4.3: Diseño sísmico de grandes estructuras

“No lo sé. Esto me parece una chimenea de mampostería sin reforzar”.

Santa Claus, sin fecha

“El edificio actuó como debería. Es realmente gratificante saber con los dolores que tomamos y el dinero que gastamos en nombre del edificio, que funcionó”.

Angui Davis, administrador de propiedades del Starbucks Center en Seattle, construido en 1912, comentando sobre la modernización del edificio antes del terremoto de Nisqually

1. Introducción

Es imposible hacer pruebas sísmicas de un edificio. Una mirada a la escala de intensidad (Cuadro 3-1) muestra que para intensidades de IX y peores, incluso edificios bien diseñados y bien construidos pueden fallar. Sin embargo, la mayoría de los sismos tienen intensidades máximas de VIII o menos, y los edificios bien construidos deberían sobrevivir a estas intensidades. La intensidad más alta registrada en un terremoto del noroeste del Pacífico fue VIII en el terremoto de Puget Sound de 1949 y localmente en Harbor Island en Seattle en el terremoto de Nisqually de 2001. No obstante, un sismo en la Falla de Seattle o la Zona de Subducción de Cascadia tendría intensidades mayores.

Los códigos de construcción deben diseñarse de manera que un edificio resista (1) movimientos menores del suelo sin daños, (2) temblor moderado del suelo sin daños estructurales pero posiblemente con algún daño no estructural, y (3) movimiento mayor del suelo con una intensidad equivalente al sismo máximo considerado (MCE) para la región (Capítulo 7) sin colapso estructural, aunque posiblemente algún daño estructural. En este último caso, el edificio podría declararse una pérdida total, pero no colapsaría y la gente en su interior podría escapar con seguridad.

La actualización del código de construcción no tiene un efecto inmediato en la seguridad. Los códigos de construcción afectan la nueva construcción o remodelación importante de grandes edificios existentes; si un edificio no es remodelado, conservará los estándares de seguridad en el momento en que fue construido. Las mayores pérdidas en los recientes terremotos de California y Puget Sound fueron sostenidas por marcos de hormigón armado viejo y no dúctil con y sin muros de mampostería no reforzados. Por ejemplo, cuarenta y siete de las sesenta y cuatro personas que murieron en el terremoto de Sylmar de 1971 perdieron la vida debido al colapso de una sola instalación, el Hospital de Administración de Veteranos (Figura 12-1). Esta fue una estructura de hormigón reforzado construida en la década de 1920, antes del establecimiento de estándares de construcción relacionados con el terremoto después del terremoto de Long Beach de 1933. Los edificios colapsados fueron diseñados para transportar únicamente cargas verticales. La Figura 12-1 es una vista aérea del campus hospitalario inmediatamente después del sismo. El edificio en la fotografía que sostenía bien había sido reforzado tras el sismo de 1933. Claramente, el reequipamiento dio sus frutos en términos de vidas salvadas.

Figura 12-1. Vista aérea de los daños en el campus del Hospital de la Administración de Veteranos de San Fernando tras el terremoto de Sylmar, California de 1971. Cuarenta y siete de las sesenta y cuatro muertes atribuidas al sismo fueron consecuencia del colapso de esta estructura, construida en 1926, antes de que se adoptaran los códigos de construcción de resistencia sísmica. Edificio adyacente, construido después de que se actualizaran los códigos de construcción después del terremoto de Long Beach de 1933, no colapsó. Foto de E. V. Leyendecker, Servicio Geológico de Estados Unidos

En la misma línea, las mayores pérdidas en los sismos del noroeste del Pacífico, entre ellos los sismos de 1949, 1965 y 2001 Puget Sound (Figura 12-2) y los sismos de 1993 Scotts Mills y Klamath Falls, Oregón, fueron en antiguos edificios de mampostería no reforzados, especialmente escuelas, que parecen tomar el tiempo más largo para reemplazar.

Figura 12-2. Primer plano de una entrada a la escuela Lafayette en West Seattle, cubierta con ladrillos que cayeron de este edificio de mampostería sin reforzar durante el terremoto de Puget Sound de 1949. Afortunadamente, la escuela no estaba ocupada en ese momento, y no hubo niños muertos ni heridos. Los daños a esta y otras escuelas en los sismos de 1949 y 1965 llevaron a una importante modernización de los edificios escolares que minimizaron los daños escolares en el terremoto de 2001. Foto cortesía de Washington Division of Geology and Earth Resources.

Es mucho más caro modernizar un edificio por seguridad sísmica que construir con la misma protección de seguridad para un edificio nuevo. Por lo general, una estructura simple costará al menos nueve a diez dólares por pie cuadrado para modernizar. Una estructura de marco de hormigón armado no dúctil será de dos a tres veces más cara. El costo de un edificio histórico podría llegar a los cien dólares por pie cuadrado. El propietario del edificio deberá considerar la posibilidad de que el dinero gastado en la mejora no se devuelva en un incremento en el valor del edificio o en un incremento en los ingresos recibidos del mismo, a menos que se proponga un cambio de uso para el edificio.

Es por estas razones que lleva tanto tiempo actualizar el inventario de edificios de una ciudad. Los propietarios de edificios en centros urbanos del noroeste del Pacífico continúan confiando en edificios de mampostería no reforzada (URM) en riesgo para su sustento económico, apostando que el esperado gran terremoto no llegará pronto.

La legislación puede acelerar el proceso. En 1986, el Estado de California aprobó una ley que exige que las jurisdicciones locales identifiquen todos los edificios potencialmente peligrosos y luego adopten políticas y procedimientos que reduzcan o eliminen las condiciones potencialmente peligrosas. Después del terremoto de Loma Prieta de 1989 y del terremoto de Northridge de 1994, la Ley URM fue aprobada en 1996 en el Área de la Bahía, por lo que es obligatorio modernizar los edificios URM. Esto significa que esa parte de la zona de subducción en el norte de California es más segura que la zona de subducción más al norte. Es solo en 2015 que la ciudad de Portland y Seattle están investigando desarrollar políticas para las modificaciones obligatorias de la URM. Si el edificio de mampostería no reforzada (URM) tiene valor histórico, el propietario debe considerar que el edificio sea designado como estructura histórica, abriendo la disponibilidad de fondos para la modernización de estructuras históricas.

2. Retrofitting sísmico

El Starbucks Center ocupa un edificio de nueve pisos que antes era una tienda de catálogo de Sears construida en 1912 en el relleno de marea junto a la bahía de Elliott. Antes de que Starbucks se mudara, la ciudad de Seattle requería una actualización sísmica que costaba 8,5 millones de dólares. Cerca de dos mil personas estaban en el edificio cuando se produjo el terremoto de Nisqually. La gente se zambulle bajo escritorios y mesas. Rick Arthur, vicepresidente de Starbucks, dijo que “se sentía como un tifón entrando a través.... El piso se elevó en grandes olas. Al principio, sentimos que era un evento bastante menor, pero siguió adelante y construyendo en intensidad. Las luces se balanceaban en grandes arcos”. Algunas de las paredes se agrietaron y un parapeto de ladrillo de cuatro pies en la parte superior del edificio se estrelló contra el suelo. Pero todos salieron sanos y salvos, y no hubo heridos. Arthur dijo que su primer pensamiento fue, “Gracias, Terry”, refiriéndose a Terry Lundeen, un ingeniero estructural de Coughlin Porter Lundeen, quien manejó la modernización de Starbucks. Dinero bien gastado.

Tradicionalmente, el objetivo de la modernización sísmica, como el objetivo de los códigos de construcción, siempre ha sido permitir que las personas dentro de la estructura sobrevivan al terremoto. El control de daños y la protección de los bienes son secundarios, a excepción de ciertos edificios históricos, como se discutió anteriormente. Los conceptos recientes de ingeniería sísmica basada en el desempeño están poniendo mayor énfasis en controlar los daños a la propiedad para evitar pérdidas financieras, incluida la pérdida de negocios para un edificio comercial. El control de daños también es importante para instalaciones críticas como hospitales, estaciones de policía y estaciones de bomberos.

Figura 12-3. Posibles estrategias de reequipamiento para edificios antiguos. (a) Muros de relleno. (b) Agregar marcos interiores o exteriores. c) Reconstruir completamente. (d) Agregar llaves (e) Reconstruir completamente. f) Agregar contrafuertes. De AIA/ACSA Council on Architectural Research, Washington, D.C.

Las estructuras frágiles se comportan mal durante los sismos. La mampostería no reforzada que soporta la carga estructural de un edificio con estructura de piso y techo mal atados tiende a fallar por colapso de pared. Los edificios con estructura de hormigón no dúctil están sujetos a fallas por cizallamiento de columnas débiles y no confinadas. Las estructuras enmarcadas con grandes partes de sus paredes no atadas tienden a comportarse estructuralmente como estructuras de pisos blandos (como el garaje para tres autos en el Valle de San Fernando que se muestra en la Figura 11-6). En sismos recientes, incluyendo el Terremoto de Northridge de 1994, estas estructuras han fracasado catastróficamente, con pérdida de vidas.

El fortalecimiento de los edificios existentes debe garantizar que el refuerzo agregado sea compatible con el material que ya existe. Por ejemplo, se podría agregar un tirante diagonal de acero a un muro de mampostería. El corsé es lo suficientemente fuerte, pero no soportaría la carga durante la agitación hasta que la mampostería se hubiera agrietado y distorsionado por primera vez. El corsé puede evitar el colapso total, pero el edificio podría sufrir suficientes daños estructurales como para considerarse una pérdida total. Es solo recientemente que hay casos de éxito de estas estructuras reacondicionadas en California siguiendo la ley URM y su implementación por parte del gobierno local. Durante el terremoto de 2014 Mw6.0 South Napa en California, muchos edificios modernizados y no renovados sufrieron daños. Un año después, en agosto de 2015, se hizo un hallazgo importante: a pesar de que los edificios URM reacondicionados habían visto daños leves a moderados, la mayoría de estos edificios estaban en reparación; en contraste, la mayoría de los edificios dañados no reacondicionados fueron comisionados para ser demolidos luego de que los propietarios de los edificios los consideraran ser una pérdida total.

Una prueba de la Ley URM de California llegó con el terremoto de magnitud 6 del sur de Napa de 2014, en el que se dañaron edificios tanto reacondicionados como no reacondicionados. Al año siguiente, se determinó que a pesar de que los edificios de la URM reacondicionados habían sufrido daños leves a moderados, la mayoría de ellos estaban siendo reparados. En contraste, los edificios que no habían sido reacondicionados en el momento del sismo fueron determinados por sus dueños como una pérdida total, y fueron comisionados para ser demolidos.

La Figura 12-3 muestra varios tipos de soluciones de retrofit para edificios antiguos. Las paredes pueden ser reforzadas por muros de relleno, arriostramiento, post-tensado, por contrafuertes externos (bellamente exhibidos por catedrales góticas medievales en Europa occidental), agregando un marco exterior o interior, o por aislamiento de base. El edificio necesita comportarse como una unidad durante la agitación, ya que es probable que el sismo produzca fallas a lo largo de uniones débiles.

Hay varios sistemas de resistencia a la fuerza lateral para soportar las fuerzas inducidas por el terremoto, incluyendo marcos resistentes al momento, muros de corte y marcos arriostrados, por ejemplo. Además, el sistema de resistencia lateral puede ser una combinación de estos sistemas. Estos sistemas de resistencia lateral se pueden construir a partir de hormigón armado, acero estructural, mampostería reforzada o incluso madera. En los niveles del piso, las fuerzas de resistencia laterales se transfieren a través de un diafragma.

El término diafragma se utiliza para un elemento horizontal del edificio, como un piso o una cubierta, que transfiere fuerzas horizontales entre elementos verticales como muros o columnas (Figura 12-4a). El diafragma puede considerarse como una viga en I, con el propio diafragma la banda de la viga y sus bordes las bridas de la viga (Figura 12-4b). En la mayoría de los edificios, se cortan agujeros en el diafragma para pozos de elevadores o claraboyas (Figura 12-4c). Estos orificios interrumpen la continuidad y con ello reducen la resistencia y rigidez del diafragma (Figura 12-4d).

Figura 12-4. a) Diafragma horizontal. La falla generalmente ocurre en las conexiones a columnas verticales. (b) Concepto de diafragma como viga en I horizontal. (c), (d) Orificios en vigas o diafragmas para pozos de elevadores, puertas grandes, etc., interrumpen la continuidad y reducen la resistencia. De AIA/ACSA Consejo de Investigación Arquitectónica.

Las fuerzas laterales de los diafragmas se transmiten hacia y desde el suelo a través de muros cortantes o marcos resistentes al momento. Las fuerzas son fuerzas de corte, aquellas que tienden a distorsionar la forma de la pared, o fuerzas de flexión para estructuras esbeltas como un rascacielos (Figura 12-5). La construcción puede incluir paredes que tienen mayor resistencia al corte o arriostramiento diagonal de acero, o ambos.

Figura 12-5. Las paredes de corte resisten las tensiones de corte transmitidas desde el suelo y las tensiones de flexión en edificios delgados y altos. C, compresión; T, tensión. De AIA/ACSA Consejo de Investigación Arquitectónica.

Los marcos resistentes a los momentos son más flexibles que las estructuras de muros cortantes; es menos probable que sufran daños estructurales importantes pero más propensos a sufrir daños en las paredes interiores, tabiques y techos (Figura 12-6). Varios edificios con estructura de acero fallaron en el terremoto de Northridge de 1994, pero las fallas se debieron en gran parte a las malas soldaduras en las juntas, una falla en el diseño, la construcción y la inspección.

Figura 12-6. Articulación utilizada en un marco resistente a los momentos.

3. Aislamiento de Base

El enfoque normal para proporcionar resistencia sísmica es unir la estructura firmemente al suelo. Todos los movimientos del suelo se transfieren a la estructura, que está diseñada para sobrevivir a las fuerzas inerciales del movimiento del suelo. Esta es la razón por la que tu casa está atornillada a sus cimientos y tu pared lisiada está reforzada.

Figura 12-7. Fallo de colgar accesorios de iluminación en la biblioteca de la escuela primaria Dawson en California, afortunadamente desocupados al momento del terremoto. Note las tejas caídas del techo y el yeso. Crédito de la foto: Proyecto de investigación de ingeniería sísmica

En edificios grandes, estas fuerzas inerciales pueden superar la resistencia de cualquier estructura que haya sido reforzada dentro de límites económicos razonables. El ingeniero diseña el edificio para que sea altamente dúctil, de modo que se deformará extensamente y absorberá estas fuerzas inerciales sin colapsar. Las estructuras de marco de acero resistentes a los momentos son buenas para este propósito, al igual que las estructuras especiales de concreto con una gran cantidad de refuerzo de acero.

Estos edificios no colapsan, pero, como se indicó anteriormente, tienen una desventaja importante. Al deformarse, pueden causar daños extensos a techos, tabiques y contenido del edificio (Figura 12-7) como archivadores y computadoras. Los equipos, incluidos los servicios públicos, dejarán de funcionar. Los edificios de gran altura se moverán y podrían causar que los ocupantes se enfermen del movimiento y tengan pánico. Además, las escaleras pueden fallar, dificultando la evacuación del edificio tras un sismo.

El problema de fijar firmemente el edificio al suelo es que las olas sísmicas son absorbidas por el edificio y su contenido, a menudo de manera destructiva. ¿Hay alguna manera de disipar la energía en la cimentación antes de que llegue a las plantas principales del edificio?

En aislamiento de base, el ingeniero adopta el enfoque opuesto: el objetivo es evitar que el movimiento del suelo se transfiera al edificio. Este es el mismo objetivo que en el diseño de automóviles: evitar que los pasajeros sientan todos los baches en la carretera. Para lograr esto, el automóvil está diseñado con llantas infladas por aire, resortes y amortiguadores para mantener cómodos a sus pasajeros.

Una forma de hacerlo es poner el edificio sobre rodamientos de rodillos para que a medida que el suelo se mueve horizontalmente, el edificio permanezca estacionario (Figura 12-8). Un problema con esta solución es que los rodamientos de rodillos aún transmitirían fuerza al edificio a través de la fricción. Además, una vez que el edificio comenzara a rodar, su inercia tendería a mantenerlo en movimiento. Necesitamos una estructura que permita el movimiento horizontal con respecto al suelo, pero que retenga, o amortigüe, este movimiento para que a medida que el suelo vibra rápidamente, el edificio vibra mucho más lentamente con velocidades y aceleraciones más lentas.

Figura 12-8. Montar un edificio sobre rodamientos de rodillos para que el edificio permanezca estacionario cuando el suelo se mueva. El problema: cómo evitar que se mueva. Del Consejo AIA/ACSA de Investigación Arquitectónica

La solución es separar el requisito de soporte de carga (cargas verticales) del de movimiento (cargas horizontales). Una forma de hacerlo consiste en un rodamiento de plomo-caucho (Figura 12-9). Este rodamiento consiste en laminaciones alternas de caucho y acero, que permiten hasta seis pulgadas de movimiento horizontal sin fracturarse pero son lo suficientemente fuertes como para soportar el edificio. Se coloca un tapón cilíndrico de plomo en el centro de este rodamiento para amortiguar las oscilaciones en el suelo producidas por un terremoto, al igual que los amortiguadores de un automóvil. La energía de las olas sísmicas es absorbida por el enchufe principal y no por el propio edificio. Los tapones de plomo no se deforman en pequeños sismos o vientos fuertes; en ese sentido, sirven como “fusibles sísmicos”.

Figura 12-9. Cojinete de aislamiento de base. Laminaciones alternas de caucho y acero con un tapón de plomo en el medio. Del Consejo AIA/ACSA de Investigación Arquitectónica

El plomo recupera casi todas sus propiedades mecánicas después de cada deformación de un terremoto. Esto es análogo a la deformación dúctil en estado sólido de las rocas de la corteza inferior sin producir sismos. Los rodamientos de plomo-caucho permiten que el suelo debajo de un edificio se mueva rápidamente, pero el edificio en sí se mueve mucho más lentamente, lo que reduce las aceleraciones y las fuerzas de corte máximas aplicadas al edificio. Se permite que el edificio se mueva alrededor de seis pulgadas horizontalmente. Una ranura de seis pulgadas alrededor del edificio está construida para este propósito y cubierta por una rejilla metálica reemplazable. Los daños a los componentes arquitectónicos y mecánicos del edificio, y las costosas reparaciones resultantes, se reducen en gran medida y, en algunos casos, casi se eliminan.

Hay algunos sistemas nuevos, que van más allá del aislador de base con soporte de plomo. Ejemplos son los sistemas de rodamientos de péndulo simple y triple. El sistema de péndulo único mantiene fricción constante, rigidez lateral y período dinámico para todos los niveles de movimiento sísmico y desplazamientos. El sistema de triple péndulo incluye tres mecanismos de péndulo que se activan secuencialmente a medida que los movimientos sísmicos se vuelven más intensos.

Aunque el aislamiento de la base se suma al costo de la construcción, algunos ahorros de costos son posibles dentro del propio edificio porque gran parte de la fuerza sísmica se absorbe en la base del edificio en lugar de transmitirse a la estructura.

El Palacio de Justicia Pioneer en Portland, construido en 1875, es el edificio federal más antiguo que se conserva en el noroeste del Pacífico, y ha sido designado Monumento Histórico Nacional. Alberga al Juzgado de Apelaciones Noveno de Distrito. El reto de una modificación sísmica de este edificio de mampostería no reforzada era fortalecer el edificio sin alterar totalmente su carácter, incluyendo sus muros de piedra arenisca. La solución fue el aislamiento de base, instalado debajo de los cimientos existentes del edificio, lo que minimizó la construcción en los tramos históricos de la estructura. El reequipamiento se completó en 2005.

Se están realizando investigaciones en Japón, Nueva Zelanda y Estados Unidos para diseñar otros métodos de aislamiento de bases y otras formas de disipar la energía sísmica en un edificio. Después del terremoto de Loma Prieta de 1989, la Legislatura del Estado de California aprobó el Proyecto de Ley del Senado 920, que requiere que el arquitecto estatal seleccione uno nuevo y dos edificios existentes para demostrar nuevas tecnologías de ingeniería, incluido el aislamiento de bases. La nueva terminal del aeropuerto internacional en Estambul, Turquía, es el edificio de aislamiento de bases más grande de la Tierra.

4. Problemas especiales

Figura 12-10. Daños al Centro Médico Olive View del Condado de Los Ángeles como consecuencia del terremoto de 1971 Sylmar, California. El primer piso, con mucho espacio abierto, se comportó como una historia suave, provocando que los pisos superiores se movieran relativamente hacia la derecha, obligando a salir del hueco de la escalera. Foto por Robert Yeats

Cada edificio grande presenta su propio conjunto de problemas de diseño para sobrevivir a las fuerzas sísmicas, lo que significa que los arquitectos deben considerar el temblor sísmico al diseñar una gran estructura en una región sísmicamente peligrosa como el noroeste del Pacífico. Considero el problema de unas plantas bajas blandas y el tema del diapasón.

En un edificio con una planta baja blanda, la planta baja es más débil que las plantas superiores. La planta baja es ocupada por un garaje de estacionamiento o contiene grandes cantidades de espacio abierto ocupado por una tienda departamental o salón de baile del hotel. En lugar de muros de carga, estos espacios están soportados por columnas. Los códigos de construcción suelen limitar la altura de las historias suaves a dos pisos normales, o treinta pies. Pero el resultado es que la planta baja es menos rígida (tiene menos resistencia) que los pisos superpuestos. Dado que las fuerzas sísmicas ingresan al edificio en su base y allí son más fuertes, la planta baja blanda es una “discontinuidad de resistencia y rigidez” que absorbe la fuerza de las olas sísmicas. Sin una planta baja blanda, las fuerzas sísmicas se distribuyen de manera más equitativa en todo el edificio. Con una planta baja blanda, hay una tremenda concentración de fuerzas en la planta baja y en la conexión entre la planta baja y la segunda planta. Esto puede provocar colapso o colapso parcial de los pisos superiores, como sucedió en el Centro Médico Olive View del Condado de Los Ángeles durante el terremoto de Sylmar de 1971 (Figuras 12-10 y 12-11). Los pisos superiores estaban relativamente intactos, pero el piso más bajo y el sótano absorbieron gran parte de la fuerza. La aceleración vino de la derecha, y el edificio se vio forzado hacia la derecha, casi derribando el hueco de la escalera. El problema se puede aliviar agregando más columnas, rigidizando la estructura existente. Un segundo problema se ilustra en la Figura 12-12, en la que se construyeron departamentos sobre una cochera en el sótano, que actuó como una historia suave.

Figura 12-11. Representación diagramática de soft story en el Centro Médico Olive View. Del Consejo AIA/ACSA de Investigación Arquitectónica

Figura 12-12. Problema de pisos suaves en edificio de departamentos donde el piso inferior está el garaje. Durante el terremoto de Northridge de 1994, el garaje actuó como una historia suave, y los departamentos de arriba colapsaron sobre los autos.

Esto nos lleva al problema del diapasón. Un órgano de tubo grande tiene tubos de diferentes longitudes para que el órgano pueda tocar diferentes notas. Las notas graves profundas se tocan en pipas largas, y las notas altas se tocan en pipas cortas. Un xilófono funciona de la misma manera: las notas altas se tocan en teclas cortas, y las notas bajas se tocan en teclas largas. Estos instrumentos están diseñados para aprovechar la frecuencia vibratoria de las pipas o teclas para hacer música. Un diapasón funciona de la misma manera. Golpea el diapasón y colóquelo en una superficie dura. Escucharás una nota específica, relacionada con la longitud del diapasón, que genera ondas sonoras de una frecuencia específica, la frecuencia vibratoria del diapasón.

Recuerdo un comercial de televisión en el que se hace añicos una copa de vino cuando una soprano wagneriana canta cierta nota alta. Los edificios funcionan de la misma manera. Un edificio alto vibra a una frecuencia más baja que un edificio corto, al igual que un diapasón. El problema viene cuando la ola sísmica transmitida a través del suelo vibra a la misma frecuencia que el edificio. El edificio resuena con las olas sísmicas, y la amplitud de las olas se intensifica. Siendo todas las demás cosas iguales, un edificio con la misma frecuencia vibratoria que las olas sísmicas sufrirá más daños que otros edificios de diferente altura.

En el terremoto de la Ciudad de México de 1985, las olas superficiales con un periodo de aproximadamente dos segundos fueron amplificadas por la arcilla blanda subyacente a la mayor parte de la ciudad, lo que también extendió el período de fuertes temblores. Los edificios entre diez y catorce pisos sufrieron los mayores daños, debido a que tuvieron un periodo vibratorio natural de uno a dos segundos (Figura 12-13). Cuando las olas de esa frecuencia característica empujaron los cimientos de esos edificios hacia los lados, la resonancia natural provocó una acentuación del temblor lateral y resultó en grandes daños estructurales. En contraste, un edificio de treinta y siete pisos construido en la década de 1950, con un periodo vibratorio de 3.7 segundos, no sufrió daños estructurales importantes.

Figura 12-13. Los edificios tienen una frecuencia vibracional dependiendo de su altura. Si la frecuencia vibratoria resuena con la de las olas sísmicas, se amplificarán los temblores, y los daños serán más severos, como fue el caso en la Ciudad de México en el sismo de 1985. De Bolt (2004)

5. Puentes y pasos elevados

Las autopistas y los puentes son líneas de vida, y su fracaso puede perturbar la economía y matar a personas en o por debajo de ellos durante un terremoto (Figura 12-14). Las imágenes televisivas de personas emparedadas en sus autos en el colapso del Viaducto Cypress Interestatal 880 de dos pisos en Oakland, California, el lapso colapsado del puente Oakland-San Francisco Bay y los intercambios de autopistas pancaked en Los Ángeles luego de los sismos de Sylmar y Northridge fueron dramáticos recordatorios de la vulnerabilidad ante sismos de carreteras y ferrocarriles. Los ingenieros estructurales de la División de Puentes del Departamento de Transporte de Oregón visitaron los pasos elevados de la autopista colapsados después del terremoto de Northridge, y sus recomendaciones llevaron a la primera evaluación exhaustiva del potencial sísmico de las fallas de Oregón. No obstante, la mayoría de los pasos elevados de la Interestatal 5 aún no han sido reparados. Como se señaló anteriormente, la Legislatura de Oregón de 2015 no logró aprobar un proyecto de ley de transporte que habría comenzado a modernizar puentes sísmicamente peligrosos que, de fallar, cortarían la costa de Oregón del valle de Willamette en un terremoto de zona de subducción. La encuesta de resiliencia señaló el problema, pero el Poder Legislativo no hizo nada al respecto.

Figura 12-14. Daños a la Autopista Golden State (Interestatal 5) y Foothills Freeway (Interestatal 210) como consecuencia del terremoto de 1971 Sylmar, California. Foto de E. V. Leyendecker, USGS

El Viaducto Cypress de dos pisos recuerda al puente Marquam en Portland (desde que se reequipó) y al Viaducto Alaskan Way en Seattle, construido en 1953 por 8 millones de dólares en suelos licuables. El viaducto del Camino de Alaska resultó dañado en el terremoto de Nisqually de 2001 y estuvo cerrado por un tiempo. Mucha gente temía que si el temblor hubiera durado más tiempo o hubiera sido de mayor intensidad, el viaducto se hubiera derrumbado. Ahora se está reemplazando el Viaducto del Camino de Alaska. Por otro lado, veintitrés puentes en Seattle habían sido reacondicionados antes del sismo, y ninguno de ellos resultó dañado.

Los colapsos de la autopista durante el terremoto de Northridge causaron una gran interrupción a los viajeros que viajaban desde los suburbios del norte y oeste hasta el centro de Los Ángeles. El fracaso de los puentes Golden Gate y Bay Bridge podría aislar a San Francisco de los condados al norte de la Bahía y de las ciudades de East Bay. El colapso del puente en la autopista 101 en la costa de Oregón y Washington a partir del próximo terremoto de la zona de subducción podría aislar a las comunidades costeras por un período de tiempo indefinido, como concluyeron las recientes encuestas de resiliencia en ambos estados.

Cinco puentes colapsaron en el terremoto de Northridge de 1994. Todos fueron diseñados según las normas anteriores a 1974, y ninguna había sido reacondicionada. La Autopista de Santa Mónica había sido objeto de reequipamiento sísmico, pero el sismo llegó primero. En algunos casos, un puente colapsado se encontraba adyacente a un puente recientemente rehabilitado que sufrió poco o ningún daño, a pesar de que había sido sometido a fuerzas sísmicas similares a las que soportaba el puente que colapsó. Claramente, el reequipamiento funcionó para puentes y pasos elevados.

El problema en los puentes más antiguos estaba en las columnas que sostenían la superestructura de la autopista. Hubo un confinamiento inadecuado de la columna, conexiones de refuerzo inadecuadas entre las columnas y las zapatas sobre las que descansaban, y ningún refuerzo superior en las propias zapatas. Cuando estos problemas se superaron en la modernización, los puentes pasaban por sismos bastante bien.

California, a través de Caltrans, es el líder nacional en la modernización sísmica de puentes. En 2000, Caltrans estimó que alrededor de diecisiete cientos puentes en el estado, aproximadamente el 10 por ciento de los puentes de California, requirieron una modificación para evitar el colapso durante un futuro terremoto de movimiento fuerte. En el noroeste del Pacífico, puentes como la Interestatal 5 y la Interestatal 205 a través del río Columbia y el puente Tacoma Narrows requieren una consideración especial, ya que un colapso podría arrojar al agua una gran cantidad de vehículos y pasajeros. El costo de modernizar todos estos puentes es prohibitivo si se hace en muy poco tiempo, pero tanto Oregon como Washington han iniciado el proceso. Las encuestas de resiliencia en ambos estados revelaron que la mayoría de los puentes en Oregón y Washington están obsoletos y están sujetos a colapso en el próximo terremoto de la zona de Subducción de Cascadia. Esta información ha sido transmitida a las legislaturas que autorizaron las encuestas, pero aún no se ha autorizado el financiamiento para solucionar el problema.

¿Qué puentes reequipar primero? Establecer prioridades con base en la magnitud potencial de la pérdida, tanto directamente en daños y vidas perdidas como en pérdidas económicas, luego destinar los recursos para hacer el trabajo.

6. Ingeniería Contra Desplazamiento de Tierra

Figura 12-15. El sismo de Chi-Chi, Taiwán, estuvo acompañado de ruptura superficial en la falla inversa de Chelungpu. La foto se toma a lo largo de la falla con la pared colgante derribada a la izquierda. El rastro de falla se encuentra entre los dos edificios de la ciudad de Fengyuan, en los que la destrucción fue total. Foto de Charles Rubin, entonces de la Universidad Central de Washington en Ellensburg.

Hasta este punto, el principal peligro discutido ha sido el temblor del suelo. La Ley Alquist-Priolo en California busca evitar la construcción sobre trazas de fallas activas (ver capítulo 14 para más detalles). Un gran desplazamiento de varios pies, particularmente el desplazamiento vertical (dip-slip), probablemente destruirá un edificio construido a través de la falla, pero los cimientos del edificio pueden diseñarse para sobrevivir a los desplazamientos de un pie o menos. No importa si el desplazamiento es causado por fallas, hundimientos del suelo o deslizamientos incipientes. Un ejemplo de destrucción de edificios en la ciudad de Fengyuan debido al terremoto de 1999 en Chi-Chi, Taiwán, se muestra en la Figura 12-15. El derribado muro colgante está a la izquierda, y el espacio para los pies está a la derecha. La falla en sí está cerca de la base de la escarpa. Edificios a lo largo de la pared colgante de la falla Chelungpu quedaron totalmente destruidos.

Las tuberías se pueden hacer flexibles, y los cables subterráneos de servicios públicos pueden tener holgura incorporada en los cruces de fallas. El Oleoducto Trans-Alaska se construyó a través de una falla importante de huelgo-deslizamiento que sufrió varios pies de desplazamiento en un terremoto en noviembre de 2002. Después de un estudio paleoseísmico liderado por Lloyd Cluff de Pacific Gas and Electric Co., la tubería fue diseñada para acomodar el desplazamiento superficial de golpeo-deslizamiento. Sobrevivió al terremoto prácticamente intacto y sin derrames de petróleo crudo.

Hace poco me desempeñé como consultora en un desarrollo habitacional donde había potencial de fallas distribuidas a pequeña escala en gran parte de la propiedad. La probabilidad de un terremoto de ruptura superficial estuvo presente pero relativamente baja. El geólogo determinó la cantidad máxima de desplazamiento esperado con base en las excavaciones de retroexcavadoras, y el ingeniero geotécnico (Jonathan Bray de la Universidad de California Berkeley) diseñó cimientos de edificios que soportarían ese desplazamiento sin daños significativos.

7. Decisiones, Decisiones y Triaje

El costo astronómico de reequipar puentes plantea un problema importante que enfrenta la sociedad. Al mirar el inventario de edificios en su pueblo o el inventario puente en su estado, pronto reconoce que en esta era de recortes presupuestarios en el gobierno, el dinero no está disponible para reacondicionar ni siquiera un porcentaje considerable del inventario. Pasarán décadas antes de que los edificios peligrosos sean reacondicionados, con la decisión de reacondicionamiento comúnmente basada en criterios distintos al temblor sísmico. Ante una recomendación de dos comités selectos de programar la modernización de edificios peligrosos en Oregón, incluso en un marco de tiempo de muchas décadas, la legislatura de Oregón de 1997 no actuó. No obstante, una legislatura posterior aprobó los proyectos de ley 14 y 15 del Senado que exigen que las instalaciones educativas de K-12 a universidades públicas e instalaciones de emergencia, incluyendo hospitales y estaciones de bomberos y policías, se fortalezcan sísmicamente para el año 2032. En 2007 se realizó una evaluación preliminar. En 2002, los votantes de Oregón aprobaron medidas electorales para autorizar a la legislatura a emitir bonos para financiar la construcción requerida por estos dos proyectos de ley. Más recientemente, el Distrito Escolar Público de Portland, el más grande de Oregón, aprobó una emisión de bonos con fondos para modernizar edificios de escuelas antiguas. Si esa obra se termina antes del próximo sismo, se salvará la vida de los niños. Vuelvo a este tema en el último capítulo.

La decisión sobre qué reequipar es una forma de triaje. En un gran desastre que involucra a cientos de personas gravemente heridas, la asistencia médica limitada requiere decisiones para ayudar primero a aquellas personas que tienen más probabilidades de sobrevivir. En el reequipamiento sísmico, se tomaría la decisión de triaje para primero modernizar aquellos edificios que son más críticos para la comunidad, especialmente en caso de emergencia, o estructuras cuya destrucción sería catastrófica para la población. Estas estructuras se denominan instalaciones críticas. Consideremos primero la segunda categoría.

Figura 12-16. Presa Van Norman, Valle de San Fernando, California, tras el terremoto de Sylmar de 1971. Alrededor de ochocientas mil yardas del terraplén, incluyendo el muro del parapeto, la cresta de la presa, la mayor parte de la pendiente aguas arriba y una porción de la pendiente aguas abajo, se deslizaron hacia el embalse, causando una pérdida de aproximadamente treinta pies de altura de la presa. Afortunadamente, la presa estaba apenas a la mitad llena en ese momento. Se ordenó evacuar a ochenta mil personas que vivían aguas abajo de la presa, y se tomaron medidas para bajar el nivel del agua en el embalse. Foto de E. V. Leyendecker, USGS

En el capítulo 6 se hizo mención al reactor nuclear de la Reserva Hanford en el este de Washington. Una falla catastrófica del reactor podría resultar en la liberación de cantidades letales de gases y líquidos radiactivos, poniendo en peligro la vida de cientos de miles de personas, incluidas las que viven aguas abajo en Portland. Claramente, el reactor nuclear de Hanford y los desechos nucleares almacenados son instalaciones críticas; deben diseñarse para cumplir con los criterios de diseño sísmico más altos aunque no se conozca la época del próximo sismo. Las grandes presas en el río Columbia también son instalaciones críticas. Si una presa fallara durante un sismo, liberaría enormes volúmenes de agua del embalse incautado detrás de él. Estas presas deben estar diseñadas para soportar la mayor cantidad imaginable de sacudidas sísmicas. La presa Van Norman en el Valle de San Fernando de California estuvo muy cerca del fracaso durante el terremoto M 6.7 Sylmar en 1971 (Figura 12-16). De haberse producido un fallo, las aguas incautadas detrás de la presa habrían abrumado a muchos miles de hogares río abajo, resultando en la pérdida de miles de vidas. Fue una llamada increíblemente cercana.

Continuando con nuestro dilema de triaje, ¿qué instalaciones de tu pueblo deben seguir operando después de un sismo? Ciertamente la estructura de mando del gobierno local debe funcionar, porque los líderes del gobierno local dirigirán los esfuerzos de rescate y tomarán decisiones que podrían evitar desastres derivados que puedan acompañar a un terremoto, como incendios mayores y tsunamis. Por lo que debemos incluir a los departamentos de policía y alguacil, el departamento de bomberos, el ayuntamiento y el edificio del condado, incluyendo la oficina de los servicios de manejo de emergencias del condado.

¿Qué tal los hospitales? Varios hospitales sufrieron graves daños en 1971 (Figuras 12-1 y 12-10), y las personas lesionadas tuvieron que ser transportadas a hospitales distantes que no habían sido dañados. ¿Escuelas? La mayoría de los escolares de Spitak y Leninakan, Armenia, estaban en sus aulas cuando se produjo el terremoto de Spitak de 1988. Las aulas estaban en edificios de hormigón no reforzado de la era soviética mal construidos que colapsaron, matando a la mayoría de los alumnos y maestros que estaban dentro. Hay una diferencia de edad de cinco o seis años en esas comunidades de Armenia; la mayoría de los jóvenes de esa edad murieron en el terremoto.

A los edificios escolares les fue mal en el terremoto de Long Beach de 1933 porque muchos de ellos eran edificios de ladrillo sin reforzar. Era providencial que no hubiera niños en esos edificios al momento del sismo. Si las aulas estuvieran llenas, cientos de niños podrían haber muerto aquí también. Este hecho se hizo evidente para los padres después del terremoto de Long Beach, lo que llevó a la aprobación de la Ley de Campo que requería estándares sísmicos para edificios escolares Como resultado, la mayoría de los edificios escolares en California ya han sido reemplazados o reciclados.

Seattle, Washington, y Portland, Eugene, y Corvallis, Oregón, han aprobado importantes emisiones de bonos para llevar los edificios escolares a los códigos de construcción modernos. El Distrito Escolar de Seattle había completado una actualización de sus antiguos edificios escolares el año anterior al terremoto de Nisqually. Después del sismo, el Superintendente de Distrito Joseph Olchefske remarcó que “Nuestros edificios hoy son lo más seguros que podrían ser. Si esto hubiera ocurrido hace cinco años, podríamos haber tenido vulnerabilidades muy diferentes”.

Agradecimientos

No soy ingeniero, y estoy en deuda con mis compañeros del Colegio de Ingeniería por revisar este capítulo. La primera edición fue revisada por Tom Miller y Steve Dickenson, y la tercera edición fue revisada por Andre Barbosa. Cualquier error es mío.

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Sugerencias para una lectura adicional

Bozorgnia, Y., y V. Bertero, editores. 2004. Ingeniería sísmica: De la Ingeniería Sismología a la Ingeniería Basada en el Rendimiento. Boca Raton, FL: Prensa CRC. Artículos de resumen de destacados expertos en la materia.

Chen, W.-F., y C. Scawthorn, editores. 2003. Manual de Ingeniería de Terremotos. Boca Raton, FL.: Prensa CRC, 1,512 p.

Instituto de Investigaciones en Ingeniería de Sismos. 1996. Calidad de construcción, educación y seguridad sísmica. Oakland, CA: Instituto de Investigación de Ingeniería de Terremotos, Libro Blanco del Fondo de Dotación de EERI, 68 p.

Fratessa, P. 1994. Edificios: Lecciones prácticas del terremoto de Loma Prieta. Washington, D.C.: Prensa de la Academia Nacional.

Krinitsky, E., J. Gould, y F. Edinger. 1993. Fundamentos de Construcción Resistente a Sísmicos. Serie Wiley de Guías Prácticas de Construcción. Nueva York: J. Wiley & Sons.

Lagorio, H. J. 1990. Sismos: una guía de arquitecto sobre peligros sísmicos no estructurales. Nueva York: J. Wiley & Sons.

Manolis, G. D., D. E. Beskos, y C. A. Brabbia. 1996. Estructuras de Ingeniería Resistentes a Terremotos Mecánica Computacional, 728 p.

Naeim, F., ed., 2001. El Manual de Diseño Sísmico. 2ª Edición. Editores Académicos Kluwer.