AMPLIFICACIÓN SÍSMICA EN LA CIUDAD DE MÉXICO

La ciudad azteca Tenochtitlán se estableció en una isla artificial (Figura 1) alrededor de 1325 como capital del sistema de ciudades-estado en el Valle de México. Tenochtitlán estaba rodeada por una cadena de lagos, incluido el gran lago de Texcoco. Los aztecas intentaron coexistir con la naturaleza y utilizaron los recursos disponibles para abordar los desafíos de su ecosistema. Por ejemplo, desviaron agua del río Cuautitlán fuera de la ciudad hacia el lago Zumpango para evitar inundaciones en temporadas de lluvias. Idearon el brillante sistema agrícola pasivo de “chinampas” flotantes y elevados para el riego y la producción de alimentos, que utilizaba los lagos y permitía abrir canales en los estratos lacustres subyacentes. Desafortunadamente, las chinampas fueron posteriormente abandonadas cuando el control de la zona pasó a los españoles.

Adoptando un enfoque invasivo para domesticar completamente la naturaleza, los españoles construyeron la Ciudad de México en el mismo lugar donde había estado Tenochtitlán. Los colonos exigieron calles más amplias, arquitectura española con la eliminación de edificios coloniales, iglesias en lugar de templos antiguos y megaproyectos de infraestructura. Combinado con la destrucción de muchas represas y la eliminación de tierras forestales, el agua se convirtió en un problema urbano insuperable para el gobierno colonial, exponiendo a la nueva ciudad a grandes inundaciones y sequías.

El Valle de México es una cuenca cerrada con un nivel freático alto cubierto por arcilla volcánica impermeable, lo que hace que el agua de lluvia se estanque y se desborde rápidamente en lugar de infiltrarse en el suelo. Esto no se tuvo en cuenta en la planificación de la nueva ciudad, lo que provocó importantes problemas de inundaciones; la primera gran inundación en 1555 sumergió la ciudad durante cinco años. Los españoles intentaron abordar este riesgo utilizando técnicas que habían funcionado en otras grandes ciudades: importaban agua para el consumo, la eliminaban después del consumo y evitaban su sobreabundancia. En 1607, crearon un importante sistema de drenaje de agua que evolucionó a lo largo de los siglos hasta convertirse en un intrincado sistema para el drenaje permanente de la cuenca.

Hoy en día, la Ciudad de México cuenta con una compleja red de infraestructura de túneles de drenaje profundo para el control del agua que incorpora el sistema original restaurado. El sistema incluye intervenciones complicadas como transferencias entre cuencas y kilómetros de tuberías y bombas de agua, pero se enfrenta al desafío de la corrosión que requiere reparaciones frecuentes, mientras que a menudo opera más allá de su capacidad. Irónicamente, a pesar de la plétora de inundaciones, lluvias y acuíferos disponibles, el suministro de agua es escaso debido a la explotación ineficiente de la infraestructura hídrica existente. Si no se aplican nuevas soluciones, se estima que la Ciudad de México necesitará desesperadamente agua dentro de tres a cinco décadas.

Además, las persistentes inundaciones repentinas inundan los barrios de las elevaciones más bajas, donde viven los más pobres. La escasez de agua y la desigualdad social asociada son problemas importantes, directamente relacionados con la práctica geotécnica. Los ingenieros deben lidiar con el continuo hundimiento de la ciudad debido al bombeo y las inundaciones, mientras que al mismo tiempo diseñan soluciones de excavación y cimentación para soportar rascacielos que a menudo tienen seis o más niveles de sótano. Además de los problemas convencionales impuestos por la geomorfología local única, los ingenieros también deben abordar los efectos potenciales de grandes terremotos que probablemente ocurran al menos una vez durante el ciclo de vida de los edificios y la infraestructura.

El drenaje del lago y la eliminación de bosques han afectado las condiciones del subsuelo. El drenaje continuo ha aumentado las ya altas tasas de consolidación local, mientras que la eliminación de la vegetación urbana ha provocado la pérdida de suelo debido a la erosión y la deposición de sedimentos blandos del lago. Estos sedimentos son arcillas blandas volcánicas y lacustres intercaladas con finas capas de limo y arena. Microscópicamente, estas arcillas son mezclas complejas de minerales cristalinos y material amorfo, así como una variedad de microorganismos y microfósiles, como cubos de pirita cristalina (Figura 2). Estas características hacen que la estructura mineralógica sea única en comparación con los suelos más convencionales, atrapando grandes volúmenes de agua en una estructura abierta y floculada. Por lo tanto, las propiedades geotécnicas de las arcillas saturadas de la Ciudad de México tienen contenidos de agua natural inusualmente altos (wn ≈ 200 a 600 por ciento) e índices de plasticidad (PI ≈ 200 a 300 por ciento) que las hacen extremadamente compresibles, provocando asentamientos alarmantes en toda la Ciudad.

Las extraordinarias propiedades mecánicas y físicas de estos suelos también se reflejan en sus propiedades dinámicas, con velocidades de onda de corte (Vs) extremadamente bajas, en el rango de 40 a 90 m/s. Además, su comportamiento prácticamente permanece dentro del rango elástico lineal, incluso para deformaciones horizontales (γ) del orden del 0,1 por ciento impuestas por grandes terremotos regionales. Las observaciones y las pruebas de laboratorio muestran que el módulo de corte (G) para γ < 10-3 se reduce en menos del 10 por ciento de su valor elástico Go, y la arcilla absorbe muy poca energía sísmica con un amortiguamiento desarrollado (x) como tan solo el 2 por ciento.

Esto provoca grandes efectos de amplificación del sitio que se confirman con los altos valores de aceleración registrados en la Ciudad de México durante terremotos distantes. En la práctica de la ingeniería, la respuesta sísmica de los perfiles típicos del suelo de la Ciudad de México se puede simular mediante métodos lineales equivalentes y simplificados utilizando software como SHAKE y DEEPSOIL. Sin embargo, la respuesta general del sitio también se ve afectada por la topografía de la cuenca y la profundidad de las capas rígidas de la interfaz rocosa en la base del antiguo sistema de lagos.

El hundimiento del suelo de más de 40 cm/año en el centro histórico es inducido por la consolidación primaria de las capas de arcilla blanda, y se estima que algunas áreas se asentaron a 6 m entre 1890 y 1950. Las observaciones y los datos topográficos registrados durante los últimos 100 años muestran un total de asentamientos de 9.5 m en la Catedral Metropolitana y 11 m en el Parque Alameda Central. Los asentamientos diferenciales resultantes han dañado carreteras, tuberías e infraestructura de edificios con la propagación de grietas y fracturas por tensión.

Un ejemplo de “libro de texto” es el Palacio de Bellas Artes, una opulenta maravilla arquitectónica construida a principios del siglo XX en el corazón del centro histórico. Anteriormente, el lugar estuvo ocupado durante 250 años por el Convento de Santa Isabel y había experimentado continuos daños debido a asentamientos diferenciales. La ubicación era ideal, pero las condiciones desfavorables del subsuelo provocaron rápidamente hundimientos durante la construcción de los cimientos del nuevo edificio, alcanzando 27 cm entre las esquinas en un año. Se inyectó lechada en las arcillas blandas para remediar el problema, ralentizando temporalmente los asentamientos. Sin embargo, con el tiempo el hundimiento continuó, superando los 7 m en 1980 y continúa hasta el día de hoy. Actualmente, el Palacio se encuentra unos metros más bajo que las calles aledañas. Se han agregado escalones para que los visitantes bajen hasta la entrada. Sin embargo, el asentamiento es uniforme, lo que permite que el edificio se hunda, un efecto beneficioso de la lechada que evitó daños estructurales por movimientos diferenciales.

Ubicado en la intersección de cuatro placas tectónicas principales (Norteamericana, Cocos, Caribe y Pacífico) y la microplaca de Rivera, México es uno de los lugares sísmicamente más activos del mundo, sacudido frecuentemente por grandes terremotos. Sólo en el último siglo se han producido 41 fenómenos con magnitudes superiores a 6,5. Cuando se desencadena un terremoto, las ondas sísmicas incidentes generadas en el lecho de roca se propagan hacia arriba en el antiguo lecho del lago y en los depósitos rígidos suprayacentes, las densas arenas y arcillas limosas, las arcillas plásticas blandas y los rellenos superiores recientes.

Esta propagación de ondas a través de medios de suelo de diferente rigidez hace que el movimiento sísmico cambie tanto en amplitud como en frecuencia. Debido a que la amplitud generalmente aumenta a través de los suelos suprayacentes, el fenómeno se denomina "amplificación del suelo". La intensidad de la amplificación del suelo depende de la ubicación del sitio dentro o lejos de los antiguos lagos, lo que define la frecuencia primaria con la que el suelo vibra en ese lugar. Cuando esta frecuencia coincide con la frecuencia de una estructura, se produce la resonancia. Los efectos del suelo están representados a través de tres zonas en el Código de Construcción de la Ciudad de México de 2017 (Figura 3): I (Lomas); II (Transición) y III (Lago).

Los efectos de amplificación del suelo en la Ciudad de México han sido históricamente sorprendentes, impulsados principalmente por el espesor y las propiedades de la arcilla blanda superior y la topografía de la cuenca. Básicamente, las ondas quedan atrapadas y chapotean de un lado a otro, como si se agitara gelatina en un recipiente, sin absorber, sino amplificar la energía sísmica; Este raro fenómeno se llama amplificación de la “cuenca del suelo”. Cuando la resonancia en la frecuencia predominante de la cuenca del suelo coincide con las del propio terremoto y la estructura, la pesadilla de la “doble resonancia” de un ingeniero sísmico se convierte en realidad, como se observó en los principales terremotos regionales desde 1985.

El terremoto de magnitud 8,0 del 19 de septiembre de 1985 es, con mucho, el más destructivo en la historia de la Ciudad de México hasta la fecha. Su epicentro estuvo en la zona de subducción del Océano Pacífico, frente a la costa de Michoacán, a unos 320 kilómetros de distancia. Aunque la mayoría de los terremotos no suelen causar daños tan lejos, una parte de la Ciudad de México sufrió daños graves (Figura 4), probablemente debido a fenómenos de doble resonancia. Casi 10.000 edificios se derrumbaron, la mayoría siguiendo un colapso en forma de “panqueque”, causando la muerte de más de 39.000 personas.

El terremoto tuvo una larga duración debido a su magnitud y a los efectos de la cuenca del suelo, por lo que las estructuras exhibieron un fuerte comportamiento no lineal, que resultó beneficioso o perjudicial. Específicamente, los edificios de 10 a 15 pisos resultaron dañados al comienzo del terremoto, lo que los hizo agrietarse y alargar su período predominante, lo que provocó una doble resonancia y un eventual colapso. Por otro lado, los edificios más altos, de unos 20 pisos o más, sufrieron daños iniciales menores que alejaron su período de la doble resonancia, lo que les evitó grietas mínimas y ninguna pérdida de vidas.

Tres décadas más tarde, los edificios modernos habían reemplazado a los destruidos en 1985 y, lo que es más importante, los códigos sísmicos locales se actualizaron a estándares más altos. En 2017, en el 32.º aniversario del evento de 1985, se produjo un terremoto de Mw 7,1 a 120 km al sur de la Ciudad de México. La muerte de al menos 400 personas y la pérdida de 40 edificios, aunque significativas, fueron pérdidas mucho menores que las de 1985, principalmente debido a la mejora de los códigos y a la menor magnitud. Las estructuras fallidas tenían entre 5 y 12 pisos de altura dentro de la Zona de Transición II y demostraron el mismo patrón de colapso en forma de panqueque que el de la escuela Enrique Rebsamen que trágicamente cobró la vida de 21 niños.

Paradójicamente, aunque los dos eventos tuvieron diferentes características sismológicas de magnitud, distancia epicentral y orientación, generaron amplificación y daño del suelo similar donde ocurrió doble resonancia. Dos estaciones de fuerte movimiento, la UNAM (estación de la Universidad Autónoma de México) en un afloramiento rocoso, y la SCT (estación de la Secretaría de Comunicaciones y Transporte) en la superficie del suelo de un depósito de arcilla de 40 m de profundidad en la Zona III del Lago, registraron ambos eventos. Las grabaciones de roca de la UNAM de 1985 y 2017 tuvieron aceleraciones máximas del suelo y espectros de respuesta similares, con un fuerte contenido de frecuencia en el rango de período de 2 segundos (s). A medida que estos movimientos se propagaron hacia arriba para alcanzar la superficie del suelo en la estación SCT, las aceleraciones de 2017 fueron menores que las de 1985, lo que explica parcialmente el menor daño en 2017. Ambos eventos revelaron el papel perjudicial de la cuenca del suelo al amplificar los movimientos de las rocas a un factor de hasta 13 (Figura 5), aproximadamente tres veces el factor máximo de sitio de suelo blando en códigos como ASCE 7 que rara vez excede 4.

La intervención colonial que creó la Ciudad de México lo hizo a expensas del medio ambiente natural al afectar las condiciones del subsuelo. La ciudad continúa hundiéndose debido al bombeo de aguas subterráneas a un ritmo muy elevado, ya que el valle, lleno de arcillas blandas, no tiene medios para drenar el agua desbordada. La exposición a peligros naturales como inundaciones repentinas y terremotos genera desbordamientos de aguas residuales, movimientos del suelo y deformaciones estructurales permanentes de la infraestructura. Por lo tanto, el diseño y la construcción de cimientos plantean desafíos únicos para los ingenieros geotécnicos.

A medida que la Ciudad de México continúa creciendo, los edificios se volverán más altos y los sótanos más profundos para dar cabida a la planificación de la densidad para evitar una mayor expansión, todo mientras la Ciudad se hunde físicamente debido a cuestiones problemáticas de gestión del agua. Con otras preocupaciones socioeconómicas y de cambio climático, los funcionarios de la ciudad deben trabajar con ingenieros, planificadores urbanos, científicos sociales y el público, todos enfrentando un futuro incierto en una megaciudad en constante crecimiento. La demanda de soluciones de ingeniería resilientes centradas en la prosperidad a largo plazo y la seguridad pública sigue siendo urgente, mientras que el mantenimiento del ciclo de vida es difícil de garantizar para la infraestructura envejecida subyacente.

El paradigma de la Ciudad de México, junto con la experiencia de los recientes esfuerzos de reconstrucción en Christchurch y Ecuador, ofrece lecciones geotécnicas invaluables de desempeño resiliente que pueden usarse para cambiar nuestra mentalidad hacia estrategias de toma de decisiones para las megaciudades del futuro. Los diseñadores confirmaron una vez más que simplemente cumplir con los requisitos prescritos por el código puede no ser suficiente. La densa construcción de edificios adyacentes de gran altura no concuerda bien con el entorno geosísmico único de la ciudad, que tiene potencial para riesgos distintivos como la doble resonancia. Una filosofía de diseño basada en el desempeño y el riesgo, que incorpora herramientas analíticas avanzadas, sistemas de protección, instrumentación, monitoreo y visualización, son todos medios para reducir el riesgo de desastres para la Ciudad de México del futuro.

Después de 1985, las pruebas de la vida real del terremoto de Puebla-Morelos de 2017 y otros eventos moderados frecuentes demostraron que los diseños innovadores sufrieron daños mínimos o nulos, y su funcionalidad no se vio interrumpida. Estos resultados mejoraron la opinión pública y la confianza en la resiliencia de los edificios de alto rendimiento de la Ciudad de México. Los avances recientes son éxitos invaluables para los diseñadores de edificios, en particular para los ingenieros geotécnicos, que son actores clave en la búsqueda de la resiliencia. Los geoprofesionales merecen y deben tener un papel de liderazgo en la toma de decisiones sobre nuevos diseños y modernizaciones de infraestructura antigua en grandes centros urbanos que protegen las partes más preciadas de la sociedad: nuestras historias, familias, cultura y futuro.