Bustos, N. Silvana*; Giuliano, Alejandro P.**; Yañez, Daniel A.*
*Ingeniero Civil; **Director Nacional INPRES
sbustos@inpres.gob.ar; giuliano@inpres.gob.ar; dyanes@inpres.gob.ar

Resumen

El 19 de septiembre de 2017, a 32 años del gran terremoto de 1985, un sismo con Mw=7,1, con epicentro en el límite entre Puebla y Morelos, sacudió fuertemente el centro de México. Este sismo produjo casi 500 muertos, 46 colapsos y cerca de 3900 edificios afectados en la capital mexicana. Comparando este impacto con los 600 edificios colapsados y más de 20.000 muertos en 1985, uno se siente tentado a afirmar que luego de 32 años, la tecnología y las políticas preventivas, han tenido éxito. Sin embargo, una rápida mirada al tipo de colapso ocurrido, repentino y sin sensible trabajo plástico, conduce a dudar.

En este trabajo se compara la intensidad del movimiento del suelo y la respuesta espectral elástica entre los terremotos de 1985 y 2017; concluyendo que en 2017 los edificios bajos, de 1 a 10 pisos, estuvieron más solicitados que en 1985. Además, se estudia la capacidad de las estructuras (historia reglamentaria del lugar y control de aplicación) para explicar su comportamiento.

Del análisis preliminar de los colapsos, resulta inadmisible que ante la evolución en ingeniería sísmica lograda por México luego del terremoto del 85, no se exigiera la evaluación y rehabilitación sísmica de los edificios esenciales y un plan de emergencia sísmica para los edificios restantes.

Abstract

September 19, 2017, 32 years after the great 1985 Michoacán earthquake, another earthquake of Mw = 7. 1, located on the border between Puebla and Morelos, strongly shook the center of Mexico. This earthquake produced almost 500 dead, 46 collapses, and about 3900 buildings affected in México City. Comparing this impact with 600 buildings collapsed and more than 20,000 dead in 1985, one feels tempted to assert that after 32 years, technology and preventive policies, have been successful. However, a quick look at the type of collapse that occurred, suddenly and without significant plastic deformations, leads to doubt.

In this paper the intensity of the ground motion and the elastic spectral response of 1985 and 2017 earthquakes are compared; concluding that in 2017 the low, 1-10-storey buildings were more requested than in 1985. In addition, the capacity of the structures is analyzed (seismic code evolution and enforcement in México city) to explain their behavior.

In a preliminary analysis of the collapses, it seems inadmissible that facing the development in seismic engineering accomplished by Mexico after the earthquake of 85, evaluation and seismic rehabilitation of essential buildings and an emergency plan for the remaining buildings, have not been required.

Introducción

El mes de septiembre está marcado por la tragedia para los habitantes de México. El 7 se septiembre de 2017 se produjo un sismo de Mw = 8,2 con epicentro costa afuera en el Océano Pacífico frente al estado de Chiapas, en el Golfo de Tehuantepec.

México se encuentra en una zona de alta sismicidad debido a una tectónica compleja producto de la interacción de 5 placas: de Rivera, de Cocos, del Caribe, del Pacífico, y de Norteamérica.

A la altura del estado de Chiapas, la placa de Cocos se está introduciendo por debajo de la placa de Norteamérica en un fenómeno denominado subducción. Este sismo, sin embargo, no es de subducción (interplaca) sino intraplaca tensional dentro de la placa de Cocos, a una profundidad intermedia de alrededor de 50 km⁽¹⁾.

El sismo fue percibido en Ciudad de México sede del gobierno federal, ubicada a 650 km del epicentro. La alarma activada por la red sismológica concentrada en la costa occidental mexicana, cumplió cabalmente su función alertando a los ciudadanos de la capital antes de que arribaran las ondas sísmicas superficiales.

Promediando el mes, una verdadera “burla del destino” hizo que el 19 de septiembre –cuando se cumplían 32 años del terrible terremoto de 1985– otro sismo con Mw = 7,1, con epicentro en el límite entre los estados de Puebla y Morelos, a 120 km de la Ciudad de México sacudió el centro del país. También en este caso el sismo fue intraplaca, dentro de la placa de Cocos y tensional (producto de una falla normal), con profundidad alrededor de 55 km debajo del continente a diferencia del terremoto del 85, que fue de subducción (interplaca) y tuvo su epicentro costa afuera del estado de Michoacán a 450 km de la Ciudad de México (SSN, Reporte Especial, 2017). La alarma se activó, pero no fue efectiva por la corta distancia desde la red continental detectora (distinta de la red de la costa pacífica) hasta Ciudad de México.

El sismo fue percibido fuertemente en la capital mexicana y produjo casi 500 muertos y 46 colapsos (44 edificios y dos puentes peatonales) y daños graves en la Ciudad de México.

En la figura 1 se muestran los epicentros de los terremotos de Michoacán del 19/09/1985 y de Puebla-Morelos del 19/09/2017.

En la figura siguiente se muestran las áreas de ruptura de los terremotos más importantes ocurridos en México (2). Se destacan en la costa del estado de Michoacán el gran terremoto de 1985, el de 1957 en la costa del estado de Guerrero y la brecha de Guerrero con 106 años de silencio sísmico.

Si se comparan las características principales de los terremotos de Puebla-Morelos y Michoacán junto con sus principales efectos, uno se siente tentado a afirmar que luego de 32 años, la tecnología y las políticas preventivas aplicadas después de 1985 han tenido éxito.

Sin embargo, una rápida mirada al tipo de colapso ocurrido, decididamente repentino sin sensible trabajo plástico, induce a dudar. Las figuras 3 y 4 muestran el antes y el después en CDMX⁽³⁾.

Ante este hecho incontrastable, surge la necesidad de comparar la intensidad del movimiento del suelo (o sacudida) y la respuesta espectral elástica entre los terremotos de 1985 y 2017. La comparación de intensidades se debe fundamentalmente a las diferencias entre las magnitudes, distancias y mecanismos focales (8,1-7,1; 450-120km; inversa-normal). Estas comparaciones se hacen con estimaciones realizadas por los Institutos de Ingeniería y Geofísica de la UNAM ⁽⁴⁾, basadas en los registros obtenidos en la estación CU (suelo firme).

La figura 5 muestra la distribución de aceleración promedio del suelo, que aproximadamente corresponde a la aceleración máxima en el nivel superior de edificios de un piso. Si bien los valores máximos de ambos terremotos son sensiblemente iguales, la distribución areal es más uniforme e intensa en 2017 que en 1985. Esto significa que hay zonas donde la aceleración del suelo en 2017 ha sido mayor a 1985, es decir que el suelo se ha sacudido más, a pesar de la menor magnitud. Esto se puede explicar por el mayor contenido de frecuencias altas debidas a la menor distancia epicentral y al tipo de mecanismo focal.

La figura 6 muestra la distribución de la ordenada espectral correspondiente al periodo 0,3 segundos, que aproximadamente corresponde a la aceleración máxima en el nivel superior de edificios de 2-3 pisos. Las tendencias observadas son las mismas que las correspondientes a la aceleración del suelo.

La ordenada espectral para 1 segundo (aceleración del nivel superior de edificios de 8 -12 pisos) se exhiben en la figura 7. Aunque los valores máximos son comparables la densidad es mayor en 2017 que en 1985. Finalmente, para 2 segundos (edificios 16 – 20 pisos) la intensidad y la densidad son mayores en 1985 que en 2017.

Se concluye que en 2017 los edificios bajos, de 1 a 10 pisos, estuvieron más solicitados que en 1985.

Estudiada a nivel global la excitación, esto es la demanda, resta estudiar la capacidad de las estructuras para así poder explicar su comportamiento. La capacidad suministrada a las construcciones en un núcleo urbano como CDMX, depende de los reglamentos sísmicos vigentes en cada época (historia reglamentaria del lugar), y de su aplicación efectiva (control de aplicación). En lo que sigue se hará una breve exposición de los reglamentos sísmicos vigentes en CDMX desde 1976 hasta la fecha.

El terremoto de 1957 de M 7,6 a una distancia epicentral de 256 km y varios sismos moderados que ocurrieron en promedio cada cinco años, pusieron en evidencia los efectos dañinos que los depósitos de suelos blandos pueden inducir en ciertas estructuras, desencadenando la necesidad de tomar explícitamente en cuenta los tipos de suelo en el diseño sísmico en diferentes zonas de CDMX.

En 1971 el terremoto de San Fernando en la costa occidental de Estados Unidos, y sus efectos produjeron una revolución en la ingeniería sísmica mundial, por la severidad y lo inusual de los registros obtenidos (diques de Pacoima y Van Norman) y por el comportamiento deficiente de las construcciones de Hormigón Armado (ej. hospital Olive View). Como consecuencia se desarrolló un extenso programa de investigación que culminó con la publicación en 1978 del documento ATC-3-06 “Tentative Provisions for the Development of Seismic Regulations for New Buildings”. Este documento fue la base de la nueva generación de reglamentos sísmicos en el mundo.

Sin embargo, es muy importante destacar que el Reglamento del entonces Distrito Federal de México (DF) de 1976 se adelantó dos años al ATC-3, siendo pionero en el mundo. Presentaba espectros de diseño en estado último, factores de reducción por ductilidad, y detallado de las zonas críticas de estructuras de Hormigón Armado. De hecho, tuvo una influencia importante el desarrollo del primer reglamento argentino INPRES-CIRSOC 103 de 1983.

La figura 9 muestra la microzonificación de CDMX incluida en el reglamento de 1976. Se distinguen 3 zonas: Zona de Lago, con espesor de sedimentos de 20 m o más, que corresponde a suelo blando; Zona de Transición, con espesor entre 3 y 20 m, que corresponde a un suelo intermedio y la Zona de Lomas, con espesor menor de 3 m que corresponde a suelo firme. Las ordenadas de la meseta espectral para estas zonas eran 0,24 g; 0,20 g; y 0,16 g respectivamente. La ductilidad máxima permitida para el factor de reducción Qmax=6. Esta reducción se lograba a través de un detallado especial. Obsérvese que a medida que el suelo es más blando, los espectros son más altos.

En la figura se indica también, la ubicación de los edificios colapsados por el terremoto de 2017. Es claro que los colapsos ocurrieron o en la zona de transición o en la zona de lago con espesores de sedimentos menores. Incluso, se aprecian algunos colapsos en la zona de lomas.

El terremoto de Michoacán de 1985 demostró algunas falencias reglamentarias, tales como la gran diferencia entre la demanda y la capacidad reglamentaria requerida (Figura 10). Téngase presente que la ordenada espectral elástica para periodos de alrededor de 2 segundos alcanzó 1,0g contra 0,24 g del espectro elástico de diseño del reglamento de 1976. Además, se hizo evidente la necesidad de un mayor refinamiento en la caracterización de los suelos.

Zona de Lago: 20m o más (suelo blando, c=0,24) Zona de Transición: entre 3 y 20 m (suelo intermedio, c=0,20) Zona de Lomas: menor de 3,0 m (suelo firme, c=0,16)

Inmediatamente después del terremoto de Michoacán, se publicó un reglamento de emergencia que, con algunos cambios, se transformó luego en el nuevo reglamento en 1987. Es importante puntualizar después del sismo de 1985, se pensó, en principio, que los nuevos espectros de diseño deberían cubrir 1000 gal, pero esto creó una fuerte resistencia en los profesionales que argüían que sería imposible construir en la zona de lagos y, además, que el comportamiento de los edificios diseñados con el reglamento del 76 fue aceptablemente bueno. Este hecho y la premura de la emergencia hicieron que se dejara de lado la rigurosidad matemática y que se adoptara un enfoque pragmático, que es el que muestra la figura 10, que justifica los tradicionales 400 gal del plateau (o plafón). En este reglamento se aumentaron las ordenadas espectrales en un 66 % que, junto con el bloqueo de la ductilidad, Qmax=4, resultó en un aumento global de las acciones sísmicas que condujo a fuerzas de diseño 2,5 veces más grandes que las del reglamento de 1976. Además, como muestra la Figura 11, se incluían curvas de igual periodo del suelo (isoperiodo) y de igual profundidad de los sedimentos (isoprofundidad). La figura muestra que las estructuras colapsadas estaban fundadas en depósitos de suelo entre 1,0 y 2,0 segundos, con profundidades entre 20 y 45 m.

El reglamento actualmente vigente en CDMX fue publicado en 2004 y consta de un cuerpo principal y un anexo. En el cuerpo principal se distinguen 6 zonas sísmicas -I; II; IIIa; IIIb; IIIc: y IIId- como muestra la figura 12, con sus correspondientes espectros de diseño. Obsérvese que las estructuras colapsadas se concentran en las zonas IIIa y IIIb. Por su parte, en el Anexo se presentan espectros de diseño alternativos en función del periodo fundamental del suelo.

De esta manera, el cuerpo principal es de uso obligatorio y el anexo de uso opcional.

Es claro que la idea del Anexo es concientizar a los profesionales de los cambios a venir en el próximo reglamento, donde desaparecería el cuerpo principal y solo quedaría el anexo. El desarrollo de los espectros del Anexo, base del futuro reglamento, trató de recuperar la rigurosidad perdida después del terremoto de 1985.

La figura 13 muestra los espectros de uso obligatorio (cuerpo principal) y los de uso opcional (anexo).

La primera impresión sorprende, por lo que es necesario hacer algunas aclaraciones. Los espectros del anexo se desarrollaron a partir del cumplimiento de unos requisitos básicos;

a) Los espectros elásticos deben representar en forma realista los verdaderos niveles de demanda que se presentarían ante los sismos de diseño.

b) Las diferencias entre espectros elásticos de diseño en diferentes tipos de suelos deben reflejar correctamente los niveles de amplificación que se producen en la realidad.

c) Todas las reducciones a fuerzas o desplazamientos deben hacerse de manera explícita, aun cuando la adopción de los valores de reducción no pueda justificarse plenamente con bases teóricas o empíricas.

Comparando los requisitos a) y b) con el c) se concluye que el espíritu de los autores fue precisar, con rigor científico, lo que se puede precisar y explicitar, lo que no se puede precisar teórica o empíricamente.

En tal sentido, en la ecuación (1) se observa que el espectro de resistencia necesaria se obtiene reduciendo el espectro de diseño elástico por ductilidad y por sobrerresistencia.

Tanto el espectro elástico como la reducción por ductilidad están precisadas con rigor. El factor de reducción por ductilidad Q’ varía con el periodo del suelo Ts, como muestra la figura 14. Nótese que, aunque el factor de ductilidad está bloqueado en 4, el factor de reducción por ductilidad puede llegar a 6 en suelos blandos (Ts = 2 – 2,5).

Finalmente, el espectro de resistencia necesaria (reducido) para, por ejemplo, la zona IIIb, se muestra en la figura 15, donde se compara con los resultados del cuerpo principal, obteniéndose valores muy similares.

En este enfoque el factor de ajuste es la sobrerresistencia que, al no poderse evaluar con precisión se ajustó para que los resultados entre el enfoque obligatorio y optativo (cuerpo principal y anexos) sean muy similares. Así se tienen espectros elásticos y factores de reducción por ductilidad realistas, y sobrerresistencia explicitada, con valor didáctico, y a la postre utilizada como factor de ajuste.

Conocidas las demandas y capacidades a suministrar en las distintas épocas reglamentarias, es instructivo analizar los colapsos.

Galvis, et al. hicieron una estadística preliminar. La figura 16 muestra la distribución de edificios colapsados. Se observa que el sistema de entrepisos sin vigas cubre el 61 % de los colapsos. Esto no es una sorpresa, en 1985 falló este sistema estructural, así como en otros terremotos severos. A pesar de ello, el reglamento de CDMX los permite. En la Argentina no está permitido como sistema sismorresistente principal. Un ejemplo de edificio colapsado, se observa en la próxima figura.

Otro sistema que contribuyó fuertemente a alimentar los colapsos fue el denominado piso blando o débil. Tampoco es esto una novedad, y asombra que todavía subsista.

La estadística preliminar también consigna la edad de los edificios, indicando que el 91% es anterior a 1985. Aun así, podrían ser posteriores al 76 y mostrar con déficit de resistencia, pero adecuadamente detallados. Por lo que muestran las fotos no parece ser el caso.

Para confirmar las impresiones anteriores, se eligieron 4 estaciones acelerográficas (Figura 19), dos en la zona IIIa (Xotepingo y Alberca Olímpica) y dos en la IIIb (Tlatelolco y Colonia Roma). Como ya se ha señalado los colapsos se concentran en estas dos zonas correspondiendo a periodos del suelo entre 1 y 2 segundos.

Se compararon los espectros elásticos obtenidos con los de diseño del Cuerpo Principal y del Anexo del reglamento 2004.

El hecho que el 91 % de los edificios colapsados eran pre 1985, sumado al hecho observado de respuesta sin sensibles oscilaciones y deformaciones inelásticas con colapso repentino de carácter frágil, autoriza a comparar espectros elásticos reglamentarios representando la capacidad que debería haberse suministrado y contrastarlos con los espectros reales que representan la demanda.

En la zona IIIa (figura 20), los dos espectros muestran una fuerte amplificación entre 1-1,25 segundos superando al espectro del cuerpo principal en ambos casos e incluso sobrepasando el del anexo. Los edificios diseñados, construidos y detallados con el reglamento de 2004 podrían haber sobrevivido el terremoto, salvo los entrepisos sin vigas y piso blando que colapsarían. En este caso es admisible e imprescindible la reducción de fuerzas por ductilidad y por sobrerresistencia. Claramente resultan justificados los colapsos de edificios diseñados con el RCMX 1976, que no fueron adecuadamente rehabilitados luego de 1985. Si se analiza los espectros de Alberca Olímpica (figura 21), las conclusiones serían similares.

En la zona IIIb (figuras 22 y 23), tanto en Tlatelolco como en Colonia Roma, las demandas son inferiores a las capacidades reglamentarias 2004. Como hubo muchos colapsos en la zona, principalmente en Colonia Roma, y los colapsos fueron espectaculares de tipo frágil, evidentemente no se cumplieron las prescripciones reglamentarias si estuvieron diseñados con reglamentos del 76 en adelante, especialmente las correspondientes al detallado, o lo hicieron con reglamentos anteriores al 76 que no contemplaban el detallado del hormigón.

En cualquier caso, no resulta admisible desde el punto de vista de las políticas públicas, que luego del terremoto del 85 no se exigiera la evaluación y rehabilitación sísmica de edificios, al menos los esenciales, y un plan de emergencia sísmica para los edificios restantes.

Conclusiones

• Este terremoto pone sobre el tapete el problema mundial del stock de construcciones sísmicamente vulnerables, producto de la falta de competencia sismorresistente de las edificaciones antiguas, como consecuencia de la falta de aplicación de reglamentos sísmicos, o de la utilización de reglamentos antiguos hoy obsoletos.
• El terremoto de Puebla-Morelos muestra una vez más que los sistemas de entrepisos sin vigas y los pisos blandos no tienen competencia sismorresistente y deben ser prohibidos. En la Argentina están prohibidos pero vuelta a vuelta se insiste en la idea.
• Las muertes y los colapsos de edificios en Ciudad de México demuestran que no es suficiente con contar con un reglamento sísmico actualizado y de primer nivel mundial para garantizar una efectiva protección sísmica.
  TD (1976)TMC (1976). Se necesita la convergencia de la voluntad política, el compromiso profesional y la aceptación de la sociedad, para realmente reducir la vulnerabilidad de las edificaciones mediante la aplicación efectiva de las Normas. Esto también vale para la Argentina.
• El alto nivel de los espectros de diseño elásticos del nuevo reglamento de CDMX está en línea con los espectros de terremotos reales recientes.
• En el caso argentino en particular, hoy más que nunca debemos reconocer que no conocemos cabalmente la demanda sísmica y que por lo tanto hay que concentrarse en la capacidad de las estructuras de forma de cubrir las amplias e inciertas fluctuaciones de la demanda (diseño por capacidad).
• Es imprescindible, no sólo que se adopten y se pongan en vigencia los reglamentos sísmicos, sino también que se controle su aplicación.

Referencias:

1) Servicio Sismológico Nacional, México, Reporte Especial Sismo de Puebla-Morelos, 19/09/2017.

2) Kostoglodov, V. y Pacheco, J. P.; UNAM (1999): “Cien años de sismicidad en México”.

3) The New York Times, edición en español. Sept. 24/2017: “Ciudad de México, antes y después del terremoto”.

4) “Estimaciones realizadas por los Institutos de Ingeniería y Geofísica” – UNAM.

5) Tena Colunga, A. “A 25 años del Sismo de Septiembre de 1985: Breves reflexiones sobre los espectros de diseño sísmico”. XI Simposio Nacional de Ingeniería Sísmica. CDMX 2010.

6) Galvis, F.; Miranda, E.; Heresi, P.; Dávalos, H. y Silos, J. Blume Earthq. Engrg. Ctr., 2017. “Preliminary Statistics of Collapsed Buildings in Mexico City in the September 19, 2017 Puebla-Morelos Earthquake”.