Resiliencia Sísmica de Edificios

El proyecto CB-2016-287457 "Desarrollo de un nuevo método para evaluar la resiliencia sísmica de edificios" fue aprobado con financiamiento por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología el 24 de noviembre de 2017 como parte de la Convocatoria de Investigación Científica Básica 2016, siendo el Responsable Técnico el Dr. Jorge Ruiz-García. 

​

Antecedentes 

En términos generales, la resiliencia se refiere a la capacidad de adaptarse ante una adversidad. De acuerdo al Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED), una comunidad resiliente es aquella que tiene tres capacidades: A) de absorber la presión o potencial destructivo través de la resistencia o adaptación, B) de mantener sus funciones básicas durante contingencias, y C) de recuperarse después de un evento. En particular, los edificios existentes (esenciales, residenciales, comerciales, de oficinas, etc.) forman una parte importante de la infraestructura civil en una comunidad urbana, los cuales pueden estar sometidos a eventos naturales extremos como los sismos. Por ello, es de suma importancia contar con métodos que permitan evaluar la resiliencia de edificios en un ambiente sísmico; es decir, métodos que permitan evaluar su desempeño ante eventos sísmicos extremos, las consecuencias ante posibles daños, su capacidad para resistir réplicas intensas, y el tiempo estimado para lograr recuperar su funcionalidad.

 

Cabe notar que las estructuras ubicadas en zonas de alto peligro sísmico no son expuestas a un solo evento, sino a una secuencia sísmica (conformada por eventos precursores, el evento principal y las réplicas), donde las réplicas sísmicas pueden incrementar las deformaciones permanentes y el estado de daño observado después del evento principal, e inclusive provocar el  colapso parcial  o total de dichas estructuras. Por ejemplo, el terremoto del 7 de septiembre de 2017 ocurrido en la región sureste del estado de Chiapas tuvo una magnitud de 8.2 y a la fecha se han registrado más de 5,000 réplicas, siendo la de mayor magnitud de 6.1 (SSN, 2017; USGS, 2017), las cuales pudieron incrementar el estado de daño de las edificaciones. Por ello, las metodologías actuales para la evaluación de estructuras existentes (por ejemplo, edificios), o bien para  el diseño de nuevas estructuras, deberían de tomar en cuenta no solo la presencia del evento sísmico principal, sino también de las réplicas.

 

Las metodologías modernas propuestas para la evaluación sísmica de edificios, como las recomendaciones FEMA P-58 (2012) en los Estados Unidos, se basan en considerar explícitamente las incertidumbres en la demanda sísmica, así como evaluar el desempeño de los edificios en términos de sus probables consecuencias (como el número de pérdidas humanas y heridos, costo de reparación del edificio, tiempo de interrupción, etc.) debido al daño estructural, o no estructural, ocasionado por la acción sísmica. En particular, se evalúa la probabilidad que el edificio colapse. Como parte de la metodología propuesta en el documento FEMA P-58 (2012) se incluye la estimación, por primera vez, de las distorsiones permanentes del edificio (es decir, el desplazamiento permanente en un entrepiso dado normalizado con respecto a su altura) al final del evento sísmico, con la finalidad de decidir sí el edificio puede ser reparable, o se requiere demoler debido a distorsiones permanentes excesivas. Para ello, el documento FEMA P-58 (2012) propuso expresiones simplificadas que permiten predecir la distorsión residual que sufrirá un edificio ante un evento sísmico específico. Sin embargo, el documento FEMA P-58 (2012) reconoce que las expresiones propuestas para estimar las distorsiones permanentes son simples, dada la alta incertidumbre que involucra su estimación, y aplicables a edificios con regularidad en planta y elevación.

 

De especial importancia en una comunidad resiliente son los edificios esenciales (como los hospitales) y para vivienda (unifamiliar o multifamiliar), dado el gran número de personas que se tendrían que evacuar y proporcionar alojamiento temporal. Particularmente, los edificios multifamiliares que exhiben una planta baja débil (debido a la irregularidad en la distribución de rigidez, dado el uso de muros en los pisos superiores al primer nivel) han presentado un comportamiento sísmico inadecuado, e inclusive el colapso, ante eventos sísmicos extremos como los ocurridos el 7 y 19 de septiembre del 2017 (reportes SSN, 2017).

 

Asimismo, 8 hospitales generales o regionales del IMSS perdieron su funcionalidad debido a los daños durante los temblores del 7 y 19 de septiembre del 2017; en particular, 3 hospitales volverán a su funcionalidad en un periodo de entre 12 y 24 meses (Excelsior, 2017). Por ello, su resiliencia debe cuantificarse y mejorarse en caso de ser necesario para minimizar su pérdida de funcionalidad. Con base en la anterior discusión, en este proyecto se pondrá énfasis en evaluar la resiliencia de edificios esenciales y con planta baja débil, a diferencia de estudios anteriores que se han enfocado en edificios ordinarios y regulares.

 

Hipótesis

No obstante los avances en la metodología propuesta por el documento FEMA    P-58 (2012) para la evaluación sísmica de edificios ordinarios, dicho documento no proporciona indicadores ni un método para estimar la capacidad residual de los edificios después de un evento sísmico. La capacidad residual es un indicador de la habilidad de un edificio previamente dañado ante un evento sísmico para resistir y evitar el colapso ante eventos sísmicos subsecuentes, cómo una réplica intensa que puede ocurrir en un intervalo de tiempo muy corto (Luco et al., 2004; Maeda et al., 2004; Polese et al., 2012; Ruiz-García y Aguilar, 2014). De esta manera, la evaluación de la capacidad residual de un edificio que fue sujeto a una excitación sísmica implica determinar la pérdida de su capacidad original (en términos de su resistencia, rigidez, capacidad de deformación, o bien una combinación de ellas) y puede ser una medida de su desempeño ante futuras réplicas. Inclusive, la evaluación de la capacidad residual puede asociarse a las medidas de decisión post-sísmica (por ejemplo, decidir sí el edificio puede ser ocupado y mantenerse funcional, o se debe restringir su acceso; o bien, decidir si puede ser reparable o debe demolerse debido a desplazamientos permanentes excesivos), el tiempo de recuperación de la funcionalidad original y, en general, de la resiliencia sísmica del edificio. 

 

Estudios recientes desarrollados por el proponente (Ruiz-García y Aguilar, 2014; 2017) sugieren que la capacidad residual de un edificio existente estructurado a base de marcos de acero depende de su nivel de distorsión permanente al final del evento sísmico principal. Para fines de ilustración, en la Figura 3 se ejemplifica el desplazamiento lateral permanente en una estructura de acero.

 

Sin embargo, esta hipótesis debe verificarse para edificios con otro tipo de sistema estructural, como los que se encuentran en edificios esenciales o para vivienda. Cabe notar que el desplazamiento lateral permanente de un edificio se puede medir cuantitativamente después de un evento sísmico por medio de teodolitos robotizados o dispositivos con GPS; o bien obtener una estimación mediante ecuaciones que tomen en cuenta las características básicas del edificio. Por ello, cómo parte de este proyecto, se propondrán ecuaciones para estimar adecuadamente las distorsiones permanentes en el tipo de edificios considerados en este proyecto. Asimismo, dado que el daño estructural se encuentra asociado a la distorsión máxima, ya sea global o de entrepiso, se propondrán ecuaciones para estimar las distorsiones máximas a partir de las distorsiones permanentes, lo cual es de mucha utilidad para la evaluación post-sísmica de edificios. Asimismo,  se plantea la hipótesis de que un edificio dañado previamente debido a un evento principal, puede experimentar desplazamientos permanentes excesivos ante réplicas intensas que conduzcan a su demolición; por lo que también se plantea determinar su potencial de demolición ante futuras réplicas con base en su capacidad residual. Finalmente, se asume que es posible proponer funciones para estimar el tiempo necesario para recobrar la funcionalidad del edificio con base en la información de su capacidad residual y su potencial de demolición ante réplicas.  

 

De esta manera se plantea que es posible proponer un nuevo método de evaluación para cuantificar la resiliencia de edificios existentes ante secuencias sísmicas evento principal-réplicas, considerando explícitamente su capacidad residual después del evento principal, su potencial de demolición al estar sometido ante posibles réplicas intensas mediante una estimación de la distorsión permanente que puede exhibir y, de esta manera, proporcionar una estimación del tiempo necesario para recobrar su funcionalidad.

 

Objetivo 

El objetivo del proyecto que se propone consiste en desarrollar un nuevo método de evaluación post-sísmica para evaluar la resiliencia de edificios ante eventos sísmicos, considerando explícitamente su capacidad residual después del evento principal, su capacidad de demolición ante posibles réplicas intensas y una estimación del tiempo necesario para recobrar su funcionalidad.

 

​