4 marzo, 2024 9:35 am

Diseño sismorresistente, preservación del patrimonio vs. costo inicial

La seguridad de las obras civiles y su pronta recuperación o habitabilidad deben ser las máximas prioridades en zonas sísmicas, y no los costos iniciales de las superestructuras y las cimentaciones. En este artículo se reflexiona por qué, en el diseño sismorresistente tradicional, se ha privilegiado de más el tema de los costos iniciales, lo que ha redundado en un desempeño sísmico inaceptable de un enorme inventario de estructuras que no permite su pronta recuperación o utilización, lo que afecta severamente el anhelo de la sociedad de contar con ciudades razonablemente resilientes después de un sismo de gran magnitud.

Arturo Tena Colunga Profesor en el Departamento de Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco.

En el diseño sismorresistente de obras civiles en zonas de alto peligro sísmico, las prioridades de la ingeniería civil deberían ser asegurar las vidas de las personas que las habitan o usan (por ejemplo, en edificios), o de quienes se encuentran cerca de ellas (por ejemplo, en presas), y preservar el patrimonio de la gente (sobre todo en vivienda), controlando el daño por sismo a uno que sea fácilmente reparable.

Un tema que toca las fibras sensibles de muchos ingenieros civiles es la relación entre los daños y los costos iniciales de las estructuras en zonas sísmicas. Para abordarlo, se hace aquí un ejercicio de retrospectiva, construyendo una narrativa a través del tiempo, que permite tener una visión autocrítica gremial del tema.

Desde hace tiempo, en los cursos de la carrera de Ingeniería Civil, además de la seguridad de las estructuras, se enfatizaba mucho el costo inicial en las siguientes áreas: 1) construcción, 2) estructuras (particularmente, diseño y concreto reforzado), 3) sistemas y transporte, 4) ingeniería ambiental y sanitaria, 5) geotecnia y 6) hidráulica. La importancia de los costos iniciales ya rivalizaba con la seguridad de las estructuras.

El sismo del 19 de septiembre de 1985

Durante el sismo de subducción del 19 de septiembre de 1985 (Mw = 8.1) ocurrió un enorme número de pérdidas de vidas humanas y de daños al ambiente construido. En las cifras oficiales se reportó que murieron alrededor de 10,000 personas, pero en las estimaciones de organizaciones sociales se calculan más de 20,000. Los daños en el inventario construido fueron enormes, pues se estimó que más de 50,000 construcciones sufrieron daños. Aunque en estos casos ningún censo es totalmente preciso, existen tres fuentes cuyos datos son razonablemente confiables. Quizás el más completo es el informe final del Departamento del Distrito Federal (SGO-DDF 1988), donde se reporta que 1,778 edificios sufrieron daño muy grave o se colapsaron, y al menos 4,826 edificios sufrieron daño intermedio. De acuerdo con un inventario representativo de estructuras en los sectores de mayores daños (Fundación ICA, 1988), 787 casas y edificios experimentaron daño muy grave o colapso. Es en este censo donde se hace una clasificación clara por su uso (figura 1), y de él se puede obtener que, en esa zona, el 55% de los inmuebles con daño grave o colapso tenían uso de vivienda. En el informe preliminar del Instituto de Ingeniería de la UNAM (II UNAM 1985) se contaba con un inventario más reducido de edificios (331), pero es el único que tenía información sobre el año de construcción con respecto a los reglamentos de diseño sísmico (figura 2); de ese inventario se obtiene que el 17% de los edificios con daño grave o muy grave se diseñaron conforme al Reglamento de 1976, que fue donde se introdujo el factor de reducción por ductilidad, Q.

Diseño sismorresistente en México de 1986 a 2017

A casi todos los ingenieros civiles se les enseña que lo más importante en el diseño sismorresistente es garantizar la seguridad de las estructuras ante sismos muy intensos. En el diseño sismorresistente, la mayoría de los ingenieros entienden que usar un factor de ductilidad Q alto es adecuado porque la estructura es dúctil; sin embargo, no lo relacionan con el gran daño que se debe tolerar. Además, tampoco racionalizan que reducir ordenadas espectrales mediante el factor Q no es gratis, y que para poder desarrollar ese valor de Q es importante que el detallado estructural sea sobresaliente y bien ejecutado. A ciencia cierta, la mayoría de los ingenieros no sabe de dónde sale Q (y menos Q’): en qué estudios se basa para cada sistema estructural (si existen) y cuál es la verdadera apuesta cuando se alcanza el Q supuesto en el diseño. Es tanto el énfasis en los costos iniciales, que muchos ingenieros civiles (estructuras y construcción), inconscientemente, cambian las prioridades y privilegian el costo inicial por encima de todo. Así, el resultado final es que se diseñan y construyen, de manera inconsciente (no necesariamente a propósito), estructuras muy vulnerables ante sismos, con tal de reducir costos iniciales.

El sismo del 19 de septiembre de 2017

El sismo de falla normal del 19 de septiembre de 2017 (Ms = 7.1) nuevamente sorprendió a la Ciudad de México ocasionando una enorme cantidad de daños en las edificaciones. Se logró compilar un inventario de 2,458 inmuebles que experimentaron daño medio a colapso (Tena Colunga et al., 2020), de los cuales 1,626 son edificios. En la figura 3 se muestra la relación entre el daño observado y el uso principal del inmueble; se aprecia que en esa ocasión el 79% de los inmuebles estaban destinados a vivienda, 71.3% si solo se considera al inventario de edificios. Se aprecia un incremento notable con respecto al 55% que se observó para el sismo de 1985 (figura 1).

Con respecto al año de construcción y su relación con los reglamentos de construcción, las estadísticas se presentan en la figura 4 solo para el inventario de edificios (Tena Colunga et al., 2020); allí se aprecia que el 18.7% de los edificios afectados fueron diseñados y construidos después del sismo de 1985 conforme a una filosofía de diseño de prevención de colapso, pero en los espectros de diseño sísmico ya se había actualizado el peligro sísmico para tomar en cuenta sismos de subducción de magnitudes similares o mayores al de 1985, así como sismos de falla normal, continentales y locales (Rosenblueth et al., 1989).

 Con excepción de la zona sur de la ciudad que ocupa el antiguo lago de Xochimilco, donde las ordenadas espectrales fueron cercanas a las de los espectros elásticos de diseño del cuerpo principal de las normas de 1987 (NTCS-87*Ω) y del Apéndice A de las normas de 2004 (NTCS-04 AA) (figura 5), o incluso las rebasaron, el daño presentado en las otras dos zonas mostradas –lagos de Texcoco y Chalco– debe ser considerado excesivo para este grupo de edificios, dado que en la zona que ocupa el antiguo gran lago de Texcoco las máximas ordenadas espectrales observadas son menores al 60% de las correspondientes al espectro elástico de diseño de las normas de 2004 (NTCS-04 AA) (figura 5).

El daño observado para los edificios construidos conforme a las NTCS-04 –el reglamento más moderno de ese entonces– fue excesivo, dado que 86 edificios experimentaron daño medio a mayor, dos de ellos colapsaron y cuatro más tuvieron que ser demolidos (figura 4).

Diseño sismorresistente y costos iniciales

La magnitud del daño observado durante el sismo del 19 de septiembre de 2017, sobre todo en el inventario de edificios diseñados conforme a los reglamentos más modernos, se explica en gran medida de la siguiente manera. Desde hace mucho tiempo se abusa del concepto de comportamiento inelástico (en México, en términos de los factores Q y Q’), además de que las distorsiones últimas de diseño de los reglamentos vigentes son muy grandes y toleran un daño muy severo. Este abuso está estrechamente ligado con el objetivo de reducir los costos iniciales de construcción.

De hecho, los diseñadores se preocupan tanto por los costos iniciales, que frecuentemente no protegen lo suficiente a las estructuras con irregularidades estructurales, con comportamiento sísmico más incierto. Muchos ingenieros omiten la revisión formal de las condiciones de regularidad estructural que se establecen en nuestros reglamentos desde las NTCS-87 y diseñan las estructuras como regulares, usando espectros y fuerzas más reducidos que los que deberían tomar en cuenta mediante las normas. Cabe señalar que, del inventario de estructuras dañadas en 2017, el 90.3% no cumple con al menos una condición de regularidad estructural (Tena Colunga et al., 2020).

De igual manera, los ingenieros se preocupan tanto por el costo inicial y la velocidad de construcción, que a menudo se compromete la seguridad de las estructuras al utilizar, sin modificación alguna en zonas sísmicas, sistemas de piso desarrollados exclusivamente para ser eficientes ante cargas verticales, como son las losas planas (en todas sus variantes), en particular las losas planas reticulares aligeradas con grandes bloques de espuma de poliestireno (EPS), así como la vigueta con bovedilla de EPS. Ante cargas sísmicas, los sistemas de piso deben ser suficientemente resistentes como diafragmas para transmitir las cargas laterales entre los elementos verticales resistentes. Además, en muchas ocasiones estos sistemas de piso deberán apoyarse sobre vigas que sean capaces de resistir propiamente los momentos por sismo. Lamentablemente, muchos ingenieros ni revisan si los sistemas de piso tienen suficiente resistencia para comportarse como diafragmas elásticos, y menos para valorar si se comportan como diafragmas rígidos, semirrígidos, semiflexibles o flexibles.

Y, por supuesto, a la hora de diseñar y construir estructuras abusando del comportamiento inelástico para reducir costos, a muchos ingenieros se les olvida –conveniente e indolentemente– que, después de un gran desastre, no existe dinero suficiente para rehabilitar o reconstruir lo que se dañó. Por ejemplo, de los 1,152 edificios de departamentos que experimentaron daño medio a colapso en 2017, de acuerdo con la información del Gobierno de la Ciudad de México, todos los fondos públicos disponibles para la reconstrucción (gobierno, donaciones de la gente y fondos adicionales de fundaciones privadas) solo van a alcanzan para recuperar 473 edificios de vivienda (incluidos los de unidades habitacionales afectadas), es decir, el 41.1%, y de estos, solo se habían terminado y entregado 135 al 16 de marzo de 2021. ¿Qué va a suceder con los 679 edificios de vivienda restantes (58.9%)?

Sin embargo, esta práctica miope tiene una solución simple. La mayor parte del costo inicial de cualquier edificio se debe a las instalaciones y a los acabados arquitectónicos. El costo inicial de la cimentación y del sistema estructural de un edificio oscila entre el 20 y el 30% del costo total para proyectos de edificios comunes de mediana altura en Estados Unidos, y se han reportado valores similares en estudios realizados en Perú. El costo inicial adicional por detallar dúctilmente vigas y columnas en edificios de concreto reforzado oscila entre 6 y 12.5%. Por lo tanto, un detallado dúctil aumentaría el costo total de una estructura de concreto reforzado de estas características entre 1.2 y 3.75%, si los costos iniciales en México fueran similares. Entonces, ¿vale la pena apostar tanto a un daño severo, con el riesgo de perder todo y dejar en la calle a la gente, por tan poco ahorro?

El mayor problema consistirá en cambiar la mentalidad de la mayoría de los ingenieros civiles de México y del mundo, que viven obsesionados con reducir costos, en particular el costo inicial. Tal obsesión es más grande en la ingeniería civil que en otras disciplinas. En aras de demostrarlo fehacientemente, se hizo una investigación en la base bibliográfica del índice Scopus, que es hoy en día el referente para evaluar a los académicos en el Sistema Nacional de Investigadores de México.

La búsqueda se hizo en publicaciones en idioma inglés indizadas en Scopus en cuyo resumen (abstract) se incluyera la frase initial costs (costos iniciales), dado que, si aparece ahí, los costos iniciales son un tema central del escrito o estudio reportado. En la búsqueda se incluyeron todas las ramas del conocimiento. Así, se encontró que a inicios del mes de septiembre de 2023 había 112,813 documentos. De estos, las primeras cinco disciplinas del conocimiento con un mayor número de documentos fueron: ingeniería: 39,990; medicina: 24,057; ciencias de la computación: 17,803; ciencias del medio ambiente: 13,578; energía: 12,110. Llama poderosamente la atención la desproporción de la ingeniería (35.4% del total) con respecto a otras ramas del conocimiento que, en teoría, deberían tener preocupaciones similares o mayores ante la sociedad por reducir costos. Se realizó entonces una búsqueda para la ingeniería civil y sus subdisciplinas, y se encontró el siguiente orden: construcción: 12,806; ingeniería estructural: 11,318; administración de la construcción: 6,058; ingeniería sísmica: 1,137; geotecnia: 1,050. Sigue llamando la atención que subdisciplinas de la ingeniería civil como construcción superen a toda una rama del conocimiento como energía. De hecho, del total de documentos en inglés que tienen las palabras “costos iniciales” en el resumen, el 11.4% pertenecen a la subdisciplina de construcción y 10.0% a ingeniería estructural. Con base en lo hasta aquí expuesto, se confirma que en la ingeniería civil existe un interés desproporcionado en reducir los costos iniciales, interés que no se observa en otras disciplinas que también tienen una gran responsabilidad ante la sociedad, como medicina, ciencias de medio ambiente y energía.

Comentarios finales

En el diseño moderno de obras civiles en zonas de alto riesgo y peligro sísmicos, la prioridad de la ingeniería civil debe ser que estas sean resilientes. Es socialmente inaceptable que sigamos fomentando procedimientos de diseño y reglamentaciones que favorecen el estado límite de prevención de colapso ante la acción de un sismo fuerte. No existen actualmente, ni existirán en el futuro, recursos económicos extraordinarios suficientes en nuestra sociedad para hacerle frente a emergencias de este tipo y restablecer la normalidad en cuestión de días o de algunas semanas. Es por ello que debemos trabajar en fomentar e implantar criterios de diseño sismorresistente resiliente en nuestros reglamentos de construcción.

Diseñar estructuras para que experimenten daño ligero y reparable después de un sismo intenso involucra un costo inicial mayor, el cual no es algo que salga de las posibilidades económicas de los inversionistas o potenciales compradores, en el caso de edificios para vivienda. Además, el pago de las primas de las pólizas de seguro por sismo se reduciría notablemente, pues las aseguradoras estarían conscientes del menor riesgo financiero para atender a sus asegurados ante la acción de un sismo severo. La ingeniería civil en lo general, y la ingeniería sismorresistente en lo particular, deben ser buenas, no baratas. Por tanto, la seguridad de las obras civiles y su pronta recuperación deben ser las máximas prioridades en zonas sísmicas, no el costo inicial

Referencias

Fundación ICA (1988). Experiencias derivadas de los sismos de septiembre de 1985. 1ª Ed. México: Limusa.

II UNAM (1985). La UNAM ante los sismos del 19 de septiembre de 1985. Informe preliminar. México: Instituto de Ingeniería.

Rosenblueth, E., et al. (1989). The Mexico earthquake of September 19, 1985 – Design spectra for Mexico’s Federal District. Earthquake Spectra 5(1): 273-291.

Secretaría General de Obras, Departamento del Distrito Federal, SGO DDF (1988). Sismos de 1985. Control de edificaciones 1985-1988.

Tena Colunga, A., et al. (2020). Performance of the built environment in Mexico City during the September 19, 2017 earthquake. International Journal of Disaster Risk Reduction 51(101787).

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