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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

VULNERABILIDAD SÍSMICA DE LA COLONIA ROMA, CIUDAD DE MÉXICO

Eduardo Arellano Méndez1 , Hugón Juárez García1 y Alonso Gómez Bernal1

RESUMEN Predecir el comportamiento de las estructuras de mampostería y de concreto de la Colonia Roma ante diferentes escenarios de riesgo sísmico caracterizados por intensidades del movimiento y generar mapas de daño y de vulnerabilidad que puedan adoptarse como un Atlas de Riesgo Sísmico. Esta información puede ser de utilidad para las agencias gubernamentales, que deben contemplar la posibilidad de proveer recursos de manera racional en aquellos lugares donde se necesitan, para poder mitigar los daños que ocurrirán en futuros eventos sísmicos de importancia.

ABSTRACT A census, a data base along with a study on the structural characterization and the seismic vulnerability of structures of the Colonia Roma are presented in this paper. Vulnerability Class and Damage Grade maps are presented for structures in this area, to identify those structures with the highest damage grades and the worst vulnerability classes in order to mitigate damages in future earthquakes.

ANTECEDENTES En los sismos de 1985 que afectaron a la Ciudad de México, los daños observados se concentraron en ciertas zonas de la ciudad, particularmente en la Colonia Roma. La Colonia Roma se encuentra situada en la zona de terreno blando del Distrito Federal, esta zona del Distrito Federal, se ha considerado desde entonces como una de las más vulnerables, por el efecto local y la amplificación del movimiento sísmico del terreno. En esa zona algunas estructuras sufrieron daño estructural fuerte y fueron reforzadas de manera adecuada; sin embargo, existen muchas otras que se abandonaron por los daños que presentaron y donde sólo se conservan las fachadas por el interés histórico implícito en ellas; algunas de las estructuras dañadas siguen habitadas y representan un gran peligro para sus ocupantes; otro grupo numeroso de estructuras presentaron daño pero los ocupantes actuales desconocen si fueron reparadas y si deben efectuar algún tipo de dictamen estructural.

INTRODUCCIÓN En este trabajo se desarrollaron un conjunto de mapas, que representan los posibles escenarios de daño estructural ante sismos futuros de una zona de estudio en la Colonia Roma, que incluye 1439 estructuras, distribuidas en 67 manzanas. Un número importante de estructuras (1428) son de mampostería o de concreto, para todas las estructuras que fueron censadas se determinó la clase de vulnerabilidad y el grado de daño estructural actual, tomando como base la Escala Macrosísmica Europea. A partir de esos datos y con algunos escenarios de riesgo sísmico, se determinaron los probables cambios en el grado de daño presente en las estructuras. La zona de estudio que analizamos ha ido creciendo paulatinamente, ya que en un principio sólo contemplaba 641 estructuras (Arellano 2003).

1 Profesor Investigador, Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, San Pablo no. 180, Col.

Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F. Teléfono: (55)5318-9461; Fax: (55)5318-9085; [email protected]

XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Gro., 2004

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ZONA DE ESTUDIO Se seleccionó una zona de estudio, dentro de la Colonia Roma, y se realizó un censo para conocer las características estructurales de los inmuebles. La selección de los límites de la zona de estudio se hizo através de una investigación documental, en la cuál se trató de establecer espacialmente la ubicación de los inmuebles reportados como dañados después de los sismos de 1985; asimismo, se consideraron los daños en estructuras de mampostería reportados por Otani en 1985. La zona de estudio que se muestra en la figura 1 está limitada al poniente por las avenidas Insurgentes Sur y Yucatán, al oriente por la avenida Cuauhtémoc, al norte por Puebla y al sur por la avenida San Luis Potosí.

Figura 1 Zona de estudio de la Colonia Roma CENSO La base de datos digital que se ha realizado hasta ahora corresponde a más de 1400 estructuras, el trabajo se ha realizado en un periodo de tres años aproximadamente. Se han elaborado formatos de captura de información, se han tomado fotografías de las estructuras y se ha recopilado la mayor información estructural posible, además de otra información pertinente. El promedio de horas que ha requerido este trabajo es de 3000 horas; se ha entrenado a personal calificado para elaborar la captura de la información en campo y de manera digital, esto implica recursos humanos, técnicos y económicos. El expediente completo consta de más de 1400 expedientes en formatos de campo y una base de datos digital con las fotografías digitalizadas de cada estructura censada. En los formatos de captura se ha incluido la siguiente información, en rasgos muy generales: Localización, Información Estructural, Elementos No Estructurales, e Información Fotográfica.

Ubicación Detallada La información sobre la Ubicación Detallada incluye los siguientes datos: Calle, Número, Entre que Calles se encuentra, Colonia, Código Postal y Delegación.

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Información estructural La Información Estructural incluye los datos más relevantes de la estructura: Año de construcción, Número de niveles, Existencia de sótanos, Época de construcción, Uso de la estructura, Tipo de estructura, Estructuración, Sistema de Piso, Cimentación, Colindancias, Reparaciones Anteriores, Regularidad en Planta, Regularidad en Elevación, Ubicación dentro de la manzana y un apartado para observaciones, en el que se pude incluir información acerca de la presencia de problemas estructurales visibles, tales como: grietas, hundimientos, desplomes, falta de mantenimiento. Seguridad de elementos no estructurales En la información sobre Seguridad de Elementos no Estructurales se encuentra la información acerca de pretiles, vidrios, e instalaciones entre otros. Las calificaciones asignadas para estos elementos pueden ser: Aceptable, Intermedia o Alta. Las calificaciones resumen el nivel de riesgo que representan los elementos no estructurales del exterior y del interior. Información fotográfica La Información Fotográfica es determinante, ya que permite mostrar detalles de la estructura que serían muy difíciles de describir en el formulario del censo, y muestra claramente la gravedad de los problemas estructurales y de mantenimiento.

Figura 2 Formulario Base de Datos La información recabada sirvió para elaborar una base de datos digital. La información electrónica es útil para poder agrupar, resumir, relacionar y graficar los datos. El formulario muestra la información de cada inmueble (ver figura 2).


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En la base de datos se agruparon las estructuras de acuerdo con el tipo de material de construcción; sin embargo, al tratar a cada grupo de estructuras (Mampostería, Concreto y Acero) se observó que existen diversas características estructurales dentro de un mismo grupo; por esta razón en las tablas que se presentan más adelante, se conservaron las características de las estructuras de manera completa. Las diferentes características estructurales utilizadas en el análisis de los datos, se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1 Características Estructurales.

Uso por nivel Tipo de estructura Estructuración Sistema de piso Cimentación Casa habitación Acero Muros de carga Lámina Cajón

Estacionamiento Mampostería con refuerzo Marcos Losa maciza Mampostería de adobe

Planta baja comercial, pisos superiores habitacionales

Mampostería sin refuerzo Muros de concreto Losa reticular Mampostería de piedra

Planta baja comercio y habitación Concreto prefabricado Losa maciza Madera y teja Pilotes de punta

Servicio comunitario Concreto reforzado Marcos y muros de carga Otros Polines enterrados en el suelo

Servicio particular comercio Otros Mixta Sin techo Sin cimentación Servicio público Losa reticular Vigueta y bovedilla Zapatas aisladas

Terreno baldío Vigueta y bovedilla Zapatas aisladas más piedra

Muros de madera Zapatas corridas

Sistema de techo de madera

Sin estructura CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA ESCALA MACROSÍSMICA EUROPEA Clases de vulnerabilidad y Grado de Daño Las clases de vulnerabilidad utilizadas se muestran en la tabla 2 de acuerdo con la Escala Macrosísmica Europea (EME), (Grünthal, 1998).

Tabla 2 Clases de vulnerabilidad de la escala (EME)

Clase de vulnerabilidad A B C D E F Descripción Muy alta Alta Media Baja Muy baja Casi nula

Existen cinco grados de daño, también relacionados con la escala EME, que sólo incluyen a las estructuras de mampostería y las de concreto, que son además las que son de interés en este estudio; dichos grados son ascendentes, el que corresponde a estructuras sin daño hasta el correspondiente a estructuras colapsadas. Los grados de daño de la mampostería de la escala EME no corresponden perfectamente al tipo de estructuras que existen en la Colonia Roma, ya que la mampostería es muy heterogénea en la Colonia Roma; sin embargo, los grados de daño son gráficos y se emplearon haciendo algunas consideraciones en las estructuras de la zona de estudio. En el caso de las estructuras de concreto, las diferencias con aquellas de la colonia Roma y las que reconoce la escala EME, son mucho menores (ver tabla 3). DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS Los datos corresponden a 1428 estructuras de las 1439 de la zona; cabe hacer mención que, en este trabajo, no se incluyen las estructuras de acero, a los lotes baldíos y estacionamientos sin estructura (clasificados “sin estructura”). De las estructuras analizadas, 1000 son de mampostería, 428 de concreto reforzado (ver la figura 3) estos dos tipos de estructuras conforman la mayoría de las que se observaron en la zona de estudio.

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Tabla 3 Grados de daño.

Tipo de estructura Grado 1 Grado 2 Grado 3 Grado 4 Grado 5 Mampostería

Concreto

Figura 3 Tipos de materiales empleados en las Estructuras Estructuras de mampostería en la zona de estudio La calidad de las construcciones es muy variable, depende del tipo de material, (tabiques recocidos, bloques de concreto, etc.), así como de los procedimientos de fabricación de las piedras o tabiques empleados. En las construcciones censadas, se encontraron estructuras fabricadas con piedra, tabiques de concreto pesados,


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tabiques de barro rojo recocido, tabiques extruidos, etc. La variación de la resistencia de las piedras o tabiques manufacturados, es tan grande que sería casi imposible determinar el comportamiento y la resistencia sísmica de un grupo de estructuras a partir de otro. Los materiales resistentes como los tabiques de concreto pesados, pueden tener una resistencia a la compresión muy elevada, sin embargo el mortero con el cuál estén unidos puede ser de una calidad muy inferior, y pueden llegar a comportarse de manera similar a las estructuras construidas con tabiques de baja calidad y morteros pobres; estas características deben considerarse para establecer la clase de vulnerabilidad más apropiada. El comportamiento y la resistencia sísmica de las estructuras de mampostería varía con la cantidad de elementos de refuerzo lateral que posean. Existen construcciones muy antiguas sin refuerzo lateral; o estructuras que carecen de confinamientos laterales adecuados. Todas estas estructuras tienen resistencias sísmicas diferentes; también hay estructuras muy pesadas con sistemas de piso flexibles, que exhiben un comportamiento deficiente ante fuerzas sísmicas, por lo que su resistencia y comportamiento sísmico se vuelve cuestionable. Las estructuras de mampostería están divididas en dos grupos: mampostería sin refuerzo y mampostería con refuerzo. El tipo de estructuración predominante en ambos grupos es el de estructuras con muros de carga reforzados, la cimentación es de zapatas corridas. El sistema de piso es con losas macizas perimetralmente apoyadas. Estas estructuras tienen pocos niveles, el uso al que generalmente se destinan es habitacional y de comercio (ver tabla 4).

Tabla 4 Estructuras de mampostería con y sin refuerzo

Estructuración Niveles Sistema de Piso Cimentación Uso

Muros de carga 955 0 13 Losa

maciza 538 Zapatas corridas 225 Habitacional 499

Mixta 5 1 151 Bóveda Catalana 396 Zapatas aisladas 4 Garaje 36

Bardas 40 2 518 Vigueta y bovedilla 4 Mampostería de

piedra 736 Planta baja comercial,

superiores habitacionales

184

3 273 Lámina 20 Sin cimentación 35 Oficinas privadas 53 4 41 otros 2 Comercio 91 5 2 Sin techo 40 Servicio público 117 6 1 Terreno bardeado 20 >6 1

Estructuras de concreto reforzado en la zona de estudio Las estructuras de concreto reforzado varían ampliamente en diseño y resistencia; por lo cual resulta difícil presentar una guía simple de clasificación, sin embargo se ha hecho una división basada en el nivel de diseño sismo-resistente, la edad de la construcción así como el nivel de ingeniería y asesoría involucrado. En la zona de estudio hay estructuras de concreto que sustituyeron a estructuras dañadas en sismos anteriores, lo que ha provocado que estas tengan un mejor nivel de seguridad estructural. Las estructuras de concreto se componen generalmente de concreto reforzado, estructuradas mediante marcos de concreto, en algunos casos con muros de mampostería. Se usan generalmente para estructuras de mediana altura, de 5 niveles en adelante. El sistema de piso empleado en estas estructuras es de dos tipos, losa plana y losa maciza. La cimentación es generalmente de zapatas corridas. Los usos son diversos, aunque predomina el uso para oficinas y habitacional. Cabe destacar el hecho de que las estructuras de mampostería reforzada, que cuentan con elementos de concreto de dimensiones superiores a las típicas, se han clasificado dentro del grupo de estructuras de concreto (ver tabla 5).

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Tabla 5 Estructuras de concreto reforzado.

Estructuración Niveles Sistema de Piso Cimentación Uso

Marcos contraventeados 4 1 1 Losa

maciza 388 Zapatas corridas 248 Habitacional 157

Marcos 140 2 12 Losa reticular 20 Zapatas

aisladas 2 Garage 3

Marcos con muros de concreto 17 3 52 Vigueta y

bovedilla 20 Cajón 175 Planta baja comercial,

superiores habitacionales

137

Marcos con muros de mampostería 267 4 110 Pilotes 3 Oficinas privadas 43

5 134 Comercio 25 6 59 Servicio público 63 7 21 8 23 >8 16

MAPAS DE CLASE DE VULNERABILIDAD Y DAÑO ACTUAL Para la zona de estudio, se realizaron mapas como el que se muestra en la figura 4; los mapas contienen tres niveles de información: el primero, muestra el tipo de estructuras; el segundo, describe la clase de vulnerabilidad asignada en este estudio; y el tercero, proporciona información relevante del grado de daño de las estructuras. Toda esta información permite generar mapas que muestran la distribución espacial de las estructuras de mampostería y de concreto en la zona de estudio. Para las estructuras de mampostería y de concreto, se generaron mapas donde se muestra la clase de vulnerabilidad y el grado de daño.

Figura 4 Mapas de Características Estructurales Clase de Vulnerabilidad y Grado de daño Esta información es muy útil, ya que con un estudio de peligro sísmico, se elaboran mapas de vulnerabilidad en cada escenario de riesgo; para que se puedan establecer estrategias de emergencia en zonas específicas de la Colonia Roma. Si se elaboran estudios similares en otras zonas de la ciudad, las autoridades podrán


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establecer zonas de máxima prioridad de emergencia, que les permitan obtener el máximo provecho a los recursos de contingencia. Mapa de clase de vulnerabilidad En la figura 5 se muestra el mapa de clases de vulnerabilidad asignadas a las estructuras, con los colores se presenta la clase de vulnerabilidad, así como la distribución de las estructuras. El mapa se formó asignando a cada estructura una clase de vulnerabilidad. Se adaptaron las clases de vulnerabilidad de la Escala Macrosísmica Europea, como se mencionó anteriormente.

Figura 5 Clases de vulnerabilidad en estructuras de mampostería. Mapa de grado de daño En la figura 6 se presenta el mapa de grados de daño asignados a las estructuras. Los colores muestran la distribución de grados de daño que presentan actualmente las estructuras. Esta información resulta muy útil si se desea emprender campañas de prevención, como la reducción de la vulnerabilidad sísmica de estructuras, por parte de las diferentes entidades de gobierno, como lo son Protección Civil entre otras. Es importante destacar que en algunos lotes que se marcan con grado de daño 0 o sin grado de daño, se refiere a lotes sin estructuras, ya sea porque son terrenos baldíos o porque el uso es de estacionamiento y no tienen casetas o

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algún otro tipo de estructuras. En este mapa se les asignó a las estructuras de mampostería un grado de daño, ya que han estado sujetas a varios ciclos de carga por sismos anteriores.

Figura 6 Grados de daño en estructuras de mampostería. Al analizar los datos de las estructuras se consideró subdividirlas para poder estudiar mejor el comportamiento; en la tabla 6 se muestran las divisiones entre las estructuras, y en el mapa de la figura 7 se muestra su distribución.

Tabla 6 Clasificación de las estructuras.

A Mampostería con refuerzo y ladrillo hueco

B Mampostería con refuerzo y ladrillo sólido

C Mampostería sin refuerzo

D Concreto reforzado

E Concreto prefabricado

F Acero

G Mixta

H Sin clasificación


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Figura 7 Distribución de las estructuras por tipo. CARACTERÍSTICAS DE LOS TIPOS DE ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA Mampostería con Refuerzo y Ladrillo Hueco Las características de clase de vulnerabilidad y grado de daño que tienen actualmente estas estructuras se observan en la tabla 7 en la columna referente al estado actual; las edificaciones destinadas a vivienda tienen cimentación de piedra, cuentan con muros de carga y losas macizas de concreto, en la figura 8 se muestra una estructura de este tipo. Mampostería con refuerzo y ladrillo sólido. La clase de vulnerabilidad y grado de daño actual se puede observar en la tabla 7 en la columna Estado Actual; éstas estructuras son las que predominan en la zona, aunque distribuidas en tres clases de vulnerabilidad, dichas edificaciones destinadas a vivienda, tienen en muchos casos espacios destinados a comercios en la planta baja; el sistema de piso varía ampliamente y va desde las tradicionales losas catalanas hasta la losa maciza. Los sistemas resistentes característicos son los muros de carga, algunos están reforzado de una forma muy ligera, aunque tienen refuerzo, no puede considerarse como mampostería confinada. En

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éstas edificaciones las edades revelan la clase de vulnerabilidad y el grado de daño, en a figura 9 se muestran estructuras representativas de este tipo.

Figura 8 Mampostería con refuerzo y ladrillo hueco

Figura 9 Mampostería con refuerzo y ladrillo sólido Mampostería sin refuerzo Estas estructuras construidas generalmente antes de 1957, están cimentadas en zapatas corridas de piedra, su uso es habitacional, su sistema de piso es ”catalán” o de madera, en algunos casos presentan daño ocasionado por hundimientos y por la frecuencia de sismos pasados a la que se han sometido, la figura 10 muestra elementos representativos de este tipo. La clase de vulnerabilidad y grado de daño se observa en la columna Estado Actual de la tabla 7.

Figura 10 Mampostería sin refuerzo Concreto Reforzado y Prefabricado La clase de vulnerabilidad y grado de daño actual de éstas estructuras se observan en la tabla 7 en la columna de Estado Actual. Estas estructuras son, en general, “más altas” que las de mampostería, están cimentadas con zapatas corridas o cajón, su sistema estructural es con marcos resistentes a momento que, en algunos casos,


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presentan muros de concreto o de mampostería. El sistema de piso es de losa maciza y losa plana, las estructuras se destinan a departamentos y oficinas.

Figura 11 Concreto reforzado

Figura 12 Concreto Prefabricado Acero En la zona de estudio sólo hay 8 expedientes con estructuras de acero, las características estructurales son marcos de acero con losa-acero o con techumbre de armaduras cubiertas con lámina, la cimentación es de zapatas aisladas, los usos son diversos (bodegas, oficinas y estacionamientos), la clase de vulnerabilidad y grado de daño actual se observa en la tabla 7.

Figura 13 Concreto Prefabricado

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Tabla 7 Clasificación de las estructuras.

ESTADO. ACTUAL INTENSIDAD VI INTENSIDAD VII INTENSIDAD VIII INTENSIDAD IX

Vulnerabilidad GD A B C D E F A B C D E F A B C D E F A B C D E F A B C D E F 0 1 1 I 3 3 4 1 II 2 III 1 3 IV 1

Mampostería con refuerzo y ladrillo hueco

V 0 I 267 447 447 380 134 II 100 96 19 100 363 19 227 83 108 262 139 III 3 3 80 136 3 28 200 70 108 257 IV 3 3 26 58 55 45 200 70

Mampostería con refuerzo y ladrillo sólido

V 2 2 2 22 63 55 0 I 12 II 4 16 III 1 1 9 3 IV 1 1 8 9 5

Mampostería sin refuerzo

V 1 6 13 0 2 1 1 I 2 226 135 4 226 135 2 193 115 69 114 43 II 20 21 6 20 21 6 2 52 26 142 26 74 77 III 1 1 1 1 20 4 20 37 1 6 137 21 IV 1 4 1 14 38

Concreto reforzado

V 1 1 1 1 1 1 5 0 2 2 2 2 1 I 1 5 1 5 1 5 5 5 II 1 1 III 1 IV

Acero

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RELACIONES DE ATENUACIÓN PARA TERREMOTOS MEXICANOS BASE DE DATOS SÍSMICA En la tabla 8 se presentan las características más sobresalientes de 36 terremotos ocurridos entre 1964 y 1999, como se observa, el momento varia entre 6 y 8.1, y el tipo de falla se agrupó en tres categorías: interplaca, intraplaca y superficial (ver figura 14). Todos los terremotos han sido registrados en la zona de terreno firme del Valle de México (zona I, de la reglamentación local de la Ciudad de México; en especial en la estación de Ciudad Universitaria). Los acelerogramas registrados corresponden a estaciones de campo libre o con estructuras ligeras colindantes, donde los efectos de interacción suelo-estructura son despreciables. Modelo matemático Las relaciones de atenuación para las aceleraciones vertical y horizontal máximas fueron evaluadas a partir de la información recopilada. Esta información corresponde a la medida en las estaciones que se distribuyen a lo largo del frente de onda de un sismo determinado (desde la fuente al punto de medición). A la fecha se han reunido un total de 25 eventos. El modelo de atenuación usado considera que la aceleración máxima, PGA, es función de la distancia X a la falla en km, ecuación 1.

log PGA = b - log (DX + c) - k DX (1)

Donde b es un coeficiente que depende de cada tipo de terremoto; c, representa la atenuación geométrica; y k el amortiguamiento viscoso. El factor k fue de 0.0015 para sismos interplaca y superficial, y de 0.0025 para intraplaca. Es importante comentar que en el coeficiente c se considera la saturación en la zona próxima a la fuente, y la distancia efectiva, la cual se incrementa con la magnitud, dando origen a la ecuación 2.

wMc 525.0100055.0 ×= (2) Procedimiento Para obtener la función de atenuación se llevan a cabo dos análisis de regresión según lo propuesto por Si y Midorikawa (2000). El primer análisis de regresión se efectúa para determinar el coeficiente b, utilizando las ecuaciones 1 y 2 para cada uno de los 25 eventos. Entonces con la magnitud del momento, Mw, el tipo de falla y la profundidad focal, se determina nuevamente el coeficiente b mediante un análisis de regresión pero utilizando la ecuación 3.

b = aMw + d H + Σ ei Si + f + ε (3)

Donde H es la profundidad focal en km; Si el tipo de falla; ε la desviación estándar; a, d, ei y f son los coeficientes de regresión. En la tabla 9 se presentan los resultados obtenidos del análisis de regresión. Resultados En la figura 15, arriba a la derecha, se muestran las curvas de regresión para las componentes vertical y horizontal del sismo del 10 de diciembre de 1994; mientras que arriba a la izquierda, se correlaciona el coeficiente b, obtenido con las ecuaciones 1 y 2, con la magnitud del momento, y se observa que los valores del coeficiente b son similares para distintas magnitudes, por lo que existen factores adicionales que afectan el movimiento; por lo tanto, fue necesario realizar un ajuste utilizando la ecuación 3, como se describió previamente.

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Tabla 8 Base de datos de terremotos

Figura 14 Ubicación de los terremotos usados empleados. Los eventos se clasifican en: interplaca (círculo), intraplaca (estrella) y Superficial (triángulo).

No Fecha Mw Prof (km) Lat. N., -Lon. W No. estaciones Tipo de falla 1 64/07/06 6.7* 100 18.030, 100.770 - Intra-placa C 2 65/08/23 7.0* 33 15.380, 96.120 - Inter-placa B1 3 68/08/02 7.1* 33 16.070, 98.100 - Inter-placa B1 4 78/11/29 7.8 16.1 16.000, 96.690 - Inter-placa B2 5 79/03/14 7.4 26.7 17.490, 101.26 11 Inter-placa A 6 80/10/24 7.1 63.4 18.030, 98.290 - Inter-placa C 7 81/10/25 7.2 31.8 17.880, 102.15 - Inter-placa C 8 82/06/7ª 6.9 10.7 16.170, 98.360 - Inter-placa B1 9 82/06/7b 6.9 18.6 16.260, 98.510 - Inter-placa B1

10 85/09/19 8.1 21.3 18.081, 102.942 30 Inter-placa A 11 85/09/21 7.5 20.8 18.021, 101.479 26 Inter-placa A 12 86/04/30 6.9 20.7 18.024, 103.057 15 Inter-placa A 13 88/02/2 5.8 47.8 17.494, 101.57 28 Intra-placa C 14 89/04/25 7.0 15.0 16.603, 99.400 43 Inter-placa B2 15 90/05/31 5.9 26 17.106, 100.893 54 Inter-placa 16 93/05/15 6.0 38.5 16.430, 98.740 30 Inter-placa B1 17 93/09/10 7.2 29.1 14.140, 92.820 10 Inter-placa B2 18 93/10/24 6.6 21.8 16.540, 98.980 44 Inter-placa B1 19 94/03/14 6.9 167.6 15.670, 93.010 - Intra-placa D 20 94/05/23 6.2 69.6 18.030, 100.570 54 Intra-placa C 21 94/12/10 6.4 54.0 18.020, 101.56 53 Intra-placa C 22 95/09/14 7.4 21.8 16.310, 98.880 36 Inter-placa B2 23 95/10/09 8.0 5.0 18.740, 104.67 34 Superficial E 24 95/10/21 7.2 163.8 16.920, 93.620 19 Intra-placa D 25 96/02/25 7.1 5.0 15.830, 98.250 20 Superficial E 26 96/07/15 6.8 22.4 17.450, 101.16 54 Inter-placa A 27 97/01/11 7.2 40.0 17.910, 103.04 55 Intra-placa C 28 97/05/22 6.5 55.5 18.41, 101.81 44 Intra-placa C 29 97/07/19 6.9 5.0 16.860, 98.350 - Superficial E 30 98/02/03 6.3 24 15.69, 96.37 22 Inter-placa B 31 98/04/20 5.9 59.9 18.37, 101.21 46 Intra-placa C 32 99/06/15 7.0 69.2 18.180, 97.510 67 Intra-placa C 33 99/06/21 6.3 48 17.99, 101.72 45 Intra-placa C 34 99/09/30 7.5 46.8 15.950, 97.030 60 Intra-placa C 35 99/12/29 5.9 50 18.02, 101.68 27 Intra-placa C 36 03/01/21 7.6 32.6 18.220, 104.60 - Inter-placa A

Fuente : Servicio Sismológico Nacional, Harvard centroid moment tensor solutions y BMDSF. * = Ms


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Tabla 9 Coeficientes de regresión (ec 3).

Componente a d e1 E2 e3 F Horizontal. 0.6066 0.0021 -0.0944 0.1120 -0.6633 -0.1868

Vertical 0.6042 0.0019 -0.1735 0.0793 -0.7215 -0.3531 e1 – Inter-placa; e2 – intra-placa; e3 – Superficial.

En la parte inferior de la figura 15 se muestran las curvas para los tres grupos de sismos (inter e intraplaca y Superficial), para Mw=7.5 y una profundidad de 25 km. Es claro que los sismos intraplaca producen valores altos de aceleración, y contrariamente a los sismos superficiales que generan valores bajos. Por ejemplo, para una distancia de 200 km los valores de aceleración son de 12, 40 y 68 cm/seg2, por tanto, para los mismos eventos superficiales el valor de la aceleración llega a ser una tercera parte del evento interplaca, y este a su vez es el 60% de los valores para un sismo intraplaca. Estos valores coinciden con las aceleraciones observadas en tres sismos superficiales: 9 de octubre de 1995 (Mw=8.0), 25 de Febrero de 1996 (Mw=7.1) y 17 de Julio de 1997 (Mw=6.9). Por otra parte, en la figura 16 se muestran las curvas de atenuación para sismos interplaca para magnitudes de 6.1 y 8.1 y una profundidad de 25 km. Asimismo, se muestran seis curvas de sismos intraplaca de magnitud de 7.6 y profundidades variables entre 35 y 100 km. En esta gráfica el efecto de la profundidad en los valores de la aceleración es evidente. En efecto, para eventos interplaca, a una distancia de 2 km y profundidades de 35 y 100, se obtienen valores de aceleración de 75 y 110 cm/s2, respectivamente. En los sismos superficiales se observa que los valores de la aceleración crecen a medida que el sismo se profundiza. ANÁLISIS ESPECTRAL Se evalúa el espectro de respuesta de aceleración con el 2% de amortiguamiento crítico para las componentes vertical y horizontal en las estaciones SXCU, CU01, CUIP, CUP3, CUP4, CUP5, CENA, CHAS, CUIG y TACY (estación ciudad universitaria). Se calcula el espectro para cada uno de los seis grupos indicados en la tabla 8 y en la figura 14. Todos los espectros se normalizaron con respecto a la aceleración máxima. En la figura 17 (arriba) se comparan los espectros promedio para cada una de las componentes del sismo (C-intraplaca, A y B interplaca y E-superficial), de donde se obtienen los comentarios siguientes:

• Los sismos interplaca no producen amplitudes significativas en los periodos mayores de un segundo; y por el contrario, para los sismos interplaca y superficial se presentan ordenadas espectrales importantes en periodos fundamentales altos (2 a 5 segundos).

• En los eventos A, B ó E la tendencia de las ordenadas espectrales verticales es consistente en los periodos de 2.5 y 3.5 segundos.

• En terremotos superficiales (E), existen amplitudes espectrales altas entre 4 y 6 segundos, para las tres componentes.

Espectro de respuesta teórico en la Colonia Roma Se calcula el espectro de respuesta considerando varios acelerogramas medidos en la estación CO56 localizado en la Colonia Roma. En la figura 18 se muestran los resultados obtenidos para seis eventos de intensidades diferentes. El evento con mayor intensidad es el del 25 de abril de 1989. Los espectros de respuesta señalados ilustran la existencia de efectos de amplificación importantes de los depósitos lacustres en el valle de México. La estratigrafía en el sitio CO56 consiste de un espesor de 33 metros de la serie arcillosa superior, donde se tiene una velocidad de onda de corte de 70 m/s, y un depósito aluvio-lacustre altamente preconsolidado de 1200 m y con una velocidad de 800 m/s. Los cuatro periodos fundamentales observados en la figura 18 para la primera parte del movimiento son: 2.9s, 2.3s a 2.4s (estratos profundos), 1.9 a 2s (estratos superficiales) y los localizados entre 1.7s y 1.8s. Asimismo, se observa que la máxima ordenada de la segunda parte del movimiento se forma de 4 periodos: 0.6s (segundo

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modo de los estratos superficiales), 0.75s (periodo de los depósitos profundos de las ondas Rayleigh), 0.8s y 0.5s dos periodos acoplados.

Figura 15 Comparación entre el coeficiente b contra la magnitud del momento (arriba a la izq.); curvas de regresión (arriba a la derecha); curvas de atenuación (abajo).

Figura 16 Efectos del tipo de falla y distancia focal en sismos.


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Figura 17 Comparación entre los espectros de respuesta promedio en suelo firme de la ciudad de México para distintos grupos (arriba). Espectro de respuesta esperado en suelo firme (abajo).

Cuando las características del periodo del sitio son detectadas en cada sistema de cada sitio, es posible proponer una expresión general que defina el espectro de respuesta (Gómez y Saragoni, 2002).

Figura 18. Espectro de respuesta (2% amortiguamiento) calculado a partir de seis movimientos registrados en la estación CO56 (Colonia Roma).

Para definir el espectro de respuesta en la Colonia Roma es necesario estimar la aceleración máxima del terreno, Amax, como previamente se indicó, por lo que el espectro de aceleración absoluta del terreno es ecuación 4.

( )

222

12

maxlog,⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

cc

c TTT

T

ai eATSα

π

ξξ (4)

Donde, Sai, es la aceleración espectral en el sitio considerado; Amáx, la aceleración máxima absoluta del terreno;Tc, el periodo dominante del sitio; ξ la relación de amortiguamiento crítico, y el coeficiente α está dado en la ecuación 5.

19


⎩⎨⎧

><

=sTsT

3331

α (5)

Para determinar el espectro de respuesta completo, deben de sobreponerse el efecto de todos los periodos; es decir mediante la ecuación 6.

( ) ( )∑= ξξ ,, TSTS aia (6)

El espectro de respuesta sintético para la Colonia Roma se muestra en la figura 19. Aquí, se combinaron ocho curvas, una para cada uno de los periodos definidos en la figura 18, otra para el periodo superior del sistema (2.1s), otra para el inferior (2s) y dos para el sistema completo (1.6s y 2.6s). La máxima aceleración del terreno fue de 0.23g, de acuerdo con la ley de atenuación obtenida previamente para suelo firme utilizando la relación entre el PGA grabado en la superficie y a 102m de profundidad en la estación RMC (SMIS, 2000).

Periodo (s)

Interplaca Mw=8.1

Dist=399km PGA=0.23g

Figura 19 Espectro sintético La figura 7 muestra el espectro sintético de aceleración para la colonia Roma (5% de amortiguamiento crítico). Se considera un terremoto esperado de Mw=8.1 con una distancia al epicentro de 300km. Los periodos empleados fueron: T11= 2s (capas inferiores), T21= 2.1s, T22= 0.7s (capa superior) y T31= 2.6s y T32= 1.6s. La aceleración máxima del terreno fue de Amax=0.23g RELACIÓN ENTE ACELERACIÓN ESPERADA E INTENSIDAD EME Existen formas de relacionar el daño que sufrirán las estructuras con parámetros sísmicos, el que se emplea en este trabajo relaciona la intensidad de la Escala Macrosísmica Europea con la aceleración máxima del terreno. Esto permite estimar el escenario sísmico más desfavorable y el grado de daño asociado en cada tipo de estructura de la Colonia Roma. Además con la propia escala, es posible estimar la cantidad de estructuras que sufrirán daño y el grado asociado, el único dato que no podemos determinar empleando éste método es la ubicación espacial de las estructuras que sufrirán daño debido a que el método no puede discriminar entre dos estructuras con la misma clase de vulnerabilidad y grado de daño inicial, y cuál de las dos sufrirá daño o por que una se daña más que otra, esta parte quizá se pueda explicar mediante la investigación de los efectos de sitio sobre las estructuras, o mediante la construcción de curvas de isoperiodo y comparándolas con el periodo de las estructuras. Esto implica mayor trabajo de cálculo y robustece el procedimiento, en etapas posteriores del trabajo se definirán procedimientos para asignar daño a las estructuras de manera espacial, para tratar de evaluar cuáles resultarán afectadas.


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En la tabla 10 se presenta una relación entre intensidad y aceleración de acuerdo con Arellano (2002) y para los fines de este trabajo, esta definición permite realizar estimaciones del número de estructuras dañadas. Sí la aceleración máxima del terreno es de 0.23g, la intensidad del movimiento en la Colonia Roma está entre VII Dañino y VIII Gravemente Dañino, sin embargo en la tabla 7 mostramos los resultados para las intensidades desde VI hasta IX. El mostrar otras intensidades tiene como objetivo el proporcionar herramientas para sismos diferentes al de Mw=8.1 y con epicentro a 300 km; si ocurre otro sismo que produzca intensidades menores tendremos herramientas para estimar el daño y en caso de que nuestra predicción fuera ampliamente rebasada tenemos un posible escenario de daño en nuestra zona de estudio.

Tabla 10 Relación entre intensidad, daño y aceleración máxima esperada

EMS Clase de Vulnerabilidad

A B C D E F Acel. % g

Definición Grado % Grado % Grado % Grado % Grado % Grado % I No sentido 0.0 II Apenas sentido 0.0<-0.15 III Débil 0.15-0.2 IV Ampliamente

Observado 0.5-2

V Fuerte 1 0-15 1 0-15 2-5 VI Levemente

Dañino 1 2

15-55 0-15

1 2

15-55 0-15

1 0-15

5-10

VII Dañino 3 4

15-55 0-15

2 3

15-55 0-15

2

0-15 1 0-15 10-20

VIII Gravemente dañino

4 5

15-55 0-15

3 4

15-55 0-15

2 3

15-55 0-15

2 0-15 20-50

IX Destructor 5 15-55 4 5

15-55 0-15

3 4

15-55 0-15

2 3

15-55 0-15

2 0-15 50-80

X Muy destructor 5 55-100 5 15-55 4 5

15-55 0-15

3 4

15-55 0-15

2 3

15-55 0-15

2 0-15 80-130

XI Devastador 5 55-100 4 5

55-10015-55

4 5

15-55 0-15

3 4

15-55 0-15

2 1

15-55 0-15

150-200

XII Completamente devastador

Destr. 100 Destr. 100 Destr.casi

100 Destr.

55-100 Destr. 55-100 Destr. 55-100 >200

CAMBIOS EN EL GRADO DE DAÑO

Empleando a la intensidad como medida del movimiento del terreno, y aceptando que el escenario sísmico puede estar entre las intensidades VII y VIII (ver la tabla 10), podemos bosquejar un panorama aproximado del grado de daño (ver la tabla 7) que pueden alcanzar las estructuras en la zona de estudio (ver figura 1) dentro de la Colonia Roma. Intensidad VII Las estructuras de Mampostería sin refuerzo son 18 estructuras, (ver la tabla 7), presentan un cambio muy grande en los grados de daño, debido a la gran susceptibilidad inherente de las estructuras, ya que son clase de vulnerabilidad A. La composición de las estructuras queda de la siguiente manera.

• Grado de daño actual I (67%), II (22%), III (6%) y IV (6%) que pasan a: daño III (50%), IV (46%),y V (4%).

Las estructuras de Mampostería con refuerzo son 937 estructuras, (ver la tabla 7), impactan de forma determinante los resultados ya que están divididas en clases de vulnerabilidad, las clase A son 108, las clase B son 363, y las clase C son 466 estructuras. Cuando la Intensidad es VII las estructuras quedan con la siguiente composición.

• Clase A daño actual II (92%), III (3%), IV (3%) y V (2%) que pasan a: daño III (74%), IV (24%),y V (2%).

• Clase B daño actual I (74%), II (26%) y que pasan a II (63%), III (37%). • Clase C daño actual I (96%), II (4%), que pasan a I (81%), II (18%)y III (1%).

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Las estructuras de concreto, también impactan de forma determinante los resultados ya que son 416 estructuras divididas en clases de vulnerabilidad, las clase B son 25, las clase C son 249, y las clase D son 141 estructuras. Cuando la Intensidad es VII las estructuras quedan con la siguiente composición.

• Clase B daño actual 0 (8%), I (8%), II (80%) y III (4%) que pasan a I (8%), II (8%), III (80%), IV (4%).

• Clase C daño actual 0 (0.5%), I (91%), II (8%) y III (0.5%) que pasan a I (78%), II (21%) y III (2%). • Clase D daño actual I (96%), II (4%), que pasan a I (82%), II (18%).

En las estructuras de acero no hay cambios en esta intensidad. Intensidad VIII Las estructuras de Mampostería sin refuerzo son 18 estructuras, (ver la tabla 7), presentan un cambio muy grande en los grados de daño, debido a la gran susceptibilidad inherente de las estructuras, ya que son clase de vulnerabilidad A. La composición de las estructuras queda de la siguiente manera.

• Grado de daño actual I (67%), II (22%), III (6%) y IV (6%) que pasan a: daño III (17%), IV (50%),y V (33%).

Las estructuras de Mampostería con refuerzo son 937 estructuras, (ver la tabla 7), impactan de forma determinante los resultados ya que están divididas en clases de vulnerabilidad, las clase A son 108, las clase B son 363, y las clase C son 466 estructuras. Cuando la Intensidad es VIII las estructuras quedan con la siguiente composición.

• Clase A daño actual II (92%), III (3%), IV (3%) y V (2%) que pasan a: daño III (26%), IV (54%),y V (20%).

• Clase B daño actual I (74%), II (26%) y que pasan a II (30%), III (55%) y IV(15%). • Clase C daño actual I (96%), II (4%), que pasan a I (29%), II (56%)y III (15%).

Las estructuras de concreto, también impactan de forma determinante los resultados ya que son 416 estructuras divididas en clases de vulnerabilidad, las clase B son 25, las clase C son 249, y las clase D son 141 estructuras. Cuando la Intensidad es VII las estructuras quedan con la siguiente composición.

• Clase B daño actual 0 (8%), I (8%), II (80%) y III (4%) que pasan a III (80%), IV (16%), V (4%). • Clase C daño actual 0 (0.5%), I (91%), II (8%) y III (0.5%) que pasan a I (27%), II (57%) y III

(15%)y IV(1%). • Clase D daño actual I (96%), II (4%), que pasan a I (81%), II (18%) y III(1%).

En las estructuras de acero sólo una estructura de las 8 que son cambia de grado de daño, pasando de daño I a daño II.

CONCLUSIONES En este trabajo se presenta un estudio de riesgo sísmico dividido entre el peligro sísmico caracterizado por un terremoto de 8.1 Mw a 300 km de distancia;y la vulnerabilidad sísmica de las estructura se presenta mediante la caracterización de las estructuras en clases de vulnerabilidad, empleando la Escala Macrosísmica Europea y adaptándola lo mejor posible a las condiciones de las estructuras en la zona de estudio de la Colonia Roma. El riesgo se determinó al calcular el cambio del estado actual de las estructuras (no necesariamente es daño cero) a un nuevo estado de daño para diferentes intensidades sísmicas. Hay que recordar que si el efecto del sismo puede estimarse con las aceleraciones máximas en el terreno y las intensidades, para una sola aceleración máxima del terreno puede asociarse más de un valor de la intensidad, se puede establecer un intervalo de intensidades, que en este caso se encuentra entre la intensidad VII y VIII de la Escala Macrosísmica Europea, por ello se describen los cambios en las estructuras para esas intensidades. La mayor incertidumbre del presente trabajo es cómo evaluar las intensidades sísmicas a partir de las aceleraciones máximas en el terreno, y aunque ésta relación no es lineal, si se puede sensibilizar la información para una la zona de estudio de la Colonia Roma en el la ciudad de México; dicho procedimiento


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es válido; sin embargo éste es un paso que aún no se ha completado , por lo tanto se aceptan los valores propuestos de la relación entre las intensidades y daños propuestos en este trabajo. El método descrito en éste artículo se encuentra listo para ser aplicado en otras zonas de interés y permitirá proporcionar Atlas de Riesgo para las autoridades. Esta información es posible utilizarla como punto de partida para organizar la ayuda en caso de un evento sísmico de importancia, y es útil para entender y llevar el registro del comportamiento de las estructuras durante un sismo. Para realizar un trabajo similar de forma generalizada en la Ciudad de México, se requiere de recursos humanos y técnicos, además de una buena organización de los equipos de trabajo, sin embargo, proporciona metodologías aplicables a gran escala para reducir la vulnerabilidad de las estructuras. La desventaja evidente del método consiste en la realización del levantamiento para obtener la información de interés (estructural), sin embargo, el levantamiento pueden hacerlo personas de servicio social o de proyectos de titulación a nivel licenciatura y paulatinamente cubrir las zonas críticas. RECONOCIMIENTOS Se agradece la colaboración de los estudiantes de la licenciatura del área de estructuras de la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco. Efrén Mauricio Isidro González y Héctor Hugo Padilla Valdez por su participación en la segunda etapa de este proyecto. Bibliografía Architectural Institute of Japan, (1987), “Reports on the damage investigation of the 1985 México Earthquake”, 599 pp. Arellano, E., Juárez, H., Gómez-Bernal, A., Lara Perea, J F y Sánchez Barbosa, E. (2003), “Caracterización y clases de vulnerabilidad de edificaciones de la Colonia Roma, Ciudad de México”, Memorias del XIV Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, León, Gto., CDROM., Noviembre. Arellano, E., Juárez, H., Gómez-Bernal, A., (2002), “Vulnerabilidad Sísmica de la ciudad de Chilpancingo, Grro.”, Memorias del XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Puebla , Pue., CDROM., Noviembre. Crouse, C. B., (1991), “Ground motion attenuation equations for earthquakes on the Cascadia subduction zone”, Earthquake Spectra, 7, 210-236. Fukushima, Y., y T. Tanaka, (1990), “A new attenuation relation for peak horizontal accelerations of strong earthquakes”, Bull. Seism. Soc. Am., 78, 1-25. Gómez-Bernal, A., Juárez, H., Corona, M., (1999), “Peligro sísmico en Chilpancingo”, Memorias del XII congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, volumen II, Morelia Mich., Noviembre, (pp. 100–109). Gómez-Bernal, A, y R. Saragoni, (2002), “Respuesta Dinámica de suelos estratificados ante terremotos”, Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería Sísmica, Valparaíso, Chile. Grünthal, G. (1998), “European Macroseismic Scale 1998”, Cahiers de Centre Europeen de Géodynamique et de Séismologie, volume 15, Luxemburgo. Iwasaki, T., T. Katayamas, K. Kawashima, y M. Saeki, (1971), “Statistical Analysis of strong motion acceleration records obtained in Japan”, Proc. 2nd Int. Conf. on Microzonation for safer construction, Research and applications, V-II, 705-716. Jaime A., M.P. Romo y E. Ovando, (1986), “Características del suelo en el sitio CUPJ”, Instituto de Ingeniería, UNAM.

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