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FEMA P646 / June 2008 Guías para el Diseño de Estructuras de Desalojo Vertical en caso de Tsunami Preparado por CONSEJO DE TECNOLOGÍA APLICADA (ATC) 201 Redwood Shores Pkwy, Suite 240 Redwood City, California 94065 www.ATCouncil.org Preparado para AGENCIA FEDERAL PARA EL MANEJO DE EMERGENCIAS (FEMA) Programa Nacional para la Reducción de Peligros de Terremotos ADMINISTRACIÓN NACIONAL OCEÁNICA Y ATMOSFÉRICA (NOAA) Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami Michael Mahoney, Oficial de Proyecto FEMA Robert D. Hanson, Monitor Técnico FEMA MANEJO Y SUPERVISIÓN ATC Christopher Rojahn (Ejecutivo de Proyecto) Jon A. Heintz (Gerente de Proyecto) William T. Holmes (Mon. Tec. de Proyecto) COMITÉ GERENCIAL DEL PROYECTO Steven Baldridge (Director Técnico de Proyecto) Frank González John Hooper Ian N. Robertson Timothy J. Walsh Harry Yeh PANEL EVALUADOR DE PROYECTO Christopher P. Jones* (Presidente) John Aho George Crawford Richard Eisner Lesley Ewing Michael Hornick Chris Jonientz-Trisler Marc L. Levitan George Priest Charles W. Roeder Jay Wilson *Representante Junta ATC Advertencia Cualquier opinión, resultados, conclusiones, o recomendaciones expresadas en esta publicación no reflejan necesariamente la opinión de el Departamento de Seguridad Nacional (DHS), la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA), la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), o el Consejo de Tecnología Aplicada (ATC). Además, ATC, DHS, FEMA, NOAA, ni ninguno de sus empleados, hace ningún tipo de garantía, expresada o implicada, ni asume ningún tipo de responsabilidad legal ni sobre la exactitud, lo completo, o la utilidad de la información, producto, o proceso incluido en esta publicación. Los usuarios de la información tomada de esta publicación asumen toda responsabilidad legal que surja de su uso. Fotos de portada cortesía de Magnusson Klemencic Associates, Seattle, Washington. Preámbulo Esta publicación fue igualmente financiada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), la cual encabeza el Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami (NTHMP, en inglés), y por la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA), responsable de implementar el Programa Nacional para la Reducción de Peligros de Terremoto (NEHRP, en inglés). FEMA inició este proyecto en septiembre de 2004 con la otorgación de un contrato al Consejo de Tecnología Aplicada (ATC). El proyecto se llevó a cabo para satisfacer la necesidad de guías sobre como construir estructuras capaces de resistir las fuerzas extremas de un tsunami y/o un terremoto. La pregunta fue formulada en base al hecho de que muchas comunidades de la costa oeste de nuestra nación están localizadas en espacios estrechos de tierra vulnerables a un tsunami provocado por un terremoto en la zona de subducción de Cascadia, que puede generar un tsunami de 20 pies o más en cuestión de 20 minutos. Por su localización sería imposible desalojar estas comunidades a tiempo, lo que resultaría en una pérdida significativa de vidas. Muchas comunidades costeras en riesgo de tsunami, en otras áreas del país, también enfrentan este posible problema. En estos casos la única alternativa factible es el desalojo vertical utilizando estructuras especialmente diseñadas, construidas y designadas para resistir los embates de tsunamis y terremotos. La importancia de este asunto tomó relevancia súbitamente con el terremoto de Sumatra y el Tsunami del Océano Índico del 26 de diciembre de 2004. Aún resultando en una pérdida tremenda de vidas, este desastre pudo ser peor ya que mucha gente logró refugiarse en edificios altos de concreto reforzado. Sin saberlo, estos sobrevivientes estuvieron entre los primeros en demostrar el concepto del desalojo vertical en caso de tsunami. Esta publicación presenta la siguiente información: • Información general acerca del peligro de tsunami y su historia; • Guías para determinar el peligro de tsunami, incluyendo la necesidad de determinan la profundidad y velocidad del tsunami en base a lugares específicos; • Diferentes opciones para el desalojo vertical en caso de tsunami; FEMA P646 Preámbulo iii • Determinar las cargas sísmicas y de tsunami y los criterios de diseño estructural necesarios para combatirlos; y, • Conceptos de diseño estructural y otras consideraciones. Este escrito es el primero de dos documentos sobre este asunto. El segundo se encuentra en desarrollo y presentará información sobre como el uso de estas guías de diseño pueden ser promovidas y adoptadas a niveles estatales y locales. FEMA le agradece al Comité de Manejo del Proyecto de Steve Baldridge, John Hooper, Ian Robertson, Tim Walsh, and Harry Yeh. También le agradecemos al Comité Evaluador del Proyecto cuyos miembros están mencionados al final de este documento, y al personal del Consejo de Tecnología Aplicada. Su arduo trabajo le ha dado a esta nación el primer documento de su clase, un manual sobre como los ciudadanos, por primera vez, pueden sobrevivir un tsunami, uno de los desastres naturales más aterrorizantes.. – Agencia Federal para el Manejo de Emergencias iv Preámbulo FEMA P646 Prefacio En septiembre de 2004 la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias le otorgó al Consejo de Tecnología Aplicada (ATC) el contrato “Desarrollo y Apoyo de Guías Técnicas para Eventos Sísmicos y de Riesgos Múltiples” (HSFEHQ-04-D-0641) para llevar a cabo una serie de trabajos, incluyendo el desarrollo de guías de diseño para facilidades especializadas de desalojo vertical en caso de tsunami, lo cual ATC denominó el Proyecto ATC-64. Este esfuerzo fue cofinanciado por FEMA y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). El proceso de desarrollo envolvió una gran variedad de actividades, incluyendo la evaluación de investigaciones, documentación y literaturas relevantes, la preparación de guías técnicas y de avances para diseños resistentes a tsunami, el desarrollo de métodos para calcular la carga sísmica de un tsunami, y la identificación de atributos arquitectónicos y estructurales deseables para las facilidades de desalojo vertical. La guía para el diseño de facilidades especializadas para el desalojo vertical de tsunamis producto de este proyecto, aquí presentada, toca un sinnúmero de asuntos relevantes. El capítulo 1 define la cobertura y las limitaciones de la guía. El capítulo 2 provee información acerca de los efectos de un tsunami y sus posibles impactos en los edificios de las comunidades costeras. Los capítulos del 3 al 7 proveen guías de diseño a base a los peligros de tsunami; como escoger entre varias opciones para estructuras de desalojo vertical; determinar la localización y tamaño apropiado de las estructuras de desalojo vertical; el estimado de los efectos de la carga sísmica de tsunami; criterios de diseño estructural; y conceptos de diseño y otras consideraciones. El documento concluye con una serie de anejos que proveen información suplementaria, incluyendo ejemplos de estructuras de desalojo vertical de Japón, ejemplos de cálculos de carga sísmica de tsunami, un ejemplo de desarrollo de comunidades, desarrollo de ecuaciones de cargas de impacto, e información acerca de la velocidad máxima de flujo, y de flujo de momento en la zona de alcance de tsunami. ATC está en deuda con el equipo del Proyecto ATC-64, quienes participaron en el desarrollo de este documento. El Comité de Manejo del proyecto, compuesto por Steven Baldridge (Director Técnico del Proyecto), Frank González (quien participó en las etapas tempranas del proyecto), John Hooper, Ian Robertson, Tim Walsh, and Harry Yeh, fueron responsables del FEMA P646 Prefacio v desarrollo de los criterios técnicos, guías de diseño, y las recomendaciones relacionadas. La evaluación y los comentarios técnicos en las etapas críticas de desarrollo fueron proveídas por el Panel Evaluador del Proyecto, compuesto por Christopher Jones (Presidente y Representante de la Junta de ATC), John Aho, George Crawford, Richard Eisner, Lesley Ewing, Michael Hornick, Chris Jonientz-Trisler, Mark Levitan, George Priest, Charles Roeder, and Jay Wilson. Peter N. Mork y Bernadette Hadnagy brindaron servicios de producción de reportes de ATC. Las afiliaciones de estos individuos se encuentran en la lista de participantes del proyecto. ATC también reconoce con gratitud la colaboración y consejos de Michael Mahoney (Oficial de Proyectos de FEMA), Robert Hanson (monitor Técnico de FEMA), y William Holmes (Monitor Técnico de Proyectos de ATC). Jon A. Heintz Directo de Projectos ATC vi Prefacio Christopher Rojahn Director Ejecutivo ATC FEMA P646 Tabla de Contenido Preámbulo…………………………………………………….......................iii Prefacio ............................................................................................................v Lista de Figuras .............................................................................................. xi Lista de Tablas ...............................................................................................xv 1. INTRODUCCIÓN.....................................................................................1 1.1 Objetivos y Alcance.........................................................................1 1.2 Decidirse a Construir una Estructura de Desalojo Vertical….…2 1.2.1 Tsunami: Peligro versus Riesgo .........................................2 1.2.2 Proceso de Toma de Decisiones y de Diseño .....................2 1.3 Limitaciones ....................................................................................4 1.4 Organización....................................................................................5 2. TRASFONDO ...........................................................................................7 2.1 General.............................................................................................7 2.1.1 Actividad Histórica de Tsunamis........................................7 2.1.2 Conductas y Características de Tsunamis.........................10 2.2 Efectos de Tsunami en Edificios. ..................................................16 2.2.1 Datos Históricos de Efectos de Tsunami ..........................16 2.2.2 Observaciones del Tsunami del Océano Índico................19 2.2.3 Observaciones del Huracán Katrina .................................23 2.2.4 Implicaciones para el Diseño Resistente a Tsunami .........28 3. AVALÚO DE PELIGRO DE TSUNAMI ..............................................31 3.1 Modelaje Actual de Tsunamis y Mapeo de Inundaciones .............31 3.2 El Programa de Tsunamis de NOAA: Modelaje y Mapeo para Pronósticos.....................................................................................32 3.3 El Programa Nacional para la Mitigación de Peligro de Tsunami: Escenario de Peor Caso .................................................................36 3.4 El Programa de Modernización de Mapas de FEMA: Avalúo Probabilístico de Peligro de Tsunami ............................................39 3.5 Limitaciones de Productos de Modelaje y Mapeo Disponibles Actualmente ...................................................................................40 3.6 Cuantificación del Peligro para el Diseño de Estructuras de Desalojo Vertical de Tsunamis ......................................................41 3.7 Sugerencias para Mejorar el Avalúo de Peligro de Tsunami .........45 4. OPCIONES DE DESALOJO VERTICAL .............................................45 4.1 Consideraciones del Desalojo Vertical ..........................................45 4.1.1 Facilidades de Un Solo Uso..............................................45 4.1.2 Facilidades de Usos Múltiples ..........................................46 4.1.3 Consideraciones de Peligros Múltiples.............................47 4.2 Conceptos de Desalojo Vertical.....................................................47 4.2.1 Terrenos Altos Existentes .................................................47 FEMA P646 Tabla de Contenido vii 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 Bermas de Terreno ........................................................... 48 Estacionamientos ............................................................. 49 Facilidades Comunales .................................................... 49 Facilidades Comerciales .................................................. 49 Facilidades Escolares ....................................................... 51 Edificios Existentes.......................................................... 51 5. CONSIDERACIONES DE LOCALIZACIÓN, ESPACIAMIENTO, 2TAMAÑO Y ELEVACIÓN ................................................................. 53 5.1 Consideraciones de Localidad ...................................................... 53 5.1.1 Advertencias, Tiempo de Traslado, y Espaciamiento ...... 53 5.1.2 Ingreso y Circulación Vertical ......................................... 55 5.1.3 Consideración de Peligros del Lugar ............................... 57 5.2 Consideraciones de Tamaño ......................................................... 59 5.2.1 Duración de Servicios y Ocupación ................................. 59 5.2.2 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado de Guías de Refugio Actuales.............................................................. 60 5.2.3 Pietaje Cuadrado Mínimo Recomendado para Refugios de Tsunamis a Corto Plazo ................................................... 61 5.3 Consideraciones de Elevación ...................................................... 62 5.4 Tamaño de las Estructuras de Desalojo Vertical........................... 62 6. DETERMINACIÓN DE CARGA Y CRITERIOS ESTRUCTURALES DE DISEÑO ........................................................................................... 63 6.1 Criterios de Diseño Estructural Actualmente Disponibles ........... 63 6.1.1 Códigos, Estándares y Guías Actuales de EEUU ............ 63 6.1.2 Resumen de Requisitos Actuales de Diseño .................... 65 6.1.3 Limitaciones de los Criterios para Diseños de Inundación Disponibles en Relación a las Cargas de Tsunami .......... 66 6.2 Objetivos de Funcionamiento ....................................................... 67 6.2.1 Objetivo de Funcionamiento en Caso de Tsunami .......... 69 6.2.2 Objetivos de Funcionamiento Sísmico y Eólico. ............. 69 6.3 Cargas Sísmicas y de Terremotos. ................................................ 70 6.3.1 Tsunamis de Origen Cercano ........................................... 70 6.3.2 Tsunamis de Origen Lejano ............................................. 71 6.4 Cargas Eólicas ............................................................................... 72 6.5 Cargas de Tsunami ........................................................................ 72 6.5.1 Suposiciones Claves para Estimar los Efectos de Carga de Tsunami ........................................................................... 72 6.5.2 Fuerzas Hidrostáticas ....................................................... 73 6.5.3 Fuerzas Boyantes ............................................................. 74 6.5.4 Fuerzas Hidrodinámicas .................................................. 75 6.5.5 Fuerzas de Impulso .......................................................... 76 6.5.6 Fuerzas de Impacto por Escombros ................................. 76 6.5.7 Formación de Diques por Escombros en el Agua ............ 81 6.5.8 Fuerzas de Levantamiento en Pisos Elevados.................. 82 6.5.9 Cargas Gravitacionales Adicionales en Pisos Elevados... 84 6.6 Combinación de Fuerzas de Tsunami ........................................... 85 6.6.1 Combinación de Fuerzas de Tsunami en la Estructura Completa .......................................................................... 85 viii Tabla de Contenido FEMA P646 6.6.2 6.7 6.8 6.9 Combinación de Fuerzas de Tsunami en Componentes Individuales de la Estructura ............................................88 Combinaciones de Carga ...............................................................89 Consideraciones de Capacidad de Miembros y Fortaleza de Diseño .......................................................................90 Consideraciones de Colapso Progresivo ........................................90 6.9.1 Estrategia de Fuerza de Amarre........................................91 6.9.2 Estrategia de Columna Ausente ........................................92 7. CONCEPTOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL Y CONSIDERACIONES ADICIONALES ......................................................................................95 7.1 Atributos de las Estructuras Resistentes a Tsunami ......................95 7.2 Consideraciones Estructurales para los Efectos de Cargas de Tsunami .........................................................................................95 7.2.1 Conceptos de Diseño para Socavación y Cimientos.........97 7.2.2 Conceptos de Muros Separables .......................................98 7.3 Conceptos de Modificación y Retroadaptación de Estructuras Existentes .....................................................................................100 7.4 Permisión y Garantía de Calidad para Estructuras de Desalojo Vertical ........................................................................................101 7.4.1 Conformidad de Permisos y Códigos ................................101 7.4.2 Revisión por Pares .............................................................101 7.4.3 Garantía de Calidad / Control de Calidad ..........................101 7.5 Consideraciones de Planificación para Estructuras de Desalojo Vertical ........................................................................................103 7.6 Consideraciones de Costos para Estructuras de Desalojo Vertical103 ANEJO A – EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS DE DESALOJO VERTICAL DE JAPÓN .......................................................................105 ANEJO B – EJEMPLO DE DISEÑO DE COMUNIDAD..........................111 B.1 Ejemplo de lugar 1: Berma de escape..........................................114 B.2 Ejemplo de lugar 2: Estructura de Usos Múltiples ......................116 ANEJO C – CÁLCULOS DE EJEMPLO ...................................................121 C.1 Profundidad de Inundación ..........................................................121 C.2 Fuerzas Hidrostáticas y Boyantes ................................................122 C.3 Fuerzas Hidrodinámicas y de Impulso ........................................123 C.4 Fuerza de Impacto .......................................................................124 C.5 Efecto de Diques por Escombros en el Agua ..............................125 C.6 Fuerzas de Levantamiento Hidrodinámico ..................................126 ANEJO D – INFORMACION DE TRASFONDO EN EL CÁLCULO DE CARGAS DE IMPACTO .....................................................................127 D.1 Modelos Disponibles para Cargas de Impacto ............................127 D.2 Resumen y Discusión ..................................................................132 ANEJO E – VELOCIDAD MÁXIMA DE FLUJO Y FLUJO DE MOMENTO EN LA ZONA DE ALCANCE DE TSUNAMI ..............133 E.1 Velocidad de Flujo.......................................................................133 E.2 Flujo de Momento .......................................................................136 GLOSARIO .................................................................................................139 FEMA P646 Tabla de Contenido ix REFERENCIAS .......................................................................................... 149 PARTICIPANTES DEL PROYECTO ....................................................... 161 x Tabla de Contenido FEMA P646 Lista de Figuras Figura 1-1 Proceso de toma de decisiones y diseño para estructuras de desalojo vertical .....................................................................3 Figura 2-1 Amplitudes máximas calculadas de tsunami en el Océano Índico ...................................................................................11 Figura 2-2 Diagramas esquemáticos del desplazamiento vertical resultando de la dislocación de una falla subductiva: a) zona de ruptura lejos de la costa; y b) ruptura de zona adyacente a la costa con subsidencia costera...........................................12 Figura 2-3 Expedientes de medidas marítimas para el tsunami de 2004 en: Ta Phao Noi, Tailandia, mostrando la ola principal de depresión; y b) Tuticorin, India, mostrando la ola principal de elevación .........................................................................13 Figura 2-4 Altura del alcance registradas en el tsunami de Okushuri en la costa de Inaho, mostrando que la altura del alcance varía significativamente entre áreas vecinas .................................14 Figura 2-5 Boceto de macareo y fotografía del tsunami de NihonkaiChubu de 1983 mostrando la formación del macareo de este tsunami lejos de la costa .....................................................14 Figura 2-6 Boceto de una marejada y fotografía del tsunami de Nihonkai-Chubu de 1983 mostrando la formación de una marejada ..............................................................................15 Figura 2-7 Secuencia de fotografías mostrando inundación causada por el alcance del tsunami de Nihonkai-Chubu de 1983. ...........15 Figura 2-8 Grados de daño a edificios vs. altura del alcance. ...............16 Figura 2-9 Faro de Scotch Cap destruido por el tsunami de las Islas Aleutianas de 1946...............................................................17 Figura 2-10 Destrucción total de un grupo de estructuras de Madera en la villa de Aonae, Okushiri, Japón (Tsunami de Okushiri de 1993) ....................................................................................18 Figura 2-11 Casas de playa con varios niveles de daño en El Popoyo, Nicaragua (Tsunami de Nicaragua de 1992) .......................18 Figura 2-12 Daño causado por el impacto de escombros (bote pesquero) en Aonae, Japón (Tsunami de Okushiri de 1993) ...............19 Figura 2-13 Ejemplos de estructuras de concreto reforzado que sobrevivieron el tsunami de Okushiri de 1993.....................19 Figura 2-14 Casa de playa de albañilería simple dañada en Devanaanpattinam, India (Tsunami del Océano Índico del 2004). ...................................................................................20 FEMA P646 Lista de Figuras xi FEMA P646 Figura 2-15 Ejemplo de una mezquita de concreto reforzado sobreviviente en Uleele, Bandah Aceh ............................... 21 Figura 2-16 Ejemplos de escombros cargados por el tsunami del Océano Índico del 2004 .................................................................... 21 Figura 2-17 Daño a columnas de concreto no reforzadas por impacto de escombros ........................................................................... 22 Figura 2-18 Daño a columna de esquina por formación de dique por escombros............................................................................ 22 Figura 2-19 Socavación alrededor de cimientos llanos en el área de Khao Lak ...................................................................................... 23 Figura 2-20 Daño por levantamiento de pisos y muelle de concreto prefabricado......................................................................... 23 Figura 2-21 Ejemplos de colapso estructural por temblor fuerte antes de la inundación de tsunami en Bandah Aceh: a) fallo en la conexión de vigas y columnas; y b) fallo por nivel no reforzado ............................................................................. 24 Figura 2-22 El edificio de apartamentos Gulf Tower sufrió daño no estructural sustancial en el primer nivel, pero se mantuvo estructuralmente seguro....................................................... 26 Figura 2-23 El edificio de oficinas Pass Christian con un sistema de pisos moldeados en el lugar sufrió daño no estructural en los primeros dos niveles pero permaneció estructuralmente seguro .................................................................................. 26 Figura 2-24 Condominio en Gulfport, Mississippi con daños de olas y marejadas a elementos no estructurales en el primer nivel pero sin ningún daño estructural reportado ......................... 26 Figura 2-25 Colapso progresivo de los pisos superiores de un estacionamiento por daños a las columnas de los niveles bajos causados por una barcaza-casino adyacente .............. 27 Figura 2-26 Fallo de pilotes pretensados por el efecto de dique de un contenedor ........................................................................... 29 Figura 2-27 Fallo por doblez negativo de un sistema de pisos doble T pretensado debido a fuerzas de levantamiento .................... 30 Figura 2-28 Armazón de concreto de un edificio de tres pisos que colapsó parcialmente por el fallo de la plancha de concreto postensado en la bahía más cercana al Golfo de México .... 30 Figura 3-1 Lugares costeros para modelos de inundación de localidad específica para el Sistema de Pronóstico de Tsunamis ....... 33 Figura 3-2 Productos de modelos de inundación de tsunami para Seattle, Washington ......................................................................... 35 Figura 3-3 Mapa de inundación de tsunami para Seattle, Washington producido y publicado por el estado de Washington, usando productos de modelos como guía ........................................ 36 Lista de Figuras xii Figura 3-4 Mapa de inundación de tsunami de Yaquina Bay, Oregon con tres líneas de inundación ...............................................37 Figura 3-5 Elevaciones de tsunami con 90% de probabilidad de no excederse en los próximos 50 años .....................................38 Figura 3-6 Mapa de tsunami de 500 años para Seaside, Oregon, mostrando alturas máximas de olas que alcanzan o exceden una probabilidad anual de 0.2% ...........................................39 Figura 4-1 Berma de tierra combinada con espacio comunal abierto....48 Figura 4-2 Estacionamiento. Los sistemas estructurales abiertos permiten el paso de agua con resistencia mínima, y las rampas interiores permiten ingreso fácil y la circulación vertical .................................................................................49 Figura 4-3 Complejo deportivo. Diseñado para congregación, este tipo de estructura puede facilitar la circulación y las necesidades de servicios de un gran número de personas ........................50 Figura 4-4 Complejo hotelero y de convenciones. Las salas de reunión, de baile, y de exhibición localizados sobre la altura de elevación de tsunami pueden servir de áreas de refugio ......50 Figura 4-5 Mapa de desalojo de Waikiki, Hawaii, indicando el uso de algunos edificios existentes para desalojo vertical ..............51 Figura 5-1 Localización de refugios de desalojo vertical considerando distancia de escape, conducta del desalojo, y terreno alto natural ..................................................................................56 Figura 5-2 Peligros del lugar adyacentes a estructuras de desalojo vertical .................................................................................57 Figura 6-1 Objetivos de funcionamiento sísmico relacionando el funcionamiento de edificios y los niveles de peligro de terremotos ............................................................................68 Figura 6-2 Distribución de la fuerza hidrostática y localización del resultante ..............................................................................74 Figura 6-3 Fuerzas boyantes sobre edificio con niveles bajos a prueba de agua .................................................................................75 Figura 6-4 Distribución de la fuerza hidrodinámica y localización del resultante ..............................................................................76 Figura 6-5 Fuerzas hidrodinámicas y de arrastre sobre los componentes de un edificio inundado por el macareo de un tsunami........79 Figura 6-6 Fuerza de impacto de escombros en el agua ........................77 Figura 6-7 Velocidad máxima de flujo de profundidad, d, a la elevación del suelo, z, y la elevación máxima de alcance, R ..............81 Figura 6-8 Un boceto de definición para la fuerza boyante ascendente ejercida sobre un piso elevado .............................................83 FEMA P646 Lista de Figuras xiii FEMA P646 Figura 6-9 Cargas de gravedad ejercidas sobre un piso elevado con agua retenida por los muros exteriores durante el retiro rápido del agua ..................................................................................... 85 Figura 6-10 Fuerzas impulsivas y de arrastre aplicadas a un edificio de ejemplo ................................................................................ 87 Figura 6-11 Fuerzas de dique por escombros y de arrastre aplicadas a un edificio de ejemplo .............................................................. 87 Figura 6-12 Estrategia de fuerza de amarre ............................................ 91 Figura 6-13 Detallado de acero reforzante para pérdida potencial de una columna de soporte ............................................................. 93 Figura 6-14 Estrategia de columna ausente ............................................ 93 Figura 7-1 Efecto de muros separables sobre las olas........................... 97 Figura A-1 Torre de Salvar Vidas........................................................ 105 Figura A-2 Torre de Nishiki ................................................................ 106 Figura A-3 Refugio de Shirahama Beach Resort ................................. 107 Figura A-4 Refugio de tsunami en Kaifu, Japan.................................. 108 Figura A-5 Berma construida para tsunamis en Aonae, Japan ............ 108 Figura A-6 Escuela Elemental de Aonae. Los pisos superiores pueden ser usados como refugio de tsunami ................................. 109 Figura B-1 Boceto hipotético una comunidad ejemplo mostrando posibles lugares para estructuras de desalojo vertical y rutas de desalojo......................................................................... 110 Figura B-2 Ejemplo de mapa de inundación de comunidad ................ 112 Figura B-3 Ejemplo de mapa de velocidad de flujo en caso de inundación de una comunidad ........................................... 113 Figura B-4 Ejemplo de diseño de berma de escape ............................. 114 Figura B-5 Ejemplo de plano para berma de escape ........................... 115 Figura B-6 Ejemplo de sección de berma de escape ........................... 116 Figura B-7 Ejemplo de elevación posterior de berma de escape ......... 116 Figura B-8 Ejemplo de gimnasio ......................................................... 117 Figura B-9 Ejemplo de plano de gimnasio .......................................... 118 Figura B-10 Ejemplo de elevación de gimnasio .................................... 119 Figura C-1 Bocetos de definición para cálculos de ejemplo ............... 121 Figura C-2 Condición resultante de fuerzas boyantes ......................... 123 Figura D-1 Rangos de duración de impacto ........................................ 132 Figura E-1 Flujo máximo de velocidad de profundidad, d, a elevación de suelo, z, y elevación máxima de alcance, R....................... 135 Lista de Figuras xiv Lista de Tablas Tabla 2-1 Avalúo Cualitativo de Peligro de Tsunami para Lugares en EEUU (Dunbar, et. al., 2008). ......................................................8 Tabla 2-2 Comparación de Tiempo Relativo y Escalas de Carga para Varios Fenómenos Costeros .......................................................10 Tabla 5-1 Fuentes de Tsunamis y Tiempo Aproximado de Advertencia ...54 Tabla 5-2 Espaciamiento Máximo Entre Estructuras de Desalojo Vertical en Base a Tiempo de Traslado ...................................................55 Tabla 5-3 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado – ICC-500 Estándar en el Diseño y Construcción de Refugios de Tormentas .....................60 Tabla 5-4 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado – FEMA 361 Guías de Diseño y Construcción para Refugios de la Comunidad ...........60 Tabla 5-5 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado – Cruz Roja Americana Publicación No. 4496 .................................................................61 Tabla 6-1 Propiedades de Masa y Rigidez de Escombros Comunes en el Agua ...........................................................................................79 Tabla 7-1 Profundidad Aproximada de Socavación Como Porcentaje de Profundidad de Flujo, d ..............................................................98 Tabla B-1 Elevaciones de Diseño para Áreas de Refugio .........................112 Tabla B-2 Velocidad de Flujo de Tsunami en Cada Lugar .......................113 FEMA P646 Lista de Tablas xv Resumen Ejecutivo El objetivo de este proyecto es desarrollar los criterios técnicos, las guías de diseño, y las recomendaciones para el diseño u construcción de estructuras resistentes a tsunamis que permitan el desalojo vertical en caso de inundaciones de tsunami. Esto es un asunto programático central para el Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami, impulsado por el hecho de que existen varias comunidades costeras en la costa oeste de los Estados Unidos que son vulnerables a tsunamis que pueden ser causados por terremotos en la Zona de Subducción de Cascadia. Algunas comunidades en Alaska, Hawaii, y la costa este también están en riesgo de peligros de tsunami. Dado que muchas comunidades costeras están localizadas en áreas en las cuales sería imposible desalojar rápidamente, un tsunami de gran magnitud con poco tiempo de aviso podría causar una pérdida significativa de vidas. Las estructuras de desalojo vertical proveen los medios para crear áreas de refugio dentro de la zona de inundación de tsunamis para las comunidades en las cuales el desalojo no es factible. FEMA P646 Resumen Ejecutivo xvii Capítulo 1 Introducción 1.1 Objetivos y Alcance Los tsunamis son eventos poco comunes, a menudo acompañados de advertencias previas. Como tal, las estrategias para mitigar el riesgo de tsunami generalmente requieren el desalojo a áreas de terreno altas fuera de la zona de inundación del tsunami. Hasta hoy, la mayor parte de los esfuerzos se han enfocado en el desarrollo de sistemas más efectivos de alerta, mejores mapas de inundación, y mayor información para la eficiencia de los desalojos. En algunos lugares, puede no existir terreno alto, o los tsunamis pueden ser causados por eventos locales, no permitiendo el desalojo de las áreas bajas. Donde el desalojo horizontal fuera del área inundación de tsunami no es posible ni práctica, el desalojo vertical a los niveles altos de edificios diseñados para resistir tsunamis se convierte en una posible solución. Un Refugio de Desalojo Vertical de Tsunamis es un edificio o montículo de tierra con la altura suficiente para elevar a los desalojados sobre el nivel de inundación, y está diseñado y construido con la fuerza y resiliencia necesaria para resistir el embate de las olas de tsunami. El enfoque de este documento es en estructuras dirigidas a proveer protección durante un evento de alto riesgo de tsunami a corto plazo. Estas estructuras generalmente se denominan refugios. Un refugio de desalojo vertical de tsunamis es un edificio o montículo de tierra con la altura suficiente para elevar a los desalojados sobre el nivel de inundación, y está diseñado y construido con la fortaleza y resiliencia necesaria para resistir el embate de las olas de tsunami. Este documento es un recurso para ingenieros, arquitectos, oficiales de gobierno local y estatal, oficiales de edificios, planificadores comunitarios, y propietarios de edificios que consideran la construcción y operación de estructuras resistentes a tsunamis con el propósito de ser un lugar seguro para los desalojados durante un evento de tsunami. Este provee guías para el diseño y construcción de estructuras que podrían ser utilizadas como refugio de desalojo vertical sobre aguas altas asociadas a un evento de tsunami, e incluye recomendaciones específicas sobre la carga, configuración, localización, operación, y mantenimiento de dichas facilidades. Este manual es para utilizarlo en áreas de los Estados Unidos expuestas a peligros de tsunamis, pero eso no debe evitar su uso como guía en otras áreas expuestas a peligros similares. FEMA P646 1: Introducción 1 1.2 Decidirse a Construir una Estructura de Desalojo Vertical Muchos factores influyen el la decisión de construir una estructura de desalojo vertical, incluyendo: • la probabilidad de la región ser afectada por un tsunami, • las posibles consecuencias de un tsunami (Ej. daños, lesiones, y pérdida de vidas), • los elementos de un plan local de respuesta a emergencias, incluyendo alternativas disponibles de desalojo, • los usos planeados y posibles para facilidades de refugio, y • el costo de construcción de una estructura resistente a tsunami. 1.2.1 Peligro de Tsunami es una medida de la posibilidad de que ocurra un tsunami en algún lugar. Riesgo de Tsunami es una medida de las consecuencias en caso de un tsunami, que pueden ser caracterizadas en términos de daños, pérdida de función, lesiones y pérdida de vidas. Peligro vs. Riesgo de tsunami El peligro se relaciona a potencial de que ocurra un evento mientras que el riesgo se relaciona a las consecuencias de dicho evento. El peligro es una medida de la posibilidad de que ocurra un tsunami en algún lugar. También es la medida de la posible magnitud de efectos de tsunami específicos al lugar, incluyendo medida de la inundación, altura del alcance, y la velocidad de flujo. El riesgo es una medida de las consecuencias en caso de un tsunami, que pueden ser caracterizadas en términos de daños, pérdida de función, lesiones y pérdida de vidas. El riesgo depende de muchos factores incluyendo la vulnerabilidad del área y la densidad poblacional. Similar a otros peligros (Ej. terremotos y ventiscas) los criterios de diseño estructural para efectos de tsunami son basados en el peligro relativo. Sin embargo, la decisión de construir una estructura de desalojo vertical puede ser basada en riesgos a la población local, ya sean reales o percibidos. 1.2.2 Proceso de Toma de Decisiones y de Diseño En el organigrama de la Figura 1-1 se bosqueja el proceso de toma de decisiones y de diseño para estructuras de desalojo vertical. Dada una amenaza de tsunami en una región, real o percibida, el primer paso es determinar la severidad del peligro de tsunami. Esto incluye la identificación de posibles áreas que generan tsunamis y la acumulación de datos de ocurrencia y alcance de tsunamis. El Capítulo 3 brinda una guía para el avalúo de peligro de tsunami, que puede incluir avalúo probabilístico considerando todas las fuentes de tsunami, o un avalúo determinístico considerando el tsunami de mayor magnitud que se puede esperar que afecte el área. Una vez se identifiquen las posibles fuentes de tsunami y el nivel de 2 1: Introducción FEMA P646 peligro se da a conocer, se necesita información sobre la medida de la inundación, altura del alcance, y la velocidad del flujo específicos del área. Parte de esta información se puede obtener de mapas de inundación de tsunami disponibles; sino habría que llevar a cabo estudios específicos del área. Figure 1-1 Proceso de toma de decisiones y diseño para estructuras de desalojo vertical Dado el peligro de tsunami y la medida de la inundación, entonces debe evaluarse el posible riesgo de daño, lesiones y pérdida de vidas. La evaluación explícita de riesgo de tsunami está más allá del alcance de este documento, y dependerá de factores tales como la presencia de un sistema de advertencia de tsunamis, la existencia de un plan de respuesta de emergencia local, la disponibilidad de alternativas de desalojo, la vulnerabilidad de los FEMA P646 1: Introducción 3 edificios, y la localización de refugios de corto y largo plazo existentes. También debe considerarse la posibilidad de desalojo a áreas existentes y la resistencia de las mismas. Las estructuras de desalojo vertical serán más útiles cuando no haya tiempo entre la advertencia de tsunami y su inundación para permitir el desalojo de la comunidad. En la mayoría de los casos estas serán comunidades en riesgo de tsunamis generados por fuentes cercanas. Donde el riesgo a la comunidad costera sea inaceptable, el desalojo vertical puede ser una posible solución para mitigar el riesgo de tsunami. El Capítulo 4 bosqueja algunas opciones posiblemente viables para el diseño y construcción de estructuras de desalojo vertical. La implementación de estructuras de desalojo vertical requiere una distribución a través de la comunidad que permita proveer refugio de los efectos de la inundación por tsunamis, y que sea proporcional a la población. El Capítulo 5 provee guías para localizar y decidir el tamaño de las estructuras de desalojo vertical. Una vez se toma la decisión de utilizar el desalojo vertical, las estructuras deben ser diseñadas y construidas para ser resistentes a tsunamis. Las cargas y otros criterios para el diseño de estructuras de desalojo vertical están el los Capítulos 6 y 7. 1.3 Limitaciones Este documento es una compilación de la mejor información disponible al momento de su publicación. Este provee guías para el diseño y construcción de estructuras de desalojo vertical que no están disponibles en otras guías de diseño, códigos de edificios, o estándares actuales. El documento no intenta superseder ni reemplazar los códigos o estándares actuales, sino suplementarlos con guías en áreas no provistas. El documento tiene la intención de proveer recomendaciones específicas y criterios de diseño que son únicos para las condiciones de carga de tsunamis para estructuras de desalojo vertical, una vez se decide construirlas. El documento no pretende crear el mandato ni implicar que todas las estructuras en áreas de peligro de tsunami deben ser hechas resistentes a tsunami usando estos criterios. Esta decisión sería costo-prohibitiva, especialmente para estructuras residenciales de armazón liviano. Las estructuras de desalojo vertical diseñadas de acuerdo a las guías presentadas en este documento deben proveer refugio seguro bajo las condiciones asumidas de diseño. Para estas estructuras se requieren múltiples suposiciones de diseño, incluyendo la intensidad de un terremoto 4 1: Introducción FEMA P646 local que pueda amenazar la estructura previo al tsunami, las profundidades del flujo y las velocidades del tsunami de diseño, y el tipo de escombros en el agua que pueden ser característicos del lugar. Las cargas máximas deben ser consideradas inciertas, y se deben hacer suposiciones conservadoras, particularmente por que estas estructuras tienen que proveer seguridad y protección al público. Los tsunamis de gran magnitud son eventos poco comunes, y el conocimiento existente está basado en información histórica limitada. Los patrones de inundación costera están basados en complejas combinaciones de muchos parámetros, y son altamente inciertos. Las proporciones de la estructura en un tsunami de diseño no significan que necesariamente resistirían todo tsunami posible. La selección del tsunami de diseño está entonces basada en el peligro de tsunami de una región, la tolerancia de riesgo de la comunidad local, y las consideraciones económicas. 1.4 Organización Este documento provee guías sobre conceptos de localización, objetivos de funcionamiento, cargas de diseño, conceptos de diseño, y asuntos de manejo de emergencia que deben ser considerados en localizar, diseñar, y operar estructuras de desalojo vertical como refugio de tsunamis. Se presentan ejemplos que ilustran como se usan estos criterios. La información contenida en este documento está organizada como sigue: El Capítulo1 define el alcance y las limitaciones de las guías contenidas en este documento. El Capítulo 2 provee información de trasfondo sobre los efectos de tsunami y sus posibles impactos en las comunidades costeras. Los Capítulos del 3 al 7 proveen guías de diseño en la caracterización del peligro de tsunami, en escoger entre las varias opciones de estructuras de desalojo vertical, en localizar y determinar el tamaño de las estructuras de desalojo vertical, de criterios de diseño estructural, de conceptos de diseño, y otras consideraciones. Los Anejos de A hasta E proveen información suplementaria, incluyendo ejemplos de estructuras de desalojo vertical de Japón, un ejemplo de cálculos de carga de tsunami, un ejemplo de diseño de comunidad, el desarrollo de ecuaciones de impacto de carga, e información sobre la velocidad máxima de flujo y el flujo de momento en la zona de alcance del tsunami. También se provee un Glosario definiendo los términos utilizados en este documento, y una lista de Referencias identificando recursos para información adicional. FEMA P646 1: Introducción 5 Capítulo 2 Trasfondo 2.1 General Tsunami es una palabra de origen japonés compuesta de tsu (puerto) y nami (ola) o sea “ola de puerto”. El término fue creado por pescadores que regresaban a puerto para encontrar la zona portuaria devastada. Un tsunami es una serie de olas de ocurrencia natural resultado de un disturbio rápido y de gran escala en un cuerpo de agua. El causante más común es son terremotos bajo o cerca del fondo marino, pero también puede ser provocado por actividad volcánica, derrumbes, caídas submarinas, y el impacto de objetos extraterrestres. Las olas creadas por estos disturbios se propagan hacia afuera de este. En aguas profundas estas olas son de apariencia apacible y poco notables. Al acercarse a las aguas menos profundas de la costa la velocidad disminuye y la altura aumenta. Al llegar a la orilla las olas pueden tener alturas y fuerzas peligrosas, adentrándose a la tierra, dañando edificios, e inundando áreas. En este documento los tsunamis se clasifican por el lugar de ocurrencia del evento que los causa y por el tiempo que tarda la ola en llegar a un lugar. Un tsunami de origen lejano se crea lejos del área de interés, y tarda 2 horas o más en llegar, luego del evento que lo causa. Un tsunami de origen cercano se crea cerca del lugar de interés, y puede llegar dentro de 30 minutos. Las áreas que experimentan tsunamis de origen cercano generalmente pueden sentir el efecto del evento que lo causa (Ej. un temblor causado por un terremoto cercano). Un tsunami de origen medio es el que ocurre cerca del área de interés, pero no lo suficiente para sentir el efecto del evento que lo provoca. Los tsunamis de origen medio deben llegar al área de interés entre 30 minutos y 2 horas después del evento que lo causa. 2.1.1 Actividad Histórica de Tsunami La combinación de un gran evento sísmico oceánico con la batimetría correcta puede tener efectos devastadores, como lo demostró al mundo el Tsunami del Océano Índico del 26 de diciembre de 2004. Este tsunami creado por un terremoto submarino con magnitud de 903 devastó áreas costeras a lo largo del norte del Océano Índico. El tsunami tardó entre 15 minutos y 7 horas en llegar a las costas afectadas. Se estima que causó 220,000 muertes y desplazó a 1.5 millones de personas. FEMA P646 2: Trasfondo Un tsunami es una serie de olas de ocurrencia natural resultado de un disturbio rápido y de gran escala en un cuerpo de agua, causado por terremotos, derrumbes, erupciones volcánicas, e impactos de meteoritos. Un tsunami de origen lejano se crea lejos del área de interés, y tarda 2 horas o más en llegar, luego del evento que lo causa. Un tsunami de origen cercano se crea cerca del lugar de interés, y puede llegar dentro de 30 minutos. Las áreas que experimentan tsunamis de origen cercano generalmente pueden sentir el efecto del evento que lo causa. Un tsunami de origen medio es el que ocurre cerca del área de interés, pero no lo suficiente para sentir el efecto del evento que lo provoca. Los tsunamis de origen medio deben llegar al área de interés entre 30 minutos y 2 horas después del evento que lo causa. 7 El tiempo de propagación de las olas de un tsunami de origen lejano puede permitir las advertencias a comunidades costeras distantes. Sin embargo, los tsunamis de origen cercano pueden atacar súbitamente y con poco o ningún aviso. El tsunami de Okushiri de 1993 en Hokkaido, Japón por ejemplo, alcanzó la orilla 5 minutos después del terremoto, y resultó en 202 muertes ya que las víctimas fueron atrapadas por los escombros y no pudieron huir a lugares más altos o más seguros. Aunque se consideran poso comunes, los tsunamis ocurren regularmente alrededor del mundo. Cada año, ocurren un promedio de 20 terremotos causantes de tsunamis, cinco de ellos lo suficientemente intensos para causar olas capaces de causar daños o muertes. En el período de 1990 a 1999 se reportaron 82 tsunamis, 10 de ellos causando 4,000 o más muertes. Con la tendencia de aumento poblacional en las áreas costeras, más poblaciones estarán expuestas a los peligros de tsunami. El peligro relativo de tsunami se puede caracterizar por la distribución y frecuencia de los alcances documentados. La Tabla 2-1 provee avalúo cualitativo de los peligros de tsunami para las regiones de los Estados Unidos amenazadas por tsunamis, como lo denomina la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) utilizando los últimos 200 años de alcances de tsunami documentados. Tabla 2-1 Avalúo Cualitativo de Peligro de Tsunami para Lugares de EEUU (Dunbar et. al., 2008) Región Peligro en Base a Alcances Documentados Peligro en Base a Frecuencia de Alcances Costa Atlántica Muy bajo a bajo Muy bajo Ninguno a muy bajo Ninguno a muy bajo Caribe Alto Alto Costa Oeste Alto Alto Alaska Muy alto o severo Muy alto Hawaii Muy alto o severo Muy alto Moderado Alto Costa del Golfo Pacífico Oeste Alaska se considera como el lugar de más potencial de eventos causantes de tsunami en los Estados Unidos. Los terremotos a lo largo de la zona de subducción Alaska/Aleutiana, particularmente en las cercanías de la Península de Alaska, las Islas Aleutianas, y el Golfo de Alaska, tienen la capacidad de generar tsunamis que afectarían lugares locales y distantes. El terremoto de Prince William Sound de 1964 resultó en 122 muertes, 8 2: Trasfondo FEMA P646 incluyendo 12 en California y 4 en Oregon. En 1194 un tsunami generado por un derrumbe en Skagway Harbor, Alaska resultó en una muerte y 21 millones de dólares en daños a la propiedad. La zona de subducción de Cascadia en el la región del Pacífico noroeste de EEUU es una amenaza desde el note de California hasta Columbia Británica, Canadá. Un terremoto a lo largo de la parte sur de la zona de subducción de Cascadia podría generar olas de tsunami que azotarían las costas de los condados de Humboldt y Del Norte en California y el condado de Curry en Oregon. Áreas más al norte, a lo largo de las costas de Oregon y Washington podrían ver olas de tsunami dentro de 20 a 40 minutos luego del terremoto. Comunidades a lo largo de la costa del pacífico de los Estados Unidos están en riesgo de tsunamis de origen lejano (transpacíficos) y de origen local. En el sur de California hay evidencia de que el movimiento de terremotos por falla de desgarre lejos de la costa y derrumbes submarinos han generado tsunamis que han afectado áreas desde Santa Bárbara hasta San Diego. El más grande de estos ocurrió en 1930 cuando un terremoto de magnitud 502 generó una ola de 20 pies de altura en Santa Mónica, California (Servicio Geológico de California, 2006). Hawaii, localizado en medio del Océano Pacífico, ha experimentado tsunamis de origen lejano y origen local (Pararas-Carayannis, 1968). El más reciente en causar daño fue en 1975, como resultado de un terremoto de magnitud 7.2 cerca de la costa sureste de la isla de Hawai. Este terremoto causó olas de tsunami con alturas de más de 20 pies, y, en un área en especial, de más de 40 pies. A este tsunami se le atribuyen dos muertes y más de 1 millón de dólares en daños a la propiedad (Pararas-Carayannis, 1976). Aunque las costas del Atlántico y la del Golfo de México se perciben como de menor riesgo, existen ejemplos de tsunamis mortales ocurridos en el Océano Atlántico. Desde el año 1600, más de 40 tsunamis y olas de apariencia de tsunami han sido catalogados en el este de los Estados Unidos. En 1929, un tsunami generado en la región de Grand Banks de Canadá azotó Nova Scotia matando a 51 personas (Lockridge et al., 2002). Puerto Rico y las Islas Vírgenes corren riesgo de tsunami por terremotos y derrumbes submarinos que pueden ocurrir en la zona de subducción de la Fosa de Puerto Rico. Desde 1530 más de 50 tsunamis de varias intensidades han ocurrido en el Caribe. En 1918 un terremoto en esta zona generó un tsunami que se estima causó unas 40 muertes en Puerto Rico. En 1867, un tsunami generado por un terremoto causó daños y 12 muertes en las islas de FEMA P646 2: Trasfondo 9 Saint Thomas y Saint Croix. En 1692 un tsunami generado por derrumbamientos masivos en la Fosa de Puerto Rico alcanzó la costa de Jamaica causando unas 2,000 muertes (Lander, 1999). 2.1.2 Los periodos de olas de tsunami pueden durar desde unos minutos hasta una hora, resultando en mayor posibilidad de reflexión, amplificación, o resonancia con las características de la costa. Conductas y Características de Tsunamis La información de los eventos históricos de tsunami indica que las conductas y características de los tsunamis son diferentes a las de otros peligros costeros, y no se pueden inferir por conocimiento común o intuición. La razón primordial para esta distinción es el la escala de tiempo asociada con fenómenos de tsunami. A diferencia de de las olas generadas por viento, con períodos de entre 5 a 20 segundos, los tsunamis pueden tener períodos desde unos minutos hasta 1 hora (FEMA, 2005). Esta escala de tiempo también es importante por la posibilidad de reflexión, amplificación, o resonancia con las características de la costa. La Tabla 2-2 compara varios fenómenos de peligro costero. Tabla Tabla 2-2 Comparación de Tiempo Relativo y Escalas de Carga ppara ara Varios Fenómenos Costeros Fenómeno de Peligro Costero Escala de tiempo (Duración de la Carga) Escala de Carga (Altura del Agua) Tiempo de Advertencia Típico Olas generadas por viento Decenas de segundos Típicas de 1 a 2 metros Días Alcance de tsunami Decenas de minutos hasta una hora 1 a 10 metros Varios minutos hasta horas Marejada ciclónica Varias horas 1 a 10 metros Varias horas hasta pocos días Temblor por terremotos Segundos N/A Segundos hasta nada Hay una incertidumbre significativa en la predicción de las características hidrodinámicas de un tsunami debido a que éstas están altamente influenciadas por la forma de la ola y la topografía y batimetría de los alrededores. Aunque hay algunas excepciones, las investigaciones previas y los estudios de campo indican que los tsunamis tienen las características generales siguientes: • 10 La magnitud del evento causante determina el período de las olas resultantes, y generalmente, (pero no siempre) la magnitud del tsunami y el posible daño. (FEMA, 2005). 2: Trasfondo FEMA P646 • Un tsunami se puede propagar por más miles de kilómetros sin perder energía • La propagación de la energía de un tsunami tiene una directividad fuerte. La mayor parte de su energía será emitida en una dirección normal a la del eje mayor del origen del tsunami. Mientras más alargada sea el origen del tsunami, más fuerte es la directividad (Okal, 2003; Carrier y Yeh, 2005). La dirección del origen puede afectar las características del tsunami en la orilla por los efectos de cobertura o amplificación de otras masas de tierra y la batimetría lejos de la orilla (FEMA, 2005). En la Figura 2-1 se muestra un ejemplo numérico para el tsunami del Océano Índico del 2006. Figura 2-1 Amplitudes máximas (en centímetros) calculadas de tsunami en el Océano Índico (Titov, NOAA Centro de Investigación de Tsunamis). • En el origen la forma de la ola de tsunami puede tener una amplia gama de componentes, de longitudes de ola cortas a largas. Los componentes de olas largas se propagan más rápido que los de ola corta; entonces, los tsunamis transoceánicos se caracterizan por olas de periodo largo (varias decenas de minutos). Los componentes de olas cortas se quedan atrás y son atenuados por el movimiento radial y la dispersión. • Para un tsunami de origen local la primera ola es una disminución del nivel de agua seguido por un empuje positivo (una ola de elevación). Este puede que no sea el caso si el suelo costero cede por desplazamiento sísmico. Para tsunamis de origen lejano la primera ola es una de elevación. Esta tendencia puede estar relacionada al patrón del FEMA P646 2: Trasfondo 11 desplazamiento del fondo marino resultado de un terremoto de subducción como se ve en la Figura 2-2. La Figura 2-3 muestra una primera ola de depresión registrada en una estación de medida de mareas en Tailandia durante el tsunami del Océano Índico del 2004, en contraste con una ola registrada al sur de India. (a) (b) Figura 2-2 Diagramas esquemáticos del desplazamiento vertical resultando de la dislocación de una falla subductiva: a) zona de ruptura lejos de la costa; y b) ruptura de zona adyacente a la costa co n subsidencia costera (Geist, 1999). • 12 Los tsunamis son altamente reflexivos en la orilla, capaces de mantener su movimiento por varias horas sin disipar su energía. Típicamente, varias olas atacan la costa, y la primera ola no es necesariamente la más 2: Trasfondo FEMA P646 grande. Instrumentos sensitivos pueden detectar actividad de tsunami durante varios días. 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 31 32 33 34 35 time (hours) (a) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 25 26 27 28 29 30 time (hours) (b) Figura 2-3 • Expedientes de medidas marítimas (en metros) para el tsunami de 2004 en: Ta Phao Noi, Tailandia, mostrando la ola principal de depresión; y b) Tuticorin, Indi a, mostrando la ola principal de elevación). La altura del alcance de un tsunami varía significativamente en áreas vecinas. La configuración de la plataforma continental y la orilla afecta el impacto del tsunami en ésta mediante la reflexión, refracción de la ola y la formación de barras de arena. Lar variaciones en la batimetría y las FEMA P646 2: Trasfondo La altura del alcance de un tsunami varía significativamente en áreas vecinas debido a variaciones en la batimetría del fondo que pudría aumentar o disminuir el impacto de las olas. 13 irregularidades de la costa pueden enfocar o dispersar la energía del tsunami a lo largo de algunas partes de la costa, aumentando o disminuyendo el impacto de éste (FEMA, 2005). La figura 2-4 muestra variaciones significativas registradas a lo largo de la costa de la isla de Okushiri. B C D A Figura 2-4 14 Altura del alcance registradas en el tsunami de Okushiri en la costa de Inaho, mostrando que la altura del alcance varía significativamente entre áreas vecinas. • La mayoría de los testimonios y evidencia visual indican que un tsunami rompe fuera de la costa y forma un macareo o serie de macareos al acercarse a la orilla. Un macareo turbulento se define como una ola rota con un frente empinado y violentamente espumoso, que se propaga sobre aguas calmadas de poca profundidad, como se muestra en la Figura 2-5. Estos macareos se consideran formas de olas cortas (aunque más largas que las olas generadas por vientos) que corren sobre el empuje principal del tsunami. Estas formaciones se observaron en las grabaciones del tsunami del Océano Índico del 2004. Figura 2-5 Boceto de macareo y fotografía del tsunami de Nihonkai-Chubu de 1983 mostrando la formación del macareo de este tsunami lejos de la costa (Fotografía m Knill, 2004). 2: Trasfondo FEMA P646 • Luego de que el macareo alcanza la orilla, el tsunami impacta la tierra en la forma de una marejada, como demuestra la Figura 2-6. En algunos casos cuando una ola de longitud mayor, de elevación anterior, y de tsunami de origen lejano impacta tierra con pendiente empinada, el alcance se caracteriza como un levantamiento y caída graduales del agua (Ej. inundaciones de marea) como se muestra en la Figura 2-7. El impacto del tsunami de Chile de 1960 en algunas localidades de Japón y del tsunami de Alaska de 1964 en Port Alberti, Canadá son ejemplos de inundaciones por mareas. Figura 2-6 Boceto de una marejada y fotografía del tsunami de Nihonkai-Chubu de 1983 mostrando la formación de una marejada (Foto c ortesía de N. Nara). Figura 2-7 Secuencia de fotografías mostrando inundación causada por el alcance del tsunami de Nihonkai-Chubu de 1983 (Foto cortesía de S. Sato). FEMA P646 2: Trasfondo 15 2.2 Efectos de Tsunami Sobre Edificios Los estudios de daños históricos por tsunamis, del tsunami del Océano Índico del 2004, y de las marejadas ciclónicas del Huracán Katrina en el 2005 han dado información sobre la respuesta del ambiente construido a la devastación de tsunamis y a las inundaciones costeras. Aunque el daño es considerable y, a veces, total para residencias y edificios de armazón liviano durante inundaciones extremas, hay numerosos casos de edificios de mediana y gran altura bien diseñadas que sobreviven la inundación. Hay numerosos casos de edificios de mediana y gran altura bien diseñados que sobreviven la inundación. El daño estructural de un tsunami se puede atribuir a: (1) fuerzas hidrostáticas e hidrodinámicas directas de la inundación; (2) fuerzas de impacto por escombros en el agua; (3) fuego esparcido por escombros flotantes y combustibles líquidos; (4) falla de los cimientos por socavación e inclinación; y (5) vientos provocados por el movimiento de las olas. 2.2.1 Datos Históricos de Efectos de Tsunami Los estudios históricos del daño de tsunamis muestran que la capacidad de los edificios sobrevivir varía con el tipo de construcción y la altura del alcance del tsunami (Yeh et al., 2005). La Figura 2-8 demuestra el daño a varios tipos de construcción resultado del tsunami de Okushiri de 1993 y otros anteriores. Para una altura de tsunami dada, las construcciones de armazón de madera sufrieron más daño o fueron destruidas, mientras que las de concreto generalmente sufrían daños estructurales menores. Información reciente, incluyendo el tsunami del Océano Índico de 2004, apoya esta conclusión. Figura 2-8 16 Grados de daño a edificios vs. altura del alcance. Las marcas negras pertenecen al tsunami de Okushiri de 1993; las marcas vacías pertenecen a tsunamis anteriores. (Adaptado de Shuto, 1994, Yeh, et al., 2005). 2: Trasfondo FEMA P646 Notemos que la destrucción total de una estructura de concreto está demostrada en la Figura 2-8. Esta estructura fue el faro de Scotch Cap, en la isla de Unimak. El faro de Scotch Cap, antes y después del tsunami Aleutiano de 1946 se muestra en la Figura 2-9. Existe duda sobre cuan bien construido estaba el faro, pero es posible que su destrucción fuera a causa de una ola romper directamente sobre la estructura., la cual estaba en la orilla. La ola pudo haber sido el equivalente a una ola colapsante, una clasificación utilizada en la ingeniería costera (Wigel, 1964) que ocurren en playas con orillas muy escarpadas. Figura 2-9 Faro de Scotch Cap destruido por el tsu nami de las Islas Aleutianas de 1946 El tsunami de Okushiri de 1993 destruyó por completo al pueblo de Aonae. La Figura 2-10 muestra los cimientos de concreto que típicamente se observan como restos de casas de armazón de madera. El tsunami de Nicaragua de 1992 mostró ejemplos de variaciones en el funcionamiento de diversas estructuras. La Figura 2-11 muestra socavación severa y la destrucción total de una casa de armazón de madera (izq.) y como sobrevivieron una casa de armazón de madera elevada y una estructura de albañilería rígida (der.). Las tres casas estaban en la misma berma cerca una de otra, a menos de 200 metros de distancia. Se han observado fallas de edificios causadas por el impacto de escombros viajando a velocidades significativas. Un ejemplo de la destrucción causada por escombros en el agua durante el tsunami de Okushiri de 1993 se muestra en la Figura 2-12. Los escombros, en este caso, incluyeron un bote pesquero que se zafó de sus amarras. Los escombros en el agua también se acumulan FEMA P646 2: Trasfondo 17 entre los soportes estructurales, creando una barrera que aumenta las fuerzas hidráulicas sobre el edificio. Figura 2-10 Figura 2-11 18 Destrucción total de un grupo de estructuras de Madera en la villa de Aonae, Okushiri, Japón (Tsunami de Okushiri de 1993). Casas de playa con varios niveles de daño en El Popoyo, Nicaragua (Tsunami de Nicaragua de 1992). Las tres casas estaban en la misma área. 2: Trasfondo FEMA P646 Figura 2-12 Daño causado por el impacto de escombr os (bote pesquero) en Aonae, Japón (Tsunami de Okushiri de 1993) (Foto cortesía de J. Preuss). En contraste con las muchas fallas reportadas como resultado de pasados tsunamis, muchas estructuras han sobrevivido la inundación de éstos. Dos estructuras que sobrevivieron el tsunami de Okushiri de 1993 se pueden ver en la Figura 2-13. Ambas eran estructuras de concreto reforzado de dos pisos y fueron inundadas por, por lo menos 3 metros de agua. Figura 2-13 2.2.2 Ejemplos de estructuras de concreto reforzado que sobrevivieron el tsunami de Okushiri de 1993: casa de playa en Cabo Inaho (izq. ) y mercado pesquero en Aonae (der.) (Foto cortesía de N. Shuto). Observaciones del Tsunami del Océano Índico El daño observado como resultado del tsunami del Océano Índico de 2004 confirmó observaciones de los datos históricos sobre los efectos de tsunami, y brindó nueva evidencia de los efectos observables. FEMA P646 2: Trasfondo 19 La Figura 2-14 muestra una estructura de albañilería no reforzada en Devanaanpattinam, India. Los cimientos experimentaron socavación severa, y las paredes traseras fueron expulsadas hacia afuera por la presión hidráulica de la inundación dentro de la casa. Este daño es común en este tipo de estructura. Figura 2-14 Casa de playa de albañilería simple da ñada en Devanaanpattinam, India (Tsunami del Océano Índico del 2004). Como se ha observado en pasados tsunamis, numerosos edificios de construcción de ingeniería sobrevivieron el tsunami del Océano Índico de 2004. En algunos casos hubo daño a los elementos estructurales de los niveles bajos, pero rara vez causando el colapso total de la estructura. Un ejemplo de una estructura que sobrevivió fue una mezquita a la orilla de la playa en Uleele, Bandah Aceh, mostrada en la Figura 2-15. La profundidad de la inundación fue de cerca de 10 metros (casi hasta el tejado), y destruyó el pueblo circundante. La mezquita sufrió daño significativo pero de mantuvo en pie. Dalrymple y Kriebel (2005) comentan que la supervivencia de muchos hoteles en Tailandia se debió en parte a la naturaleza relativamente abierta del primer piso, así que “esos edificios sufrieron poco daño estructural al paso de la fuerza del tsunami que rompió todas las puertas y ventanas, así reduciendo la fuerza del agua sobre el edificio como tal.” El tsunami del Océano Índico de 2004 proveyó evidencia adicional de los efectos de los escombros cargados por en agua y la socavación en los elementos estructurales. Estos escombros incluyen botes pesqueros y vehículos (Figura 2-16). El daño a los elementos estructurales a edificios de concreto reforzado no hechos por ingenieros se le atribuye al impacto de estos escombros. Otros ejemplos son evidentes donde la formación de diques por escombros resultó en el daño de elementos estructurales (Figura 2-18). 20 2: Trasfondo FEMA P646 Un ejemplo de socavación observable debajo de cimientos poco profundos se demuestra en la Figura 2-19. De la revisión de los datos disponibles tomados por varios equipos de estudio, la profundidad máxima de socavación en Khao Lak, Tailandia parece ser de 3 metros. Figura 2-15 Ejemplo de una mezquita de concreto reforzado sobreviviente en Uleele, Bandah Aceh (Foto cortesía de J. Borerro) Figure 2-16 Ejemplos de escombros cargados por el tsunami del Océano Índico del 2004 (Fotos cortesía de M. Saatcioglu, A. Ghobarah, e I. Nistor, CAEE, 2005). Una falla estructural notable en el tsunami del Océano Índico de 2004 fue el levantamiento de paneles de concreto moldeados en su lugar en edificios y muelles (Figura 2-20). Las fuerzas de levantamiento fueron suficientes para FEMA P646 2: Trasfondo 21 levantar los paneles de concreto y romper las ataduras entre los paneles y sus elementos de apoyo. Estas fallas no pueden ser explicadas solo por el efecto de flotación, que reduce las fuerzas gravitacionales netas por el volumen de agua desplazada. Las fuerzas de levantamiento necesarias para que estos elementos fallaran se les atribuyen a la flotación adicional causada por el aire atrapado y las fuerzas hidrodinámicas verticales del agua. Figura 2-17 Daño a columnas de concreto no reforzadas por impacto de escombros (Fotos cortesía de M. Saatcioglu, A. Ghobarah, e I. Nistor, CAEE, 2005). Figure 2-18 Daño a columna de esquina por formación de dique por escombros (Fotos cortesía de M. Saatcioglu, A. Ghobarah, e I. Nistor, CAEE, 2005). 22 2: Trasfondo FEMA P646 Figura 2-19 Socavación alrededor de cimientos llanos en el área de Khao Lak (Dalrymple y Kriebel, 2005). Daño por levantamiento de pisos y muelle de concreto prefabricado Fotos cortesía de M. Saatcioglu, A. Ghobarah, e I. Nistor, CAEE, 2005). Además, la falta de capacidades sísmicas adecuadas causó un sinnúmero de colapsos de edificios de concreto reforzado de varios niveles en Bandah Aceh y en otras áreas cerca del epicentro del terremoto de magnitud 9.3 que causó el tsunami (Figura 2-21). Estos colapsos ocurrieron previos a la inundación del tsunami, y recalcan la importancia de proveer la resistencia sísmica adecuada en regiones donde existen ambos peligros. 2.2.3 Observaciones del Huracán Katrina La marejada ciclónica de la costa del Golfo en Mississippi se estimó que alcanzó entre 25 y 28 pies durante el huracán Katrina (FEMA 548, 2006). Esto resultó en la inundación extensa de las regiones bajas costeras desde Nueva Orleáns, Louisiana hasta Mobile, Alabama. FEMA P646 2: Trasfondo 23 (a) Falla de conexión de viga y columna (b) Falla por nivel no reforzado Figure 2-21. 24 Ejemplos de colapso estructural por temblor fuerte antes de la inundación de tsunami en Bandah Aceh: a) fallo en la conexión de vigas y columnas; y b) fallo por nivel no reforzado. (Fotos cortesía de M. Saatcioglu, A. Ghobarah y I. Nistor, CAEE, 2005). 2: Trasfondo FEMA P646 Mientras que las marejadas ciclónicas y los tsunamis resultan en inundaciones costeras, la conducta característica de la inundación puede ser muy diferente. La marejada ciclónica inunda las áreas costeras por más tiempo (varias horas) con el embate repetido de las olas y el viento. La inundación de tsunami generalmente ocurre durante un periodo de tiempo más corto (decenas de minutos) con niveles de agua que cambian rápidamente y con corrientes fuertes. Por estas diferencias, la extrapolación de conclusiones entre las inundaciones de marejadas ciclónicas y de tsunamis es limitada. A pesar de estas diferencias, las observaciones de huracán Katrina parecen dar peso a las conclusiones tomadas de la información histórica de los tsunamis. Las observaciones del huracán Katrina parecen dar peso a los efectos documentados con las inundaciones de tsunamis y a las conclusiones tomadas de la información histórica de los tsunamis. La peor marejada ciclónica del huracán Katrina se experimentó entre Pass Christian y Biloxi a lo largo de la costa de Mississippi, y miles de residencias de armazón liviano fueron destruidas o gravemente dañadas por esta marejada (FEMA 549, 2006). Sin embargo, en consistencia con observaciones de pasados tsunamis, la mayoría de los edificios multiniveles de construcción por ingenieros a lo largo de la costa sobrevivieron la marejada con daños a los elementos no estructurales de los pisos bajos. (Figuras 2-22 a 2-24). Estimated Inundation Level Figura 2-22 FEMA P646 El edificio de apartamentos Gulf Tower sufrió daño no estructural sustancial en el primer nivel, pero se mantuvo estructuralmente seguro (Huracán Katrina, 2005). 2: Trasfondo 25 Estimated Inundation Level Figura 2-23 El edificio de oficinas Pass Christian con un sistema de pisos moldeados en el lugar sufrió daño no estructural en los primeros dos niveles pero permaneció estructuralmente seguro (Huracán Katrina, 2005). Figure 2-24 Condominio en Gulfport, Mississippi con daños de olas y marejadas a elementos no estructurales en el primer nivel pero sin ningún daño estructural reportado (FEMA 549, 2006). 26 2: Trasfondo FEMA P646 También en consistencia con pasadas observaciones de tsunamis, el huracán Katrina ilustró los efectos del impacto y la formación de diques por escombros. En la estructura de estacionamientos de la Figura 2-25, el impacto de un casino flotante en una barcaza destruyó una columna del primer nivel, resultando en el colapso progresivo de las partes circundantes del edificio. En la Figura 2-26, la formación de diques por escombros fue lo suficientemente significativa para causar la falla de pilotes de concreto pretensado cuando un vagón de transporte quedó atrapado entre ellos y bloqueó el flujo de la marejada. Similar a las fallas de levantamiento observadas en el tsunami del Océano Índico de 2004, se responsabiliza a las cargas de levantamiento aplicadas a la parte inferior de los sistemas de pisos por el colapso de los niveles elevados en numerosas estructuras construidas por ingenieros. Edificios de estacionamiento construidos de secciones doble T de concreto pretensado y premoldeado, como en la Figura 2-27, fueron susceptibles a las cargas de levantamiento causadas por la flotación adicional del aire atrapado bajo las secciones doble T y las fuerzas de levantamiento hidrodinámicas de la marejada. Aunque la mayoría de estas fallas no resultan en el colapso total de la estructura, la pérdida de la enmarcación de los pisos puede llevar al daño de columnas, mayores longitudes sin refuerzo, y al colapso progresivo de secciones desproporcionadas del edificio, como se muestra en la figura 228. Las estructuras de estacionamiento hechas de concreto moldeado en el lugar no experimentaron este tipo de falla. Figura 2-25 FEMA P646 Colapso progresivo de los pisos superiores de un estacionamiento por daños a las columnas de los niveles bajos causados por una barcaza-casino adyacente (Huracán Katrina, 2005). 2: Trasfondo 27 Figura 2-26 Fallo de pilotes pretensados por el ef ecto de dique de un contenedor (Huracán Katrina, 2005). 2.2.4 Implicaciones para el Diseño Resistente a Tsunamis La capacidad de supervivencia varía con el tipo de construcción y la altura del alcance del tsunami. Aunque las observaciones de Existe mucha evidencia tsunamis pasados muestran que ciertos tipos de de que los sistemas construcciones son destruidas por el flujo de agua de alta estructurales diseñados velocidad, hay mucha evidencia de que los sistemas apropiadamente pueden estructurales diseñados apropiadamente pueden sobrevivir sobrevivir la inundación. la inundación con poco más que daño no estructural a los Esto permite considerar niveles bajos, y continuar apoyando los niveles sobre el el desalojo vertical como nivel del agua. Esto permite considerar el desalojo vertical alternativa viable cuando como alternativa viable cuando no es posible el desalojo no es posible el desalojo horizontal. horizontal. Los efectos observados de los datos históricos de tsunamis, el tsunami del Océano Índico de 2004, y la evidencia de las inundaciones por la marejada ciclónica asociada con el huracán Katrina, resultan en las siguientes implicaciones para el diseño resistente a tsunamis: • 28 Las estructuras de desalojo vertical deben ser de concreto reforzado y de construcción de ingeniería. 2: Trasfondo FEMA P646 • En el caso de un tsunami de origen cercano, las estructuras de desalojo vertical deben estar diseñadas para resistir cargas sísmicas además de las del tsunami. Figura 2-27 Fallo por doblez negativo de un sistema de pisos doble T pretensado debido a fuerzas de levantamiento (Huracán Katrina, 2005). • Las estructuras de desalojo vertical deben localizarse en lejos del área de rompimiento de las olas. • Las fuerzas de impacto y los efectos de formaciones de diques por escombros en el agua son significativas y tienen que ser consideradas. • Cuando se inundan niveles elevados las fuerzas de levantamiento de la flotación adicional causada por el aire atrapado, y las fuerzas hidrodinámicas verticales del aumento en el nivel de agua bajo los pisos tienen que considerarse. • La socavación alrededor de los cimientos tiene que ser considerada. • Por la naturaleza incierta de los escombros en el agua y la posibilidad de grandes fuerzas causadas por su impacto, se deben utilizarse conceptos de colapso en el diseño de estructuras de desalojo vertical, para FEMA P646 2: Trasfondo 29 minimizar la posibilidad del colapso desproporcionado del sistema estructural. Figure 2-28 30 Armazón de concreto de un edificio de tres pisos que colapsó parcialmente por el fallo de la plancha de concreto postensado en la ba hía más cercana al Golfo de México (Huracán Katrina, 2005). 2: Trasfondo FEMA P646 Capítulo 3 Avalúo de Peligro de Tsunami El peligro de tsunami en una región en particular es una combinación de la presencia de un origen geofísico de tsunami, la exposición a tsunamis de ese origen, y el grado de inundación que puede esperarse en caso de tsunami. Las consecuencias de este peligro para la población de la comunidad costera son una función del tiempo que tarda el tsunami en propagarse desde su origen hasta el lugar, la profundidad máxima de la inundación, la velocidad máxima de la corriente, la integridad del ambiente construido, y la habilidad de evacuar hacia áreas de refugio. La inundación es un proceso complejo influenciado por muchos factores. Estos incluyen las características de origen que determinan la naturaleza de las olas generadas inicialmente, la batimetría que transforma las olas al propagarse hacia la orilla, la topografía del recorrido, las estructuras y otros objetos en el paso de la ola, y la variación temporal de la batimetría, topografía, estructuras y otros objetos causada por el impacto de olas sucesivas. Por lo general, la física de la inundación de tsunami es dependiente del tiempo, tridimensional, y altamente no linear. El modelaje de la inundación de tsunami es un componente clave del avalúo del peligro de tsunami. Se ha logrado progreso en el desarrollo de herramientas de modelaje, pero la teoría continúa en desarrollo. Este capítulo provee una descripción general de las herramientas de modelaje y los productos asociados disponibles actualmente mediante el esfuerzo coordinado del Programa de Tsunamis de NOAA y el Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami de los Estados Unidos (NTHMP). 3.1 El modelar las inundaciones de tsunami es un componente clave del avalúo de peligro de tsunami. Algunos esfuerzos actuales que lo caracterizan son: El Programa de Tsunami de NOAA: Modelaje y Mapeo de Pronóstico El Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami: Escenarios de Peor Caso Creíbles El Programa de Modernización de Mapas de FEMA: Avalúos Probabilísticas de Peligros de Tsunamis Modelaje de Tsunamis y Mapeo de Inundaciones Actual Los modelos de inundación de lugares específicos a un lugar y los productos derivados de estos modelos, incluyendo mapas, son esenciales para el avalúo confiable de peligros de tsunami. El Programa de Tsunamis de NOAA y el NTHMP están trabajando en esfuerzos de modelaje similares. El Programa de Tsunamis de NOAA está enfocado en el desarrollo del Sistema de Pronóstico de Tsunamis de NOAA (Titov y Synolakis, 2005). El NTHMP trabaja en el desarrollo de mapas de inundación para programas de manejo de emergencias (González, et al., 2005). Ambos esfuerzos dependen fundamentalmente de la tecnología de modelaje numérico. FEMA P646 3: Tsunami Hazard Assessment 31 Los estudios de modelaje de tsunamis generalmente resultan en productos que incluyen mapeo de espacio de la salida del modelo, ya sea en forma estática o animada. Los parámetros de la ola primaria de tsunami incluyen la amplitud η(x,y,t) y los componentes asociados de la velocidad de la corriente u(x,y,t) y v(x,y,t). Una base de datos del Sistema de Información Geográfica (GIS) de estos parámetros de salida y la información de entrada asociada (Ej. redes computarizadas modelo y parámetros de origen) pueden ser utilizados para derivar parámetros como profundidad de la inundación, velocidad, aceleración, y flujo de momento. 3.2 El Programa de Tsunami de NOAA: Modelaje y Mapeo de Pronóstico Como parte del Programa de Pronóstico de Tsunamis, NOAA está desarrollando modelos de lugar específico en 75 lugares mostrados en la Figura 3-1. El Centro Nacional para la Investigación de Tsunamis (NTRC) en el Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico (PMEL) en Seattle, WA, tiene la responsabilidad principal de este esfuerzo de modelaje y mapeo de pronóstico. El primer paso en cada lugar es el desarrollo de un Modelo de Referencia usando una red con la resolución más fina disponible, seguido por pruebas exhaustivas contra toda la información disponible para obtener la mayor exactitud posible. El segundo paso es el desarrollo de un Modelo de Inundación en Espera (SIM), que se utiliza como modelo de pronóstico. Esto se logra mediante la modificación de la red optimizando para velocidad, manteniendo un nivel de exactitud apropiado para propósitos operacionales de pronóstico y advertencia. El NCTR emplea una variedad de códigos de generación, propagación, e inundación desarrollados por V. V. Titov (1997). En las escalas de espacio locales, las ecuaciones de aguas llanas no lineales (NSW, en inglés) se resuelven numéricamente. La propagación en escalas de espacio regionales o transoceánicas requiere ecuaciones expresadas en coordenadas esféricas. Las soluciones de propagación se obtienen mediante una técnica numérica que conlleva una transformación matemática conocida como splitting (Titov, 1997). Por consecuencia esta variedad de modelos se conoce como el Método de Splitting de Tsunamis (MOST, en inglés). Dado a que hay vidas y propiedad en juego cuando se genera una advertencia de tsunami, NOAA requiere que los modelos utilizados en el sistema de Pronóstico de Tsunamis cumplan con ciertos requisitos (Synolakis, 2006). Entre estos se encuentran: • 32 Publicación revisada por pares. Un artículo revisado por pares debe publicarse, que documente los esenciales numéricos y científicos del 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 modelo y que incluya al menos un estudio de comparación de modelo utilizando datos históricos de tsunami. Figura 3-1 FEMA P646 Lugares costeros para modelos de inundación de localidad específica para el Sistema de Pronóstico de Tsunamis. 3: Avalúo de Peligro de Tsunami 33 • Evaluación comparativa. El modelo debe ser probado contra otros modelos de pares en un taller de evaluación comparativa, y los resultados documentados en un reporte. La Fundación Nacional de las Ciencias (NSF) ha apoyado dos talleres de evaluación comparativa de modelaje de inundaciones (Yeh, et al., 1996; Liu, et al., 2006). • Avalúo operacional. Los factores importantes para el avalúo incluyen la velocidad del modelo, la exactitud, las necesidades del ambiente especial de operación, la facilidad de uso, y la documentación. Los modelos que cumplen con estos requisitos incluyen el modelo ADCIRC (Luettich y Westerink, 1991, 1995a, y 1995b; Myers y Baptista, 1995), los modelos hidrodinámicos de Kowalik y Murty (1993a, 1993b) como aplicados y probados contra la inundación observada en Alaska por Suleimani y otros (2002a; 2002b), y el modelo MOST (Titov y Synolakis, 1998). El modelo MOST ha sido exhaustivamente probado contra datos experimentales de laboratorio y medidas de inundación de campo, y mediante el modelaje exitoso de problemas de evaluación comparativa a través de la participación en talleres de evaluación comparativa de modelos de tsunami auspiciados por la NSF. A junio de 2008, se han completado modelos de inundación de referencia y pronóstico utilizando el modelo MOST para siete lugares en Alaska, cuatro en Washington, tres en Oregon, cinco en California, uno en Carolina del Norte, y uno en Carolina del Sur. La figura 3-1 muestra los lugares planificados y completados. La función primaria de estos modelos es proveer a los Centros de Advertencia de Tsunamis de NOAA pronósticos en tiempo real de las inundaciones de las comunidades costeras antes y durante un tsunamis. Sin embargo, estos modelos específicos de lugar pueden ser aplicados a los estudios de modelaje de inundaciones y a la creación de bases de datos de parámetros de inundaciones, productos digitales, y mapas específicamente adaptados a proceso de diseño. 3.3 El Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami: Escenarios de Peor Caso Creíbles Los esfuerzos estatales de mapeo llevados a cabo como parte del Programa Nacional para la Mitigación de Peligros de Tsunami (NTHMP) están basados en escenarios de peor caso creíbles. Los escenarios de peor caso creíbles están basados, a su vez, en una fuente de origen de tsunami geofísica 34 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 que puede ser defendida científicamente como un escenario de peor caso para una región o comunidad en particular, y en una simulación de modelo de inundación por tsunami para ese escenario. La salida de la simulación es la base para mapas que típicamente muestran la profundidad máxima de la inundación y la velocidad máxima de la corriente. En la Figura 3-2 se muestra un ejemplo de un escenario de peor caso para Seattle, Washington. Estos productos se le proveen a los científicos geotécnicos estatales, quienes producen mapas oficiales de inundación como el de Seattle, Washington en la Figura 3-3. Figura 3-2 FEMA P646 Productos de modelos de inundación de tsunami para Seattle, Washington. Panel izq.: estimados de profundidad máxima de inundación. Panel der.: estimados de velocidad máxima de corriente (Titov, et al., 2003). 3: Avalúo de Peligro de Tsunami 35 Figura 3-3 Mapa de inundación de tsunami para Seattle, Washington producido y publicado por el estado de Washington, usando productos de modelos como guía (Walsh et al., 2003). Estos mapas se consideran esenciales para la planificación efectiva en caso de desastres y para el desarrollo de productos y programas de manejo de emergencias. Estos guían el desarrollo de mapas de desalojo, materiales educativos y de entrenamiento, y de planes de mitigación de tsunamis. Para 2004, el componente de avalúo de peligros de NTHMP había completado 22 esfuerzos de mapeo de inundaciones y 23 mapas de desalojo cubriendo 113 comunidades y, aproximadamente 1.2 millones de residentes en riesgo (González, et al., 2005a). Existen variaciones en los productos estatales dado que cada estado difiere en su escenario geofísico y en el régimen resultante de tsunami, incluyendo metas legislativas, políticas, estructuras de agencias, misión, infraestructura científica y técnica, y estado financiero. Las diferencias entre productos de mapeo estatales incluyen las siguientes: 36 • Aunque la mayoría de los escenarios de peor caso están basados en orígenes sísmicos, los mapas generados para Alaska y California incluyen orígenes por derrumbes en el avalúo de peligros de tsunami. • Los mapas de inundación para Oregon, como el de Yaquina Bay mostrado en la Figura 3-4, muestran tres líneas de inundación para señalar lo incierto del peligro que representan los tsunamis para la Zona de Subducción de Cascadia. 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 • Además de los escenarios de peor caso, los mapas de Alaska también muestran inundaciones de escenarios de tsunamis de origen local. Las simulaciones detalladas de inundación de tsunami para escenarios de peor caso creíbles también se pueden utilizar para derivar parámetros como profundidad de inundación, velocidad, aceleración, y flujo de momento, utilizados para calcular fuerzas en el diseño resistente a tsunamis. Estos datos se archivan con las agencies de mapeo del gobierno estatal, instituciones académicas cooperadoras, y el Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico de NOAA. Actualmente, no existe un archivo central para todos los productos de mapeo estatales. Sin embargo, los mapas u reportes existentes están disponibles para ver, descargar, o comprar en las siguientes direcciones de Internet: • Alaska: http://www.dggs.dnr.state.ak.us/pubs/pubs • Oregon: http://www.oregongeology.com/sub/earthquakes/ Coastal/Tsumaps.htm • Washington: http://www.dnr.wa.gov/AboutDNR/Divisions/GER/ Pages/home.aspx FEMA P646 3: Avalúo de Peligro de Tsunami 37 Figura 3-4 3.4 Mapa de inundación de tsunami de Yaquina Bay, Oregon con tres líneas de inundación (Priest et al., 1997a; Priest et al., 1997b). El Programa de Modernización de Mapas de FEMA: Avalúo Probabilístico de Peligro de Tsunami En el ámbito regional, FEMA (1997) presenta un estimado probabilístico del peligro de tsunami para la costa oeste, Alaska, y Hawaii (Figura 3-5). En el ámbito local, los Mapas de Tasas de Seguros de Inundación de FEMA (FIRMs) presentan escenarios de inundación de lugares específicos para 38 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 eventos de ocurrencia de 100, y hasta 500 años (Ej. Eventos con probabilidad annual de ocurrir de1% y 0.2%, respectivamente). Los FIRMs proveen una base para establecer las primas de seguros de inundación en las comunidades que participan en el Programa Nacional de Seguros de Inundación (NFIP), administrado por FEMA. Estos mapas están basados en métodos de avalúo de peligros de tsunami desarrollados antes de 1990. Para evaluar las metodologías subyacentes utilizadas para el avalúo de tsunamis y otros peligros de inundación costera, FEMA formó grupos de estudio enfocado, para cada mecanismo de inundación. El Grupo de Estudio Enfocado de Tsunami encontró que el trato actual a las inundaciones de tsunami es inadecuado, y recomendó un estudio piloto de NOAA y de el Servicio Geológico de Estados Unidos para desarrollar una metodología apropiada para el Avalúo Probabilístico de Peligros de Tsunami (PTHA, en inglés) que puede ser utilizada para actualizar los FIRMs (Chowdhury, et al., 2005). Figura 3-5 FEMA P646 Elevaciones de tsunami con 90% de probabilidad de no excederse en los próximos 50 años (FEMA, 1997). 3: Avalúo de Peligro de Tsunami 39 En el Estudio Piloto de Tsunami en Seaside, Oregon hecho por NOAA, USGS, y FEMA (Grupo de Trabajo del Estudio Piloto de Tsunami, 2006), el USGS y algunos colegas académicos desarrollaron una base de datos de fuentes de tsunami cercanas y lejanas asociadas con una probabilidad especificada de ocurrencia., mientras que NOAA desarrolló una base de datos correspondiente de resultados de modelos de inundación basados en estas fuentes. La metodología de PTHA resultante, integra hidrodinámica, geofísica, y teorías de probabilidad para satisfacer las necesidades actuariales de FEMA., y hoy representa lo más avanzado en el avalúo de peligros de tsunami para el manejo de emergencias y el diseño de ingeniería. La altura máxima de ola de tsunami en 500 años para Seaside, Oregon de la Figura 3-6 es un ejemplo del tipo de producto que puede ser generado por un estudio. Figura 3-6 40 Mapa de tsunami de 500 años para Seaside, Oregon, mostrando alturas máximas de olas que alcanzan o exceden una probabilidad anual de 0.2% (Grupo de Trabajo del Estudio Piloto de Tsunami, 2006). 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 La base de datos de GIS resultante de la entrada y salida de todos los modelos, y la información relacionada, se pueden utilizar para llevar a cabo estudios probabilísticos profundos de lugar específico sobre peligros de tsunami para el diseño de estructuras de desalojo vertical. 3.5 Limitaciones de Productos de Modelaje y Mapeo Disponibles Actualmente La calidad, contenido y disponibilidad de los productos de modelaje y mapeo disponibles actualmente son limitados. La calidad varía considerablemente y, en muchos casos, no puede ser avaluada debido a que no se han adoptado procedimientos estándares de modelaje y mapeo. La mayoría de los mapas no proveen estimados sobre las corrientes, así que su contenido es inadecuado para el diseño. Los productos digitales de modelaje generalmente no están disponibles para derivar los parámetros relevantes necesarios para el cálculo de fuerzas sobre las estructuras. La disponibilidad de la información está limitada pues no existe un repositorio central para mapas y productos de modelos. Las limitaciones de las bases de datos batimétricas y topográficas están siendo atendidas mediante la coordinación de NOAA, USGS, y NTHMP para mejorar la cobertura, calidad, y disponibilidad de la información, pero es un trabajo en progreso. 3.6 Cuantificación del Peligro para el Diseño de Estructuras de Desalojo Vertical de Tsunamis Dada una amenaza real o percibida de tsunami en una región, el primer paso es determinar la severidad del peligro de tsunami. Esto conlleva la identificación de fuentes generadoras de tsunamis, y la acumulación de datos registrados sobre la ocurrencia y alcance de tsunami. Esto puede incluir un avalúo probabilístico considerando todas las posibles fuentes de tsunami o un avalúo determinístico considerando el tsunami máximo que puede esperarse en un área. Una vez se identifiquen las posibles fuentes de tsunami, y se sepa la severidad del peligro, se necesitan información de inundaciones del área específica, altura del alcance, y la velocidad del flujo. Parte de esta información se puede obtener de los mapas de inundación de tsunami disponibles, donde los haya; de otra manera, deben llevarse a cabo estudios de inundación específicos al lugar. En la ausencia de mapas o estudios de inundación específicos al lugar, se pueden utilizar soluciones analíticas para estimar los parámetros de inundación del tsunami para el diseño preliminar o FEMA P646 3: Avalúo de Peligro de Tsunami El peligro de tsunami puede ser caracterizado por (1) un avalúo probabilístico considerando todas la fuentes de tsunami, o (2) un avalúo determinístico considerando el tsunami máximo que puede esperarse en un área. 41 aproximado. Soluciones analíticas para velocidad de flujo, profundidad y flujo de momento se proveen en el Capítulo 6 y el Anejo E. En este documento el evento de tsunami de diseño se denomina Tsunami Máximo Considerado (MCT, en inglés). Sin embargo, no existe una política o metodología firme para determinar un Tsunami Máximo Considerado en un nivel de peligro específico. Para los criterios de diseño de este documento, se anticipa que el nivel de peligro correspondiente a al Tsunami Máximo Considerado será consistente con el periodo de retorno de 2500 años asociado con el Terremoto Máximo Considerado utilizado en el diseño sísmico. El Tsunami Máximo Considerado (MCT) es el diseño del evento de tsunami. Para avalúos de peligro de tsunami en áreas específicas, el Tsunami Máximo Considerado debe ser desarrollado usando el Terremoto Máximo Considerado Determinístico como la condición inicial del modelo de tsunami. Los avalúos de peligro de tsunami existentes en algunas áreas pueden ser adecuados para el diseño de estructuras de desalojo vertical. Aun cuando los mapas de peligro publicados no incluyan información de velocidad y profundidad, el modelaje subyacente puede tenerla. Donde el NTHMP ha producido mapas de inundación (Alaska, California, Hawaii, Oregon, Puerto Rico, y Washington), el equipo estatal de avalúo de peligro (http://nthmp.pmel.noaa.gov) proveerá detalles sobre los parámetros de modelaje apropiados y puede ofrecer el avalúo o proveer un referido. Para avalúos de peligro de tsunami en áreas específicas, el Tsunami Máximo Considerado debe ser desarrollado usando el Terremoto Máximo Considerado Determinístico (MCE Determinístico) como la condición inicial del modelo de tsunami. Como mínimo, el MCE Determinístico para un tsunami de origen cercano en los Estados Unidos debe ser el terremoto posible generador de tsunamis en la “Base de Datos Sobre Fallas y Pliegues Cuaternarios de los Estados Unidos” http://earthquake.usgs.gov/regional/qfaults/. De otra manera, la selección de un MCE Determinístico debe conformarse al estándar 7-05 de ASCE/SEI Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras (ASCE, 2006b), y las guías adicionales siguientes propuestas para inclusión en el estándar: 42 • Los movimientos del suelo para el MCE Determinístico deberán ser basados en terremotos característicos de todas las fallas activas de la región. • La magnitud de un terremoto característico en una falla dada debe ser el mayor estimado de la magnitud máxima posible para la falla pero no menos que la magnitud histórica mayor de la falla. 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 • La magnitud máxima debe ser estimada considerando toda la evidencia geológica sísmica para la falla, incluyendo la longitud de esta y observaciones paleosísmicas. • Para fallas caracterizadas como teniendo más de un segmento, el potencial de ruptura de segmentos múltiples en un solo terremoto debe ser considerado en el avalúo de la magnitud máxima característica de la falla. Donde la amenaza mayor sea de un tsunami de origen lejano, la selección de un Tsunami Máximo Considerado es más difícil. Como mínimo, debe basarse en el evento más grande registrado en la base de datos del Centro Nacional de Datos Geofísicos (http://www.ngdc.noaa.gov/ hazard/tsu_db.shtml) considerando la exactitud limitada, la cantidad, y el periodo cubierto por el registro histórico. También deben considerarse los terremotos más grandes posibles para las regiones que no han generado tsunamis históricos que afecten el lugar en consideración. El programa de modelaje de pronóstico de NOAA puede proveer un Tsunami Máximo Considerado para estos casos. El modelaje de inundación de tsunami no está disponible comercialmente de manera rutinaria., pero es llevado a cabo por varias organizaciones incluyendo laboratorios del gobierno (NOAA, USGS, el Laboratorio Nacional Los Álamos), universidades selectas, (Universidad de Cornell, Universidad de Salud y Ciencias de Oregon, Universidad de Alaska en Fairbanks, Universidad de Rhode Island, Universidad del Sur de California, Universidad de Washington), y algunas compañías de consultoría. Una extensa bibliografía de investigaciones relacionadas a tsunamis pasados está disponible en Wiegel (2005, 2006a, 2006b, y 2008). Cabe enfatizar que las recomendaciones anteriores no incluyen modelaje para tsunamis causados por derrumbes, volcanes, o impactos de meteoritos. 3.7 Sugerencias para Mejorar el Avalúo de Peligro de Tsunami Parecido al diseño orientado a otros peligros, una posible meta para el diseño de estructuras de desalojo vertical es alcanzar un nivel uniforme de seguridad a través de todas las comunidades en riesgo de tsunami. En el diseño sísmico y eólico, el punto de partida es el mapeo probabilístico del riesgo de terremotos y del viento. El peligro es aun más refinado al considerar efectos locales como el tipo de suelo en el diseño sísmico, y los efectos topográficos en el diseño eólico. FEMA P646 3: Avalúo de Peligro de Tsunami 43 Las herramientas esenciales para el avalúo de peligro de tsunami son los modelos de inundación de tsunami, mapas, y bases de datos comprehensivas de los parámetros de inundación de tsunami. Aunque difíciles de desarrollar, los mapas probabilísticos para peligros de tsunami pueden ser hechos y se necesitan para el diseño confiable de estructuras resistentes a tsunami bajo riesgo uniforme. 44 3: Avalúo de Peligro de Tsunami FEMA P646 Capítulo 4 Opciones de Desalojo Vertical Un refugio de desalojo vertical de tsunamis es un edificio o montículo de tierra que tiene la altura suficiente para elevar a los desalojados sobre el nivel de inundación del tsunami, y está diseñado y construido con la fuerza y resiliencia para resistir el embate de las olas de tsunami. Los refugios de desalojo vertical pueden estar solos o formar parte de una estructura más grande. Pueden ser de uso sencillo, para refugio, o de usos múltiples usados regularmente cuando no son refugios. También pueden ser para un solo peligro (como de tsunami), o facilidades de peligros múltiples. Como concepto, estas opciones son aplicables a estructuras nuevas o existentes, pero sería más difícil habilitar una estructura existente que construir una nueva estructura resistente a tsunamis usando estos criterios. Este capítulo describe las características de las diferentes opciones de desalojo vertical disponibles, y provee guías para asistir cual escoger entre las opciones. 4.1 Como concepto, las opciones de desalojo vertical son aplicables a estructuras nuevas o existentes, pero sería más difícil habilitar una estructura existente que construir una nueva estructura resistente a tsunamis usando estos criterios. Consideraciones del Desalojo Vertical Las estructuras de desalojo vertical pueden ser utilizadas para el uso general de la población cercana o para el de los ocupantes de un edificio o grupo de edificios en específico. El escoger entre las varias opciones dependerá de la planificación para respuestas de emergencias y las necesidades de la comunidad, el tipo de construcción y el uso de los edificios en el área inmediata, y la situación financiera del estado, el municipio, la comunidad local, o el dueño, relacionada al proyecto que se considera construir. 4.1.1 Facilidades de un solo Uso El avalúo de peligros de tsunami y el estudio de inundación pueden demostrar que la mejor solución es construir facilidades nuevas e independientes que estén específicamente diseñadas y configuradas para servir como estructuras de desalojo vertical. Las ventajas potenciales de las estructuras de un solo uso, independientes incluyen las siguientes: • Pueden localizarse lejos de posibles fuentes de escombros u otros peligros. • No necesitan ser integradas al diseño de un edificio existente o comprometidas por consideraciones de diseño por usos conflictivos. FEMA P646 4: Opciones de Desalojo Vertical Las facilidades de desalojo vertical pueden ser de uso sencillo, usos múltiples, o para peligros múltiples. 45 • Están estructuralmente separadas de otros edificios, por lo tanto no están sujetas a las posibles vulnerabilidades de otras estructuras. • Siempre estarán listas para recibir ocupantes y no tendrán estorbos de amueblado u otros objetos relacionados a otros usos. Las estructuras de un solo uso probablemente serán de diseño, permisos, y construcción simples porque no se requiere que provean comodidades rutinarias para las personas. Pueden tener sistemas estructurales prototípicos simplificados, resultando en costos iniciales de construcción más bajos. Un ejemplo de facilidades de un solo uso sería una estructura pequeña y elevada con la única función de proveer un refugio elevado para las áreas vecinas en caso de tsunami. Una posible aplicación para dichas facilidades lo son zonas residenciales bajas donde las rutas de desalojo no sean apropiadas, y donde no existan estructuras altas y seguras. 4.1.2 Facilidades de Usos Múltiples Una comunidad costera puede carecer de los recursos para desarrollar una estructura o serie de estructuras de desalojo vertical de un solo uso, así que se requieren maneras creativas de para sobrellevar las limitaciones económicas. Las posibles soluciones incluyen la colocación de las facilidades de desalojo junto con facilidades de función comunitaria, funciones comerciales, e incentivos económicos para los desarrolladores privados para que provean áreas de refugio resistentes a tsunami dentro de sus proyectos. La habilidad de usar unas facilidades para más de un propósito provee la posibilidad inmediata de ganancias mediante el uso comercial diario cuando la estructura no se necesita como refugio. Las facilidades de usos múltiples también pueden ser construidas para satisfacer una necesidad o función específica en una comunidad, además de la de refugio de desalojo. Algunos ejemplos incluyen bermas de tierra artificiales usadas como espacios abiertos comunitarios. En áreas urbanas o de negocios, pueden ser estructuras de estacionamiento privadas o públicas que incorporen el diseño resistente a tsunamis. En terrenos escolares, las facilidades de desalojo vertical pueden servir como gimnasios o comedores. En las subdivisiones residenciales pueden usarse como centros comunales. 4.1.3 Consideraciones de Peligros Múltiples Las comunidades expuestas a otros peligros (Ej. terremotos, huracanes, etc.) pueden considerar las necesidades de refugio posibles asociadas con estos peligros junto con el de tsunami. Esto podría incluir ajustes para la duración de ocupación, la consideración de un rescate post-evento y las actividades de 46 4: Opciones de Desalojo Vertical FEMA P646 recuperación, y la evaluación de las necesidades médicas a corto y largo plazo. El diseño para peligros múltiples requiere la consideración de los efectos de carga únicos de cada amenaza. Esto presenta retos únicos para el diseño estructural resultante. Por ejemplo, el sistema estructural para las estructuras de desalojo vertical expuestas a tsunamis de origen cercano probablemente estará diseñado para peligros sísmicos. Este tipo de estructura puede incluir muros separables, o la construcción abierta de los primeros niveles para dar paso al agua con resistencia mínima. La construcción abierta en los niveles bajos de una estructura multi-pisos contradice la práctica de evitar niveles suaves o débiles en la construcción resistente a terremotos. El diseño y la construcción apropiados tienen que incluir ajustes para éstos y otros conflictos en los requisitos 4.2 Conceptos de Desalojo Vertical Para proveer refugio en caso de inundaciones por tsunami, las soluciones de desalojo vertical deben ser capaces de recibir un gran número de personas en poco tiempo y llevarlos eficientemente a las áreas de refugio localizadas sobre el nivel de inundación. Las áreas de posible desalojo vertical pueden incluir áreas de terreno alto naturales, áreas de terreno alto artificiales mediante el uso de bermas de terreno, estructuras nuevas diseñadas específicamente como resistentes a tsunami, o estructuras existentes que demuestren tener la fortaleza para resistir los efectos de tsunami esperados. Las estructuras de desalojo vertical pueden ser bermas de terreno, estacionamientos, facilidades comunales, facilidades comerciales, facilidades escolares, o edificios existentes. Los sistemas y el contenido no estructurales localizados en niveles bajo la profundidad de la inundación deben considerarse una pérdida total si sigue el diseño de tsunami. Si se requiere que el edificio se mantenga funcional en caso de desastre, la pérdida de las paredes en los niveles bajos, sistemas no estructurales, y su contenido deben considerarse durante el diseño de las facilidades y la selección de usos alternos. 4.2.1 Terrenos Altos Existentes Las áreas de terreno alto naturales pueden ser utilizadas o modificadas para crear un refugio para el desalojo vertical de tsunamis. Las áreas abiertas grandes proveen acceso para grandes cantidades de personas desalojadas con la ventaja añadida de evitar los temores acerca de entrar a un edificio luego de un terremoto. Además, la mayoría de las comunidades costeras han educado a su población a “buscar terreno alto” en caso de una advertencia de tsunami. La topografía del terreno alto existente debe ser evaluada para el posible alcance de la ola y la socavación. Para resolver estas situaciones se puede necesitar la modificación de la topografía existente. FEMA P646 4 Opciones de Desalojo Vertical 47 4.2.2 Bermas de Terreno Si no existe terreno alto natural, se puede construir una berma de terreno para elevar el suelo sobre el nivel de alcance del tsunami, como se muestra en la Figura 4-1. Aunque hay que tomar precaución en proteger los lados de la berma de terreno y del vaivén de las olas de tsunami, esta opción puede resultar relativamente costo-efectiva en comparación con una estructura independiente. La altura de la berma debe ser suficiente para evitar que se inunde, y la inclinación de los lados debe permitir el ingreso de las personas. Se recomienda una rampa con inclinación en el rango de un pie de elevación vertical por cada cuatro pies horizontales (1 en 4). Figura 4-1 4.2.3 Berma de tierra combinada con espacio comunal abierto. Los muros de frente al mar pueden desviar las olas mientras que los lados inclinados proveen acceso rápido. Estacionamientos Los estacionamientos son excelentes candidatos como estructuras de desalojo vertical. Parecido al ejemplo de la Figura 4-2, la mayoría de los estacionamientos son estructuras abiertas que permitirían el paso del agua con mínima resistencia. Las rampas interiores permiten fácil ingreso, y facilitan la circulación vertical hacia los niveles altos. Los estacionamientos también se pueden utilizar para proveer áreas recreativas en el nivel superior, incluyendo parques, miradores, y canchas deportivas. También son una fuente de ingresos obvia, especialmente en áreas turísticas. Sin embargo, los estacionamientos tienden a construirse usando sistemas estructurales eficientes de bajo costo, con una redundancia mínima. Si se diseñan con objetivos más funcionales, y sometidos a revisiones de permisos 48 4: Opciones de Desalojo Vertical FEMA P646 e inspecciones más estrictas por parte de las autoridades, los estacionamientos podrían ser estructuras efectivas de desalojo vertical. Figura 4-2 4.2.4 Estacionamiento. Los sistemas estructurales abiertos permiten el paso de agua con resistencia mínima, y las rampas interiores permiten ingreso fácil y circulación vertical. Facilidades Comunales Las estructuras de desalojo vertical se pueden desarrollar como parte de otras necesidades comunitarias como centros comunales, facilidades recreativas, complejos deportivos, bibliotecas, museos, y estaciones de policía y bomberos. Un ejemplo se puede ver en la Figura 4-3. Cuando no se utilizan como refugio, este tipo de facilidades pueden ser útiles en una variedad de funciones que mejoran la calidad de vida en la comunidad. Al escoger usos alternos para las facilidades de desalojo vertical debe considerarse el posible impacto de que estos otros usos puedan tener sobre su función. Los posibles impactos negativos incluyen estorbos que puedan impedir la entrada. Debe dársele prioridad a usos con funciones complementarias, como el acomodo de grandes cantidades de gente. 4.2.5 Facilidades Comerciales Las estructuras de desalojo vertical pueden desarrollarse como parte de negocios u otras facilidades comerciales incluyendo hoteles multi-pisos, restaurantes, o tiendas, como se ve en la Figura 4-4. Por ejemplo, si el área de refugio es parte de un complejo hotelero con salas de reunión, salones de baile, y espacios de exhibición sobre el nivel de la inundación puede utilizarse como refugio en caso de tsunami FEMA P646 4 Opciones de Desalojo Vertical 49 Figura 4-3 Complejo deportivo. Diseñado para congregación, este tipo de estructura puede facilitar la circulación y las necesidades de servicios de un gran número de personas. Figure 4-4 Complejo hotelero y de convenciones. Las salas de reunión, de baile, y de exhibición localizados sobr e la altura de elevación de tsunami pueden servir de áreas de refugio. 4.2.6 Facilidades Escolares Parecidas a las facilidades comunitarias, las facilidades escolares públicas y privadas tienen el beneficio de que proveen servicios útiles y esenciales para las comunidades en que se encuentran. La constante construcción de escuelas provee la oportunidad y un posible mecanismo financiero para una estructura de desalojo vertical compartida. Esto tiene el beneficio añadido 50 4: Opciones de Desalojo Vertical FEMA P646 del posible apoyo público para proyectos que aumenten la seguridad de niños de edad escolar. 4.2.7 Edificios Existentes Los patrones de daños históricos sugieren que muchas estructuras no diseñadas específicamente para resistir cargas de tsunami pueden resistir la inundación y proveer áreas de refugio. Es posible que algunas estructuras existentes puedan servir como estructuras de desalojo vertical o que puedan modificarse para hacerlas resistentes a tsunamis. Un avalúo de las necesidades funcionales y de las posibles vulnerabilidades estructurales es necesario para determinar si un edificio existente puede ser utilizado como estructura de desalojo vertical. En algunas situaciones, el proveer algo de protección es mejor que nada. Un ejemplo de esto se puede apreciar en la Figura 4-5. En un mapa de desalojo para Waikiki, los edificio de concreto y armazón de acero con seis o más pisos de altura, se consideran que proveen protección en o sobre el tercer nivel, y se consideran áreas de refugio. Figura 4-5 FEMA P646 Mapa de desalojo de Waikiki, Hawaii, ind icando el uso de algunos edificios existentes para desalojo vertical. 4 Opciones de Desalojo Vertical 51 Capítulo 5 Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación El riesgo de tsunami es único ya que algunas comunidades pueden ser susceptibles a tsunamis de origen lejano (más tiempo de advertencia), tsunamis de origen cercano (menos tiempo de advertencia), o ambos. Los tsunamis de origen lejano generalmente dan suficiente tiempo para las advertencias y permiten que los planes de emergencia se concentren en el desalojo. Los tsunamis de origen cercano pueden no dar suficiente tiempo para el desalojo, así que los planes de emergencia deben incluir el desalojo vertical. Este capítulo provee guías sobre como localizar los refugios de desalojo vertical dentro de una comunidad, y sobre como determinar el tamaño de una estructura de desalojo vertical. 5.1 Las estructuras de desalojo vertical deben localizarse de manera tal que las personas designadas a refugiarse puedan llegar a la estructura dentro del tiempo disponible entre la advertencia de tsunami y la inundación. Consideraciones de Localidad Las estructuras de desalojo vertical deben localizarse de tal manera que las personas designadas a refugiarse puedan llegar a la estructura dentro del tiempo disponible entre la advertencia de tsunami y la inundación. El tiempo de traslado debe también considerar la circulación vertical dentro de la estructura sobre el nivel de la inundación. Las estructuras localizadas a un extremo de una comunidad pueden ser difíciles de alcanzar para algunas personas. Las rutas hacia la estructura deben ser accesibles y estar bien identificadas. La localización de una estructura de desalojo vertical dentro de una comunidad debe tomar en consideración los posibles peligros en la cercanía del lugar que podrían poner en riesgo la estructura, y debe considerar el comportamiento natural de la gente que trata de evitar la inundación costera. 5.1.1 Advertencias, Tiempo de Traslado, y Espaciamiento El Centro de Advertencias de Tsunami de la Costa Oeste y Alaska (WC/ATWC, en inglés) en Alaska, y el Centro de Advertencias de Tsunami del Pacífico (PTWC, en inglés) en Hawaii monitorean los posibles tsunamis, y le advierten a las poblaciones afectadas acerca de tsunamis inminentes. La Tabla 5-1 resume los tiempos de advertencia aproximados asociados con la distancia de la fuente generadora de tsunami y el lugar de interés. Un FEMA P646 5: Siting, Spacing, Sizing, and Elevation Considerations 53 tsunami de origen lejano se inicia en una fuente de origen lejos del lugar, y puede dar 2 o más horas de aviso. Un tsunami de origen cercano se inicia en una fuente de origen cercana al lugar, y puede tener 30 minutos o menos de tiempo de advertencia. Los lugares que experimentan tsunamis de origen cercano generalmente sienten los efectos del evento causante del tsunami (Ej. temblores causados por un terremoto cercano), y estos efectos serán la primera señal de un tsunami inminente. Un tsunami de origen medio es el cuyo origen es relativamente cercano, pero no lo suficiente para sentir los efectos del evento generador de tsunami. Los tsunamis de origen medio dan entre 30 minutos a 2 horas de tiempo de advertencia. Tabla Tabla 5-1 El espaciamiento máximo recomendado para las estructuras de desalojo vertical depende del tiempo de advertencia, la velocidad ambulatoria, y la densidad poblacional cercana. Fuentes de Origen de Tsunami y Tiempos de Advertencia Localización del Origen Tiempo Aproximado de Advertencia (t) Tsunami de origen lejano t > 2 hrs. Tsunami de origen medio 30 min. < t < 2 hrs. Tsunami de origen cercano t < 30 min. Debe tomarse en consideración el tiempo que les tomaría a los refugiados llegar a la estructura. Para determinar el espaciamiento máximo de las estructuras de desalojo vertical, los parámetros críticos son el tiempo de advertencia y la capacidad ambulatoria de la comunidad cercana. Una vez se determine el espaciamiento máximo, debe considerarse el tamaño, y la población se convierte en un parámetro importante. Las consideraciones de tamaño pueden llevar a ajustes de cantidad y del espacio entre las estructuras si no fuese factible construir las estructuras de un tamaño adecuado para acomodar a toda la población. Las consideraciones de tamaño se discutirán en la Sección 5.2. La persona saludable promedio puede caminar a aproximadamente 4 MPH. Sin embargo, algunos miembros de la población pueden tener capacidades ambulatorias limitados a causa de la edad, salud, o discapacidad. La velocidad promedio de la población con movilidad limitada se estima en las 2 MPH. Asumiendo que existe un tiempo de advertencia de 2 horas en el caso de un tsunami de origen lejano, las estructuras de desalojo vertical deben estar a no más de 4 millas de cualquier punto de comienzo. Esto resultaría en un espaciamiento máximo de 8 millas entre una estructura y otra. Similarmente, asumiendo que existe un tiempo de advertencia de 30 minutos, las 54 5: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación FEMA P646 estructuras de desalojo vertical deben localizarse a no más de una milla de cualquier punto de comienzo, o 2 millas entre una estructura y otra. La Tabla 5-2 resume el espaciamiento máximo de una estructura de desalojo vertical basado en el tiempo de traslado asociado con una población con movilidad limitada. Tabla Tabla 5-2 Espaciamient Espaciamiento amiento Máximo Entre Estructuras Estructuras de Desalojo Vertical en Base a Tiempo de Traslado Tiempo de Advertencia Velocidad Ambulatoria Distancia de Traslado Espaciamiento Máximo Entre Estructuras 2 hrs. 2 MPH* 4 millas 8 millas 30 min. 2 MPH* 1 millas 2 millas 15 min. 2 MPH* ½ milla 1 milla * Basado en la velocidad promedio de una población con movilidad limitada. 5.1.2 Ingreso y Circulación Vertical Las estructuras de desalojo vertical de tsunamis deben estar localizadas de tal manera que las personas tengan el tiempo adecuado para no solo llegar a la estructura, sino también para entrar y moverse dentro de ella hacia los niveles sobre la altura anticipada de la inundación. Deben considerarse tiempos de traslado mas largos si existen, o pueden ocurrir, obstrucciones en la ruta de ingreso. Los elementos estructurales o arquitectónicos inestables o mal asegurados que puedan colapsar en la entrada, al igual que la presencia de objetos ajenos al proceso de refugio, podrían impedir el ingreso. La existencia de un área de estacionamiento en el refugio puede disminuir el tiempo de traslado, pero podría complicar el acceso si se considera la posibilidad de embotellamientos. Las escaleras y los elevadores son los métodos tradicionales de ingreso y circulación vertical en edificios, especialmente donde los usuarios tienen movilidad limitada. Sin embargo, las rampas, como las utilizadas en complejos deportivos, pueden ser más efectivas para mover grandes grupos de personas en una estructura de refugio. Los tiempos de traslado estimados deben ajustarse en base a los diferentes métodos de circulación vertical. Los usuarios con discapacidades pueden necesitar moverse a lo largo de rutas especiales para sillas de ruedas, y otros con necesidades especiales pueden requerir la ayuda de otros para moverse dentro de la estructura. FEMA P6465: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación 55 Al localizar las estructuras de desalojo vertical deben tomarse en consideración las conductas naturales y aprendidas de los desalojados. La mayoría de las comunidades costeras han educado a sus poblaciones a “buscar terrenos altos” en el caso de una advertencia de tsunami. También existe una tendencia natural a alejarse de la costa. Las estructuras de desalojo vertical deben tomar ventaja de la topografía natural que atraería a los desalojados. La Figura 5-1 ilustra un arreglo de estructuras de desalojo vertical en una comunidad basada en estos principios. Figura 5-1 Los posibles peligros del lugar incluyen: olas, fuentes de escombros grandes, y materiales peligrosos en el agua. 56 5.1.3 Localización de refugios de desalojo vertical considerando distancia de escape, conducta del desalojo, y terreno alto natural. Las flechas muestran las rutas de desalojo anticipadas. Consideración de Peligros del Lugar Los peligros especiales en la cercanía del lugar deben ser considerados al localizar las estructuras de desalojo vertical. Los posibles peligros del lugar incluyen las olas, las fuentes de escombros de gran tamaño en el agua, y las fuentes de materiales peligrosos en el agua. Mientras sea posible, las estructuras de desalojo vertical deben localizarse lejos de peligros 5: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación FEMA P646 potenciales que pudieran resultar en daño adicional a la estructura y reducirían la seguridad de los ocupantes. Debido a la disponibilidad limitada de posibles lugares, y las limitaciones de traslado y movilidad de la población en una comunidad, algunas estructuras de desalojo vertical están en lugares considerados no idóneos. La Figura 5-2 ilustra peligros adyacentes al lugar típicos de una comunidad costera. Figura 5-2 Peligros del lugar adyacentes a estructuras de desalojo vertical (lugares enumerados). Las flechas muestran las rutas de desalojo vertical anticipadas. El rompimiento de olas se da donde la profundidad del agua es lo suficientemente finita. En el diseño de las estructuras costeras usuales (Ej. rompeolas, embarcaderos, espigones), las fuerzas críticas de las olas a menudo son resultados del rompimiento de olas. Sin embargo, en el caso de terreno muy empinado, las olas pueden romper en la orilla, lo que se conoce como una ola de rompimiento de colapso. Las fuerzas de este tipo de ola pueden ser muy altas y muy inciertas. La localización de las estructuras de desalojo vertical en la zona de rompimiento de olas de tsunami presenta un riego adicional a la estructura. FEMA P6465: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación 57 Cuando la probabilidad de que la ola de tsunami rompa en la orilla no es cero, se considera sumamente raro. Por estas razones, los lugares recomendados para estructuras de desalojo vertical están tierra adentro con relación a la zona de rompimiento de olas, y las fuerzas de rompimiento de olas no se consideran en este documento. En la Figura 5-2, las estructuras de desalojo vertical se encuentran distantes de la orilla. La Estructura Num. 1 es adyacente a un puerto y a un terminal de contenedores. Las fuerzas de impacto de barcos, barcazas, botes y otros escombros tienen la posibilidad de ser muy grandes. La localización de otras fuentes de escombros grandes y posiblemente flotantes aumenta la posibilidad de impacto por parte de uno o más objetos, aumentando el riesgo de daño a la estructura. Si fuese posible, sería mejor que esta estructura se localizara lejos del puerto y el terminal de contenedores. Si no existiera una localización alterna para servir a la comunidad, la estructura debería ser diseñada para resistir los posibles impactos por parte de los contenedores y embarcaciones presentes en la inundación. La estructura Num. 2 está localizada hacia el lado del puerto y es adyacente a un estacionamiento. Esta estructura debe estar diseñada para resistir escombros consistentes con el uso del estacionamiento y sus alrededores, los que incluyen automóviles, camionetas, y vehículos recreativos. La Estructura Num. 3 está localizada muy cerca de una estación de gasolina. En tsunamis pasados, la combustión de químicos inflamables y otros escombros flotantes ha resultado en un riesgo significativo para las estructuras sumergidas parcialmente. Dependiendo del potencial para escapes de combustible en esta estación en el caso de un tsunami (o terremoto), esta estructura necesitaría diseñarse con materiales resistentes a incendios y tener protección adicional. La estructura Num. 4 se encuentra junto a un parque recreativo. Esta localización podría resultar ideal, ya que existe poca posibilidad de escombros. Algunos peligros incluirían escombros de estructuras del parque, maderas, y troncos de árboles caídos. Esta área tiene más posibilidad de atraer turistas y visitantes ajenos al área. Se requerirían letreros adicionales para informarles a los visitantes donde deben ir en caso de una advertencia de tsunami. La estructura Num. 5 es adyacente a unas facilidades de respuesta de emergencias. Al juntar ambas facilidades se proveerían oportunidades para la supervisión directa del personal de ley y orden, y el monitoreo y apoyo de los ocupantes por el personal de respuesta emergencias. 58 5: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación FEMA P646 La Estructura Num. 6 pretende dar ayuda a los desalojados que aprovechan el terreno alto natural. 5.2 Consideraciones de Tamaño El tamaño de una estructura de desalojo vertical depende del número de ocupantes, el tipo de ocupación, y la duración de la ocupación. El número de ocupantes dependerá de la población vecina, y del espaciamiento y cantidad de estructuras de desalojo vertical localizadas en el área. La duración de la ocupación dependerá de la naturaleza del peligro y la función o propósito de la estructura. 5.2.1 Duración de Servicios y Ocupación Una estructura de desalojo vertical tiene el propósito de proveer un refugio temporero en caso de tsunami. Aun cuando los tsunamis se consideran eventos de corta duración (Ej. el periodo de advertencia pre-evento y el evento como tal duran de 8 a 12 horas), los tsunamis incluyen varios ciclos de olas. La posibilidad de mareas atípicamente altas y de inundaciones costeras puede durar hasta 24 horas. Una estructura de desalojo vertical debe proveer servicios apropiados para los desalojados durante su estadía. Como refugio a corto plazo, los servicios pueden ser mínimos, incluyendo espacio limitado para cada ocupante y servicios sanitarios básicos. En adición, una estructura de desalojo vertical se puede utilizar para proveer acomodo y servicios a personas cuyos hogares han sido dañados o destruidos. Como mínimo, esto debe permitir espacio para los ocupantes, suministros, y servicios. También podría incluir consideraciones para diferentes actividades de rescate y recuperación luego del evento, y para la evaluación de necesidades médicas a corto y largo plazo. Las guías para necesidades de refugio de una comunidad no están incluidas en este documento pero se pueden encontrar en FEMA 361, Guías de Diseño y Construcción para Refugios de la Comunidad (FEMA, 2000a). La decisión de diseñar construir una estructura de desalojo vertical primordialmente como refugio a corto plazo, o equiparla y manejarla para refugiar a los desalojados por periodos más largos de tiempo, es un asunto de manejo de emergencias que debe ser decidido por el estado, municipio, comunidad local, o dueño de la estructura. 5.2.2 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado de Guías de Refugio Actuales Las recomendaciones de pietaje cuadrado están disponibles en varias fuentes y varían dependiendo del tipo de peligro y la duración estimada de la FEMA P6465: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación 59 ocupación. Mientras más larga la ocupación estimada, mayor será el área mínima recomendada. Un refugio para personas saludables y no heridas en un evento a corto plazo requiere menos área por ocupante. Un refugio para personas enfermas o heridas, o que provea cuidado médico continuo, requiere más espacio para acomodar camas y suministros. Para estadías de mayor duración se necesita aún más espacio por ocupante para cumplir con los requisitos mínimos de privacidad y comodidad, y para la infraestructura, sistemas, y servicios necesarios para refugiar personas por tiempo prolongado. Las Tablas 5-3, 5-4 y 5-5 resumen las recomendaciones de pietaje cuadrado contenidas en Estándar en el Diseño y Construcción de Refugios de Tormentas (ICC/NSSA, 2007), FEMA 361 Guías de Diseño y Construcción para Refugios de la Comunidad (FEMA, 2000a), y en la Publicación de la Cruz Roja Americana Núm. 4496 Estándares para la Selección de Refugios de Huracán (ARC, 2002). Tabla Tabla 5-3 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado – ICCICC-500 Estándar Est ándar en el Diseño y Construcción de Refugios de Tormentas (ICC/NSSA, 2007) Peligro o Duración Área Requerida Mínima en Pies Cuadrados por Ocupante Tornado De pie o sentado 5 Silla de ruedas 10 Encamado 30 Huracán De pie o sentado 20 Silla de ruedas 20 Encamado 40 Tabla Tabla 5-4 Recomendaciones de Pietaje Pi etaje Cuadrado – FEMA 361 Guías Guías de Diseño y Construcción para Refugios de la Comunidad (FEMA, 2000a) Peligro o Duración 60 Área Requerida Mínima en Pies Cuadrados por Ocupante Tornado 5 Huracán 10 5: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación FEMA P646 Tabla Tabla 5-5 Recomendaciones de Pietaje Cuadrado – Cruz Roja AmericanaAmericana-Publicación Publicación No. 4496 (ARC, 2002) Peligro o Duración Área Requerida Mínima en Pies Cuadrados por Ocupante A corto plazo (Ej. pocos días) 20 A largo plazo (Ej. de días a semanas) 40 El número de espacios para personas de pie, sentadas, en silla de ruedas o encamadas debe ser determinado en base a las necesidades específicas de ocupación en la estructura a considerarse. Al determinar el área útil, ICC500 incluye los siguientes ajustes de superficie bruta: • La superficie útil es el 50% de la superficie bruta en refugios con amueblado concentrado o asientos fijos. • La superficie útil es el 65% de la superficie bruta en refugios sin amueblado concentrado o asientos fijos. • La superficie útil es el 85% de la superficie bruta en refugios con amueblado de área abierta y sin asientos fijos. 5.2.3 Pietaje Cuadrado Mínimo Recomendado para Refugios de Tsunamis a Corto Plazo Para el refugio a corto plazo en una estructura de desalojo vertical de tsunami, la duración de la ocupación debe estimarse entra 8 y 12 horas, como mínimo. Debido a que un tsunami puede incluir varios ciclos de olas, hay recomendaciones que sugieren que los refugiados se mantengan en la estructura hasta la segunda marea alta luego de la primera ola de tsunami, lo que puede ocurrir hasta 24 horas mas tarde. El área mínima recomendada es de 10 pies cuadrados por ocupante. Basado en las recomendaciones de pietaje cuadrado empleadas en el diseño de refugios para otros peligros, El área mínima recomendada es de 10 pies cuadrados por ocupante. Se anticipa que esta densidad permita que los desalojados puedan sentarse por ratos sin sentirse atrapados, pero no se considera apropiada para estadías extendidas ni para dormir. Este número debe ajustarse dependiendo de las necesidades específicas de ocupación. 5.3 Consideraciones de Elevación Para que una estructura de desalojo vertical sea efectiva, es esencial que el área de refugio se localice sobre el nivel máximo de la inundación del tsunami anticipado. La determinación de una elevación apropiada para FEMA P6465: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación 61 refugiarse de un tsunami debe tener en cuenta la incertidumbre inherente del estimado del alcance de un tsunami., el salpicado durante el impacto de las olas, y el nivel de ansiedad de los desalojados en la estructura. La elevación mínima recomendada de un refugio es el nivel máximo de alcance anticipado, más 30%, más 10 pies (3 metros). Para compensar por esta incertidumbre, la magnitud de las fuerzas de tsunami se determina a base de un máximo de elevación de alcance de tsunami que es un 30% más alta que la pronosticada por el modelaje de simulación numérica de los mapas de inundación de tsunami. Debido a las consecuencias de lo que sería la inundación del refugio, se recomienda que la elevación del área de refugio en las estructuras de desalojo vertical incluya un margen de francobordo sobre la elevación. El francobordo mínimo recomendado es de un nivel, o 10 pies (3 metros) sobre el nivel de elevación del alcance del tsunami utilizado en los cálculos de las fuerzas de tsunami. La elevación mínima recomendada de un refugio es el nivel máximo de alcance anticipado, más 30%, más 10 pies (3 metros). 5.4 Tamaño de las Estructuras de Desalojo Vertical Dada la cantidad y el espaciamiento de las estructuras de desalojo vertical, y la población de una comunidad, el tamaño mínimo se puede determinar basado en las recomendaciones de área para la duración y tipo de ocupación. La consideración de otras necesidades funcionales, como baños, suministros, comunicaciones, y energía de emergencia, deben añadirse al tamaño total de la estructura. Dada la elevación máxima del alcance del tsunami anticipado en el área, la elevación mínima del área de refugio dentro de una estructura de desalojo vertical se puede determinar basada en las recomendaciones mínimas de francobordo. 62 5: Consideraciones de Localización, Espaciamiento, Tamaño, y Elevación FEMA P646 Capítulo 6 Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño Este capítulo resume las provisiones de códigos actuales en relación a los efectos de cargas de tsunami, describe los objetivos funcionales esperados para las estructuras de desalojo vertical, especifica las ecuaciones para determinar las fuerzas de tsunami, y provee guías sobre como las fuerzas de tsunami deben combinarse con otros efectos. 6.1 Criterios de Diseño Estructural Actualmente Disponibles Actualmente se provee muy poca orientación en los códigos de diseño estructural, estándares, y guías sobre las cargas inducidas por la inundación de tsunamis. La información de diseño establecida se enfoca primordialmente en las cargas resultantes del nivel del agua y la acción de las olas asociada con las inundaciones de los ríos y las marejadas ciclónicas. Con pocas directrices específicas disponibles, se presume que se deben utilizar los estándares de diseño de inundación actuales al diseñar para los efectos de carga de tsunami. 6.1.1 Actualmente se provee muy poca orientación en los códigos de diseño estructural, estándares, y guías sobre las cargas inducidas por la inundación de tsunamis. La información de diseño establecida se enfoca primordialmente en las cargas resultantes del nivel del agua y la acción de las olas asociada a las inundaciones de ríos y las marejadas ciclónicas. Códigos, Estándares y Guías Actuales de EEUU Código Internacional de Edificios (ICC). El Código Internacional de Edificios del Consejo Internacional de Códigos, Anejo G (ICC, 2006) provee información sobre el diseño para inundaciones y la construcción resistente a inundaciones en referencia al Estándar 24-05 de ASCE/SEI Diseño y Construcción Resistente a Inundaciones (ASCE 24, 2006a). Estándar 24-05 de ASCE/SEI. El Estándar 24-05 del Instituto de Ingeniería de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles y Estructurales, Diseño y Construcción Resistente a Inundaciones (ASCE 24, 2006a) provee los requisitos mínimos de diseño y construcción de estructuras resistentes a inundaciones localizadas en áreas de riesgo. Los temas incluyen los requisitos básicos para áreas de peligro de inundación, áreas de alto riesgo de inundación, áreas costeras de alto riesgo, y zonas costeras tipo A. Este estándar cumple con los requisitos de manejo de zonas inundables del Programa Nacional de Seguros de Inundación de FEMA. FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 63 Estándar 7-05 de ASCE/SEI. El Estándar 7-05 de ASCE/SEI Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras (ASCE, 2006b) provee expresiones para fuerzas asociadas a cargas de inundaciones y de olas sobre componentes estructurales específicos. Este estándar cubre definiciones importantes relacionadas a inundaciones y áreas costeras de alto riesgo por mareas, marejadas ciclónicas, inundaciones de ríos, seiches o tsunamis. Manual de Construcción Costera FEMA 55. El Manual de Construcción Costera FEMA 55 (FEMA, 2005) incluye el estudio más reciente de FEMA sobre las cargas sísmicas y de tsunami. Este manual se desarrolló para proveer guías de diseño y construcción para estructuras residenciales de baja altura (menos de tres niveles), para una o dos familias, en áreas costeras a través de los Estados Unidos. El Manual de Construcción Costera cubre las cargas sísmicas para estructuras costeras, y contiene expresiones para cargas de inundación, cargas de olas, y combinaciones de cargas para componentes estructurales específicos. El Manual también provee información sobre peligros de tsunami. La Sección 7.2.2 establece que: “Los tsunamis son olas de periodo largo generadas por terremotos de enfoque llano o por desplazamientos de la corteza terrestre (subducción de las placas tectónicas), derrumbes, o actividad volcánica. Los tsunamis pueden viajar grandes distancias, desapercibidos en aguas profundas, pero de asomeramiento rápido en las aguas costeras, y producen olas de gran tamaño capaces de de destruir facilidades portuarias, estructuras de protección costera, y edificios tierra adentro […] La construcción costera en zonas de peligro de tsunami debe tomar en cuenta los efectos del alcance, inundaciones, socavación, y las cargas de escombros. Los diseñadores deben estar al tanto de que el retorno del agua al mar puede dañar estructuras qué hayan resistido el embate inicial.” El Manual también menciona que los efectos de tsunami en un lugar en particular van a ser determinados por los siguientes factores básicos: • la magnitud del terremoto o evento generador de tsunami • la localización del evento generador de tsunami • la configuración de la plataforma continental y la costa • la topografía de la costa Respecto al diseño resistente a las cargas de tsunami, la Sección 11.7 del Manual establece que: 64 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 “Las cargas de tsunami sobre edificios residenciales pueden ser calculadas de la misma manera que otras cargas de inundación; los procesos físicos son los mismos, pero la escala de las cargas de inundación son substancialmente diferentes en que la longitud de las olas y las elevaciones del alcance de tsunami son mayores a las causadas por ciclones tropicales o extratropicales […] Cuando un tsunami forma una ola de macareo, el efecto es una marejada que impacta la orilla. Cuando esto ocurre, las velocidades estimadas de inundación son mayores a las esperadas […] y si se alcanzan causarían daños sustanciales a todos los edificios a su paso. Los diseñadores deben recopilar la mayor cantidad de información posible acerca de las profundidades estimadas de tsunami para calcular con exactitud las fuerzas de la inundación. Aunque los autores del Manual de Construcción Costera concluyen que generalmente no resulta factible o práctico el diseñar estructuras normales para resistir cargas de tsunami, cabe enfatizar que este estudio se hizo para la construcción residencial convencional, y no tomó en consideración la posibilidad de diseño especial y detalles de construcción de estructuras de desalojo vertical. Código de Construcción para la Ciudad y el Condado de Honolulu. El Código de Construcción para la Ciudad y el Condado de Honolulu (CCH, 2000), Capítulo 16, Artículo 11, provee guías específicas para “el diseño estructural de edificios y estructuras sujetas a tsunamis” en la Sección 1611.5 (f). Los requisitos de carga en esta sección están basados en el estudio de Dames & Moore de 1980, pero con la velocidad de flujo en pies por segundo estimada como igual en magnitud a la profundidad en pies de agua en la estructura. También se dan estimados para la socavación anticipada alrededor de pilotes y muelles basados en la distancia de la orilla y el tipo de suelo en el lugar de construcción. 6.1.2 Resumen de Requisitos Actuales de Diseño Las áreas costeras sujetas a la acción de olas de alta velocidad causadas por tormentas o fuentes sísmicas se denominan Zonas Costeras V. Las áreas tierra adentro de las Zonas Costeras V que están sujetas a olas más pequeñas causadas por marejadas ciclónicas, inundaciones de ríos, seiches, o tsunamis se denominan Zonas Costeras A. En el diseño para inundaciones costeras a causa de marejadas ciclónicas o tsunamis, los edificios o estructuras están proporcionados para resistir los efectos de la inundación. El diseño y construcción deben ser adecuados para resistirlas profundidades, presiones, velocidades, impactos, fuerzas de FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 65 levantamiento, y otros factores anticipados y relacionados con las inundaciones según lo define el código. El espacio habitable en los edificios debe encontrarse a una altura sobre la elevación de inundaciones mediante métodos como postes, pilotes, muelles, o muros de corte paralelos a la dirección esperada del flujo. Los espacios bajo el nivel de inundación del diseño deben estar libres de obstrucciones. Los muros y particiones en áreas costeras de alto peligro deben poder separarse para no inducir cargas excesivas en el armazón estructural. Los efectos de la socavación a largo plazo, la socavación causada por tormentas, y la socavación local deben incluirse en el diseño de cimientos de edificios y otras estructuras en áreas costeras de alto peligro. El empotramiento de los cimientos debe estar bajo el nivel de socavación potencial para poder aguantar la estructura adecuadamente. La socavación del suelo alrededor de pilotes individuales y muelles debe tomarse en consideración durante el diseño. Los cimientos de poca profundidad no se permiten en las Zonas Costeras V, a menos que los suelos tengan protección contra la socavación, pero sí se permiten en las Zonas Costeras A, sujetos a la estabilidad del terreno y la resistencia a la socavación. La estructura central debe estar anclada adecuadamente y debe estar conectada a la subestructura de elevación para resistir las fuerzas laterales, de levantamiento, y descendientes. 6.1.3 Aunque muchas de las expresiones de cargas hidrostáticas e hidrodinámicas disponibles en los códigos, estándares, y guías actuales están bien establecidas, hay diferencias significativas entre la inundación de un tsunami, y la de ríos o de marejada ciclónica. Limitaciones de los Criterios para Diseños de Inundación Disponibles en Relación a las Cargas de Tsunami Aunque muchas de las expresiones de cargas hidrostáticas e hidrodinámicas disponibles en los códigos, estándares, y guías actuales están bien establecidas, hay diferencias significativas entre la inundación de un tsunami, y la de ríos o de marejadas ciclónicas. En un tsunami típico, la superficie del agua fluctúa cerca de la orilla con una amplitud de varios metros durante un periodo de pocos minutos a decenas de minutos. Una gran diferencia entre los tsunamis y otros tipos de inundación costera es la alta velocidad de flujo de las olas, lo que resulta en el aumento significativo de las cargas relacionadas a la velocidad sobre los componentes estructurales. La aplicación de las expresiones de carga existentes sobre las condiciones de carga de tsunamis requiere un estimado de la profundidad y velocidad de éste, ninguna de las cuales se provee con mucha exactitud mediante la información de peligros de tsunami disponibles actualmente. Aunque el impacto de escombros se considera en los códigos actuales, la fuerza de impacto producidas por un cambio en el momento depende de estimados sobre la masa de los escombros, la velocidad, y el tiempo que le 66 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 toma decelerar a la masa. No se hace ningún ajuste en base a la masa del agua detrás de los escombros, o para la posibilidad de formación de diques si los escombros son bloqueados por componentes estructurales. Los escombros más significativos, como barcazas, botes de pesca, y tanques de almacenamiento vacíos deben considerarse en casos de tsunamis, dependiendo de la localización del edificio en construcción. El tamaño, masa, y rigidez de este tipo de escombros no se toma en consideración dentro de los criterios actualmente disponibles. No se toman en consideración las cargas ascendentes debajo de la estructura o componentes sumergidos bajo la inundación o el flujo de tsunami. Estas cargas hidrodinámicas verticales, diferentes a los efectos de flotación, y son tomadas en consideración por la industria marítima en el diseño de plataformas petroleras y componentes estructurales que pueden ser sumergidos por olas de gran tamaño. Existen dos mecanismos primarios de socavación que ocurren durante un tsunami. La socavación provocada por tensión cortante es similar a la que se observa durante inundaciones de tormenta, consistiendo del desplazamiento del terreno por la velocidad del flujo. La socavación provocada por licuefacción es el resultado del retiro rápido del agua que retrocede. Sin el tiempo suficiente para disiparse, la presión de agua dentro del terreno causa licuefacción, resultando en más socavación de la que normalmente ocurriría. Aunque los códigos actuales toman en consideración la socavación, proveen pocas guías (a excepción de estimados amplios) ante el efecto potencial de su magnitud. 6.2 Objetivos de Funcionamiento Mientras que los objetivos de funcionamiento específicos para formas de carga poco comunes pueden variar, el funcionamiento estructural aceptable sigue una tendencia correspondiente a: • poco o ningún daño para eventos pequeños de mayor frecuencia; • daño moderado para eventos medianos, menos frecuentes; y • daño significativo, pero sin colapso para eventos grandes poco comunes. En el caso de peligros de terremotos, los códigos de construcción actuales, como el Código Internacional de Construcción , asignan objetivos de funcionamiento sísmicos a los edificios basado en el riesgo inherente a la vida humana (Ej. gran número de ocupantes) o su importancia luego del terremoto (Ej. centros operacionales de emergencias u hospitales). Los edificios y otras estructuras se clasifican en Categorías de Ocupación I hasta FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 67 IV, en orden ascendente de riesgo a la vida humana o importancia, y los criterios de diseño de los códigos aumentan en correspondencia, para así proveer un mejor funcionamiento. En una Categoría de Ocupación IV, las reglas de diseño resultan en una alta probabilidad de que los edificios se mantengan funcionales luego de temblores moderados, y que tengan menos daños que edificios normales durante temblores poco comunes. Los procedimientos de diseño sísmico basados en funcionamiento disponibles actualmente pretenden evaluar explícitamente y predecir el funcionamiento, en vez de confiar en el funcionamiento estimado asociado con las reglas rígidas de diseño. Sin embargo, el diseño basado en funcionamiento es una tecnología emergente y el funcionamiento esperado no se puede lograr con un 100% de exactitud. Los estándares de práctica para el diseño sísmico basado en el funcionamiento en ASCE/SEI 41-06 Rehabilitación Sísmica de Edificios Existentes (ASCE, 2006c) define unos niveles de funcionamiento discretos con nombres que tienen la intención de connotar las condiciones esperadas del edificio: Colapso, Prevención de Colapso, Seguridad de Vida, Ocupación Inmediata, y Operacional. Los objetivos de funcionamiento sísmico se definen al relacionar uno de estos niveles de funcionamiento con un nivel de peligro de terremoto relacionado al intervalo de ocurrencia y la intensidad del movimiento telúrico, como se muestra en la Figura 6-1. Figura 6-1 Objetivos de funcionamiento sísmico relacionando el funcionamiento de edificios y los niveles de peligro de terremotos (adaptado de SEAOC, 1995). Al determinar objetivos de funcionamiento para peligros naturales, el asunto más difícil es decidir cuan poco común (o intenso) será el evento esperado. Para el diseño sísmico en los Estado Unidos, este asunto se ha resuelto mediante la adopción de un mapa nacional de peligros de terremoto que 68 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 define el Terremoto Máximo Considerado (MCE, en inglés) y la intensidad del temblor asociado a este evento. 6.2.1 Objetivo de Funcionamiento en Caso de Tsunami En este documento, el evento de tsunami esperado se denomina Tsunami Máximo Considerado (MCT, en inglés). Desafortunadamente no existen mapas nacionales para definir este peligro. Adicionalmente, debido a la complejidad del peligro de tsunami, que debe tomar en consideración las fuentes de tsunami lejanas y cercanas, y la relación incierta entre los eventos del terremoto y el subsiguiente tsunami, no se ha establecido una política firme definiendo la metodología para determinar el Tsunami Máximo Considerado en un nivel de peligro consistente. Los métodos actuales para el avalúo de peligros de tsunami se describen en el Capítulo 3. Las estructuras de desalojo vertical diseñadas de acuerdo a las guías presentadas en este documento deberán proveer un refugio estable al ser sujetas a un evento de tsunami consistente con el Tsunami Máximo Considerado identificado para el área local. Por lo general, el Tsunami Máximo Considerado será un evento poco común pero realista, con grandes consecuencias posibles. En consistencia con la tendencia general de funcionamiento aceptable para cargas “Máximas Consideradas”, el funcionamiento de las estructuras de desalojo vertical en este evento debe incluir la posibilidad de daño significativo mientras se mantiene un refugio confiable y estable. Se espera que la mayoría de las estructuras puedan repararse luego de un evento de gran magnitud, aunque las consideraciones económicas de reparar versus reemplazar serán inciertas, dependiendo de los factores específicos de la situación incluyendo la magnitud del evento, la interacción con la batimetría local, y el diseño y construcción de las facilidades. 6.2.2 El Objetivo de Funcionamiento de Tsunami incluye el potencial de daño significativo mientras mantiene un refugio confiable y estable sujeto al Tsunami Máximo Considerado. Se espera que la mayoría de las estructuras se puedan reparar, aunque la viabilidad económica sea incierta. Objetivos de Funcionamiento Sísmico y Eólico El objetivo de funcionamiento de las estructuras de desalojo vertical sujetas a peligros sísmicos y eólicos debe ser consistente con el definido en el código de facilidades esenciales como hospitales, estaciones de policía y bomberos, y centros operacionales de emergencias. Siguiendo el método prescrito en el Código Internacional de Construcción, las estructuras de desalojo vertical están asignadas a la Categoría de Ocupación IV, presentando requisitos de diseño que provean funcionamiento extendido relativo a edificios típicos de ocupación normal. FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 69 Los Objetivos de Funcionamiento Sísmico y Eólico son consistentes con el funcionamiento definido por los códigos sobre facilidades esenciales como hospitales, estaciones de policía y bomberos, y centros operacionales de emergencias. En el caso específico de los terremotos, el diseño de funcionamiento extendido es necesario para asegurar que la estructura sea útil en el caso de un tsunami luego del evento sísmico local. Para obtener un nivel más alto de confianza en que la estructura de desalojo vertical logre un funcionamiento extendido, el diseño desarrollado en base a las directrices de los códigos actuales puede ser evaluado utilizando las técnicas de diseño sísmico y de análisis de verificación basadas en el funcionamiento. Usando el método de ASCE/SEI 41-06, el objetivo de funcionamiento para facilidades esenciales definidas en los códigos sería de Ocupación Inmediata bajo el Terremoto Base de Diseño (DBE, en inglés) y de Seguridad de Vida en base al Terremoto Máximo Considerado (MCE). 6.3 Cargas Sísmicas y de Terremotos La base recomendada para el diseño sísmico de estructuras de desalojo vertical es el Código Internacional de Construcción, que hace referencia a ASCE/SEI 7-05 Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras. Estos requisitos se basan en las Provisiones Recomendadas para Regulaciones Sísmicas de Edificios Nuevos y Otras Estructuras de Programa Nacional de Reducción de Peligros de Terremotos, o NEHRP por sus siglas en inglés (FEMA, 2004a) e información adicional proveída en el Comentario (FEMA, 2004b). Las estructuras de desalojo vertical deben ser diseñadas utilizando las reglas para edificios de Categoría de Ocupación IV. La base recomendad para la evaluación y rehabilitación sísmica de edificios existentes que son considerados para usarse como estructuras de desalojo vertical es el Estándar ASCE/SEI 31-03 Evaluación Sísmica de Edificios Existentes (ASCE 2003b), usando el objetivo de funcionamiento de Ocupación Inmediata, y el Estándar ASCE/SEI 41-06 Rehabilitación Sísmica de Edificios Existentes, y utilizando los objetivos de funcionamiento especificados en la Sección 6.2.2. 6.3.1 Una estructura de desalojo vertical localizada en una región susceptible a tsunamis de origen cercano tiene la posibilidad de experimentar temblores fuertes inmediatamente previos al tsunami. 70 Tsunamis de Origen Cercano Una estructura de desalojo vertical localizada en una región susceptible a tsunamis de origen cercano tiene la posibilidad de experimentar temblores fuertes inmediatamente previos al tsunami. Como una estructura esencial debidamente diseñada, se espera que se provea suficiente capacidad de reserva para resistir los efectos de las cargas de tsunami. La capacidad de reserva de la estructura, la cual debe ser una fracción de la original, debe ser evaluada. Se recomienda que se utilice la condición de la estructura luego del Terremoto Base de Diseño (DBE) para determinar su suficiencia frente a las cargas de tsunami. Si resultan inadecuadas, el diseño necesitaría modificarse para considerar los efectos de tsunami. Para las áreas sujetas a 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 tsunamis de origen cercano, esta condición de carga secuencial controlará claramente el diseño de la estructura. Para asegurar la fortaleza y ductilidad de la estructura para resistir los efectos de cargas de tsunamis, debe asignársele como mínimo la Categoría de Diseño Sísmico D, como se define en ASCE/SEI 7-05. También se espera que una estructura esencial tenga un funcionamiento mejorado de los componentes no estructurales incluyendo techos, paredes, lámparas, rociadores de fuego, y otros sistemas. Para que los desalojados se sientan cómodos al entrar a una estructura de desalojo vertical luego de un terremoto, y que se mantengan en la estructura durante las posibles réplicas, es importante que se limite el daño visible a los componentes estructurales y no estructurales. Debe dársele atención especial a los componentes no estructurales en las escaleras, rampas, y entradas que proveen acceso y circulación vertical dentro de la estructura. 6.3.2 Tsunamis de Origen Lejano Aunque las estructuras de desalojo vertical pueden no experimentar los temblores asociados directamente con un tsunami de origen lejano, el diseño sísmico debe incluirse como se dicta por el peligro sísmico presente en el lugar. Sin embargo, aun en regiones de sismicidad baja se recomienda que, como mínimo, se le asigne a la estructura la Categoría de Diseño Sísmico D, para asegurar la fortaleza y ductilidad adecuada para resistir los efectos de las cargas de tsunami. 6.4 Cargas Eólicas La base recomendada para el diseño eólico de estructuras de desalojo vertical es el Código Internacional de Construcción, que hace referencia al ASCE/SEI 7-05 Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras, para la mayoría de sus requisitos eólicos. En muchos lugares afectados por riesgos de tsunami, las cargas sísmicas tomarán precedencia sobre las cargas eólicas, pero esto no es necesariamente cierto para todas las regiones. En lugares donde las cargas eólicas controlen el diseño de la estructura, debe considerarse el uso de detalles sísmicos en los componentes estructurales. Se recomienda que, como mínimo, se le asigne la Categoría de Diseño Sísmico D para asegurar la fortaleza y ductilidad para resistir los efectos de las cargas de tsunami. 6.5 Cargas de Tsunami FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 71 Los Efectos de Cargas de Tsunami incluyen: (1) fuerzas hidrostáticas; (2) fuerzas boyantes; (3) fuerzas hidrodinámicas; (4) fuerzas de impulso; (5) fuerzas de impacto de escombros; (6) fuerzas de formación de diques por escombros; (7) fuerzas de levantamiento; y (8) cargas gravitacionales adicionales de agua retenida en pisos superiores. Los siguientes efectos de cargas de tsunami deben considerarse para el diseño de estructuras de desalojo vertical: (1) fuerzas hidrostáticas; (2) fuerzas boyantes; (3) fuerzas hidrodinámicas; (4) fuerzas de impulso; (5) fuerzas de impacto de escombros; (6) fuerzas de formación de diques por escombros; (7) fuerzas de levantamiento; y (8) cargas gravitacionales adicionales de agua retenida en pisos superiores. En este documento no se consideran las fuerzas de rompimiento de olas para el diseño de estructuras de desalojo vertical. Por lo general, los tsunamis rompen lejos de la orilla, y las estructuras de desalojo vertical deben localizarse a una distancia prudente de orilla. El término “rompimiento de olas” se define aquí como una ola de hundimiento cuyo frente se vuelca completamente. Cuando una ola rompe de esta manera, el frente de la ola es casi vertical, generando una presión extremadamente alta en un lapso de tiempo extremadamente corto. Una vez la ola de tsunami rompe, se puede considerar como macareo por su longitud. En Yeh (2008) se puede encontrar más justificación para no considerar las fuerzas de rompimiento de olas. Las fuerzas de rompimiento de olas podrían resultar críticas para las estructuras de desalojo vertical localizadas en la zona de rompimiento de olas, lo cual está fuera del alcance de este documento. Si se determina que la estructura debe localizarse en la zona de rompimiento de olas, debe consultarse el ASCE/SEI 7-05 Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras y el Manual de Ingeniería Costera, EM 1110-2-1100, (Centro de Investigación de Ingeniería Costera del Ejército de los Estados Unidos, 2002). 6.5.1 Suposiciones Claves para Estimar los Efectos de Carga de Tsunami Los efectos de carga de tsunami se determinan utilizando las siguientes suposiciones: 72 • Los flujos de tsunami consisten de una mezcla de sedimento y agua de mar. La mayor parte del flujo de transporte del sedimento suspendido no excede una concentración del 10%. Basado en la suposición de una concentración vertical de sedimento por volumen de 10% en agua de mar, la densidad del flujo de tsunami debe ser 1.2 veces la densidad de agua dulce, o ρs = 1,200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3. • Existe variabilidad significativa en la altura del alcance de un tsunami local, basada en la batimetría local y los efectos topográficos, e incertidumbre en las simulaciones numéricas de inundación de tsunami. Basado en el juicio empírico de la información de estudio de tsunami existente, se recomienda que la elevación del alcance de diseño, R, se 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 tome como 1.3 veces el alcance máximo pronosticado, R*, para cubrir la variabilidad potencial. • Debido a las incertidumbres del modelaje de inundaciones de tsunami, los parámetros de diseño (Ej. velocidad de flujo, profundidad, y flujo de momento) derivados de las simulaciones numéricas no deben tomarse como menos del 80% de los valores obtenidos en la soluciones analíticas descritas en el Anejo E, y proveídas en la Ecuación 6-6, la Ecuación 6-9, y la Figura 6-7. 6.5.2 Fuerzas Hidrostáticas Las fuerzas hidrostáticas ocurren cuando aguas quietas o de poco movimiento se encuentran con una estructura o un componente estructural. Esta fuerza siempre actúa perpendicular a la superficie del componente de interés. La fuerza es causada por un desbalance en la presión debido a la diferencia en los niveles de agua en lados opuestos de la estructura o componente estructural. Las fuerzas hidrostáticas pueden no ser relevantes en estructuras de ancho limitado (Ej. relativamente corto), alrededor de las cuales el agua puede fluir y llenar en todos los lados. Las fuerzas hidrostáticas usualmente son importantes para estructuras largas como paredes marinas y diques, o para la evaluación de un panel de muro individual donde el nivel de agua en un lado difiere sustancialmente del otro. Las fuerzas hidrostáticas y boyantes deben ser calculadas cuando el primer nivel de un edificio es a prueba de agua, o está lo suficientemente aislado y sellado para prevenir o atrasar la entrada de agua, En este caso, la fuerza hidrostática debe ser evaluada para los paneles de muro individuales. La fuerza hidrostática horizontal sobre un panel de muro puede calcularse utilizando la Ecuación 6-1: Fh = pc Aw = 1 2 ρ s gbhmax , 2 (6-1) donde pc es la presión hidrostática, Aw es el área mojada del panel, ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), g es la aceleración gravitacional, b es el ancho del muro, y hmax es la altura máxima del agua sobre la base del muro en el lugar de la estructura. Si el panel de muro con altura hw está completamente sumergido, entonces las fuerza hidrostática horizontal puede escribirse como la Ecuación 6-2: h Fh = pc Aw = ρs g hmax − w b hw 2 FEMA P646 (6-2) 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 73 donde hmax es la diferencia vertical entre la elevación del alcance de tsunami de diseño R y la elevación base del muro de la estructura, zw, como se muestra en la Ecuación 6-3: hmax = 1.3 R * − zw = R − zw (6-3) donde R* es la elevación máxima del alcance de tsunami tomada como la elevación máxima de inundación estimada en la estructura basada en un modelo de simulación numérica detallado, o la elevación del suelo en la penetración máxima del tsunami de los mapas de inundación de tsunami disponibles. La elevación del alcance de diseño R, se toma como 1.3 veces la elevación de alcance máxima pronosticad, R*. El momento alrededor de la base del muro puede evaluarse usando la línea de acción de la fuerza hidrostática resultante, como se muestra en la Figura 6-2. Figura 6-2 6.5.3 Distribución de la fuerza hidrostática y localización del resultante. Fuerzas Boyantes Las fuerzas boyantes o hidrostáticas verticales actuarán verticalmente a través del centroide del volumen desplazado en una estructura o componente estructural sujeto a sumersión parcial o total. La fuerza boyante total es igual al peso del agua desplazada. Las fuerzas boyantes sobre los componentes deben ser resistidas por el peso del componente y cualquier fuerza opuesta que resista la flotación. Las fuerzas boyantes son de importancia en estructuras que tienen poca resistencia la las fuerzas ascendentes (Ej. edificios livianos de armazón de madera, sótanos, tanques vacíos sobre y bajo terreno, piscinas, componentes diseñados para cargas de gravedad). Para una estructura a prueba de agua, la fuerza boyante total es dad por la Ecuación 6-4: 74 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 Fb = ρ s gV (6-4) donde ρs es la densidad del líquido incluyendo en sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), y V es el volumen del agua desplazada por el edificio, por ejemplo, el volumen bajo el nivel de hmax como determinado en la Ecuación 6-3. Las fuerzas boyantes sobre el edificio complete se muestran en la Ecuación 6-3. Si el peso del edificio no es suficiente para resistir la fuerzas boyantes, pueden usarse pilotes de tensión para aumentar la resistencia a flotación, pero debe considerarse la reducción en la fricción de los pilotes debido a la socavación anticipada alrededor del tope de éstos. Building Weight DESIGN RUNUP HEIGHT Total Displaced Volume, V h max Fb Pile Tension Figura 6-3 6.5.4 R DATUM Fuerzas boyantes sobre edificio con niveles bajos a prueba de agua. Fuerzas Hidrodinámicas Cuando el agua fluye alrededor de una estructura, las fuerzas hidrodinámicas se aplican sobre ésta y sobre sus componentes estructurales individuales. Estas fuerzas son provocadas por el flujo del agua moviéndose a velocidades moderadas o rápidas, y son una función de la densidad del fluido, la velocidad de flujo, y la geometría de la estructura. También conocidas como fuerzas de arrastre, son una combinación de las fuerzas laterales causadas por las fuerzas de presión de la masa de agua en movimiento y las fuerzas de fricción generadas al agua fluir alrededor de la estructura o componente. Las fuerzas hidrodinámicas pueden ser calculadas usando la Ecuación 6-5: Fd = FEMA P646 1 ρ sCd B(hu2 )max 2 (6-5) 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 75 donde ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), Cd es el coeficiente de arrastre, B es el ancho de la estructura en el plano normal a la dirección del flujo (Ej. el ancho en la dirección paralela a la costa), h es la profundidad del flujo, y u es la velocidad del flujo en el lugar de la estructura. Para fuerzas sobre componentes, B se toma como el ancho del componente. Se recomienda que el coeficiente de arrastre se tome como Cd = 2.0. La fuerza hidrodinámica resultante se aplica aproximadamente en el centroide de la superficie mojada del componente, como se muestra en la Figura 6-4. Figura 6-4 Distribución de la fuerza hidrodinámica y localización del resultante. La combinación h u2 representa el flujo de momento por unidad de masa. Nótese que (h u2)max no es igual a hmax u2max. La profundidad máxima del flujo hmax, y la velocidad máxima del flujo umax, en un lugar en particular, pueden no ser simultáneas. Las fuerzas hidrodinámicas deben basarse en el parámetro (h u2)max, el cual es el flujo de momento máximo por unidad de masa que ocurre en el lugar en cualquier momento durante el tsunami. El valor máximo de (h u2) puede obtenerse mediante un modelo de simulación numérica detallada o adquiriendo información de simulaciones existentes. El modelo numérico en la zona de alcance debe aplicarse con un tamaño de gráfica muy fino para asegurar la exactitud adecuada en el pronóstico de h u2. El valor de (h u2)max puede estimarse ampliamente usando la Ecuación 6-6 ( 76 h u2 ) max = g R 2 0.125 − 0.235 z R z R + 0.11 2 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño (6-6) FEMA P646 donde g es la aceleración por gravedad, R es la elevación del alcance de diseño, y z es la elevación del suelo en la base de la estructura. La elevación del alcance de diseño se toma como 1.3 veces la elevación máxima del alcance R*, la cual es la elevación máxima de inundación en la estructura basada en un modelo de simulación numérica detallado, o en la elevación del suelo en la penetración máxima del alcance en los mapas de inundación de tsunamis disponibles. Para usar esta fórmula, la información del nivel del mar debe ser consistente con la utilizada en los mapas de inundación. Las bases de la Ecuación 6-6 se describen en el Anejo E. Aunque la solución analítica está basada en una teoría de aguas poco profundas, unidimensional no linear, para una playa de inclinación uniforme, sin ninguna variación topográfica lateral ni fricción, el valor máximo de (h u2) obtenido de la Ecuación 6-6 puede usarse para: (1) diseño preliminar; (2) diseño aproximado a falta de otra información de modelaje; y (3) para evaluar cuan razonables son los resultados de la simulación numérica. R* y z pueden obtenerse de loa mapas de inundación de tsunamis. Debido a las incertidumbres en el modelaje de las inundaciones de tsunamis, los valores numéricos pronosticados de (h u2) no deben tomarse a menos del 80% de los valores calculados con la Ecuación 6-6. 6.5.5 Fuerzas Impulsivas Las fuerzas impulsivas son causadas por el filo frontal de una marejada al impactar una estructura. Ramsden (1993) llevó a cabo experimentos comprehensivos sobre las fuerzas impulsivas. Los datos de laboratorio no muestran ninguna fuerza significativa de impacto inicial (fuerza impulsiva) en marejadas sobre terreno seco, pero un se observa un rebasamiento de fuerzas en las olas de macareo que ocurren en áreas que ya están inundadas. El rebasamiento máximo es de aproximadamente 1.5 veces la fuerza hidrodinámica subsiguiente, en consistencia con los datos de laboratorio independientes obtenidos por Arnason (2005). Dado que el momento de impacto aumenta con el golpe súbito del frente de una ola de macareo (Yeh, 2007), la falta de rebasamiento en marejadas de terreno seco puede atribuirse a la inclinación relativamente moderada del perfil frontal de la superficie del agua. Si la zona de alcance ha sido inundada por una ola de tsunami anterior, las olas subsiguientes podrían impactar los edificios en forma de una ola de macareo. Dado que las cargas de la ola de macareo subsiguiente son mayores que el impacto de la marejada inicial sobre terreno seco, estas marejadas pueden no ser críticas. FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 77 De manera conservadora, se recomienda que las fuerzas impulsivas se tomen como 1.5 veces la fuerza hidrodinámica, como se muestra en la Ecuación 6-7: Fs = 1.5Fd (6-7) Las fuerzas impulsivas actuarán sobre los componentes estructurales en el filo frontal de la ola de macareo del tsunami, mientras que las fuerzas hidrodinámicas actuarán sobre los componentes que ya han sido impactados por el filo inicial, como demuestra la Figura 6-5. DESIGN RUNUP HEIGHT Fd,c2 Fs,c2 Fd,b2 Fs,b2 hmax R Fs,c1 Fd,c1 z DATUM Fs,c1 Fd,c1 - Impulsive forces on columns and beams at leading edge of bore - Drag forces on columns and beams behind leading edge of bore c1 and c2 - Columns at first and second levels. b2 - Beams at second level Figura 6-5 6.5.6 Fuerzas hidrodinámicas y de arrastre sobre los componentes de un edificio inundado por el macareo de un tsunami. Fuerzas de Impacto por Escombros Las fuerzas de impacto por escombros en el agua (Ej. madera flotante, troncos, botes, contenedores de carga, automóviles, edificios) pueden ser una causa dominante de daños a edificios. Desafortunadamente, es difícil estimar estas fuerzas con exactitud. La información de trasfondo acerca del desarrollo de los cálculos de fuerzas de impacto recomendados se provee en el Anejo D. La fuerza de impacto de los escombros puede estimarse usando la Ecuación 6-8: Fi = Cm umax km (6-8) Donde Cm es el coeficiente de masa añadida, umax la velocidad máxima del flujo que lleva escombros al lugar, y m y k son la masa y la rigidez efectiva de los escombros, respectivamente. Se recomienda que el coeficiente de 78 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 masa añadida se tome como Cm = 2.0. A diferencia de otras fuerzas, se presume que las fuerzas de impacto actúan localmente sobre un elemento de la estructura a la altura de la superficie del agua, como muestra la Figura 6-6. d W D ESIG N RU NUP HEIG HT Fi R z Figura 6-6 D ATUM Fuerza de impacto de escombros en el agua. Las fuerzas de impacto por escombros deben evaluarse considerando la localización de la estructura de desalojo vertical y los escombros potenciales en los alrededores. Por ejemplo, es probable que los escombros flotantes consistan primordialmente de maderas, troncos, y pilotes de muelles para pueblos más costeros, mientras que para áreas portuarias grandes, los escombros pueden ser contenedores de carga. Lugares cerca de marinas para yates o bahías pesqueras deben considerar el impacto de los botes que rompan sus amarres. El uso de la Ecuación 6-8 requiere las propiedades de masa y rigidez de los escombros. Los valores aproximados para m y k sobre escombros comunes en el agua están en la Tabla 6-1. Las propiedades de masa y rigidez para otros tipos de escombros deben derivarse o estimarse como parte del proceso de diseño. Tabla Tabla 6-1 Propiedades de Masa y Rigidez de Escombros Comunes en el Agua Escombro Masa (m) in kg Rigidez efectiva (k) en N/m Maderas o troncos 450 2.4 x 10 6 Contenedor de carga estándar de 40 pies 3800 (vacío) 6.5x10 8 Contenedor de carga estándar de 20 pies 2200 (vacío) 1.5x10 9 Contenedor de carga pesado de 40 pies 2400 (vacío) 1.7x10 9 La magnitud de la fuerza de impacto por escombros depende de la masa y la velocidad. Los escombros más pequeños y livianos con poco o ningún FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 79 calado viajan a velocidades más altas que los escombros más grandes y pesados que requieren más profundidad para flotar. El uso de la velocidad máxima de flujo sin considerar la profundidad requerida para que los escombros grandes floten sería innecesariamente conservador. La velocidad máxima de flujo apropiada umax para una profundidad de flujo dada puede obtenerse mediante una simulación numérica detallada o adquiriendo información de simulaciones existentes. Debe notarse, sin embargo, que las predicciones numéricas de velocidades de flujo son menos exactas que las predicciones de profundidad de inundación, y que el tamaño de gráfica para las simulaciones numéricas en la zona de alcance de tsunami debe ser muy fino para poder obtener suficiente exactitud en las predicciones de velocidad. Cuando no hay disponible un modelo de simulación numérica apropiado, la velocidad máxima del flujo que lleva madera o troncos (esencialmente sin calado) puede estimarse utilizando la solución analítica para el alcance de tsunami en una playa inclinada uniformemente sin ninguna variación topográfica, dada por la Ecuación 6-9: umax = z 2 g R 1 − . R (6-9) donde g es la aceleración por gravedad, R es la altura del alcance de diseño, que es 1.3 veces la elevación del suelo R* en la penetración máxima del tsunami, y z es la elevación del suelo en la estructura (el datum debe ser al nivel del mar). La información de trasfondo sobre el desarrollo de esta ecuación está en el Anejo E. Para un contenedor de carga u otro escombro similar con un calado d, la razón del calado d a la altura máxima del alcance R puede calcularse, y la Figura 6-7 puede utilizarse para estimar la velocidad máxima de flujo. El calado d puede estimarse usando la Ecuación 6-10: d= W ρs g A f (6-10) donde W es el peso del escombro, ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), g es la aceleración por gravedad, y Af es el área paralela a la superficie del agua, como el producto d × Af representa el volumen de agua desplazado por los escombros. 80 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 Figura 6-7 Velocidad máxima de flujo de profundidad, d, a la elevación del suelo, z, y la elevación máxima de alcance, R. La curva inferior representa el límite más bajo de la velocidad máxima de flujo. Basado en la curva apropiada para d/R, y la razón entre la elevación de la estructura relativa a la elevación del alcance de diseño (z/R), la Figura 6-7 proveerá un estimado para la velocidad máxima de flujo. Debe entenderse que la Figura 6-7 está basada en una solución analítica para un alcance de tsunami en una playa de inclinación uniforme, sin variación topográfica lateral, y sin fricción. Los valores calculados pueden diferir de las velocidades reales, así que debe considerarse la evaluación y juicio de ingeniería adicional. La información de trasfondo sobre el desarrollo de la Figura 6-7 se encuentra en el Anejo E. Cuando se utilizan modelos numéricos para determinar la velocidad máxima de flujo, umax, los valores no deben tomarse a menos del 80% de los valores analíticos predichos al usar la Ecuación 6-9 o la Figura 6-7. 6.5.7 Formación de Diques por Escombros en el Agua La formación de diques por la acumulación de escombros en el agua puede ser tratada como una fuerza hidrodinámica aumentada por el ancho del dique contra el frente de la estructura. La Ecuación 6-11 es una modificación de la Ecuación 6-5 para incluir el ancho del dique de escombros: Fdm = 1 ρs Cd Bd (hu 2 )max 2 (6-11) donde ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), Cd es en coeficiente de arrastre, Bd es el ancho del dique de FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 81 escombros, h es ;a profundidad del flujo, y u es la velocidad de flujo en el lugar de la estructura. Se recomienda que el coeficiente de arrastre se tome como Cd = 2.0. El flujo de momento (h u2)max puede obtenerse mediante un modelo de simulación numérica detallado, adquiriendo información existente de simulaciones, o estimado utilizando la Ecuación 6-6. Los valores de (h u2) obtenidos de simulación numérica no deben tomarse a menos del 80% de los valores calculados con la Ecuación 6-6. Dado que la formación de diques representa la acumulación de escombros a través del marco estructural, la fuerza de formación de diques toral será probablemente resistida por varios componentes estructurales, dependiendo de las dimensiones del armazón y del tamaño del dique formado. Se debe presumir que la fuerza del dique de escombros, Fdm, actuará como una carga uniformemente distribuida a lo largo del dique de escombros. Esta fuerza debe asignársele a cada componente estructural resistente por un ancho tributario apropiado, y distribuida uniformemente sobre la altura sumergida de cada componente resistente. Se recomienda un ancho de dique de escombros mínimo de Bd = 40 pies (o 12 m), representando un contenedor de carga de lado o una masa de madera flotante. Los efectos de la formación de diques deben evaluarse en varios lugares de la estructura para determinar el más crítico. 6.5.8 Fuerzas de Levantamiento en Pisos Elevados Las fuerzas de levantamiento serán aplicadas a los pesos de un edificio que estén sumergidos por la inundación de tsunami. En adición al diseño estándar para cargas de gravedad, estos pesos deben estar diseñados para resistir las fuerzas de levantamiento debidas a la flotación y las fuerzas hidrodinámicas. Al calcular las fuerzas boyantes sobre una plancha de piso, debe considerarse el posible aumento en la flotación debido al volumen de agua desplazado por el aire atrapado bajo el sistema de enmarcado del piso. Además, los muros exteriores en el nivel superior excluirán el agua hasta que la presión hidrostática aplicada exceda su resistencia lateral. Esto puede aumentar significativamente el volumen de agua desplazada, contribuyendo a la flotación, como demuestra la Figura 6-8. La fuerza boyante ascendente total ejercida sobre un sistema de piso puede estimarse mediante la Ecuación 6-12: Fb = ρ s g A f hb 82 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño (6-12) FEMA P646 donde ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), g es la aceleración por gravedad, Af es el área del panel de piso o el componente de enmarcado, y hb es la altura del agua desplazada por el piso (incluyendo el aire potencial atrapado). El valor de hmax indicado en la Figura 6-8 debe determinarse utilizando la Ecuación 6-3. La fuerza boyante ascendente por unidad de area siobre el sistema de piso puede estimarse usando la Ecuación 6-13: fb = ρ s ghb (6-13) hb F b h m ax u A f = B xL hs α Figura 6-8 Un boceto de definición para la fuerza boyante ascendente ejercida sobre un piso elevado. Las fuerzas hidrodinámicas también pueden actuar verticalmente sobre las planchas de piso. Durante una inundación rápida, las aguas ascendentes aplicarán fuerzas de levantamiento al sofito de los componentes estructurales horizontales, añadiendo levantamiento boyante. La presencia de muros estructurales y columnas en un edificio obstruirá el paso del flujo del tsunami a través de este, y experimentos recientes han demostrado que esto puede resultar en fuerzas de levantamiento significativas en las planchas de piso localizadas frente a la obstrucción. Se recomienda que el arreglo estructural del edificio se diseñe para minimizar la obstrucción al flujo de tsunami a través de los niveles bajos. Hasta que estén disponibles nuevos resultados investigativos, la fuerza de levantamiento total debe estimarse usando la Ecuación 6-14: Fu = 1 Cu ρs A f uv2 2 (6-14) donde Cu es un coeficiente (tomado como3.0), ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento(1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), Af es el area del panel de piso o del componente de enmarcado, y uv es la velocidad vertical FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 83 estimada del levantamiento del agua (adaptada del Instituto Americano De Petróleo, 1993). El levantamiento hidrodinámico por unidad de área puede determinarse de la Ecuación 6-15: fu = 1 Cu ρs uv2 2 (6-15) A menos que se lleve a cabo un studio hidrodinámico detallado, el valor de uv para la condición del terreno inclinado bajo el edificio puede estimarse con la Ecuación 6-16: uv = u tan α (6-16) donde u es la velocidad horizontal de flujo correspondiente a la profundidad del agua, hs es igual a la elevación del sofito de el sistema de pisos, y α es el grado promedio de la pendiente en el lugar, como muestra la Figura 6-8. Usar la velocidad máxima horizontal de flujo, umax, en la Ecuación 6-15 sería innecesariamente conservador dado a que puede no corresponder a una profundidad de flujo igual a la elevación del sofito. La velocidad máxima horizontal u en la Ecuación 6-16 también puede estimarse usando la Figura 6-7 mediante el reemplazo de d/R con hs/R. 6.5.9 Cargas Gravitacionales Adicionales en Pisos Elevados Durante su retiro, el agua retenida en los pesos elevados, como muestra la figura 6-9, aplicará cargas de gravedad adicionales que pueden exceder las cargas de diseño originales del sistema de pisos. :a profundidad del agua retenida, hr, dependerá de la profundidad máxima de inundación en el lugar, hmax, y la fortaleza del sistema de muros en el piso elevado. Debe presumirse que el sistema de muros exterior será comprometido en algún momento lo que permitirá que el agua inunde los niveles sumergidos. Debido a la rápida velocidad del retiro del agua, es posible que mucha de esta se retenga en los niveles superiores (al menos temporalmente) resultando en una carga gravitacional adicional sobre el sistema de pisos. La máxima carga de retiro potencial por unidad de área, fr, puede estimarse con la Ecuación 6-17: fr = ρ s ghr (6-17) donde ρs es la densidad del líquido incluyendo el sedimento (1200 kg/m3 = 2.33 slugs/ft3), g es la aceleración por gravedad, y hr es la profundidad máxima potencial del agua retenida en el nivel superior usando la Ecuación 6-18: 84 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 hr = hmax − h1 ≤ hbw (6-18) donde hmax es el nivel de inundación máximo pronosticado para el área, h1 es la elevación del piso sobre la pendiente, y hbw es la profundidad máxima del agua que puede ser retenida antes de que ocurra una falla en el muro causa de la presión hidrostática interna. Para pesos elevados sin muros (como una estructura de estacionamiento con barandas abiertas) el agua puede permanecer en los pisos superiores hasta que tenga tiempo de drenar fuera de la estructura. Deben proveerse sistemas de drenaje para asegurar que el peso del agua retenida no exceda la carga para la cual fue diseñado el piso. hr Fr h max h1 u Figura 6-9 6.6 Cargas de gravedad ejercidas sobre un piso elevado con agua retenida por los muros exteriores durante el retiro rápido del agua. Combinación de Fuerzas de Tsunami No todos los efectos de cargas de tsunami ocurrirán simultáneamente, no todos afectarán un solo componente estructural a la misma vez. Esta sección describe las combinaciones de fuerzas de tsunami que deben considerarse para la estructura completa y para componentes estructurales individuales. Otras posibles combinaciones deben considerarse al ser necesarias, basadas en la localización particular, y en el diseño de la estructura en consideración. 6.6.1 Combinación de Fuerzas de Tsunami en la Estructura Completa Las fuerzas de tsunami sobre la estructura completa se combinan de la siguiente manera: FEMA P646 No todos los efectos de cargas de tsunami ocurrirán simultáneamente, no todos afectarán un solo componente estructural a la misma vez. 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 85 86 • El levantamiento debido a la flotación, Fb, y el levantamiento hidrodinámico, Fu, tiene el efecto de reducir el peso total de una estructura, lo que puede impactar la resistencia opuesta. La flotación y el levantamiento apropiados para el nivel de inundación de diseño debe considerarse en todas la combinaciones de carga. • Las fuerzas de impulso, Fs, son cargas de corta duración causadas por el filo frontal de una marejada incide sobre una estructura. Al pasar la marejada a través de la estructura, la fuerzas de impulso se le aplicarán a todos los componentes de manera secuencial, no simultánea. Una vez que el filo frontal de la marejada pase un componente estructural, este ya no experimentará fuerzas de impulso, sino una fuerza de hidrodinámica de arrastre sostenida, Fd. La fuerza hidrodinámica horizontal total sobre una estructura será entonces una combinación de las fuerzas de impulso sobre los componentes en el filo frontal de la marejada, y fuerzas de arrastre en todos los componentes previamente sumergidos detrás del filo frontal. La Figura 6-10 demuestra como esta combinación aplicaría a un edificio de múltiples columnas y muros cortantes. La carga lateral de peor caso posiblemente ocurra cuando el filo frontal de la marejada alcance los últimos componentes del armazón del edificio. • Las fuerzas de impacto por escombros, Fi, son cargas de corta duración causadas por el impacto de objetos flotantes de gran tamaño contra componentes estructurales individuales. Dado a que los objetos flotantes no son cargados por el filo frontal de la marejada, el efecto del impacto de los escombros se combina con las fuerzas hidrodinámicas de arrastre, Fs. Aunque muchos objetos flotantes pueden impactar un edificio durante un evento de tsunami, la probabilidad de dos o más impactos simultáneos se considera pequeña. Entonces, solo debe considerarse la ocurrencia de un impacto en cualquier momento. Ambos, los components estructurales individuales, y la estructura completa deben estar diseñados para resistir la fuerza de impacto en combinación con otras cargas (excepto fuerzas de impulso). • La formación de diques por escombros tiene el efecto de aumentar el área expuesta a cargas hidrodinámicas. La fuerza de la formación de diques, Fdm, debe considerarse que actúa sobre el lugar más perjudicial de la estructura, mientras que las fuerzas hidrodinámicas actúan sobre los otros componentes de la estructura. La Figura 6-11 muestra los lugares típicos donde ocurre la formación de diques que deben considerarse junto a las fuerzas de arrastre en los otros componentes estructurales sumergidos. Es conservador ignorar cualquier tipo de 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 protección que el dique de escombros provea para los componentes corriente abajo. Figura 6-10 Fuerzas impulsivas y de arrastre aplicadas a un edificio de ejemplo. Figura 6-11 Fuerzas de dique por escombros y de arrastre aplicadas a un edificio de ejemplo. FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 87 • Los muros separables no son parte del soporte estructural del edificio, y tienen el propósito, mediante su diseño y construcción, de fallar bajo cargas laterales específicas. Si los muros rellenos de los niveles inferiores se diseñan como muros separables, la carga lateral máxima será la carga en la cual el muro “falle, al igual que los componentes estructurales que aguantan estos muros deben estar diseñados para resistir esta carga de fallo. En el Capítulo 7 se ofrecen guías sobre el diseño de muros separables. • El diseño de sistemas de pisos resistentes a los posibles efectos del agua retenida, Fr, puede llevarse a cabo independientemente de las cargas laterales sobre la estructura. 6.6.2 Combinación de Fuerzas de Tsunami en Componentes Individuales de la Estructura Las fuerzas de tsunami se combinan sobre componentes estructurales individuales (Ej. columnas, muros, y vigas), de la siguiente forma: • La fuerza de impulso, Fs, debido al filo frontal de la marejada de tsunami, para h u2 máximo. • Fuerza hidrodinámica de arrastre, Fd, más impacto de escombros, Fi, en el lugar más crítico del componente, para h u2 máximo. • La formación de diques por escombros, Fdm, debido a un dique de escombros de al menos 40 pies de ancho causando la peor carga posible sobre un componente, para h u2 máximo. • Presión hidrostática, Fh, sobre muros que rodean áreas a prueba de agua en la estructura, para h máximo. Para el levantamiento de componentes de enmarcado de pisos, deben considerarse las siguientes combinaciones: 88 • Flotación, Fb, de componentes de enmarcado de pisos sumergidos incluyendo los efectos del aire atrapado, y de vigas o muros volcados para h máximo. • Levantamiento hidrodinámico, Fu, debido al alza rápida del agua, para una velocidad de flujo a una profundidad igual a; sofito del sistema de pisos, hs. • Caso de levantamiento máximo: La más grande de las cargas mencionadas arriba combinada con una carga inerte de 90% y cero carga viva sobre el sistema de pisos, para el diseño resistente a fallas de levantamiento de planchas de pisos, vigas, y conexiones. 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 Para cargas descendentes sobre componentes de enmarcado de pesos debidas al agua retenida, debe considerarse la siguiente combinación de fuerzas: • 6.7 Carga descendente debida al agua retenida por muros exteriores, fr, combinada con una carga inerte de 100%. Combinaciones de carga Las combinaciones de cargas de tsunami aquí presentadas están basadas en las guías contenidas en el Comentario de ASCE/SEI 7-05 Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras (ASCE, 2006b), pero son diferentes a las usadas en los códigos de construcción modelo o el Estándar de ASCE/SEI 7-05. Han sido revisadas en el desarrollo de este documento, pero no han sido estudiadas exhaustivamente. Deben ser consideradas en adición a todas las otras combinaciones de cargas provistas por el código de construcción en efecto, o la Sección 2 de ASCE/SEI 7-05. Las combinaciones de cargas de tsunami deben considerarse en adición a todas las otras combinaciones de cargas provistas por el código de construcción en efecto, o la Sección 2 de ASCE/SEI 7-05. Las fuerzas de tsunami que actuarán sobre la estructura completa y sobre componentes estructurales individuales deben calcularse de acuerdo a la Secciones 6.5 y 6.6. Las fuerzas de miembro resultantes (Ts) deben entonces combinarse con los efectos de carga gravitacional usando las siguientes Combinaciones de Cargas de Diseño de Fuerza: Combinación de Carga 1: 1.2D + 1.0Ts + 1.0LREF + 0.25L Combinación de Carga 2: 0.9D + 1.0Ts donde D es el efecto de carga inerte, Ts es el efecto de carga de tsunami, LREF es el efecto de carga viva sobre el área de refugio (carga de agrupación), y L es el efecto de carga viva fuera del área de refugio. Un factor de carga de 1.0 se utiliza en conjunto con la fuerzas de tsunami calculadas de acuerdo con este documento por las siguientes razones: (1) se anticipa que el nivel de peligro de tsunami correspondiente al Tsunami Máximo Considerado será consistente con el periodo de retorno de 2500 años asociado con en Terremoto Máximo Considerado usado en el diseño sísmico; (2) la varianza potencial en las elevaciones del alcance del tsunami se considera explícitamente mediante la aplicación de un aumento de 30% en las elevaciones de alcance utilizadas para el cálculo de fuerzas; y (3) el diseño para fuerzas de tsunami considera solo las respuestas elásticas de los componentes, sin consideración a la respuesta inelástica y los factores reductores de fuerza correspondientes (como utilizados en el diseño sísmico). FEMA P646 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 89 La Combinación de Carga 1 considera que el área de refugio de una estructura de desalojo vertical estará completamente cargada con una carga viva de agrupación (Ej. 100 psf). La carga viva de agrupación representa un límite máximo práctico para la densidad máxima de los desalojados en el área de refugio. En combinación con la inundación de tsunami, se espera que todas las áreas de piso experimenten una carga viva reducida igual al 25% de la carga viva de diseño. Esta carga viva reducida es consistente con las reducciones de carga viva usadas en combinación con las fuerzas de terremoto. Cuando los efectos de las cargas de gravedad están en oposición a los efectos de la carga de tsunami, aplica la Combinación de Carga 2. No se aplica ningún factor de importancia, I, a las cargas de tsunami en este documento. Estas guías de diseño han sido desarrolladas específicamente para las estructuras de desalojo de tsunamis, y la naturaleza crítica de estas estructuras se ha considerado a través del documento. No se considera que las cargas sísmicas actúen en combinación con las cargas de tsunami. Aunque es posible que ocurran réplicas, la probabilidad de que éstas sean equivalentes en tamaño al terremoto de diseño, y que ocurran a mismo tiempo que la inundación máxima de tsunami, es muy baja. 6.8 Las Capacidades de Miembros y los Factores de Reducción de Fortaleza deben aplicarse en el diseño de cargas de tsunami de la misma manera en que se aplican actualmente para el diseño de cargas de terremotos y cargas eólicas Consideraciones de Capacidad de Miembros y Fortaleza de Diseño Las provisiones de código de construcción modelo y los estándares de ingeniería para Fortaleza de Diseño, también conocidos como Diseño de Factor de Carga y Resistencia (LRFD, en inglés), proveen cálculos de capacidad de miembros, específica a los materiales, y factores de reducción de fortaleza para varias acciones de fuerza y componentes estructurales diferentes. Hasta que lo contradiga nueva evidencia, se recomienda que los cálculos de capacidad y los factores de reducción de fortaleza se apliquen en el diseño de cargas de tsunami de la misma manera en que se aplican actualmente para el diseño de cargas de terremotos y cagas eólicas. 6.9 Consideraciones de Colapso Progresivo El reducir la posibilidad para el colapso desproporcionado (Ej. progresivo) debido a la pérdida de uno o más componentes estructurales, aumentará la posibilidad de que una estructura de desalojo vertical se mantenga en pie si una columna es severamente dañada por escombros en el agua. La decisión de incluir consideraciones para el colapso progresivo en el diseño de una estructura en particular dependerá del lugar, y de la naturaleza de los escombros que posiblemente impacten la estructura. Debido a que existe el potencial para daño limitado severo sobre un lugar en específico debido al 90 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 impacto de escombros, se recomienda vehementemente el diseño preventivo para el colapso progresivo. En los Estados Unidos, los métodos primarios de diseño para el colapso progresivo influyen la estrategia de “fuerza de amarre” y la estrategia de “columna ausente.” 6.9.1 Estrategia de Fuerza de Amarre El Departamento de Defensa ha adoptado una estrategia indirecta de fuerza de amarre para trabajar con el potencial de colapso progresivo en el diseño de facilidades utilizando el UFC 4-023-03, Diseño de Edificios para Resistir el Colapso Progresivo (2005). La estrategia de fuerza de amarre se ilustra en la Figura 6-12. Los amarres de tensión en estructuras de concreto reforzado típicamente consisten en refuerzos de acero continuo en vigas, columnas, losas, y muros, como muestra la Figura 6-13. El refuerzo requerido para los amarres de tensión puede proveerse, total o parcialmente, mediante aceros ya medidos para resistir otras acciones, como el corte o la flexión mecánica. En muchos casos, la cantidad de acero provista para resistir las fuerzas gravitacionales y laterales para estructuras típicas de concreto reforzado es suficiente para desarrollar las fuerzas de amarre necesarias. Figura 6-12 FEMA P646 Estrategia de fuerza de amarre. 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 91 Región de Momento Neg. Región de Momento Pos. Columna Ausente Figura 6-13 Estribos espaciados cerca aumentan la ductilidad Acero Continuo Provee Momento Positivo Detallado de acero reforzante para pérdida potencial de una columna de soporte. Es razonable corroborar la conformidad de la fuerza de amarre luego de que la estructura es diseñada para cargas gravitacionales y laterales. Los amarres deben estar empalmados y anclados correctamente de manera que desarrollen toda su capacidad y funcionen como anticipado. El acero de refuerzo utilizado como amarres de tensión debe tener empalmes traslapados, soldados, o unidos mecánicamente (Tipo 1 y Tipo 2) de acuerdo a ACI 318, Requisitos de Código de Construcción para Concreto Estructural (ACI, 2005). Los empalmes deben escalonarse y localizarse lejos de uniones y regiones de alta tensión. El anclaje es crítico para el funcionamiento de los amarres, particularmente en casos donde el plano del edificio puede ser atípico. El detalle sísmico debe utilizarse para anclar un amarre a otros, o a puntos de terminación (como los del perímetro del edificio). Esto incluye proveer ganchos sísmicos y longitudes de desarrollo sísmico, como se define en ACI 318. 6.9.2 Estrategia de Columna Ausente La estrategia de columna ausente de la administración de Servicios Generales (GSA, en inglés) es una verificación independiente llevada a cabo sin la consideración de otras cargas. Este método se basa en el concepto de que la pérdida de una sola columna, en este caso por el impacto de escombros en el agua, no debe resultar en el colapso progresivo de los componentes estructurales cercanos. Los criterios actuales de colapso progresivo se encuentran en la Guía de Análisis y Diseño de Colapso Progresivo para Nuevos Edificios Federales y Proyectos Mayores de Modernización (GSA, 2003). Como se ilustra en la Figura 6-14, esta estrategia requiere la evaluación de que los componentes estructurales cercanos continúen aguantando las cargas de gravedad 92 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño FEMA P646 anticipadas en una serie de escenarios de columna ausente. Las cargas vivas sobre el edificio se reducen para simular las del momento en que falla la columna. En el caso de las estructuras de desalojo vertical, las cargas vivas completas del área de refugio deben considerarse mientras que las cargas vivas reducidas pueden considerarse en otros lugares del edificio. El método de columna ausente utiliza conceptos de diseño plástico al evaluar la capacidad de los componentes estructurales cercanos de soportar las cargas gravitacionales, así que se permite algún daño como resultado de un escenario de columna ausente. Dado el que los escombros en el agua posiblemente impacten una columna exterior o de esquina, los escenarios de columna ausente deben considerar la posible pérdida de una de las columnas exteriores. No se necesita considerar la pérdida de una columna interior. Figura 6-14 FEMA P646 Estrategia de Columna Ausente. 6: Determinación de Carga y Criterios Estructurales de Diseño 93 Capítulo 7 Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales Este capítulo resume los conceptos de diseño estructural y otras consideraciones relevantes para el diseño de estructuras de desalojo vertical, incluyendo la modificación de estructuras existentes, permitiendo la revisión por pares, control de calidad, asuntos de planificación, y posibles impactos de costo. 7.1 Atributos de las Estructuras Resistentes a Tsunami La selección y configuración del sistema estructural, desde los cimientos hasta el enmarcado de la azotea, puede tener un efecto significativo sobre la habilidad de la estructura de desalojo vertical de resistir un tsunami, terremoto, o cargas eólicas. Muchos sistemas estructurales comunes pueden ser diseñados para resistir los efectos de cargas de tsunami. Los atributos estructurales que han demostrado un buen comportamiento en tsunamis previos incluyen: (1) sistemas fuertes con reservas de capacidad para resistir fuerzas extremas; (2) sistemas abiertos que permiten el flujo del agua con resistencia mínima; (3) sistemas dúctiles que resisten fuerzas extremas sin fallar; y (4) sistemas redundantes que pueden experimentar fallas parciales sin colapso progresivo. Los sistemas que exhiben estos atributos incluyen sistemas de enmarcado de concreto reforzado y acero, y sistemas de muros cortantes de concreto reforzado. 7.2 Las Estructuras Resistentes a Tsunamis tienen: (1) sistemas fuertes con reservas de capacidad para resistir fuerzas extremas; (2) sistemas abiertos que permiten el flujo del agua con resistencia mínima; (3) sistemas dúctiles que resisten fuerzas extremas sin fallar; y (4) sistemas redundantes que pueden experimentar fallas parciales sin colapso progresivo. Consideraciones Estructurales para los Efectos de Cargas de Tsunami El diseño de los cimientos debe considerar los efectos locales de la socavación y licuefacción. En muchos casos el soporte de los cimientos consistirá de cimientos profundos (pilotes). El diseño de pilotes debe considerar exigencias elevadas debido al arrastre descendiente y las fuerzas laterales adicionales, y a un aumento en la longitud de los pilotes sin soporte debido a la socavación. El levantamiento potencial de la capacidad de flotación de toda la estructura necesita tomarse en consideración en el diseño de cimentación. FEMA P646 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales 95 El diseño de columnas individuales para cargas laterales de tsunami debe llevarse a cabo bajo asumiendo el grado de fijeza en la base de la columna y en cada nivel. Por ejemplo, una columna de concreto reforzado de un edificio multi-pisos apoyado por cimientos profundos se presume que es fija en la base y en cada nivel. Una columna de acero que forma parte de un marco resistente a momento se presume fija en la base y en cada nivel. La forma de la columna también es importante. Las columnas redondas resultarán en fuerzas de arrastre más bajas que las cuadradas o rectangulares. Además, será menos probable el impacto total de los escombros en el agua sobre columnas redondas. Si se utilizan muros cortantes, el plan de orientación de los muros es importante. Se recomienda que los muros cortantes se orienten paralelos a la dirección anticipada del flujo de tsunami para reducir las fuerzas hidrodinámicas y el impacto de escombros asociados al flujo. El diseño de muros de concreto reforzado para fuerzas de tsunami debe considerar la carga completa sobre el muro, incluyendo las fuerzas hidrodinámicas y de impacto que trabajan entre los niveles. Las vigas de concreto reforzado vertidas integralmente con el piso serán apoyadas por la losa. El diseño de vigas para fuerzas horizontales de tsunami debe tomar en consideración el apoyo lateral brindado por la losa del piso. Las vigas aisladas deben diseñarse para el corte y flexión horizontal causados por las cargas de tsunami. Los sistemas de piso deben diseñarse para los efectos de flotación y levantamiento hidrodinámico, los que causará efectos de corte y flexión opuestos a los de las cargas gravitacionales. Aunque los niveles bajos de una estructura de desalojo vertical no tengan el propósito de usarse durante un tsunami, su falla podría resultar en el daño o colapso de de las columnas de apoyo de los niveles superiores, incluyendo el área de refugio. En los sistemas de piso de acero estructural, debe considerarse el pandeo torsional lateral de los rebordes inferiores de las vigas sujetos a cargas de levantamiento. En los sistemas de piso de concreto reforzado, debe proveerse continuidad de refuerzo para las vigas y losas para, al menos, el 50% del refuerzo superior e inferior. Los sistemas de piso de concreto pretensado deben revisarse minuciosamente para efectos de flotación y levantamiento hidrodinámico al ser sumergidos. Las fuerzas de pretensión interna utilizadas para contrarrestar cargas inertes añaden a estos efectos. Los elementos de red de sistemas típicos de viguetas pretensadas son susceptibles a fallas de 96 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales FEMA P646 compresión bajo condiciones de levantamiento, y muchas conexiones típicas de rodamiento no son ancladas para responder a las posibles fuerzas de levantamiento netas. El daño localizado al concreto de un sistema de piso pretensado puede resultar en la pérdida de capacidad compresiva de éste, y en la liberación de fuerzas internas de pretensión. 7.2.1 Conceptos de Diseño para Socavación y Cimientos La socavación alrededor de cimientos poco profundos puede llevar a la falla del elemento estructural apoyado. Los cimientos consistentes de vigas perforadas o pilotes hincados pueden diseñarse para evitar estas fallas; sin embargo, deben poder resistir cargas aplicadas luego de que la socavación haya expuesto el casquillo del pilote y el tope de las vigas o pilotes. Dames y Moore (1980) sugieren que la profundidad de la socavación está relacionada a la distancia de la orilla y el tipo de suelo. Como se indica en la Tabla 7-1, la profundidad de la socavación se estima como un porcentaje de la profundidad máxima del flujo, d. Tabla Tabla 7-1 Profundidad Aproximada Aproximada de Socavación Como Porcentaje de Profundidad de Flujo, Flujo , d (Dames y Moore, 1980) Profundidad de Socavación (% de d) (Distancia de la orilla < 300 pies) Profundidad de socavación (% de d) (Distancia de la orilla > 300 pies) Arena suelta 80 60 Arena densa 50 35 Limo suave 50 25 Limo rígido 25 15 Arcilla suave 25 15 Arcilla rígida 10 5 Tipo de Suelo Las observaciones luego del Tsunami del Océano Índico indican que la socavación puede ocurrir significativamente más lejos que a 300 pies de la orilla. El juicio conservador de ingeniería debe ejercerse en la categorización del tipo de suelo dentro de las categorías mencionadas arriba. FEMA P646 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales 97 7.2.2 Conceptos de Muros Separables Los muros de entorno sólidos debajo del nivel de inundación de tsunami resultan en grandes cargas de tsunami sobre la estructura completa. Estos muros también aumentan la posibilidad de socavación por las olas en las vigas y pilotes. Los muros no estructurales bajo la profundidad del flujo del tsunami pueden diseñarse como separables para limitar las fuerzas hidrostáticas, de flotación, hidrodinámicas, y de impulso sobre el edificio completo y los miembros estructurales individuales. Los requisitos para muros separables se describen en FEMA 55 Manual de Construcción Costera (FEMA, 2005), el cual cumple con requisitos para construcción en Zonas V del Programa Nacional de Seguros de Inundación (NFIP, en inglés). Los muros separables pueden crear reflexión y alcance de olas previo a fallar como indica la Figura 7-1 De acuerdo con el Estándar de ASCE/SEI 24-05 Diseño y Construcción Resistentes a Inundaciones (ASCE, 2006a), los muros, particiones, y conexiones de la estructura que tienen el propósito de separarse están diseñados para las más grandes de las cargas siguientes que actúan perpendiculares al plano del muro: • La carga eólica especificada en el Estándar de ASCE/SEI 7-05 Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras (ASCE, 2006b). Figura 7-1 98 Efecto de muros separables sobre las olas (FEMA, 2005). • La carga de terremoto especificada en el Estándar de ASCE/SEI 7-05. • 10 psf (0.48kN/m2). • No más de 20 psf (0.6 kN/m2) a menos que el diseño cumpla con las siguientes condiciones: (1) el colapso del muro separable esté diseñado para resultar de una inundación menor a la que ocurre durante la 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales FEMA P646 inundación base; y (2) los cimientos y la porción elevada del edificio están diseñados para resistir colapso, desplazamiento lateral permanente, y otros daños estructurales causados por las cargas de inundación combinadas con otras cargas. Las prácticas estándares de ingeniería pueden resultar en una sobrefuerza considerable en el diseño, lo que sería perjudicial para un sistema de muros separables y la estructura de apoyo. Se debe tener cuidado de evitar introducir un conservatismo innecesario en el diseño. Todos los componentes, incluyendo soportes de revestimiento, de empañetado, y de marcos de ventanas, deben considerarse al determinar la fortaleza actual del sistema de muros separables, y la carga máxima resultante sobre la estructura de apoyo. El mecanismo de unión más deseable incluye la falla de las conexiones superiores y laterales mientras que la inferior se mantiene intacta, permitiendo que el panel del muro caiga acostado bajo el flujo del tsunami sin desprenderse y convertirse en parte de los escombros. Muros de Pernos de Metal. Los muros de pernos de metal se usan comúnmente como parte del entorno de un edificio. A menos que están debidamente galvanizados, se corroen rápidamente en un ambiente costero. Pruebas recientes de cargas laterales sobre configuraciones de pernos de metal típicas muestran que la falla total ocurre cuando los pernos se separan de las vías superiores o inferiores. Sin embargo, la carga requerida para producir esta falla es tanta como cuatro veces la carga eólica para la cual los pernos fueron diseñados. Entonces es necesario introducir algún tipo de “unión” en la conexión de la vía superior que asegure que el muro falle ante una carga predecible. Se requerirían pruebas de mecanismos de unión para verificar que tienen la capacidad de resistir las cargas de diseño, pero que fallarán de manera predecible ante niveles de carga más altos. Muros de Albañilería. Los muros de albañilería se usan comúnmente como entornos en los niveles bajos de edificios más grandes. Estos pueden ser sostenidos mediante el uso de un sistema de pasadores alrededor del tope y los lados del muro, sin contacto fijo con la estructura. Dicho sistema debe ser probado para verificar el que fallará ante niveles de carga predecibles que exceden los niveles de diseño. Si está correctamente unido, el muro de albañilería estará perpendicular a los cimientos y no aplicará carga sobre el marco estructural al fallar los pasadores. Para permitir la falla del muro debida a la rotación de los cimientos sin dañar el resto de la estructura, la separación del cimiento del muro debe considerarse. FEMA P646 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales 99 7.3 Los edificios existentes considerados para usarse como estructuras de desalojo vertical deben poseer los atributos estructurales presentados en la Sección 7.1. Conceptos de Modificación y Retroadaptación de Estructuras Existentes Puede no siempre ser factible la construcción de edificios nuevos en un área que requiera una estructura de desalojo vertical. Aunque modificar edificios existentes para actuar como estructuras de desalojo vertical puede ser costoso y disruptivo para los usuarios normales del edificio, esta puede ser la opción más viable. Los edificios existentes considerados para usarse como estructuras de desalojo vertical deben poseer los atributos estructurales presentados en la Sección 7.1 que están asociados con las estructuras resistentes a tsunamis, y deben evaluarse para efectos de cargas de tsunami, de acuerdo con el Capítulo 6. En el caso de tsunamis de origen cercano, los edificios existentes deben evaluarse para efectos sísmicos. Debido a la importancia de las estructuras de desalojo vertical, y la necesidad de que estas facilidades funcionen como refugios estando expuestas a cargas extremas, no se recomienda el uso de criterios de cargas reducidas, como en la práctica actual de evaluación sísmica para edificios existentes. Los siguientes conceptos deben ser considerados durante la modificación y retroadaptación de edificios existentes como estructuras de desalojo vertical. 100 • Sistema de azotea. Deben mejorarse los sistemas de azotea para aguantar cargas vivas adicionales asociadas con la ocupación del refugio. Deben protegerse o reubicarse las funciones a nivel de la azotea del edificio existente (Ej. equipo mecánico) que pueden estar en riesgo o inseguras en la cercanía inmediata a las áreas de ocupación. Deben modificarse los parapetos existentes para proteger a los ocupantes de posibles caídas. • Sistema de muros. Debe considerarse el modificar los muros y sus conexiones en los niveles bajos del edificio para que funcionen como muros separables que minimicen las fuerzas hidrostáticas, hidrodinámicas, y de las marejadas del tsunami. • Acceso. Debe modificarse el ingreso al edificio y mejorarse la circulación vertical mediante nuevas entradas, rampas y escaleras. Debe considerarse el colocar puntos de acceso en el exterior del edificio para la facilidad de construcción y alta visibilidad. • Escombros potenciales. Deben removerse o reubicarse las funciones del nivel más bajo que pueden convertirse en escombros llevados por el agua. • Peligros existentes en el lugar. Deben considerarse y protegerse contra otros peligros que puedan existir en el lugar del edificio, incluyendo 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales FEMA P646 edificios adyacentes que puedan colapsar, y la presencia de materiales peligrosos o inflamables cerca del lugar. 7.4 Permisión y Garantía de Calidad para Estructuras de Desalojo Vertical 7.4.1 Conformidad de Permisos y Códigos Antes de comenzar la construcción, deben obtenerse todos los permisos estatales, locales, de construcción, etc. Debido a que los códigos de construcción modelo y los estándares de ingeniería no trabajan el diseño de refugios de tsunami específicamente, los profesionales de diseño deben reunirse con los oficiales de construcción para discutir los posibles requisitos de diseño. La naturaleza única de las estructuras de desalojo vertical pueden requerir salvedades para: (1) conformidad de permisos y códigos (2) revisión por pares; y (3) garantía de calidad. Por lo general, los sistemas mecánicos, eléctricos, y de plomería deben estar diseñados para el uso normal diario de las facilidades, a menos que lo contraindiquen las autoridades pertinentes. El diseño de estos sistemas para la alta carga de ocupación que ocurrirá solo cuando la estructura se use como refugio de desalojo vertical puede ser innecesario. 7.4.2 Revisión por Pares Una estructura de desalojo vertical es una estructura única que debe resistir cargas especiales y combinaciones de cargas. Aunque los efectos de cargas de terremotos, vientos, e inundaciones están bien claros en el proceso de diseño y permisión, la consideración de los efectos de cargas de tsunamis incluye algunos conceptos y métodos nuevos. Considerando la importancia de las estructuras de desalojo vertical y la naturaleza extrema de las cargas de tsunami, se recomienda la revisión por pares llevada a cabo por un individuo o equipo cualificado. 7.4.3 Garantía de Calidad / Control de Calidad Debido a que la estructura de desalojo vertical tiene que funcionar bien durante condiciones extremas de carga, la garantía de calidad y el control de calidad para el diseño y construcción de la estructura debe estar a un nivel sobre el de la construcción normal de edificios. La exactitud de los cálculos y dibujos debe ser estudiada minuciosamente La calidad de los métodos y materiales de construcción debe asegurarse mediante el desarrollo y aplicación de un programa de control de calidad. Un plan de garantía de calidad debe estar basado en los Requisitos Especiales de Inspección del Capítulo 17 del Código Internacional de Construcción (ICC, 2006). Las provisiones especiales de inspecciones y garantía de calidad para FEMA P646 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales 101 sistemas de resistencia sísmica y eólica primarios deben aplicarse a los elementos resistentes a tsunamis de las estructuras de desalojo vertical. No deben permitirse excepciones sobre elementos prefabricados que renuncien a la necesidad de garantía de calidad En adición a los elementos de construcción que generalmente se incluyen en los programas de inspecciones especiales, los siguientes artículos requieren atención especial: • Los muros separables y sus conexiones a los componentes estructurales para evitar conservatismo no intencional en la construcción. • Otros componentes o detalles especiales que se usen para minimizar los efectos de las cargas de tsunami. • Pilotes, casquillos de pilotes, y vigas de nivel que pueden experimentar los efectos de la socavación. 7.5 La planificación de las estructuras de desalojo vertical debe considerar: (1) acceso y entrada; (2) la Ley de Personas con Impedimentos (ADA); (3) estacionamiento; (4) mascotas (5) limitaciones de ocupación; y (6) la protección de funciones críticas. 102 Consideraciones de Planificación para Estructuras de Desalojo Vertical Además del diseño estructural, la planificación de las estructuras de desalojo vertical debe considerar un sinnúmero de asuntos, incluyendo acceso, estacionamiento, mascotas, limitaciones de ocupación, y la protección de funciones críticas. • Acceso y entrada. Ocurrirá confusión y pánico si los desalojados llegan a una estructura de desalojo vertical, pero no pueden entrar. Deben hacerse provisiones para asegurar el acceso en caso de tsunami, mientras se provee seguridad adecuada mientras el refugio está desocupado. Idealmente, un refugio de desalojo vertical debe configurarse para esté siempre accesible, o que se pueda ingresar sin personal de emergencia. • Ley de personas con impedimentos (ADA). Las estructuras de desalojo vertical, cuando no estén operando como refugio, deben estar conformes a los requisitos y ordenanzas Federales, estatales y locales de ADA en el uso diario de las facilidades. El diseño de ingreso y circulación vertical dentro de una estructura de desalojo vertical debe considerar las necesidades de los ocupantes con impedimentos hasta donde sea posible, y hasta donde lo requiera la ley, en el caso de desalojo de emergencia. Dadas las posibles limitaciones en el funcionamiento de fuentes de energía y de sistemas de transporte vertical (elevadores y escaleras eléctricas) en caso de un terremoto de origen cercano, los ocupantes con impedimentos pueden necesitar asistencia llegar hasta las áreas de refugio en estructuras de desalojo vertical. 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales FEMA P646 • Estacionamiento. El estacionamiento en facilidades de desalojo puede ser un problema. El embotellamiento del tráfico puede afectar adversamente el acceso a las facilidades, y los vehículos pueden convertirse en escombros que dañen la estructura. La planificación para el estacionamiento en estructuras de desalojo vertical debe considerar la imposición de limitaciones. • Mascotas. Las facilidades de refugio no están típicamente preparadas para acomodar a mascotas. Muchas personas, sin embargo, no quieren dejar atrás a sus mascotas durante un desastre. Debe considerarse cuidadosamente la política acerca de mascotas durante la planificación. • Limitaciones de ocupación. La densidad poblacional puede ser no uniforme, y puede variar por el momento del día, semana, o año. En el caso de un tsunami, la conducta de desalojo de la población cercana puede resultar en una distribución desigual de los desalojados en los refugios disponibles. Al determinar la ocupación máxima de un refugio, debe considerarse el momento del día, día de la semana, o temporada del año que resulte en el mayor número de desalojados. La ocupación máxima puede tener que aumentarse para acomodar ocupantes adicionales inesperados o visitantes en el área. • Protección de funciones críticas. Una estructura de desalojo vertical tiene que estar operacional para servir su propósito en caso de un tsunami. Las funciones que son críticas para la operación de un refugio a corto plazo, o de facilidades de respuesta de emergencia, cuidado médico, o de refugio a largo plazo, deben estar protegidas contra la inundación del tsunami, o localizadas dentro del área de refugio. Estas funciones pueden incluir energía de emergencia, equipo eléctrico, equipo de comunicaciones, necesidades sanitarias básicas, suministros médicos y farmacéuticos, y suministros de emergencia (Ej. comida, agua y provisiones). 7.6 Consideraciones de Costos para Estructuras de Desalojo Vertical El diseño de estructuras de desalojo vertical para efectos de cargas de tsunami requiere más fortaleza, ductilidad, y robustez de lo necesario para una estructura de uso normal. Como se recomienda en este documento, esto puede incluir el uso de provisiones de detalle sísmico, medidas de prevención de colapso progresivo, detalles de muros separables a la medida, y sistemas de cimentación más profundos. Por esto se espera que los costos estructurales de construcción sean más altos para una estructura de desalojo FEMA P646 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales 103 vertical que para otras estructuras. Aunque no existen comparaciones directas entre el costo de una estructura convencional versus el costo de una estructura resistente a tsunamis, la información de orden de magnitud acerca de aumentos potenciales en el costo estructural de construcción puede obtenerse de la información disponible actualmente. Los costos de estructurales de construcción son solo una fracción del costo total de construcción de un edificio. Los costos estructurales, sin embargo, son solo una fracción del costo total de construcción de un edificio. Dependiendo de la naturaleza de la ocupación y el uso del edificio, los costos de estructurales de construcción pueden variar desde 5% hasta 40% de los costos totales de construcción. Los costos estructurales son un porcentaje más bajo del total cuando las ocupaciones son de uso especial (Ej. hospitales) que requieren sistemas y contenidos no estructurales más caros, y son un porcentaje más alto en ocupaciones de uso común (Ej. oficinas). La evidencia anecdótica del diseño y construcción de facilidades esenciales (Ej. hospitales) en California, Oregon, y Washington indican que la prima de costo para los requisitos del diseño sísmico asociados con facilidades esenciales versus facilidades de uso ordinario fluctúa entre el 10% y 20% del costo total de construcción. Esto representaría un aumento de un 1% a 8% en términos de costos totales de construcción. En un estudio reciente financiado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, en inglés), Diseño de Ingeniería y Datos de Costo para Edificios de Concreto Reforzado para el Diseño de Próxima Generación y Estándares Económicos para la Integridad Estructural (NIST, 2007), la prima de costo para el diseño resistente al colapso progresivo está entre un 10% a 20% de los costos estructurales de construcción. Parecido al diseño sísmico, esto representaría tal un aumento de un 1% a 8% en términos de costos totales de construcción. Las estructuras resistentes a tsunamis experimentan un aumento de orden de magnitud de un 10% a 20% en los costos totales de construcción sobre los de un edificio de uso normal. 104 Considerando las provisiones adicionales para fortaleza añadida para resistir los efectos de las cargas de tsunami, es razonable esperar que una estructura resistente a tsunami, incluyendo características de diseño resistentes a cargas sísmicas y al colapso progresivo, experimentarse un aumento de orden de magnitud de un 10% a un 20% en los costos totales de construcción sobre los de un edificio de uso normal. Mientras que cada proyecto será único, y los costos relativos dependerán del peligro de tsunami y las condiciones específicas del lugar, no debe asumirse que la incorporación de características de diseño resistente a tsunamis será costo-prohibitiva. 7: Conceptos de Diseño Estructural y Consideraciones Adicionales FEMA P646 Anejo A Ejemplos de estructuras de Desalojo Vertical de Japón En Japón existen ejemplos de estructuras que fueron diseñadas y construidas específicamente con el propósito de ser refugios de tsunami. Aparentemente no existen guías formales disponibles para el diseño de estas estructuras. Torre de Salvar Vidas: La Torre de Salvar Vidas (Torre Tasukaru) desarrollada por la Compañía Industrias Fujiwara, Ltd. de Japón, es mostrada en la Figura A-1. Esta es una estructura simple y económica que provee refugio temporero de altura. La estructura tiene una distancia de 5.4 metros entre sus postes de soporte, una elevación de refugio de 5.8 metros desde el suelo, y una capacidad de 50 personas. Figura A-1 FEMA P646 Torre de Salvar Vidas A: Ejemplos de Estructuras de Desalojo Vertical de Japón 105 Torre Nishiki: La Torre Nishiki, mostrada en la Figura A-2, fue construida en el pueblo de Kise, Prefectura de Mie, Japón. La estructura de concreto reforzado de 22 metros de altura parece un faro, y tiene una escalera en espiral en el exterior. Fue específicamente diseñada para servir como refugio de tsunami, pero se utiliza para otros propósitos (no de refugio) en días normales. El primer nivel tiene baños públicos y espacio para equipo contra incendios, el segundo nivel tiene una sala de reuniones; y el tercero tiene una biblioteca de archivos de desastres naturales. El cuarto y quinto nivel cuentan con 73 metros cuadrados de espacio de refugio para los desalojados. Figura A-2 Torre Nishiki. La Torre Nishiki es una estructura expertamente construida que está diseñada para resistir un evento sísmico de JMA VII en la escala japonesa de terremotos, que es comparable con uno de MMI XII (escala Mercalli modificada). El edificio está cimentado en una capa de arena y gravilla de 4 metros de profundidad, y está sostenido sobre pilotes de concreto que se extienden 6 metros bajo el terreno. La posibilidad de licuefacción es remota, considerando el gran tamaño de las partículas de la capa de arena y gravilla. Se empleó un diseño elástico considerando las fuerzas de tsunami. Basado en la información histórica del Terremoto de Tou-Nankaido de 1944, se utilizó un diseño de tsunami de 6 metros de altura. Está diseñado para resistir 106 A: Ejemplos de Estructuras de Desalojo Vertical de Japón FEMA P646 el impacto de una embarcación de 10 toneladas viajando a 10m/sec. Este criterio se basó en el tamaño de las embarcaciones ancladas en el puerto vecino. El nivel de funcionamiento esperado permitió daño parcial al edificio sin incurrir en pérdida de vidas. Refugio Elevado en el Shirahama Beach Resort: Un refugio bastante estético fue construido en el pueblo hotelero de Shirahama, Prefectura de Tokushima, mostrado en la Figura A-3. Está diseñado para acomodar 700 refugiados en un área de 700 metros cuadrados área. La elevación de inundación de diseño es de 7.5 metros, basada en la información histórica del Terremoto de Ansei-Tokai de 1854 (M 8.4) y el tsunami resultante. Con un francobordo planificado de 4 metros, la plataforma de desalojo está a una altura de 11.5 metros. Esta estructura de concreto reforzado está diseñada para resistir una aceleración base máxima de 780 gal. Debido al potencial de licuefacción del suelo, se clavaron pilotes de tubo a 20 metros de profundidad en el lecho de roca. La estructura también cuenta con un sistema de iluminación solar. Figura A-3 Refugio en Shirahama Beach Resort (Foto cortesía de N. Shuto). Otras Estructuras de Refugio de Tsunamis: Existen otras estructuras diseñadas como refugios de tsunami en Japón. Una estructura de concreto reforzado en el pueblo de Kaifu, Prefectura de Tokushima, Japón es demostrada en la Figura A-4. Un terreno alto artificial (berma), demostrado en la Figura A-5, fue construido en Aonae, Isla de Okushiri, donde con más FEMA P646 A: Ejemplos de Estructuras de Desalojo Vertical de Japón 107 fuerza impactó el tsunami de 1993. Luego del Tsunami de Okushiri de 1993, la escuela elemental de Aonae, mostrada en la Figura A-6, fue reconstruida como una estructura resistente a tsunamis. Los niveles superiores pueden usarse como espacios de refugio. El primer nivel de la escuela se construyó con muros separables para aliviar as fuerzas de tsunami. 108 Figura A-4 Refugio de tsunami en Kaifu, Japan. Figura A-5 Berma construida para refugio de tsunami en Aonae, Japón. A: Ejemplos de Estructuras de Desalojo Vertical de Japón FEMA P646 Figura A-6 FEMA P646 Escuela elemental de Aonae. Los niveles superiores tienen el propósito de usarse como refugios en caso de tsunami. A: Ejemplos de Estructuras de Desalojo Vertical de Japón 109 Anejo B Ejemplo de Diseño de Comunidad La Figura B-1 presentada abajo muestra una comunidad hipotética. En este anejo se ilustra el diseño inicial y la configuración de una serie de estructuras de desalojo vertical. La comunidad ha evaluado lugares públicos y privados que podrían resultar apropiados para la construcción de nuevas estructuras de desalojo vertical y ha identificado facilidades existentes para posible renovación como estructuras de desalojo vertical. Esta evaluación incluye la consideración del número de lugares requeridos basado en el tiempo de traslado y la población, como se discutió en el Capítulo 5. Figura B-1 FEMA P646 Boceto hipotético de una comunidad ejemplo mostrando posibles lugares para estructuras de desalojo vertical y rutas de desalojo. B: Ejemplo de Diseño de Comunidad 111 Es necesario un avalúo de las profundidades de inundación y las velocidades de flujo del tsunami para determinar los efectos de éste dentro de la comunidad y determinar sus parámetros de diseño. Las profundidades de inundación pronosticadas para esta comunidad ejemplo se encuentran en la Figura B-2. Figura B-2 Ejemplo de mapa de inundación de la comunidad. Las áreas sombreadas muestran varias profundidades de inundación pronosticadas, d. En esta comunidad ejemplo, el área de refugio en cada lugar necesita estar elevada como se indica en la Tabla B-1. Tabla Tabla B-1 Elevaciones de Diseño para Áreas de Refugio 112 Lugar Profundidad de Inundación Pronosticada Francobordo (3 metros más 30%) Elevación de Diseño Lugar 1 3m 3 m + 0.9 m 6.9 m Lugar 2 4m 3 m + 1.2 m 8.2 m Lugar 3 3m 3 m + 0.9 m 6.9 m Lugar 4 4m 3 m + 1.2 m 8.2 m Lugar 5 3m 3 m + 0.9 m 6.9 m B: Ejemplo de Diseño de Comunidad FEMA P646 Las profundidades de inundación de la Figura B-2 se aumentan en un 30% para compensar por la variabilidad local en simulaciones numéricas. Se recomienda un francobordo mínimo de 3 metros (o un piso de altura) para asegurar que el área de refugio no se inunde por el salpicar o la acción de las olas. La velocidad de flujo en un lugar en particular se afecta tanto por la topografía como por las obstrucciones de flujo naturales y artificiales. Las velocidades de flujo pronosticadas para esta comunidad ejemplo se muestran en la Figura B-3 y se resumen en la Tabla B-2. Figura B-3 Ejemplo de mapa de velocidad de flujo en caso de inundación de una comunidad. Las áreas sombreadas muestran varias velocidades de flujo de tsunami pronosticadas, u. Tabla Tabla B-2 Velocidad de Flujo de Tsunami en Cada Lugar Lugar Velocidad de Flujo de Tsunami Lugar 1 9 m/s Lugar 2 12 m/s Lugar 3 9 m/s Lugar 4 12 m/s Lugar 5 9 m/s FEMA P646 B: Ejemplo de Diseño de Comunidad 113 B.1 Ejemplo de lugar 1: Berma de escape El Lugar 1 tiene varias condiciones únicas que deben considerar. La costa en esta área es de naturaleza industrial e incluye unas facilidades de almacenamiento de contenedores de carga en el puerto. Las áreas adyacentes tienen desarrollo residencial. El desalojo de la población de esta área incluiría a los empleados del área industrial y a los ciudadanos del área residencial. La comunidad ha estado luchando para encontrar la manera de trabajar otros asuntos sociales en el área, lo que incluye la falta de áreas recreativas para los residentes, algunas propiedades descuidadas y deterioradas, y la necesidad de revitalizar y mejorar el área. En este lugar, una berma artificial, como muestra la Figura B-4, brinda una oportunidad para añadir un espacio público abierto además de un refugio de desalojo vertical. Esta solución crea un parque elevado único para la comunidad, lo que trabaja la necesidad de un área recreativa, y provee un mirador escénico de la costa. Al estar localizada cerca de las facilidades de almacenamiento de contenedores de carga, existe la posibilidad de que los contenedores se conviertan en escombros. Este asunto se trabaja mediante la construcción de la berma utilizando pilotes de hoja para contener el relleno. Figura B-4 Ejemplo de diseño de berma de escape Las características de esta berma de escape, ilustrada en la Figura B-5, incluyen las siguientes: 114 B: Ejemplo de Diseño de Comunidad FEMA P646 • Localización 1 (Figura B-5). Se seleccionó la configuración semicircular para ayudar a desviar las aguas del tsunami y los posibles escombros en el agua alrededor de las facilidades y lejos de las escaleras y rampas de acceso. El área elevada tiene más de 31,000 pies cuadrados, y puede acomodar 3,000 desalojados a 10 pies cuadrados por persona. Hay suficiente espacio en el área elevada para acomodar una estación de descanso que puede utilizarse diariamente con propósitos recreativos, de emergencia. Figura B-5 Ejemplo de plano para berma de escape • Localización 2 (Figura B-5). El lado de la berma que está de frente al océano es esencialmente vertical para prevenir que la inundación y los escombros se muevan hacia el área de refugio. Los árboles y otros elementos de jardinería se pueden utilizar para esconder el lado vertical y crear una figura estéticamente atractiva. • Localización 3 (Figura B-5). Los lados de la berma pueden estar inclinados para proveer acceso al área de refugio vertical. Debe tenerse el cuidado de orientar la inclinación para que el agua y los escombros no se canalicen hacia el área de refugio. • Localizaciones 4 y 5 (Figura B-5). Las escaleras y rampas proveen acceso primario para propósitos recreativos y de emergencias. Las Figuras B-6 y B-7 ilustran y describen consideraciones adicionales. FEMA P646 B: Ejemplo de Diseño de Comunidad 115 Figura B-6 Ejemplo de sección de berma de escape. Figura B-7 Ejemplo de elevación posterior de berma de escape • Localización 1 (Figura B-6). Donde el área elevada esté adyacente a una caída muy empinada, deben proveerse barandas o muros de Alturas apropiadas para protección. El uso de un muro como baranda tiene el beneficio añadido de que ofrece protección adicional contra el alcance del tsunami. Estos pueden ser configurados para desviar el salpicar de las olas. • Localización 2(Figura B-6). Los materiales utilizados para crear la berma necesitan estar construidos lo suficientemente profundos para asegurar que el sistema de contención no falle por la socavación alrededor del perímetro de la berma. • Localización 3(Figura B-7). Se pueden proveer escaleras y rampas conformes con los requisitos de ADA con la longitud suficiente. Esto cumpliría con las necesidades del uso recreativo y de desalojo de emergencia. Las superficies inclinadas a los lados de la berma pueden usarse para proveer acceso adicional, y para canalizar los escombros flotantes lejos de la base de las rampas y escaleras para minimizar el riesgo de bloqueo. B.2 Ejemplo de lugar 2: Estructura de Usos Múltiples El Lugar 2 está localizado en una propiedad manejada por el distrito escolar. El lugar está localizado adyacente a una escuela y el área vecina contiene una combinación de residencias y negocios. La escuela existente está localizada muy adentro de la zona de inundación. La costa en esta área 116 B: Ejemplo de Diseño de Comunidad FEMA P646 incluye un estacionamiento al nivel del suelo para los negocios del área, y un parque cercano al mar. La población a ser evacuada en este lugar incluye niños de la escuela, vecinos de las residencias adyacentes, empleados de los negocios cercanos, y usuarios del parque cercano al mar. El distrito escolar tiene una necesidad prevalente de un gimnasio bajo techo. En este lugar, la comunidad ha decidido incorporar el techo del gimnasio propuesto a la planificación de emergencias. Se ha decidido que esta nueva estructura será diseñada para cumplir con los requisitos de una estructura de desalojo vertical para cubrir dos necesidades importantes de la comunidad. La estructura está ilustrada en la Figura B-8. Localizada adyacente a un estacionamiento a nivel del suelo, la estructura necesitará ser diseñada para el posible impacto de vehículos flotantes. Si la comunidad está localizada en un clima que requiere que el gimnasio sea cerrado, debe prestársele atención especial al diseño de del sistema de muros exteriores. Los muros deben ser separables para minimizar las cargas de tsunami sobre la estructura en general. De otra manera, la estructura necesitará ser diseñada para el aumento en las cargas hidrostáticas, hidrodinámicas, y de impulso correspondientes. Como una estructura escolar, el edificio debe estar diseñado para cumplir con los requisitos típicos de salud y seguridad para facilidades escolares de uso normal (cuando no estén sirviendo como refugio). Figura B-8 FEMA P646 Ejemplo de gimnasio B: Ejemplo de Diseño de Comunidad 117 Las características de esta estructura de usos múltiples, ilustrada en la Figura B-10 y B-11, incluyen las siguientes: • Localización 1 (Figura B-9). El diseño rectangular es seleccionado a base de los requisitos para el gimnasio de la escuela. El área elevada es de sobre 10,000 pies cuadrados, y puede acomodar 1,000 desalojados a 10 pies cuadrados por persona. Utilizando la información del censo disponible, se ha determinado que esto debe ser suficiente para el área que se intenta beneficiar. • Localización 2 (Figura B-9). El acceso por escaleras está diseñado utilizando una estructura de escaleras encajonadas en concreto que tendrán su propia fortaleza inherente. Su forma tiene el propósito de canalizar en flujo del tsunami y los posibles escombros lejos de la estructura y el sistema de escaleras. • Localización 3 (Figura B-9). Un sistema adicional de rampas en conformidad con ADA se considera para una fase futura del proyecto. Esto puede utilizar pilotes de hoja, y relleno para canalizar más el flujo del tsunami y los escombros en el agua lejos de la estructura. Figura B-9 118 Ejemplo de plano de gimnasio. B: Ejemplo de Diseño de Comunidad FEMA P646 Figura B-10 Ejemplo de elevación de gimnasio. • Localización 4 (Figura B-10). El sistema estructural utiliza un marco de momento de concreto para crear un nivel inferior abierto que minimizará las cargas hidrodinámicas sobre la estructura. Esto incluye el uso de columnas circulares. • Localización 5 (Figura B-10). Se puede proveer fortaleza adicional al sistema mediante el uso de muros paralelos a la dirección anticipada del flujo de inundación del tsunami. • Localización 6 (Figura B-9). Las estructuras de escaleras pueden integrarse a la estructura primaria para proveer fortaleza adicional, o pueden hacerse estructuralmente independientes. FEMA P646 B: Ejemplo de Diseño de Comunidad 119 Anejo C Cálculos de Ejemplo Una estructura de desalojo de tsunami de 10 m de ancho, se construye en un lugar a 200 m de la orilla, donde la elevación es 4 m sobre el nivel del mar. La inclinación local de la playa es de 1/50 y no existe variación significativa en la topografía; por lo tanto, es razonable asumir un plano de playa de inclinación 1/50. El mapa de inundación de tsunami indica que la elevación en el punto máximo de inundación es de R* = 10 m (altura de alcance de 10 m en un lugar a 500 m de la orilla). Un tronco (8.53 m de largo, 0.35 m de diámetro, y 450 kg de masa) se considera como el misil flotante de diseño para cargas de impacto. En adición, la carga de impacto de un contenedor de carga (40’L x 8’ W x 8-1/2’ H ó 12.2 m x 2.44 m x 2.59 m) se estima que es de 30,000 kg (30 toneladas). Un boceto de definición para estos cálculos de ejemplo se provee en la Figura C-1. R* = 10 m z=4m datum Figure C-1 C.1 Bocetos de definición para cálculos de ejemplo: ejemplo : R* es la elevación máxima del alcance (la distancia máxima de inundación es 500 m) y z es la elevación en el lugar de la estructura de desalojo de tsunami (a 200 m de la orilla). Dos líneas horizontales representan el nivel inicial del agua y el nivel máximo de inundación, respectivamente. Profundidad de Inundación La altura de alcance de diseño recomendada, R, es 30% mayor que la elevación de alcance máxima pronosticada, R*, para compensar por la amplificación local y la incertidumbre del valor pronosticado, Ej., 1.3 R* = 13 m. Entonces, la profundidad de la inundación de diseño en la estructura es 13 – 4 = 9 m. Un francobordo de 3 m (10’) es recomendado; entonces, el área de refugio tiene que localizarse a mayor altura de 9 + 3 = 12 m sobre el suelo. Si la altura típica del suelo es de 4 m, entonces el área de refugio debe localizarse en o más alto del cuarto piso. FEMA P646 C: Cálculos de Ejemplo 121 C.2 Fuerzas Hidrostáticas y Boyantes Se recomienda que todos los muros no estructurales en los niveles bajos del edificio sean separables. En ese caso, las fuerzas hidrostáticas y el posible levantamiento de la estructura como tal no son importantes. Sin embargo, si la estructura, o porciones de ésta, se construyen a prueba de agua en los niveles bajos, entonces los paneles de los muros tienen que estar diseñados para la presión hidrostática anticipada. La fuerza máxima sobre un panel de muro de 4-m de ancho y 3-m de alto en el primer nivel puede calcularse usando la Ecuación 6-2. Ya que el panel de muro del primer nivel está completamente sumergido: h Fh = ρs g R − (z + ∆z) − W hW b 2 3m = 1200 kg m 3 9.81m sec 2 1.3 × 10 m − (4 m + 0.5 m) − (3m )(4 m ) 2 = 989 kN ( )( ) donde ∆z es la altura al pie del panel de muro desde el primer nivel, asumido a ser 0.5 m. Nótese que densidad del líquido ρ = 1.2 ρwater se usa asumiendo una mezcla se agua de mar y sedimento. Con el nivel de agua a 9 m en el lugar del edificio, el primer y segundo nivel estarán sumergidos. Asumiendo que los muros no estructurales se han separado en estos dos niveles, pero no el tercero, entonces el levantamiento debido a flotación que actúa sobre el tercer nivel debe evaluarse. Asumiendo dimensiones de plano de 5 m por 5 m para un panel de piso en el tercer nivel, y una elevación de 7 m sobre el nivel inferior, como en la Figura C-2, entonces la fuerza boyante ascendente puede calcularse usando la Ecuación 6-4: Fb = ρ s gA f hb = (1200kg / m 3 )(9.81m / sec 2 )(5m × 5m)((1.3 × 10m − 4m) − 7m) = 589kN donde hb es la altura del agua desplazada por el piso incluyendo el efecto del aire atrapado bajo éste, como muestra la Figura C-2. C.3 Fuerzas Hidrodinámicas y de Impulso El arrastre hidrodinámico y las fuerzas de impulso son ejercidas en el edificio completo, asumiendo que no hay muros separables en los niveles bajos. 122 C: Cálculos de Ejemplo FEMA P646 2m 5m 9m 7m Figura C-2 Condición resultante de fuerzas boyantes. El valor máximo de h u2 en el lugar puede calcularse usando la Ecuación 6-6, con z = 4 m, R = 13 m, y g = 9.81 m/sec2: (h u ) 2 max 2 z z = g R 0.125 − 0.235 + 0.11 = 105 m 3 sec 2 R R 2 Entonces la fuerza de fluido de la Ecuación 6-5 es: Fd = = 1 ρ s C d (hu 2 ) max 2 1 (1200kg / m 3 )(2.0)(10m)(105m 3 / sec 2 ) 2 = 1260kN donde B = 10 m (ancho del refugio), y Cd = 2.0. Si el tsunami de peor caso llega a un lugar previamente inundado, entonces el frente del tsunami puede formar un macareo. La fuerza de impulso para esta condición sería 1.5 veces la fuerza hidrodinámica, como en la Ecuación 6-7: Fs = 1.5 Fd = 1890 kN Si los muros no estructurales del nivel inferior se diseñan como separables, el arrastre hidrodinámico y las fuerzas de impulso se calcularían para todos los miembros estructurales individuales (Ej. columnas, muros cortantes) y combinados como en la Figura 6-10. FEMA P646 C: Cálculos de Ejemplo 123 C.4 Fuerza de Impacto La velocidad máxima del flujo puede estimarse usando R = 13 m en la Ecuación 6-9: umax = = z 2 g R 1 − R 4m 2 g (13m) 1 − = 13.3m sec. 13m Nótese que esta velocidad de flujo está al filo frontal del flujo donde la profundidad es cero. Por lo tanto, este valor aproximado de 48 km/hr (30 mph) será conservador. Usando este estimado conservador de velocidad, la fuerza de impacto debida a un tronco flotante puede calcularse con la Ecuación 6-8, con Cm = 2.0, k = 2.4 x 106 N /m, y m = 450 kg: Fi = Cm umax km ( ) = 2.0 (13.3m sec ) 2.4 ×10 6 N m (450 kg ) = 874 kN Esta fuerza se aplicaría localmente en el punto asumido de impacto. Si el calado asumido del tronco es de 0.25m, entonces la velocidad se evalúa usando la Figura 6-7. Usando las razonesζ = z/R = 0.31, y la profundidad de flujo, d/R = 0.019, en el lugar: umax = 0.53 2gR umax = 0.53 2 (9.81)(13) = 8.5 m sec la fuerza de impacto es, entonces: Fi = Cm umax km ( ) = 2.0 (8.5 m sec ) 2.4 ×10 6 N m (450 kg ) = 560 kN lo cual es más realista que el estimado anterior (874 kN). La fuerza total sobre la estructura al momento del impacto puede determinarse conservadoramente mediante la combinación de esta fuerza de impacto con la fuerza hidrodinámica de arrastre determinada anteriormente: 124 C: Cálculos de Ejemplo FEMA P646 Fi + Fd = 560 + 1260 = 1820 kN Para calcular la fuerza de impacto causada por un contenedor de carga, el calado, d, tiene que estimarse: d= = W ρ g Abox (1200 kg (30000 kg ) g = 0.84 m m 3 ) g (12.2 m × 2.44 m ) donde W es el peso, Abax es la sección transversal de la caja en el plano horizontal, y la constante g se cancela. La velocidad máxima de flujo que resiste el calado, d = 0.84 m, puede encontrarse en la Figura 6-7. En el lugar, ζ = z/R = 0.31, y la profundidad del flujo, d/R = 0.065. La Figura 6-7 muestra umax a lo largo de la curva límiteζ = 0.31. Por lo tanto, la velocidad maxima de flujo es: umax = 0.15 2 g R = 2.4 m sec. La fuerza de impacto causada por un contenedor de carga se calcula con la Ecuación 6-8 con Cm = 2.0, k = 2.4 x 106 N /m, y m = 30000 kg: Fi = Cm umax km ( ) = 2.0 (2.4 m sec ) 2.4 ×10 6 N m (30000 kg ) = 1290 kN La fuerza total sobre la estructura al momento del impacto puede determinarse de manera conservadora combinando esta fuerza de impacto con la fuerza hidrodinámica de arrastre determinada anteriormente: Fi + Fd = 1290 + 1260 = 2550 kN C.5 Efecto de Diques por Escombros en el Agua El efecto de diques formados por escombros puede ser calculado por la Ecuación 6-1, que se obtiene fácilmente de la fuerza hidrodinámica calculada anteriormente, sustituyendo el ancho recomendado de 12 m (40’): 12 m Fdm = (1260 kN ) × = 1510 kN 10 m FEMA P646 C: Cálculos de Ejemplo 125 Si el edificio fuese más ancho de 12 m, entonces el efecto de dique debe considerarse en varios lugares como muestra la Figura 6-11 para determinar la peor condición de carga sobre la estructura completa, y sobre elementos estructurales individuales. C.6 Fuerzas de Levantamiento Hidrodinámico La fuerza de levantamiento hidrodinámico puede calcularse usando la Ecuación 6-14. Asumiendo que la profundidad del agua en el sofito del segundo nivel hs = 3 m, y en el lugar del refugio, ζ = z/R = 0.31, y la profundidad de flujo, d/R = hs/R = 0.23, la Figura 6-7 muestra u a lo largo de la curva límite en ζ = 0.31. Entonces, la velocidad máxima es: u = 0.15 2 g R = 2.4 m sec. La velocidad vertical puede calcularse usando la Ecuación 6-16, asumiendo que la inclinación del lugar es de 1/50: uv = u tan α = (2.4 )(1 50 ) = 0.048 m sec Entonces la fuerza de levantamiento hidrodinámica calculada por la Ecuación 6-14 es: 1 Cu ρs A f uv2 2 1 2 = (3) 1200 kg m 3 (5 m × 5 m )(0.048 m sec ) 2 = 103 N Fu = ( ) donde es insignificante para la inclinación de la playa en este caso. Si se asume una inclinación de la playa de 1/5, la fuerza hidrodinámica de levantamiento aumenta a 10.3 kN. 126 C: Cálculos de Ejemplo FEMA P646 Anejo D Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto D.1 Modelos Disponibles para Cargas de Impacto La fuerza de impacto de misiles acuáticos (Ej. maderas flotantes, troncos, botes, contenedores de carga, automóviles, edificios) puede ser una causa dominante de la destrucción de un edificio. Desafortunadamente es difícil estimar esta fuerza con exactitud. A diferencia de otras fuerzas, la fuerza de impacto ocurre localmente en el punto de contacto cuando los escombros son más pequeños que el edificio. Puede asumirse que las fuerzas de impacto actúan en o sobre el nivel de la superficie del agua cuando los escombros golpean el edificio. La mayoría de los modelos disponibles están basados en el concepto impulso-momento, en el cual el impulso de la fuerza resultante actuando por vez infinitesimal es igual al cambio en el momento lineal: τ I = ∫ F dt = d ( m u ) ; τ → 0 0 (D-1) donde: I = impulso F = fuerza resultante m = masa del misil acuático u = velocidad del misil t = tiempo Para cálculos reales, un tiempo corto pero finito, ∆t (no infinitesimal), y el cambio promedio en el momento se usan como una aproximación. Existe incertidumbre significativa al evaluar la duración del impacto, ∆t. Las siguientes son las fórmulas disponibles para estimar la fuerza del impacto del misil. Matsutomi (1999). Matsutomi investigó experimentalmente las fuerzas de impulso de maderas flotantes. Llevó a cabo dos experimentos: uno en un tanque de agua pequeño y otro de gran escala para el impacto en el aire. En el tanque pequeño, se generaron un macareo y una marejada (un macareo es un salto hidráulico en movimiento sobre aguas más llanas en reposo frente a FEMA P646 D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto 127 éste, mientras que la marejada es un cuerpo de agua en movimiento sobre un terreno seco). Un modelo a escala de maderas flotantes se colocó a 2.5 m antes del muro receptor. La madera modelo fue cargada por el macareo (o marejada) generado e impactada sobre el muro receptor vertical. Los experimentos de impacto a gran escala se llevaron a cabo para compensar por los posibles efectos de escala de los otros experimentos. Un tronco se amarró al extremo de un péndulo y se hizo pivotar contra una parada equipada con la célula de carga. Nótese que esta condición de impacto en el aire puede diferir significativamente del impacto en el agua debido a la ausencia del efecto de masa añadida por el agua: previo al impacto, el misil acuático es cargado por el flujo de agua y el momento del agua contribuye a la fuerza de impacto. Matsutomi compensó por el efecto de masa añadido con la información obtenida de los experimentos en el tanque de agua. Basado en un análisis de regresión de todos los datos, Matsutomi propuso la Ecuación D-2 para la fuerza de impacto, F: = 1.6 C M 2 γw D L F 1.2 g D u σf γw L 0.4 (D-2) donde: γw = el peso específico del tronco, D y L = diámetro y longitud del tronco, respectivamente, CM = el coeficiente de masa añadida, u = la velocidad del tronco al impactar, y σf = atención de cedencia de la madera Matsutomi recomendó σf = 20 × 106 Pa para un tronco mojado. De los datos experimentales a escala pequeña, recomendó un valor de CM ≈ 1.7 para la condición de macareo o marejada, y CM ≈ 1.9 para un flujo constante. Nótese que los valores recomendados de CM son el límite superior cuando más del 60% del muro receptor es abierto y permeable. El valor de CM es menor cuando el muro receptor no permite el paso del flujo a través de éste. Para un muro receptor sólido (impermeable), Matsutomi encontró que CM = 0.5 para un macareo y CM = 1.1 para una marejada. Nótese que en el caso de una ola de macareo impactar un muro impermeable (sin pasar el flujo) CM es menos que unidad (= 0.5). Esto es porque la reflexión del flujo en el muro reduce la fuerza de impacto. A pesar de un estudio exhaustivo con una gran cantidad de datos de laboratorio, la forma derivada de la Ecuación D-2 es inconveniente debido a 128 D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto FEMA P646 la selección particular de los parámetros de escala, y solo es aplicable a maderas flotantes y troncos. Ikeno et al. (2001; 2003). Se llevaron a cabo experimentos de laboratorio similares a los de Matsutomi (1999) para examinar las fuerzas de impacto de otros objetos aparte de maderas flotantes y troncos. Utilizaron objetos flotantes en formas cilíndricas, de columnas cuadradas, y esféricas. Nótese que a diferencia de los experimentos de Matsutomi, Ikeno et al. solo examinaron el impacto sobre un muro vertical impermeable. La siguiente formula empírica se deriva a base de de experimentos a una escala aproximada de modelo 1/100: F u = S CM g DL gm 2.5 (D-3) donde: S = una constante (igual a 20 en caso de macareo), CM = el coeficiente de masa añadida, m = la masa del objeto flotante. CM = 0.5 independientemente de la forma de los objetos para el impacto de macareo sobre un muro impermeable, lo cual fue adoptado de los resultados de Matsutomi. Para una marejada sobre terreno seco, Ikeno y Tanaka (2003) sugirieron S = 5 y CM = 0.8 para objetos de forma esférica y CM = 1.5 ~ 2.0 para cilindros y columnas de forma cuadrada. Los resultados de Ikeno et al. son válidos solo bajo la condición de un muro impermeable (Ej. todo el flujo del incidente se refleja de regreso hacia el mar). Es por esto que el coeficiente de masa añadida tiene un valor menor que la unidad. Haehnel y Daly (2002). En el Laboratorio de Investigación e Ingeniería en Regiones Heladas del Ejército de Los Estados Unidos (CRREL, en inglés), Haehnel y Daly llevaron a cabo experimentos similares a los de Matsutomi (1999). Ellos observaron troncos de escala reducida en un flujo constante a través de un canal artificial pequeño. Debe notarse que, al igual que se introdujeron posibles errores en los experimentos de impacto de péndulo a escala completa de Matsutomi, las condiciones dentro de la cuenca de remolque también difieren de las condiciones reales del impacto de un misil acuático. En la cuenca de remolque el agua está estacionaria mientras que las condiciones de movimiento del agua son las que cargan el misil. En vez del método de impulso-momento, Haehnel y Daly analizaron los datos basándose en el modelo lineal dinámico con un grado de libertad. Dado a que la colisión ocurre en un periodo de tiempo corto, se obvian los efectos FEMA P646 D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto 129 de amortiguación. Asumiendo que la estructura es rígida, el modelo puede formularse mediante la Ecuación D-4: m && x+kx=0 (D-4) donde: m = la masa del tronco, x = la suma de la compresión del edificio y del tronco durante el impacto y rebote el punto denota la derivada temporal, y k = la rigidez efectiva constante asociada con el trinco y el edificio. Resolver la Ecuación D-4 produce la fuerza máxima mediante la Ecuación D-5: Fmax = Max. k x = u km (D-5) donde: u = la velocidad de impacto Basado en sus experimentos de laboratorio, la rigidez efectiva constante k entre el tronco y el edificio rígido se estima ser 2.4 × 106 N/m. Haehnel y Daly demostraron que el método impulso-momento puede reducirse al método constante-rigidez demostrado por la Ecuación D-5 estableciendo ∆ t = π 2 m (nótese que, para ser consistente con la Ecuación k D-4, la fuerza se considera una función sinusoidal en el tiempo). El método de trabajo-energía puede hacerse equivalente a la Ecuación D-5 estableciendo la distancia de detención como S = u m . El método de k trabajo-energía es un estimado de la fuerza de impacto que iguala el trabajo hecho sobre el edificio con la energía cinética del misil flotante. Basándose en los datos de laboratorio, Haehnel y Daly sugieren las siguientes fórmulas: Método constante-rigidez: Fmax = Max. k x = u k m ≈ 1550 u m (D-6) Método impulso-momento: Fmax = 130 π um 2 ∆t ≈ 90.9 u m D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto (D-7) FEMA P646 Método trabajo energía: Fmax u2 m = ≈ 125 m u 2 + 8000 ∆x (D-8) Nótese que en la Ecuaciones D-6, D-7, y D-8, la velocidad, u, está en m/sec y la masa, m, está kg. Se enfatiza que los errores asociados con el uso del tanque de remolque (en vez de las condiciones reales del tronco cargado por el flujo) pueden ser significativos en los resultados de Haehnel y Daly (2002). Estándar de SEI/ASCE (ASCE, 2003a). ASCE provee la siguiente formula de diseño basada en la Ecuación D-1: F= π m u CI CO C D C B Rmax 2 ∆t (D-9) donde: m = la masa del misil acuático, u = la velocidad de impacto del misil, CI = el coeficiente de importancia, CO = el coeficiente de orientación, CD = el coeficiente de profundidad, CB = el coeficiente de bloqueo, Rmax = la razón de respuesta máxima para carga de impulso, ∆t = la duración del impacto. Todos los coeficientes C están basados en resultados de pruebas de laboratorio no revisados por pares y en juicios de ingeniería. Rmax es un coeficiente para compensar por el efecto del grado de conformidad del edificio. Un solo valor de duración de impacto, ∆t = 0.03 sec, es recomendado, aunque existe amplia variación en la duración del impacto debido a, por ejemplo, el material del objeto, las condiciones de bloqueo del flujo, y la conformidad del edificio. Vale la pena notar que el Código de Construcción de la Ciudad y Condado de Honolulu (CCH, 200) recomienda valores de ∆t para la construcción en madera como 1.0 sec, construcción de acero como 0.5 sec, y de concreto reforzado como 0.1 sec. Además, el Manual de Construcción Costera FEMA 55 (FEMA, 2005) provee los valore de ∆t mostrados en la Figura D-1. Una variación tan excesiva en ∆t hace a la Ecuación D-9 poco confiable. FEMA P646 D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto 131 Figura D-1 D.2 Rangos de duración de impacto (FEMA, 2005). Resumen y Discusión La revisión del trabajo previo demuestra claramente la inmadurez e incertidumbre del conocimiento actual de las fuerzas de impacto por misiles. La forma de la Ecuación D-9 exhibe una lucha por obtener un estimado de ingeniería de las fuerzas mediante el ajuste de cinco coeficientes, basado en juicio de ingeniería, junto con un estimado poco confiable para ∆t. Todas las formulas de predicción están basadas en datos de laboratorio de escala pequeña compensada con medidas de gran escala en condiciones comprometidas. Por ejemplo, los datos de escala completa de Matsutomi se obtuvieron mediante un estudio de impacto en el aire, y los de Haehnel y Daly en un tanque de remolque. Dado que el efecto de masa añadida parece ser importante para el impacto (el impacto detiene no solo al misil acuático, sino también al agua que lo rodea), los resultados derivados de condiciones experimentales comprometidas pueden presentar errores significativos. Por esta razón no se consideró en esta revisión la información disponible de la industria automotriz y sus pruebas de choque. Aun si la velocidad de impacto, u, y la masa del misil, m, fueran dadas, cada fórmula produce una relación funcional diferente para predecir las fuerzas, lo que indica una complejidad e incertidumbre inherentes al problema: Método constante-rigidez ⇒ F ∝ u m , Método impulso-momento ⇒ F ∝ u m , Método trabajo-energía ⇒ F ∝ u 2 m , (D-10) Ikeno y Tanaka (2003) ⇒ F ∝ u m , n ≈ 0.58, y 2.5 n Matsutomi (1999) ⇒ F ∝ u1.2 m n , n ≈ 0.66. Aunque la Ecuación D-2 de Matsutomi está basada en sus análisis sustanciales de una gran cantidad de datos de laboratorio, la forma de la Ecuación D-2 es físicamente ambigua en términos de la selección de los parámetros de escala, limitados a misiles cilíndricos, y es inconveniente para usarse en la práctica. La Ecuación D-3 de Ikeno et al. (aunque empírica) está 132 D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto FEMA P646 basada en sus experimentos de laboratorio de escala pequeña con un muro impermeable; entonces, su extrapolación es poco confiable para aplicaciones del mundo real. Los estimados apropiados de ∆t y ∆x son formidables para los métodos impulso-momento y trabajo-energía, respectivamente. El valor de la rigidez efectiva constante, k, es difícil de evaluar para la Ecuación D-5 de Haehnel y Daly. En realidad, k no es constante; posiblemente es una función de x durante el impacto. Entonces, la Ecuación D-4 linealizada puede ser inadecuada. Hasta que puedan llevarse a cabo estudios más comprehensivos, el método constante-rigidez de la Ecuación D-5, sugerido por Haehnel y Daly, es recomendado por su formulación simple pero racional. Adicionalmente, las comparaciones anteriores con la Ecuación D-10, la relación funcional de m y u a la fuerza F es similar a la Ecuación empírica D-2 de Matsutomi, la cual fue derivada basándose en una gran cantidad de datos experimentales. Considerando que el trato empírico de Matsutomi fue basado en el método impulso-momento, la similitud coincidencial con el método constante-rigidez provee confianza adicional en la formulación. Dado a que tiene que incluirse el efecto de masa añadida, se recomienda que la Ecuación D-5 se modifique como demuestra la Ecuación D-11: Fmax = C M u km (D-11) con CM ≈ 2 para conservatismo (nótese que Matsutomi (1999) encontró que CM ≈ 1.7 ~ 1.9 e Ikeno et al. (2001, 2003) usaron CM ≈ 1.5 ~ 2.0) y k tiene que determinarse basándose en el misil modelo (como se mencionó antes, k = 2.4 × 106 N/m fue recomendado para un tronco por Haehnel y Daly). Nótese que un estimado apropiado de k es clave en este método. Una ventaja adicional del uso de la Ecuación D-11 es que k no es tan sensitivo como ∆t y ∆x en los métodos impulso-momento y trabajo-energía, lo que se demuestra en el hecho de que ∆t y ∆x son proporcionales a 1 , como antes k discutido. FEMA P646 D: Información de Trasfondo en el Cálculo de Cargas de Impacto 133 Anejo E Velocidad Máxima de Flujo y Flujo de Momento en la Zona de Alcance de Tsunami E.1 Velocidad de Flujo Para la predicción de las velocidades y profundidades de flujo en un lugar de interés para un diseño dado de tsunami, la mejor práctica es correr un modelo de simulación numérica detallado con un tamaño de rejilla muy fino (menos de 10 metros) en la zona de alcance de tsunami. Dicho modelo numérico usualmente se corre con un sistema de rejilla jerarquizado, con un tamaño de rejilla de varios kilómetros en la llanura abisal, algunas centenas de metros en la plataforma continental, algunas decenas de metros cerca de la orilla, y menos de 10 metros en la zona de alcance. Una simulación numérica puede proveer la historia temporal completa de la velocidad y profundidad de flujo en el lugar de interés. De manera alterna, se puede considerar el uso de soluciones analíticas. Aunque deben imponerse algunas simplificaciones y suposiciones, los resultados son útiles como guías para verificar lo razonable de los resultados, o como un estimado de los valores aproximados a falta de otra información. Las soluciones analíticas disponibles están basadas en una teoría unidimensional de olas de aguas llanas, completamente no lineal para la condición de una playa con pendiente uniforme. Con estas suposiciones, la solución exacta de una ola de macareo fue dada por Shen y Meyer (1963), basados en Ho y Meyer (1962). La velocidad máxima de flujo ocurre en la punta frontal del alcance como se calcula en la Ecuación E-1: u = 2 g x tan α , (E-1) donde: α = la inclinación de la playa, g = la aceleración gravitacional, y x = la distancia del lugar de alcance máxima hasta el lugar de interés; el lugar de interés debe encontrarse sobre la orilla inicial. FEMA P646 E: Velocidad Máxima de Flujo y Flujo de Momento en la Zona de Alcance de Tsunami 133 Los resultados indican que el flujo cerca de la punta frontal del alcance se mueve playa arriba bajo gravedad, como una partícula con transferencia de energía simple entre sus energías cinética y potencial. De acuerdo con Yeh (2006), la Ecuación E-1 provee el tope del envolvente de la velocidad de flujo para todas las formas incidentales de tsunami. Debido a que una playa real no es uniformemente inclinada, es más conveniente presentar la Ecuación E-1 como una función de la elevación del suelo, en vez de distancia como sigue: z 2 g R 1 − R umax = (E-2) donde: R = la elevación del suelo en la penetración máxima del alcance de tsunami, medida desde la orilla inicial, y z = la elevación del suelo del lugar de interés, medido del nivel de la orilla inicial. Se enfatiza que el modelo no incluye los efectos de fricción y la velocidad máxima de flujo ocurre en la punta frontal del alcance, donde la profundidad de flujo es cero. Debido a que los escombros requieren alguna profundidad de flujo para flotar (calado), el uso de las Ecuaciones E-1 y E-2 para estimar la velocidad para los cálculos de cargas de impacto es algo excesivamente conservador. Basado en los resultados de Shen y Meyer (1963), Peregrine y Williams (2001) proveyeron la fórmula para las variaciones temporales y espaciales en la velocidad y profundidad de flujo del alcance del macareo. Con una escala un poco diferente, Yeh (2007) expresó las fórmulas de Peregrine y Williams para la profundidad y velocidad de flujo, respectivamente, como sigue: ( η= 1 2 2 τ − τ 2 − 2ζ 2 36 τ υ= 1 τ − 2τ 2 + 2 ζ 3τ ) 2 (E-3) y ( ) (E-4) donde, en la ecuaciones de arriba: η= d u ; υ= ; τ = t tan α R 2gR g z ; ζ = R R d = la profundidad del agua, R = la elevación del suelo en la penetración máxima del alcance de tsunami, medida desde la orilla inicial, 134 E: Velocidad Máxima de Flujo y Flujo de Momento en la Zona de Alcance de Tsunami FEMA P646 u = la velocidad de flujo, g = la aceleración gravitacional, α = la pendiente de la playa, t = el tiempo: 0 cuando el macareo pasa la orilla inicial, y z = la elevación del suelo en el lugar de interés, medida desde la orilla inicial; esto identifica el lugar de interés a lo largo de una playa con pendiente uniforme. Para una penetración máxima de alcance dada, el macareo debe producir la velocidad máxima de flujo. La inundación gradual por olas de tsunami que no rompen debe resultar en una velocidad de flujo más lenta que la causada por el alcance del macareo. Entonces, las Ecuaciones E-3 y E-4 pueden ser utilizadas para estimar la velocidad máxima del flujo para una profundidad dada. Combinando las Ecuaciones E-3 y E-4 y eliminandoτ, se puede derivar la Figura E-1. Cada curva en la figura representa la velocidad de flujo sin dimensión υ versus el lugarζ (en términos de la elevación del suelo, z) para una profundidad de flujo dada, d. Esta figura puede usarse para evaluar la velocidad máxima del flujo que puede cargar escombros flotantes con profundidad de calado finita, ya que el calado de los escombros tiene que ser mayor que la profundidad del flujo para que éstos floten. Figura E-1 Flujo máximo de velocidad de profundidad, d, a elevación de suelo, z, y elevación máxima de alcance, R. La curva inferior representa el límite inferior de la velocidad máxima del flujo. La curva inferior de la Figura E-1 es el límite inferior de la velocidad máxima de flujo para una profundidad dada, d. Nótese que los resultados en FEMA P646 E: Velocidad Máxima de Flujo y Flujo de Momento en la Zona de Alcance de Tsunami 135 la Figura E-1 están basados en la condición de alcance de macareo uniforme. La profundidad local de inundación de otras formas de tsunami usualmente excede la del alcance del macareo, y la velocidad máxima del flujo es más baja que la curva límite en la Figura E-1. Entonces, cuando un escombro flotante tenga un calado que exceda la profundidad del flujo del macareo, la velocidad de diseño umax puede estimarse conservadoramente con la curva de límite inferior. E.2 Flujo de Momento Usando el algoritmo exacto de solución, Yeh (2006) desarrolló una curva para el envolvente del flujo de momento máximo por unidad de masa de agua por unidad de ancho, hu2, expresada en la Ecuación E-5: ( ) hu2 = 0.11 x l g α 2 l2 2 ( ) + 0.015 x l (E-5) donde: hu2 = el flujo de momento por unidad de masa por unidad de ancho, α = la pendiente de la playa, g = la aceleración gravitacional, x = la distancia desde el lugar de alcance máximo hasta el lugar de interés (el lugar de interés debe estar sobre la orilla inicial), y l = la distancia máxima de alcance. Una vez se determina la distancia máxima de alcance,l, (Ej. en un mapa de inundación disponible), el flujo de momento, ρ hu2 por unidad de ancho en un lugar dado x, puede ser calculado mediante la Ecuación E-5. Se enfatiza que la Ecuación E-5 es para una pendiente de playa uniforme; entonces, se tienen que hacer algunos ajustes para evaluar condiciones realistas. Como una playa no es de pendiente uniforme, es más conveniente expresar la Ecuación E-5 como una función de elevación de suelo en vez de distancia, como sigue: h u2 z z = 0.125 − 0.235 + 0.11 2 gR R R 2 (E-6) donde: hu2 = flujo de momento por unidad de masa por unidad de ancho, g = la aceleración gravitacional, R = la elevación del suelo en la penetración máxima del alcance de tsunami, medida desde la orilla inicial, y z = la elevación del suelo en el lugar de interés, medida desde la orilla inicial; esto identifica el lugar de interés a lo largo de una playa con pendiente uniforme. 136 E: Velocidad Máxima de Flujo y Flujo de Momento en la Zona de Alcance de Tsunami FEMA P646 Aunque una playa real carece de una pendiente uniforme y el alcance de tsunami no es un movimiento unidimensional, la Figura E-1 y las Ecuaciones E-2 y E-6 proveen una base analítica para condiciones de alcance. FEMA P646 E: Velocidad Máxima de Flujo y Flujo de Momento en la Zona de Alcance de Tsunami 137 Glosario Las siguientes definiciones se proveen para explicar los términos y acrónimos utilizados en este documento. Muchos han sido tomados directamente de FEMA 55, Manual de Construcción Costera (FEMA, 2005). ADA – Ley de Personas con Impedimentos (Americans with Disabilities Act). Ley que requiere que se hagan acomodos de diseño para personas con ciertas discapacidades. Albañilería – Construcción a base de una combinación de materiales como arcilla, pizarra, concreto, vidrio, yeso, piedra, u otras unidades aprobadas unidas unas a otras con o sin mortero, lechada, u otros métodos de unión aceptados. Alcance de tsunami – Empuje de las olas de tsunami sobre un terreno, pendiente, o estructura. Altura de la ola – Distancia vertical entre las elevaciones máximas y mínimas en el perfil de la ola. Altura del alcance de tsunami – La diferencia entre la elevación de la penetración máxima de tsunami y la elevación de la orilla en el momento de ataque del tsunami. Área Costera de Alto Peligro – Bajo el Programa Nacional de Seguros de inundación, un área de peligro especial de inundaciones que se extiende desde el agua hasta el límite demarcado por la duna frontal primaria a lo largo de una costa abierta, y cualquier otra área sujeta a la acción de olas de alta velocidad causadas por tormentas o sismos. En un Mapa de Tasas Seguros de Inundación (FIRM, en inglés), un área costera de alto peligro se denomina como Zona V, VE, o V1–V30. Estas zonas designan las áreas sujetas a la inundación base donde las olas sean de 3 pies o más. En Hawaii, las Zonas VE generalmente se localizan en lugares donde la profundidad del agua para un evento de 100 años (como determinado por los datos de tsunami o huracán) es más de 4 pies. Área de peligro de inundación – La mayor de las siguientes: (1) el área de peligro especial de inundación, como se define bajo el Programa Nacional de FEMA P646 Glosario 139 Seguros de Inundación, o (2) el área legalmente designada como de peligro de inundación en el mapa de peligro de inundación de esa comunidad. Área de Peligro Especial de Inundación (SFHA, en inglés) – Bajo el Programa Nacional de Seguros de Inundación, un área con peligros de inundaciones, deslizamientos de lodo (flujo de lodo), y/o peligros de erosión relacionados a las inundaciones, como se muestra en un Mapa de Límites de Peligro de Inundación o un Mapa de Tasas de Seguros de Inundación como una Zona A, AO, A1-A30, AE, A99, AH, V, V1-V30, VE, M, ó E. Armadura – Material usado para proteger las pendientes de la erosión y el socavación por las aguas de la inundación, como revestimientos, gaviones, o concreto. ASCE – Asociación Americana de Ingenieros Civiles (American Society of Civil Engineers). ATC – Consejo de Tecnología Aplicada (Applied Technology Council). B Barrera costera – Rasgos geológicos deposicionales como barreras de bahía, tómbolos, cordones litorales, o islas de barrera que consisten de materiales sedimentarios no consolidados; está sujeta a energías de olas, de marea, y eólicas; y protegen los hábitat acuáticos tierra adentro del embate directo de las olas. Batimetría – Configuración subacuática del fondo de un océano, estuario, o lago. Berma – Un montículo de material terrestre. C CAEE – Asociación Canadiense de Ingeniería de Terremotos (Canadian Association for Earthquake Engineering). Calado – La profundidad de agua necesaria para que un cuerpo flote. Carga Inerte– El peso de todos los materiales de construcción incorporados al edificio, incluyendo muros, pisos, techos, escaleras, particiones permanentes, terminaciones, revestimientos, otros elementos arquitectónicos y estructurales similarmente incorporados, y equipos de servicio fijos. (Véase Cargas) 140 Glosario FEMA P646 Cargas – Fuerzas u otras acciones resultantes del peso de todos los materiales de construcción, ocupantes y sus posesiones, efectos ambientales, movimiento diferencial, y cambios dimensionales refrenados. Cargas de impacto por escombros – Cargas impuestas sobre la estructura por el impacto de escombros en el agua. Cargas hidrodinámicas – Cargas impuestas sobre un objeto, como un edificio, por el flujo del agua a través de y alrededor de éste. Entre estas cargas se encuentran la presión frontal positiva contra la estructura, efectos de arrastre a lo largo de los lados, y presión negativa en el lado contrario al flujo. Cargas hidrostáticas – Cargas impuestas sobre una superficie, como un muro o losa de piso, por una masa de agua en reposo. La presión del agua aumenta linealmente con la profundidad del agua; entonces, las cargas hidrostáticas aumentan con el cuadrado de la profundidad del agua. Cimientos de muelle – Cimientos consistentes de elementos estructurales de albañilería aislada o concreto moldeado en el lugar que se extienden hacia los materiales firmes. Los muelles son relativamente anchos en comparación con su longitud, y derivan su capacidad de resistir cargas mediante la fricción de superficie, la distribución de la carga, o una combinación de ambas. Cimientos de pilotes – Cimientos consistentes de elementos estructurales de concreto, madera, o acero, hincados o taladrados en el suelo, o moldeados en el lugar. Los pilotes son relativamente esbeltos en comparación con su longitud, y derivan su capacidad de resistir cargas mediante la fricción de superficie, la distribución de la carga, o una combinación de ambas Cimientos de poste – Cimientos consistentes de elementos de apoyo verticales, usualmente de madera, colocados en hoyos y rellenados con material compactado. Códigos de construcción – Regulaciones adoptadas por los gobiernos locales para establecer estándares de construcción, modificación, y reparación de edificios y otras estructuras. Colapso progresivo – El estándar de ASCE/SEI 7-02 define el colapso progresivo como“la propagación de una falla inicial localizada, de elemento a elemento, resultando eventualmente en el colapso total de la estructura o una parte desproporcionadamente grande de ésta.” Concreto moldeado en el lugar– Concreto formado, colocado, y endurecido en su localización final en la estructura. FEMA P646 Glosario 141 Concreto premoldeado – Concreto, usualmente para un elemento estructural discreto, que se forma, coloca y endurece en un lugar, y subsiguientemente se mueve y ensambla en otro. Concreto reforzado – Concreto estructural reforzado con acero. Concreto simple – Concreto estructural con poco (menos de lo especificado para concreto reforzado) o ningún refuerzo. Cresta de la ola – Punto de elevación más alto en el perfil de la ola. D Datum Nacional Geodésico Vertical (NGVD, en inglés) – Datum establecido en el 1929 y usado como base para la medición de elevaciones de inundaciones, de suelos, y estructuras; antes conocido como Datum de Nivel de Mar, o Nivel Promedio del Mar. Las Elevaciones Base de Inundaciones mostradas en la mayoría de lis Mapas de Tasas de Seguros de Inundación emitidos por FEMA hacen referencia al NGVD o, más recientemente, al Datum Vertical Norteamericano Datum Vertical Norteamericano (NAVD, en inglés) – Datum usado como base para medir elevaciones de inundación, suelos, y elevaciones estructurales. El NAVD, en vez del Datum Nacional Geodésico Vertical, se ha utilizado en numerosos estudios recientes de seguros de inundación. DoD – Departamento de Defensa (Department of Defense). Elevación de aguas en reposo – Elevación proyectada de las aguas de la inundación, en referencia al Datum Nacional Geodésico Vertical, el Datum Vertical Norteamericano, o algún otro datum, en la ausencia de olas resultantes del viento o efectos sísmicos. Elevación de inundación – Altura de la superficie del agua sobre un datum de elevación establecido en el Datum Nacional Geodésico Vertical, o el nivel normal del mar. Elevación Base de la Inundación – (BFE, en inglés) Elevación de la inundación base en relación a un datum específico, como el Datum Vertical Geodésico Nacional o el Datum Vertical Norteamericano. La elevación base de la inundación es la base de los requisitos de seguro y manejo de zonas inundables del Programa Nacional de Seguros de Inundación. Elevación de la inundación de tsunami – La elevación, medida desde el nivel del mar, en el lugar de penetración máxima del tsunami. 142 Glosario FEMA P646 Escombros – Objetos o masas de objetos sólidos cargados por o flotando sobre agua en movimiento. Escombros en el agua (flotantes) – Cualquier objeto transportado por las olas de tsunami (Ej. maderas, botes pequeños, contenedores de carga, automóviles). F FEMA – Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (Federal Emergency Management Agency). FIRM – Sigla en inglés para el Mapa de Tasas de Seguros de Inundación (Flood Insurance Rate Map). Fuerzas de impacto – Cargas que resultan de escombros flotantes transportados por el tsunami e impactan los edificios y estructuras, o partes de éstos. Fuerzas de Impulso – Fuerza inducida contra una obstrucción vertical sujeta al filo frontal del alcance de un tsunami, también conocidas como fuerzas de “marejada.” G GSA – En inglés, Administración de Servicios Generales (General Services Administration). I Ingreso – El acto de entrar a un edificio. Inundación Base – Inundación que tiene un 1% de probabilidad de ser igualada o excedida en cualquier año, también conocida como la inundación de 100 años. Inundación de 500 años – Inundación que tiene un 0.2% de probabilidad de ser igualada o excedida en un año cualquiera. L Levantamiento – Presión hidrostática vertical causada por el volumen de agua desplazada bajo un edificio. Licuefacción – Fenómeno que ocurre en suelos saturados cuando la presión neta excede la fuerza de gravedad que mantiene juntas las partículas de suelo. La fortaleza y rigidez del suelo disminuye dramáticamente al el suelo comportarse como un líquido. FEMA P646 Glosario 143 Línea de escombros – Marcas en una estructura o en el suelo causadas por el depósito de escombros, indicando la altura y el alcance de las aguas de la inundación. M Macareo – Una ola larga y rota que se propaga hacia un cuerpo de agua quieto, con un aumento abrupto de la profundidad del agua y su parte frontal está cubierta de agua turbulenta. Mapa de Tasas de Seguros de Inundación – (Flood Insurance Rate Map, en inglés). Bajo el Plan Nacional de Seguros de Inundación, un mapa oficial de una comunidad sobre la cual la Agencia Nacional para el Manejo de Emergencias (FEMA) ha delineado tanto áreas especiales de peligro, como las zonas primarias de riesgo aplicables a la comunidad. (Nota: El FIRM más reciente adscrito a una comunidad se conoce como el FIRM efectivo para esa comunidad). Mapas probabilísticos – Mapas de efectos de tsunami pronosticados incluyendo la zona de inundación, profundidad de inundación, y velocidades de flujo, basados en un método de probabilidad e incertidumbre. Marejada ciclónica – Elevación en la superficie del agua sobre lo normal en una costa abierta debido a la acción del viento y la presión atmosférica sobre la superficie. Minado – Proceso por en cual la erosión o socavación excede la profundidad de la base de los cimientos de un edificio, o el nivel bajo el cual la fortaleza de soporte de los cimientos se ve comprometida. Mitigación – Cualquier acción tomada para reducir o eliminar permanentemente el riesgo a largo plazo de vidas y propiedades por desastres naturales. Modificación – Cualquier cambio hecho sobre una estructura existente con el propósito de reducir o eliminar posibles daños a causa de inundaciones, erosión, vientos fuertes, terremotos, y otros peligros. Muralla marítima – Barricada sólida construida en el borde del agua para proteger la orilla y prevenir la inundación del terreno. Muro cortante – Muro sostenedor o no sostenedor de cargas que transfiere las fuerzas en el plano de las cargas laterales que actúan sobre una estructura. Muro separable – Bajo el Programa Nacional de Seguros de Inundación, un muro que no es parte del soporte estructural y que, mediante su diseño y 144 Glosario FEMA P646 construcción, tiene el propósito de colapsar bajo fuerzas de cargas laterales específicas sin causar daño a la porción elevada del edificio o su sistema de cimentación. Los muros separables son requisitos del Programa Nacional de Seguros de Inundación para cualquier entorno construido bajo la Elevación de la Inundación Base y bajo edificios elevados en zonas costeras de alto peligro (y en las Zonas V). En adición, los muros separables se recomiendan en áreas donde las aguas fluyen a gran velocidad o contienen hielo o escombros. N Nivel de agua de tsunami – La diferencia entre la elevación del nivel de agua más alto del lugar y la elevación de la orilla en el momento de ataque de tsunami. Muro no estructural – Muro que no apoya ninguna carga estructural además de su propio peso. O Oficial de construcción – Un oficial u otra autoridad designada encargada de la administración y cumplimiento del código, o un representante debidamente autorizado como un oficial de manejo de construcción, zonificación, planificación, o terrenos de inundación. Ola de rompimiento de colapso – Un tipo de ola asociada a una playa sumamente inclinada y una ola incidental plana, lo que ocurre instantáneamente en la orilla. Ola de rompimiento en voluta– tipo de ola que al romper, su frente se riza formando un tubo; usualmente sucede en playas donde la pendiente es de inclinación moderada. P Pie – La base agrandada de la cimentación de un muro, muelle, poste, o columna designada para esparcir la carga de la estructura para que no exceda la capacidad de sostenimiento del suelo. Programa Nacional de Seguros de Inundación (NFIP, en inglés) – Programa federal creado por el Congreso de los Estados unidos en 1968 que hace disponible un seguro contra inundaciones en comunidades que aplican y hacen cumplir satisfactoriamente las regulaciones de manejo de terrenos inundables. FEMA P646 Glosario 145 R Recubrimiento– Superficie exterior del envolvente del edificio. Refugio de Desalojo Vertical de Tsunamis – Un edificio o montículo de tierra que tiene la altura suficiente para elevar a los desalojados sobre la profundidad de inundación del tsunami, y está diseñado para resistir las fuerzas generadas por las olas de tsunami. Relleno – Material como suelo, gravilla, o piedra triturada colocada en un área para aumentar la elevación o cambiar las propiedades del suelo (Véase Relleno estructural) Relleno estructural – Relleno compactado hasta una densidad específica para proveer apoyo estructural o protección a una estructura. Reporte FEMA MAT – Reporte del Equipo de Avalúo de Mitigación de FEMA (FEMA Mitigation Assessment Team Report). Retiro rápido – Una reducción súbita en el nivel de agua inmediatamente previo a la primera ola de tsunami, o entre olas de tsunami. S SEI – Instituto de Ingeniería Estructural de ASCE (Structural Engineering Institute of ASCE). Socavación – Remoción del suelo o relleno a causa del flujo del agua, frecuentemente usado para describir la erosión cónica alrededor de los pilotes y otros soportes durante una tormenta o tsunami. T Tabique hermético – Un muro u otra estructura, a menudo de madera, acero, piedra, o concreto, designada para contener o prevenir deslizamientos erosión, y ocasionalmente para proteger de la acción de las olas. Terremoto Base de Diseño (BCE, en inglés) –El nivel de peligro de terremoto para el cual las estructuras están específicamente diseñadas para resistir, tomado como dos tercios del nivel de peligro del Terremoto Máximo Considerado. Terremoto Máximo Considerado (MCE, en inglés) – Los efectos de terremoto más severos considerados en los códigos y estándares de diseño sísmico. El MCE está basado en los mapas de peligro sísmico del Servicio Geológico de Estados Unidos, los que a su vez son una combinación: (1) peligros probabilísticos de movimiento sísmico de 2500 años; y (2) peligros 146 Glosario FEMA P646 determinísticos de movimiento en áreas de alta actividad sísmica, con las relaciones atenuantes de movimiento sísmico apropiadas para cada región. Topografía – Configuración de un terreno, incluyendo su relieve y la posición de sus características naturales y artificiales. Tsunami – Una serie de olas oceánicas de ocurrencia natural resultado de un disturbio rápido, de gran escala en un cuerpo de agua, causado por terremotos, derrumbes, erupciones volcánicas, e impactos de meteoritos. Tsunami de origen cercano – Tsunami generado por una fuente cercana al lugar de interés de tal manera que los efectos del evento causante del tsunami se sienten y éste llega dentro de un término de 30 minutos. Tsunami de origen lejano – Tsunami resultante de una fuente localizada lejos del lugar de tal manera que llegue en un lapso de tiempo de más de 2 horas. Tsunami de origen medio – Tsunami generado por una fuente que está cerca del área de interés, pero no lo suficiente para sentir los efectos del evento causante del tsunami. Tsunami Máximo Considerado (MCT, en inglés) – Un evento de tsunami de diseño basado en el avalúo probabilístico considerando todas la Fuentes de origen de tsunami, o un avalúo determinístico considerando el tsunami máximo que puede esperarse razonablemente en el área. V Viga de cimentación – Sección de una losa de concreto que es más gruesa que el resto de la losa, y actúa como pie para proveer estabilidad, a menudo bajo muros de sostenimiento de cargas o estructurales críticos. Z Zona A – Bajo el programa Nacional de Seguros de Inundación, el área sujeta a inundaciones por una inundación de 100 años donde las olas sean de menos de 3 pies [designadas Zonas A, AE, A1-A30, A99, AR, AO, o AH en un Mapa de Tasas Seguros de Inundación (FIRM)]. Zona Costera A – La porción del Área Especial de Peligro de Inundación tierra adentro de una Zona V o de una costa abierta sin una Zona V identificada en la cual las principales fuentes de inundaciones lo son las mareas astronómicas, marejadas ciclónicas, seiches, o tsunamis (no orígenes de ríos). Las fuerzas de inundación en las Zonas Costeras A están altamente correlacionadas a los vientos costeros y la actividad sísmica costera. Las FEMA P646 Glosario 147 Zonas Costeras A pueden entonces estar sujetas a efectos de olas, flujos de velocidad, er5osión, socavación, o combinaciones de estas fuerzas. (Nota: El Programa Nacional de Seguros de Inundación no reconoce diferencia entre Zonas Costras A y las Zonas A no costeras. Zona de inundación de tsunami – La región inundada por la penetración del tsunami a la tierra. Zona de olas – Área que coincide con Zonas V, VE, ó V1–V30, ó Áreas Costeras de Alto Peligro. Zona terrestre – Para efectos de este reporte, el área de tierra dentro de las Zonas A y X (el límite de la inundación de 500 años). Zona V – Véase Área Costera de Alto Peligro. Zona VE– Áreas Costeras de Alto Peligro donde la Elevación Base de la Inundación ha sido determinada mediante un estudio detallado. 148 Glosario FEMA P646 Referencias Abe, S., Sugaya, C., Tanaka et al., 2005, “Guideline for Tsunami Evacuation Buildings,” Tsunami Evacuation Building Guideline Committee, http://www.bousai.go.jp/oshirase/h17/tsunami_hinan.html (translated from Japanese). Abednego, L.G., 2005, “The Contribution of Indonesian Engineers Association to Aceh Province After Earthquake and Tsunami,” Proceedings of the Scientific Forum on Tsunami, Its Impact and Recovery, AIT Conference Center, Bangkok, Thailand. ACI, 2005, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 31805) and Commentary (ACI 318R-05), American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan. 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Heintz (Gerente de Proyecto) Consejo de Tecnología Aplicada (ATC) 201 Redwood Shores Parkway, Suite 240 Redwood City, CA 94065 FEMA Oficial de Proyecto FEMA Monitor Técnico Michael Mahoney (Oficial de Proyecto) Agencia Federal para el Manejo de Emergencias 500 C Street, SW, Room 416 Washington, DC 20472 Robert D. Hanson (Consultor Técnico) (Agencia Federal para el Manejo de Emergencias) 2926 Saklan Indian Drive Walnut Creek, CA 94595 Comité Gerencial del Proyecto Steven Baldridge (Director Técnico de Proyecto) BASE Research & Development, LLC 1164 Bishop Street, Suite 605 Honolulu, HI 96813 Frank González Administración Nacional Oceánica y Atmosférica Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico 7600 Sand Point Way NE, Building 3 Seattle, WA 98115-0070 John Hooper Magnusson Klemencic Associates 1301 Fifth Avenue, Suite 3200 Seattle, WA 98101 FEMA P646 Ian N. Robertson Universidad de Hawaii en Manoa Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 2540 Dole Street, Holmes Hall 383 Honolulu, HI 96822 Timothy J. Walsh Departamento de Recursos Naturales, Geología & Recursos Terrestres 1111 Washington Street SE, P.O. Box 47007 Olympia, WA 98504-7007 Harry Yeh Universidad Estatal de Oregon Facultad de Ingeniería Civil y Construcción 220 Owen Hall, Corvallis, OR 97331-3212 Project Participants 161 Panel de Revisión de Proyecto Christopher P. Jones* (Presidente) 5525 Jomali Drive Durham, NC 27705 Chris Jonientz-Trisler Agencia Federal para el Manejo de Emergencias Región X 130 228th Street SW Bothell, WA 98021-9796 John Aho CH2M Hill 301 West Northern Lights Blvd., Suite 601 Anchorage, AK 99503-2662 Marc L. Levitan Centro de Huracanes de LSU Suite 3221 CEBA Building Louisiana State University Baton Rouge, LA 70803 George Crawford Departamento Militar de Washington División de Manejo de Emergencias Camp Murray, WA 98430-5122 Richard Eisner Servicios de Emergencia Oficina del Gobernador 1300 Clay Street, Suite 400 Oakland, California 94612 Lesley Ewing Comisión Costera de California 45 Fremont Street, Suite 2000 San Francisco, CA 94105 Michael Hornick DHS/FEMA, Región IX 1111 Broadway, Suite 1200 Oakland, CA 94607 George R. Priest Departamento de Geología e Industrias Minerales de Oregon Oficina de Newport P.O. Box 1033 Newport, OR 97365 Charles W. Roeder Universidad de Washington Ingeniería Estructural & Mecánica 233B More Hall, Box 352700 Seattle, WA 98195-2700 Jay Wilson Departamento de Manejo de Emergencias Condado de Clackamas 2200 Kaen Road Oregon City OR 97045 *Representante Junta ATC 162 Project Participants FEMA P646
