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La ingeniería estructural y sísmica frente a los desastres naturales

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La importancia de la ingeniería estructural y sísmica en la prevención y mitigación de desastres estriba en la detección de las deficiencias en la construcción de obras civiles e infraestructura; su consiguiente seguimiento permite a los ingenieros estructuristas, corresponsables en seguridad estructural, directores responsables de obra y constructores reducir la vulnerabilidad de las edificaciones.

HÉCTOR SOTO RODRÍGUEZ Director general del Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil.

Es indudable y evidente que la incidencia de los desastres naturales en el mundo aumentará en forma continua y dramática en los próximos años. Lo anterior se debe, entre otras causas, a las siguientes: 1.Efectos inminentes del cambio climático en escala mundial. 2.Desarrollo descontrolado de las grandes ciudades del mundo. Muchos de los problemas graves de nuestro país provienen de la enorme centralización en la zona urbana de la Ciudad de México. 3.Numerosas fracturas de la corteza terrestre que dan origen a sismos moderados y fuertes (el cinturón de fuego). 4.Uso irracional del suelo en grandes metrópolis debido a la sobrepoblación al igual que al costo elevado de vivienda en zonas urbanas (asentamientos irregulares). 5.Falta de una correcta planeación de las obras de infraestructura; megaproyectos de las dependencias de gobierno sin estudios de ingeniería, impacto ambiental y económicos suficientemente justificados. 6.Tendencia al consumo excesivo e innecesario de bienes y productos de la población mundial (consumismo). 7.Abuso del ser humano y falta de respeto a la naturaleza y a los ecosistemas naturales.

México tiene grandes problemas de infraestructura: falta de habitación digna para un buen número de personas en comunidades marginadas; servicios de agua potable, drenaje, energía eléctrica y eólica que no llegan a toda la población; falta de depósitos, bodegas y silos que permitan almacenar las cosechas en los lugares donde se producen, y medios de transporte para llevarlas a zonas donde se consumirán; falta de escuelas y hospitales; alto crecimiento demográfico que hace necesario que la demanda de obras crezca de manera continua; falta de inversión en materia educativa.

Consecuentemente, los tipos de riesgos a los que están expuestas la población

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y la infraestructura de las grandes ciudades son numerosos y diversos. La ingeniería estructural y sísmica tienen una función trascendental para la evaluación de estos riesgos, así como en las fases de prevención y mitigación de desastres naturales.

En materia de protección civil, los riesgos se clasifican en cinco grupos generales: geológicos (sismos y vulcanismo, colapso de suelos, deslizamientos de taludes y bloques, hundimiento regional y agrietamiento de suelos), hidrometeorológicos (lluvias atípicas, granizadas, vientos fuertes, trombas, tormentas eléctricas, incendios forestales y temperaturas extremas), físicoquímicos (incendios, explosiones, fugas y derrame de sustancias y materiales peligrosos, intoxicación, envenenamiento y

radiación), sanitarios (epidemias, plagas, contaminación del aire y del suelo) y socioorganizativos (disturbios sociales, amenazas de bombas, atentados, manifestaciones, festejos deportivos, ferias, eventos masivos, huelgas, peregrinaciones). En el caso particular de la Ciudad de México, las diferentes demarcaciones que la constituyen han sido afectadas históricamente por diversos fenómenos sísmicos recurrentes, erupciones volcánicas, deslizamientos de taludes, fracturamiento y colapso de suelos y hundimientos regionales que incrementan la vulnerabilidad de las edificaciones y servicios estratégicos.

Por otra parte, se estima que el 40% de las grandes metrópolis del mundo, entre ellas la Ciudad de México, Los Ángeles, San Francisco, Tokio, Hong Kong y Santiago de Chile, por mencionar algunas, están ubicadas en zonas de alta sismicidad y propensas a desastres naturales recurrentes.

Como sabemos, nuestro país se localiza en una zona de alta sismicidad debido a la interacción de cinco placas tectónicas ubicadas principalmente en la costa del Pacífico: la de Norteamérica, la de Cocos, del Pacífico, de Rivera y del Caribe.

Se estima que alrededor de un 5% de los sismos que ocurren en el mundo suceden en México. El riesgo sísmico se presenta en aproximadamente dos terceras partes del territorio nacional, con excepción del noreste y la Península de Yucatán. Las características de los sismos son: tipo de falla, movimiento de bloques de su mecanismo, cantidad de energía liberada, magnitud (leve, moderado o fuerte), intensidad Mercalli, intensidades macrosísmicas, duración, epicentro, profundidad de foco, distancia epicentral, tipo y velocidad de las ondas, tipo de suelo que define las aceleraciones de terreno, etcétera.

La historia de los terremotos en México ha demostrado que en promedio cada 2.5 o 3 años ocurre uno de magnitud moderada que ocasiona un número bajo de pérdidas humanas y daños materiales cuantiosos en los estados donde se origina, como es el caso del sismo del 19 de septiembre de 2017.

Los expertos en ingeniería sísmica señalan que es alta la probabilidad de que en los próximos años ocurra un sismo de características similares a los de 1985 de la Ciudad de México.

Las experiencias que tuvieron los habitantes de la Ciudad de México durante los temblores de hace ya 32 años demuestran que la colaboración activa y organizada de la sociedad, población y gobierno de la Ciudad de México es el principal recurso para enfrentar situaciones de emergencia o desastres sin llegar a situaciones caóticas.

Por esa razón, inmediatamente después de que ocurre un sismo de gran magnitud o algún otro tipo de amenaza natural existe la necesidad de coordinar a varias dependencias de gobierno y a la misma sociedad. Es deseable que los diversos grupos de atención que colaboran en situaciones de emergencia estén debidamente organizados y capacitados para atenderla.

Luego de los sismos de 1985 han ocurrido en esta metrópoli más de 20 de magnitud igual o mayor que el del 23 de junio del presente año, pero que no han ocasionado daños estructurales en las edificaciones, toda vez que han registrado una magnitud moderada, excepto el del 19 de septiembre del 2017 (exactamente 32 años después), que afectó principalmente a edificaciones de concreto reforzado y de mampostería. Uno de los fenómenos que ocasionaron daños estructurales severos durante el sismo de 2017 fue el golpeteo, choque o colisión de edificios, especialmente cuando las losas de los edificios no coinciden en altura (daño muy perjudicial). Fue el caso del edificio de Álvaro Obregón 286 que sufrió colapso total. Otros edificios que se dañaron fueron los de forma sumamente irregular y de esquina.

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La Ciudad de México, por sus características especiales de suelo blando y sitios propensos de gran vulnerabilidad y frecuencia sísmica, ha sido considerada como una de las ciudades de mayor riesgo sísmico en el mundo, debido a la alta densidad de población y edificaciones, a las aglomeraciones, la concentración de fuentes de trabajo, la densidad de la industria instalada en sectores determinados y sus complejos servicios e infraestructura urbana.

Buena parte de las edificaciones de afluencia masiva destinadas a oficinas, habitación, salud, educación, esparcimiento y vivienda se encuentran en zonas consideradas de alto riesgo sísmico, además de que muchas de éstas sufrieron daños estructurales severos como consecuencia de los sismos de septiembre de 1985.

Por la razón anterior, hay mucho daño acumulado en edificaciones anteriores a 1985 que han soportado varios sismos intensos y que ya liberaron grandes cantidades de energía. De acuerdo con la opinión de los especialistas de ingeniería estructural y sísmica, resultaría más económico demoler los edificios degradados con daño acumulado alto. Mientras tanto, presentan un riesgo latente para los usuarios y para la propia población.

En muchos casos, la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones de la Ciudad de México ha aumentado en los últimos años debido a la falta de mantenimiento o de refuerzo estructural. La vulnerabilidad depende de las características de las construcciones locales y puede reducirse mediante la aplicación correcta y estricta de normas de diseño sismorresistente, que es lo que hace falta en los estados de Colima, Chiapas, Estado de México, Oaxaca, Guerrero, Jalisco, Michoacán, Morelos y Puebla, por mencionar algunas entidades.

En los últimos 20 años se ha avanzado sustancialmente en distintos aspectos de la ingeniería estructural, sísmica y de cimentaciones, por lo que actualmente es posible definir espectros de diseño sísmico y de colapso de manera más clara y precisa.

La ingeniería sismológica y sísmica son áreas de investigación que requieren un buen entendimiento del fenómeno sísmico para lograr una mejor comprensión de los modelos matemáticos que se utilizan para su estudio. Con base en conocimientos profundos de estas ciencias se pueden elaborar representaciones gráficas de la forma en que las ondas sísmicas se generan, determinar el foco y la magnitud de un sismo, incluyendo también mapas de aceleraciones máximas del terreno, mapas de daños en la red principal de agua potable (cuyo colapso sería un problema muy grave), mapas de riesgos estimados con base en sismos históricos (1985, 1979, 2017 y 2020) y mapas de riesgo con un escenario que se plantee qué pasaría si un sismo como el del 19 de septiembre de 1985 de la Ciudad de México ocurriera hoy; también espectros de diseño, peligro uniforme y espectros de respuesta de sismos registrados en estaciones de la Ciudad de México; sistemas de inteligencia artificial, una gran cantidad de reportes de daños y lecciones aprendidas de sismos pasados, hasta información de técnicas modernas que se han desarrollado para mitigar los efectos de los sismos en las estructuras.

La importancia de la ingeniería estructural y sísmica en la prevención y mitigación de desastres estriba en la detección de las deficiencias en la construcción de obras civiles e infraestructura; su consiguiente seguimiento permite a los ingenieros estructuristas, corresponsables en seguridad estructural, directores responsables de obra y constructores reducir la vulnerabilidad de las edificaciones.

Con el nuevo Reglamento de Construcciones de la Ciudad de México, publicado en el año 2017, se exige mayor seguridad estructural tanto a las edificaciones de concreto reforzado como a las de acero estructural y mampostería. Consecuentemente, la ingeniería estructural, sísmica y geotécnica o de mecánica de suelos está haciendo bien las cosas, siempre y cuando los reglamentos de construcción se apliquen con responsabilidad.

Los sismos de 1985 de la Ciudad de México hicieron ver que las normas vigentes de diseño subestimaron de manera importante la intensidad que cabe esperarse en la zona para este tipo de movimiento del suelo. En teoría, buena parte de las construcciones bien diseñadas y construidas de acuerdo con los reglamentos en vigor de esa época podrían haberse dañado severamente.

Sismo del 23 junio 2020 de Crucecita, Oaxaca El Servicio Sismológico Nacional reportó el día 23 de junio del presente año un sis

mo de magnitud 7.5 en la escala sismológica de Richter 23 km al sur de Crucecita, Oaxaca, a las 10:29:02, hora local. La actualización de las coordenadas del epicentro fueron: 15.784º latitud Norte y 96.120º longitud Oeste, y la profundidad del foco fue de 22.6 km. El tipo de falla de este tipo de sismo, frecuente en la costa sur del país, es interplaca: la Placa de Cocos subduce a la Placa de Norteamérica.

Como se sabe, la costa sur del país, que incluye los estados de Chiapas, Oaxaca, Guerrero, Michoacán, Jalisco y Colima, es una de las regiones de mayor sismicidad. Probablemente Oaxaca registra alrededor del 25% de los sismos que ocurren en el territorio mexicano. Las placas tectónicas que interactúan frecuentemente son la de Cocos y la de Norteamérica. Los sismos se presentan periódicamente en esta región geográfica, y en la medida en que pasa el tiempo en un estado donde no ha acontecido un sismo moderado o fuerte, mayor es la posibilidad de que ocurra uno. Cuando ocurre un sismo fuerte en la región, los bloques localizados cerca de la zona de ruptura sufren un reacomodo, lo que genera una serie de sismos en la zona que se denominan “réplicas”.

El sismo reciente del 23 de junio se sintió en los estados de Oaxaca, Guerrero, Chiapas, Michoacán, Jalisco, Colima, Querétaro, Morelos, Hidalgo, Guanajuato, Tabasco, Veracruz, Puebla, Tlaxcala, Estado de México y la Ciudad de México.

La predicción de oleaje (tsunami) fue de olas con altura aproximada de 3.0 m en la costa; más tarde las autoridades de Protección Civil del Estado de Oaxaca corrigieron, y se estimó en 30 cm de altura.

De acuerdo con el Instituto de Ingeniería de la UNAM, las intensidades máximas del sismo se localizaron en la región epicentral, en las costas del estado de Oaxaca.

Cenapred El movimiento intenso se prolongó hacia el centro del país. Se afirmó que la percepción del movimiento de 18 millones de personas fue de magnitud moderada, mientras que 1 millón lo consideró intenso.

En la costa de Oaxaca se midió una aceleración PGA de 6.5 cm/s 2 . Hubo daños severos principalmente en edificaciones de mampostería de adobe destinadas a habitación, construidas con técnicas y procedimientos precarios; casas habitación con estructura de mampostería sin confinar (fuerte agrietamiento diagonal en esquinas de aberturas de ventanas por ausencia de castillos de concreto reforzado, colapsos de muros de adobe con y sin confinamiento o refuerzo, aplastamiento y fracturas severas de muros de tabique, daño severo en fachadas de edificios de poca altura), escuelas, edificios de gobierno, edificios históricos, instalaciones de salud, carreteras, puentes e infraestructura en general. Se estima al día de hoy que las edificaciones residenciales dañadas severamente supera las 2 mil. Como ejemplo de daño severo se puede mencionar la Catedral de la Sierra en San Juan Ozolotepec, Oaxaca.

En la Ciudad de México se reportaron daños estructurales de distintos tipos en 36 edificios, ya que se tiene conocimiento y evidencia suficiente de que este tipo de sismos leves no afecta en gran escala las edificaciones de la ciudad.

Efectos del viento en estructuras industriales Por otro lado, los daños ocasionados en la infraestructura por los efectos del viento en edificios industriales y urbanos en México han sido en varios casos catastróficos,

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a menudo porque la acción del viento, con velocidades elevadas que ocasionan trombas, ráfagas, lluvias atípicas, etc., excede la resistencia intrínseca de las estructuras.

El pasado 14 de mayo de 2020, una tromba acompañada de lluvias intensas en la región de Apatzingán, Michoacán, ocasionó cuantiosas pérdidas en ocho naves industriales en las que se selecciona, empaca y refrigera limón, lo que puso en riesgo 250 empleos directos y provocó afectaciones indirectas a más de 15 mil trabajadores. Las pérdidas económicas de este desastre natural se estiman en más de 50 millones de pesos.

Los graves daños en este tipo de instalaciones también se atribuyen estrictamente a la falta de un diseño profesional por viento y estructural que garantice la seguridad de este tipo de edificaciones. Tienen que evaluarse de manera correcta las presiones del viento de acuerdo con las características del sitio y de la nave, y especialmente las uniones entre los elementos principales y secundarios de la estructura de las naves industriales. El ingeniero civil con especialidad en estructuras debe tener conocimientos profundos del diseño por viento, de conformidad con el Manual de Diseño de Obras Civiles por Viento del Instituto Nacional de Energías Limpias (INEEL-2008).

La Comisión Federal de Electricidad (CFE) publicó el Manual de Diseño de Obras Civiles (MOC) por primera vez en el año de 1969. Este manual constituye una referencia técnica muy importante, obligada y de consulta para todos los ingenieros estructuristas que diseñan y construyen obras de infraestructura.

Recomendaciones generales Las siguientes son algunas recomendaciones para reducir la vulnerabilidad de las edificaciones en la Ciudad de México: 1.El desarrollo de crecimiento de centros urbanos debe ser acorde con las áreas de menor riesgo sísmico. 2.Limitar el tamaño de las concentraciones urbanas y servicios estratégicos en zonas de alta sismicidad. 3. En edificios construidos en suelos blandos, se recomienda llevar un control periódico de nivelaciones y demoliciones. Si la edificación tiene daño acumulado alto se recomienda su demolición. 4.Los edificios construidos con normas de diseño y construcción anteriores a los sismos de 1985 deberán evaluarse cuidadosamente para ver si requieren un refuerzo o deben demolerse. 5.Durante las condiciones normales de operación de un edificio, se recomienda a los propietarios dar mantenimiento continuo adecuado a la estructura, equipo e instalaciones para evitar una falla prematura o mal funcionamiento. 6.Los propietarios o poseedores de edificios dañados por sismos anteriores deberán recabar un dictamen de seguridad estructural y estabilidad estructural por parte de un director responsable de obra o de un corresponsable en seguridad estructural competente. 7.No construir empíricamente las edificaciones, especialmente en zonas de alta sismicidad. 8.No reforzar edificios viejos con daño acumulado elevado. Esto es un grave error económico y coloca a las edificaciones en condiciones de vulnerabilidad sísmica ante nuevos sismos.

Actualmente, la Ciudad de México cuenta con infraestructura técnica suficiente para la prevención y mitigación de los desastres naturales, puesto que existen centros de investigación dedicados especialmente al estudio del riesgo, peligro, amenaza y vulnerabilidad sísmica de las edificaciones.

Existen sistemas de inteligencia artificial y de alerta sísmica, de pronóstico de sismos fuertes y metodologías para la actuación frente a desastres.

Para información adicional de los efectos de los sismos en México se recomienda a los lectores comunicarse a los siguientes centros de investigación: Servicio Sismológico Nacional, Instituto de Ingeniería, Centro de Geociencias, Centro Nacional de Prevención de Desastres e Instituto de Geofísica, todos de la UNAM, y Facultad de Ciencias de la Tierra de Universidad Autónoma de Nuevo León. Esos organismos publican información fidedigna y confiable