SeminarioAnual Riesgo Terremoto y Huracán, ERN-Hannover Re, Septiembre de 2004
ENSEÑANZAS PRINCIPALES DURANTE SISMOS RECIENTES 1
Arturo Tena Colunga
RESUMEN Se presenta una visión personal de las principales enseñanzas de los sismos más intensos ocurridos en los últimos 20 años en todo el mundo, con particular énfasis en los sismos que han ocurrido en México.
SISMOS IMPORTANTES EN LOS ÚLTIMOS 20 AÑOS Durante los últimos 20 años, han ocurrido muchos sismos intensos, dentro de los cuales destacan a nivel mundial los siguientes principalmente por sus enseñanzas a la ingeniería sismo-resistente, más que por su magnitud o intensidad exclusivamente: 1985 Valparaíso, Chile 1985 Michoacán, México 1989 Loma Prieta, California 1989 Spitak, Armenia 1994 Northridge, California 1995 Kobe, Japón 1995 Manzanillo, México 1999 Armenia, Colombia 1999 Izmit (Kocaeli), Turquía 1999 Chi-Chi, Taiwan 2003 Bam, Irán De los sismos ocurridos en México, los más importantes para la ingeniería sísmica mexicana y para la sociedad en general genera l han sido: 19 de septiembre de 1985 (Michoacán, M=8.1) 25 de abril de 1989 (Guerrero, M=6.9) 9 de octubre de 1995 (Manzanillo, Colima, M w=8.0) 15 de junio de 1999 (Tehuacán, Puebla M w=7.0) 21 de enero de 2003 (Tecomán, Colima, M=7.6)
1 Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco. Departamento de Materiales. Av. San Pablo No.
Tamaulipas, 02200 México, D.F.
[email protected]
180, Col. Rey Reynosa nosa
Arturo Tena Colunga
¿QUÉ HEMOS APRENDIDO DE LOS SISMOS? Esta es una de las preguntas que más se hace la comunidad ingenieril y la sociedad mexicana en general. De acuerdo con el autor, los siguientes sectores de la sociedad mexicana han aprendido lo siguiente.
Ingeniería sísmica mexicana (y mundial) Muchísimo, gracias al estudio de estos sismos y sus efectos se han podido desarrollar numerosas herramientas que han permitido hacer estudios de vulnerabilidad estructural cada vez más completos y confiables, desarrollar la Alerta Sísmica, microzonar a la ciudad de México, mejorar los reglamentos de construcción, detectar sistemas estructurales que son vulnerables ante sismos y desarrollar e implantar nuevas tecnologías en estructuras para el control de la respuesta sísmica, entre otras. Autoridades (gobierno, protección civil, etc.) No mucho, sobre todo porque, salvo honrosas excepciones, su visión del problema y sus acciones se enfocan con respecto al potencial capital político que puedan representar. Una muestra palpable de ello es que la presentación prematura del proyecto de la Alerta Sísmica en 1993, pues aún estaba en fase de prueba por parte de la comunidad ingenieril, pero para el entonces Regente del Distrito Federal, estaba lista para sus fines de promoción política ante las elecciones de 1994, pues se sentía un candidato natural a la Presidencia. En contraparte, hay autoridades de protección civil que han hecho un buen trabajo educando a la gente cómo actuar antes y durante un sismo. Lamentablemente, también hay quienes ven su puesto como un trampolín político.
Medios de comunicación Casi nada. Salvo honrosas excepciones, su ignorancia sobre el tema es insultante, y la gran mayoría enfoca la problemática a obtener el mayor rating posible con base en el amarillismo y el lucro con el dolor humano. Por ello, es bastante común que para apoyar sus noticias diseñadas con tintes dramáticos, tengan que presentar a las autoridades como corruptas y a la ingeniería mexicana como incapaz, subdesarrollada y corrupta. Los medios se proclaman como informados, preocupados y “humanos”, siendo que, a ciencia cierta, no saben distinguir, por ejemplo, entre conceptos básicos de los sismos como son la diferencia que existe entre magnitud o intensidad, y en términos de seguridad estructural, que significa colapso, daño, etc. Si los medios de comunicación mexicanos fueran en realidad profesionales y éticos, antes de lanzar infundios a la ingeniería mexicana (y a otros gremios), deberían informarse acerca de su trabajo y del prestigio no prestigio del que goza a nivel mundial, además de preocuparse por prepararse mejor en esteo tema. 2
Enseñanzas principales durante sismos recientes
ENSEÑANZAS PUNTUALES DE SISMOS IMPORTANTES Algunos colegas se dejan invadir por la soberbia y afirman después de cada sismo importante que no se ha aprendido nada nuevo. Esta actitud de erudición suprema es muy poco afortunada, ya que para la gran mayoría resulta claro que los sismos importantes dejan nuevas enseñanzas, además de recordarnos que nos hemos aprendido del todo algunas viejas lecciones. Desde mi punto de sismos vista, estas son algunas las principales lecciones nuevas 20 que nos dejaron los siguientes importantes que handeocurrido en el mundo en los últimos años.
Sismo de Valparaíso, Chile (1985) En este sismo se observaron los primeros comportamientos indeseables de edificios de concreto reforzado modernos por efectos de torsión (figura 1), así como por una distribución irregular de masas, rigidez y resistencia.
Figura 1. Daño de un edificio por torsión (Web Berkeley, 2004)
Sismo de Loma Prieta, California (1989) En este sismo se observaron los primeros colapsos de puentes viales y segundos pisos (Viaducto Cipress, figura 2), con diseños anteriores a reglamentos modernos (diseños de los años 50), lo que marcó la necesidad de revisar los métodos de diseño de este tipo de infraestructura. Un hecho que quizá no resultó tan espectacular, pero sí muy importante, fue constatar la gran vulnerabilidad que tienen las estructuras de mampostería con sistemas de piso flexible de madera (figura 3), de las cuales existe un enorme inventario en los Estados Unidos, pues es un sistema constructivo muy utilizado desde los inicios de la colonia inglesa hasta hoy en día. Esto ha dado pie a implantar un programa de investigación inves tigación importante a mediano plazo, que actualmente forma for ma
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Arturo Tena Colunga parte fundamental de los proyectos de investigación del Mid America Earthquake Center de los Estados Unidos.
Figura 2. Colapso de Viaducto Cipress de San Francisco (Web Berkeley, 2004)
Figura 3. Estructura típica de mampostería con sistema de piso flexible de madera en Gilroy, California
Sismo de Spitak, Armenia (1989) Quizá la mayor lección de este sismo fue el colapso masivo observado en estructuras prefabricadas de concreto (figura 4), debido a lo inadecuado que eran sus conexiones para asegurar un comportamiento satisfactorio ante sismos. A partir de este sismo se han desarrollado nuevas conexiones sismo-resistentes para estructuras prefabricadas, una de ellas es propuesta de ingenieros mexicanos. 4
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Figura 4. Colapso de estructura prefabricada en Spitak, Armenia (Web Berkeley, 2004)
Sismo de Northridge, California (1994) Se trata de un sismo que dio varias lecciones importantes. Entre las más “novedosas” están las siguientes. 1. La importancia que tienen los acelerogramas de tipo impulsivo (o epicentrales) y su efecto devastador en estructuras cercanas al epicentro y la falla, a pesar de que la magnitud (o tamaño) del sismo sea moderada (figura 5). 2. La eficacia de nuevas tecnologías desarrolladas para el control de la respuesta sísmica de estructuras, como es el aislamiento sísmico para estructuras desplantadas en terreno firme (figura 6). Los registros instrumentales de estructuras que disponen con estas tecnologías, más su desempeño sísmico, apoyan lo anterior. 3. Demostrar lo vulnerables que son las vialidades solucionadas utilizando estructuraciones tipo péndulo invertido (figura 7), con diseños relativamente modernos (20 a 30 años).
Figura 5. Colapso de estructuras cercanas al epicentro en la ciudad de Los Ángeles, durante el sismo de Northridge (Web Berkeley, 2004)
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Figura 6. Buen desempeño de un edificio con aisladores de base durante el sismo de Northridge (Web Berkeley, 2004)
Figura 7. Colapso de vialidades solucionadas con estructuraciones tipo péndulo invertido (Web Berkeley, 2004)
Figura 8. Fracturas observadas en conexiones soldadas (Web Berkeley, 2004) 4. Fue el primer sismo en demostrar que algunas prácticas de soldadura utilizadas en las conexiones de estructuras metálicas no eran satisfactorias, al presentarse un gran número de fallas frágiles en las conexiones, sobre todo en las soldaduras, en edificios resueltos 6
Enseñanzas principales durante sismos recientes con marcos dúctiles de acero (figura 8). Esto ha detonado un programa de investigación muy importante, conocido como el programa SAC, que ha permitido entender el problema y plantear soluciones al mismo. 5. Este sismo demostró nuevamente que las estructuras con sistemas de piso flexible, tanto de mampostería, como de madera, son muy vulnerables ante sismos (figura 9), reforzando lo que se observó en el sismo de Loma Prieta.
Figura 9. Daño en muros de mampostería en estructuras de mampostería con sistemas de piso de madera flexible, debido a los esfuerzos de tensión fuera del plano del muro a lo que los somete el empuje del sistema de piso flexible (foto: Web Berkeley, 2004).
Sismo de Kobe, Japón (1995) Este sismo se caracterizó por reforzar mucho de lo que se observó por primera vez en Northridge, con respecto a: 1. La vulnerabilidad de vialidades en segundos pisos con estructuraciones tipo péndulo invertido (figura 10). 2. La vulnerabilidad de conexiones en estructuras metálicas (figura 11), incluyendo a las conexiones soldadas. 3. Observar que el aislamiento de base es una tecnología eficaz para controlar la respuesta sísmica de estructuras desplantas en terreno firme, con base en el estudio de estructuras instrumentadas. Mostró además: 4. Demostró nuevamente que las estructuras muy esbeltas (tipo lápiz) son muy vulnerables a la acción de sismos (figura 12), aún las diseñadas con reglamentos más modernos (10-15 años). 7
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Figura 10. Colapso de vialidades en segundo piso en Kobe, Japón (Web Berkeley, 2004)
Figura 11. Fractura en la conexión de un contraviento
Figura 12. Colapso de una estructura tipo lápiz 5. Que los terrenos ganados al mar o lagunas utilizando tecnologías de los últimos 30 años pueden ser licuables (figura 13), por lo que es un problema que se debe resolver (se está trabajando en ello). 8
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Figura 13. Fallas en estructuras portuarias por licuación de terrenos ganados al mar (Web Berkeley, 2004)
Sismo de Izmit (Kocaeli), Turquía (1999) Se trata de un sismo donde se presentaron muchos daños ya observados en otros sismos, sobre todo en estructuras de concreto reforzado, y quizá la lección más importante de este sismo se asocie al siguiente hecho. El reglamento de diseño sísmico de Turquía vigente al tiempo del sismo era uno de los más modernos del mundo. Sin embargo, se observó que la gran mayoría de las construcciones que sufrieron daño grave o colapso no se diseñaron siguiendo ni al reglamento vigente, ni a los anteriores. Por lo tanto, la lección más importante es que no importa qué tan bueno sea un Reglamento de Diseño por Sismo, si las autoridades competentes no obligan su cumplimiento en el diseño y construcción de estructuras, no sirve de mucho. La otrapiso lección que(figura se refuerza con este es la gran vulnerabilidad de las estructuras con primer suave 14), sobre todo sismo de concreto reforzado, las que generalmente colapsan de manera abrupta matando a mucha gente. Esta es una lección que muchos en México, lamentablemente, olvidan recurrentemente, ya que se siguen construyendo edificios de departamentos con estructuraciones que fomentan un primer piso suave.
Figura 14. Colapso de una estructura en Turquía por primer piso suave (Web Berkeley, 2004) 9
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Sismo de Bam, Irán (2003) Aunque la información relevante desde el punto de vista ingeniería para este sismo devastador aún se está procesando, existen algunos aspectos relevantes que refuerzan lo observado en otros sismos, por ejemplo: 1. Al que en Northridge, aquí se aprecia la importancia los acelerogramas de igual tipo impulsivo (o epicentrales) y su efecto devastadorqueentienen estructuras cercanas al epicentro y la falla (figura 15), a pesar de que la magnitud (o tamaño) del sismo sea moderada. 2. Quizá se pueda aprender mucho acerca de los efectos de las aceleraciones verticales, pues el registro acelerográfico de Bam es excepcional en este sentido (figura 16).
Figura 15. Efecto devastador sobre la histórica ciudad de Bam en Irán, debido a la cercanía del epicentro con la ciudad (Eshghi y Zaré, 2004)
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Figura 16. Acelerogramas registrados en la ciudad de Bam durante el sismo de diciembre de 2003 (Eshghi y Zaré, 2004)
ENSEÑANZAS PUNTUALES DE SISMOS MEXICANOS Sismo del 19 de septiembre de 1985 (sismo de Michoacán) Es sin lugar a dudas uno de los sismos que más enseñanzas han dejado a la ingeniería sísmica mundial, no únicamente a la mexicana. En lo público, enseñó que el Gobierno del país no estaba preparado para atender una emergencia de esta magnitud, ni existía siquiera un plan de protección civil. Detonó, por lo tanto, la necesidad de crear Protección Civil y el Centro Nacional de Prevención de Desastres. 11
Arturo Tena Colunga En ingeniería, las enseñanzas son casi innumerables. Movimientos del terreno
Enseñó que las amplificaciones de las ondas en el valle de México y su duración intensa eran bastante mayores a las que se habían anticipado con base en los registros de sismos previos de menor magnitud. Se comprobó que la instrumentación sísmica con que se contaba en el valle de México era insuficiente para entender y estudiar el problema (figura 17). Esto permitió que en los años siguientes se densificara la instrumentación en el valle de México.
Figura 17. Estaciones acelerográficas disponibles durante los sismos de septiembre de 1985 Geotecnia
Se comprobó que la respuesta dinámica de los suelos blandos del valle de México era más compleja de lo que se suponía. Se observaron algunos problemas en cimentaciones, sobre todo aquellas que se usaban en conjunto con estructuras irregulares y/o esbeltas (figura 18). Esto detonó debates sobre el uso y criterios de diseño de pilotes de fricción. El nivel observado de interacción suelo-estructura en edificios de la zona de lago fue excepcionalmente alto. Estudios detallados han permitido cuantificar que en algunas estructuras, más del 50% del desplazamiento lateral total de una estructura se debe a efectos de interacción.
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Enseñanzas principales durante sismos recientes Estas observaciones han permitido desarrollar en el país investigación de vanguardia en este tema, la cual ya está incorporada en las normas de diseño sísmico.
Figura 18. Colapso de una estructura en la ciudad de México debido a la falla por volteo de la cimentación, magnificada por los efectos de la interacción suelo-estructura en suelos blandos Estructuras irregulares
Este sismo demostró lo vulnerables que son las estructuras irregulares, aún las diseñadas con las normas sísmicas de la época (1966 y 1976). Destacan por su vulnerabilidad las siguientes condiciones de irregularidad: 1. Piso débil y torsión (edificios de esquina). Del total de colapsos de edificios en la ciudad de México, más del 40% correspondió a edificios en esquina (figura 19), que fallaron por el efecto combinado de torsión y piso suave.
Figura 19. Colapso de edificios en esquina en la ciudad de México (Web Berkeley, 2004)
suave o (condominios) débil . Este tipo 2. Piso de falla presentó principalmente en edificios de departamentos ubicados en se colonias como la Roma, la Condesa, la Del
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Arturo Tena Colunga Valle y Narvarte, debido al importante contraste de rigidez y resistencia que existió generalmente entre el primer piso (planta baja) y los pisos superiores. El primer piso, al contar con menos elementos resistentes (generalmente sólo columnas), que los pisos superiores (que contaban además de las columnas, con muros diafragma y/o muros estructurales), era generalmente más flexible y menos resistente que los superiores. Sin embargo, este piso es el que se ve sujeto a los mayores cortantes sísmicos, y dado su déficit con respecto a loscon pisos inmediatos entonces ser capaz en de resistencia resistir estas demandas base en su superiores, capacidad debe de deformación. Lamentablemente, las columnas de concreto reforzado no tienen la capacidad para soportar con su deformación lo que le demanda un sismo tan intenso, y este hecho fue lo propició el colapso de una gran cantidad de edificios de condominios, sobre todo en la colonia Roma. En la figura 20 se le ilustra esquemáticamente el concepto de primer puso suave.
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Figura 20. Comportamiento dinámico de una estructura con primer piso suave
3. Torsión de losdeficientemente edificios en esquina, se presentaron problemascolocando por torsión en edificios. Además estructurado para resistir cargas laterales, a los elementos resistentes en planta excéntricamente, en algunas ocasiones motivadas por una deficiente selección de la ubicación de escaleras y elevadores, y en otras exclusivamente por ignorancia de cómo se comportan las estructuras ante cargas laterales, como las que originan los sismos. Entre algunos de los ejemplos de edificios que fallaron por torsión, se encuentran el Edificio Ruta 100, el edificio de SCT, y el edificio de la Secretaría de Comercio (figura 21). 4. Esbeltez. Algunos edificios fallaron por su esbeltez excesiva, que provocaron importantes efectos de segundo orden (P-∆) e importantes momentos de volteo, los cuales se vieron magnificados en la zona de lago de la ciudad de México por la interacción sueloestructura. Entre las fallas más conocidas se encuentran las de los Edificios Pino Suárez (figura 22), Nuevo Leónla(figura 23) de y elsujetar edificio losarrancados pilotes dedel la cimentación no tuvieron capacidad a laZacatecas, estructura donde y fueron 14
Enseñanzas principales durante sismos recientes terreno junto con la estructura debido al momento de volteo a que se vio sujeta esta estructura esbelta. 5. Plantas alargadas. Las plantas alargadas provocan demandas de deformación adicionales en los elementos resistentes centrales de la planta, por efectos de flexibilidad de diafragma (por ejemplo, ver figura 3). Quizá el caso más conocido de un edificio que falló, otrassecosas, su planta alargada, es el edificio Nuevo en Tlatelolco, dondeentre además teníanporotras deficiencias estructurales, como eranLeón la esbeltez en su dirección corta y las columnas cortas que se introdujeron en las fachadas en los accesos a los elevadores, que se ubicaban cada tres niveles (figura 23). Las columnas cortas fueron propiciadas por un defecto constructivo, ya que en el proyecto estructural se especificó que esos muretes perimetrales debían estar desligados de las columnas.
Figura 21. Falla por torsión del edificio de la Secretaría de Comercio (Fundación ICA, 1988)
Figura 22. Colapso de una de las torres del conjunto Pino Suárez debido a su esbeltez 15
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Figura 23. Colapso del edificio Nuevo León por esbeltez, planta alargada y columnas cortas Uso irregular o inadecuado
Muchas fallas importantes de edificios en la ciudad de México se dieron por un uso inadecuado de la estructura, al cambiarse el uso del mismo y someterlo a cargas mucho mayores con las que fueron diseñados. Esto se dio principalmente en edificios que se utilizaron como bodegas, o que eran oficinas masas gubernamentales con una gran cantidad de archiveros se concentraron muy importantes en los pisos superiores y llevaron muy a los pesados, edificios donde a su falla debido al importante aumento de las fuerzas de inercia y de las características dinámicas de estas estructuras. Entre los edificios que fallaron, entre otras cosas, por este motivo, se encuentran los edificios de la Secretaría de Comercio, los edificios de SCT, y el Taller de las Costureras en la zona centro de la ciudad de México, además de los edificios que se muestran en la figura 24.
Figura 24. Colapso de edificios de la ciudad de México debidos a concentraciones de masas excesivas no consideradas en su diseño (Fundación ICA, 1988) 16
Enseñanzas principales durante sismos recientes Estructuras colindantes (choque estructural)
Quizá el sismo del 19 de septiembre de 1985 ha sido el sismo donde se han presentado más colapsos y daños estructurales graves como consecuencia del choque entre estructuras vecinas debido a la nula o escasa separación entre ellas (figura 25). Entre los casos más conocidos están los edificios del Hotel de Carlo y La Fragua, cercanos al monumento de la Revolución. Como consecuencia de ello, desde las Normas de Emergencia de 1987 se establecieron separaciones más rigurosas en el diseño de estructuras nuevas con sus colindancias, para evitar este fenómeno.
Figura 25. Fallas en edificios colindantes por choque estructural (Web Berkeley, 2004) Sistemas estructurales Losa plana aligerada
El sismo mostró la gran vulnerabilidad en la zona de lago de las estructuras de mediana altura de concreto reforzado que utilizaban como sistema de piso a losas planas reticulares, donde se observaron numerosos colapsos, ubicadas en la zonaque deltuvo lagoeldemás la ciudad de México (figura 26). De sobre hecho,todo ésteen fuelas el colonias sistema estructural moderno pobre desempeño durante el sismo s ismo del 19 de septiembre de 1985. Desde ese entonces, las normas de diseño por sismo castigaron notablemente a este sistema estructural, y en parte por ello, o por el recuerdo de sus impresionantes colapsos, este sistema estructural cayó en desuso en la zona del lago de la ciudad de México por muchos años. En los años más recientes, se está volviendo a construir con una variante de este sistema, al apoyarse ahora esta losa plana aligerada en vigas peraltadas que forman marcos propios con las columnas (figura 27), lo que le proporciona al edificio mayor rigidez y resistencia a cargas laterales.
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Figura 26. Colapso típico de edificios construidos con losas planas aligeradas en la zona de lago de la ciudad de México (Fundación ICA, 1988)
Figura 27. Sistema constructivo actual de losas planas aligeradas perimetralmente apoyadas en vigas utilizadas en edificios modernos de la ciudad de México Marcos de concreto reforzado
El sismo mostró la vulnerabilidad en la zona de lago de las estructuras de mediana altura con base en marcos de concreto reforzado con un detallado no dúctil (figura 28). Se observaron muchos edificios dañados con estas características. Desde ese entonces, las normas de diseño respectivas han sido más precisas sobre cómo deben diseñarse, detallarse y construirse este tipo de estructuras. Las investigaciones realizadas recientemente sugieren que en sismos fuertes futuros se deben esperar comportamientos satisfactorios de este sistema, siempre y cuando se diseñen conforme a las normas de 1987 a la fecha (por ejemplo, Luna y Tena, 1999).
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Figura 28. Fallas típicas en vigas y columnas de edificios estructurados con base en marcos de concreto reforzado con detallado no dúctil (Fundación ICA, 1988)
Figura 29. Reparación del edificio frente al Parque España con la adición de contravientos metálicos (cortesía de Enrique del Valle Calderón). Reparación de estructuras
El sismo del 19 de septiembre de 1985 probó la eficacia o no eficacia de varios sistemas de reparación de estructuras que se utilizaron para rehabilitar edificios que fueron dañados en sismos previos (1957, 1964 y 1979). Los sistemas que aprobaron el examen para reparar edificios de concreto reforzado de mediana altura en la zona del lago fueron: 19
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1. Rigidización y aumento de la resistencia ante carga lateral con la adición de contravientos de acero (figura 29). 2. Aumento local de la resistencia y capacidad de deformación por medio de encamisados de columnas (figura 29) y vigas. 3. Rigidización y aumento de la resistencia ante carga lateral con la adición de muros de concreto reforzado. Elementos estructurales Trabes acarteladas de concreto reforzado
El sismo mostró que el diseño de estos elementos ante carga lateral es deficiente, por falta de lineamientos específicos en las normas para su correcto diseño (ejemplos, Edificio AMIS y Cine Paseo). El problema es a nivel mundial, pues existe poca información experimental al respecto. En la ciudad de México existe una añeja tradición de construir edificios de concreto reforzado con trabes acarteladas; de hecho, año con año se siguen construyendo edificios con trabes acarteladas (figura 30). Actualmente se está conduciendo en México en la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco (UAM-A) un programa experimental a mediano plazo (figura 31) que permitirá en un futuro lograr un diseño dúctil de este elementos ante carga lateral.
Figura 30. Edificio en Santa Fe construido con trabes acarteladas
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Figura 31. Experimentos realizados en la UAM-A para conocer el comportamiento a cortante de trabes acarteladas de concreto reforzado
Sismo del 25 de abril de 1989 (M=6.9) Este sismo permitió entender mejor la respuesta del valle de México, ya que es el primer sismo importante que registró la Red Acelerométrica del Valle de México (figura 32), que en ese entonces pasó a tener más de 100 acelerómetros (contra los 13 que había en 1985).
Figura 32. Red acelerométrica de la ciudad de México (cortesía de Luis Eduardo Pérez Rocha) 21
Arturo Tena Colunga Por otra parte, aunque no hubo daños graves ni colapsos en las estructuras del Valle de México, si dejó enseñanzas en cuanto al comportamiento, pues también fue el primer sismo importante que se registró en algunas estructuras que cuentan desde ese entonces con una instrumentación sísmica permanente.
Sismo del 9 de octubre de 1995 (Sismo de Manzanillo) Este sismo dejó muchas enseñanzas de lo que puede esperarse en los puertos y ciudades cercanas a la zona de subducción del Pacífico, entre otras: 1. Los suelos ganados al mar y lagunas en los puertos mexicanos con técnicas reconocidas en su tiempo pueden ser licuables (figura 33). Por lo tanto, el potencial de licuación debe revisarse y, en su caso, utilizar técnicas de mejoramiento para evitar su falla.
Figura 33. Licuación de arenas durante el sismo de Manzanillo (Web Berkeley, 2004) 2. La instrumentación sísmica de Colima y Jalisco es prácticamente nula, por lo que debe densificarse para poder hacer una zonación sísmica adecuada. Además, sería recomendable instrumentar también algunos edificios representativos. 3. La instrumentación sísmica de las presas importantes de la zona permite monitorear su comportamiento ante sismos. Este ha sido un gran acierto, pues su estudio sistemático va a permitir tomar medidas preventivas a tiempo. 4. El gran número de daños y colapsos en estructuras que se diseñaron sin participación de ingenieros o arquitectos (auto-construcción, figura 34) indican la necesidad de elaborar manuales de autoconstrucción sencillos que permitan a la población de pocos recursos construir viviendas más seguras ante sismos.
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Enseñanzas principales durante sismos recientes 5. Una vergüenza gremial. Se construyeron estructuras de mampostería no reforzada “modernas” en una zona que es conocida como de alto riesgo sísmico. Obviamente, fallaron (figura 35).
Figura 34. Colapso típico de vivienda de autoconstrucción en la ciudad de Manzanillo
Figura 35. Daño estructural grave de estructuras modernas construidas con base en mampostería no reforzada en la ciudad de Manzanillo 6. Se observó un deficiente comportamiento en hospitales del sector público, usualmente ubicados en edificios muy viejos, sin ninguna consideración de diseño por sismo (figura 36). Es imperativo que se haga un esfuerzo importante en dotar a estas poblaciones de nuevos hospitales, diseñadas conforme a reglamentos modernos o, en su defecto, reforzar los existentes sísmicamente con técnicas cuya eficacia ya ha sido probada. 7. Se observó el colapso del paraguas del edificio de la terminal de autobuses foráneos de Manzanillo, cuyo diseño es de los años 60s o 70s (figura 37). Existen cientos de terminales similares a la que se colapsó en Manzanillo en todo México, incluyendo la zona de mayor peligro sísmico. Se debe, por lo tanto, evaluar la vulnerabilidad de 23
Arturo Tena Colunga terminales similares en todo el país, para poder tomar la decisión adecuada acerca de su refuerzo, o en su caso, su reemplazo por una terminal nueva. 8. La detección de fallas en edificios modernos que se diseñaron después de 1985 con sistemas estructurales que desde 1985 se habían señalado como peligrosos ante carga lateral. Esto incluye el uso de losas planas reticulares en edificios de hoteles, y no tomar en cuenta la interacción de muros de mampostería con los marcos en edificios (figura 38).
Figura 36. Daño típico observado en los hospitales públicos de la ciudad de Manzanillo
Figura 37. Colapso del paraguas de la terminal de autobuses foráneos de Manzanillo
Sismo del 15 de junio de 1999 (Sismo de Tehuacán) La enseñanza principal de este sismo fue reforzar lo que debió aprenderse desde el sismo de Ciudad Serdán de 1973, y es que la mayor parte de los monumentos coloniales, particularmente las iglesias de la región (estados de Puebla, Veracruz, Oaxaca, Tlaxcala y Morelos), son muy 24
Enseñanzas principales durante sismos recientes vulnerables a los sismos de falla normal que se originan en la zona (figura 39). Esto pone también una voz de alerta a iglesias de estructuraciones similares en la zona de subducción del Pacífico.
Figura 38. Colapso de edificios en la ciudad de Puerto Vallarta durante el sismo del 9 de octubre de 1995, por una inadecuada selección del sistema estructural.
Figura 39. Colapso de cúpulas y daño estructural grave en torres de campanarios de iglesias coloniales ubicadas en la ciudad de Cholula, Puebla, durante el sismo del 15 de junio de 1999 25
Arturo Tena Colunga También se observaron cosas que ya debían haberse aprendido de sismos anteriores, como las fallas de estructuras con columnas cortas, estructuraciones con pisos suaves (figura 40), o de edificios de concreto con detallado pobre en sus conexiones, en vigas y columnas.
Figura 40. Colapso del los edificios “Los Sapos” en el centro de la ciudad de Puebla, Puebla, durante el sismo del 15 de junio de 1999 (cortesía de Tiziano Perea)
Sismo del 21 de enero de 2003 (Sismo de Tecomán) Este sismo, que afectó principalmente a la zona conurbada de Colima, enseñó que la mayoría de las conclusiones que se derivaron del sismo de Manzanillo de 1995, y que se hicieron llegar a oficinas gubernamentales, les pasaron de noche, o simplemente no las leyeron o tomaron en cuenta. Por ejemplo, se observaron las mismas fallas en los hospitales públicos, nuevas licuaciones de arenas en el puerto de Manzanillo, daños en estructuras de mampostería no reforzada y de adobe, sobre todo de autoconstrucción (figura 41), iglesias coloniales (figura 42), además de que en ocho años que pasaron entre un evento y otro, no se instaló ningún aparato nuevo de registro sísmico en la zona. El aspecto más positivo que se observó, que por otra parte es muy importante, es que las autoridades de protección civil del Estado de Colima tuvieron una respuesta ejemplar a la emergencia del sismo, calificada así tanto por expertos internacionales que estuvieron en la zona en esos días, como del propio gremio mexicano.
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Figura 41. Fallas recurrentes en sismos anteriores que volvieron a observarse en el sismo de Tecomán de 2003 (cortesía de Tiziano Perea)
Figura 42. Daño en las torres del campanario de la iglesia de Coquimatlán durante el sismo de Tecomán de 2003 (cortesía de Tiziano Perea)
ACCIONES DE APOYO REALIZADAS EN MÉXICO CON OBJETIVOS A MEDIANO Y LARGO PLAZO DESDE SEPTIEMBRE DE 1985 La comunidad ingenieril y científica de México han emprendido las siguientes acciones con objetivos a mediano y largo plazo como consecuencia de los sismos de septiembre de 1985. No todas estas actividades se planearon de inicio con este objetivo, o formaron parte de programas coordinados a largo plazo que contaran con una logística y presupuestación suficiente para lograr estos objetivos, sino que en la mayoría de las ocasiones las metas a mediano y largo plazo se fueron dando sumándose esfuerzos individuales de distintas instituciones e investigadores que encontraron puntos de interés común, y después se coordinaron de manera “natural” para lograr alcanzar metas dentro ese objetivo común. Algunas de las acciones más relevantes se enuncian a continuación. 27
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Instrumentación sísmica Se densificó la instrumentación sísmica en el valle de México y en el interior del país (principalmente Guerrero y Michoacán), además de que se inició un programa de instrumentación sísmica de edificios en la ciudad de México. Estas acciones si parten de un programa que de inicio se planeó con esta finalidad.
Estudio y predicción de los movimientos del terreno En este rubro, se pueden clasificar las siguientes acciones coordinadas formal e informalmente: 1. Desarrollo de la alerta sísmica. 2. Predicción de las intensidades de los movimientos del terreno en el valle de México (figura 43), además de otras ciudades y regiones del país. 3. Zonación sísmica. 4. Microzonación sísmica. 5. Espectros de diseño de riesgo uniforme
Figura 43. Aceleraciones espectrales máximas esperadas en el valle de México para un sismo proveniente de Guerrero (cortesía (cortes ía de Luis Eduardo Pérez Rocha)
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Identificación de las propiedades dinámicas de los suelos y estratos rocosos En este rubro, se destacan los siguientes temas: 1. Identificación de los efectos de sitio. 2. Desarrollo o depuración (en el caso del valle de México) de mapas de isoperiodos. 3. Zonación sísmica. 4. Microzonación sísmica. 5. Espectros de diseño de riesgo uniforme.
Identificación de las propiedades dinámicas de edificios Aquí se destacan los siguientes temas: 1. Estudio de la validez de métodos convencionales de análisis estructural e hipótesis usuales en el diseño de edificios. 2. Estudio del deterioro de las propiedades dinámicas de estructuras ante la ocurrencia de sismos frecuentes. 3. Estudio del comportamiento de algunas técnicas de refuerzo y/o reestructuración de estructuras. 4. Estudio experimental de la interacción suelo-estructura
Comportamiento estructural: experimental Se han realizado investigaciones coordinadas sobre los siguientes temas principales: 1. Estructuras de mampostería confinada, con refuerzo interior y con refuerzo con base en malla electrosoldada y mortero (encamisados). 2. Estructuras de concreto: Losa plana reticular aligerada, conexiones prefabricadas tipo ventana, encamisados de columnas, concretos de alta resistencia, trabes acarteladas. 3. Disipadores pasivos de energía: dispositivos solera, viga a flexión, dispositivo panel de cortante.
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Comportamiento estructural: analítico Se han realizado estudios coordinados sobre los siguientes temas: 1. Estructuras de mampostería: modelos constitutivos, calibración y desarrollo de ecuaciones de diseño y de métodos de análisis con base experimental. Depuración del método simplificado. 2. Estructuras de concreto: Evaluación de metodologías de diseño por desempeño, puntales y tensores, calibración y evaluación de propuestas reglamentarias para el diseño de estructuras a base de marcos, de muros y mixtas. 3. Estructuras de acero: Evaluación de propuestas reglamentarias para el diseño de estructuras con marcos (con y sin contravientos) y mixtas, conexiones rígidas y semirigidas. Revisión de los estudios ligados a las fallas en conexiones soldadas observadas durante los sismos de Northridge y Kobe. 4. Cimentaciones: criterios de diseño para pilotes, cajones y cimentaciones compensadas.
Comportamiento estructural: nuevas tecnologías Las principales nuevas tecnologías que se han estudiado son: 1. Disipadores de energía por histéresis: ADAS, TADAS, Dispositivos Solera, “viga a flexión”, panel de cortante. 2. Disipadores viscoelásticos. 3. Disipadores no invasivos (por fricción o flexión).
4. Osciladores resonantes. 5. Aislamiento sísmico: aisladores elastoméricos (HRB, NRB, LRB), péndulos de fricción, GT-BIS (pendular), sistemas rodantes y amortiguadores metálicos.
Rehabilitación y reestructuración de estructuras Las principales técnicas que se han estudiado son: 1. Encamisados (columnas, vigas y muros). 2. Contraventeos (perfiles estructurales y cables de presfuerzo). 3. Disipadores pasivos de energía. 30
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4. Adición de muros. 5. Aislamiento sísmico. 6. Reducción de niveles.
Condiciones de irregularidad en estructuras Las condiciones de irregularidad estructural que se han estudiado son: 1. Torsión. 2. Primer piso suave. 3. Esbeltez. 4. Escalonamiento en elevación (abrupto y gradual). 5. Planta irregular (en L, T, etc). 6. Flexibilidad de diafragmas.
Conceptos y fundamentos de diseño sismorresistente Además de todos los rubros mencionados anteriormente, se tienen los siguientes: 1. Factores de reducción de fuerzas por comportamiento sísmico (R o Q´).
2. Criterios de diseño por desempeño. 3. Métodos de análisis y diseño (convencional y por desempeño). 4. Evaluación de estructuras existentes. 5. Puentes y péndulos invertidos. 6. Tuberías subterráneas y estructuras especiales.
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LOGROS OBTENIDOS A MEDIANO Y LARGO PLAZO DESDE SEPTIEMBRE DE 1985 EN MATERIA DE INGENIERÍA SÍSMICA Y ESTRUCTURAL EN MÉXICO En opinión del que escribe, algunos de los logros más importantes de la ingeniería sísmica mexicana como consecuencia de las acciones emprendidas a raíz de los sismos de septiembre de 1985 son: 1. Desarrollo y puesta en marcha de la Alerta Sísmica. 2. Actualización de la zonación sísmica del país. 3. Depuración de la zonación sísmica (microzonación) del valle de México. 4. Zonación sísmica preliminar de varias ciudades del país. 5. Actualización de reglamentos de construcción del Distrito Federal y del interior del país, tales como: (a) RCDF-87, RCDF-95, RCDF-2001 y sus Normas Técnicas Complementarias en el Distrito Federal y, (b) RCEG-90 (Guerrero), MOC-93 (Nacional), RCEP-1999 (Puebla). 6. Empleo de nuevas tecnologías en edificios y puentes.
CAMBIOS MÁS IMPORTANTES EN LAS NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA DISEÑO POR SISMO (NTCS-2004) FRUTO DE LAS INVESTIGACIONES MEXICANAS 1. Actualización y depuración de la zonación sísmica. 2. Adecuación de sus correspondientes espectros de diseño. 3. Cambios importantes en las definiciones y criterios específicos para el diseño de estructuras irregulares. 4. Actualización de los criterios para considerar interacción suelo-estructura. 5. Adecuación de un artículo que fomentará la aplicación de nuevas tecnologías bajo la supervisión del Gobierno del Distrito Federal. 6. Primeros pasos encaminados al diseño por desempeño al proporcionar un método de diseño “transparente” en el apéndice A. 7. Adecuación del método simplificado de diseño sísmico
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CAMBIOS DE FONDO EN LAS NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA (NTCM-2004) 1. Se da preferencia al diseño con base en datos experimentales. 2. Adecuación del módulo de rigidez a cortante, G m. 3. Establecimiento de criterios de diseño por durabilidad. 4. Criterios de análisis de estructuras a base de muros (con o sin aberturas). 5. Definición explícita del requisito de simetría para el uso del método simplificado de análisis y diseño. 6. Se hace énfasis en el detallado del acero de refuerzo. 7. Se admite el cálculo explícito de la contribución del refuerzo horizontal a la resistencia a fuerzas cortantes (refuerzo horizontal o malla soldada). 8. Se acepta el uso de malla de alambre electrosoldado y recubrimiento de mortero para el diseño original y refuerzo de muros. 9. Para la mampostería no confinada ni reforzada se exige un refuerzo mínimo por integridad estructural. 10. Se hace más exigente la supervisión del proceso constructivo. 11. Se señala una política de muestreo para el control de calidad de los materiales en obra. 12. Se dan los lineamientos generales para una adecuada evaluación de estructuras dañadas y consideraciones para su rehabilitación. 13. Definición explícita de distorsiones inelásticas de diseño. 14. En el Apéndice A se establece un criterio de aceptación para sistemas evaluados experimentalmente mediante el ensaye en laboratorio de muros a escala natural
CAMBIOS DE FONDO EN LAS NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO (NTCC-2004) 1. Adecuación de varios criterios para el diseño de marcos dúctiles. 2. Introducir los lineamientos para fomentar que las articulaciones plásticas de marcos dúctiles se formen fuera del nudo.
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Arturo Tena Colunga 3. Cambio en la ecuación de la resistencia del concreto cortante para elementos con peralte mayor a 70 cm. 4. Cambio en el bloque equivalente de esfuerzos, lo que impacta el diseño por compresión y flexocompresión. 5. Inclusión explícita de los concretos de alta resistencia. 6. Inclusión del capítulo de diseño por durabilidad. 7. Cambio en el diseño por torsión, de columnas esbeltas y vigas diafragma. 8. Cambios en la longitud de desarrollo y el módulo de elasticidad.
CAMBIOS DE FONDO EN LAS NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS (NTCEM-2004) 1. Adecuación de criterios para el diseño de marcos dúctiles. 2. Modificación del diseño de conexiones soldadas viga-columna. 3. Inclusión de criterios para el diseño de marcos con contravientos conectados excéntricamente. 4. Modificación en la evaluación del factor de longitud efectiva (k) para marcos no arriostrados lateralmente. 5. Adecuación de algunas ecuaciones para el diseño por carga axial y flexión de perfiles estructurales y de elementos hechos a base de placas soldadas.
FRACASO DE LA INGENIERÍA SÍSMICA Y ESTRUCTURAL EN MÉXICO DESDE SEPTIEMBRE DE 1985 En opinión del autor, el principal fracaso de la ingeniería sísmica mexicana es la ausencia de un cabal reconocimiento de sus trabajos, logros y calidad por una gran parte de la opinión pública. Esto se debe, entre otras cosas, a la ignorancia y amarillismo de algunos medios de información, principalmente en radio y televisión, que aprovechan la actitud pasiva de los ingenieros ante las acciones de los medios de comunicación. Una consecuencia de todo esto es que es muy común que la opinión pública les acredite el diseño estructural a los arquitectos y, en los casos más extremos y peor informados, muchos mexicanos consideren que no exista gran diferencia entre un ingeniero civil y un maestro de obras.
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Enseñanzas principales durante sismos recientes Siempre que existe una edificación notable se menciona el nombre del arquitecto, mientras que el del ingeniero se difunde sólo cuando se observa un mal comportamiento. Reflexionando sobre este tema, ¿esto se debe a la ley de Murphy, o a la pasividad de muchos colegas ingenieros? En opinión del que escribe, y en un sano ejercicio de autocrítica gremial, esto se debe en gran parte a la actitud pasiva (y a veces sumisa) de muchos ingenieros ante los medios de comunicación y el poder político, tal vez como una deformación exagerada de la vocación de servicio a la comunidad que tienen en común la inmensa mayoría de los ingenieros mexicanos. En conclusión, si los ingenieros mexicanos no cambiamos nuestra actitud ante los medios y el poder político, siendo más voc vocales ales y agresivos en el buen sentido de la palabra, palabr a, fomentando fo mentando una cultura de cooperación con los medios de manera que les proporcionemos información veraz que fomente su conocimiento de la calidad de nuestra ingeniería y, con ello, fomentemos una cultura de respecto al gremio ingenieril mexicano, ¡esta situación no va a cambiar!
ACCIONES POR REALIZAR A MEDIANO PLAZO POR LA INGENIERÍA SÍSMICA MEXICANA A pesar de los grandes avances que ha hecho la ingeniería sísmica mexicana en los últimos 20 años, existen muchas acciones por emprender para reducir la vulnerabilidad de las estructuras nuevas y existentes en las zonas de alto peligro sísmico de México. Entre muchas otras, el que escribe considera prioritarias a las siguientes:
Protección civil 1. Mejorar la operación y confiabilidad de la alerta sísmica y extender su potencial cobertura a toda la zona de subducción de las costas del Pacífico. 2. Continuar con los programas de prevención y de adiestramiento de la población ante sismos. 3. Establecer un programa nacional de identificación de estructuras vulnerables para poder tomar las medidas preventivas correspondientes.
Investigación 1. Regionalización, zonación y microzonación sísmica óptima. 2. Tecnologías modernas: Disipación pasiva de energía y aislamiento sísmico. 3. Estudio analítico y experimental del comportamiento sísmico de los principales sistemas estructurales utilizados en México: mampostería, concreto, acero, prefabricados, mixtos, etc.
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Arturo Tena Colunga 4. Estudio profundo de las principales condiciones de irregularidad (torsión, piso suave, esbeltez, escalonamiento) y cómo afectan el comportamiento sísmico de estructuras. 5. Evaluación y rehabilitación sísmica de estructuras, con particular énfasis en el estudio de nuevas tecnologías y el estudio experimental de técnicas utilizadas con anterioridad y que han demostrado ser exitosas. 6. Criterios de diseño por desempeño.
ACCIONES PRIORITARIAS EN EL MEDIANO PLAZO De los temas identificados como importantes a concretar en el mediano plazo, existen algunas líneas que lucen como prioritarias, como las que se enuncian a continuación.
Criterios de diseño por desempeño 1. Aterrizar los criterios de desempeño estructural y los espectros de diseño por riesgo uniforme conforme a la realidad sísmica, social y económica de nuestro país. 2. Desarrollar métodos de análisis y diseño confiables a distintos niveles (métodos simples y rigurosos). 3. Definir realista y cuidadosamente los límites de distorsión de entrepiso para distintos niveles de desempeño para los principales sistemas estructurales utilizados en México con base en estudios experimentales y analíticos an alíticos específicamente encaminados para este fin.
Reglamentación 1. Concretar los anteproyectos de normas modelo para. a) Disipadores de energía y aislamiento sísmico. b) Puentes (urbanos y carreteros). c) Evaluación y rehabilitación de estructuras.
2. Mejorar todas las Normas Técnicas Complementarias de los reglamentos con base en las investigaciones que se realicen y las aportaciones que realicen los ingenieros de la práctica. 3. Desarrollar un reglamento modelo de diseño por desempeño a nivel nacional sólidamente fundamentado y que tome en cuenta la realidad sísmica y socioeconómica de nuestro país.
Práctica profesional Seguir el ejemplo de los japoneses, donde queda perfectamente establecida la jerarquización de los ingenieros en función de su grado de preparaciónloy que experiencia, y en función dedeesto se ponen límites al ejercicio de su práctica profesional, es del conocimiento autoridades 36
Enseñanzas principales durante sismos recientes gubernamentales y particulares. Esto permitiría que la figura del Responsable Estructural en Ingeniería fuera en cierta forma equivalente a la que tienen los Médicos Especialistas o el Notario Público. La consecuencia directa sería, en opinión de muchos, la revaloración de la profesión a todos niveles.
Opinión pública Despojarnos de esa actitud pasiva (principalmente reactiva) ante los medios de comunicación y el poder político, de manera que todos los ingenieros cooperen coop eren con su granito ddee arena para hacerles hac erles entender la importancia de nuestro trabajo e informarlos bien. Es verdaderamente patético que muchos informadores aún no sepan siquiera conceptos básicos de los sismos (entre muchas otras cosas), y que muchos políticos nos quieran dar más un trato de servidumbre, que de colaboradores. Sin minimizar la importancia de la participación de los arquitectos en las grandes construcciones (principalmente edificios), el gremio ingenieril debe dejar muy claro que el diseño estructural y sísmico corresponde a los ingenieros civiles, y deberá coordinarse en el futuro cercano una campaña nacional encaminada a incluir, en todos los edificios de importancia, una placa de reconocimiento a los ingenieros responsables del diseño estructural, y no únicamente la de los arquitectos, como es generalmente el caso hoy en día. Solamente actuando de esta manera podremos ganarnos el respeto de la opinión pública, de los medios y del poder político en el futuro cercano.
REFERENCIAS 1. Fundación ICA (1988), Experiencias derivadas de los sismos de septiembre de 1985 , primera edición, editorial Limusa. 2. Eshghi, S. y M. Zaré (2004), “Bam (SE Iran) earthquake of 26 December December 2003, Mw=6.5: A preliminary reconnaissance report”, International Institute of Earthquake Engineering and Seismology, Tehran, Irán 3. Tena Colunga, Arturo (editor), (1997), El macrosismo de Manzanillo del 9 de octubre de 1995, Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica y Universidad de Colima, primera edición, octubre. http://nisee.berkeley.edu/images/servlet/EqiisListQuake 4. Web Berkeley (2004), Pagina web http://nisee.berkeley.edu/images/servlet/EqiisListQuake
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