COMPORTAMIENTO DE LAS EDIFICACIONES ANTE SISMO
CONTENIDO
1. Introducción 2. Sismos, sismicidad y movimiento del terreno a.
Regionalización sísmica, clasificación de los sitios de acuerdo a su sismicidad
b.
Escala de Intensidad y Magnitud
3. ¿Cómo se miden los movimientos del terreno y de las edificaciones? 4. ¿Cómo están constituidas las edificaciones? 5. Fuerzas generadas por el sismo es las edificaciones; ¿Por qué se mueven las edificaciones? a.
Fuerzas que mueven a los edificios durante un sismo
b.
¿Qué tan grandes pueden ser las fuerzas sísmicas?
c.
Factores que afectan al movimiento de un edificio durante un sismo
6. ¿Por qué se dañan las edificaciones? a.
Definición de daño dúctil y daño frágil
b.
¿Cómo identificar el nivel de daño que tenga un elemento estructural?
7. Estudios del comportamiento de las edificaciones sujetas al efecto de sismos 8. Reducción del daño en las edificaciones, ¿Cómo impacta el avance del conocimiento en la reducción del riesgo ante la incidencia de sismo? 9. Conclusión 10. Que hacer antes, durante y después de un sismo estando dentro de una edificación 11. Glosario 12. Bibliografía
1.
Introducción
Los sismos son uno de los fenómenos naturales que con mayor frecuencia afecta al territorio nacional, particularmente por la actividad que se genera en la región costera entre Jalisco y Chiapas, debido a la interacción de las Placas de Cocos, Rivera y la de Norte América. Las características de los sismos y su incidencia en la República Mexicana se describen en el Fascículo 2, “Sismos”, editado por el CENAPRED.
Los principales daños que ocasionan los sismos son los que se derivan de las fallas de los edificios que son sacudidos por el movimiento del terreno. Al respecto, basta recordar lo ocurrido durante el terremoto del 19 de septiembre de 1985, que ha sido el más desastroso en la historia del país. Tomando en cuenta lo anterior es importante contestar las preguntas: ¿Por qué se mueven las edificaciones durante un sismo? ¿Cuáles son los factores que determinan el comportamiento de un edificio durante un sismo? ¿Qué características debe de tener un edificio para soportar los sismos sin daño, o con daños menores?
El presente fascículo tiene como objetivo principal presentar algunos aspectos básicos del comportamiento de los edificios sometidos a movimientos originados por un sismo. Se comienza, sin entrar en detalle, por la descripción de los sismos y las consecuencias que éstos pueden generar. 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 buen o mal comportamiento. También se hace mención a la clasificación del terreno y su relación con el nivel de peligro esperado. Por último se hace una descripción sencilla sobre los diferentes tipos de estudios del comportamiento de las estructuras de las edificaciones sujetas a los efectos de sismos, finalizando con una reseña de los Reglamentos de Construcción, que son los documentos que guían y regulan el diseño sismorresistente y permiten que el profesional de la ingeniería estructural logre que las edificaciones presenten comportamientos adecuados ante la incidencia de movimientos del terreno.
2.
Sismos, sismicidad y movimiento del terreno
La República Mexicana se encuentra localizada en una zona altamente sísmica, por lo que estamos expuestos a la ocurrencia de estos fenómenos naturales y debemos estar preparados para minimizar sus consecuencias. Ante eso resulta indispensable la comprensión de estos fenómenos, estudiando, tanto los registrados instrumentalmente en la época actual, como aquellos ocurridos hace varios siglos o de los que se tiene únicamente un reporte textual.
Existen diversas fuentes bibliográficas de sismos y los daños que éstos han provocado. Con estos datos se puede tener una idea de la periodicidad de los eventos, las magnitudes (parámetro relacionado con la energía liberada por el sismo), las intensidades (parámetro relacionado con los daños causados en las construcciones), así como las zonas que han sido afectadas por estos movimientos. Actualmente se tienen identificadas las zonas de alta sismicidad y los estados de la República que pudieran sufrir o han sufrido daños debido a un evento de esta naturaleza, ya sea por la cercanía a la zona epicentral (donde se genera el sismo) o por el tipo de suelo. Con el propósito de tener conocimiento sobre la historia de la sismicidad en el país, se presentan extractos de citas históricas de algunos de los sismos más importantes a partir de 1455 (García Acosta, V. et al., 1992).
1455, República Mexicana, Valle de México. “En este año y los dos previos, hubo heladas y faltó maíz. En 1455, hubo también terremoto y la tierra se agrietó y las chinampas se derrumbaron; y la gente se alquilaba a otra a causa del hambre. En el año que siguió a éste continuaron las calamidades pues hubo sequía; fue hasta el siguiente que empezó a llover.” Anales de Tlatelolco.
1578, Avalos, Zacoalco, Cocula, Jalisco. “Veintisiete de diciembre de mil quinientos setenta y ocho fue un día memorable en este suelo, porque se sintió en su zona un terremoto tremendo que a desastrosas desgracias dio origen con sus efectos. Abrióse por muchas partes en barrancos de terreno dando paso a emanaciones plutónicas que en el viento alzaron grandes columnas de un humo de olor infecto y tragándose las aguas de los distintos veneros que atravesaban el valle para surtir a los pueblos. Con furia se estremecieron escuchándose en el fondo el más pavoroso estruendo cual si de un cíclope fuera el aterrador acento. En muchas partes las casas se derribaron al suelo dejando no más montones de escombros y sobre de ellos en confusión espantosa muchos heridos y muertos. Produjo grandes estragos tan grande sacudimiento que todos horrorizados el fin del mundo creyeron cercano, misericordia imploraban de los cielos de Ávalos. En la provincia, el cataclismo tremendo se hizo sentir con más fuerza causando males sin cuento en el pueblo de Tzacoalco sesenta indios perecieron y de las hermosas huertas apenas quedaron rastros. En Cocula también hubo graves acontecimientos a empuje del terremoto varias casas cayeron. Sucedió que fray Esteban de Fuenteovejuna habiendo ido a fundar aquel pueblo el franciscano convento le sucedió lo que al fraile de Tzacoalco, vino al suelo el edificio cristiano y lo aplastó con el techo. Causó, con justo motivo consternación todo aquello tanto en los naturales como entre los extranjeros. De la justicia divida hablaron los frailes luego comentando el terremoto como un castigo del cielo, enviado a que
los torpes marchaban por el sendero del error y de los vicios; lo cual fue un recurso bueno, pues que multitud de indios al punto se convirtieron.”
Acal; Martínez, 1890; Sánchez Arellano.
1696, Oaxaca, Oax. “Se sintió en Oaxaca y pueblos del estado un fortísimo y espantoso terremoto que causó grandes estragos en las casas y edificios de todos ellos. Aquí en Oaxaca quedaron en ruina completa los de S. Pablo, S. Francisco, La Merced, y otros más. El suntuoso edificio de Santo Domingo sufrió en esta vez grandes averías y lo mismo el Carmen Alto. Fue tal el sacudimiento y tanto el terror de que se poseyeron los vecinos de la ciudad, que desampararon sus casas y buscaron seguridad en plazas y campos. Muchos se reunieron en el Lago de Guadalupe, en donde pasaron durmiendo muchas noches bajo de tiendas de campaña y enramadas, hasta que el señor obispo Sarimaña los volvió a sus hogares, persuadiéndolos de que no volvería a templar ya la tierra, como en verdad sucedió”. Gay; Martínez, 1890, Taracena.
1837, 19 de octubre. Acapulco, Guerrero. “Ministerio de lo Interior. Desde esta hora hasta las diez de la misma noche se contaron más de doscientas repeticiones [del temblor] con más o menos fuerza, y siguiendo hasta el 19, pero como después de media noche, a las 32 horas del primero, se sintió uno más fuerte que precedió a otro más terrible. Éste acabó de destrozar las fincas, echó abajo el tercero y el último cuerpo de la torre, inutilizó la fachada de la parroquia, despedazó las paredes del campo santo, resintió las bóvedas de la fortaleza, y puso a la ciudad, que tantas pérdidas ha sufrido otras veces con la misma calamidad, en la mayor consternación. Desde este momento deplorable, las casas se abandonaron enteramente, y los vecinos pasaron el resto de la noche en las calles y plazas, temiendo la continuación de tan lamentable acontecimiento, y al amanecer del día 20 se dejó percibir a todos que el estrago había sido horroroso, principalmente en las casas del Sr. Virmant, la de D. Blas Vidal, difunto, y la mía, enciándolas hasta el caso de tener que echarlas abajo por no poder estar dentro de ellas sin peligro de perecer. Sírvase V.S. poner esta inesperada ocurrencia en conocimiento del Exmo. Sr. Presidente de la República, y al verificarlo llamar la atención a S.E. a favor de los habitantes en aquella plaza. Dios y Libertad. México. Octubre 31 de 1837. Luis Gonzaga Vieyra”. DGRM, 5 nov. 1837
1887, 3 de mayo. Bavispe. Cumpas, Guasabas, Sonora; Chihuahua. “Fuerte temblor de tierra en los estados de Chihuahua y Sonora, ocasionando desgracias. El pueblo de Bavispe es enteramente destruido, no quedando ni un solo edificio; en Cumpas derribó la sacudida el templo y varias casas; en Guasabas casi todo el pueblo es destruido, y otras poblaciones sufren mucho.” Galván; Muñoz, 1935.
Por último, se debe mencionar los temblores que en este siglo han afectado seriamente al Distrito Federal, el centro urbano con mayor concentración y densidad de población, y que son los eventos del 15 de abril de 1907, 7 de junio de 1911, 15 de abril de 1941, 28 de julio de 1957, 14 de marzo de 1979 y el 19 de septiembre de 1985, con magnitudes Ms de 7.7, 7.7, 7.7, 7.5, 7.6 y 8.1, respectivamente.
a)
Regionalización sísmica, clasificación de los sitios de acuerdo a su sismicidad
Con base en la historia de la actividad sísmica, también definida como sismicidad, así como en el conocimiento de las fallas activas de las diferentes regiones, se ha llegado a clasificar a la República Mexicana de acuerdo al nivel de peligro sísmico a que estarían sujetas las construcciones. La clasificación o regionalización sísmica indica la magnitud de las fuerzas que generaría un sismo en las construcciones ubicadas en las diferentes zonas del territorio nacional. Existen zonas o regiones de alta y baja sismicidad, en ambas se pueden construir edificaciones, la diferencia será el tamaño y robustez que requerirán las mismas para soportar, sin dañarse, el movimiento generado por un sismo. La Comisión Federal de Electricidad, para los fines de diseño de las obras de infraestructura de su competencia, emitió una regionalización de la República Mexicana en función de su sismicidad (CFE, 1993). En la regionalización de la República Mexicana se han establecido cuatro zonas, llamadas A, B, C y D (Fig.1), que representan zonas de menor a mayor peligro sísmico y que se han definido en función de la sismicidad propia de cada región.
Figura 1. Regionalización sísmica de la República Mexicana (CFE, 1993)
Algunos de los reglamentos de construcción dentro del país consideran como base a esta regionalización para fijar los requisitos que deben observar las construcciones para que tengan una seguridad adecuada ante los efectos de los sismos. Un parámetro indicativo de este requisito es el valor de la resistencia que deberán tener las estructuras ante las fuerzas laterales que le genera el sismo. Como ejemplo, la resistencia ante fuerzas laterales del tipo sísmico que deberán tener las estructuras a construir en la zona D es, en promedio, cuatro veces superior a la que se requiere para las edificaciones ubicadas en la zona A (CFE, 1993).
Los efectos sísmicos en distintos sitios de una misma zona son influidos en forma importante por las características del suelo local. En términos generales los efectos son mayores en sitios donde el suelo es blando, comparativamente con aquellos donde se tiene suelo firme o roca. Los reglamentos de construcciones toman en cuenta este factor. Este último aspecto es de particular importancia en la ciudad de México; a raíz del sismo de 1985 se han magnificado los esfuerzos para entender mejor el comportamiento de los suelos de esta gran metrópoli y así mejorar la seguridad sísmica de las edificaciones. Una de las acciones que han permitido mejorar estos conocimientos ha sido la instalación de la Red Acelerográfica de la Ciudad de México (RACM), que actualmente consta de más de 110 instrumentos de registro y la operan tres instituciones diferentes: el Instituto de Ingeniería de la UNAM, el Centro de Instrumentación y Registro Sísmico de la Fundación Javier Barros Sierra y el Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED).
Los registros obtenidos por esta red de instrumentación han permitido afinar una microzonificación sísmica del Valle de México, en donde el objetivo principal es, al igual que a nivel nacional con la regionalización elaborada por la CFE, proporcionar los valores necesarios de resistencia que deben tener las estructuras para su diseño ante sismo, con lo cual se pretende asegurar un buen comportamiento. La microzonificación de este Valle incluye, grosso modo, la zona I (terreno duro o de Lomas), zona II (terreno de transición) y zona III (terreno de Lago), para identificarlas se presenta la Figura 2.
Figura 2. Microzonificación Sísmica del Distrito Federal
De lo indicado en los párrafos anteriores y el la figura 2 se desprende el siguiente comentario: la microzonificación y los valores de diseño que de ésta surgen, son a nivel local y no deben ser extrapolados a otras entidades para su aplicación en el análisis y diseño de edificios. Se debe hacer lo propio para tener los valores de diseño en cada entidad ya que éstos dependen de las condiciones particulares de cada sitio.
b)
Escala de Intensidad y Magnitud
Para clasificar a los sismos generalmente se usan los criterios de Intensidad y Magnitud, ambos representados por medio de escalas. La intensidad, o bien la escala de intensidades, es cualitativa, representa, entre otros aspectos, el nivel de daño observable en las edificaciones; siendo la de Mercalli la escala de intensidades más conocida y usada en el mundo. Cabe la mención de que al ser cualitativa, la evaluación de la intensidad para un sitio dado ante la incidencia de un sismo determinado puede diferir dependiendo de la persona que la defina; aunque generalmente el valor de la intensidad disminuirá a medida que la persona se aleja del epicentro, por lo que para un sismo se pueden tener más de un valor de intensidades. Por otro lado, la magnitud es un parámetro que representa la cantidad de energía liberada en el epicentro producto del movimiento relativo entre las masas de la corteza terrestre. Es un índice cuantitativo y único para cada sismo. La escala más conocida para determinar la magnitud de los sismos es la de Richter. En el fascículo “Sismos”, del mismo CENAPRED, se presentan descripciones más detalladas de los dos tipos de escalas.
3.
¿Cómo se miden los movimientos del terreno y de las edificaciones?
Existen diferentes instrumentos y dispositivos para poder medir cualquiera de los parámetros representativos del movimiento tanto del terreno, como de cualquier punto de la estructura, pero desde el punto de vista de la ingeniería estructural existen tres parámetros básicos que se deben no solo medir, sino tener registrado el conjunto de sus valores en el tiempo, esos son la aceleración, la velocidad y el desplazamiento que registre cualquier parte de la estructura, incluyendo la superficie del terreno donde se desplanta. Con base en los valores de los tres parámetros anteriores, el profesional de la ingeniería estructural (generalmente definido como “el estructurista”) puede llegar a determinar el valor de las fuerzas que el sismo genera en la edificación, la cantidad de energía que el sismo genera en la estructura y el nivel de daño esperado. El instrumento que permite llegar a determinar las aceleraciones, y a partir de ello se calculan las velocidades y desplazamientos que un sismo genera en algunos puntos de la estructura se denomina acelerómetro (Figura 3), dispositivo que, como su nombre lo indica, permite tener los valores de las aceleraciones que se registraron en el punto donde se ubica el equipo durante la incidencia de un sismo. Una vez conocidas las aceleraciones, por relaciones de la física entre aceleración, velocidad y desplazamiento, a partir de la aceleración medida se pueden determinar el conjunto de valores de velocidad y desplazamiento que sufrió el punto donde se encuentra el acelerómetro dentro de la edificación ante la incidencia de un sismo.
Figura 3. Acelerómetro con capacidad de medir en tres direcciones, dos horizontales y una vertical (las medidas del dispositivo de la figura son aproximadamente 4 x 5 cm y 4.5 cm de altura)
4.
Como están constituidas las edificaciones
Las edificaciones en general tiene el propósito primario de solventar una necesidad social de proporcionar un espacio seguro de vida para un grupo de seres humanos, dicha necesidad se cubrió inicialmente con cuevas y chozas de materiales naturales; actualmente se tiene una gama importante de materiales que pueden usarse para construir las edificaciones para vivienda. Además, las propiedades de los materiales para construcción actuales han permitido que se tengan edificios de más de un nivel, llegando incluso a tener rascacielos como edificios de 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 elementos estructurales se dividen en verticales y horizontales, dentro de los verticales se puede mencionar a las columnas y los muros; para los horizontales se tienen a las trabes o vigas y las losas. Además, de la misma manera que los humanos, que mientras mejor se 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, todo el peso de la edificación, el peso del mobiliario y los usuarios de la misma, de igual manera que las fuerzas que provoque la incidencia de un sismo o vientos fuertes en ella, tienen que ser transmitidas y, por lo tanto, resistidas adecuadamente por el suelo. Para tal efecto se debe tener conocimiento de las características de comportamiento del suelo, por ejemplo cuanto resiste y cuanto 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 que 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:
Edificaciones a base de marcos con columnas, trabes y losas (Figura 4)
Edificaciones a base de marcos, muros y losas (Figura 5)
Edificaciones a base de muros y losas (Figura 6)
Figura 4. Estructura a base de marcos con columnas, trabes y losas
Figura 5. Estructura a base de marcos, muros y losas
Figura 6. Estructura a base de muros y losas
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. Una descripción simple de los tres materiales de construcción mencionados anteriormente se hace en los siguientes párrafos: El concreto reforzado es la combinación del concreto simple y del acero de refuerzo (Fig. 7). El concreto simple resulta de la mezcla de agua, cemento, arena y grava principalmente, el acero de refuerzo es lo que se conoce como varilla o barra de acero. Con este material, el concreto reforzado, se pueden hacer, principalmente, columnas, muros, trabes, losas y, desde luego, zapatas, pilotes y pilas de cimentación. Lo que se define como acero estructural son elementos obtenidos de un proceso de fabricación y laminación metalúrgica controlado, del cual se pueden lograr placas simples y elementos de configuración más compleja, un ejemplo tanto de las placas, como de los diferentes tipos de configuraciones que se obtienen de un proceso de laminación se muestran en la Figura 8. Con este material se pueden hacer, principalmente, columnas, trabes y, en algunas ocasiones losas y muros.
Figura 7. Detalle del material concreto reforzado
Figura 8. Detalle de elementos de acero estructural (referencia: http://www.ahmsa.com)
La mampostería confinada probablemente es el material más conocido en nuestro país, está constituida por la combinación de tabiques y elementos de concreto reforzado que los contiene o confina. Estos elementos de concreto, a diferencia de las estructuras formales de concreto reforzado, son de dimensiones pequeñas (determinado principalmente por las dimensiones de los tabiques) y tienen pocas varillas de acero de refuerzo de diámetro pequeño. Un detalle de este tipo de material se muestra en la figura 9.
Figura 9. Detalle de estructura de mampostería confinada
¿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 su característica de elemento horizontal, 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, para que éstas, a su vez la transmitan a las columnas y muros, elementos que finalmente transmitirán las cargas y fuerzas generadas por sismo a la cimentación y al suelo. Por las dimensiones de los diferentes elementos estructurales que componen una edificación (columnas, muros, trabes y losas), se puede decir que la mayor parte del peso de la estructura se concentra en lo que se denomina “sistema de piso”, el cual está constituido por trabes y losas. También las losas tienen la función de mantener unidos a los demás elementos estructurales de la edificación, permitiendo que mientras mejor unidos estén, el comportamiento de la edificación ante cualquier tipo de carga o fuerza externa será mejor.
5.
Fuerzas generadas por el sismo es las edificaciones; ¿Por qué se mueven las edificaciones?
a)
Fuerzas que mueven a los edificios durante un sismo
La mayor parte del tiempo un edificio está sometido a fuerzas cuya intensidad (su tamaño) no cambia. Un ejemplo de este tipo de fuerzas es el peso propio del edificio, ya que el peso de los diferentes elementos que forman parte del mismo (columnas, trabes, losas, muros, etc.) permanece constante con el paso del tiempo. A este tipo de fuerzas se les denomina fuerzas estáticas permanentes. El tamaño de las fuerzas estáticas, como el peso propio del edificio, o el peso de sus contenidos, se puede cuantificar fácilmente ya que se conoce el tamaño de cada elemento y se conoce 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 veinte personas y se sabe el peso promedio de un adulto, se puede estimar el peso total que puede llegar a actuar sobre una escalera. Un edificio, durante un temblor, además de resistir su peso propio, el peso de sus ocupantes y de sus contenidos, debe resistir las fuerzas que le genera el movimiento del terreno durante un sismo. Este tipo de fuerzas que experimenta un edificio durante un temblor son semejantes a las que experimenta una persona que está parada sobre un tapete el cual es jalado repentinamente. Si bien nadie empuja a dicha persona, ésta siente como si la estuvieran empujando 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 (ver figura 10). Estas fuerzas actúan en los edificios en una forma semejante al ejemplo de la persona sobre el tapete, pero son aún más complejas porque se trata de fuerzas de tipo dinámico, cuya intensidad varía en el tiempo, o sea que pueden tener un tamaño diferente en cada fracción de segundo.
Figura 10. Fuerzas sísmicas actuando en un edificio.
Comparativamente hablando, el movimiento absoluto del terreno y de un edificio durante un sismo no es realmente muy grande, aún durante la ocurrencia de un gran temblor. Es decir, las edificaciones regularmente no presentarán desplazamientos grandes comparativamente con las dimensiones propias de los edificios. No es únicamente el desplazamiento que presente el edificio el que generará daño en el mismo; 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 el tapete es jalado rápidamente, independientemente de que el desplazamiento del tapete y 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 el tapete es jalado lentamente, independientemente de que se recorran grandes distancias (problema de aceleración pequeña y grandes desplazamientos), el efecto sobre la persona puede resultar no tan desafortunado como el primer caso. Entonces, al estado actual del conocimiento el daño en un edificio estará determinado principalmente por dos factores: la aceleración y el desplazamiento.
Es ampliamente reconocido que para estudiar el movimiento de los edificios cuando incide un sismo en ellos, en muchas regiones de sismicidad importante en el mundo (en el caso de México, sería la costa del Océano Pacífico) algunos edificios han sido instrumentados con acelereómetros. El registro de las características del movimiento por medio del acelerómetro, se conoce como acelerograma, en la figura 11 se muestra un par de acelerogramas registrados en la azotea y en la base de un edificio en la colonia Roma de la ciudad de México durante un sismo de 1989. Resulta claro que hay diferencias en las aceleraciones registradas en distintos sitios de la edificación, lo cual se puede considerar producto de la mayor flexibilidad de las edificaciones comparativamente con la gran masa del terreno donde se desplantan o apoyan; también, dependiendo de las propiedades del suelo los desplazamientos en la edificación se verán afectado, aspecto que se representa gráficamente en la figura 12.
Figura 11. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 4 pisos en la colonia Roma
Suelo duro Suelo medio o de transición
Suelo blando
Figura 12. Representación gráfica del movimiento de edificaciones en diferentes tipos de suelo
El fenómeno físico de la aceleración tiene una influencia importante en el movimiento de los edificios y, por lo tanto, en la generación de daño en los mismos, debido a que al ser cuerpos con un cierto peso, y por lo tanto, con una cierta masa, los edificios deberán obedecer la famosa Segunda Ley de Newton de la Dinámica. La ecuación que representa de la manera más sencilla dicha ley es F = Ma. La expresión anterior establece que la fuerza actuando sobre el edificio (específicamente sobre la masa del mismo), definida como F, resulta directamente proporcional a al producto de la masa, M, y la aceleración que incide en la misma masa, a. Por lo tanto, resulta claro que las fuerzas que actúen sobre la estructura del edificio serán mayores a mayores valores de masa y aceleración (ver figura 13). Por supuesto, a mayor valor de la fuerza afectando al edificio, la densidad y nivel del daño esperado podrá ser mayor; por lo anterior, tratar de reducir la fuerza F, actuante sobre los edificios durante sismos, es una de las metas de mayor importancia en el diseño sismo-resistente. Cuando se diseña un edificio nuevo, por ejemplo, es deseable hacerlo lo más ligero posible, lo cual significa, por supuesto, que M, y por lo tanto, F se reduzcan. En otro sentido, existen también desarrollos tecnológicos enfocados a la reducción de los valores de la aceleración en el edificio, como es el sistema de aislamiento de base de las edificaciones. Es importante notar que F es realmente lo que se conoce como fuerza de inercia, esto es, la fuerza que es generada por la tendencia de un cuerpo, en este caso el edificio, a permanecer en reposo, y en su posición original, aún cuando el suelo que está debajo de él esté en movimiento.
Posición del edificio en reposo
Movimiento del terreno
Figura 13 Aceleración del terreno y fuerzas de inercia sobre una edificación
La fuerza inercial F, impone cierta deformación en los elementos estructurales componentes del edificio. Si estas deformaciones resultan suficientemente grandes, los elementos estructurales del edificio sufrirán diferentes tipos de daño.
Para ilustrar el proceso de generación de deformaciones en la estructura producto de las fuerzas de inercia, se puede considerar el caso simple de una columna rígida de piedra o concreto simple (ver figura 14). Durante un sismo, si la columna está simplemente apoyada sobre el terreno sin ninguna clase de fijación, podrá moverse libremente y con una fuerza proporcional a la cantidad de masa de la columna y a la aceleración que se le transmita. En la misma columna, considerando ahora fija o empotrada en el terreno y sin libertad de desplazarse libremente sobre el mismo, deberá absorber internamente, de alguna manera, las fuerzas de inercia que le genera el movimiento del terreno. En la misma figura 14, se ilustra que estas fuerzas internas generadas en la columna pueden resultar de un valor tal, que aparezcan grietas en la base de la columna.
Columna simplemente colocada
Columna fijada en la base
Figura 14 Ejemplo de columna de concreto simple sujeta a fuerzas de inercia
Por supuesto que las fuerzas sísmicas son difíciles de cuantificar porque su tamaño cambia en cada fracción de segundo y además su dirección también cambia constantemente. Al igual que un automóvil que se mueve con una determinada aceleración, el suelo, durante un sismo también se mueve con una determinada aceleración; sin embargo en el caso del sismo, el suelo se mueve en todas direcciones, no sólo en un plano horizontal, sino también se mueve en dirección vertical (de arriba a abajo) y también gira en todas direcciones.
b)
¿Qué tan grandes pueden ser las fuerzas sísmicas?
Como ya se comentó previamente, el tamaño de las fuerzas sísmicas que actúan en un edificio depende principalmente de dos factores (1) Qué tan pesado es el edificio y (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 se tienen dos edificios en un sitio dado, donde 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 generasen 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 él. 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 un edificio 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 ante fuerzas laterales.
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 (ver figura 15), mientras que el movimiento vertical del suelo produce fuerzas predominantemente verticales (ver figura 16). 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 siempre habrá fuerzas sísmicas laterales y verticales. Desde luego que dependiendo de la localización geográfica del sitio de interés habrá sitios donde el movimiento predominante sea el
horizontal, y otros sitios donde el movimiento predominante resulte el vertical, pero en ambos casos siempre se presentará también el otro tipo de movimiento.
FUERZAS SÍSMICAS LATERALES
MOVIMIENTO HORIZONTAL DEL SUELO
Figura 15. El movimiento o sacudida horizontal del suelo durante un sismo produce fuerzas predominantemente laterales en un edificio.
FUERZAS SÍSMICAS VERTICALES
MOVIMIENTO VERTICAL DEL SUELO
Figura 16. El movimiento o sacudida vertical del suelo durante un temblor produce fuerzas predominantemente verticales en un edificio.
c)
Factores que afectan al movimiento de un edificio durante un sismo
Como ya se mencionó, 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 que incidirá en el edificio. 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; factores que se explican en los siguientes párrafos.
(1) Aceleración máxima del terreno La aceleración del suelo cambia de valor en cada fracción de segundo. Para ver qué tanto cambia, véase la figura 17 donde se muestra la historia de aceleraciones horizontales del suelo en la dirección norte-sur medida en el poblado de La Unión durante el sismo del 19 de septiembre de
1985. Esta población está relativamente cercana al epicentro del sismo. En la figura puede verse que el movimiento intenso de terreno medido en este sitio tuvo una duración de poco más de un minuto. Así mismo puede observarse que durante los 10 primeros segundos las aceleraciones del suelo fueron muy pequeñas y que crecieron en tamaño entre los 10 y los 30 segundos del sismo y a partir de ese instante fueron disminuyendo poco a poco.
ACELERACION DEL SUELO [cm/s2] 300 LA UNIÓN
200 ACELERACIÓN MÁXIMA DEL SUELO
100 0 -100 -200 -300 0
10
20
30
40 50 TIEMPO [seg]
60
70
80
Figura 17. Historia de aceleraciones horizontales del terreno en la dirección norte-sur en el poblado de La Unión durante el sismo del 19 de septiembre de 1985.
Si a un edificio se le sacude con unas aceleraciones como las mostradas en la figura 17, la aceleración máxima en el edificio y, por tanto, la fuerza sísmica máxima en el edificio depende de la aceleración máxima del suelo. Para el movimiento mostrado en la figura, la aceleración máxima del suelo ocurre aproximadamente 23 segundos después de iniciado el movimiento, cuando 2
alcanza un valor de aproximadamente 160 cm/s , lo que equivale aproximadamente a una sexta parte de la aceleración de la gravedad.
(2) Periodo dominante del movimiento del suelo La aceleración máxima en un edificio, y por lo tanto las fuerzas sísmicas máximas, no solo dependen de la aceleración máxima del suelo sino también de las características de movimiento del mismo, aspecto que se resume con el conocimiento de su periodo dominante de vibrar. Para entender mejor este concepto, se deberá tomar en cuenta un registro o gráfica de las aceleraciones del suelo en un cierto tiempo, por ejemplo durante la ocurrencia de un sismo. El periodo dominante del suelo durante un sismo, lo podemos medir en forma aproximada contando el número de picos que tiene el registro del movimiento en un determinado lapso de tiempo, y dividiendo el lapso de tiempo empleado entre el número de picos. En la figura 17 puede verse que en dicho registro el movimiento del suelo tiene muchos picos en un cierto tiempo. En la figura 18 se
muestra un registro de aceleraciones del suelo medido en la colonia Roma de la ciudad de México durante el sismo del 25 de abril de 1989. En el detalle de esta figura se muestra un acercamiento de un segmento de 10 segundos de duración. Puede verse que en este caso el número de picos es tan solo de siete; es decir, pocos picos. Esto implica que el movimiento medido en La Unión tiene menor periodo (más picos en un lapso de tiempo dado) que el movimiento medido en la colonia Roma de la ciudad de México. Podríamos decir que el movimiento en la Unión, Zihuatanejo es el registrado en un suelo duro, mientras que el movimiento en la colonia Roma es característico de un suelo blando. 2
Aceleración [cm/s ]
60 40 20 0 -20 -40 -60 0
20
40
60
80
Tiempo [s]
Figura 18. Registro de aceleraciones horizontales del terreno en la colonia Roma durante el sismo del 25 de abril de 1989
Las características del movimiento de un suelo durante un sismo dependen principalmente de la dureza o suavidad del suelo. El movimiento sobre roca o sobre suelo muy firme, por lo general tiene configuración como el de la figura 17, o sea movimientos que los ingenieros llaman de periodos cortos que se caracterizan por tener muchos picos por unidad de tiempo. Mientras que el movimiento de un suelo blando por lo general tiene configuración como el de la figura 18, que los ingenieros llaman de periodos largos y se caracterizan por tener pocos picos por unidad de tiempo. (3) El periodo de vibración del edificio
La tercera característica importante que influye en el tamaño de las aceleraciones en un edificio durante un sismo, y por lo tanto en el tamaño de las fuerzas sísmicas que en él ocurran, depende del periodo de vibración del edificio.
Durante un sismo, un edificio vibra u oscila de un lado al otro. De modo similar al caso del suelo, el periodo de vibración de un edifico es el tiempo que le toma para completar un ciclo completo de oscilación. En la figura 19 se muestra una representación gráfica de la oscilación de un edificio. Los picos o montañas en la parte superior de la línea horizontal representan movimientos del
edificio hacia la derecha (según la figura), mientras que los picos o montañas invertidos por debajo de la línea horizontal representan movimientos del edificio hacia la izquierda.
Figura 19. Periodo de vibración de un edificio simple de un nivel (denominado sistema de un grado de libertad)
Sigamos un ciclo de oscilación mostrado la figura 19. En la posición marcada con 1, el edificio tiene un desplazamiento nulo, o sea no se está moviendo ni a la derecha ni a la izquierda. En ese instante se comienza a mover hacia la derecha, hasta que llega al máximo desplazamiento en la posición 2. A partir de este punto el desplazamiento hacia la derecha disminuye y regresa a su posición de desplazamiento lateral nulo en la posición 3, o sea nuevamente no tiene movimiento lateral ni a la derecha ni a la izquierda. Después el edificio continúa moviéndose ahora hacia la izquierda hasta alcanzar el máximo desplazamiento de ese lado en la posición 4. Después de este punto el edificio comienza de nuevo a desplazarse hacia la derecha hasta alcanzar nuevamente la posición de desplazamiento nulo en la posición 5. Un ciclo completo de movimiento o de vibración está dado por las posiciones 1-2-3-4-5. En la posición 5 el edificio está en una situación semejante a la de la posición 1, en la cual está listo para iniciar un nuevo ciclo de vibración.
Todo edificio tiene un tiempo característico que se tarda en completar ese ciclo de vibración. El tiempo que se tarda en completarlo es lo que se conoce como periodo de vibración. Por lo general los edificios completan un ciclo de vibración en un tiempo relativamente rápido. Por ejemplo, un edificio de 8 pisos tarda aproximadamente un segundo en completar dicho ciclo de vibración. Entre mayor sea el número de pisos de un edificio mayor es su periodo de vibración, o sea, se tarda más en completar un ciclo de vibración. Por ejemplo, un edificio de 4 pisos tiene un periodo de vibración de aproximadamente medio segundo, o sea que es capaz de completar dos ciclos de vibración en tan solo un segundo, mientras que un edificio de 12 pisos tiene un periodo de vibración de aproximadamente un segundo y medio. El periodo de vibración del edificio
proporciona una idea sobre el tipo de movimiento con el que presentará mayores aceleraciones y/o desplazamientos.
Para ejemplificar lo indicado en el párrafo anterior, en la figura 20 se muestra la historia de aceleraciones del suelo medida en la colonia Roma durante el sismo del 25 de abril de 1989 y la historia de aceleraciones en la azotea de un edificio de 4 niveles. En este caso el periodo dominante o característico del suelo es de aproximadamente un segundo y medio y el periodo de vibración característico del edificio es de medio segundo, o sea que el edificio recorre tres ciclos completos de vibración en el mismo tiempo en que el suelo completa un ciclo de vibración. Puede verse que cuando el suelo tiende a moverse más lentamente de lo que lo hace la estructura, la aceleración máxima que experimenta el edificio (el tamaño del pico más grande del movimiento en la azotea del edificio) es semejante a la aceleración máxima del suelo (el tamaño del pico más grande del movimiento en la base del edificio), no hay amplificación notable del movimiento.
Por otro lado, en la figura 21 se muestra el mismo movimiento de suelo en la colonia Roma, pero ahora moviendo la base de un edificio de 12 pisos. En este caso el periodo de vibración característico del edificio es aproximadamente uno y medio segundos, o sea aproximadamente igual al ritmo del suelo. Cuando el periodo del edificio es igual o aproximadamente igual al del suelo, el movimiento del edificio resulta, en la mayoría de los casos, mucho mayor al del suelo, o sea que el edificio amplifica el movimiento del suelo y, por lo tanto, el tamaño de las fuerzas sísmicas se incrementa.
Figura 20. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 4 pisos en la colonia Roma
Figura 21. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 12 pisos en la colonia Roma
Por último, en la figura 22 se muestra el mismo movimiento de suelo, pero ahora moviendo la base de un edificio de 20 pisos. En este caso el periodo de vibración característico del edificio es aproximadamente dos y medio segundos mientras que el del suelo es de uno y medio segundos, o sea que el edificio se mueve más lento de lo que lo hace el suelo. Puede verse que en este caso el movimiento del edificio es aproximadamente igual, o puede resultar un poco menor al movimiento del suelo.
Figura 22. Movimiento en la base y en la azotea de un edificio de 20 pisos en la colonia Roma
6.
¿Por qué se dañan las edificaciones?
De los párrafos 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 característico o fundamental del edificio), pero ¿qué es lo que hace que los edificios sufran daños durante un sismo? La respuesta a esta pregunta se contestará muy brevemente de la siguiente forma.
Se entiende que con algún procedimiento se puede llegar a medir o determinar el valor de la aceleración máxima que puede incidir un sismo en el terreno de sustentación de una edificación. Por otro lado, a partir de esos valores de aceleraciones del terreno se puede llegar a determinar cuáles serían los valores esperados de aceleración en la masa de las edificaciones, lo cual permite determinar el valor de las fuerzas laterales de inercia a las que estaría sujeta la estructura durante la incidencia del movimiento generado por un sismo. Entonces, al conocer el valor de las acciones que estarían actuando en la estructura, y si por un principio de la física básica se sabe que ante cualquier acción afectando un cuerpo, por equilibrio, corresponderá una reacción de igual valor y de sentido contrario. En el caso de las edificaciones se puede decir que la reacción será la
resistencia de los diferentes elementos estructurales (muros, columnas, trabes, losas, elementos de cimentación, etc.), de modo que si se logra que las resistencias de los elementos sean mayores que las acciones, o fuerzas que provoca el sismo en ellos, no debería presentarse daño mayor y, desde luego, no se presentaría la falla total. Si esta resistencia resulta menor, será muy probable que la estructura sufra daño.
En este sentido los reglamentos de construcción cobran vital importancia, ¿por qué?, pues porque éstos son los documentos en los que se indican, entre muchas otras cosas, dos aspectos básicos: (1) Cual es el nivel de aceleración (fuerza) máxima que se puede esperar ocurra en un edificio provocada por las características de todos los sismos posibles de la región; y, (2) Se establecen los procedimientos para poder determinar las dimensiones y características de los elementos que componen la estructura de una edificación, de modo que pueda tener una resistencia mayor, o al menos igual, al valor de la fuerza que le provoque la incidencia del sismo, de manera que no se presente su falla total, se presente la menor cantidad de pérdidas materiales y definitivamente ninguna pérdida de vidas humanas.
Lo expresado en los párrafos anteriores se puede resumir en lo que se puede decir se conoce como la filosofía básica para el diseño de estructuras, de cualquier tipo, que consideran los profesionales de la construcción ante la incidencia de las fuerzas generadas por un agente externo, que en este caso se trata del sismo: RESISTENCIA > ACCIÓN Determinación de materiales adecuados y tamaños mínimos de los elementos estructurales para que resulten resistentes
Comparación directa
Determinación de las acciones o fuerzas máximas probables que provocaría el sismo más importante en la zona de interés
Dentro de los mecanismos básicos que generan daño en las edificaciones, se mencionarán los dos más sencillos tratando de mostrar algún criterio para identificar cuando un daño se puede considerar de importancia desde el punto de vista de un posible comportamiento anómalo. Cuando un cuerpo, en este caso los elementos que conforman una estructura, son sometidos a fuerzas externas, presentan principalmente dos tipos de comportamientos: (1) flexión; y, (2) cortante.
El comportamiento de flexión tiene la característica de que los efectos de compresión (aplastar o empujar) y tensión (alargar o jalar) en los materiales se presentan paralelamente dentro del elemento. Una representación gráfica del mecanismo se muestra en la figura 23. En la figura 24 de
muestran algunas fotografías de elementos con manifestaciones de daño por el mecanismo de flexión. Este tipo de comportamiento generalmente no se manifiesta con fallas abruptas o súbitas, en la mayoría de los casos la falla se presentará después de que los elementos o la misma estructura haya presentado grandes desplazamientos y/o deformaciones; se puede decir que es un fenómeno “que avisa” la ocurrencia de la falla y se denomina dúctil.
El comportamiento de cortante tiene la característica de que los efectos de compresión y tensión en los materiales se presentan casi perpendicularmente uno del otro dentro del elemento. En la figura 25 se presenta una representación gráfica del mecanismo de cortante, y el la figura 26 se muestran fotografías de elementos con manifestaciones de daño por cortante. Contrariamente al fenómeno de flexión, el de cortante se puede manifestar con fallas súbitas y, por lo tanto, se constituye en un proceso de falla que “no avisa”, denominándose de tipo frágil.
Fuerza lateral (de inercia) generada en la masa de la estructura
En este extremo se tienden a “jalar” las partículas de los materiales, a este efecto se le llama tensión en el material
Movimiento y aceleración del terreno
Figura 23.
Se presentan grietas o fracturas en los materiales En este extremo se tienden a “empujar” las partículas de los materiales, a este efecto se le llama compresión en el material
Se presenta aplastamiento o pandeo en los materiales
Representación gráfica de daño por efectos de flexión (generalmente denominado
como un fenómeno dúctil)
Patrón de agrietamiento típico en losas de concreto
Agrietamiento y comportamiento de columnas dominado por flexión
Agrietamiento y comportamiento de trabes dominado por flexión Agrietamiento y comportamiento de trabes dominado por flexión
Figura 24 Algunos ejemplos de daños en elementos estructurales generados por el fenómeno de la flexión, todos son denominados como comportamientos dúctiles
Fuerza lateral (de inercia) generada en la masa de la estructura En esta diagonal se tienden a “empujar” las partículas de los materiales, se le llama diagonal en compresión
Movimiento y aceleración del terreno
Se presentan grietas o fracturas en los materiales
En esta diagonal se tienden a “jalar” las partículas de los materiales, se le llama diagonal en tensión
Se presenta aplastamiento o pandeo en los materiales
Figura 25. Representación gráfica de daño por efectos de cortante (nótese que son grietas relativamente diagonales, generalmente denominado como un fenómeno frágil)
Patrón de agrietamiento típico por cortante en trabes de concreto
Patrón de agrietamiento típico por cortante en muros de mampostería de edificación de concreto Figura 26
Patrón de agrietamiento típico por cortante en muros de mampostería de vivienda
Patrón de agrietamiento típico por cortante en columnas de concreto de edificaciones del sector salud y educación
Algunos ejemplos de daños en elementos estructurales generados por el fenómeno de cortante, todos son
denominados como comportamientos frágiles (todos los casos son severos)
a)
Definición de daño o falla dúctil y daño o falla frágil
Desde el punto de vista de los profesionales de la construcción, para el diseño de las estructuras se tienen los siguientes criterios: (1) Una edificación vital para la sociedad, como son por ejemplo los hospitales generales y de especialidades, así como las escuelas y edificios gubernamentales importantes, no deberá presentar daño estructural aún durante el sismo más extraordinario que se pueda esperar en la región; (2) Se acepta que cualquier otro tipo de edificación, incluyendo aquellas destinadas para vivienda, presente cierto nivel de daño ante la incidencia del sismo máximo esperado, sin que se llegue a la falla total, de manera que la estructura pueda ser reparada y reforzada. Los criterios mencionados están contemplados dentro de los reglamentos, normas y códigos de construcción vigentes en la mayoría de los países y, desde luego, el nuestro no es la excepción. Una forma de alcanzar lo indicado en el párrafo anterior es logrando que el comportamiento de los elementos estructurales sea predominantemente dúctil y se trate de evitar la aparición de los comportamientos frágiles. En este sentido resulta útil y necesario indicar en qué consiste cada uno de los diferentes tipos de comportamiento: (1) el comportamiento dúctil es aquel que manifiestan elementos estructurales cuando, aun después de presentar daño y seguir deformándose, mantienen su capacidad de soportar carga; la figura 28 es una ejemplo claro de este tipo de comportamiento; (2) el comportamiento frágil, contrariamente al dúctil, es aquel en el que los elementos presentan reducción o degradación en su capacidad de soportar carga después de
Gran capacidad para soportar fuerza después de alcanzar la resistencia máxima
Carga lateral(KN)
Carga lateral(KN)
haber sido dañados. Poca capacidad para soportar fuerza después de alcanzar la resistencia máxima
Desplazamiento (mm)
Desplazamiento (mm)
Ejemplo de comportamiento dúctil Carga lateral
Ejemplo de comportamiento frágil
Carga permanente
Figura
27
Diferenciación
entre
comportamiento dúctil y frágil en una estructura
con
cargas
verticales
permanentes y laterales del tipo sísmico Desplazamiento
b)
¿Cómo identificar el nivel de daño que tenga un elemento estructural?
Cuando una edificación tiende a presentar un comportamiento considerado como anómalo, resulta necesario identificar las características o tipo de mecanismo que generó dicho comportamiento o el daño, por ejemplo los mecanismos de flexión y cortante. Además, será importante saber y determinar si el daño pone en riesgo la estabilidad de la estructura y, por lo tanto, de la edificación. Para la mayoría de los materiales empleados en las edificaciones la forma de identificar un posible comportamiento anómalo de las mismas parte de la presencia de agrietamiento, deformaciones locales 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 y los agrietamientos por trabajo estructural propiamente dicho, éstos últimos agrietamientos que han sido ejemplificados 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 ejemplo 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 los casos no pone en riesgo la estabilidad de la estructura. Entonces, surge un sinnúmero de preguntas, de las cuales podemos tomar algunas de ellas como: ¿todas las grietas en las edificaciones son peligrosas? y ¿todas las deformaciones en las edificaciones son peligrosas?, de las cuales la respuesta es: no necesariamente. Con el propósito de que nosotros, usuarios de edificaciones como nuestro hogar o nuestro centro de trabajo, podamos identificar el nivel de peligro que se tendría en una edificación con algún síntoma de anomalía, en la tabla 1 se presentan algunos aspectos que durante los años se han podido establecer para identificar y, de manera aproximada, determinar el nivel de daño que tendrían los diferentes elementos estructurales que conforman a las edificaciones.
Niveles de daño en los elementos estructurales Tomando en cuenta las definiciones de los mecanismos de flexión y cortante mencionados en párrafos anteriores, en la tabla 1 se indican los valores de algunos de los fenómenos, efectos o mecanismos (agrietamiento, deformación, etc.) que se pueden identificar a simple vista y el nivel de daño asociado.
Tabla 1 Valores de los diferentes efectos en un elemento estructural, asociado a un nivel de daño Nivel de daño Muy severo
Severo Medio Medio bajo Ligero
Muy severo
Severo Medio Medio bajo Ligero
Muy severo
Severo Medio Medio bajo Ligero Muy severo
Severo
Medio
Medio bajo Ligero
Características observables Considerando la estructura en su conjunto Derrumbe total o parcial de la edificación, edificación separada con respecto a su cimentación o falla de ésta. Hundimientos generados por sismo o por fenómeno de hundimiento regional La edificación o cualquiera de sus entrepisos se encuentra apreciablemente inclinada Daño importante en elementos estructurales (columnas, trabes, muros, losas, etc.) Daño severo en muros no estructurales, escaleras o cubos de ascensores Elementos de fachada, vidrios, chimeneas u otros elementos en peligro de caer Considerando a los elementos estructurales de manera aislada Estructuras de concreto reforzado Barras de refuerzo pandeadas, agrietamiento del concreto en la parte interior del elemento estructural, aplastamiento del concreto, asentamiento o inclinación de los sistemas de piso Agrietamiento apreciable del concreto. Pérdida del concreto de la parte exterior del elemento estructural y se pueden observar las barras de refuerzo Agrietamiento local del concreto en la parte exterior del elemento estructural, presentando grietas con ancho entre 1 y 2 mm Grietas claramente visibles sobre la superficie de concreto, presentando grietas con ancho entre 0.2 y 1 mm Grietas pequeñas pero visibles sobre la superficie de concreto, presentando grietas con ancho menor de 0.2 mm Estructuras de acero En vigas o columnas que forman parte de marcos: pandeo local, fractura o alguna evidencia de daños en cualquier sección del elemento estructural. En las uniones entre columnas y vigas: pandeo local, fractura o alguna evidencia de daños, fractura de soldadura, tornillos o remaches faltantes o con algún tipo de daño. Pandeo o fractura de elementos diagonales de contraventeo En vigas o columnas que forman parte de los marcos: pandeo local, fractura o alguna evidencia de daños en cualquier sección extremo del elemento estructural Elementos con deformaciones ligeramente superiores a las normales Elementos con deformaciones dentro de las tolerancias que establecen las normas para fabricación y montaje de estructuras de acero Sin defectos visibles Estructuras de mampostería Desprendimiento de partes de piezas. Aplastamiento local de la mampostería. Prolongación del agrietamiento diagonal en los castillos o en las dalas (mostrando ancho de grietas mayores a 1 mm). Agrietamiento diagonal en muros sin castillos y dalas. Deformación, inclinación horizontal o vertical apreciable del muro Agrietamiento diagonal en muros confinados con castillos y dalas, o en muros de relleno ligados a marcos de concreto reforzado (presentando anchos de grietas mayores a 3 mm). Inicio de la formación de agrietamiento diagonal en muros sin castillos y dalas Inicio de la formación de agrietamiento diagonal en muros confinados con castillos y dalas. Grietas considerablemente grandes en la superficie del muro (presentando anchos entre 1 y 3 mm) Grietas claramente visibles sobre la superficie del muro (presentando grietas con anchos entre 0.2 y 1.0 mm) Grietas pequeñas, difícilmente visibles sobre la superficie del muro. Grietas mínimas en castillos y dalas de confinamiento (presentando ancho de grietas menores de 0.2 mm)
Niveles de daño de las edificaciones. Una vez identificados los diferentes tipos y niveles de daño en los elementos estructurales que conforman una edificación, entonces surge otra pregunta: ¿si tengo algún, o algunos elementos estructurales con daño, la estructura toda tiene el mismo nivel de daño que el determinado para los elementos aislados?, la respuesta no es general, depende del tipo de elemento, de la importancia del mismo dentro de la estructura y, desde luego, del tipo y nivel de daño en dicho elemento aislado. Lo que sí se deberá tener siempre en mente es que los elementos verticales, como los muros y las columnas, generalmente resultan más importantes que las vigas, trabes y losas, ¿Por qué?, porque la estabilidad general de la edificación depende primordialmente de los elementos verticales, y los elementos horizontales tienen una influencia local y generalmente menor. También resulta importante la localización de los elementos dentro de la estructura, así por ejemplo, imaginémonos un par de columnas con daño severo, una de ellas está en el primer nivel o planta baja, y la otra está en el último nivel; desde luego que la falla de la columna que está en el primer nivel tendrá una repercusión mayor sobre la estabilidad global de la estructura que la posible falla de la columna del último nivel, la cual podría tener una influencia únicamente en la zona de la azotea. Determinar el nivel de daño de toda la edificación no es una labor trivial y sencilla, para estos casos resultará necesario contar con el apoyo de un profesional de la ingeniería estructural, quién a partir de la información de las características y nivel de daño de los diferentes elementos estructurales podrá determinar, siempre de manera aproximada, el nivel de seguridad que presenta la edificación en su conjunto.
7.
Estudios del comportamiento de las edificaciones sujetas al efecto de sismos
El Ser Humano se caracteriza respecto de 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 éste en las estructuras de las edificaciones, actualmente es el profesional de la ingeniería estructural el que se encarga de desarrollar los diferentes tipos de estudios que permiten tratar de entender el comportamiento de las edificaciones ante cualquier tipo de excitación externa, en el caso que interesa a este documento, ante el efecto del sismo. Dentro de los diferentes procedimientos que ha empleado el profesional de la ingeniería estructural para el estudio y posible entendimiento del comportamiento de las estructuras, se pueden mencionar de manera resumida a los siguientes: Estudios analíticos.- Son aquellos desarrollados usando procedimientos teóricos, ya sea de forma manual o con la ayuda, cada vez más frecuente, de las computadoras. En este tipo de estudios siempre se parte del planteamiento de un modelo que trate de representar de la manera mejor aproximada el comportamiento del material, elemento estructural y/o sistema estructural en
estudio, un ejemplo de un modelo, en este caso de una edificación de varios niveles a base de marcos, se muestra en la figura 28. Para poder lograr una buena aproximación en los resultados de este tipo de estudios se requiere de información para el adecuado planteamiento del modelo de estudio, dicha información se logra generalmente a partir de estudios experimentales en laboratorios, estudios experimentales en mesa vibradora y estudios o visitas a sitios afectados por sismos, de los cuales se comenta enseguida.
Estudios experimentales en laboratorios.- Para definir de manera segura y controlada, entre otras cosas, si una estructura alcanza a ser dañada ante diferentes tipos de fuerzas externas, y además se desea conocer el nivel de daño que presenta y, conjuntamente, poder determinar la repercusión del mismo en la estabilidad global de las edificaciones, se desarrollan los trabajos experimentales en laboratorios creados ex profeso. A los laboratorios destinados a este tipo de estudios se les denomina laboratorios de estructuras grandes y, para el caso del sismo, el tipo de pruebas que se desarrollan en ellos se logran por medio de la aplicación de una carga o fuerza en algunos puntos predeterminados, fuerzas que se consideran equivalentes a las fuerzas de inercia que la aceleración del sismo incidente genera en las masas de la estructura. Las pruebas en estos estudios no son dinámicas, son básicamente estáticas, es decir, la carga se aplica y mantiene en el modelo durante lapsos relativamente largos de tiempo. Así, por ejemplo, si la fase intensa de un sismo tiene una duración de 15 segundos, la representación del efecto del sismo en un modelo estructural dentro de un laboratorio de estructuras se puede desarrollar en un periodo de 8 horas. El estudiar el efecto que pudiera generar un sismo en una edificación “alargando” artificialmente el tiempo de duración de un sismo en particular, permitirá que el estudioso del tema observe claramente el proceso de daño de la estructura e identifique los mecanismos de resistencia dominantes. Es necesario hacer mención al hecho de que en los laboratorios de estructuras grandes se cuenta con una losa y un muro de reacción, los cuales son considerablemente más rígidos y resistentes que la mayoría de los modelos que se colocarán sobre ellos para prueba; generalmente los modelos a probar se fijan en el piso de reacción y se les aplica una carga por medio de gatos que a su vez se fijan en el muro de reacción, de modo que en los estudios realizados en este tipo de laboratorios no se mueve la base de la estructura, simplemente se aplica una fuerza simulando el efecto del sismo. Existen una gran cantidad de laboratorios de este tipo en el mundo, uno de ellos, de gran envergadura por cierto, es el laboratorio de estructuras grandes del CENAPRED, en el cual se tienen un muro y una losa de reacción, sobre los que se fijan los modelos a probar, así como los diferentes dispositivos con los que se aplicarán las fuerzas laterales con las que se simula el efecto del sismo; una fotografía de este laboratorio con un modelo de prueba se muestra en la figura 29. En los laboratorios de estructuras grandes se pueden llegar a probar modelos de edificaciones a escala real y de varios pisos.
超高層ビ ル 超高層ビ ル
Modelo tridimensional del edificio en computadora
Detalle de los elementos, trabes, columnas y losas del modelo tridimensional del edificio en computadora
Figura 28 Ejemplo de modelo de una edificación para un estudio analítico 3次元CADデータ 3次元CADデータ Muro de reacción
Modelo estructural
Piso de reacción
Figura 29 Vista general del laboratorio de estructuras grandes del CENAPRED
Estudios experimentales en mesa vibradora.- A diferencia de los laboratorios denominados de estructuras grandes, en los laboratorios en los que se cuenta con un dispositivo denominado “mesa vibradora” se pueden realizar pruebas para estudiar el comportamiento y modo de falla de estructuras sujetas a movimiento acelerado de la base, que en este caso es la mesa vibradora misma. Estos dispositivos son tarimas de material metálico con preparaciones para poder fijar modelos de edificaciones. Una vez fijado un modelo sobre la mesa, a esta se le aplica un movimiento similar al de un sismo con las mismas características que manifestó el sismo en la base del sitio donde se registró. Las pruebas realizadas en mesa vibradora se pueden considerar como lo más cercano a la realidad en cuanto al estudio del comportamiento de las edificaciones sujetas al efecto de un sismo, entonces se preguntarán: ¿Por qué no hay muchas mesas
vibradoras y todos los estudios experimentales se realizan en ellas?. Algunas de las respuestas a la pregunta serían las dos que se presentan: 1) Para una prueba en un laboratorio de estructuras grandes se puede requerir un solo gato, el cual puede ser controlado de manera manual; contrariamente, para una mesa vibradora se requieren cuando menos un actuador o gato dinámico, cuyo movimiento se logrará por medio del flujo de aceite de una bomba hacia el cuerpo del gato, flujo que estará necesariamente controlado por medio de una computadora; 2) Para lograr que la tarima o mesa vibradora se mueva con los mismos desplazamientos, velocidades y aceleraciones que se pueden presentar en el terreno durante la incidencia de un sismo, se requiere de gran potencia y capacidad de flujo de aceite hacia el gato, aspecto que tiene un límite, por lo que para poder representarlo se requiere que la masa de la estructura sea relativamente pequeña; es decir, resultará muy costoso probar en mesas vibradoras modelos de edificaciones de gran peso, lo cual limita las dimensiones de los modelos y generalmente se emplean modelos a escala, aspecto que resta certidumbre a los resultados que se pudieran obtener. Claro que existen algunas mesas vibradoras de grandes dimensiones en las que se pueden probar modelos de edificaciones escala real, pero el costo resulta considerablemente alto (un ejemplo es la mesa vibradora del proyecto e-Defense localizado en la provincia de Hyogo en Japón, mesa que tiene dimensiones de 20x15 metros, con una capacidad de soportar un modelo de hasta 1,200 toneladas y tuvo un costo aproximado de 25 millones de dólares, la figura 30 muestra una vista de la mesa vibradora del proyecto e-Defense). Como se puede ver de los dos puntos anteriores, el problema de mayor relevancia para el uso de las mesas vibradoras en estudio experimentales resulta ser el económico. Actuadores horizontales 5 por lado
Actuadores horizontales 5 por lado
Mesa vibradora 15m x 20m, altura 5.5m
Edificio de la unidad hidráulica
Actuadores verticales 14 unidades
Edificio de operación y medición
Edificio del laboratorio
Figura 30 Vista general esquemática de la mesa vibradora del proyecto e-Defense en la provincia de Hyogo, Japón. En la parte inferior se presenta una vista general de la mesa vibradora
Estudios experimentales en sitio.- Este tipo de estudios son relativamente comunes para determinar si una estructura presenta alguna anomalía de comportamiento cuando se le sujeta a las cargas verticales de diseño, a este tipo de pruebas se les llama “pruebas de carga” y generalmente están contempladas en la normatividad para la construcción (un ejemplo de una prueba de carga en una vivienda tipo pie de casa se muestra en la figura 31). En muy pocas ocasiones se realizan pruebas de carga en edificaciones reales aplicando fuerzas laterales con algún dispositivo externo. En este sentido, para poder determinar si las características de comportamiento de una edificación ante la posible incidencia de fuerzas laterales provocadas por sismo se han modificado, por ejemplo que manifiesten deterioro por daño difícil de percibir a simple vista, se realizan pruebas de medición de la vibración ambiental, lo cual consiste en medir la forma de moverse de la edificación cuando vibra debido a la presencia de algún agente externo de poca intensidad, como puede ser el paso de un camión pesado o la colocación de algún dispositivo mecánico que genere vibración en algún piso de la edificación. Con pruebas de este tipo se puede llegar a determinar, con cierta precisión, si una estructura presenta algún daño y posteriormente, de manera analítica, se puede estudiar cual sería el comportamiento de la edificación dañada ante la incidencia de un sismo importante en el sitio.
Figura 31 Vista general de una prueba de carga en una edificación tipo pie de casa
8.
Reducción del daño en las edificaciones, ¿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 de las construcciones para lograr que éstas, aun presentando cierto daño durante un sismo, no fallen y definitivamente nunca se presente una pérdida de vida humana.
Por ejemplo, un reglamento de construcciones es 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.
Los procesos de revisión y emisión de las normas son periódicos, con una frecuencia variable generalmente entre cinco y diez años, periodo en el que se genera gran cantidad de información y conocimiento sobre el tema y éste 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. 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 de 1942 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.
Después, fue necesaria la ocurrencia del temblor de julio de 1957 para advertir que el Reglamento de 1942 ya no era del todo adecuado. En las casi tres décadas, transcurridas entre julio de 1957 y septiembre de 1985, todo parecía señalar que el código para diseño sísmico era bueno. 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.
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 permite que aumenten nuestros conocimientos. 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 en los siguientes:
1. Los efectos de los sismos en las edificaciones dependen, en buena parte, de las características de las mismas, no sólo de la estructura en sí, sino también de los sistemas de piso, muros divisorios, fachadas, escaleras, y otros elementos aparentemente no estructurales. 2. La construcción 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. En la medida de lo posible se recomienda evitar construcciones con periodos naturales de vibración 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 suficientemente 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. Entre ellos se incluyen, prioritariamente, los relativos al diseño arquitectónico: éste no solo ha de permitir, sino debe estimular, la construcción de estructuras regulares en planta y en elevación.
9.
Conclusiones
El daño o, en el caso extremo, la falla de las edificaciones durante la ocurrencia de sismos ha contribuido a que la incidencia de este tipo de eventos naturales en las zonas urbanas se transformen en desastres. En un porcentaje alto de los casos, los daños en las edificaciones se presentan por el desconocimiento del fenómeno que lo genera e incluso por la pequeñez de la memoria de los seres humanos, el presente documento pretende contribuir al conocimiento del fenómeno y de los efectos que genera en las edificaciones, así como a mantener en la memoria de los ciudadanos el hecho de que la naturaleza continuará manifestándose y tenemos que aprender a convivir con ella reduciendo, en la medida de lo posible, los efectos destructivos sobre las diferentes comunidades que componen la sociedad actual.
Se presenta, de manera resumida y, presumiblemente, sencilla algunos aspectos básicos de las características de los sismos o movimientos del terreno, centrándose en los parámetros de mayor impacto en la generación de daño en los bienes expuestos, específicamente en las edificaciones. Se hace mención a algunas características dinámicas, que tienen influencia en la forma de vibrar o deformarse de los edificios; esto, la deformación de los edificios, es un aspecto básico para que se manifieste el daño. En este sentido, se hace referencia a las dos escalas más importantes de caracterización de los sismo, la escala de intensidad y la escala de magnitud, una con cierta subjetividad y relacionada con el daño generado por el movimiento del terreno en un sitio dado, la intensidad; y la otra, asociada a la cantidad de energía que el movimiento de la corteza terrestre disipó durante la ocurrencia del sismo, la de magnitudes.
También en el documento se presenta una descripción de las características físicas y geométricas de las edificaciones, haciendo énfasis en la edificación para vivienda. Tomando en cuenta aspectos de la Física Clásica, por ejemplo la Segunda Ley de Newton, se explica la generación de las fuerzas, tanto laterales, como verticales, que se presentan en la masa de una edificación ante la incidencia de las aceleraciones del movimiento del terreno. Al generarse estas fuerzas, denominadas inerciales, en las edificaciones, éstas presentarán necesariamente un patrón de desplazamientos y, por lo tanto, de deformaciones; el estado de deformación en cualquier cuerpo, puede llegar a provocar daño.
Como se menciona en el párrafo anterior, la Segunda Ley de Newton es básica para el entendimiento del movimiento de las edificaciones ante la incidencia de movimiento del suelo, entonces puede mencionarse que a medida que la aceleración sea grande, o bien, que la edificación tenga una masa grande, las fuerzas generadas por los sismos serán necesariamente grandes. Entonces, con el propósito de reducir el daño en las edificaciones, una forma de pensar es por medio de la reducción de la masa, haciendo edificaciones ligeras, o por medio de la reducción de la aceleración que en ellas incide, se puede pensar en tecnologías que aíslen a las edificaciones o simplemente reforzándolas.
Finalmente, con base en los estudios experimentales realizados en laboratorios como el de Estructuras Grandes del CENAPRED, se han identificado aspectos que permiten incrementar la capacidad sismo-resistente de las edificaciones y sus componentes, las conclusiones de estos estudios permiten elaborar los reglamentos y normas de construcción. Es importante señalar que el uso adecuado y el respeto a los lineamientos establecidos en dichos documentos permitirían que las edificaciones no presenten falla total ante la incidencia del sismo máximo probable. También es
importante hacer notar que todos los aspectos relativos a la ingeniería estructural, se constituyen en soluciones aproximadas y son susceptibles de presentar dispersiones. Por tal motivo, resultará muy difícil indicar cuál será el sismo que genere mayor intensidad (daño) en una edificación determinada; de manera similar, pero probablemente con menor dispersión, resultará complicado determinar la resistencia de las edificaciones ante las fuerzas que la incide un fenómeno natural, en este caso el sismo.
10.
Que hacer ante un sismo estando dentro de una edificación
Antes de la incidencia de un sismo en una edificación, se deberán ubicar las zonas de menor vulnerabilidad dentro de la construcción, las cuales pueden llegar a ser consideradas como zonas de repliegue. Estas zonas de menor vulnerabilidad, en principio, serán aquellas que tiene la mayor cantidad de elementos verticales resistentes a las fuerzas del sismo (muros y/o columnas); por ejemplo, el baño más pequeño o algún closet, en los cuales se tienen tres o cuatro muros de carga separados distancias menores a dos metros.
Durante un sismo, guardando la calma, se deberán replegar a la zona de menor vulnerabilidad, o bien se deberán resguardar debajo de cualquier mueble de cuatro patas. La zona de menor vulnerabilidad será, generalmente aquel cuarto o espacio dentro de la vivienda, con cuatro muros, que tenga las menores dimensiones. No es recomendable evacuar la edificación durante la ocurrencia del sismo, se debe mencionar que la mayoría de las muertes durante los sismos de Tehuacan y Oaxaca en el año 1999, se debieron a la caída de los pretiles de las fachadas, precisamente en el momento que salían de sus viviendas durante el sismo.
Después de la ocurrencia del fenómeno, siguiendo las recomendaciones plasmadas en el plan familiar de protección civil, documento que se puede consultar en la página del CENAPRED, con calma se deberá evacuar la edificación y el responsable de verificar el estado de la misma deberá hacer un recorrido y realizar un levantamiento de daños. El levantamiento de daños será información de utilidad para las autoridades y servirá de sustento para solicitar una revisión minuciosa del inmueble por un experto.
11.
Glosario
Acelerógrafo. Instrumento para medir aceleraciones del terreno en función del tiempo. Usualmente registra movimientos producidos por temblores fuertes o con epicentros cercanos. Al registro producido se le conoce como acelerograma. Los acelerógrafos también se colocan enel interior de pozos y estructuras para analizar su comportamiento en diferentes niveles de la construcción (cimientos, pisos intermedios,azotea). Amplificación sísmica. Crecimiento de los amplitudes de las ondas sísmicas frecuentemente observado en valles aluviales, asociado al efecto de sitio. Amplitud (de onda). Altura máxima de la cresta o del valle de una onda a partir del valor cero o línea base (aquella que corresponde a nula excitación sísmica). Asentamiento. Hundimiento que sufre el terreno por efecto de la acción de cargas o fuerzas que alteran el estado de equilibrio del terreno natural. Atenuación. Disminución de la amplitud de las ondas sísmicas a medida que aumenta la distancia a partir de la fuente. Se debe esencialmente a la fricción interna de los materiales terrestres sujetos al paso de las ondas, a la distribución de la energía sísmica en un volumen cada vez mayor, a partir de la fuente, y a refracciones y reflexiones múltiples en diversas capas de la litósfera. Desplomo. Pérdida de la verticalidad de un cuerpo cualquiera con geometría determinada. Epicentro. Punto en la superficie de la Tierra resultado de proyectar sobre ésta el hipocentro de un terremoto. Se encuentran usualmente en un mapa, señalando el lugar justo sobre el origen del movimiento sísmico. Esfuerzo. Medida de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. En Física se expresa como fuerza por unidad de área. Estado de esfuerzo. Magnitud de los esfuerzos de tensión o compresión que propician el estado en el que un elemento geológico se presenta en la naturaleza. Falla. Superficie de ruptura en rocas a lo largo de la cual ha habido movimiento relativo, es decir, un bloque respecto del otro. Se habla particularmente de falla activa cuando en ella se han localizado focos de sismos o bien, se tienen evidencias de que en tiempos históricos han habido desplazamientos. El desplazamiento total puede variar de centímetros a kilómetros dependiendo del tiempo durante el cual la falla se ha mantenido activa (años o hasta miles y millones de años). Usualmente, durante un temblor grande, los desplazamientos típicos son de uno o dos metros. Foco. Punto de origen del sismo, en el interior de la Tierra. Lugar donde empieza la ruptura que se extiende formando un plano de falla. También nombrado como hipocentro. Frecuencia (de una onda). Número de ciclos por segundo. Se expresa en unidades llamadas Hertz. La frecuencia es el inverso del periodo.
Geotecnia. Es la aplicación de las ciencias de la tierra a la solución de los problemas de ingeniería civil. Intensidad (sísmica). Número que se refiere a los efectos de las ondas sísmicas en las construcciones, en el terreno natural y en el comportamiento o actividades del hombre. Los grados de intensidad sísmica, expresados con números romanos del I al XII, correspondientes a diversas localidades se asignan con base en la escala de Mercalli. Contrasta con el término magnitud que se refiere a la energía total liberada por el sismo. Magnitud (de un sismo). Valor relacionado con la cantidad de energía liberada por el sismo. Dicho valor no depende, como la intensidad, de la presencia de pobladores que observen y describan los múltiples efectos del sismo en una localidad dada. Para determinar la magnitud se utilizan, necesariamente, uno o varios registros de sismógrafos y una escala estrictamente cuantitativa, sin límites superior ni inferior. Una de las escalas más conocidas es la de Richter, aunque en la actualidad frecuentemente se utilizan otras como la de ondas superficiales (Ms) o de momento sísmico (Mw). Mapa de intensidades sísmicas. Mapa que muestra la distribución geográfica de los efectos de un sismo de magnitud considerable, generado por un sistema automático, poco después de ocurrido el evento. Los efectos pueden estar representados por valores de aceleración del terreno (intensidad instrumental) que permiten identificar las zonas más afectadas y optimizar la respuesta por parte de los cuerpos de auxilio y la atención de la emergencia. Mecánica de suelos. Es la ciencia que estudia la estabilidad de las formaciones geológicas conformadas por sedimentos no consolidados (material térreo), el flujo de agua desde, hacia y a través de una masa de suelo, y permite evaluar si los riesgos asociados son tolerables en términos económicos y de seguridad para la población. Geológicamente, la mecánica de suelos está relacionada con los materiales térreos, no consolidados, producto de la desintegración de formaciones de roca, este material normalmente sobreyace a las formaciones geológicas de roca originales. Periodo (de una onda). Intervalo de tiempo entre, por ejemplo, dos crestas o valles sucesivos. El período es el inverso de la frecuencia. Periodo fundamental de una estructura. Intervalo de tiempo que tarda una edificación en realizar un ciclo de desplazamiento partiendo de su posición de equilibrio. Periodo dominante del terreno. Intervalo de tiempo que tarda la estructura del suelo en realizar un ciclo de desplazamiento partiendo de su posición de equilibrio. Placas (tectónicas). Porciones de la litósfera terrestre, de grandes dimensiones y espesor no mayor a 100 km, que también se caracterizan por su movilidad debido a fuerzas ejercidas desde el manto terrestre.
Riesgo Sísmico. Producto de tres factores: El valor de los bienes expuestos (C), tales como vidas humanas, edificios, carreteras, puertos, tuberías, etc; la vulnerabilidad (V), que es un indicador de la susceptibilidad a sufrir daño, y el peligro (P) que es la probabilidad de que ocurra un sismo de cierta intensidad en un lugar determinado; así R = C x V x P . El grado de preparación de una sociedad determina la disminución de la vulnerabilidad y, en consecuencia, del riesgo. Sismo.
Fracturamiento repentino de una porción de la litósfera terrestre(cubierta rígida del planeta) como consecuencia de la acumulación de esfuerzos de deformación. La energía liberada por el rompimiento se propaga en forma de ondas símicas, hasta grandes distancias.
Vibraciones de la Tierra ocasionadas por la propagación, en el interior o en la superficie de está, de varios tipos de ondas elásticas. La energía que da origen a estas ondas proviene de una fuente sísmica. Comúnmente se habla de que un sismo tiene carácter oscilatorio o trepidatorio. Ambos términos se derivan de la percepción que ciertas personas tienen del movimiento del terreno y no de un parámetro instrumental. El terreno, ante el paso de las ondas sísmicas, no se mueve exclusivamente en dirección horizontal(oscilatorio) o vertical(trepidatorio) sino más bien de una manera compleja por lo que dichos términos no son adecuados para caracterizar el movimiento del terreno.
Sismógrafo. Instrumento de alta sensibilidad para registrar los movimientos del terreno ocasionados por la propagación de las ondas sísmicas. Al registro producido se le conoce como sismograma, necesario para el cálculo de la magnitud (tamaño) de un sismo. Sismoscopio. Sismógrafo elemental que sólo deja constancia de un movimiento del terreno, relativamente intenso, sin que el registro tenga marcas de tiempo. Suelo. Material que se forma en la superficie de la tierra como resultado de procesos orgánicos. El suelo varía según el clima, la vida animal y vegetal, el tiempo, la pendiente del terreno y el material (rocoso) del que se deriva. Tensión. Tipo de acción, en términos de fuerza o esfuerzo cuyos efectos se manifiestan a manera de un jalón o un tirón. Zonificación Sísmica. Clasificación de un territorio en función de diferentes niveles de peligro derivados de la actividad sísmica. La distribución geográfica de las fuentes sísmicas, sus rangos de profundidad y de magnitud así como la frecuencia de ocurrencia determinan esencialmente un cierto nivel de peligro. Una zonificación sísmica es empleada para orientar criterios de construcción sismorresistente, aunque no indica áreas con efectos de sitio. Cuando una clasificación de este tipo se lleva a cabo en un área específica, por ejemplo en un valle aluvial o área urbana, se le conoce como microzonificación sísmica. En ese caso sí se tiene una caracterización del efecto de sitio.
13.
Referencias
Arnal Simón L. y Betancourt Suárez M. 1996, “Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, ilustrado y comentado”. Editorial Trillas. México, D.F. Comisión Federal de Electricidad, 1993, “Manual de Obras Civiles para Diseño por Sismo”. México, D.F. Espíndola Castro J.M. y Jiménez Zenón (Internet), “Capítulo V. La Sismología y los sismos de Michoacán
de
Septiembre
de
1985”,
Biblioteca
Digital
de
la
Ciencia
para
Todos.
http://omega.ilce.edu.mx:300/sites/ciencia/menu.htm FEMA, http://www.fema.gov/plan/prevent/earthquake/buildingcodes.shtm García Acosta, V. y Suárez Reynoso G., 1992, “Los sismos en la historia de México”. Ediciones Científicas Mexicanas, Texto Científico Universitario. México, D.F. Klieber, Karsten y Alt, 1986, “Tratado de Física”.Ediciones G. Pili, S.A. de C.V., México, D.F. March Robert, 1999, “Física para poetas”. Siglo veintiuno Editores, S.A. de C.V., México, D.F. Ohosaki H, 1987, “Curso sencillo de aislamiento sísmico” (en Japonés). Diccionarios de ciencia y tecnología, Tokio, Japón. Sociedad Mexicana de Ingeniería Sïsmica, A.C., 1998, “Manual de Evaluación Postsísmica de la Seguridad Estructural de Edificaciones”. Secretaría de Obras y Servicios del Gobierno del Distrito Federal. México, D.F.
