El Ing. David Ricardo Chinchay Pujada, especialista en Diseño Estructural y colaborador del equipo FGE Consultores, ha escrito este artículo llamado “La franqueza estructural” en el que expone la realidad de la sismorresistencia poniendo en la mesa del debate este tema algo controversial.


Te invitamos a leer este interesante artículo a continuación.

Es normal que a todos los profesionales que nos dedicamos al diseño y cálculo estructural recurran a nosotros, clientes, colegas, profesionales arquitectos o de otras ramas, con las siguientes dos interrogantes:

¿Cuántos grados de un terremoto podrá soportar mi casa o edificio?

¿Ya que mi casa ha sido diseñada por un profesional, no le pasará nada si ocurre un terremoto?

La primera reacción, mía al menos, es sentir un desconcierto. Es en estos casos en la que uno al poder responder de manera más sencilla posible, el ser honestos también se hace imperativo. Es decir, que debemos ser francos con la o las personas que nos expresan sus dudas. A este acto de honestidad profesional le suelo llamar la “franqueza estructural”.

Recuerdo por el 2009, a mi profesor de diplomado del curso de “Diseño Sismorresistente Avanzado”, el reconocido Ing. Adolfo Gálvez, que nos decía que las estructuras responden tal y como ellas quieren hacerlo, y no como el ingeniero supone. Es decir, en el rango no lineal e inelástico, al reconocer esto debemos ser conscientes que la realidad es aleatoria. ¿Y por qué lo es? Porque al usar las normas como, por ejemplo, la norma E-030, nos podemos aproximar a esta aleatoriedad, más nunca predecirla o acertarla completamente. En la misma charla magistral, el insigne ingeniero también exponía que los desplazamientos calculados y por añadidura los driff calculados con nuestra norma, no eran los que se daría en la realidad.

Ahora el lector sorprendido podrá cuestionar ¿Por qué se usa esta norma cuando la realidad es otra? La respuesta es simple y algo difícil de explicar. Simple, porque nuestra norma concibe el análisis de la estructura en base a formulaciones sencillas, rápidas de verificar y porque concibe un comportamiento lineal elástico. Es decir, no considera la degradación, resistencia y rigidez que se da con los ciclos sucesivos. Por otro lado, es difícil de explicar, pues para acercarnos más a realidad que se da en las estructuras ante un sismo, necesitamos de herramientas más sofisticadas de análisis no lineal y modelar cada componente estructural basado en ensayos de laboratorio que nos generen modelos matemáticos de un comportamiento más certero. Esto unido a un software que modele esta “realidad” hace que las herramientas al alcance, aun no se logre la aproximación deseada aun en estos tiempos. Numerosas investigaciones de sismorresistencia de las mejores universidades llegan a diversas conclusiones que hace que no se llegue a un conceso unánime en el tema de análisis estructural sísmico.

En la actualidad, el método que pretende acercarse a la realidad aleatoria de las estructuras es el llamado diseño sísmico basado en desempeño. Esta metodología trata de verificar el comportamiento estructural teniendo como objetivo la importancia que tiene la edificación. Así, por ejemplo, si tenemos un hospital en donde al cumplir con el diseño en base a la norma E-030 no colapsa al ocurrir un terremoto, se habrá cumplido el objetivo de la seguridad de vida. Pero, qué hacemos si después no se pueda usar esta edificación, y no por el posible daño material sino que al tener los equipos médicos dañados por caídas o desplomes este servicio quede inutilizado.

También podemos ver el caso de un museo que, alberga piezas de arte y objetos históricos de incalculable valor, y que por un desplazamiento exagerado en la edificación, estos objetos se dañen. Si bien la estructura pudo quedar en pie y nadie falleció o se hirió, el costo económico es tal que no es suficiente con que la edificación no colapse. La filosofía del desempeño apunta a lograr objetivos de comportamiento estructural que no solo garantice la seguridad de vida sino también minimice el costo económico del contenido no estructural.

Otros métodos como el diseño por capacidad, desarrollado en Nueva Zelanda, también trata de predecir con una buena aproximación a la respuesta de la estructura y manteniendo los objetivos múltiples que se adicionan al de seguridad de vida.

Y últimamente la oferta de protección sísmica llega a través de los sistemas de aislamiento sísmico y los disipadores de energía sísmica. Estos son sistemas que aún se alejan como alternativa de las mayorías de estructuras por su aun alto costo. Una consideración especial merece el patentado por el reconocido Ing. Luis Bozzo y su Shear Link Bozzo (SLB) como una alternativa fácil y económica, capaz de adaptarse a muchas edificaciones.

Pero, vayamos nuevamente a responder las preguntas formuladas al inicio de este artículo.

Para responder a la primera pregunta debemos recordar que estamos acostumbrados que los medios de información siempre al dar las noticias de algún sismo acontecido señalan: “Se produjo un terremoto de 7 grados en la escala de Richter en la ciudad de México”, “Se produjo un terremoto de 7.9 grados en la escala de Richter en la ciudad de Pisco” o “Se produjo un terremoto de 8.5 grados en la escala de Richter en la ciudad de Valparaíso”. Se debe tener presente que dicha escala mide la energía liberada por el sismo en el lugar. Esta energía usualmente se suele comparar con la energía liberada por alguna de las bombas lanzadas en las ciudades de Hiroshima o Nagasaki.

 
Existen muchas escalas que miden el potencial el grado destructivo de un terremoto. Por ejemplo, la escala de Mercalli que evalúa los daños ocasionados en el lugar. Esta escala es subjetiva y se debe en base a una evaluación a veces contra posicionada de colegas que hacen sus estimaciones. Existen también otras escalas que tienen consideraciones mixtas, es decir, entre una medición de la energía liberada, llegada de las ondas sísmicas a través de los estratos del suelo y el daño asociado a la destrucción de la infraestructura. La medición o el valor que se usa en diseño sismorresistente es la aceleración de la gravedad que como sabemos se mide en cm/seg2 (9.81 m/s2) o en 1g (gal). Si vemos en la norma E-030 los valores de factor Z (factor de zona) le dan a la costa peruana el valor de 0.45 g. Es decir, un 45% de la aceleración en suelo rígido. Si de alguna manera queremos correlacionar con una medición en este caso la escala de Richter, podríamos mencionar que para una aceleración como la mencionada sería similar a un grado 8. Cosa que es discutible y hasta cuestionable por otros colegas y en la cual comparto esa comparación forzada. Al fin y al cabo, a los clientes hay que explicarles las cosas técnicas de una manera que la puedan entender y aceptar. Esto sin menospreciarlo, pues todos ignoramos un campo del saber humano.

La segunda pregunta si se debe poner el mayor énfasis en responder que sí, la edificación no colapsara, pero hay una alta probabilidad que no se pueda volver a habitarla. Quizás nuestro cliente abra los ojos como plato y piense que quizás uno lo esté sorprendiendo, cosa que no es así pues debemos explicar detalladamente el porqué de esta afirmación es muy altamente probable que suceda. Los sismos son fenómenos que son y están muy estudiados y sin embargo aún poco comprendidos. Esto se debe a que este fenómeno tiene muchas variables y que se alejan de poder hacer mediciones de sus efectos con gran exactitud. Las normas técnicas en base a las experiencias han podido establecer metodologías de análisis y diseño. Estas, desde la más elementales (estático lineal y dinámico lineal) hasta los más sofisticados (los análisis estáticos no lineales y dinámicos no lineales) tratan de acercase, a pesar de sus limitaciones, hacia una predicción lo más cercana posible a la realidad. Pero la realidad es aleatoria y aun no disponemos de las herramientas de cálculo y tecnológicas para modelar la realidad de los sismos. Consciente de ello, las normas entrelazan dos alcances: Lo técnico y económico. Y lo dice la misma norma E-030 en la que afirma esta dicotomía:

Es decir que el costo de inversión económica de hacer más segura la estructura será para solo unas cuantas infraestructuras como: hospitales, centros policiales, de bomberos, centros educativos, etc que son la minoría. Para el resto que son la mayoría se hacen las estructuras técnica y económicamente viables.

Para demostrar además por qué unas cuantas edificaciones (esenciales) son las más exigidas lo da la misma norma para poder determinar su importancia y esta lo da para poder servir de apoyo ante las emergencias, salvataje, apoyo humanitario y logístico luego de la destrucción provocada por un sismo. Estas edificaciones en su mayoría pertenecen al estado peruano quien es el responsable de establecer el bienestar de la nación. Las demás edificaciones como las categorías B y C, normalmente pertenecen al rubro privado. En las que los inversionistas hacen negocios construyendo estructuras.

En caso de centros comerciales, museos, restaurantes, debido a la cantidad de gente se exige un nivel intermedio de seguridad. En el caso de oficinas y vivienda la categoría C, se un margen de seguridad menor, pero no por eso descuidar su integridad estructural. ¿Y porque es así? La respuesta es simple, la oferta inmobiliaria respecto al rubro de oficinas y vivienda se da para que los precios de la construcción sean razonables y por ello ofertados y vendidos. La dicotomía (seguridad estructural-economía) anteriormente mencionada, hace que se la tenga en cuenta en el diseño sismorresistente. Con respecto a ello es costumbre entre los empresarios de la construcción evaluar el famoso ratio kilos de acero por metro cubico de concreto o metros cuadrado de área construida. Muchas veces este ratio (a mi parecer insensata) hace que se descarte planteamientos estructurales buenos por otro profesional que diseña con “menos kilos de acero”. Pocos empresarios de la construcción no tienen en cuenta que las ratios de acero no pueden extrapolarse a todos los casos. Un ejemplo típico (como para tomar un ejemplo de muchos) lo dan las edificaciones que están en esquina y las que no lo están. Los efectos de torsión hacen que muchas veces se tengan aceros que controlen los esfuerzos de corte y flexiones biaxiales en muchas columnas. La cuantía de acero en un edificio en esquina puede ser mayor que una edificación no lo es. Lo mismo pasa para edificaciones que presenta mucha irregularidad de las que son regulares tanto en planta como en elevación. Y así tipifican a un especialista estructural como “muy fierrero” o “poco fierrero”.

Para concluir este acápite con respecto a las categorías o importancias de las edificaciones esta se da en las filosofías de diseño de nuestra norma E-030.

Digamos que el inciso a se aplica a todas las categorías de las edificaciones, mientras los incisos b y c de da más para las categorías A y B (Estructuras esenciales estatales y edificaciones del sector empresarial privado que albergan numerosas cantidades de personas).

Para sostener la afirmación anterior, de por si cuestionable por algún colega, se debe saber que la norma tipifica tres niveles de sismo: severo, moderado y leve. Pero la norma no especifica en detalle que es severo, moderado o leve. Que los diferencia uno de otro. Se puede decir que el factor de zona (Z) es una medida de la severidad del sismo. Pero esto no tanto es así. Se ha probado que incluso sismos menores al valor de 0.45 g dado para la zona 4 (costa) en los sismos del 1966, 1970 y 1974 (sismos base de los espectros sísmicos de nuestra norma sismorresistente) estuvieron en el umbral de 0.20 g y sin embargo causaron mucha destrucción. Dada la ambigüedad de estas definiciones de sismo, las estructuras admiten cierto grado de daño que hace que debamos considerar los criterios muy usados como es: resistencia, rigidez y ductilidad.

De la imagen anterior, partamos comentando de abajo hacia arriba:

En el inciso c, se corrobora lo expuesto líneas arriba y se deja concluida su exposición.

Si leemos el inciso b, señala que la estructura “puede sufrir daños reparables dentro de límites aceptables”. Pero ¿qué son esos límites aceptables? La norma no lo dice. Si de por si el concepto de sismo moderado no queda especificado claramente, menos se entiende lo de límites aceptables. Acá se hace imperativo tomar en cuenta que los conceptos de resistencia, rigidez y ductilidad deben ser firmemente propuestos y analizados para poder, en cada especialista tomar la decisión de diseño más adecuado. Acá el criterio se hace imperativo, pues los sismos moderados podrían presentarse con mayor frecuencia en la vida útil de la estructura. Es por ello por lo que esta premisa no debe ser tomada a la ligera por los empresarios de la construcción. Si se pone a dos profesionales a diseñar la misma edificación ambos tendrán criterios similares o diferentes, nunca iguales. Finalmente la recomendación no debe ser elegir al que me calculo menos acero, sino el enfoque debe ser a quien ha primado la seguridad con mayor énfasis y a la vez me da un margen económico aceptable.

Finalmente el inciso a, contesta a la segunda pregunta formulada al inicio de este artículo, y que responde en si el porqué de la afirmación que es muy probable no volver ocupar o habitar una edificación ante la ocurrencia un sismo de gran magnitud o severo, sobre todo en las edificaciones de la categoría C y tal vez B.

Las estructuras disipan energía sísmica y esta disipación implica daño estructural. La ductilidad adecuadamente formulada hace que las rotulas plásticas se formen en puntos estratégicos que creen un mecanismo estable. Así la estructura evita un colapso y hace que los habitantes o usuarios de la edificación puedan evacuar o quedarse guarecidos en algún lugar seguro mientras dura el evento sísmico. Esta disipación de energía puede causar (o hace) daño considerable que haría inviable una reparación.

Mientras los sistemas de protección sísmica por su alto costo aun este reservada para edificaciones de mayor inversión económica o las investigaciones en ingeniería sísmica aun estén en avance, las estructuras de la categoría C, aun serán concebidas y analizadas según la manera convencional.

La franqueza estructural requiere que seamos claros al comunicar a nuestro cliente las limitaciones que aún son materia de investigación y avance los conocimientos de la ingeniería sismorresistente. Los sismos en el mundo y los daños asociados a ellos son claro ejemplo que aun la realidad es aleatoria.

Referencias

1. Norma peruana de diseño de concreto armado E-030-2018

2. Diseño de sismorresistente de edificios, técnicas modernas y convencionales – Alex Barbat y Luis Bozzo.

3. Estructuracion y diseño en concreto armado – Ing. Antonio Blanco Blasco.

4. Diseño sísmico de edificios – Enrique Bazán.

5. Apuntes de clase del curso “Ingenieria sismorresistente avanzada” – Diplomado de estructuras UPC – 2009 – Ing. Adolfo Gálvez.

6. Ingenieria sísmica – Ing. Alberto Sarria.