabilidad en edificios alargados. Las estructuras largas son vulnerables debido a que los sistemas de piso dejan de comportarse como diafragmas rígidos. Cuando los sistemas de piso son muy alargados, se comportan como vigas flexibles, lo que ocasiona problemas en la parte central del edificio, además de que la distribución de fuerzas laterales hacia los elementos resistentes verticales (muros y columnas) seguirá un patrón diferente al considerado en los procedimientos de análisis generalmente empleados en el proceso de diseño, según se muestra en las siguientes imágenes.
Edificación con distribución irregular de masa
Edificación con distribución irregular de masa
Vulnerabilidad por plantas muy alargadas
Vulnerabilidad por una irregularidades en altura. Al igual que sucede con las configuraciones en planta, respecto de la altura también es importante que no se presenten cambios bruscos en cuanto a la forma, ya que con esto se ocasiona cambios en la rigidez de la estructura y también concentraciones de esfuerzos en dichas zonas. Los casos más importantes son estos (y se muestran en las imágenes de abajo): Aumento o reducción del área de la planta. El caso más crítico es cuando en los pisos superiores se aumenta el área de las plantas, lo cual, en principio, produce más carga vertical en los elementos resistentes de pisos bajos, pero también genera más masa inercial en la parte superior del edificio, que es donde se dan las mayores aceleraciones sísmicas, lo que también produce fuertes momentos de volteo sobre la base de la estructura y cimentación e incluso mayores efectos de torsiones de planta. En caso de reducciones bruscas del área en pisos superiores, si bien se bajan las cargas gravitatorias y las sísmicas, también hay efectos desfavorables ya que se generan fuertes concentraciones de fuerzas en el cambio de sección. Un caso particular es la reducción de rigidez en la planta baja al dejar un entrepiso “abierto” mediante marcos de trabes y columnas, mientras que en los pisos superiores se cuenta con muros de carga o muros diafragma dentro de los marcos. Esto produce el efecto de “planta baja flexible”, que lleva a concentraciones de demandas de deformación en dicha planta y que ha ocasionado innumerables colapsos en sismos pasados.
Irregularidades de edificaciones en la altura
Configuración inadecuada en altura
Vulnerabilidad por choque entre edificios. El choque entre edificios es un fenómeno que se ha visto muchas veces en sismos severos y sucede por una situación generalmente ignorada: no separar adecuadamente los edificios vecinos, ya que de acuerdo a su altura y rigidez cada edificio vibra de forma diferente. Así, los edificios más altos y generalmente más flexibles golpean o se apoyan en los más pequeños, lo que puede culminar en colapsos parciales o totales de alguno o ambos edificios, como se muestra en las imágenes de abajo.
Golpeo entre edificios
Choque entre edificios vecinos
6. USO DEL FORMATO DE RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN PARA LA EVALUACIÓN DE LA SEGURIDAD ESTRUCTURAL Y VULNERABILIDAD DE EDIFICACIONES ANTE SISMO Al finalizar la unidad, el participante será capaz de: Usar el formato de recopilación de información para evaluar, con un alto nivel de certidumbre y de manera sistematizada, la seguridad estructural y la vulnerabilidad de las edificaciones. Identificar los diferentes tipos de sistemas estructurales empleados en edificación y los principales materiales constructivos. Identificar los diferentes tipos de daños en los componentes de las edificaciones y el impacto que tendrá en la reducción de la seguridad estructural.
Introducción En el pasado se han desarrollado muchas propuestas, estudios, formatos de evaluación, manuales de evaluación y artículos técnicos sobre la inspección y determinación de las condiciones de seguridad estructural de edificaciones, en especial ante la ocurrencia de eventos sísmicos. Normalmente las autoridades y los grupos de profesionistas de las poblaciones que han sufrido algún desastre organizan y diseñan, adaptan o adoptan una serie de formatos o cédulas de evaluación de daños y condiciones de la seguridad estructural de las edificaciones. Estos datos sirven en primera instancia para catalogar las edificaciones con daño severo y que deban ser desalojadas, así como prohibir o restringir su uso, y también para conformar bases de datos para la estimación de las pérdidas globales y la planeación de los recursos. Si bien existen ya muchas propuestas, manuales y las correspondientes cédulas o formatos de evaluación, no todas contienen la información necesaria. La mayoría de ellas son demasiado breves (media página), o bien, en muy pocos casos, resultan muy extensas y de difícil uso en situaciones de emergencia (cuestionario de diez, veinte o más páginas) y no cuentan con todos los datos que se requieren exclusivamente para evaluar las condiciones de seguridad estructural, ya que en ocasiones incluyen información legal, financiera, daños detallados de acabados, pero no de la estructura, etcétera. Para el diseño del Formato de Recopilación de Información para la Evaluación de la Seguridad Estructural y Vulnerabilidad de Edificaciones ante Sismo (en adelante Formato) se revisaron primeramente documentos, manuales y formatos varios. En especial se tomó el esquema general del trabajo de Mario Rodríguez (1995) y de la SMIS (1998), así como los documentos y formatos enlistados al final de esta unidad. El Formato fue desarrollado junto con un manual para su llenado. Este manual tiene el objetivo de ser un marco de referencia, así como una herramienta de consulta para el inspector (evaluador) encargado de realizar la recopilación de la información mínima, para que después se realice la evaluación de la seguridad de los inmuebles con un procedimiento sistematizado y uniforme. A lo largo de esta unidad el participante conocerá detalladamente el Formato, también aplicará los conocimientos adquiridos en las unidades anteriores para el llenado del formato; de este modo podrá participar en el proceso de recopilación de información sobre las características generales de las estructuras de los edificios, así como del estado que presentan después de la ocurrencia de un sismo de gran magnitud (potencialmente dañino). Para ello se ha dividido el estudio en las siguientes secciones, de las cuales está integrado el formato: datos generales, características generales de la estructura, vulnerabilidad, evaluación de daños y croquis del inmueble. En lo correspondiente a los datos generales, se recaba la información básica de localización de la estructura. El tema de las características de la estructura es muy amplio, pues abarca desde la descripción de la estructura y su sistema portante hasta las características que le pueden generar vulnerabilidad a la edificación. La evaluación de daños se hará mediante el registro del estado en que se encuentren los elementos estructurales principalmente, aunque también se toma nota de manera general de la presencia de daño en elementos no estructurales. Finalmente se dan algunas sugerencias para la elaboración de croquis para la correcta localización del inmueble y el registro de daños presentes en la estructura.
6.1. Datos generales del inmueble El formato está dividido en nueve secciones: 1. Información general del inmueble 2. Uso 3. Terreno y cimentación 4. Características de la estructura 5. Vulnerabilidad 6. Sistema estructural 7. Rehabilitación 8. Evaluación de daños 9. Croquis del inmueble En esta sección de los datos generales se recaba la información básica de localización de la estructura: dirección, nombre del propietario o contacto, los datos de la persona que realiza la inspección, el nombre y ubicación del inmueble, entre otros datos. Esto servirá para el registro y control de los inmuebles con daño y formará una base de datos georreferenciada (con la ubicación exacta en coordenadas geográficas) con la que se puedan identificar los inmuebles estudiados.
Datos de la visita de inspección al inmueble Este tipo de información será de relevancia estadística para fines de registro y duración de las inspecciones; se registrarán los datos de realización de la visita al lugar del inmueble a inspeccionar, como se muestra en la siguiente figura.
Datos generales de la inspección
Fecha: dd/mes/aaaa (día / mes / año); por ejemplo: 27/ene/2011. Hora: hora de inicio de la inspección; por ejemplo: 16:30 h. Duración visita: tiempo que se requirió para la inspección; por ejemplo: 02:30 (dos horas, treinta minutos). Clave: para uso interno del órgano evaluador; se deja vacío. Nombre del evaluador: nombre completo. Se deberá indicar en la casilla correspondiente si el evaluador tiene formación en ingeniería civil, arquitectura o áreas afines, como ingeniero militar constructor o ingeniero municipal. Si no tiene estudios en estas profesiones, se recomienda al inspector anotar su formación en particular si está relacionado con actividades de protección civil.
Información general del inmueble Datos de ubicación del inmueble, dirección completa y datos de la persona contactada o del propietario, como aparecen en la figura siguiente:
Información general del inmueble
Coordenadas: ubicación del inmueble según el sistema de coordenadas geográficas, así como su altitud. Debido a la dificultad de contar con estos datos en el momento de la inspección, estos campos pueden ser llenados después de la visita. Esta información será de utilidad estadística para la elaboración de mapas de localización de daños.
Uso del inmueble Indicar el o los usos actuales a que esté dedicada la edificación en inspección. Se deben de anotar los porcentajes estimados de cada uno de los usos verificando que la suma de estos porcentajes sea igual a 100%.
Uso del inmueble
A continuación se detalla el listado de la figura; se indican para cada grupo algunos de los inmuebles que se consideran dentro de cada uno de ellos.
Habitacional o Estructuras para actividades cotidianas, convivencia familiar y pernocta. o Vivienda: casa habitación, varias casas habitación independientes en el mismo predio. o Multifamiliar: edificios de departamentos, condominio, privada o vecindad. o Hotel: hoteles, moteles, hostelerías, casas de huéspedes, etcétera. o Dormitorio: todo tipo de edificación para albergue y pernocta de personas, incluidas las barracas de cuarteles, conventos, reclusorios, etcétera.
Oficinas/comercio o Oficinas: oficinas, despachos, bancos, casas de cambio. o Tienda: tiendas de productos básicos y de especialidades, tiendas de autoservicio, tiendas departamentales, centros comerciales, locales de servicios. o Mercado: mercados populares, centrales de abastos. o Restaurantes: restaurantes, cafeterías, fondas, bares, cantinas. Edificios dedicados exclusivamente a preparar y servir alimentos.
Educativo o Preescolar, primaria, secundaria o Superior: preparatorias, bachilleratos, universidades, facultades, escuelas superiores, institutos técnicos, academias de todo tipo, escuelas de computación, de idiomas y de actividades productivas. o Biblioteca: bibliotecas, archivos de documentos de interés nacional, acervos bibliográfico, hemerográfico, mapotecas o similares. o Museo: museos, salas de exposiciones, galerías de arte.
Salud/social o Edificaciones del sector salud o instituciones para asistencia social con alojamiento de personas con dificultades para su movilidad en caso de una evacuación (enfermos, ancianos, bebés o niños pequeños). o Hospital: hospitales de urgencias, de especialidades, general y centro médico. En general, edificaciones en los que se internan y alojan enfermos en cama y que cuenta con salas de espera, consultorios, laboratorios y quirófanos. o Clínica: centros de salud, clínicas de urgencias, clínicas en general, laboratorios dentales, de análisis clínicos y radiografías, consultorios. En general, edificaciones en los que no se tiene la pernocta de los enfermos. o Asilo: asilos de ancianos, orfanatos y otras instituciones de asistencia. o Estancia infantil: casas cuna, guarderías, centros de desarrollo integral para niños, estancias infantiles.
Reunión o Estructuras para reunir grandes concentraciones de personas (200 o más). o Centro social: centros de convenciones, centros culturales, centros sociales, centros comunitarios, clubes sociales, asociaciones civiles. o Templo religioso: iglesias, templos, sinagogas, mezquitas y otros edificios de culto. o Gimnasio: salones de pesas, spa, albercas, canchas deportivas, centros deportivos, clubes deportivos. o Salón de baile/juego: centros nocturnos, discotecas, casinos, salones de fiestas y banquetes, billares, boliches, salones de juegos electrónicos y de mesa. o Cine/teatro/auditorio: además de los indicados, salas de concierto y salones de eventos masivos. o Estadio: estadios deportivos, palenques, plazas taurinas, lienzos charros, hipódromos, velódromos, autódromos y todo tipo de estructuras con gradas para la concentración de personas.
Industrial o Fábrica: naves industriales de cualquier tipo. o Taller: agencias y talleres de reparación automotriz, llanteras, talleres de reparación de electrodomésticos, talleres de reparación de maquinaria. o Bodega: bodegas de tipo industrial o comercial. o Generación eléctrica: plantas generadoras de electricidad, estaciones y subestaciones eléctricas, torres de alta tensión. o De combustibles: gasolineras, estaciones de gas carburante, estaciones de combustible en general.
Comunicaciones y transportes o Terminal de pasajeros: terminales de autotransporte urbano y foráneo, estaciones de metro, metrobús, paraderos de transporte terrestre en general. o Terminal de carga: terminales de autotransportes de carga, terminal ferroviaria de carga, patios de contenedores, zonas de carga y descarga en puertos y aeropuertos. o Estacionamiento: rampas, edificios y sótanos de estacionamientos. Se refiere a niveles dentro de un edificio con almacenamiento y circulación de automóviles. o Puerto/Aeropuerto: torre de mando, faro, muelles, terminales aéreas, torres de control, helipuertos. o Correo/Telégrafo/Teléfono: agencia de correos, teléfono o telégrafo, centrales telefónicas y de correos. En este rubro se incluirán las edificaciones que contienen equipo e instalaciones de telecomunicación. o Radio/Televisión: estaciones de radio, televisión, estudios cinematográficos. Antena transmisora: antenas de transmisión de radio, teléfono, televisión, estaciones repetidoras de comunicación telefónica móvil.
Otro o
Incluye todas aquellas estructuras que no estén dentro de los mostrados en el listado de arriba, estructuras especiales.
Importancia de la estructura La clasificación de estructuras mostrada en la figura anterior corresponde con la que hace el “Reglamento de construcciones del Distrito Federal” (GDF, 2004) y el Manual de Diseño de Obras Civiles. Diseño por Sismo de la CFE, los cuales clasifican a las estructuras de acuerdo a su importancia como sigue: Grupo A: edificaciones de peligro significativo (almacenes de sustancias tóxicas o explosivas); edificaciones de funcionamiento esencial en una emergencia (hospitales, terminales de transporte, estaciones de bomberos, centrales eléctricas y de telecomunicaciones, estadios); museos y edificios que alojen archivos y registros públicos; centros escolares y edificios públicos que alberguen a las autoridades responsables de la atención de una emergencia, y edificaciones que estén consideradas para su uso como albergue durante la ocurrencia de una emergencia. Grupo B: edificaciones comunes destinadas a viviendas, oficinas y locales comerciales, hoteles y construcciones comerciales no incluidas en el grupo A. Se subdivide en los siguientes grupos: Grupo B1: edificaciones de más de 30 m de altura o con más de 6000 m² de área total construida, ubicadas en las zonas de lomas o de transición, y construcciones de más de 15 m de altura o más de 3000 m² de área total, construidas en zonas de lago. Edificios que tengan locales de reunión que pueden alojar a más de 200 personas, templos, salas de espectáculos, así como anuncios autosoportados, anuncios de azoteas y estaciones repetidoras de comunicación celular o inalámbrica. Grupo B2: Las demás de este grupo. Grupo C: estructuras temporales.
Importancia de la estructura
Se debe reportar el estatus de ocupación del inmueble, como se muestra a continuación.
Ocupación del inmueble
6.2. Características generales de la estructura Esta parte del formato se ha subdividido en cinco secciones que en conjunto reúnen las características principales de una estructura: 1. Terreno y cimentación 2. Características de la estructura 3. Vulnerabilidad 4. Características del sistema estructural 5. Rehabilitación
Terreno y cimentación Esta sección se centra en la descripción del entorno físico del edificio y es muy importante para contar con elementos para ciertas caracterizaciones de posible vulnerabilidad, como una fuerte pendiente del terreno, que hace al edificio más sensible a problemas de deslizamientos. La proximidad a cuerpos de agua puede identificar posibles problemas por inundaciones, saturación del subsuelo, pérdida de terreno por erosión, problemas de humedad, etcétera
Terreno y cimentación
Topografía Configuración del terreno de desplante del edificio, en la figura se ilustra cada uno de los elementos de la lista correspondiente, se señalarán todas las características del terreno que se observen.
Tipo de suelo Existen cinco tipos que dependen de los materiales de los que esté constituido el suelo. Arcilla muy blanda: suelos finos sin compactar, están formados por el depósito de los materiales que se generan por el desgaste y descomposición de los minerales de rocas y que son transportados por los ríos o el viento. Limos o arcillas: sedimentos formados por diferentes materiales conocidos como lodo, barro, restos vegetales, polvo de rocas, entre otros. Granular suelto: arenas y gravas sueltas de tamaño grueso desde 0.074 mm hasta 6 cm. Granular compacto: arenas y gravas compactadas ya sea de forma natural o por la acción humana. Roca: estrato de suelo duro formado por mezclas muy variadas de minerales y otros materiales. Para esta clasificación se debe contar con información técnica del tipo de terreno, a menos que esté visible; por ejemplo, en excavaciones cercanas, o, en el caso de roca, que aflore el material. Suelo Atendiendo a su deformidad un suelo puede clasificarse de manera general en blando o firme, y los que se encuentren entre ambos estados se le considerará como suelo de transición, según se muestra en la siguiente figura.
Tipo de suelo
En algunas ciudades existen mapas de zonificación, ya sea en el reglamento de construcción local o en información de estudios geotécnicos o sísmicos en donde se puede determinar la clasificación para el tipo de terreno. Si no se conoce el tipo de terreno, este rubro debe dejarse vacío. Cimentación La cimentación es el sistema estructural encargado de transmitir las cargas de una edificación al suelo, puede ser superficial o profunda dependiendo de su profundidad de desplante, ver el listado que se muestra en la figura y las definiciones que se presentan.
Tipo de cimentación
Cimentaciones superficiales: aquellas cuya profundidad de desplante es pequeña, entre 0.5 y 4 m de profundidad, dependiendo de la geometría y ancho de la superficie de apoyo, y se consideran los siguientes casos: zapatas aisladas, zapatas corridas, cimientos de piedra, losas y cajones de cimentación, como se muestra en la figura inferior. Zapatas aisladas: son una ampliación de la base de la columna para distribuir de manera adecuada los esfuerzos que se transmiten al suelo. Zapatas corridas: zapatas alargadas empleadas como apoyo simultáneo de varias columnas o muros. Cimientos de piedra: zapatas formadas a base de mampostería irregular generalmente piedra se emplea comúnmente en vivienda Losa: es una placa extensa de concreto reforzado que se apoya directamente sobre el terreno. Cajón, constituida por cajones de concreto sobre los que se apoya la estructura. En algunos casos corresponde con los estacionamientos subterráneos o con sótanos para diversos usos.
Cimentaciones superficiales
Cimentaciones profundas: son aquellas cuya profundidad de desplante es mayor a 4 m, lo que permite alcanzar las capas profundas resistentes del suelo, por lo general están constituidas por pilas o pilotes de cimentación. Pilotes: son elementos esbeltos y alargados a manera de columnas que trabajan transmitiendo el peso de la estructura a las capas duras profundas del subsuelo; pueden ser de madera, acero o concreto prefabricado, se introducen en el terreno mediante impactos. Se diferencian de las pilas por el tamaño, se considera pila cuando el elemento tiene una sección transversal superior a un metro, que generalmente son coladas directamente en la excavación.
Cimentaciones profundas
Características de la estructura Durante el recorrido por el exterior del inmueble, se pueden obtener datos de suma importancia (los cuales se muestran en la figura), como el número de niveles, la geometría (forma) del edificio en planta y en elevación. Debe establecerse un sistema de referencia para la estructura (coordenadas X, Y).
Características de la estructura
Entrepiso crítico: en este formato se considera necesario recabar, al menos, información general de las edificaciones, por lo que se registrarán solamente las características promedio de la planta representativa del edificio con la intención de que estas puedan dar una idea general de la estructura en su conjunto. La planta representativa o el entrepiso crítico generalmente coincide con la planta baja, debido principalmente a que esta recibe las cargas verticales de todo el edificio, así como el efecto de las fuerzas horizontales por sismo o viento, aunado a la alta probabilidad de tener cambios drásticos en estructuración o condiciones geométricas que le proporcionen más vulnerabilidad: planta baja débil, columnas cortas, entrepiso de doble altura, suspensión de muros que bajan de pisos superiores, etc. Sin embargo, puede existir otro entrepiso que pudiera sufrir mayor daño; esto sucede con pisos intermedios en los que hay una notoria discontinuidad de elementos estructurales, cambio de secciones de columnas, cambio de sección o del material de muros o suspensión de estos, reducciones bruscas del área de pisos o cambio notorio de la geometría del edificio, posibilidad de choque con edificio vecino cuya altura coincide con la del entrepiso en cuestión, etcétera. Número de niveles: corresponde al número de pisos del inmueble numerados desde el nivel donde el edificio no está restringido por el terreno circundante; los niveles que estén restringidos por el suelo serán considerados como sótanos. Para esto se asignará una clave de entrepiso que será N1, N2, N3, etc., a partir del nivel del suelo hacia arriba; y S1, S2, etc., hacia abajo en los sótanos, como se muestra en la siguiente figura.
Clave de entre piso
El sistema de referencia considerará como eje X a la dirección paralela a la fachada de acceso principal del edificio, y eje Y a la dirección perpendicular, como se muestra en al figura siguiente.
Sistema de referencia general
Si hay duda en la definición de los ejes X, Y, puede procederse al juicio del evaluador siempre y cuando se mantenga esta nomenclatura consistente en todo el llenado del formato y se plasme en el croquis.
Vulnerabilidad La vulnerabilidad estructural es la susceptibilidad de daño que una estructura presenta frente a algún evento, sea este natural o antrópico, que lleve a la estructura a cualquiera de sus límites de funcionamiento. Algunos de los aspectos que influyen son las irregularidades tanto en planta como en la elevación que presente un inmueble. A continuación se muestran las principales fuentes de vulnerabilidad de una estructura.
Vulnerabilidad de la estructura
Solo se señalarán aquellas características del listado de la figura que se observen en la estructura en inspección. Los edificios que rodean a la estructura en evaluación pueden tener influencia en su comportamiento o, en algunos casos, afectar directamente en su vulnerabilidad; por ello es necesario conocer de manera muy general las estructuras colindantes que se consideren de mayor relevancia para el comportamiento o la seguridad de la estructura en observación. Por lo anterior, para el edificio vecino que se considere crítico se tomará en cuenta lo siguiente: el número de niveles, su uso, la separación que guarda con el edificio en inspección, se identificará de manera general su sistema estructural y se hará una valoración del daño presente. También se pide anotar si las alturas de los niveles de losa del edificio vecino son notoriamente diferentes al del edificio en estudio, ya que en caso de choque de edificios se produce mayor daño cuando las losas de uno quedan a media altura de las columnas del otro.
Sistema estructural El sistema estructural se define como el conjunto de todos los elementos de soporte (vigas, columnas, losas, armaduras, etc.) que ayudan a transmitir la carga de un edificio a sus apoyos; las características que definen un sistema estructural son estas:
La forma geométrica y orientación de los elementos estructurales Las propiedades de los materiales constitutivos de los elementos estructurales La forma de unión o conexión de los elementos La forma de apoyo de la estructura Las condiciones específicas de carga impuestas por el uso
La identificación y descripción del sistema estructural de un inmueble se realizará con ayuda de la tabla que se muestra en la figura de abajo; allí se debe identificar en primer lugar el material en los muros del inmueble y elegir aquel o aquellos que se presenten según sea el caso. Además, se debe señalar si los muros están reforzados, confinados o si se trata de mampostería simple. Para caracterizar el sistema estructural del edificio, debe llenarse la tabla mostrada; puede observarse que la tabla está dividida en estructura principal vertical, que se refiere al sistema portante, columnas o muros, y sistema de piso/techo, que se refiere al tipo de losas.
Sistema estructural
Sección de elementos predominantes: para la identificación de los elementos estructurales principales (columnas y trabes), se debe señalar su forma geométrica, el material del que está construido y finalmente se tomarán las medidas del peralte largo y ancho de la sección transversal. Todo ello se registrará en la tabla que se muestra en la figura de abajo, ubicando la casilla que corresponda a la intersección del renglón (tipo de elemento) con la columna (forma o material).
Características de la sección transversal de los elementos estructurales
En las líneas del lado derecho de la tabla es necesario anotar las dimensiones generales de los elementos estructurales más representativos o más repetidos, en particular si están en el entrepiso crítico, que casi siempre es la planta baja. Para seguir una nomenclatura, se deberán anotar en la forma que se muestra en la siguiente figura.
Nomenclatura para definir las secciones
Sistema estructural principal vertical
Estructura principal vertical: en primer lugar se identificará el sistema de soporte principal del edificio distinguiendo si se trata de muros de carga o marcos (columnas y trabes) y haciendo referencia a los ejes X, Y; también debe registrarse el material de los marcos o muros. En este cuadro únicamente se consideran muros de carga y muros diafragma; los muros de materiales débiles o que no tienen interacción con la estructura principal no se toman en cuenta. Como se observa la tabla de arriba, se considera de manera separada la planta baja, los niveles tipo, los sótanos, apéndices y cubos, debido a que son los niveles entre los que más diferencias puede haber. Para registrar lo referente a marcos en el entrepiso representativo se realiza el conteo del número total de columnas, así como de marcos paralelos en ambas direcciones. Se debe medir los claros de los marcos en ambos sentidos. Finalmente, se deben ubicar los contravientos y muros diafragma.
Marcos y muros en el entrepiso representativo
En el ejemplo de la figura de abajo se tiene un total de tres marcos paralelos al eje X y seis marcos paralelos a Y. Por otro lado, el claro promedio se puede obtener con la longitud total entre el número de crujías: en X será 29/5=5.8 m, y en Y: 7 m. Finalmente hay un total de 3 • 6 = 18 columnas.
Ejemplo de conteo de marcos
Respecto de los muros en el entrepiso representativo, sean muros diafragma o estructurales, únicamente se deberá medir su espesor y su longitud en cada dirección para hacer la suma total de longitudes de muros en una dirección y obtener un total que será el que se registre en el formato. Lo anterior debe hacerse para todos los muros de concreto y muros de carga de mampostería por separado.
Sistema de piso / techo: además de soportar las cargas gravitatorias de mobiliario y personas, en el caso del comportamiento ante sismo la función estructural de un sistema de piso es conectar los elementos verticales y distribuir entre ellos las fuerzas horizontales generadas, para lo cual debe conformar un diafragma rígido en su plano. Las características del sistema de piso se registrarán en este apartado en cinco grupos: solución estructural del sistema de piso, detalles de losa de concreto, cubierta de techo, armaduras y forma de la cubierta.
Características del sistema de piso / techo
Respecto del sistema de piso, se señalará la combinación de elementos estructurales horizontales (losas, vigas, armaduras, enladrillado, etc.) existente en el inmueble. Dependiendo del tipo de sistema, se requiere la distancia a ejes de las trabes secundarias o la separación entre las vigas, viguetas, nervaduras o largueros. Como la mayoría de las edificaciones modernas cuentan con losa de concreto como sistema de piso, se toman los datos de esta en caso de tenerla. Se indica uno de los tipos de losa del listado, además de anotar el espesor total de la losa o sistema en su conjunto y, en los casos en que se requiera, el espesor de la capa de compresión de la losa. Se considerará como una armadura a aquellas estructuras planas reticulares, formadas por barras rectas interconectadas que forman figuras triangulares, pueden ser de madera, barras metálicas, ángulos de acero, canales, etc. Los datos requeridos de una armadura son el claro, el peralte (altura), la separación entre armaduras paralelas, la sección de las cuerdas (líneas inferior y superior) y la sección de las diagonales. Por sus características se registra si la cubierta de techo es igual al sistema de piso de los demás niveles del edificio. Cuando sea el caso, se deberá anotar el tipo de anclaje entre la cubierta de techo y la estructura de soporte, indicando la separación promedio existente entre cada uno de los anclajes en centímetros.
Se debe especificar la forma de la cubierta de techo, ya sea de forma plana o abovedada. De ser plana, se registra si es horizontal o inclinada indicando su pendiente en porcentaje. Si es abovedada, se señala si se trata de una bóveda cilíndrica o una cúpula, y se anotará el diámetro del cilindro o de la cúpula según corresponda. Planos: se registrará si se tuvieron los planos a la vista; si no, se dejará vacía o con una nota que diga que no se tuvo acceso a los planos. Esto es muy importante pues indicará si se cuenta con la memoria de cálculo de la estructura o si la estructura responde a la modalidad de autoconstrucción; es decir, cuando la estructura fue construida sin el diseño de un profesionista.
Rehabilitación La rehabilitación es el proceso por el cual se hace una modificación a una estructura, que incluye la reparación o el refuerzo para que recupere sus características de funcionalidad y pueda volver a ser usada, o cuando simplemente se trata de mantener en estado funcional a una estructura sin daño. Dentro del formato se reconocen cuatro tipos: arquitectónicas, reparación estructural, refuerzo y reestructuración. Una vez que se ha indicado el tipo de rehabilitación, se registrarán las técnicas empleadas de entre las listadas en el formato, según la figura siguiente. Además se debe realizar una descripción de los trabajos de realizados.
Rehabilitación: tipos y técnicas
La rehabilitación arquitectónica implica cambios en los acabados e instalaciones, o bien una modificación de elementos no estructurales, como canceles, muros falsos y en general todo lo que no afecte el sistema estructural. La reparación estructural involucra medidas para devolver a los elementos estructurales dañados su resistencia anterior sin aumentarla. Puede darse por inyección de grietas en el concreto con resina epóxica, demolición y colado de partes de elementos de concreto manteniendo su misma sección, restitución de piezas de mampostería y relleno de grietas, reemplazo de placas de acero por placas de las mismas dimensiones, aplicación de cordones de soldadura fracturados, pero sin aumentar significativamente la conexión, remplazo de tornillos de las mismas características de los anteriores, etcétera. El refuerzo supone la disposición de elementos que aumenten la resistencia original de la estructura. Ejemplos de ello es el encamisado de columnas, el recubrimiento de muros con capas de material que le darán más resistencia, el aumento de secciones de acero mediante placas o perfiles adicionales, etcétera. Finalmente, la restructuración implica cambiar radicalmente el sistema estructural resistente a cargas verticales u horizontales. Podemos considerar como tal la construcción de marcos o de muros añadidos, la construcción de armaduras o muros externos al edificio a modo de contrafuerte o la adición de diagonales o cables.
A continuación se presentan algunas imágenes para aclarar las técnicas de refuerzo listadas en el formato. Encamisado de concreto
Ejemplo de refuerzo encamisado de concreto
Armado de un encamisado de concreto
Encamisado de acero
Encamisado de acero Encamisado con placas de acero
Muros: malla y recubrimiento de mortero
Muros: malla y mortero
Contraventeo
Contraventeo
Adición de muros de concreto
Adición de muros de concreto
Contrafuertes externos
Contrafuertes externos de concreto
Contrafuertes externos tubulares
Fibra de carbono/materiales sintéticos
Fibra de carbono sintético en trabes
Fibra de carbono sintético en columna
Toda la información vertida en el formato indicada hasta esta sección cumple con la función de describir la estructura; antes de la ocurrencia de un sismo, puede servir para evaluar e identificar aquellas estructuras que son vulnerables y, de ser posible, solicitar que sean valoradas por un experto a fin de que se le apliquen las medidas correctivas que amerite.
6.3. Evaluación de daños El daño de un elemento es considerado como la condición y grado de deterioro que tal elemento presenta después del impacto de algún evento, o a causa del uso del inmueble. La presencia de daño en una estructura puede resultar en detrimento de sus ocupantes; por lo tanto, es necesario evaluar el nivel de seguridad estructural o de vulnerabilidad de la edificación a fin de tomar las medidas necesarias para evitar o reducir la probabilidad de ocurrencia de esta situación. Para determinar el nivel de seguridad existente en una estructura dañada, el evaluador debe ser capaz de reconocer aquellos daños que puddan afectar desfavorablemente la estabilidad de la estructura, clasificarlos y realizar una evaluación rápida de los que representen un mayor problema. En esta sección del Formato de inspección se registrarán los daños evidentes que se detecten durante el recorrido. En cuanto a los daños en el exterior del inmueble, estos se han agrupado en problemas geotécnicos y daños generales a la estructura.
Problemas geotécnicos Cuando en el recorrido por el exterior de la estructura se detecte la presencia de cualquiera de los siguientes eventos, se deberá indicar marcando la casilla correspondiente. Grietas en el terreno circundante Cuando existan fisuras o agrietamientos del suelo alrededor del edificio es signo de problemas geotécnicos, como se ejemplifica en la imagen.
Grietas en el terreno circundante
Hundimientos diferenciales Asentamientos desiguales en distintas partes de la estructura como en el siguiente ejemplo.
Hundimientos diferenciales
Erosión Desgaste de la superficie del suelo por acción de las corrientes superficiales de agua, hielo glaciar, viento o la acción de los seres vivos. En particular tiene importancia la erosión causada por el agua. En ingeniería geotécnica, la socavaciónconsiste en la remoción momentánea del terreno bajo una corriente de agua, especialmente en los lugares donde la corriente encuentra algún obstáculo, lo cual deja a la estructura sin apoyo; se presenta principalmente en corrientes de agua o incluso al embate de las olas contra un acantilado. Ejemplos de daño por erosión se muestra en las siguientes imágenes.
Ejemplos de daños por socavación
Deslizamiento de ladera Movimiento de una masa de materiales térreos pendiente abajo, delimitada por una o varias superficies, planas o cóncavas, sobre las que se desliza el material inestable. (Cenapred, 2008)
Daños por deslizamiento de madera
Mecanismo de deslizamiento de ladera
Licuación de arenas Ocurre cuando la presión del agua subterránea es tan elevada que las partículas sólidas del suelo pierden toda la resistencia al corte, y el terreno pierde su capacidad portante. El exceso de agua emerge a la superficie a través de las grietas del terreno, expulsa arena y genera pequeños “volcanes de arena”. Se producen en suelos granulares: arenas limosas saturadas, arenas muy finas redondeadas y arenas limpias, entre otros tipos de suelo.
Licuación de arenas
Hundimiento o emersión generales Pueden ser resultado de la falla de capacidad de carga del terreno de cimentación o de deformaciones inelásticas permanentes. También se pueden encontrar fenómenos de emersión de la estructura o de emersión aparente, provocada por una combinación de efectos, como la subpresión del agua en el suelo y el bajo peso de la estructura. También se puede notar una aparente “emersión” porque la estructura posee una cimentación que se apoya en capas resistentes profundas, mientras que el terreno y estructuras de alrededor se hunden. Se deberá anotar el valor promedio del hundimiento, con signo negativo (por ejemplo, -25 cm), o de la emersión con signo positivo (por ejemplo, +15 cm).
Hundimiento general de la estructura
Inclinación del edificio (o desplomo) Pérdida de verticalidad general del edificio debido a hundimientos diferenciales en el terreno, a la falla parcial de la cimentación o al daño en algunos elementos estructurales. Se deberá registrar esta inclinación como un porcentaje.
Daños generales a la estructura
Daños generales a la estructura
Colapso total: daño que puede considerase equivalente a 100% de la estructura, no existe posibilidad de reparación y no es utilizable; debe restringirse el acceso al área. Colapso parcial: daño severo localizado en algunas áreas de la estructura, pero que no pone en peligro la estabilidad global del edificio. De presentarse daño no solo en un nivel, sino en toda una sección del edificio, vertical u horizontalmente, se debe indicar el porcentaje que esta área ocupa respecto al total del edificio. A continuación se presentan dos ejemplos de colapso parcial.
Colapsos parciales
Se deberá identificar e indicar la existencia de daños causados por el choque con alguno de los edificios aledaños. Un ejemplo de este tipo de daño se muestra en la siguiente imagen.
Choque entre edificios aledaños
Daños máximos observables En esta sección del formato se muestra el listado de daños máximos observables, que cuenta con seis columnas que corresponden a los elementos estructurales que debe ser inspeccionados: columnas, trabes, muros de mampostería, muros de concreto, contravientos y conexiones.
Daños máximos observables
La manera de registrar los daños presentes en la estructura será de la manera siguiente: Se identificarán los elementos dañados y el nivel donde estos se ubican, anotando en la casilla correspondiente la clave de entrepiso asignada en el renglón correspondiente al daño observado y en la columna del elemento afectado. Para el caso de grietas, además, se registrará la apertura máxima observada. En el siguiente esquema se puede observar una jerarquía de los elementos estructurales dependiendo de su importancia dentro de la estructura y de las consecuencias que podría tener su falla desde el punto de vista de las estructuras.
Importancia de los elementos estructurales
Con base en esta clasificación, se observa que el daño de las columnas es mucho más grave estructuralmente debido a que podría comprometer la estabilidad de un inmueble al ser el soporte principal de todo el edificio. En ese orden se encuentran los muros estructurales cuya falla puede acabar con el colapso del edificio. En cuanto a sistema de piso / techo, el daño en trabes, losas y rampas, no es tan significativo para la estabilidad de la estructura, pero sí puede causar daño a los ocupantes y dejar inhabilitadas algunas áreas del inmueble. Por último, se tiene a los muros divisorios e instalaciones cuyo daño no compromete la seguridad de la estructura, pero que puede poner en peligro a los ocupantes de un inmueble por el riesgo de caída de objetos pesados o debido a la existencia de fugas de materiales inflamables, como el gas natural. En algunos casos el daño a las instalaciones pude ser incluso más costoso que el daño a la estructura, ya que a veces cuentan con equipos muy especializados cuyo costo puede ser aún mayor que el del edificio por sí mismo. Una vez que se han identificado los daños en la estructura, debe reportarse si existen daños en el sistema de piso o techo; en este caso solo se presenta una lista muy breve de daños, en la cual se anotará el nivel donde se presenta el daño máximo, como se muestra en esta sección.
Daños en el sistema de piso / techo
A continuación se ejemplifica la lista con algunas imágenes. Colapso de techo
Colapso de techo
Grietas alrededor de columnas
Grietas alrededor de columnas
Grietas de flexión en losas
Grietas de flexión en losas
Grietas sobre las trabes y grietas en las esquinas del tablero
Grietas sobre las trabes y grietas en las esquinas del tablero
Porcentaje de elementos dañados en el entrepiso crítico Durante el recorrido realizado por el inmueble el inspector debe detectar cuál es el entrepiso crítico tomando en cuenta los daños en elementos verticales (columnas y muros), ya el daño en este tipo de elementos es el que representa mayor impacto para la seguridad estructural. Una vez identificado el entrepiso crítico, en cuanto a nivel y densidad de daño se debe estimar la relación entre el número de elementos que sufrieron el mayor daño dividido entre el número total de elementos en el entrepiso en cuestión, para cada tipo de elemento estructural. Esta información se registrará para cada uno de los tipos de elementos estructurales en una tabla que se muestra a continuación; en esta se asentarán por separado, en las casillas respectivas, los porcentajes de elementos que presentan daño grave y daño medio, anotando la clave del nivel (entrepiso crítico) en que se ubican los elementos a que se hace referencia.
Porcentaje de los elementos dañados en el entrepiso crítico
Los criterios que se toman en cuenta para determinar si una estructura presenta daño grave o medio se resumen en la tabla siguiente.
Criterios de daño para el entrepiso crítico
Daño en otros elementos Los elementos no estructurales son todos aquellos elementos que se apoyan en la estructura, en la mayoría de los casos, sin contribuir a la modificación de las características de comportamiento del sistema estructural, entre las que se pueden identificar muros divisorios, ventanas, plafones, cornisas, etc., así como las instalaciones que desempeñan funciones esenciales como telecomunicaciones, electricidad, agua, gas, etc. Se debe considerar dentro de este rubro al mobiliario existente en la edificación. En este esquema se ilustran este tipo de elementos.
Elementos no estructurales
En este caso solo se reportará si se observó daño en alguno de los elementos que aparecen en el listado del formato para este efecto.
6.4. Croquis y figuras auxiliares Durante la inspección se deben realizar todas aquellas figuras auxiliares necesarias para el levantamiento de la estructura, pero se sugiere que se elaboren por lo menos las que a continuación se enlistan:
Croquis general del predio con la ubicación de calles o principales rasgos urbanos, y la ubicación del inmueble dentro del predio. Croquis de la planta tipo del edificio, cuerpo o área inspeccionada. Croquis de la elevación del edificio, cuerpo o área inspeccionada. Figura auxiliares
Croquis general del inmueble En el croquis general del inmueble se debe ubicar al edificio objeto de la inspección, indicando sus colindancias, el norte geográfico y el sistema coordenado X, Y de referencia. Además debe contener las dimensiones generales del terreno y del edificio inspeccionado, así como la ubicación de los accesos al edificio.
Croquis general del inmueble
Croquis de la planta El croquis de la planta del edificio es el esquema más importante pues en él se ubicarán los elementos estructurales (columnas, muros de carga, vigas, etc.), el sistema de referencia X, Y; además debe incluir las dimensiones de los elementos estructurales, así como el claro entre columnas en ambas direcciones, mostrando la ubicación de las columnas del edificio.
Croquis de la planta del inmueble
Croquis de elevación En el croquis de elevación del inmueble se dibujará la configuración de los marcos de la estructura, registrando su altura y claro entre cada uno, además se puede detallar la ubicación de las trabes y sus características geométricas.
Croquis de elevación del inmueble
Figuras auxiliares Figuras auxiliares: se elaborarán los esquemas de estructuras especiales o detalles que se quieran resaltar dentro del inmueble y que se consideren importantes desde el punto de vista de la seguridad estructural del edificio y de la seguridad física de los ocupantes. A continuación se presenta un ejemplo de esquemas auxiliares, en el que se muestra un contraventeo.
Figuras auxiliares
7. ALGUNOS CONCEPTOS Y PROCEDIMIENTOS PARA EVALUAR LA SEGURIDAD ESTRUCTURAL Y VULNERABILIDAD DE EDIFICACIONES Al finalizar la unidad, el participante será capaz de: • Indicar el proceso que sigue la información recabada por la Red Nacional de Evaluadores (ReNE), de la cual podrá formar parte, y conocerá los aspectos básicos sobre las metodologías de análisis que se aplicarán a tal información para determinar la vulnerabilidad o la seguridad estructural que presenta una edificación antes o después de un evento de desastre, respectivamente.
Introducción En la presente unidad se expondrá al participante un resumen del proceso que sigue la información de los edificios inspeccionados una vez que se ha reunido en el organismo concentrador. Se presentan las generalidades de los métodos analíticos para determinar la seguridad de las estructuras después de un evento de desastre; así como los índices que se tomarán en cuenta para determinar el grado de vulnerabilidad de una estructura ante la posible ocurrencia de un sismo. La información recopilada de las estructuras dañadas después de un sismo o de los edificios existentes se ingresará a una base de datos a través de Internet o algún dispositivo satelital. Esta base de datos será analizada por un sistema automatizado que se encargará de determinar el nivel de seguridad estructural o el grado de vulnerabilidad de una estructura. Tal análisis se realizará por medio de distintos algoritmos de análisis y tomando en cuenta, por un lado, el detalle requerido por el nivel de evaluación solicitado y, por otro lado, la cantidad y calidad de la información recabada. Una vez que el sistema haya evaluado el estatus de una estructura, este resultado estará disponible dentro de la misma página electrónica o se hará llegar a las autoridades de Protección Civil para realizar las actividades que correspondan según este resultado. Los productos principales del sistema de evaluación automatizado serán los siguientes: en caso de análisis de vulnerabilidad, un listado de edificios con una calificación de vulnerabilidad alta, media o baja; y para el caso de levantamiento de daños después de un evento sísmico, un listado de edificios con tres posibles niveles de daño: severo, (requiere de evacuación inmediata), medio (puede ocuparse con reserva) y bajo (pude ocuparse sin problema).
7.1 Procesamiento de la información recabada por la Red Nacional de Evaluadores La recolección de datos para la evaluación estructural debe ser concisa, para ello el Formato de Recopilación de Información para la Evaluación de la Seguridad Estructural y Vulnerabilidad de Edificaciones ante Sismo (en adelante Formato) fue pensado en forma de una lista de revisión (check list), pues así se evita que el inspector anote libremente un texto descriptivo. En la mayoría de los campos de dato se pide que se marque una o varias casillas, o que se anoten datos numéricos concisos (número de pisos, distancia entre columnas, etc.). El realizar la evaluación de manera sistematizada requiere que se reduzca la información recabada, además de que esta sea confiable y fácil de entender por la mayoría de los evaluadores. En el aspecto de la automatización del Formato, la captura de la información para el análisis automático, centralizado y para uso de la autoridad se realiza por medio del Portal del Formato electrónico para Captura de datos para Evaluación Estructural, que está disponible para los voluntarios que tomen y aprueben este curso en línea (ver figura).
http://rene.cuaed.unam.mx/evaluacion_estructural
También se debe comentar que se ha hecho una primera propuesta usando un archivo de hoja electrónica en Microsoft Excel® (como se muestra en la imagen de abajo). También se puede desarrollar el Formato en un manejador de base de datos, como el Microsoft Access® u otro similar, o bien desarrollar una aplicación o programa de cómputo específicamente para la captura y mantenimiento de una base de datos en formato compartible entre diversas aplicaciones. La ventaja de realizarlo primeramente en una hoja de cálculo como la mencionada es la disponibilidad, ya que prácticamente cualquier computadora personal cuenta con el sistema operativo Windows® y los paquetes de Office® de Microsoft.
Base de datos de estructuras
Resulta conveniente comentar el hecho de que el Formato y el algoritmo elaborado para la realización del análisis cuantitativo de la seguridad estructural de las edificaciones, fueron concebidos para tomar en cuenta la mayoría de los tipos de sistemas y materiales estructurales empleados en México. Una vez que se ha vertido la información obtenida en campo a la base de datos computarizada, esta continuará con un proceso de análisis automatizado que se iniciará con la clasificación de la estructuras del universo de edificios en evaluación; posteriormente se aplicará un modelo de análisis diferente dependiendo de los materiales y la tipología estructural de que se trate, así como de la cantidad y calidad de la información. De este modo es como se plantea una metodología con varios niveles de análisis, la cual irá incrementando en complejidad y detallado de los modelos empleados de manera proporcional a las características e importancia de los edificios, así como la cantidad y calidad de la información recabada. Para los primeros niveles de análisis se plantean modelos simplificados, considerando la falla por cortante de los elementos estructurales de la planta baja; por ejemplo, sustentando la resistencia en la cuantificación de la densidad de muros para el caso de edificios cuyo sistema estructural principal sea muros de carga de mampostería: También hay análisis de incrementos diferenciales de carga y/o desplazamiento (denominados como push over) para los niveles de análisis superior, aplicables a estructuras muy importantes o que, por su estado de daño, así lo requieran para asegurar una evaluación confiable.
Los resultados de la evaluación serán interpretados por el sistema automáticamente; este asignará a cada inmueble una calificación que establezca de manera clara el estado en que se encuentra la edificación. Las calificaciones se enviarán a las autoridades de Protección Civil, que serán las encargadas de publicarlas con el fin de tomar las contramedidas correspondientes a cada caso en particular. Una primera propuesta de formato de respuesta que generaría el sistema se presenta en la siguiente imagen. Se trata de un formato que llenará el sistema de manera automática y que contiene la información mínima del edificio y el estado en que se encuentra estructuralmente; este sería el formato de una primer evaluación básica de la estructura en el cual se indicará si es necesario un estudio más detallado del inmueble y en qué aspectos requieren mayor atención: revisión estructural, revisión geotécnica u otro tipo de revisión. Este formato de respuesta debe dejar en claro que la estructura, sobre todo después de un evento sísmico, se encuentra en alguno de los tres estados siguientes. • • •
Estructuralmente segura, habitable Seguridad en duda, habitable con restricción Estructuralmente insegura, inhabitable
Formato de respuesta generado por el sistema
7.2 Nivel de evaluación básico para determinar la vulnerabilidad antes de un sismo El objetivo principal de esta primera evaluación es realizar un filtrado general de las estructuras con daños graves o con una vulnerabilidad mayor, lo cual involucra aplicar un método que sea sencillo. Además, para estos primeros análisis de daño o vulnerabilidad, se deberá trabajar con datos escasos y apenas descriptivos del tipo de edificación. Estos datos en su mayoría consistirán en conocer el tipo de sistema estructura, el año de construcción, la ubicación geográfica y el número de niveles de un inmueble. Este tipo y nivel de evaluación se realiza comparando las demandas a que estará sometido el edificio, con la resistencia esperada del edificio, o las fuerzas resistentes para las que fue diseñado. En primer lugar, con la ubicación del inmueble se puede identificar las condiciones del suelo, si es que está indicado en el reglamento de construcciones de la localidad. Con este dato podemos conocer las solicitaciones para las que fue diseñado el edificio, parámetro que representará la resistencia mínima (nominal) del inmueble en estudio y que se obtiene a partir del conocimiento de la ordenada espectral de diseño original (RME). Para obtener esta ordenada, o coeficiente sísmico que representará la resistencia mínima para la que fue diseñado el edificio, es necesario conocer el periodo de vibración de la estructura, el cual puede ser estimado de manera general a partir del número de niveles entre diez. Por otro lado, se puede tener un escenario de aceleraciones máximas esperadas en la masa de edificaciones, representadas por su periodo fundamental de vibrar (D); dicho escenario puede determinarse a partir de estudios específicos de peligro sísmico asociado a periodos de retorno predeterminados. Si no existe un estudio como el mencionado, la ordenada espectral para diseño puede obtenerse del reglamento para diseño por sismo vigente en el sitio de interés. En el esquema de abajo se muestra una representación gráfica de un escenario de peligro sísmico en un sitio dado, con dos tipos de suelos (la zona indicada en color rojo podría ser considerada como suelo blando, y la azul, como suelo duro).
Estimación de la demanda sísmica
De este esquema mostrado, el valor asociado a la demanda sísmica (D) será el valor de coeficiente espectral (C) asociado a un tipo de suelo y a las propiedades dinámicas de la estructura. Por ejemplo, en ese mismo esquema se cuenta con un escenario de aceleraciones máximas probables en edificaciones con periodo fundamental de vibrar (T) igual a 0 (aceleración del terreno) y 1 (aceleración asociada a edificaciones de entre 7 y 12 niveles aproximadamente). Al contar con solo dos valores de periodos fundamentales, se podría considerar, por ejemplo, que edificaciones de 1 a 3 niveles estarán sujetas a las demandas asociadas a un periodo fundamental de 0; por otro lado, para las edificaciones de 4 a 12 niveles, se podría considerar la demanda asociada al periodo fundamental de 1. Una vez conocida la D, se continúa con la estimación de la resistencia media esperada de diseño (RME), valor que permitirá la evaluación estructural aproximada. Esta RME es la fuerza para la que se diseñó (o debió diseñarse) la estructura; se estima a partir de conocer el año de construcción del edificio. Si se sabe el año de construcción o última remodelación del edificio, se conoce también la reglamentación con la que fue diseñado (o reglamentación vigente en la época de diseño del edificio) se obtiene la resistencia media esperada de diseño a partir de lo indicado por el reglamento aplicable. En la gráfica siguiente, conocido el año de construcción, se asocia con el reglamento de construcción vigente en esa época, y se construye el espectro de diseño del cual se obtiene la ordenada espectral, o fuerza sísmica, resistente del inmueble.
Resistencia Media Esperada
Finalmente, cuando se conocen la D y la RME, se procede a realizar la comparación de ambas; con esto pueden concluirse aspectos como los siguientes: Si RME > D, entonces el edificio presentará daño ligero o ningún daño, sin colapso. Si RME = D, entonces el edificio presentará daño moderado sin colapso, se requiere realizar un análisis más detallado. Si RME < D, entonces el edificio presentará daño severo con posible colapso.
7.3 Nivel de evaluación medio-01 para determinar la vulnerabilidad antes de un sismo Dependiendo del sistema estructural empleado en el inmueble, un método para evaluar la vulnerabilidad estructural es por medio de la cuantificación del daño medio probable empleando relaciones previamente establecidas entre un índice de intensidad de daño y un parámetro de peligro. Con ello se construyen las “funciones de vulnerabilidad”, que en la mayoría de los casos relacionan la variable de peligro por sismo, la aceleración máxima del terreno con, por ejemplo, porcentajes de daño esperados. Las principales metodologías usadas para la construcción de estas funciones pueden diferir en los datos de origen, ya que pueden ser experimentales, analíticas o estar basadas en observaciones de campo o en la opinión de expertos. Las funciones de vulnerabilidad, en la mayoría de las propuestas actuales, presentan la forma que se muestra en la siguiente gráfica.
Funciones de vulnerabilidad
A continuación se muestra cómo se pueden relacionar los daños observados experimentalmente; en este caso están representados por el agrietamiento del muro, con el nivel de carga o desplazamiento desarrollado en el modelo, así como con la capacidad de carga y deformación de este.
Curvas de comportamiento experimentales
A partir de las curvas de comportamiento experimentales y de los niveles de daño observable y cuantificable, es posible construir funciones de vulnerabilidad. Dependiendo de la tipología estructural de que se trate, las funciones se obtienen por diversos métodos analíticos y presentan la forma general que se muestra abajo. En este caso, para la función de vulnerabilidad se eligió la aceleración en la masa del edificio como la variable de peligro para ser relacionada con el nivel de daño; para una determinada aceleración, se espera un cierto nivel de daño, identificado claramente en la gráfica.
Funciones de vulnerabilidad obtenidas de datos experimentales
Este método es aplicable tanto a nivel de edificaciones individuales, como a nivel regional debido a su facilidad de aplicación una vez que se cuenta con las funciones de vulnerabilidad para cada tipología de edificación existente en una región.
Región de estudio de vulnerabilidad
La evaluación de la vulnerabilidad se inicia identificando las tipologías existentes dentro de la zona de interés y recurriendo a funciones de vulnerabilidad existentes que correlacionen alguna variable representativa del peligro o amenaza con el daño. En la siguiente gráfica se muestran las curvas de vulnerabilidad; a partir de estas se generó el mapa (abajo) de susceptibilidad de daño; en este se identifica la susceptibilidad de daño de los edificios en la región de estudio con diferentes colores; los valores en la vecindad de la unidad significan daño severo o colapso.
Evaluación de las estructuras utilizando funciones de vulnerabilidad
Mapa de resultados de la región estudiada
7.4 Nivel de evaluación medio-02 antes de un sismo; densidad de elementos verticales Con el empleo de este método se realiza una evaluación de las condiciones de seguridad de un edificio, o de su vulnerabilidad, bajo el mismo principio del nivel de evaluación básico: la comparación de la capacidad resistente del inmueble y la demanda de resistencia (escenario probable de fuerzas sísmicas actuantes). La densidad de elementos verticales −por ejemplo, muros en el caso de edificaciones de mampostería− es una forma simplificada de calcular la resistencia lateral del medio de las áreas de las secciones transversales de los elementos verticales resistentes en cada dirección y del esfuerzo cortante resistente del material que los compone. Este método está basado en las expresiones teóricas para el cálculo de resistencia a flexión y cortante en muros y columnas, además de que considera algunas hipótesis simplificadoras.
Densidad de muros
Por ejemplo, sea el caso de una edificación con una distribución de muros de mampostería como la que se muestra en la imagen de arriba, se asume que la estructura permanecerá segura ante un sismo si su capacidad, es decir, el cortante basal resistente, la resistencia a carga horizontal del sistema estructural (FRVN; FR es un factor de resistencia, y VN es la resistencia nominal) es igual o mayor a la demanda de fuerza lateral debida a sismo (FCV0; FC es un factor de carga, y V0 es el cortante basal demandado). Este método permite, de manera simplificada, estimar la densidad de elementos verticales requeridos para solventar la demanda de fuerza lateral por sismo. En este caso de muros de mampostería, se usa el método simplificado de análisis establecido en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Edificaciones de Mampostería del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, para lo cual se requiere conocer la resistencia nominal de los materiales empleados en la construcción, así como las características sísmicas de la región en donde se ubique el edificio. El método permite elaborar tablas como la de abajo, la cual muestra la densidad de muros mínima requerida para edificios de hasta 5 niveles (n), construidos con tabiques de arcilla recocida y que estén bien confinados. Este porcentaje de área de muros necesario está proporcionado de acuerdo con la zona sísmica en que se encuentre el edificio; por ejemplo, en la tabla de abajo se indican las zonas sísmicas definidas en el Manual de diseño de obras civiles de la CFE; la zona A es de menor sismicidad, y la D es la zona de mayor nivel de peligro sísmico. Se puede identificar que al calcular la densidad de muros requerida en la zona D, se llega a valores superiores de 10%, lo cual significaría que 10% de la superficie de la vivienda deberá estar ocupada por muros en cada dirección de análisis, aspecto que las convierte en económica y funcionalmente inconstruibles.
Tabla de densidad de muros obtenida con el método simplificado
7.5 Nivel de evaluación detallado antes de un sismo Los métodos detallados de evaluación serán aplicables a aquellas estructuras que por su importancia, el estado de daño y la calidad y cantidad de información recabada así lo requieran. Estas evaluaciones serán realizadas por profesionistas reconocidos, preferentemente directores responsables de obra o el corresponsable en seguridad estructural. 1. Método push over Entre los métodos detallados que sería factibles de aplicarse al análisis de daño, se encuentra el análisis de comportamiento estructural mediante incrementos diferenciales de carga creciente (push over) (representado gráficamente en la siguiente imagen). Este método permite, de manera general, analizar las relaciones existentes entre el desplazamiento presente en la estructura y el nivel de cargas laterales inducidas por sismo, hasta la falla de la estructura.
2. Método de análisis de mecanismos de colapso El análisis de equilibrio estático y de balance de energías para mecanismos de colapso es otro ejemplo de métodos detallados aplicables a la evaluación de estructuras. Este tipo de análisis consiste en estudiar los niveles de cargas y desplazamientos requeridos para que se forme un determinado mecanismo de colapso propuesto (véase los esquemas siguientes). Estos mecanismos propuestos pueden ser mecanismos de flexión o de cortante. Cabe hacer mención que los métodos de densidad de elementos verticales pueden ser considerados como mecanismos de colapso.
Estos procedimientos se basan en métodos energéticos, los cuales consideran que la energía interna debe ser igual a la energía externa; es decir, que la energía inducida por el sismo debe ser igual a la disipada por la estructura en su totalidad. Se considera que la energía disipada por las estructuras es igual al área bajo las curvas carga-deformación características de la estructura para un determinado mecanismo de colapso. De la misma manera que para todos los casos de análisis antes mencionados, en este procedimiento finalmente se establecería una comparación entre la acción (demanda de fuerza lateral por sismo) y la resistencia, debiendo ser mayor la segunda para determinar que el edificio es seguro, o que su nivel de vulnerabilidad es bajo.
7.6 Evaluación después del sismo En cuanto a la evaluación de la seguridad estructural, nivel de habitabilidad, de una edificación después de la incidencia de un sismo, solo hay un procedimiento, y con base en los resultados de este se determinará si la edificación es segura, segura con restricción de acceso o insegura. Los parámetros de evaluación son claros y transparentes; por ejemplo, la ocurrencia de hundimiento general de la edificación en más de 20 cm es un parámetro que obliga, según la información internacional, a definirla como edificación insegura. Otro parámetro indiscutible es la existencia de colapso, ya sea parcial o total, que obliga al procedimiento de evaluación a indicar que la edificación también es insegura. Es posible que haya condiciones de la estructura con características no tan simples y directas como las indicadas en los párrafos anteriores; por ejemplo, puede suceder que de un total de ochenta columnas en un entrepiso solo una presente un nivel de daño severo; esto dará un resultado global muy diferente a que si sesenta de las ochenta columnas presentan un nivel de daño severo en dicho edificio. Del mismo modo, la ubicación de las columnas dañadas dentro de la estructura también es un parámetro que hay que considerar para la emisión del resultado final sobre el nivel de habitabilidad del inmueble. La forma de determinar el nivel de daño local en los elementos estructurales, en función de la información recabada en el Formato (estudiado en la unidad 6 de este curso), será considerando la información que se ha publicado en diversos centros de investigación en el mundo. Con base en ese tipo de estudios se puede llegar a elaborar gráficas como las mostradas a continuación, donde se presenta la relación de carga contra desplazamiento, en condición de incidencia de sismo, para elementos estructurales con comportamiento esperado dúctil (principalmente trabes y algunos tipos de columnas) y con comportamiento esperado frágil (principalmente muros y algunos tipos de columnas). En las gráficas de identifica que los niveles de clasificación de daño están divididos en cinco valores: el I es el asociado al daño ligero; y el V, al daño más severo o falla del elemento. Se identifica que en los niveles de daño hasta el III, el elemento mantiene capacidad creciente de carga; sin embargo, a partir del nivel de daño IV, los elementos ya incursionan en el proceso de degradación de resistencia y de rigidez, aspecto que, en la mayoría de los casos, influye negativamente en la estabilidad del elemento independiente y, en algunos casos, de la estructura en su conjunto.
Masaki Maeda. Relación entre carga lateral-desplazamiento lateral, resistencia remanente y nivel de daño
Masaki Maeda. Relación entre carga lateral-desplazamiento lateral, resistencia remanente y nivel de daño
Como se mencionó en la unidad anterior, así como en esta misma unidad, la información recabada en campo que permitirá al sistema de evaluación clasificar al elemento dentro de los diferentes niveles de daño es, básicamente, el patrón de agrietamiento observable y sus características geométricas. Así, al identificar, por ejemplo, una columna o trabe con un patrón de agrietamiento diagonal en el que el ancho de la grieta resulte mayor que 2 mm, será indicativo de un nivel o clasificación de daño IV o V. Por otro lado, una vez que se tiene la clasificación de daño del elemento estructural, por medio de parámetros o índices de resistencia remanente obtenidos a partir de resultados experimentales, se podrá determinar la capacidad remanente de los elementos dañados en la edificación en estudio (ejemplo de ello se muestra en la siguiente tabla).
Masaki Maeda. Tabla de resistencia remanente en función del nivel de daño de elementos de concreto reforzado
Con base en la información recopilada de cada entrepiso, la clasificación de daño y el valor de índice de resistencia remanente, se podrá determinar el nivel de seguridad estructural de las edificaciones afectadas por la incidencia de un sismo. El procedimiento de evaluación de la seguridad estructural −habitabilidad de la edificación− después de un sismo de gran potencial de daño deberá hacerse con carácter de inmediato y de emergencia porque es probable que los elementos de la edificación se hayan dañado, aunque aparentemente parezcan como elementos estables. Históricamente se ha logrado identificar que las réplicas, aunque de menor magnitud que el evento principal, pueden generar o acelerar el proceso de degradación de capacidad de carga de los elementos dañados.
Un ejemplo claro de lo anterior se presenta en las imágenes siguientes. Allí las columnas del primer nivel de la biblioteca de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tohoku (primera fotografía) presentaron un daño clasificado como nivel IV (segunda fotografía); después de la ocurrencia de las réplicas de un mes, el estado de daño de la columna cambió a nivel V (mostrado en la tercera fotografía).
Masaki Maeda. Biblioteca de la la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tohoku
Masaki Maeda. Proceso de degradación de la resistencia de una columna producto de la incidencia de réplicas
Masaki Maeda. Proceso de degradación de la resistencia de una columna producto de la incidencia de réplicas
FUENTES DE CONSULTA:
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Centro Nacional de Prevención de Desastres, Secretaría de Gobernación y Coordinación General de Protección Civil (1997, agosto). Cuaderno de Investigación, 37, México: Autor.
Comisión Federal de Electricidad (2008). Manual de diseño de obras civiles. Diseño por sismo. México: Autor.
Bitrán D, y Reyes, C. Evaluación del impacto del sismo ocurrido el 30 de septiembre de 1999 en el estado de Oaxaca, Centro nacional de Prevención de Desastres, noviembre de 1999.
Centro Nacional de Prevención de Desastres. (2005). Fascículo Sismos. (5ª ed.). México: Autor.
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