Marcial Contreras Zazueta
Es especialista en métodos numéricos en ingeniería sismológica.
Eduardo Reinoso Angulo
Investigador titular B en el Instituto de Ingeniería de la UNAM.
La instrumentación sísmica permite obtener registros de la vibración y deformación durante sismos en edificios, puentes, taludes y presas. Cuando los registros se obtienen permanentemente y se analizan e interpretan de forma automática, se trata de monitoreo de salud estructural. Ya es posible informar a los ocupantes de una edificación –minutos después de ocurrido un sismo– si ésta es segura, para evitar desalojos innecesarios. En el futuro cercano será posible usar la instrumentación para acelerar la indemnización del seguro de daños.
Los sismos fuertes son un problema importante para la sociedad. En 2017, después de sismos como el de Pijijiapan, Chiapas, de magnitud Mw 8.2, o el de Ayutla, Puebla, de Mw 7.1, no se tenía certeza de si era seguro ocupar los edificios que se dañaron mientras eran reparados. La capacidad para realizar las inspecciones postsísmicas de daños se vio rebasada por la escasez de especialistas y la falta de consenso en la interpretación de los daños observados. Nótese que la inspección visual requiere la observación cuidadosa de puntos de difícil acceso, para lo que a veces hay que retirar los acabados.
En algunos casos la inspección visual puede no ser suficiente y se necesitarán estudios adicionales, como extracción de muestras de material, medición de los cambios geométricos y de la vibración de la estructura usando instrumentación sísmica temporal, e incluso modelación numérica del comportamiento del edificio.
La instrumentación sísmica consiste en la colocación de sensores para conocer el estado de una estructura civil y con ello hacer la inspección postsísmica. A pesar de que las primeras aplicaciones de instrumentación sísmica en edificios datan de hace más de tres décadas, debido a su alto costo se habían limitado a estructuras de alto valor, como edificios históricos y rascacielos. En sitios de interés académico, como los ya icónicos edificios Jalisco y Colima y la otrora sede de la Secretaría de Relaciones Exteriores en Tlatelolco (Murià-Vila et al., 2013) en la Ciudad de México, la instrumentación sísmica permanente ha permitido observar el desempeño estructural durante sismos fuertes; con ello ha sido posible reconocer algunos efectos del daño y verificar experimentalmente que las reparaciones y el reforzamiento bien ejecutados pueden restituir o incrementar la capacidad sismorresistente. Por fortuna, el costo de los sensores ha disminuido al punto de ser ahora accesibles incluso para edificios de uso habitacional; existe ya un ejemplo de este tipo en el sur de la ciudad.
En la mayoría de los casos, la instrumentación sísmica de edificios es temporal; se obtienen registros con duración de minutos a horas, los cuales se procesan uno a uno por un especialista que se ayuda de programas de cómputo para interpretar el comportamiento predominante del edificio durante la campaña de medición.
Por su parte, la instrumentación permanente se acompaña de un módulo automático de análisis capaz de dar seguimiento a variables de control y, en caso de rebasarse un umbral preestablecido, recomendar alguna acción en el marco de un protocolo de respuesta postsísmico basado en escenarios de daño. Este tipo de sistemas se conocen como monitoreos de salud estructural o MSE (véase figura 1).
Contar con un sistema de MSE permite:
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Figura 1. Esquema general de un sistema de MSE ante sismos.
Actualmente se trabaja para que, además de lo anterior, el MSE permita estimar los daños en términos de pérdidas económicas, y con ello acelerar la indemnización de un seguro paramétrico de daños por sismo.
Dicho seguro difiere del tradicional en dos aspectos: tiene un límite de cobertura menor que el seguro tradicional, pero se paga rápido y sin necesidad de inspección de daños. Por ello, se prevé que será un complemento del seguro tradicional que será suficiente para la mayoría de los sismos, y puesto que su activación es automática, el beneficiario contará con efectivo para iniciar reparaciones a los pocos días de ocurrido el sismo.
El concepto de seguro paramétrico no es nuevo; se ha visto en el Fideicomiso Fondo de Desastres Naturales y en los seguros del gobierno federal para sequía en el sector agropecuario. Consiste en la estimación del daño físico a partir de un indicador de la severidad del evento (el parámetro) y en una función que asocia la intensidad de la demanda con el valor probable de la pérdida económica, llamada función de vulnerabilidad.
Los alcances y la configuración del sistema de monitoreo deben diseñarse para cada edificio con apego a los intereses y presupuesto del cliente. El proyecto involucra realizar estudios para conocer el peligro sísmico en el sitio, determinar la función de vulnerabilidad particular del edificio, instalar instrumentos en puntos de la estructura donde se logrará percibir el comportamiento de interés y calibrar el módulo de análisis para discernir entre las excitaciones que no provocan daño y las que sí.
Las variables representativas del desempeño estructural se calsifican en dos tipos: estáticas y dinámicas. En el primer grupo se incluyen la deformación de elementos estructurales, la inclinación y la separación de juntas constructivas. Las variables dinámicas son la aceleración registrada durante sismos y la vibración ambiental. Esta última es el ruido detectado por los acelerógrafos por efectos del viento, los vehículos y las personas; los acelerógrafos detectan ruido de frecuencias muy por debajo del rango de las audibles por el ser humano; las vibraciones causadas por maquinaria se concentran en frecuencias invariables y claramente discernibles, por lo que no se consideran ruido.
Los registros instrumentales son acondicionados y procesados para obtener indicadores adicionales del comportamiento estructural, como son el nivel de esfuerzo en elementos estructurales, la distorsión de entrepiso, el coeficiente sísmico experimental y las propiedades dinámicas, los cuales se describen brevemente en seguida.
Los edificios, y en general todas las cosas, tienden a vibrar libremente con una marcada predominancia por ciertas frecuencias (tonos) que dependen de su forma y sus materiales. Los acelerómetros “escuchan” dichos tonos y detectan cambios en ellos. En caso de sismo, el cambio de tono puede corresponderse con una disminución de la rigidez del edificio debido a los daños en él. Otras propiedades dinámicas son la forma que toma la estructura al vibrar y el amortiguamiento, que es la tasa de decaimiento de la vibración hasta llegar al reposo.
La detección de cambio en las propiedades dinámicas permite observar si existe o no daño en la estructura; por ello es importante darles seguimiento con suficiente periodicidad, para estar al tanto de la variación debida a la temperatura y a la actividad de los ocupantes. Por otra parte, no es posible –todavía– establecer en qué elementos y de qué magnitud es el daño.
Para identificar el daño en elementos individuales se requiere una densidad de sensores extraordinaria sobre el elemento estructural, o bien es posible hacer una estimación de la severidad del daño y de la región que debería revisarse (por ejemplo la planta baja, los niveles 2 a 3, etc.) a partir de una familia de resultados de un modelo numérico del comportamiento estructural sometido a excitaciones realistas.
El modelo suele ser de elementos finitos no lineales, debe construirse con las propiedades materiales reales y calibrarse para reproducir las propiedades dinámicas observadas experimentalmente. Las excitaciones consisten en simulaciones de sismos, es decir, acelerogramas sintéticos representativos del peligro sísmico del sitio. Los resultados del modelo son escenarios de daño útiles para establecer una relación entre el daño y las propiedades dinámicas de la estructura dañada. Además, la combinación estadística de los escenarios de daño permite construir una curva de vulnerabilidad específica del edificio, que relaciona la aceleración máxima en la base de éste con los daños esperados y su costo.
En conjunto, los escenarios de daño y la función de vulnerabilidad asociada, la aceleración máxima registrada en la base y los indicadores del comportamiento estructural antes mencionados (distorsión de entrepiso, coeficiente sísmico, variación de la frecuencia fundamental, etc.) permiten clasificar la estructura en un nivel de seguridad fácil de comunicar, por ejemplo: ocupación inmediata, inspección de seguridad necesaria o riesgo de colapso.
Queda mucho trabajo por hacer para lograr que una mayor proporción de la sociedad se beneficie del monitoreo de salud estructural de edificios, puentes y demás obras de infraestructura. El gobierno de la Ciudad de México dio el primer paso en diciembre de 2017, al establecer la obligatoriedad de la instrumentación sísmica en edificios de más de 15 m de altura, 3,000 m2 de construcción y ubicados en la zona geotécnica III (la zona del ex lago con depósitos suaves profundos). No obstante, está en manos de la industria de la construcción no malinterpretar el propósito de esta disposición y proveer sistemas de monitoreo de salud estructural útiles para los ocupantes del edificio, no sólo instrumentación.
Por parte de la academia, se requiere más investigación para reducir el costo numérico de los análisis necesarios con el fin de evaluar escenarios de daño, así como impulsar que la formación curricular de ingenieros civiles y arquitectos incluya la inspección de seguridad estructural, así como nociones de monitoreo de salud estructural y gestión de infraestructura existente.
Murià-Vila, D., J. Camargo, B. D. Aldama, G. Rodríguez, L. A. Aguilar y M. Ayala (2013). Structural health monitoring of an instrumented building in Mexico with accelerometers and GPS sensors. 6th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure. Hong Kong.
Texto publicado en: Revista Mexicana de la Construcción RMC 637 Enero-Febrero 2019. Página 44-48. Disponible en https://issuu.com/helios_comunicacion/docs/rmc_637
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