Construcció i sismes

Tots sabem que la terra és un planeta dinàmic, però això ho acostumem a recordar només quan ens assabentem que la terra, en un lloc o altre, ha tremolat o quan un volcà adormit es desperta o quan un tsunami arrossega i destrueix tot el que troba terra endins.

Al 2011, a tots ens va sobtar el terratrèmol de Lorca. Hi va haver víctimes mortals, moltes persones ferides i molts danys materials. Es considerà que més del 60% dels edificis malmesos s’haurien d’enderrocar. Tot plegat ens fa sentir molt petits enfront les forces de la naturalesa. Des del primer moment, la solidaritat humana va ser eficaç i també l’actuació pericial dels tècnics. Aquests esdeveniments imprevistos i de conseqüències immediates tan greus, propicien la formulació d’interrogants de tot tipus, como ara: i a nosaltres, ens podria passar el mateix? es pot arribar a preveure un terratrèmol? i si mai haguéssim de patir un terratrèmol, què els passaria als nostres edificis? i la norma sísmica: es compleix? Aquests interrogants no tenen una resposta senzilla i clara. La sismologia com a ciència física de la terra ha avançat molt des dels anys seixanta, però encara li resta molt camí per fer. Deixem de moment les preguntes i remuntem el riu aigües amunt. On estem situats?

La Península Ibèrica està situada a la zona d’influència directa del contacte entre les plaques euroasiàtica i africana. Es tracta d’un contacte complex, i les seves característiques varien d’un lloc a l’altre de la Mediterrània. Així, existeixen zones de compressió, on es produeix subducció entre les plaques (com és el cas de l’arc hel·lènic), però també hi ha zones on s’hi produeix distensió. La interacció entre les dues grans plaques esmentades constitueix el motor tectònic de la zona mediterrània . A partir dels estudis sísmics, s’ha dibuixat els mapes d’intensitat sísmica màxima associada a un determinat període de retorn previsible per a cada zona del planeta. Concretament, disposem del mapa sísmic o de perillositat sísmica d’Espanya, en què les isosistes delimiten les fronteres entre les diverses àrees de nivell o grau de perillositat.

Com es mesura un terratrèmol

Bàsicament hi ha dos conceptes: la “intensitat” i la “magnitud”. Dos conceptes concurrents però que no són del tot o fàcilment relacionables.

La intensitat mesura els efectes de la tremolor ocasionada per les ones que es propaguen des del focus (el punt de la falla que ha fet moviment) en arribar a la superfície de l’escorça de la terra en un indret concret. Tot i que els danys es quantifiquen d’acord amb una escala de dotze graus (Mercalli, EMS98, etc.) en realitat es tracta d’una avaluació qualitativa. A partir dels coneixements històrics i dels estudis sismològics moderns d’ençà que hi ha observatoris sísmics, tenint en compte la distància focal més plausible, l’esmorteïment de les ones que es propaguen per la roca i moltes altres dades fins i tot de l’experiència, s’arriba a zonificar la superfície de la litosfera, és a dir, la superfície de la terra, segons la intensitat dels danys que hom pot esperar si en un indret concret es fes sentir un terratrèmol.

La magnitud del sisme mesura l’energia que s’allibera a les falles a causa del moviment i frec entre plaques. Per tant és tracta d’una avaluació quantitativa, que depèn de la mida de la falla i del seu desplaçament. Aquesta magnitud es determina a partir de registres sísmics. La mesura clau és la magnitud del moment sísmic (M_w) a l’origen o focus del moviment. Es considera el concepte “moment” perquè el moviment entre dues masses que estan en contacte comporta que dues forces resultants de sentit i direcció oposades, situades entre si a una determinada distància, es desplacin generant per tant un parell de forces. L’energia alliberada es converteix en calor i en ones que es propaguen pel sòlid fins arribar a la superfície. Pel fet que diferents tipus d’ones es desplacin a través del mitjà petri de l’escorça de la terra, es poden mesurar altres paràmetres com ara la magnitud de les ones internes (m_b), la magnitud de les ones superficials (M_s ) i la magnitud local (M_l).

La intensitat màxima que pot tenir un terratrèmol en un punt determinat, a partir del que deia més amunt, es pot preveure (amb diversos graus d’incertesa) evidentment, i així es fa constar als “mapes sísmics” corresponents. Un cop hi ha hagut un sisme, pels efectes es pot estimar el “grau d’intensitat” que ha assolit. Ara bé, la magnitud del sisme i la localització del focus on s’ha produït el moviment, només se sap a posteriori a partir de les dades recollides als sismògrafs. Pot passar però, que les previsions situaven la localització més probable del focus o hipocentre en un punt determinat de la falla, i per tant a una distància presumible, i que el punt concret del focus hagi estat molt més proper. Aleshores, ni que la magnitud del moment sísmic (M_w) hagi estat inferior del que hom hauria previst, el fet que la distància hagi estat inferior, fa que l’amplitud de les ones superficials sigui més elevada. El cas de Lorca sembla que ha estat precisament aquest: una magnitud no massa elevada (podríem dir “previsible”), però una distància del focus a la població afectada relativament curta.

Les ones que s’han transmès pel sòlid petri (i que han anat perdent energia pel camí) arriben amb una determinada amplitud a la superfície de l’escorça. Però l’amplitud de les ones pot alterar-se (incrementar-se) quan hi ha sediments i/o capes freàtiques entre la roca bàsica i la superfície en la que hi ha la vida i la població humana. Per això sempre cal verificar el terreny sobre el qual s’ha edificat o es preveu edificar sobretot si és sedimentari o hi ha capes freàtiques, com acostuma a passar a la majoria de valls i planes de la nostra geografia.

Quan arriba una ona, cada punt del terreny superficial oscil·la seguint les lleis del desplaçament harmònic amb una determinada amplitud (desplaçament màxim d’una partícula afectada per la ona), amb una determinada freqüència (número d’ones que passen per un punt en un segon), d’acord amb un període (temps que tarda una ona en passar per un punt). Aquesta oscil·lació d’un punt concret del terreny, arriba a adquirir una velocitat punta i una acceleració punta. Aquestes dades (situació pèssima) “previsibles” a partir de la zonificació que estableixen els mapes sísmics i a partir del paràmetre “intensitat”, són les que caldrà tenir en compte a l’hora de projectar un edifici en un lloc concret.

El que més afecta els edificis i construccions en general és la component horitzontal de l’acceleració en la superfície del terreny. El que interessa doncs és preveure amb l’aproximació més exacta possible com es bellugarà el terreny en sentit horitzontal: la velocitat punta i l’acceleració punta al pas de l’ona. L’altre factor determinant, serà la durada del moviment. Per raons obvies, una acceleració alta en una fracció de segon no és tan perniciosa com una acceleració menor aplicada sobre un període llarg.

Cal tenir en compte que “el moviment del terreny durant un terratrèmol produeix oscil·lacions que no són d’un sol període de vibració, raó per la qual, els paràmetres amb què representem el moviment del terreny i que quantifiquen la perillositat sísmica han de reflectir a més dels valors màxims, els períodes en què es produeixen aquests valors màxims i que es denominen valors espectrals”.

Els terratrèmols tenen un caràcter cíclic. Un cop alliberada l’energia ocasionada pel frec entra plaques i les deformacions corresponents, transcorre un temps fins que es torna a acumular l’energia que permetrà produir un nou desplaçament entre plaques. En aquest sentit, els sismòlegs estudien l’historial dels moviments de les plaques, per tal d’anar acotant cada cop amb més precisió la probabilitat que hi hagi un terratrèmol. Aquest és un paràmetre que es fa servir per fer mapes regionals de contorns de risc sísmic, i representa el 10% de probabilitat que un terratrèmol excedeixi una determinada acceleració en un interval de temps de poques dècades. L’interval de referència acostuma a ser de 50 anys i els contorns es fixen per a acceleracions bàsiques ab≥0.4g. Es parla doncs, del període de retorn (TR) per a una acceleració determinada.

Això té relació amb el concepte de vida útil que el CTE contempla als DB referents als projectes. La vida útil és l’interval de temps, en anys, durant el qual es calcula que ha d’estar operativa i en servei una construcció o una estructura. El nivell de risc sísmic d’emplaçament, és la probabilitat de què una acceleració sigui igualada o superada al menys una vegada durant la vida útil de la construcció o estructura expressada en anys. Se’n diu, la probabilitat d’excedència durant la vida útil.

Construcció i sisme

Quan es produeix un sisme, la base de qualsevol edifici o construcció tendeix a seguir el moviment del terreny afectat per les ones sísmiques, mentre que per inèrcia, la massa de l’edifici s’oposa a ser desplaçada. La flexibilitat de l’estructura fa que aquesta vibri de forma molt diferent a la del terreny en que es recolza. Per això, les forces que s’indueixen a l’estructura no són només funció del moviment del terreny, sinó que depenen, de forma molt important, de les propietats dinàmiques de la pròpia estructura. Quan els moviments del terreny son bruscs, amb predomini d’ones de període curt, resulten més afectades les construccions rígides i pesades. En canvi, quan el moviment del terreny és lent, amb períodes dominants llargs, es produeixen més ampliacions de les vibracions en les estructures més esveltes.

Cal tenir molt en compte, la qualitat de les capes del subsòl atès que la seva deformabilitat (com és el cas de les argiles amb llims, o l’existència de capes freàtiques) poden incrementar molt l’acceleració bàsica prevista. Per això a l’hora de dissenyar les estructures es parla d’acceleració de càlcul (AC) que contempla els factors que incrementen l’amplitud de les ones quan passen des del medi petri a través de les diverses capes sedimentàries fins arribar a la superfície.

La normativa sísmica

A Espanya, de fet, disposem de normativa sísmica des de l’any 1994 (NCSE-1994). Aquesta norma s’ha actualitzat a l’any 2002 (NCSE-2002). Estem parlant doncs de menys de vint anys. És veritat que hi havia hagut unes normes anteriors menys estrictes (1962, 1968, 1974). La investigació tècnico-científica sobre sismologia és molt activa, cada cop es disposa de més dades i sistemes de prospecció que permeten avançar en coneixements i en anar acotant els graus d’incertesa en els càlculs i prediccions de perillositat sísmica. Això permet l’actualització constant dels mapes sísmics i l’estudi de detall de les diverses regions sísmiques del planeta.

La norma es planteja un objectiu. Segons afirma la norma vigent (2002) la finalidad última de estos criterios es la de evitar pérdidas de vidas humanas y reducir el daño y el coste económico que puedan originar los terremotos futuros. Per tant la norma no preveu ni pot preveure que “no passi res” a les construccions quan es produeixi un sisme, sinó que facilita eines de càlcul i de disseny estructural que caldrà aplicar i tenir en compte per tal d’evitar col·lapses que originin pèrdues humanes i per tal de minimitzar els danys que haurien de ser proporcionals a les causes que els provoquen.

Evidentment les construccions de fa més de vint anys, es van construir sense aplicar cap norma sísmica, d’acord amb els costums locals, amb la tradició constructiva rebuda, que en general considerava només els esforços gravitatoris. Sobretot, pel que fa a edificis “normals” d’habitatges o comercials i d’oficines. Les construccions més compromeses, especialment les de l’àmbit de l’enginyeria civil, sí que consideraven les sol·licitacions sísmiques, a partir de les dades de què disposaven els tècnics. En gran part, doncs, el parc d’edificis i construccions d’Espanya i de Catalunya, es van projectar i construir sense considerar les possibles sol·licitacions originades pels moviments sísmics.

Voldríem suposar que les construccions fetes aquests darrers quinze/disset anys, sí que s’han fet (o s’han pogut fer…) aplicant la norma sísmica. De totes maneres hem de pensar que per a procedir al càlcul d’una estructura considerant totes les sol·licitacions que l’afecten (no només les gravitatòries) cal disposar de mitjans informàtics que fa no massa anys encara no estaven prou desenvolupats. Per altra banda, no sempre les diverses administracions urgien o estaven en condicions d’urgir el compliment de la normativa, i si a això se li afegeix, que una estructura calculada a sisme (en zones d’acceleració bàsica elevada) és força més cara que calculada només a sol·licitacions gravitatòries, tenim una sèrie d’ingredients que poden haver facilitat de fet, el no compliment eficaç de les normes, sobretot, als primers anys d’entrada en vigor.

La norma contempla els criteris que cal considerar a l’hora de projectar un edifici concret, tant el que fa referència al disseny com al procés de càlcul. En aquest sentit, fa referència als elements directament estructurals, i també considera “altres” elements no directament estructurals que participen amb l’estructura a efectes de suportar les sol· licitacions sísmiques (algunes divisions interiors, o pantalles o tancaments de façana, etc.) i que cal tenir en compte a l’hora de valorar per exemple la rigidesa del conjunt.

La norma enumera uns criteris clars de disseny a tenir en compte des del principi de la concepció d’un edifici o d’una construcció en zones d’acceleració bàsica elevada, com ara les simetries, la localització de les pantalles i elements més rígids, les formes en planta que evitin torsions respecte el centre de gravetat, la contraindicació dels cossos volats, etc.

A la pràctica però, hi ha molts elements en les construccions que s’escapen a les previsions de la normativa sísmica, com ara les excentricitats dels paraments de façana, o les façanes de fàbrica que es recolzen parcialment als forjats, o les estructures secundàries per suportar equips d’instal·lacions a les cobertes, elements decoratius o publicitaris, etc. Són elements que hi ha als edificis i que no han estat “calculats a sisme”, o elements que s’han afegit posteriorment i que ningú ha previst què els hi pot passar si un dia l’edifici en qüestió es posava a vibrar a causa d’un sisme. Aquests elements poden desprendre’s i ocasionar pèrdues de vides humanes ni que l’edifici com a tal no arribi a col·lapsar.

L’àmbit d’aplicació de la norma sísmica contempla la reforma o rehabilitación de edificios… a fin de que los niveles de seguridad de los elementos afectados sean superiores a los que poseían en su concepción original.

Entrem en una capítol molt complex, el de la reforma d’edificis, perquè la norma demana que es millori la capacitat de resposta a les sol·licitacions sísmiques dels edificis existents quan s’hi fa reformes, cosa que no sempre és possible ni “calculable” amb una dificultat assumible. Hi ha coses que sí que es poden millorar amb “certa” facilitat. La majoria de vegades només cal retornar l’estat de l’edifici a l’origen, refent o reposant les divisions que s’han eliminat i que estintolaven les parets de càrrega, o tancant les obertures a les parets que s’han anat fent al llarg dels anys. Els edificis antics, de parets de càrrega, edificats segons els bons costums constructius de cada època, solien estar ben travats en tots sentits i per tant tenien una certa capacitat de suportar les “càrregues horitzontals”. Les intervencions posteriors que es guiaven per un fals principi que deia que “els envans no treballen i es poden enderrocar” o que a les parets de càrrega, si s’hi volia ampliar les obertures, només calia posar-hi una llinda més llarga; aquestes intervencions dic, ben segur que han fet minvar la capacitat de resposta dels edificis enfront de possibles sol·licitacions sísmiques.

De totes maneres, no ens hem d’enganyar, en la majoria dels casos d’edificis de més de 30 anys, resulta gairebé impossible de millorar la seva capacitat de resposta adequada a possibles vibracions sísmiques, si no es canvia de soca-rel el sistema estructural, cosa que no sempre és possible ni aconsellable. Pensem que la majoria d’edificis “antics” de parets de càrrega, tenen una isostaticitat estructural clara. Sovint, les parets de càrrega de les plantes altes descansen sobre jàsseres recolzades isostàticament damunt de pilars de fosa o de pedra, o bé damunt de parets amb arcs i voltes.

Pensem també en els edificis de finals dels seixanta quan es va imposar el sistema de forjats amb bigues planes i pòrtics només en una direcció, o els primers forjats reticulars sense cap armadura inferior als capitells, etc.

No obstant i això, crec que tenim al davant un repte tècnic per afrontar aquets aspecte en les obres de reforma integral dels edificis existents.

Un cop d’ull al nostre mapa sísmic

Si estic escrivint aquest article és perquè no fa massa a Lorca va passar el que tots sabem. Lorca tenia una previsió d’acceleració bàsica de 0.12g i està en la zona de risc sísmic més elevada d’Espanya (sector de Granada-Múrcia). Els sismògrafs però, varen registrar una acceleració bàsica superior a l’esperada. A Lorca la majoria d’edificis havien estat construïts abans de la publicació de la norma sísmica i pel que sembla, alguns edificis d’estructura de formigó que haurien d’haver estat dissenyats i construïts d’acord amb la normativa vigent, no es van construir com calia i varen col·lapsar. Per les dades que van arribant, sembla que els edificis més castigats han estat els construïts als anys seixanta. És evident que si Lorca s’hagués edificat tota ella amb la normativa sísmica del 94 o del 02, hauria acusat danys, però no de l’envergadura dels que hi ha hagut.

A Catalunya tenim un escenaris de perillositat relativament moderat. L’Institut Geològic de Catalunya, ha fet un estudi força complert de l’ampliació del moviment sísmic degut als sòls tous de què parlava més amunt i proposa una determinada classificació geotècnica de quatre tipus, amb base a la qual ha establert la distribució dels edificis de cada municipi en classes de vulnerabilitat, i cada municipi ha estat catalogat de vulnerabilitat alta (25% de municipis), mitjana (569 municipis) o baixa (374 municipis). No m’hi estenc perquè es pot consultar l’estudi a l’IGC.

Els nivells més alts de sismicitat estan localitzats bàsicament al sector del Ripollès i Garrotxa en què molts municipis tenen una previsió d’acceleració bàsica de 0.11g (inferior a la que el mapa sísmic imputava fins ara a Lorca). Les zones de previsió més baixa es situen en direcció Sud i cap a ponent passant pel Barcelonès (0.4g).

És evident que el mapa sísmic s’ha d’anar actualitzant a partir de les noves dades i dels nous sismes registrats, introduint les esmenes pertinents, i és evident que cal anar millorant encara més l’estudi i aplicació de nous materials que permetin d’anar aconseguint una major ductilitat estructural en les noves construccions.

Per acabar

Els científics i els tècnics lamentem com humans que som, les desgràcies ocasionades pels moviments sísmics, i concretament pel que va pasar a Lorca. Però sabem que cada nova vibració enregistrada als sismògrafs i l’estudi de camp sobre els edificis afectats, són una font valuosa de dades de cara a la investigació, que haurà de permetre millorar la seguretat enfront de la perillositat sísmica.

La tècnica en la concepció estructural dels edificis i de les construccions en general ha millorat molt aquests darrers vint anys, però per molt que millori la investigació i la tècnica, ens seguirem movent en un camp estadístic en què considerarem la sismicitat de forma “probabilista” tot ajustant coeficients. Poc a poc podrem acotar millor els problemes que se’ns plantegin i anirem millorant els sistemes de disseny i de construcció. Per això, mai no podrem oblidar el risc real de què es produeixi un terratrèmol a les regions de perillositat sísmica més elevada, i que una vibració sísmica, segons la magnitud, pot comportar danys materials i humans.

Per altra banda, entenc que la solució enfront dels desastres com és el cas dels efectes causats per un sisme sever com el de Lorca, no passa per la recerca de “culpables”, sinó per activar el sentit de responsabilitat de tots els agents implicats en el camp de l’edificació i de les obres publiques que s’haurà de materialitzar en inversió en els camps de la investigació i de la millora tecnològica, i en una presa de consciència cada cop més significativa pel que fa a la perillositat sísmica, per part de tècnics, promotors, constructors, i per part de particulars i de l’Administració.

Autoria de l’article