Comparación de tres metodologías de análisis sísmico de túnel NATM en suelos finos de Santiago

Introducción
Los análisis sísmicos de túneles han sido tradicionalmente abordados mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas que no incluyen las secuencias constructivas ni historiales de esfuerzos (Wang, 1993; Penzien y Wu, 1998; Penzien, 2000). Últimamente, algunos softwares de análisis geotécnico han entregado herramientas para la resolución de problemas complejos, permitiendo incorporar las variaciones en los historiales de tensiones, métodos constructivos, secuencias de excavación y solicitaciones sísmicas a través de registros de aceleraciones.
Este artículo presenta un estudio comparativo de 3 métodos de análisis sísmico para un túnel NATM construido en suelos finos del noroeste de Santiago. Se describe la metodología, consideraciones particulares y los parámetros empleados en cada caso. Se indican las complejidades y los tiempos computacionales requeridos para el desarrollo de cada metodología. Finalmente, se presenta un análisis comparativo de los resultados obtenidos: esfuerzos sísmicos en revestimiento del túnel y cálculo de espesor de revestimiento.
Geometría del túnel y propiedades del suelo de fundación
La geometría del túnel se muestra en la Figura 1. La secuencia constructiva considera 3 secciones principales:side drift I, sección central, side drift II y 9 subsecciones que se enumeran en la misma figura. La metodología utilizada es acorde a los principios del método NATM (New Austrian Tunnelling Method) y simula las secuencias de excavación en tres etapas constructivas: bóveda, banco y contrabóveda; con desfase entre etapas y la aplicación de revestimiento estructural. Entre cada frente de avance de sidedrift, hay un desfase de 10 m, así también de la pared central. El nivel de riel del túnel se encuentra a una profundidad de 22 m del nivel de terreno y la clave del túnel se encuentra a 16 m de profundidad. La sección del túnel abarca un área aproximada de 190 m².

Figura 1: a) Geometría (dimensiones en cm) y b) secuencia constructiva
del túnel
Se considera un túnel construido en el sector de suelos finos del noroeste de Santiago, al cual se le han asignado las propiedades geotécnicas presentadas en la Tabla 1. El módulo de deformación ha sido considerado lineal aumentando en profundidad, también se han considerado distintos valores de cohesión y coeficiente de empuje en reposo in situ K₀ para dos distintos estratos de suelo.
Tabla 1: Propiedades de los materiales (ARCADIS, 2014)

Z: profundidad medida desde la superficie en m
D_j: profundidad sello fundación en m, B: dimensión menor de
estructura en m
Solicitación sísmica
Con el fin de simular la solicitación sísmica, se utilizan dos procedimientos: desangulación sísmica y análisis dinámico con registro de aceleraciones. Para la desangulación sísmica, la metodología empleada se basa en las recomendaciones del Manual de Carreteras (2014), que se sustentan en la propuesta de Kuesel (1969) para el diseño sísmico del metro de San Francisco. En este estudio se ha considerado una desangulación θ_s de 1.1·10^-3rad, obtenida de los valores tabulados en el Manual de Carreteras (2014) para un rango de compresión no confinada q_u entre 20 y 40 kPa, para zona sísmica con a_o= 0.4g.
El análisis dinámico se basó en uno de los registros de aceleraciones del terremoto de Chile, ocurrido el 27 de Febrero del 2010, que tuvo una magnitud momento M_w de 8.8. El sismo fue subductivo tipo thrust con epicentro marítimo frente a la localidad de Cobquecura, Región del Bío Bío (Saragoni y Ruíz, 2012). El registro de aceleraciones fue obtenido de la Red Nacional de Acelerógrafos de la Universidad de Chile (RENADIC). Corresponde a un registro de superficie con componente horizontal, obtenido en una estación ubicada en Maipú, sobre depósitos de ceniza volcánica denominados comúnmente como "Pumicita". Las principales características del registro de aceleraciones se indican en la Tabla 2.
Tabla 2: Principales características sísmicas registro aceleraciones
terremoto 2010, estación Maipú (Saragoni y Ruíz, 2012)

La Figura 2 presenta las componentes de aceleraciones, velocidades y desplazamientos del registro utilizado. El registro ha sido sometido a corrección de línea de base. La Figura 3 presenta los espectros de Fourier y pseudo-aceleración para un amortiguamiento del 5%.

Figura 2: Registros de aceleración, velocidad y desplazamiento en función del tiempo.
Sismo 27F2010, estación Maipú

Figura 3: Espectro de Fourier y espectro de respuesta de aceleraciones
(5% de amortiguamiento)

Comparación de tres metodologías de análisis sísmico de túnel NATM en suelos finos de Santiago

El análisis sísmico sobre revestimientos de túneles se ha desarrollado tradicionalmente con modelos simplificados, mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas y mediante softwares de análisis estructural que no incluyen el historial de tensiones del suelo debido a las secuencias constructivas y distancia al frente de excavación, lo cual tiende a sobrestimar los esfuerzos en el revestimiento de túneles. Sin embargo, los avances en el desarrollo de software de modelos de elementos o diferencias finitas han propiciado nuevas herramientas que permiten solucionar las dificultades planteadas, así como evaluar la respuesta sísmica mediante historiales de aceleraciones. Este artículo compara la respuesta sísmica de un túnel excavado de acuerdo al método NATM en suelo fino de Santiago mediante el método de distorsión de suelo aplicado en un software de análisis estructural y a través de un software de diferencias finitas para interacción suelo -estructura. Adicionalmente, para el último modelo se aplica un historial de aceleraciones. Los resultados de estos análisis son comparados en términos de diseño estructural de acuerdo a la experiencia chilena.

Introducción

Los análisis sísmicos de túneles han sido tradicionalmente abordados mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas que no incluyen las secuencias constructivas ni historiales de esfuerzos (Wang, 1993; Penzien y Wu, 1998; Penzien, 2000). Últimamente, algunos softwares de análisis geotécnico han entregado herramientas para la resolución de problemas complejos, permitiendo incorporar las variaciones en los historiales de tensiones, métodos constructivos, secuencias de excavación y solicitaciones sísmicas a través de registros de aceleraciones.

Este artículo presenta un estudio comparativo de 3 métodos de análisis sísmico para un túnel NATM construido en suelos finos del noroeste de Santiago. Se describe la metodología, consideraciones particulares y los parámetros empleados en cada caso. Se indican las complejidades y los tiempos computacionales requeridos para el desarrollo de cada metodología. Finalmente, se presenta un análisis comparativo de los resultados obtenidos: esfuerzos sísmicos en revestimiento del túnel y cálculo de espesor de revestimiento.

Geometría del túnel y propiedades del suelo de fundación

La geometría del túnel se muestra en la Figura 1. La secuencia constructiva considera 3 secciones principales:side drift I, sección central, side drift II y 9 subsecciones que se enumeran en la misma figura. La metodología utilizada es acorde a los principios del método NATM (New Austrian Tunnelling Method) y simula las secuencias de excavación en tres etapas constructivas: bóveda, banco y contrabóveda; con desfase entre etapas y la aplicación de revestimiento estructural. Entre cada frente de avance de sidedrift, hay un desfase de 10 m, así también de la pared central. El nivel de riel del túnel se encuentra a una profundidad de 22 m del nivel de terreno y la clave del túnel se encuentra a 16 m de profundidad. La sección del túnel abarca un área aproximada de 190 m².

Figura 1: a) Geometría (dimensiones en cm) y b) secuencia constructiva 
del túnel

Se considera un túnel construido en el sector de suelos finos del noroeste de Santiago, al cual se le han asignado las propiedades geotécnicas presentadas en la Tabla 1. El módulo de deformación ha sido considerado lineal aumentando en profundidad, también se han considerado distintos valores de cohesión y coeficiente de empuje en reposo in situ K₀ para dos distintos estratos de suelo.

Tabla 1: Propiedades de los materiales (ARCADIS, 2014)

Z: profundidad medida desde la superficie en m D_j: profundidad sello fundación en m, B: dimensión menor de 
estructura en m

Solicitación sísmica

Con el fin de simular la solicitación sísmica, se utilizan dos procedimientos: desangulación sísmica y análisis dinámico con registro de aceleraciones. Para la desangulación sísmica, la metodología empleada se basa en las recomendaciones del Manual de Carreteras (2014), que se sustentan en la propuesta de Kuesel (1969) para el diseño sísmico del metro de San Francisco. En este estudio se ha considerado una desangulación θ_s de 1.1·10^-3rad, obtenida de los valores tabulados en el Manual de Carreteras (2014) para un rango de compresión no confinada q_u entre 20 y 40 kPa, para zona sísmica con a_o= 0.4g.

El análisis dinámico se basó en uno de los registros de aceleraciones del terremoto de Chile, ocurrido el 27 de Febrero del 2010, que tuvo una magnitud momento M_w de 8.8. El sismo fue subductivo tipo thrust con epicentro marítimo frente a la localidad de Cobquecura, Región del Bío Bío (Saragoni y Ruíz, 2012). El registro de aceleraciones fue obtenido de la Red Nacional de Acelerógrafos de la Universidad de Chile (RENADIC). Corresponde a un registro de superficie con componente horizontal, obtenido en una estación ubicada en Maipú, sobre depósitos de ceniza volcánica denominados comúnmente como "Pumicita". Las principales características del registro de aceleraciones se indican en la Tabla 2.

Tabla 2: Principales características sísmicas registro aceleraciones 
terremoto 2010, estación Maipú (Saragoni y Ruíz, 2012)

Ondas Sísmicas y Ondas Superficiales

Resumen

La Presente disertación presentada FUE Por El autor de una Raíz Una estancia de las Naciones Unidas Año en la Universidad Nacional Autónoma de México. La fértil Relación Entre las ciencias de la tierra de América Latina con Alemania sí Remonta a Alejandro von Humboldt. Se analizan algunos Aspectos de la Evolución de la sismología en general, y en particular, en Jena, Que Tocan el Desarrollo de la Teoría de ondas y específicamente, de las ondas superficiales. El Trabajo FUE presentado en el Gran Auditorio de la Universidad Federico Schiller en Jena, Alemania, Como Una Conferencia invitada en Ocasión de la Celebración del centésimo Aniversario de la Investigación Sismológica en Jena.

Introducción

En una carta a Schiller (1800), Johann Wolfgang von Goethe llamada la ciudad de Jena un "crisol de conocimiento". Científicos con visión de futuro, como Heinrich v Eggeling, Straubel Rudolf y Adolf Winkelmann pionero en la investigación sismológica en Jena. Aunque el tema puede parecer más bien exótico en el tiempo-y todavía lo es, al menos en algunas partes de Europa-se ajustaba a la universalidad del genio de Goethe. Una celebración de cien años de sismología en Jena es muy oportuna, ya que me permite expresar nuestra deuda con el gran naturalista Alexander von Humboldt (17691859, consulte Ertel, 1953). Debemos a Humboldt un tratamiento precoz monográfico de algunos terremotos específicos y geólogo Leopold von Buch (1774-1853) la teoría terremoto más temprana científico basado en la suposición de una relación causal con la actividad volcánica.

El concepto de vulcanismo era entonces más amplia de lo que es hoy, como los procesos tectónicos fueron incluidos. La asociación de la ciencia terremoto de Jena se hace evidente cuando se tiene en cuenta el interés de Humboldt en los clásicos. En una carta de 1806 dirigida a Karoline von Wolzogen, recuerda:

"Ya lo profundo de la selva amazónica o en las altas cumbres de los Andes pude percibir, de polo a polo, el mismo pulso de la vida en las rocas, las plantas y los animales que anima el espíritu humano. Dondequiera que se sentía transportado por los fuertes sentimientos que nacen de mi experiencia Jena: como profundas ideas de Goethe sobre la naturaleza me había elevado a un estado en el que me sentía como si dotado de nuevos órganos de los sentidos ".

Humboldt fue muy activo en la etapa de desarrollo de la geofísica en un momento en sismología y otras disciplinas geofísicas fueron convirtiendo en campos independientes. Por desgracia se le impidió hacer contribuciones más importantes al campo porque murió antes de sismología había surgido plenamente como una ciencia.

Emil Wiechert (1861-1928) formuló en 1902 el objetivo de la investigación sismológica de la siguiente manera: "Un temblor en los rendimientos de rock señales desde lejos: nos permiten descifrar el mensaje!". Con el fin de alcanzar plenamente este objetivo noble, primero debemos entender el comportamiento de las ondas sísmicas y la teoría de estos fenómenos. Contribuciones independientes en este campo se han logrado en Jena un poco tarde: así me siento justificado al señalar algunos hitos alcanzados en otras partes, aunque sin ninguna pretensión de exhaustividad. La base de la teoría de las ondas sísmicas es, sin duda, la teoría de las ondas elásticas. Elástica de onda teoría comenzó a estancarse hacia el final de la 19 ^ª siglo, después del experimento de Michelson 1887 había descartado la existencia de éter elástico como un portador de fenómenos de ondas electromagnéticas. Hablando de Jena, vale la pena mencionar que este experimento crucial, ya que fue el desarrollo de la física, se duplicó en Jena por Georg Joos (1894-1959), con márgenes de error más estrechas.

En términos generales, podemos entender olas como fenómenos de propagación en el espacio y el tiempo que satisfacen la ecuación diferencial general de tipo hiperbólico total de

□ donde es el operador de d'Alembert.

Ondas periódicas, un caso particular importante, están representados por la ansatz monocromática

u = A ( x, y, z) e ^iωt

donde la amplitud A satisface la ecuación de Helmholtz

A menudo representado por la expresión para ondas planas

A ( x, y, z ) = A ₀ exp [i k ( n ₁ + n x ₂ + y + n ₃ z ]

con n ₁ ² + n ₂² + n ₃² = 1,

que contiene todas las propiedades principales de las ondas sísmicas. En términos del comportamiento del número de onda k y los componentes del vector unitario en la dirección de propagación de las ondas podemos clasificar como sigue:

• longitudinalmente amortiguado, cuando amortiguada en la dirección de propagación,

• oblicuamente amortiguado, cuando amortiguado en un ángulo a la dirección de propagación, y

• transversalmente amortiguado, cuando amortiguado normalmente a la dirección de propagación.

El fenómeno de la onda de superficie también puede ser explicada por las ondas amortiguadas transversalmente.Mientras que las ondas progresivas son siempre en forma

vibraciones son cambios de estado de una cantidad que es una función periódica de tiempo, como φ ( t ) = A sen ( ωt + ψ ). Debe quedar claro que los sismogramas de todo tipo son siempre las grabaciones de vibraciones, ya que se obtienen en una estación fija mientras que las ondas son procesos más complicados en el espacio y el tiempo. La teoría de las vibraciones es un campo independiente de la física con importantes aplicaciones en ingeniería de la sismología. Un ex miembro y director del instituto de Jena, Hans Martin (1899-1991), se ocupó intensamente con las vibraciones en su tesis y regresó más tarde a este tema. Su capítulo pendiente en "vibraciones mecánicas" en el manual popular de la física experimental de Wien y Harms (1934) merece un lugar importante en la literatura relevante.

El teleseism registró por primera vez fue un récord terremoto japonés obtiene v Rebeur-Paschwitz en Potsdam un tanto casualmente el 17 de abril de 1889 ( Figura 1 ). Alrededor de la vuelta del siglo había ya una grabación continua en Jena. Un ejemplo es el registro N-S del péndulo horizontal Wiechert de un terremoto en Jan Mayen a kilómetros de distancia 2500 ( Figura 2 ). Los arribos de las ondas de cuerpo y ondas superficiales se ven claramente. Ambos tipos de ondas son predichas por las ecuaciones de movimiento en un semiespacio elástico.Ellos representan la respuesta de la Tierra a una excitación a la fuente.

Un tratamiento por separado de estos tipos de onda está condicionado históricamente: se hace también por razones prácticas. La Tierra es excitado por un terremoto y rinde oscilaciones normales como las provocadas al golpear una campana. Este concepto no es nuevo, pero el análisis teórico tuvo un largo período de tiempo y sigue siendo (Dahlen y Tromp, 1998). Oscilaciones normales de la Tierra se representan como complicados armónicos esféricos tales como los mostrados en la Figura 3 para el grado sexto y el orden primero.

Tales oscilaciones permanentes pueden ser usados ​​para sintetizar la propagación de las ondas sísmicas como se observa en la Tierra. A la inversa, las ondas de superficie que han completado por lo menos un camino alrededor de la Tierra pueden ser usados ​​para sintetizar los modos normales por superposición. En su tesis "Velocidad de propagación y absorción de las ondas del terremoto", W. Pechau discutido la propagación de estas ondas en 1912 en Jena.

Los procesos extremadamente complejos que se producen después de un terremoto puede ser ilustrado por el programa informático SeisWave por Alan J. Jones. Figura 4 muestra una instantánea de un terremoto en Nueva Zelanda en 1994. Algunos sismogramas de estaciones de todo el Pacífico se muestran en la parte superior. Las ondas de superficie se ven como delgadas círculos concéntricos alrededor de Nueva Zelanda, y las fases SS, S y PP se muestran como círculos en negrita (abajo, izquierda). La figura de la derecha inferior representa las trayectorias de las ondas de cuerpo diferentes en una sección a través de la Tierra.

Todos los fenómenos de ondas de superficie se puede entender como casos especiales de fenómenos de guía de ondas. Cuando se habla de las ondas de superficie, el trabajo pionero de Lord Rayleigh (18421919) no debe ser omitido. Ya en 1885 se predijo la existencia de ondas guiadas en la superficie libre (ahora conocida como ondas de Rayleigh) y brillante reconoce su importancia en los terremotos de principios básicos. Otros tipos de ondas superficiales fueron descubiertos por Augustus EH Amor (1863-1940), Horacio Cordero (1849-1934) y otros, y son conocidos por sus descubridores ( Figura 5 ).

Tomografía sísmica siguió al éxito de la tomografía médica. Se ha producido avances impresionantes en los últimos veinte años para la exploración del interior de la Tierra. Figura 6 muestra una aplicación del manto tomografía por Wei-jia Su laboratorio de la Universidad de Harvard sismológico, utilizando las ondas P y S. La tectónica de placas es impulsado por convección, y la figura muestra cómo el material más ligero se eleva en los centros de expansión de la subida del océano.

La tendencia actual en la tomografía es hacia el análisis de la sismograma conjunto ("forma de onda tomografía"), en lugar de de tipos de onda individuales. A pesar de la única cabo el siguiente, entre muchos otros. Snieder y Trampert (1999) señalan la importancia de la no linealidad en la tomografía. En la Figura 7 , las trayectorias de los rayos en un experimento tomográfica se muestran con velocidad uniforme (a la izquierda), con una inclusión de baja velocidad (en el centro), y con una inclusión de alta velocidad (a la derecha). En el segundo caso, los caminos se doblan alrededor la inclusión, mientras que en el tercer caso, hay una zona de sombra en la estación central. Ambos casos presentan problemas de interpretación.

Wielandt (1992) señala el hecho sorprendente de que el pensamiento poco se ha dado a la interpretación de los campos de ondas no uniformes. ¿Cuál es el significado de la velocidad de fase en este caso? Resulta que uno debe distinguir cuidadosamente entre una dinámica y un número de onda estructural. Es importante recordar que cada reflexión de las ondas por delante del reflector genera un complicado dependiente del tiempo patrón de interferencia. Figura 8 muestra un ejemplo de incidencia oblicua (j = 10 °), donde las olas transformadas no se muestran.

Incluso para el caso simple de incidencia vertical de la superposición de las ondas directa y reflejada genera un campo de ondas de velocidad de fase no uniforme, en donde se podría hablar de "aceleradas" ondas. Ondas develocidad de fase dependiente del tiempo y la amplitud puede ser descrito por las siguientes expresiones no publicados previamente:

cos ( kx - ωt) + r cos (k + x ω t) = A ( t ) cos [ k x-d ( t )]

donde r es el coeficiente de reflexión, A es la amplitud

y la velocidad de fase variable es

Estos efectos deben ser considerados en investigaciones más precisas.

Las observaciones anteriores son de carácter general. Como información complementaria se presentan algunos primeros trabajos hechos en Alemania y Suiza sobre la teoría y la observación de las ondas superficiales. K. Uller (1914, 1918, 1928) aportaron contribuciones nuevas y no convencionales para la teoría de las ondas de superficie, algunos de los cuales fueron mal interpretadas o desacreditados. Una evaluación final desde un punto de vista moderno se encuentra pendiente. Hay contribuciones a la teoría de las ondas de amor por E. Meissner (1921, 1922, 1927). Tanto Angenheister G. (1906) y O. Meissner (1913) discuten la extinción de las ondas sísmicas de superficie como resultado de anelasticidad. También contribuyeron las observaciones de las ondas de superficie a lo largo de las rutas oceánicas y continentales [O. Meissner (1915), G. Angenheister (1921)].Además, O. Meissner (1929) investigó el problema de la dependencia de la distancia período.

Pasemos ahora a describir el desarrollo de la investigación en la superficie de onda en Jena. Los primeros estudios sistemáticos de las ondas de superficie centrada en las determinaciones de velocidad de grupo a través del "pico y valle" método para terremotos Eurasia ( Figura 9 ) por D. Güth (1962).

Más tarde, la investigación sobre las ondas de superficie se expandió de manera significativa y una red de estaciones sísmicas estándar se construyó en 1969 ( Figura 10 ). Funcionó durante 15 años y ha producido muchos resultados, algunos de los cuales deben ser mencionados aquí. Neunhöfer (1985) obtuvieron curvas de dispersión media de las velocidades de fase ( Figura 11 ) para el sur y el norte Varisco pre-Varisco de la antigua República Democrática Alemana. Se encontraron algunas diferencias significativas procedentes de la corteza y manto superior. Una línea de investigación diferente preocupa el comportamiento de las ondas de superficie en los medios anisótropos. Anisotropía perturba la división de las ondas de superficie en ondas Rayleigh y Love produciendo así las familias generalizadas de ondas superficiales. Neunhöfer y Malischewsky (1981) estudiaron un evento en Nueva Zembla y tuvo éxito en la extracción de un componente z anormal de ondas Love ( Figura 12 ).Otro evento de Kyushu, Japón, mostró un efecto similar. Era tentador suponer que la causa de estas anomalías era anisotropía en la parte norte del continente euroasiático.

Muchas investigaciones sobre la reflexión de las ondas de superficie en las discontinuidades que se ha hecho en Jena. Figura 13 se presenta un ejemplo de Neunhöfer (1985), que obtuvieron los grupos de ondas reflejadas por un terremoto en el sur de América. También intentó localizar los elementos reflectantes para estos grupos de ondas, que deben ser colocados en una elipse por razones geométricas.

Después de 1970 hubo una considerable investigación sobre la teoría de ondas de superficie en Jena, porque la teoría disponible no había explicado todos los efectos de la propagación de las ondas de superficie en guías de onda perturbados. Los siguientes son algunos de los principales resultados de esta investigación:

• Combinación de las ondas de Rayleigh y Love en un sistema homogéneo función propia

• Ortogonalidad y exhaustividad

• Investigación sobre las ondas de superficie reflejada y transmitida

• Formulación de las ecuaciones integrales singulares con la consideración de las ondas de cuerpo

• Tratamiento de las estructuras de guía de ondas complejas

• Análisis de la relación de Poisson críticos

• Los problemas de las ondas superficiales en superficies curvas.

Los resultados obtenidos hasta 1986 se exponen en una monografía de Malischewsky (1987). Las aplicaciones incluyen la costura de carbón sísmica y guías de onda ópticas. Posteriormente, la investigación en grupos de ondas reflejadas se amplió de manera significativa por Meier, quien sucedió en la producción de una base más sólida teórica y experimental para la tomografía de ondas superficiales se refleja y dispersa utilizando ultrasonido experimentos (Meier et al., 1997). GRSN datos se utilizaron ampliamente, y los coeficientes de reflexión experimentales fueron obtenidos para la región de Europa Central. Figura 14 ilustra la importancia de las estructuras geológicas y las nuevas ideas se pueden obtener de esta manera.

Recientemente Meier y Malischewsky (2000) estudiaron el modo de conversión de ondas superficiales en un margen continental pasivo en una Tierra curva. Por último, Malischewsky (2000) revisó las fórmulas antiguas conocidas por la reflexión de las ondas de cuerpo en una superficie libre en términos de su relación con las ondas de Rayleigh. Los nuevos resultados se obtuvieron.

Para concluir me permito citar a William Blake (1757-1827): . todo lo posible para ser creída es una imagen de la verdad Con una reverencia a Blake Yo sostengo que no todo lo que ofrece como verdad por el 3-D tomografía sísmica es posible ser cree, a menos que la estructura fina de la teoría de la onda ha sido considerado.

Implicaciones del tsunami de Tohoku del año 2011 para la gestión de desastres naturales en Japón

 

El 11 de marzo del año 2011 un terremoto de magnitud 9.0 en la escala Richter tuvo lugar en el mar próximo a lacosta noreste de Japón, generando un tsunami que causó graves daños en las zonas costeras. Un gran número de edificios, incluso muchos de ellos construidos en hormigón armado, fueron destruidos o sufrieron daños extensos, y una gran parte de la flota pesquera terminó encallada en tierra. Muchas estructuras de defensa costera como diques, rompeolas u otras estructuras construidas para resistir tsunamis, también sufrieron graves daños. Ha sido uno de los peores tsunamis que ha afectado Japón a lo largo de su historia. De hecho, el así llamado Gran Terremoto y Tsunami del Este está considerado como un evento que se produce solo cada varios miles de años, al igual que el tsunami de Jogan del año 869 d.C. (Sawai etal., 2006). Esta zona de Japón, conocida con el nombre de Tohoku, ha sido frecuentemente atacada por tsunamis, como el Tsunami de Keicho en el año 1611, donde las olas llegaron hasta 4 km tierra adentro, causando grandes daños en la región (Sawai et al., 2006), o los tsunamis de Meiji-Sanriku de 1896 y Showa-Sanriku de 1933.
Como consecuencia de este tsunami se hace necesario revisar la filosofía detrás de la Gestión de Desastres Naturales en Japón. El desastre ha proporcionado muchas lecciones de cómo se podrían mejorar muchos aspectos de esta gestión, y estas lecciones afectarán las consideraciones teóricas, morales y éticas de dicha gestión. En este artículo los autores describen las principales características del evento y sus implicancias.
Mucho de lo que será discutido tiene su base en problemas intrínsecos a la actual manera de gestionar desastres naturales. Durante muchos años se ha debatido entre los Ingenieros de Costas japoneses y la comunidad que gestiona los desastres naturales si los métodos físicos de protección basados sólo en infraestructura, como los rompeolas o diques, son preferibles a los métodos de planificación como los sistemas de alerta o planes de evacuación. La magnitud del evento de marzo del 2011 ha intensificado el debate, y de hecho en Japón se está comenzando a llegar a un consenso a este respecto. La idea de que las estructuras de protección son siempre capaces de proteger la vida de los habitantes de la costa ha sido abandonada, especialmente a la luz de este último evento. La función de estas estructuras es por tanto dar protección a las propiedades durante los eventos de mayor frecuencia, pero de una intensidad menor, típicamente con un periodo de retorno de entre 50 a 60 años y entre 150 a160 años (intervalos de frecuencia usados en Japón). Estos eventos comienzan a ser referidos como "Tsunamis de Nivel 2". El objetivo de los métodos de planificación sería la protección de vidas, y estaría diseñado teniendo en mente los eventos más infrecuentes pero de mayor intensidad que comienzan a ser definidos como "Tsunamis de Nivel 1". El costo financiero de construir estructuras para proteger contra tsunamis es bastante elevado, y su efectividad no está del todo clara, sobre todo para eventos superiores al tsunami de diseño, como sucedió en marzo del 2011.
En el futuro la construcción de infraestructura sólo debería proceder si se establece que tienen sentido desde un punto de vista de costo-beneficio, especialmente considerando que sólo se espera que protejan las propiedades de las zonas costeras. Hoy en día no está claro hasta qué punto los métodos físicos contribuyeron a aliviar el daño causado por el tsunami, especialmente dado el extenso (a veces catastrófico) daño que sufrieron estas estructuras. Un análisis preliminar de la altura de ola en frente y detrás del rompeolas situado en la bahía de Kamaishi muestra como la estructura podría haber contribuido a reducir la altura de inundación entre un 40 y 50% (utilizando datos del Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group (2011) y de PARI (2011)), aunque realmente es necesario investigar este fenómeno mucho más a fondo.
Una parte de esta discusión sobre los métodos de planificación y de infraestructura se centra en si las áreas costeras pueden ser consideradas como lugares de recreo o como el origen de posibles amenazas. ¿Se debería preservar la belleza de estas áreas, o protegerlas de potenciales ataques provenientes del mar?. Japón es un país que periódicamente experimenta desastres naturales como terremotos, tsunamis y tifones, entre otros. Para protegerse contra tifones y tsunamis es necesario no solo construir defensas costeras sino que también es necesario la adecuación de ríos y laderas de montañas para proteger contra otras consecuencias de estos desastres, como inundaciones y remociones en masa. Por lo tanto, las consideraciones estéticas y de ingeniería pertinentes al caso de Japón no son necesariamente las mismas de otros países. Esto se refleja también en la mentalidad de la población e Ingenieros Civiles japoneses, que asocian la idea de problemas costeros con amenazas y como protegerse de ellas. Por ejemplo, la costa de Sanriku tiene una economía que depende de la pesca y otras industrias asociadas con esta actividad. Para la población que vive en estas áreas las consideraciones estéticas son seguramente secundarias comparado con la protección de vidas y de su estilo de vida. Por esto la implementación de métodos de defensa físicos es esencial para que la zona continúe siendo habitada y que la población viva en relativa paz con el mar. Este sentimiento en Japón es en general bastante diferente al de otros países de Europa o América del Norte, donde la implementación de estructuras de defensa sería difícil debido a la oposición de la población del lugar, que protestaría sobre el impacto de las estructuras sobre el ambiente.
El Gran Terremoto y Tsunami del Este del 2011 sin duda conllevará a profundas reflexiones sobre los conceptos y formas de gestión de riesgos referentes a tsunamis en Japón y en el mundo. La gran cantidad de daños y el elevado número de víctimas en un país que se consideraba bien preparado para los tsunamis sin duda creará grandes debates entre Ingenieros Costeros, las personas y organismos que gestionan zonas costeras y los gobiernos nacionales y locales. A pesar de las trágicas consecuencias de eventos como éste, es importante comprender que también presentan oportunidades para impulsar cambios en la utilización y protección de la costa e incrementar la capacidad de defensa de las comunidades contra futuros eventos. En este caso es difícil llegar a la conclusión de que los errores del pasado están siendo repetidos, debido a que este evento tiene un periodo de retorno tan alto que lo hace relativamente único en la historia de Japón hasta este momento. A pesar de esto, este tipo de eventos serán a partir de ahora una parte constituyente de la historia de la humanidad, y pueden servir de ejemplos para otras regiones de Japón o del mundo.

Un proyecto de evacuación de edificios por terremotos y tsunamis

Introducción
Comunidades costeras de poca altitud a lo largo del noroeste del Pacífico están en riesgo de una inundación de tsunami generada por la zona de subducción de Cascadia (CSZ) terremotos. Estas comunidades se desarrollaron mucho antes que los científicos entienden los peligros de tsunamis existentes. Por lo tanto, alrededor de 100.000 personas se encuentran en la zona de riesgo de inundación de tsunami cada día en Oregon. Algunas de estas 100.000 personas se encuentran en la parte alta de peligro de la zona de inundación cercana a los canales oceánicos y fluviales con recorridos largos a tierra elevación segura y más alto. Además, muchas de estas comunidades atraen a los turistas que vienen a visitar las playas del océano, que son áreas de alto riesgo. Las comunidades costeras han estado respondiendo a los riesgos de tsunami mediante el desarrollo de planes de operaciones de emergencia que incluyen el establecimiento de rutas de evacuación y las áreas y programas de extensión educativa.
Se necesitan nuevos mapas de inundación de tsunami para Cannon Beach, Oregon (CB). El uso de mejores datos y métodos científicos (por ejemplo, en Sumatra 2004, Chile 2010, Japón 2011), los nuevos mapas de peligro de tsunami pueden cambiar peligros de riesgo de Cascadia generado tsunamis que los mapas anteriores. El mapa de evacuación CB 2008 muestra gran parte del centro de la ciudad, la escuela primaria, estación de bomberos, estación de policía y el Ayuntamiento en riesgo de tsunamis de origen lejano y locales ( Figuras 1a, 1b y 1c ).Además, los estudios de vulnerabilidad han demostrado que ciertas poblaciones como los visitantes y personas de edad avanzada son también particularmente en riesgo. También debe tenerse en cuenta que la gente va a estar desorientados por el terremoto y que los tiempos de evacuación antes del tsunami llegan rango de 10 a 30 minutos para las pruebas de Cascadia. Un aumento del riesgo de tsunami significa que la playa de Cannon y otras comunidades costeras ya no pueden confiar exclusivamente en la estrategia de evacuación a tierras más altas, sino que debe mirar a los edificios de evacuación de tsunami, las estructuras y muros de contención.


Tsunami Edificios de evacuación (TEBs) pueden ser un elemento importante asegurando que las escuelas, las instalaciones esenciales y los edificios del gobierno son capaces de cumplir con sus fines cotidianos y seguir funcionando después de que el terremoto y el tsunami. Si bien este enfoque no se ha hecho en los Estados Unidos, se ha hecho en Japón (véase la figura 2a ).