Todos hemos sido sorprendidos alguna vez por un temblor. Ocurre en el momento más inesperado: primero un ruido sordo, similar a las vibraciones producidas por un camión lejano. Luego, una brusca y repentina sacudida, decreciente en el tiempo, seguida por una fuerte oscilación que se va alargando hasta terminar en un suave balanceo.

El sismo se origina en una falla geológica de la corteza terrestre cuyos lados se mueven repentinamente rozándose uno contra otro. La energía, almacenada lentamente a lo largo del tiempo por deformación elástica, se libera bruscamente, transformándose en ondas sísmicas. Estas se propagan por la corteza terrestre, o litósfera, a velocidades de más de 4.000 m/seg. (la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/seg.), provocando a su paso la destrucción de las construcciones.



Ondas sísmicas

El desplazamiento de las partículas del suelo durante el sismo es sumamente complejo y de naturaleza aleatoria (al azar). Lo forman la superposición de varios tipos de ondas diferentes, cada una de ellas generada aleatoriamente y en distintos puntos de la falla activada. Además, durante el viaje de las ondas a través de la litósfera éstas sufren una serie de transformaciones debidas a reflexiones en discontinuidades de las rocas, refracciones por cambios de características de éstas, interferencias con otras ondas, dispersión por diferencias en las velocidades de propagación de distintas frecuencias, amortiguamiento, etc.


Las principales ondas sísmicas son:

1. Las ondas P o compresionales, en las cuales el movimiento de las partículas del suelo es en la misma dirección que la prolongación. El suelo se comprime y expande rítmicamente al paso de la onda. Este tipo es el que se propaga a mayor velocidad y corresponde a la primera parte del movimiento.
   
   
2. El segundo tipo de ondas importantes durante el sismo son las llamadas "de corte" u "ondas S", porque el movimiento de las partículas es transversal a la dirección de la propagación. Estas ondas viajan a una velocidad algo inferior a la de las ondas P y normalmente corresponden al inicio del movimiento fuerte del sismo. El tiempo transcurrido entre la llegada de las ondas P y S es un parámetro muy importante que permite determinar la distancia entre el lugar de observación y el epicentro, o punto de la superficie bajo el cual se originó el sismo. En efecto, como la velocidad promedio de propagación de ambos tipos de ondas es conocida, si los tiempos de llegada de cada una de ellas son t_p y t_s y las respectivas velocidades vp y vs, entonces, despreciando el efecto de la profundidad, la distancia entre el epicentro y el lugar de observación (fig. 2). Es decir, la distancia entre el epicentro y el punto de observación en función de cantidades conocidas. Dado un punto de observación, el lugar geométrico de los posibles epicentros que originaron el sismo es un círculo de radio 1 con su centro en el punto de observación. Para determinar en forma precisa el lugar del epicentro se requieren a lo menos dos estaciones de observación: éste queda definido por uno de los puntos donde se cortan los círculos correspondientes a ambos lugares geométricos. De los dos puntos de intersección es fácil descartar uno mediante un análisis más detallado de los registros, o bien por datos de una tercera estación sismológica.
   
   
3. Un tercer tipo de ondas sísmicas, de gran importancia, son las llamadas de Rayleigh, en las cuales el movimiento de las partículas del suelo es similar al de las partículas del agua en una ola. Estas ondas se propagan sólo por la superficie y son algo más lentas que las anteriores. Junto con ellas viajan normalmente las ondas de Love, que se producen cuando las capas de suelo van cambiando sus propiedades con la profundidad. Ambos tipos de ondas forman, en general, la última parte del movimiento sísmico de un lugar y son las responsables de muchos de los daños.
   

Mecanismo de generación
Teoría de las placas

La corteza terrestre está formada por grandes placas que flotan sobre el manto, moviéndose lentamente a través del tiempo. Hace 200 millones de años existía un solo continente llamado Pangea. En alguna fecha, no muy bien determinada, esta placa se partió y sus trozos comenzaron a derivar formando los actuales continentes: Europa, Asia, Africa, Australia, Antártica y las Américas. La deriva de los continentes aún no se detiene. Así, la Placa Sudamericana, por ejemplo, se desplaza a una velocidad de 10 cm por año respecto a la Placa Africana. Ello significa que, de mantenerse esta velocidad, en un millón de años nos habremos separado 100 Km. del continente africano.

Las grandes placas de la corteza, algunas de las cuales corresponden a los continentes y otras a fondos marinos, interactúan de diversas formas. Si ellas convergen, los bordes en contacto sufren un proceso de destrucción, que consiste en la penetración de una placa bajo la otra (subducción), y cuando divergen se produce creación de nueva corteza (extrusión). Este último fenómeno se observa, por ejemplo, al centro del Océano Atlántico, donde una línea de volcanes submarinos va originando nueva corteza a medida que las placas Sudamericana y Africana divergen. Un ejemplo del fenómeno de subducción se encuentra a lo largo de la costa chilena, donde la placa del fondo del Pacífico, llamada de Nazca, penetra profundamente bajo el continente americano, generando una superficie inclinada de contacto (plano de Benjioff). El movimiento relativo de estas placas, que no es suave sino por saltos, origina la gran mayoría de los sismos que azotan nuestro país.

Otras veces las placas se mueven en dirección paralela a la línea de contacto, produciéndose un fenómeno de rozamiento (transcursión). Es el caso, por ejemplo, de la costa Oeste de Estados Unidos (falla de San Andreas) que origina los sismos californianos.


Protección de los sismos

En lugares deshabitados los sismos no tienen mayores consecuencias. A medida que el mundo se ha ido poblando, las inversiones en infraestructura se han multiplicado, aumentando en consecuencia la probabilidad de pérdidas durante catástrofes. La Ingeniería Sísmica y la Ingeniería Estructural se ocupan del complejo problema de defenderse de los terremotos. Algunas de las preguntas que deben contestarse son: ¿Qué sismo es probable que afecte a un lugar dado durante la vida de una edificación?, ¿Para qué seguridad debe diseñarse la estructura?, ¿Qué tipos de daños pueden aceptarse para diferentes intensidades de sismos?, ¿Qué amenazas de deslizamientos de tierra, aludes, rodados, etc., pueden existir en el lugar?. Si la obra está cerca del mar, ¿qué probabilidad y tipo de maremoto o "tsunami" puede ocurrir?, ¿Cómo protegerse de tal fenómeno?

Para contestar estas preguntas hay que usar conceptos de riesgo calculado y economía. Así, por ejemplo, la seguridad de una construcción provisoria no puede ser la misma que la de una represa, dado que el riesgo asociado a la primera en vidas humanas y patrimonio es incomparablemente menor que el asociado a la segunda. La falla de una gran represa puede significar la destrucción, aguas abajo, de poblaciones, industrias, campos agrícolas, obras de regadío, etc., de un valor incalculable.

Como contrapartida de la seguridad se tiene el costo. Siempre es posible aumentar la seguridad, pero el costo asociado puede tornar no viable la solución. Es necesario aceptar, por lo tanto, un nivel de riesgo que puede ser, en algunos casos, tan pequeño como el de ser aplastado por un aerolito o el de encontrar en el dormitorio un león escapado de un circo.

El primer estudio necesario dentro de la problemática planteada es la determinación del riesgo sísmico asociado al lugar o zona de interés. Para ello se hace necesario el concurso de científicos e ingenieros de varias especialidades, a saber: sismólogos, para la definición de la actividad sísmica del lugar; geólogos especializados en neotectónica, para identificar las posibles fallas activas; mecánicos de suelo para identificar las características locales del suelo; expertos en estadística y probabilidades, para determinar las leyes de recurrencia de los sismos, etc. Todo ello conduce a la definición de un "sismo de diseño", que puede identificarse, por ejemplo, como la intensidad del sismo mayor que probablemente afectará al lugar de emplazamiento de la obra durante su vida útil. Esta última puede ser de 20, 50, 100 ó más años, dependiendo del tipo de construcción.


Intensidad

La intensidad se mide habitualmente mediante la escala de Mercalli Modificada (MM). Ella establece 12 grados de intensidad de acuerdo a los efectos o daños del sismo en el lugar. Así, el grado I corresponde a un sismo que casi nadie siente, y el grado XII, a destrucción total. Los daños en las construcciones comienzan a producirse aproximadamente a partir del grado V. No debe confundirse la Intensidad con la Magnitud. Esta última es una característica única del sismo, proporcional al logaritmo de la energía total liberada durante el fenómeno. Se obtiene mediante datos instrumentales de sismógrafos, a diferencia de la intensidad, que es una medida del efecto local, apreciado a través de los daños. Así, un sismo de magnitud relativamente baja puede tener una gran intensidad en un punto cercano al epicentro.

La magnitud de un sismo está directamente relacionada con la longitud de la falla que liberó la energía (longitud "activada"). Entre los mayores sismos de la historia se encuentra el 22 de mayo de 1960 en el sur de Chile. La longitud de la falla activada fue de cerca de 1.000 Km. y la magnitud 8.5. A pesar de ello, la intensidad del sismo en lugares como Valdivia no fue demasiado grande (aproximadamente 8). Ello se debió a la distancia y profundidad de la falla, que permitió la disipación de gran parte de la energía de las ondas antes de alcanzar el lugar. En el lado opuesto se encuentra el sismo del Cajón del Maipo del 4 de septiembre de 1958, de una magnitud no superior a 5.5 y que, sin embargo, produjo una intensidad del orden de 8 en San José de Maipo. El primer sismo corresponde al caso típico de penetración de la plaza de Nazca bajo el continente americano. El segundo, a sismos de tipo cortical o del interior de la placa de Nazca bajo el continente son de pequeña magnitud, pero normalmente muy superficiales, pudiendo producir gran daño en un lugar poco extenso. Se debe a fallas locales de la corteza debidas a las tensiones internas, producidas por la presión de la placa de Nazca contra la placa Americana. Se les podría interpretar como "crujidos" de la corteza durante el proceso de acomodación.


Simulación

La determinación del riesgo sísmico es diferente cuando se trata de una obra menor, una casa, por ejemplo, que cuando se aplica a una obra de gran envergadura, como una represa o una central nuclear. En el último caso, es posible invertir gran cantidad de esfuerzo en el estudio sísmico, dado que el monto de la inversión lo permite: miles de millones de dólares. Así es como se estudia el riesgo sísmico con gran detalle, usando las últimas técnicas y especialidades de todos los campos necesarios. Ello incluso para determinar la ubicación del lugar de menor riesgo sísmico potencial. Entre los estudios necesarios se pueden destacar: la determinación de la actividad sísmica, la ubicación de fallas recientes, el estudio estadístico de los sismos pasados ocurridos en el lugar, la distancia y profundidad de las fallas potenciales activas, los posibles mecanismos de generación, la topografía y tipo de suelo local, etc. El resultado de estos estudios es la definición de sismos de diseño. Como éstos son de naturaleza aleatoria, es imposible predecir la forma exacta que tendrá el movimiento en el lugar. Por ello se recurre a simular registros de movimientos sísmicos mediante un computador, de manera que tengan las características probables de los sismos futuros del lugar. Se obtienen así los llamados "sismos artificiales de diseño". Ellos constituyen posteriormente la información básica para el análisis dinámico de la obra.

Cuando se trata de una obra de bajo costo, no es posible realizar un estudio tan completo y la estrategia a seguir es algo diferente. A escala nacional se han confeccionado "Normas de Cálculo Sísmico", que comprenden un resumen de estudios realizados en el pasado sobre el problema de protección sísmica de edificaciones y la experiencia acumulada sobre el comportamiento de estructuras afectadas por sismos pasados. Los criterios de diseño de las normas son de tipo general. Establecen, por ejemplo, cuál es el riesgo sísmico en el país en forma global o por regiones, qué fuerzas deben usarse para los distintos tipos de construcciones, etc. Existen también mapas de intensidad sísmica relativa de distintas ciudades que permiten deducir, aproximadamente, en qué sectores deben aumentarse las fuerzas de diseño (zonas de suelos muy malos) o en qué lugares es posible usar fuerzas menores (en roca, por ejemplo). El diseño sísmico se encuadra entonces dentro de normas generales que aseguran el buen comportamiento de la edificación.


Criterios

Es interesante destacar el criterio implícito en las normas de diseño sísmico. Como no sería económico diseñar las obras de manera que resistieran cualquier tipo de sismo, se acepta lo siguiente:

• La edificación no debe sufrir ningún daño para sismos menores.
  
  
• La edificación puede sufrir daños que no comprometan su estructura resistente, para sismos fuertes pero moderados (daños en elementos no estructurales, como paneles divisorios, vidrios, etc.).
  
  
• La edificación puede sufrir daños estructurales serios para sismos catastróficos, pero éstos no deben comprometer la estabilidad general de la estructura.
  

Bajo estos conceptos son calculadas las estructuras, de manera que no debe producir extrañeza el hecho que edificios bien diseñados sísmicamente (mal llamados "asísmicos"), sufran daños menores durante terremotos severos.

En nuestro país el mayor riesgo sísmico está representado por el plano de Benioff, donde se desliza la placa de Nazca bajo la placa Americana. Este plano o superficie, que se extiende desde el extremo Norte hasta la península de Taitao, presenta inclinaciones y actividad según la latitud. Sin embargo, el hecho de haber poca actividad sísmica no implica necesariamente un bajo riesgo, ya que la energía de deformación de las placas puede acumularse sin presentar actividad sísmica aparente y disiparse repentinamente cada, digamos, 10, 50, 100 ó 400 años. Mientras más tiempo transcurre sin ocurrencia de sismos, mayor es la energía acumulada. Si se pudiera controlar, mediante algún mecanismo ingenioso, la liberación de energía en vez de grandes sismos cada muchos años se podría conseguir muchos sismos pequeños a intervalos de tiempo corto, evitándose así los daños. Existen zonas de la costa chilena que han presentado muy poca actividad sísmica en los últimos años y que tienen historial sísmico importante, además de pertenecer a la línea de unión de la placa de Nazca con la placa Americana. Tal es el caso, por ejemplo, del extremo Norte. Esas Zonas tendrían, según esta teoría, una mayor probabilidad de ser asoladas por un sismo destructivo. Obviamente que no basta el hecho de dejar transcurrir el tiempo para que se acumule energía. Tienen que estar dadas además las condiciones físicas para ello. Así, un lugar que se encuentre al centro de una de las grandes placas, como Río de Janeiro, por ejemplo, no tendrá posibilidades de sufrir un sismo de origen tectónico.


Información

El mayor problema que enfrenta el ingeniero especialista en protección sísmica es la falta de información de sismos anteriores y de la geotectónica nacional. Es por eso que son de máxima importancia las investigaciones que realizan instituciones como la Universidad de Chile, que cuenta con un Instituto Sismológico y departamentos de ingeniería con fuerte énfasis en investigación sísmica. Ellos mantienen una red nacional de sismógrafos, integrados a una red mundial, y una red local en torno a Santiago, conectada mediante microondas a un computador central, que registra e interpreta al instante cualquier movimiento que se produzca dentro del área de alcance de la red. Existe además otra red nacional de alrededor de 70 acelerógrafos de movimiento fuerte, que permiten registrar con alta probabilidad los movimientos en puntos cercanos al epicentro. Estos datos constituyen la base del estudio científico de la protección Sísmica. En el pasado, sismos como el de 1960 o el de 1939 no pudieron ser registrados por falta de instrumentación, perdiéndose una información valiosísima. Es posible que para que vuelva a ocurrir un sismo como el de 1960 deban pasar 400 o más años.


¿Como se defienden las construcciones?

La acción del sismo sobre los edificios, casas, embalses, etc., es un movimiento de sus fundaciones. Su efecto es diferente a otras acciones, como el viento, por ejemplo, que significan fuerzas propiamente tales sobre las paredes de la edificación. En el caso de un sismo, las fuerzas se originan como efecto del movimiento, de manera que la estrategia de defensa no consiste simplemente en reforzar la estructura para resistir los esfuerzos. Al revés, es posible que una estructura menos robusta y, por lo tanto, más flexible, resista mejor.

Toda construcción, aunque parezca muy sólida, tiene cierto grado de flexibilidad. Y, al igual que la lengüeta de un instrumento musical, oscila con una frecuencia característica, llamada frecuencia propia. En la misma forma que una nota musical tiene una frecuencia característica y armónica que la acompañan, dándole su timbre especial, el movimiento de un edificio presenta una frecuencia fundamental y armónicas, estas últimas llamadas "modos superiores de vibrar". El edificio, al recibir la excitación del movimiento sísmico, entra en movimiento según una combinación del modo fundamental de vibrar, que normalmente es predominante, y los modos superiores. Este movimiento origina los esfuerzos internos que finalmente provocan los daños.

La energía sísmica captada por el edificio depende fundamentalmente de su flexibilidad.

Cuanto más flexible, menor es la fuerza sísmica generada. De esta manera, los edificios altos, normalmente flexibles, reciben proporcionalmente a su peso, fuerzas sísmicas mucho menores que los edificios rígidos. De aquí se desprende que una primera forma de proteger a una edificación de un sismo es aumentarle su flexibilidad.


Amortiguamiento y ductilidad

El edificio capta energía y la va almacenando en forma de energía cinética. Entonces, si el sismo es largo, los esfuerzos internos aumentan hasta llegar, incluso, a sobrepasar su resistencia. Sin embargo, no toda la energía se almacena como energía cinética: parte de ella se transforma en calor y se disipa, o bien se devuelve hacia el suelo a través de la fundación. Esta capacidad de disipación de energía, similar a la de un amortiguador de automóvil, que impide que las ruedas entren en oscilación, se llama "amortiguamiento interno", y es una segunda forma de defensa de la estructura en caso de un sismo.

Un tercer aspecto fundamental en el comportamiento estructural durante un sismo, es la llamada "ductilidad", que está directamente relacionada con lo que se podría denominar su "fragilidad". Para explicar el concepto, compárese el comportamiento de una botella de vidrio con el de un tarro. La botella es bastante resistente a cargas estáticas, tal vez más que el tarro. Pero si la solicitación es dinámica, como un impacto contra el suelo, por ejemplo, la botella se rompe en mil pedazos mientras el tarro sólo recibe abolladuras. Se trata de un cuerpo frágil (la botella) comparado con un cuerpo dúctil (el tarro). En las edificaciones se produce un fenómeno parecido, especialmente por la naturaleza dinámica de la solicitación. Una casa de albañilería, sin armaduras metálicas, es frágil y, durante un sismo, cualquier comienzo de falla se generaliza, destruyéndose por completo la edificación. La estructura no es capaz de disipar energía por deformación. Por el contrario, una edificación de un material dúctil, como el acero, por ejemplo, cede ante fuerzas superiores a su capacidad, pero sin romperse, redistribuyéndolas al resto de la estructura. De esta manera la energía entregada por el terremoto es disipada en forma de calor y la estructura se mantiene íntegra sólo en algunas deformaciones.


Aislación sísmica

Y ¿por qué no aislar la estructura del suelo de manera de impedir que ésta absorba la energía sísmica?.


Como las fuerzas sísmicas son consecuencia y no causa del movimiento del edificio, es posible imaginar algún mecanismo que, puesto entre el suelo y el edificio, aminore el movimiento "filtrando" las ondas. El concepto es similar al sistema de suspensión y amortiguación de un automóvil, que evita la transmisión del movimiento de las ruedas al cuerpo del vehículo.

En el desarrollo de dispositivos aislantes y amortiguadores de vibraciones se ha trabajado activamente en los últimos años, especialmente en Japón, Estados Unidos, México y Nueva Zelanda. Algunos de ellos ya han sido aplicados con éxito en edificios, reactores nucleares y apoyos de puentes. En Chile se han hecho estudios teóricos y experimentales y se han aplicado algunos conceptos en diseños prácticos, especialmente dentro de la línea de edificios "colgantes".


El futuro

Las necesidades de edificaciones de todo tipo van en aumento con el crecimiento demográfico y el desarrollo económico y tecnológico. Los materiales tradicionales de construcción seguirán predominando por muchos años, si bien es posible que se usen nuevas tecnologías constructivas. Aun así, va a convivir la construcción tradicional semiartesanal con la construcción industrializada. La ingeniería sísmica, que aún está en su fase inicial de desarrollo, tendrá grandes avances tanto teóricos como empíricos. Existe en la actualidad una gran ignorancia con relación a las características de los sismos históricos y recién se está comenzando a tener resultados valiosos de la instrumentación colocada a través de los programas de investigación de las universidades.

Es posible que los sistemas de predicción de sismos tengan un desarrollo importante en el porvenir, y que en un futuro lejano se puedan controlar los sismos, mediante un relajamiento, a voluntad, de las tensiones desarrolladas en las fallas. Ello tiene más probabilidad de éxito cuando las fallas se encuentran cerca de la superficie.

Otro aspecto en que pueden producirse avances sustanciales, es en el control del efecto sísmico a través de aislación, lo cual, combinado con un buen diseño sismorresistente, redundaría en una mucho mayor seguridad sísmica de las edificaciones.

En nuestro país existe una gran necesidad de desarrollo de nuevas normas de diseño sismorresistente, que incorporen los últimos avances a la práctica profesional. Es necesario investigar, también, el comportamiento sísmico de albañilerías armadas, de casas de adobes, de edificios de hormigón armado y pretensado y de obras civiles, tales como puentes, represas, puertos y edificios industriales. Las universidades están jugando aquí un rol fundamental.

Por último, debe existir conciencia en todos nosotros de que los grandes sismos azotan las ciudades a intervalos largos de tiempo, pero que su ocurrencia es un proceso en el cual no se puede predecir con certeza el momento y lugar.

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Acta Real Audiencia del Reyno de Chile del 3 de Junio de 1648.

"Lunes 13 de mayo a las diez i media de la noche, año de 1647. Duró espacio de tres credos; i murieron en él al computo más fiel mil i más personas".

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Para saber más

1. Richter, Ch. F. "Elementary Seismology", W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1958.

2. Newmark N.M. y E. Rosenblueth, "Fundamentals of Earthquake Engineering" Prentice Hall, London, 1971.

3. Monge, J. "Diseño de Estructuras Sismorresistentes". Departamento de Ingeniería Civil, U. de Chile, 1982.

4. Lomnitz, C. y E. Rosenblueth. "Seismic Risk and Engineering Decisions". Elsevier, N. York. 1976.

5. Saragoni, G.R. "Earthquake Engineering Research Program in Chile" Earthquake Information Bulletin, January-February, 1982.

6. Serrazin, M. y M. Ropert. "Aislación y Absorción de
Solicitaciones Sísmicas en Edilicios" Boletín Técnico N° 65, Julio-Diciembre 1979, Instituto de Materiales y Modelos Estructurales, Universidad Central de Venezuela.



Mauricio Sarrazin
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Universidad de Chile.