Criterios para el diseño estructural de edificios en zonas sísmicas

En la Ciudad de México, donde existe una alta sismicidad, el diseño estructural de edificios y otras construcciones ha cobrado gran importancia para garantizar la seguridad de sus habitantes y la longevidad de las construcciones. Uno de los investigadores con más experiencia en este tema es el doctor Luis Esteva Maraboto, investigador del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, quien se ha dedicado a analizar los principales problemas en las áreas de ingeniería sísmica y confiabilidad estructural.

“El problema con los sismos es la excitación que causa sobre la construcción, así como el movimiento del terreno donde se encuentra, y eso depende plenamente de la geofísica del sitio. La labor de un ingeniero estructural es aplicar criterios y métodos para defendernos; nuestra investigación se orienta al desarrollo de dichos criterios y métodos, y también para determinar la probabilidad de falla de una construcción diseñada bajo cierto criterio en caso de ocurrir un sismo de cierta intensidad”, explicó el integrante de la Academia Mexicana de Ciencias.

Los criterios de diseño abarcan cuatro puntos básicos que deben considerarse, según el especialista. El primero de ellos es la resistencia lateral de la construcción; es decir, la máxima fuerza lateral a la que puede someterse una construcción antes de alcanzar la condición de falla. Esta resistencia está altamente relacionada con la capacidad de una estructura para mantenerse en pie ante la acción de un temblor de una intensidad dada.

Otro elemento es el amortiguamiento. Cuando una estructura empieza a vibrar libremente no lo hace por tiempo ilimitado, pues las vibraciones con el tiempo van disminuyendo y eso indica que hay un cierto amortiguamiento que va reduciendo la respuesta dinámica. A mayor amortiguamiento, menor es la resistencia lateral necesaria para sobrevivir ante un movimiento sísmico de una intensidad dada.

“Otra característica que influye mucho es la propiedad de ductilidad –capacidad de deformación ante una carga lateral igual a la resistencia máxima– que tiene un edificio. Esto significa que si una construcción se empuja -hasta alcanzar un máximo- esta se sigue deformando y luego se desploma; cuando la deformación es varias veces superior a la que tenía cuando la carga lateral alcanzó su máximo valor posible, entonces se dice que la estructura tiene ductilidad. También existen construcciones que se desploman inmediatamente en cuanto la carga lateral alcanza el valor máximo que es capaz de resistir el sistema; si es así se dice que la estructura es frágil. Entre dos construcciones con la misma resistencia ante un empuje lateral, la que tenga comportamiento más dúctil podrá resistir temblores de intensidades más elevadas, sin desplomarse”, explicó el especialista.

Por último están los espectros de diseño, los que contienen información sobre la excitación dinámica máxima a la que pueda estar sujeta una construcción, teniendo en cuenta la actividad sísmica de la región, las condiciones locales de la respuesta del suelo, y las características de la estructura, incluyendo su resistencia lateral y su periodo natural de vibración. Este último depende de la masa que tenga la estructura y de lo flexible que sea. Si la masa es grande o la flexibilidad es alta el periodo de vibración es largo y variable, es una determinante de la respuesta sísmica esperada de la construcción.

El ingeniero explicó que en cuanto una estructura se ve sujeta a un movimiento sísmico, responde dinámicamente con amplitudes que dependen significativamente de su periodo natural fundamental de vibración, pero si este periodo natural coincide con la misma frecuencia del movimiento del terreno, entonces ocurre una condición cercana a la resonancia y el movimiento se amplifica considerablemente, lo que puede ocasionar el derrumbe. “Esto es muy común en el centro de la Ciudad de México debido a las grandes amplificaciones del movimiento del terreno ocasionadas por procesos de resonancia de los mantos de arcilla, con espesores de varias decenas de metros, que se encuentran en esa parte de la ciudad por encima del terreno firme que constituye el fondo del Valle de México”.

De este modo, la respuesta de una construcción se liga con las características del movimiento del terreno mediante sus correspondientes espectros de respuesta. “Los espectros de diseño sísmico se basan en ellos, estableciendo recomendaciones como la siguiente: si se tiene un edificio caracterizado por tal periodo natural de vibración, entonces hay que diseñarlo para tal resistencia lateral. Esa información está en el espectro. Ese espectro de diseño es distinto en cada parte de la ciudad pues varía dependiendo del tipo de suelo en el sitio”.

Todos estos conceptos comenzaron a desarrollarse en aplicaciones en el área de ingeniería a partir de los años setenta del siglo pasado, sobre esto el doctor Esteva Maraboto destacó que ahora las normas actuales toman todos esos criterios en cuenta. “Sin embargo cuando yo empecé a calcular estructuras no había suficiente conocimiento del tema y sobre la marcha íbamos averiguando”, dijo el especialista.

Las primeras leyes de atenuación de la intensidad sísmica corrieron a cargo del doctor Esteva Maraboto, y estas establecen relaciones entre la magnitud, la distancia a la fuente sísmica y la intensidad del movimiento del terreno en el sitio de interés. Adicionalmente, con esta información se desarrollaron los primeros mapas de amenaza sísmica elaborados en el mundo, expresados en forma probabilística cuantitativa.

“El temblor del 28 de julio de 1957 – de 7.7 de magnitud, con epicentro en las costas de Guerrero y que afectó la zona centro de la república, especialmente la Ciudad de México- definió mi acercamiento por la ingeniería sísmica y mi interés por estimar la amenaza sísmica en el país. Así se hicieron los primeros estudios con la poca información sobre la actividad sísmica de las fuentes potenciales. Para determinar las leyes de atenuación de intensidades también empleamos información de California y de la costa occidental de Estados Unidos, porque en nuestro país no había datos suficientes para ello. En estos mapas hay estimaciones de las intensidades esperadas de los temblores para diversos periodos de recurrencia. Se presentan curvas que cubren toda la república mexicana, en términos de los indicadores de la intensidad en que nos basamos los ingenieros para establecer los espectros de diseño sísmico: aceleración y velocidad máximas del terreno”, comentó.

Luis Esteva Maraboto ha participado en la elaboración de reglamentación de construcción y normas para el diseño sísmico en México y también para América Latina. Forma parte del grupo que está próximo a presentar la nueva versión de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño Sísmico que muestra, entre otros conceptos, los espectros de diseño sísmico que deben emplearse en distintos sitios de la ciudad.