El sismo Mw 7.6 de la península de Noto en Japón del 1º de enero, 2024
Manuel J. Mendoza López Ingeniero civil con maestría y doctorado. Investigador titular del II UNAM.
Eduardo Botero Jaramillo Ingeniero civil con maestría y doctorado. Investigador titular del II UNAM.
Jorge Aguirre González Ingeniero geofísico con maestría y doctorado. Investigador titular del II UNAM.
Marcos M. Chávez Cano Ingeniero civil con maestría y doctorado. Investigador titular del II UNAM.
La observación y documentación de daños en obras de infraestructura y vivienda debidos a un sismo es un medio idóneo para conocer el comportamiento de esas obras ante una de las condiciones más críticas que deben soportar durante su vida útil. El sismo de la península de Noto en Japón, ocurrido el día primero de este año, ofreció la oportunidad de apreciar aspectos que deben tenerse muy en cuenta en el diseño y construcción de obras similares en nuestro país. En este artículo se expone una visión de ese comportamiento, resultado de un reconocimiento técnico presencial.
Palabras clave: sismo, licuación, asentamientos y desplazamiento lateral, levantamiento de la costa, inestabilidad de estructuras.
La tarde (16:10 h local) del día primero del año 2024 ocurrió un sismo de magnitud de momento Mw 7.6 (la que se usa para eventos de magnitud mayor a 6.5 para no saturar la escala, y no la de Richter). Su epicentro fue localizado en las coordenadas 37.490 latitud Norte y 137.270 longitud Este, en la costa nororiental de la península de Noto en la prefectura de Ishikawa (figura 1). Tuvo una profundidad hipocentral de 16 km. La agencia meteorológica de Japón (JMA) reportó una intensidad de 7 en la ciudad de Shiga, que es el número más alto para ello en la escala japonesa. Cincuenta días después del sismo se contabilizaban (periódico Yomiuri, 21/02/2024) 241 fallecidos, 9 desaparecidos, 12,463 evacuados, 74,382 casas o edificios dañados y 22,880 cortes de agua. Las víctimas y daños materiales no fueron solo resultado del terremoto, sino también del tsunami subsecuente, que alcanzó una altura máxima de 3 m. Estos dos fenómenos naturales imponen a los conglomerados humanos condiciones extraordinarias, por lo que una de las actividades importantes de los ingenieros es reducir su impacto. El estudio de esos eventos naturales, así como de sus efectos sobre la sociedad –en esta ocasión la japonesa– son tareas que se abordan de manera cotidiana en el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (II UNAM), principalmente para generar reglamentos y normas de construcción, establecer líneas de investigación, así como para prestar asesorías técnicas para la construcción de las obras de infraestructura y vivienda que se construyen en México.
Aspectos sismológicos
Las redes K-NET y KiK-net operadas por el Instituto Nacional de Investigación para Ciencias de la Tierra y Resiliencia ante Desastres (NIED) registraron el sismo en 591 y 453 estaciones, respectivamente. El mapa de la figura 1 muestra la distribución de los movimientos fuertes del terreno registrados por estas redes en términos de la aceleración pico (PGA). La estación ISK006 registró (figura 2) la máxima aceleración de 2,678 gal en la dirección EW. En siete estaciones se observaron aceleraciones pico mayores a 1,000 gal. Llama la atención que estas aceleraciones muy altas contrastan con la asignación de intensidades moderadas que a la región le asigna el actual mapa de peligro sísmico probabilista de Japón. Con fines de comparación, recuérdese que para el sismo de 1985, en el sitio de SCT de la Ciudad de México, la aceleración máxima registrada fue de 181 gal.
De acuerdo con Kubo et al. (2024), la falla tuvo un rumbo de 47º, un echado de 41º y un ángulo de deslizamiento de 102º. Corresponde a una falla inversa de alrededor de 144 km de longitud con un ancho aproximado de 24 km. Según la inversión de las formas de onda, este sismo generó deslizamientos sobre el plano de falla de hasta de 8.6 m. Como resultado del corrimiento de los grandes bloques del suroeste, una extensa zona costera sufrió un levantamiento de hasta 4 m, como se muestra en la figura 3, lo que provocó que la línea de playa sufriera una regresión de 300 a 400 m. Como consecuencia, muelles e instalaciones portuarias quedaron inhabilitados y totalmente obsoletos, al quedar embarcaciones con sus amarras fijas al muelle, pero con su casco sobre el piso antes marino.
Aspectos geotécnicos
Licuación de arenas
La licuación de arenas fue el fenómeno más generalizado y decisivo para el mal comportamiento de estructuras en general. Los daños asociados a este fenómeno se manifestaron ampliamente en las ciudades de Uchinada, Nanao, Suzu, Toyama, Niigata, Wajima, Fushiki, Monzen y Kanazawa. Tal fenómeno ocurre cuando, debido a una acción dinámica, aumenta la presión de poro en estratos relativamente someros, a tal punto que anula los esfuerzos efectivos del suelo, se pierden los contactos entre los granos, y el suelo y se comporta transitoriamente como un fluido (Tsukamoto e Ishihara, 2022). Los suelos más susceptibles a la licuación son las arenas finas y uniformes, en estado suelto y en una condición saturada. En múltiples sitios de la península de Noto se observaron acumulaciones eyectadas de arena alrededor de algún “volcancito”, como los de la figura 4.
Así que en esta gran zona se conjuntaron los suelos intrínsecamente más susceptibles a la licuación, y que en particular por una acción antrópica se encontraban en un estado suelto. En efecto, pudo apreciarse que en la gran mayoría de los sitios en los que se manifestó la licuación con mayor notoriedad fue en campo libre de zonas bajas reclamadas al mar o a lagunas costeras, esto es, áreas cercanas a cuerpos de agua constituidas por rellenos a los que se les aplicó insuficiente o nulo tratamiento de compactación.
Cimentaciones someras
En las ciudades costeras antes mencionadas predominaban las viviendas unifamiliares de baja altura, aunque, desde luego, ciudades como Kanazawa, Nanao, Wajima y Niigata cuentan también con edificios de mediana altura y zonas de gran actividad industrial. Aquellas viviendas ligeras están o estaban resueltas con estructuras de madera con cimentaciones someras constituidas por zapatas corridas, típicamente con 60 cm de anchura y 60 a 70 cm de altura de su contratrabe. En grandes zonas de rellenos en las que se generó una profusa licuación, fueron esas estructuras las que más sufrieron, al ocurrir fuertes asentamientos totales y diferenciales como el de la figura 5, en el que se registró un hundimiento de 0.9 m; en otros casos sucedieron desplazamientos laterales muy grandes, como el de una casa en Uchinada, que se desplazó 12 m hacia un canal cercano. En amplias zonas con arenas licuadas se observó de manera muy generalizada la inclinación de viviendas, así como el agrietamiento del terreno en gran escala debido a desplazamiento lateral y por hundimientos en zonas de rellenos. Las cámaras de registro de los sistemas de drenaje y tuberías sufrieron emersión de hasta 1 m. También se apreció el hundimiento de postes de energía en los sitios con marcada licuación, distinguiéndose penetraciones hasta de 3.5 m.
Cimentaciones profundas
En varias de las ciudades puerto de la zona afectada se distinguieron al menos 10 edificios de más de seis pisos con comportamiento deficiente de su cimentación, reflejado en asentamientos muy marcados, así como desplomos muy visibles. Se asume que la cimentación de ellos fue resuelta con pilotes o pilas, aunque a la fecha solo se conocen los detalles de la cimentación de unos cuantos.
Uno de esos edificios se reconoció en la ciudad de Wajima, el cual contaba con planta baja, seis pisos y azotea. Falló su cimentación y se volcó por completo, como se muestra en la figura 6. Ello permitió apreciar directamente la zapata y huella de la cabeza de pilotes tubulares de concreto reforzado con diámetro exterior D=0.35 m, y separaciones centro a centro de menos de 3D.
Cada grupo de pilotes era recibido por una zapata a la que descargaban columnas de concreto reforzado de la superestructura. Apréciese en la figura 6 que las zapatas fueron prácticamente coladas sobre la cabeza de los pilotes, ligándolas con solo unas cuantas varillas de 3/8”. Es clara la importancia de diseñar y construir eficientemente la conexión entre pilotes y zapata, losa o cajón de cimentación. Ante momentos de volteo sísmico, los pilotes de un lado de la cimentación estarán sometidos a compresión en un instante, en tanto que los pilotes del lado opuesto trabajarán incluso a la tensión, y viceversa. Es evidente la necesidad de contar con una conexión que asegure la transferencia de la carga entre pilotes y subestructura, resultante de la fuerza que por adherencia o fricción en el fuste puedan generar los pilotes o pilas trabajando a la extracción.
Otro edificio del que se conoció alguna información sobre su cimentación es un hospital en Nanao, que tuvo en general un buen comportamiento, como pudimos comprobar, ya que se mantenía en operación. Consta de siete pisos y azotea, y un sistema de aislamiento de base en su cimentación.
Inestabilidad de terraplenes y laderas
Múltiples deslizamientos de taludes pudieron distinguirse principalmente en la cercanía a la zona epicentral. La autopista de Nanao a Suzu fue abierta 50 días después del sismo, debido a la ocurrencia de por lo menos 25 grandes deslizamientos en los taludes de sus terraplenes; ello obligó a construir desviaciones locales para conducir el tráfico circundando la vía colapsada.
Adicionalmente, en Kanazawa ocurrieron deslizamientos en una ladera en la que estaban construidas casas habitación, las que fueron totalmente destruidas. Asimismo, sucedió una gran cantidad de deslizamientos masivos en laderas escarpadas que limitaban con la costa, en las que favorablemente eran pocos los núcleos urbanos y las líneas de infraestructura. Hubo de lamentar casos en los que casas habitación ubicadas al pie de una ladera quedaron sepultadas al ocurrir el deslizamiento de esta.
Aspectos estructurales
Las estructuras que resultaron con el mayor número de afectaciones fueron las destinadas a vivienda, principalmente las más antiguas, como pudo constatarse en Suzu (figura 7), todo ello debido a la licuación de arenas. Los edificios estructurados con marcos de concreto reforzado, así como puentes, en general tuvieron un adecuado desempeño sísmico, con lo que se demuestra que los criterios de diseño utilizados en estas estructuras son adecuados ante este tipo de solicitaciones.
Vivienda
La vivienda tradicional japonesa está resuelta con elementos de madera. Cuenta con uno a tres niveles, techos a dos aguas recubiertos con tejados de gran peso (figura 8) y muchas de ellas con grandes claros. La mayoría de los daños observados fueron ocasionados por la deficiente conexión entre los elementos que componen su estructura y la presencia de grandes aberturas o falta de muros. Esto en conjunto ocasiona que las viviendas tengan baja resistencia lateral y, por tanto, sean altamente vulnerables a la acción de los sismos.
Es importante mencionar que se encontraron viviendas en perfectas condiciones, muchas de ellas aparentemente de reciente construcción o que quizás habían sido rehabilitadas poco tiempo antes. De acuerdo con Takatani y Nishikawa (2017), la normativa de construcción de vivienda de madera incorporó a partir de 1981 el uso de herrajes o anclajes metálicos para mejorar la conexión entre vigas, postes, paneles y la cimentación, así como contar con una cantidad mínima de muros. Con estas mejoras, el comportamiento sísmico de las viviendas fue mejorado de manera significativa.
Edificios de concreto reforzado
La mayoría de los edificios de concreto reforzado visitados presentaron un adecuado desempeño sísmico; se demuestran así las buenas prácticas de diseño y construcción con que cuentan en Japón para este tipo de acciones. Sin embargo, hubo algunos casos en donde se observaron daños, principalmente en los muros diafragma de mampostería, que exhibieron agrietamientos diagonales y en forma de “X” en los muros exteriores. Se desconoce si al interior de edificio se presentaron mayores daños. Los edificios escolares mostraron un adecuado desempeño sísmico; al menos los edificios visitados estaban equipados con sistemas de reforzamiento sísmico.
Conclusiones
En la zona más cercana al epicentro la intensidad alcanzó los valores máximos de la escala japonesa, lo que no concuerda con el mapa de peligro sísmico publicado en 2010. Tal parece que los sismos siguen ganando la carrera y ocurren antes de que sean previstos, evaluados e incorporados a los mapas de peligro sísmico. Favorablemente, el número de víctimas fatales de este evento fue reducido y no reflejó esos niveles de intensidad. Se estima que ello demuestra una ingeniería competente y una sociedad enterada para enfrentar el peligro sísmico.
El fenómeno más desestabilizante provocado por el sismo fue la licuación, principalmente en zonas ganadas al mar o a lagunas costeras. Fueron manifiestos los efectos muy destructivos en viviendas con cimentación somera, debido a grandes asentamientos totales y diferenciales del suelo, así como a significativo agrietamiento y desplazamiento lateral del terreno. Se distinguió el colapso muy acentuado de viviendas viejas y de madera, propiciado por sus techumbres pesadas y conexiones deficientes de sus soportes verticales a la cimentación, o bien escasez de muros estructurales. Ello resulta en estructuras con reducida rigidez lateral, y consecuentemente muy susceptibles a las acciones sísmicas.
En general, pudo apreciarse un comportamiento eficiente de los edificios y obras de infraestructura con cimentaciones profundas, aunque también varios de ellos sufrieron desplomos, y uno de ellos, su volcamiento total. De este caso se desprende una lección clara aplicable a México y a cualquier sitio sometido a sismos, que se refiere a la particular atención que requiere la conexión estructural entre pilotes y losa o cajón de cimentación.
El sismo produjo un levantamiento de hasta 4 m de enormes porciones costeras, que alejaron centenas de metros la línea de costa, con grave impacto en muelles e instalaciones portuarias. Se observaron múltiples fallas de terraplenes carreteros en la cercanía de la zona epicentral, en particular en la autopista que conduce a Suzu. Ocurrieron también muchos deslizamientos en laderas naturales con colapso de viviendas construidas en estas, o al pie del talud. Fuimos informados de que otras obras de infraestructura, tales como presas y túneles, tuvieron un comportamiento y respuesta eficientes.
El análisis de la relación causa-efecto del comportamiento observado de estructuras y cimentaciones en este sismo en Japón coadyuvará seguramente en la revisión de las prácticas de construcción y su normativa en México
Referencias
Kubo, H., et al. (2024). Análisis de inversión del hipocentro del terremoto de la península de Noto de 2024 Instituto de Investigación para la Prevención de Desastres, Universidad de Kyoto. Comunicación personal.
National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience, NIED (2024).
Takatani, T., y H. Nishikawa (2017). Seismic of performance of Japanese-style two-story wooden house aganist the 2016 Kumamoto earthquake. Seúl. World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics.
Tsukamoto, Y. y K. Ishihara (2022). Advances in soil liquefaction engineering. Springer.
