sistema nacional de protección civil

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DEL BALUARTE DE SAN PEDRO EN SAN JUAN DE ULÚA,
VERACRUZ
1
2
3
Dávalos Sotelo, Raymundo ; Torres Morales, Gilbert ; Vargas Colorado, Alejandro ; Cruz
3
2
2
Torres ,Jorge Eusebio ; Mora González, Ignacio ; Méndez Martínez, Gustavo .
RESUMEN
Para el año de 1615, Veracruz era una Villa con sólo 200 habitantes, la cual llegó a conformarse como ciudad
por su ventajosa posición geográfica en el Golfo de México. Por ser entrada al Nuevo Mundo, tuvo que ser
fortificada para protegerla de las amenazas de piratas y de otras naciones. Para el siglo XVII se iniciaron las
obras de protección en la Isla de San Juan de Ulúa, el Baluarte de San Pedro, y en tierra, el Baluarte de
Santiago. Estas obras de protección se complementaron con una muralla de siete baluartes y cuatro puertas
que rodeaban la ciudad. Los gruesos muros de estas construcciones del siglo XVII se fabricaban con
mampostería hecha de piedra múcara, mezcla de bloques de coral, arena, piedra y concha molida.
El Baluarte de San Pedro presenta un deterioro importante en sus elementos, como en su bóveda
principal, muros y en su torre, que sirvió como el primer faro en el puerto; este deterioro -se presume- puede
ser causado por los agentes climáticos, además de por las características dinámicas de su suelo de cimentación
y la interacción con su estructura, estimulada por las vibraciones producidas por el desarrollo portuario o
durante los sismos recientes. Adicionalmente se observa un fuerte asentamiento en la parte sur oriente de la
plaza donde está ubicado el baluarte generando una grieta visible a simple vista, de una magnitud importante.
En el presente trabajo se presenta una evaluación estructural de las condiciones actuales que guarda
el baluarte, así como, un estudio mediante registro de vibración ambiental, para la determinación de la
respuesta estructural y la determinación del efecto de sitio del suelo en San Juan de Ulúa. Lo anterior se
complementará con estudios de laboratorio de los materiales empleados en su construcción, que servirán para
calibrar un modelo estructural mediante un programa de elemento finito para caracterizar su respuesta.
ABSTRACT
In 1615 Veracruz was a village with only 200 inhabitants, which later on became an important city because of
its convenient geographical location in the Gulf of Mexico. Because of it being the entrance to the New
World, it had to be fortified to defend it from the menace of pirates and from attacks by other nations. By the
XVII century the protection works were started in the island of San Juan de Ulua, the San Pedro Bulwark, and
on land, the Santiago Bulwark. These protection works were complemented with a wall with seven bulwarks
and four doors that surrounded the city. The thick walls of these edifications in the XVII century were built
with masonry made out of múcara stone, a mixture of coral blocks, sand, rock and powdered shellfish.
___________________________________________
1
Instituto de Ecología, A.C. km 2.5 carretera antigua a Coatepec No. 351, C.P. 91070, Xalapa, Ver., México.
Tel.: (01-228) 8421835,
8421800 E-mail: [email protected]
2
Centro de Ciencias de la Tierra, Universidad Veracruzana, Francisco J. Moreno No. 207,
Col. Emiliano Zapata, Xalapa, Ver. México, Tel: (01-228) 8155019, Fax: 8120688, [email protected].
3
Instituto de Ingeniería, Universidad Veracruzana, Boca del Río, Ver., México.
1
XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Veracruz, Ver., 2008
The Bastion of San Pedro presents an important deterioration in its elements, like in its main vault,
walls and in its tower, that served like the first light in the port; this deterioration - it is presumed - can be
caused by the climatic agents, in addition to by the dynamic characteristics of its foundation soil and the
interaction with its structure, stimulated by the vibrations produced by the harbor development or during the
recent earthquakes. Additionally a heavy sinking in the South eastern part of the plaza is observed, where a
visible crack of an important magnitude is located.
In this work a structural evaluation of the present conditions that the bastion keeps is presented, as well
as a study by means of recording the environmental vibration, for the determination of the structural response
and the determination of the site effect of ground in San Juan de Ulúa. This was complemented with
laboratory studies of the materials used in its construction, which will serve to calibrate a structural model by
means of a finite element program to characterize its response.
INTRODUCCIÓN
Hablar de los antecedentes históricos del baluarte de San Pedro implica hablar de la historia de la fortaleza de
San Juan de Ulúa. En especial, el baluarte San Pedro presenta en la actualidad más deterioro que cualquiera
de las otras estructuras, como agrietamientos y fisuras en muros, arcos y en la torre que sirvió como faro, así
como también asentamientos en general en toda la fortaleza. Con las obras de la modernización del puerto, la
fortaleza quedó dentro de la bahía, expuesta a todo tipo de deterioro por el manejo de la maquinaria pesada
usada en la construcción del muelle y en la cimentación de las grúas.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Conocer y determinar las características sísmicas del suelo, así como el efecto e impacto de los sismos en las
estructuras, teniendo en cuenta los materiales de la estructura así como el tipo de suelo presente en la zona.
Para el baluarte de San Pedro se tiene que:
 Determinar mediante técnicas de vibración ambiental (experimentales) el efecto de sitio del
suelo donde está cimentado el baluarte de San Pedro.
 Determinar la vulnerabilidad sísmica de la estructura del baluarte de San Pedro.
 Calibrar un modelo estructural mediante un programa de elemento finito para caracterizar su
respuesta.
OBJETIVO PARTICULAR

Hacer el análisis espectral de los registros de vibración ambiental del suelo y la estructura
del baluarte de San Pedro.
De los resultados del análisis de los registros:


Indicar el efecto de sitio del Baluarte de San Pedro así como su vulnerabilidad sísmica,
utilizando técnicas cualitativas y experimentales.
Demostrar, sobre la base de los resultados, si la construcción de las obras del recinto
portuario donde se aloja el baluarte de San Pedro deterioró más su estructura,
específicamente la vibración causada por el hincado de pilotes de las grúas de carga y
descarga que son vecinas al baluarte.
JUSTIFICACIÓN
Los sismos son desastres naturales que el hombre no puede predecir con exactitud, a diferencia de los
huracanes, para los cuales se determinan temporadas específicas del año. Por desgracia, un sismo puede
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presentarse en cualquier época del año y puede ser de cualquier intensidad, por lo que es necesario llevar a
cabo estudios de prevención para minimizar los daños que éstos puedan causar a la población. En este sentido
es necesario estudiar cómo se comportan las estructuras ante los eventos sísmicos y estudiar también cómo se
comporta el suelo donde se cimientan dichas estructuras, a partir de la vibración ambiental que se genera por
los automóviles, las ondas sonoras, el paso de un tren cercano a la estructura, etcétera, para así determinar
modelos que nos digan el daño potencial que los movimientos sísmicos pueden causar.
Las construcciones antiguas son más propensas a los sismos debido a que sus constructores tenían
pocos o nulos conocimientos del comportamiento de las estructuras ante los sismos. En México son comunes
los monumentos históricos que datan de los tiempos de la conquista española y muchos de ellos están en
zonas de fuerte actividad sísmica. Una de las primeras construcciones de mampostería hecha en América es la
fortaleza de San Juan de Ulúa, ubicada en el puerto de Veracruz y que data del año 1600 aproximadamente.
La fortaleza está compuesta por pequeñas construcciones como mazmorras, faros, capillas y un patio central,
y una de ellas es el Baluarte de San Pedro, que es una de las primeras construidas. En general, la fortaleza ha
sufrido deterioro por el paso del tiempo, en especial el baluarte de San Pedro, presentando deterioro evidente
en sus arcos y muros, lo cual además se acentúa por los efectos climáticos del lugar por estar en litoral. Al
construirse el recinto portuario, la fortaleza quedó dentro de las obras, expuestas a las vibraciones de la
maquinaria utilizada. Se presume que el deterioro del baluarte se incrementó a causa de la vibración
provocada por el hincado de pilotes para el desplante de las grúas de carga y descarga de los barcos
mercantes.
Es necesario conocer y determinar la vulnerabilidad sísmica de las estructuras para minimizar lo más
posible, catástrofes como la del terremoto de 1985 en la Ciudad de México, y también de los monumentos
históricos ya que son un legado y además representan un episodio de la historia del país, pero cabe resaltar
que muchos de ellos aún son utilizados. De este tipo de estudios se avanza en el diseño sísmico de los
edificios y en las recomendaciones de construcción, pero también se puede tomar previsiones para preservar
los edificios más antiguos.
ANTECEDENTES
Historia de la Fortaleza de San Juan de Ulúa
San Juan de Ulúa se asienta en un islote en las costas de Veracruz, construido entre los años 1600 y 1700. La
llegada de la primera expedición española al mando de Juan de Grijalva fue en 1518, que había recorrido ya el
litoral del Golfo de México desde la península de Yucatán. El desembarco de la expedición en el islote
coincidió con el día de San Juan Bautista, por lo que recibió de inmediato el nombre de San Juan. Los
españoles encontraron que la región estaba habitada por nativos que practicaban sacrificios humanos, de los
cuales se les oía decir úlua o culúa, por referirse a las etnias que llevaban a cabo esos rituales. A partir de
entonces se le conoció como San Juan de Ulúa al islote, y por consiguiente a la fortaleza que se construiría ahí
en años posteriores. Hernán Cortés llegó al islote el 21 de abril de 1519, al mando de la segunda expedición
española.
Cuando Hernán Cortés llegó al islote, llamó Villa Rica de la Vera Cruz a la tierra firme frente a la
isla. De ahí se planteó la problemática de proteger las naves y galeones que llegaban al islote, por lo que se
resolvió con la construcción de muros para la defensa del naciente puerto y un muelle para recibir las
embarcaciones. A partir de entonces San Juan de Ulúa se convirtió en la puerta de entrada a la Nueva España,
y un paso forzoso para llegar a las tierras recién conquistadas. Así también otros exploradores de la época y
piratas ingleses atacaron al puerto para poder entrar a la Nueva España, por lo que debía protegerse más a la
flota española. De esta manera comenzaron a levantarse construcciones que sirvieron para proteger a la flota
de los enemigos tanto humanos como los fenómenos meteorológicos. Hacia 1552 existía en el islote una
pequeña torre no mayor que la altura de un hombre. Para fines del siglo XVI, la Torre Vieja formó
complemento de un muro de argollas y un baluarte en su extremo que protegía a la flota real naviera de los
vientos impetuosos del norte.
Los constructores de la época utilizaban mampostería y madera como material de construcción. La
mampostería que se utilizó en las obras de ampliación de la fortaleza de San Juan de Ulúa fueron bloques de
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Veracruz, Ver., 2008
coral, piedra, arena y concha molida (Torres et al., 2005). A este tipo de mampostería se le conoce con el
nombre de piedra múcara, como muestra la imagen de la Figura 1, y con ella se levantaron gruesos muros,
que soportan el sistema de techumbre soportado en arcos y bóvedas. La madera fue utilizada durante el
proceso de construcción así como para el refuerzo de muros. También se utilizó la madera para formar techos
y pisos. Otras construcciones de madera sirvieron como habitaciones para esclavos, una iglesia, una vicaría y
el hospital de San Martín.
Fig. 1 Mampostería de coral
Por finalizar el siglo XVI, el virrey Gaspar de Zúñiga ordena que la ciudad se asentara en La
Antigua; en la última década, el ingeniero Bautista Antonelli realizó un proyecto tan monumental como el que
llevo a cabo en el morro de la Habana, que consistía en proyectar para San Juan de Ulúa una fortaleza
amurallada que sirviera para proteger a los navíos y a la ciudad futura de Veracruz que se asentaría frente a
ella. No fue hasta el año de 1681 que la Junta de Guerra le asignó al ingeniero Jaime Franck el proyecto y
construcción de la fortaleza de San Juan de Ulúa, año en él se complementaron las primeras obras del recinto.
Dicho proyecto fue aceptado por el virrey Monclova para el año de 1689. En años posteriores se fueron
complementando las obras del proyecto, como son el baluarte de la Soledad, acabado en 1707, y en 1710 la
torre del Caballero Alto en el Baluarte de San Crispín. Para 1742 fueron construidas las baterías de San
Miguel y Guadalupe, y hasta el año 1779 se terminaron las obras que le darían el aspecto actual de la
fortaleza. En el siglo XIX se levanto una batería corrida en el perímetro norte del edificio.
Ubicación del Baluarte de San Pedro
El Baluarte de San Pedro es una de las construcciones que conforman la Fortaleza de San Juan de Ulúa, la
cual se ubica en la ciudad y puerto de Veracruz, estado de Veracruz, dentro de la inmediaciones del recinto
portuario, localizada en coordenadas UTM 801,636 en X y 2’126,536 en Y. El baluarte de San Pedro se
encuentra en la esquina Sur Oeste de la Fortaleza de San Juan de Ulúa, como se aprecia en la Figura 2. La
fortaleza cuenta con cuatro baluartes, formando un rectángulo con cada uno en una esquina, siendo los tres
restantes los baluartes de Santiago, Soledad y San Crispín.
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Figura 2. Planta de conjunto de San Juan de Ulúa
Historia sísmica de la zona de estudio
El estado de Veracruz cuenta con una historia de sismos importantes que han dañado principalmente
a las edificaciones y a la población. Los primeros registros símicos de la región datan desde los tiempos de la
Nueva España. El marino y científico español Antonio de Ulloa registró actividad sísmica en la Ciudad y
Puerto de Veracruz entre los años 1776 y 1778. En septiembre del año de 1777 informó al entonces virrey
Antonio María Bucareli de un “violento terremoto, de menos de minuto, en la ciudad de Veracruz, con
movimientos de tierra del oeste-suroeste hacia el este-noreste”. Además informó de daños a bóvedas y arcos
en las iglesias y del peligro que representaba una duración más larga del sismo tanto a la ciudad como al San
Juan de Ulúa (Torres et al., 2005) No fue hasta el año de 1910, siendo presidente de la República Porfirio
Díaz, cuando se instaló el monitoreo símico de Veracruz. La Tabla 1 muestra un resumen de los sismos de
mayor intensidad que causaron estragos en los principales centros urbanos del Estado de Veracruz (Riquer et
al., 2005).
Tabla 1. Sismos importantes en la región
Fecha
Magnitud
Profundidad
Latitud
Longitud
04-01-1920
mb=6.5
Ms=6.2
Km.
N
W
15
19.27º
-97.08º
15-01-1931
Ms=7.8
40
16.34º
-96.87º
26-07-1937
Ms=7.3
85
18.48º
-96.08º
26-08-1959
Mw=6.4
21
18.26º
-94.43º
11-03-1967
Mw=5.7
24
19.23º
-95.74º
28-08-1973
mb=7.3
Mw=7.0
82
18.30º
-96.53º
Observaciones
Referencia
Temblor de
Xalapa
Temblor de
Oaxaca
Suter et al.,
(1996)
Singh et al.,
(1985)
Jiménez y Ponce
(1977-78)
Ponce y Suárez
(1985)
Ponce y Suárez
(1985)
Abe(1981)
Singh y Wyss
(1976)
Temblor de
Jáltipan
Temblor de
Veracruz
Temblor de
Orizaba
Cabe mencionar los sismos más representativos por los daños que causaron a la región. El Temblor
de Xalapa ocurrido el 3 de enero de 1920 devastó parte de los estados de Veracruz y Puebla, siendo afectada
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Veracruz, Ver., 2008
la ciudad de Xalapa en su infraestructura como en casas y edificaciones del centro histórico. El temblor de
Oaxaca de enero de 1931 causó alarma en la población de Veracruz y daños al faro y además que se abrió una
grieta en las calles de Independencia y Clavijero. El sismo del 25 de junio de 1937 causó daños severos a
conocidos edificios del centro histórico como la parroquia de la Asunción, el Hospital de Mujeres, el Palacio
Municipal y al café La Parroquia.
El 11 de marzo de 1967 se presentó el sismo que más daño causó en la ciudad, conocido como el
Temblor de Veracruz. Provocó daños a cerca de 50 edificios, se desplomó la cúpula del Hotel Victoria y se
dañó el edificio de la aduana. Fue localizado en la punta Antón Lizardo a unos 20 kilómetros al suroeste del
Puerto de Veracruz y además que impactó a las ciudades vecinas de Medellín, Alvarado, Boca del Río y
Antón Lizardo.
El sismo de Orizaba del 28 de agosto de 1973 destruyó un tramo del acueducto del Puerto de
Veracruz, suspendiendo el servicio del agua, se dañó la parroquia de la Purísima Concepción y daños de
agrietamientos en casas. Desde entonces varios sismos se han manifestado en la ciudad pero no se han
registrado daños hasta el momento (Torres et al., 2005).
EFECTO DE SITIO
Debido a la imposibilidad de hacer mapas de regionalización que reflejen con exactitud la propagación de las
ondas símicas es necesario hacer estudios de efectos de sitio para las poblaciones, sobre todo aquellas que son
más vulnerables a los sismos.
El efecto local de un sismo depende de la profundidad de los estratos. Así en un estrato de arena
densa a más de 30 metros de profundidad presenta una aceleración menor, en comparación con una
aceleración amplificada en la superficie donde se encuentra un limo. La pérdida de velocidad de la onda
sísmica con su consecuente aumento de aceleración puede hacer fallar al terreno de cimentación, presentando
deslizamientos, licuación, falla de talud, etc., que impactan directo en las estructuras.
Para conocer el efecto de sitio de un área de estudio de interés se tiene que determinar cuál es el
periodo de vibración del suelo. Esto tiene una particular importancia ya que el suelo filtra a las ondas símicas
que sean disímiles en cuanto al periodo de vibración, pero absorbe las ondas con una frecuencia de vibración
igual a la del suelo. En este último caso, el suelo se mueve acorde al movimiento de la onda símica, y por
ende se amplifican las intensidades símicas con sus fatales consecuencias. Por ello, una vez determinado el
efecto de sitio, relacionado con la topografía y la geología de la zona de estudio, puede determinarse el
potencial de peligro sísmico. En general, lo que se busca es saber qué periodo de vibración presenta el suelo
porque esas son las ondas sísmicas que va a absorber.
El estudio de los efectos de sitio no puede hacerse cada vez que se presente un sismo, ya que eso es
difícil de determinar. Para estudiar estos efectos se utilizan técnicas mediante la medición de la vibración
ambiental que se presenta diariamente en la zona de interés. Dicha vibración es provocada por el tráfico de los
vehículos, utilización de maquinaria pesada en un proceso de construcción, el tránsito frecuente de una gran
cantidad de personas, el fuerte oleaje si se estudia en litoral, etcétera.
Características Geológicas y Geotécnicas
Las características geológicas del suelo son de gran ayuda en la comprensión de sus características dinámicas
(Williams et al., 2002). La información que se ha derivado en investigaciones anteriores en la Ciudad de
México acerca del gran peligro sísmico que representan los suelos blandos, formados por arcillas y limos, está
muy generalizada para determinar con exactitud el periodo de vibración de los suelos que se pretenden
estudiar. Por ello es necesario contar con información precisa de la conformación geológica de los suelos en
la zona de interés. El suelo de cimentación de la fortaleza de San Juan de Ulúa es un suelo plano con una
ligera pendiente que se adentra hacia la costa, llamada la zona de depósitos de playa, la cual está formada por
arenas limosas y restos coralinos, cuya conformación geológica se debe a la acción de las mareas. Esta zona
abarca todo el litoral de la ciudad de Veracruz, de la cual una parte fue cubierta por el crecimiento de la
ciudad. Hacia el norte de la fortaleza se encuentran la zona de depósitos de coral formado por corales y
esqueletos de especies acuáticas. Esta abarca desde la ciudad de Veracruz hasta la punta Antón Lizardo. La
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conformación geológica de la ciudad de Veracruz y de los municipios vecinos de Medellín, Boca del Río, La
Antigua y Alvarado, derivan de investigaciones llevadas a cabo por Esquivel (1976).
Medición de la Vibración Ambiental
Las investigaciones llevadas a cabo en Japón por Kanai y Tanaka (1965) desde los años cincuentas midiendo
los microtemblores o vibración ambiental han resultado ser de gran utilidad para el estudio de los efectos
locales. Estos investigadores definen a los micro-temblores como vibraciones con amplitudes entre 0.1 y 1.0
micrones y con periodos que comprende entre 0.05, 0.10 a 1.0-2.0 segundos, provocados por el tránsito de
vehículos, la operación de maquinaria pesada, oleaje marino, entre otras fuentes de vibración.
Kanai y Tanaka (1961) concluyen de sus investigaciones que un sismo tiene un periodo
predominante que está relacionado con el periodo más frecuente en los micro-temblores y que del registro de
la vibración ambiental se puede conocer el periodo de resonancia que se obtiene con el sismo. Para el
levantamiento de los registros de vibración para la fortaleza de San Pedro se utilizó el equipo 130 Anss/2, de
marca Refteck, con el cual se obtuvieron en una sola campaña 6 puntos.
Procedimiento de análisis de los registros
Los archivos de los registros se analizaron siguiendo la técnica de Nakamura, o de las relaciones espectrales
H/V. Primero se tuvieron que revisar la calidad de los registros para saber cuáles registros eran útiles para la
determinación del efecto de sitio del Baluarte, tomando en cuenta la normalidad de cada registro y que no
presentase variaciones importantes, para lo cual se utilizó el programa Rt-View.EXE. Del Punto 1 se escogió
el archivo 153620615_0001D4C0 el cual fue renombrado por 153620 para un mejor manejo. Los archivos de
los registros provienen directamente del acelerógrafo que se utilizó, y cada acelerógrafo maneja sus propios
formatos de registros, los cuales se necesitan convertir a código ASCII y separar en tres canales, horizontal
Norte, horizontal Este, y la componente Vertical, siendo cada canal un solo archivo. Para esta etapa del
proceso se utilizó el programa RTCNVRT.EXE.
Teniendo cada componente se procede a la obtención de los efectos locales del Baluarte, para ello se
realizan las funciones de transferencia H/V de los puntos 1 y 2 que corresponden a Suelo, utilizando el
programa DEGTRA96.EXE. Con las razones espectrales se procede a promediar las razones espectrales Norte
y Este con el programa ANALIS3.EXE y se arrojan dos archivos de promedios para cada componente, se
grafican los 8 archivos con sus respectivos promedios. Para la graficación se utilizó el programa MS Excel. Se
configuró una hoja de cálculo de Excel, en donde cada par de columnas representa a una gráfica. Los datos de
las razones espectrales de los 10 archivos se abren directa e individualmente desde MS Excel y se copian los
datos para después pegarlos en la hoja de cálculo.
Determinación del Efectos de sitio
Los registros de vibración ambiental se analizan por dos técnicas principales, la técnica de la razón espectral
estándar y la técnica de Nakamura. Ambas de gran utilidad para la estimación de los efectos locales y de
vulnerabilidad sísmica, con los cuales se llevan a cabo los mapas de Microzonificación sísmica.
Técnica de Nakamura
La técnica de Nakamura (Kanai y Tanaka, 1961) supone que el registro de micro-temblores contiene
información valiosa para la estimación de los efectos locales, en especial la componente vertical, componente
V, de la vibración ambiental, la cual es comparada con las dos componentes horizontales Norte y Este, de la
vibración ambiental. La hipótesis de Nakamura se basa en la energía de los micro-temblores, que consisten en
ondas Rayleigh, y su amplificación por una delgada capa de suelo blando en la superficie, sobre suelo más
firme. Se obtienen las relaciones espectrales H/V de cada componente horizontal sobre la componente
vertical, para un punto específico que se desee conocer sus efectos locales. Cabe mencionar que la técnica
propuesta por Nakamura ha suscitado discusiones debido a la falta de una hipótesis más rigurosa y por la
variabilidad de los resultados. Sobre todo en lo referente a los registros de la vibración ambiental, ya que ésta
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Veracruz, Ver., 2008
varia con la hora del día. Aunque llevada a la práctica, se ha observado que los resultados obtenidos no
dependen del nivel de ruido ambiental por alguna hora del día específica.
A continuación se presentan las gráficas de las razones espectrales con las que se determinó el efecto
de sitio, utilizando los registros del punto 1 (Fig. 3), que pertenecen al suelo, ya que era el que registraba una
vibración con menos ruido y más uniforme.
Figura 3. Gráficas de las razones espectrales con las que se determinó el efecto de sitio
VULNERABILIDAD
Antecedentes
En los estudios de Microzonificación, además de la determinación de los efectos locales en una determinada
área de estudio, también se determina los efectos que tienen los microtemblores en las estructuras que se
encuentran en la zona de interés, utilizando la misma técnica de obtener registros de vibración ambiental.
Estos efectos, que tanto los sismos como la vibración ambiental tienen en dichas estructuras, se estudian bajo
la óptica de la vulnerabilidad sísmica, determinando cuáles son los periodos fundamentales de vibración del
suelo como de la estructura. Ambos resultados, que se obtuvieron utilizando la técnica de Nakamura, se
comparan y se determina el grado de vulnerabilidad. El antecedente inmediato anterior a este trabajo es el
estudio de vulnerabilidad sísmica y efectos de sitio para el Centro Histórico de la Ciudad de Veracruz (CHV)
(Torres et al., 2005) en donde se tomaron registros de vibración ambiental en 176 puntos diferentes de la zona
para determinar el grado de vulnerabilidad sísmica de las construcciones históricas.
Vulnerabilidad Sísmica
En términos generales se define la vulnerabilidad sísmica como el grado de pérdida de un elemento o un
grupo de elementos bajo riesgo, resultado de la probable ocurrencia de un evento sísmico. Ésta es una
propiedad intrínseca de la estructura, que puede entenderse como la predisposición de un elemento o grupo de
ellos expuestos a ser afectados en los eventos de actividades sísmicas (Safina, 2002). La vulnerabilidad
sísmica puede ser evaluada en dos perspectivas: calificando en forma relativa la mayor o menor
predisposición de una estructura a ser dañada bajo la acción de un sismo, llamados métodos empíricos; o en
términos absolutos, llamados métodos analíticos, con los cuales podemos estimar de manera directa los daños
esperados en la estructura bajo la acción símica (Torres et al., 2005).
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En este trabajo se evaluó la vulnerabilidad sísmica midiendo los registros de vibración ambiental y
determinando el periodo fundamental de vibración de la estructura. El periodo de vibración encontrado en la
estructura del baluarte de San Pedro se comparó con los resultados obtenidos en la determinación del periodo
fundamental de vibración del suelo del baluarte. De acuerdo con Meli y Bazán (Bazán, 2000), para que una
estructura no sea vulnerable a la acción sísmica, se debe evitar que el periodo fundamental de la estructura Te
coincida con el periodo fundamental del suelo Ts; además que nos proponen un rango de seguridad de
acuerdo con la relación 0 . 8 ≤ T e / T s ≥ 1 . 1 . Una estructura con una relación de sus periodos fundamentales
que entre en los valores de 0.8 y 1.1 manifiestan una vulnerabilidad sísmica alta, y con relaciones que se
acerquen a dichos valores se habla de una vulnerabilidad media. En la Figura 4 pueden observarse los
intervalos de periodos de vibración propuestos por Meli y Bazán, que para efectos del presente trabajo se ha
propuesto reducir el intervalo para tener una mejor representación de la vulnerabilidad sísmica de la
estructura. Una vulnerabilidad baja se tendría con valores alejados a ese rango. Existe también una forma
sencilla de obtener el periodo fundamental de la estructura Te. Consiste en multiplicar el número de niveles,
n, por una constante que depende del material de construcción, k: Te = k n. Un valor común que se le suele
asignar a k es 0.1, por lo que el periodo fundamental de la estructura Te, en segundos, queda como la décima
parte del número de pisos, Te = 0.1n.
De acuerdo con especialistas, las estructuras históricas son consideradas con vulnerabilidad sísmica
media. Aún cuando la relación Te/Ts se encuentre alejada del rango de seguridad propuesto por Meli y Bazán,
se debe tomar en cuenta la antigüedad de las construcciones, la falta de confinamiento en los muros y el grado
de deterioro que han padecido a lo largo de los años, ya sea por remodelaciones, acciones sísmicas,
reconstrucciones, e incluso la calidad de los materiales de construcción que se utilizaron.
En el caso del Baluarte de San Pedro se trata de un edificio histórico que data desde los tiempos de la
Nueva España, construido con mampostería de piedra múcara unida con mortero hecho de concha de coral y
arena de mar. La estructura de todo el conjunto del San Juan de Ulúa está constituida por arcos, espacios
abovedados y gruesos muros no confinados, como se muestra en las Figura 5.
Fig. 4 Intervalos de periodos
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Veracruz, Ver., 2008
Fig. 5 Arcos y muros de la fortaleza
En un principio, los muros de la fortaleza del San Juan de Ulúa estaban protegidos de la acción
externa del medio ambiente y las sales del litoral por un aplanado de mortero e incluso estaba pintado, pero el
actual estado de deterioro de los materiales de toda la estructura del San Juan de Ulúa se debe a su exposición
al aire, la luz solar, la humedad, el efecto de la materia orgánica y el viento; la meteorización de la piedra
múcara puede deberse a factores como la alta salinidad por su cercanía al mar y por una frecuente exposición
a la humedad y la luz solar, que expanden y contraen la roca que termina fracturándose, y también por el
descuido de los turistas que a diario recorren el edificio. Los factores de meteorización de los materiales se
dividen en mecánicos (desintegración) y químicos (descomposición), y normalmente actúan al mismo tiempo.
Cabe señalar que la última administración de la Fortaleza mandó retirar el aplanado de algunos de los muros
tanto internos como externos, dejando al descubierto la mampostería. Esto aceleró el deterioro de la
mampostería, los minerales del mortero utilizado se han estado minando de los muros y más en especial de los
arcos y bóvedas en forma de estalactitas, como se aprecia en la Figura 6.
Fig. 6 Estalactitas presentes en arcos
De acuerdo con Oliveira (2003), los daños que puedan sufrir los monumentos históricos en un sismo,
para conocer su vulnerabilidad, son tan variados que resulta difícil estudiarlos en una simple matriz. Señala
que los factores importantes a considerar son el tipo de suelo, el estado de deterioro, el tipo de acción sísmica
incluyendo la presencia de la componente vertical, los asentamientos en el suelo de cimentación y la presencia
de grandes cargas. El baluarte de San Pedro fue una de las primeras construcciones de la fortaleza y está
cimentado sobre material de relleno. La cimentación del baluarte presenta asentamientos diferenciales lo cual
ocasionó agrietamientos en el techo (Figura 7a) y fisuras en los arcos (Figura 7b) y en la base de la torre
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(Figura 7c). En general, la fortaleza presenta este tipo de agrietamientos en muros, arcos y bóvedas en toda su
estructura. Una fractura importante en el techo puede apreciarse en la Figura 7d, que va desde el muro de las
argollas, en la parte suroeste, dirigiéndose hasta la parte noroeste del San Juan de Ulúa, rodeando el faro.
Fig. 7a Segmento de grieta en el techo
Fig. 7b Fisuras en arcos
Fig. 7c Fisura en la base de la torre
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Fig. 7d Vista panorámica de la fractura en losa
Medición de vibración ambiental
Para la determinación de la vibración ambiental se tomaron registros en la estructura del baluarte de San
Pedro, los cuales son llamados puntos 3, 4, 5 y 6, como se puede ver en la Tabla 2. El procedimiento de
medición se llevó a cabo con el mismo equipo para la determinación de los efectos de sitio.
Análisis de registros de vibración ambiental
Los archivos de los registros, se procesaron siguiendo la técnica estándar, relacionando las componentes
horizontales del suelo contra las componentes horizontales de la estructura, ambas del Este y del Norte. Al
igual que en la determinación de los efectos locales se tuvieron que revisar la calidad de los registros para
saber cuáles registros eran útiles para la determinación de la vulnerabilidad del Baluarte, tomando en cuenta la
normalidad de cada registro y que no presentase variaciones importantes, para lo cual se utilizó el programa
Rt-View.EXE. Los archivos de registros de vibración ambiental fueron convertidos a código ASCII utilizando
el programa RTCNVRT.EXE. Los archivos de registros de vibración ambiental del Punto 3 al Punto 6
pertenecen a la estructura del Baluarte. Teniendo cada componente se procede a la obtención de las funciones
de transferencia para la determinación de la vulnerabilidad sísmica del Baluarte, relacionando las
componentes horizontales Norte y Este de los dos archivos del Punto 3 sobre las componentes horizontales
Norte y Este del Punto 1, que corresponden al suelo, utilizando el programa DEGTRA96.EXE. Es necesario
que los tres archivos de las componentes horizontales de los registros se encuentren en un subdirectorio único
para su procesamiento, ya que desde allí se ejecuta el programa DEGTRA96.EXE, para cada registro. Con las
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razones espectrales se procede a promediar las razones espectrales Norte y Este con el programa
ANALIS3.EXE y se arrojan dos archivos de promedios para cada componente. Para la graficación se utilizó
el programa MS Excel.
Determinación de las características dinámicas mediante el programa de computo RAM
Advance (Student Version 6.0)
Se determinaron las características dinámicas de la torre del faro del Baluarte de San Pedro con la
utilización del programa de cómputo RAM Advance 6.0, para lo cual fue necesario hacer una modelado
aproximado de la estructura. Primeramente, se tomaron las dimensiones de la torre, con un levantamiento con
cinta, del cual se obtuvieron las coordenadas de los nudos que conforman la estructura (Figura 8).
Fig. 8 Modelado de la estructura
La base de la torre se consideró empotrada y también se tomaron en cuenta las propiedades
mecánicas del material de construcción, que es la piedra múcara (mampostería de coral, cal de concha y arena
de mar), como son su coeficiente de Poisson, su peso unitario y su módulo de Elasticidad. Una curva P-Delta
típica de este material se presenta en la Fig. 8, para la dirección longitudinal. El material propiedades
direccionales: en la dirección longitudinal tiene un Módulo de elasticidad promedio en compresión de 430
MPa y en la dirección transversal, de 200 MPa. Tiene una densidad promedio de 1.1 gr/cm3. Las coordenadas
de la estructura y las propiedades mecánicas del material se introdujeron en la base de datos del programa, así
como también las dimensiones de las secciones transversales de los elementos de vigas y muros.
4500
4000
3500
Carga, N
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
Desplazamiento, mm
Fig. 8 Curva P-Delta en compresión del material de los muros del Baluarte
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Veracruz, Ver., 2008
Para poder llevar a cabo la determinación del periodo fundamental de la estructura fue necesario
determinar el espectro de diseño sísmico, el cual se calculó dependiendo de la región de la República
Mexicana en donde se encuentra. Para ello se recurrió al mapa de regionalización del manual de la CFE y a
las tablas de los parámetros para calcular las aceleraciones, del cual se obtuvieron los siguientes datos:
Tabla 2. Valores de los parámetros para calcular el
espectro de aceleración del San Juan de Ulúa
Zona Sísmica
Tipo de Suelo
(República Mexicana)
Zona B
III
(terreno compresible)
a0
c
Ta (s)
Tb (s)
r
0.1
0.36
0.6
2.9
1
Para poder calcular el espectro de diseño sísmico debe seguirse la siguiente hipótesis:
a = a 0 + (c - a 0 )
T
;
Ta
si T < Ta
a = c;
si Ta ≤T ≥Tb
a = c(Tb / T ) r ;
si T > Tb
En donde:
a = Ordenada de los espectros de diseño, como fracción de la aceleración de la gravedad
ao = Valor de a que corresponde a T = 0
c = Coeficiente sísmico.
T = Periodo natural de vibración de la estructura (en segundos).
Ta, Tb = Periodos característicos de los espectros de diseño (en segundos).
De lo anterior se deducen los siguientes valores en la Tabla 3.
Tabla 3. Valores del espectro de respuesta
T (x)
a (y)
0
0.1
0.6
0.36
2.9
0.36
3
0.35
3.2
0.33
3.4
0.31
3.6
0.29
3.8
0.27
4
0.26
4.2
0.25
4.4
0.24
4.6
0.23
4.8
0.22
El espectro de diseño sísmico para el baluarte de San Pedro se aprecia en la Figura 9:
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Figura 9. Espectro de diseño sísmico
El programa RAM Advance 6.0 es una herramienta poderosa para el diseño y análisis de estructuras
en 3D y también nos permite realizar el análisis sísmico de estructuras. Debido a su flexibilidad y fácil
manejo se optó por este programa para la determinación del periodo fundamental de la estructura mediante
un modelado simple. Una vez que se tuvieron todos los datos necesarios se procedió a darlos de alta en la base
de datos de RAM Advance. La ventana principal del programa está divida en dos partes: una parte es una hoja
de cálculo y la otra parte es una pantalla tipo CAD, llamada área gráfica. En la hoja de cálculo se introducen
las coordenadas de los nudos y se conectan mediante barras, para después dar la condición de empotrado a los
apoyos. La base de datos del programa cuenta con una amplia gama de materiales, conexiones y secciones
predeterminados para diseñar y analizar en madera, concreto reforzado, acero o combinación de ellos, pero
para el modelado de la estructura del faro del baluarte de San Pedro fue necesario introducir un nuevo
material y una nueva sección, que concordasen con la estructura real. Se generó el material llamado “múcara”,
con sus características mecánicas y se crearon nuevas secciones transversales para modelar la estructura del
Faro. Se carga el espectro de diseño sísmico calculado con anterioridad y se crean centros de masa en los
nudos (0,5.5) y (5.7, 5.5). Una vez que se dieron de alta en la base de datos del programa RAM Advance
todos los datos de la estructura del Baluarte así como el espectro de diseño símico, se procede a analizar la
estructura que da como resultado los modos de vibrar y el periodo fundamental de la estructura.
Análisis estructural con método de elemento finito
Para complementar los estudios dinámicos, se elaboró un modelo analítico que permite estudios de la
estructura en tres dimensiones, por medio del método del elemento finito. En esta fase del estudio, se hicieron
únicamente análisis estáticos bajo carga gravitacional únicamente. Se empleó el programa FEAP (Taylor,
2005), utilizando como elementos bloques tridimensionales de 8 nodos. La malla formada se muestra en la
Fig. 10a y los resultados de desplazamiento vertical en la Fig. 10b. Con este tipo de programas se pueden
efectuar análisis dinámicos, los que son motivo de otro estudio.
CONCLUSIONES
Efecto de sitio del baluarte de San Pedro
De los resultados de este estudio se concluye que los efectos de sitio derivados de la vibración
ambiental si afectan a la estructura, ya que las razones espectrales de los registros del suelo contra los que se
tomaron en la estructura coinciden en su periodo de vibración, por lo que es probable que se tenga
afectaciones importantes estructuralmente ya que es propensa a amplificaciones de las vibraciones. Gran parte
de esto es debido a la pobreza de los materiales de la mampostería de coral y al suelo débil sobre el cual está
cimentado el baluarte de San Pedro.
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a)
Veracruz, Ver., 2008
b)
Fig. 10. a) Malla utilizada para análisis de elemento finito; b) Desplazamientos verticales
REFERENCIAS
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