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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
VULNERABILIDAD ESTRUCTURAL EN LA UNIDAD HABITACIONAL
VILLA FRONTERA EN LA CIUDAD DE PUEBLA
José Jaime Juàrez Botello1, Dulce Janeth Guillot Bojalil
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Hugo Oswaldo Ferrer Toledo2 y Julo Cesar Cuenca Sánchez
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RESUMEN
Debido a las características constructivas, tipo de suelo donde se ubica (Azomoza, 1998) y la alta
concentración de población, el departamento de investigación de la UPAEP realiza estudios de riesgo sísmico
en el complejo habitacional Villa Frontera, que se encuentra en el noroeste de la ciudad de Puebla.
Algunas de las características que se observaron en Villa Frontera son varios edificios que tienen cambios
estructurales sin ningún tipo de supervisión o de la construcción criterios. Una vez extraídos los períodos
dominantes, la vulnerabilidad se determinó y se comprobó que las estructuras se calculan en el estado de
servicio límite, lo que hace más vulnerable en el evento sísmico.
ABSTRACT
Because of constructive characteristics, ground type where it is located (Azomoza, 1998) and the high
concentration of population, the investigation department of UPAEP performed seismic risk studies in the
housing complex Villa Frontera, which is located in northwestern of Puebla city. Some features that were
observed in Villa Frontera are that several buildings have structural changes without any supervision or
construction criteria. Once extracted dominant periods, vulnerability was determined and it was found that
structures are calculated at the limit serviceability state, which makes more vulnerable in the seismic event.
INTRODUCCIÓN
La Republica Mexicana se encuentra ubicada entre cinco placas tectónicas (Figura 1): Cocos, Pacífico,
Norteamericana, Caribe y Rivera, por lo que se localiza en una de las zonas sísmicas más peligrosas del
mundo. La mayoría de los sismos se originan a lo largo de las fronteras de las placas y un número menor se
inicia principalmente a lo largo de la faja volcánica
Figura 1. Esquema tectónico de la República Mexicana
1 Presidente Grupo Interuniversitario de Ingeniería Sísmica, 21 sur 1103; Santiago, 72410 Puebla, Pue.
Teléfono: (222)2299400; Ext.: 7506; [email protected]
2 Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla, 21 sur 1103; Santiago, 72410 Puebla, Pue.
Teléfono: (222)2299400; Ext.: 7406; [email protected]; [email protected]
3 Investigador del Instituto de Ingeniería UNAM México D.F.; [email protected]
XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato 2010.
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El País esta dividido en cuatro zonas sísmicas (Figura 2). Para realizar esta división se utilizaron catálogos de
sismos ocurridos desde inicios de siglo, los grandes sismos de registros históricos y los registros de
aceleración de los eventos más importantes. Estas zonas son un reflejo de la frecuencia de los sismos en las
regiones y las aceleraciones máximas que puede presentar el suelo. La zona A es donde no se tienen registros
históricos de sismos, no se reportan sismos en los últimos 80 años y las aceleraciones del suelo no serán
mayores al 10% de la aceleración de la gravedad. Las zonas B y C son de sismicidad intermedia, ya que estos
no se presentan frecuentemente y las aceleraciones presentadas en el terreno no sobrepasan el 70% de la
aceleración de la gravedad. Por el contrario, en la zona D se reportan frecuentemente sismos grandes con
aceleraciones mayores.
Figura 2. Regiones Sísmicas en México
Los sismos, además de causar grandes pérdidas humanas, también provocan grandes pérdidas materiales y
económicas. Tan sólo en el año 2003 las pérdidas alcanzaron los 55.000 millones de dólares a nivel mundial.
Las condiciones de vida antes de que ocurra un desastre natural, son factores para determinar cuál es la
pérdida en los bienes de la sociedad. Además, se debe considerar el tiempo en el cual se tarda la sociedad en
reconstruirse por completo, periodo donde no se generan los mismos ingresos.
Una acción importante es tratar de mejorar la infraestructura de las ciudades, en especial la de aquellas que
están más expuestas, para así poder resistir en mayor medida y que la perdida de los recursos económicos y
materiales sea menor cuando ocurra un desastre natural.
Por ejemplo, el sismo del 19 de septiembre de 1985, fue un movimiento telúrico de gran intensidad que
sacudió la capital y dejó un balance de entre 10.000 y 45.000 muertos, y más de 40.000 millones de pesos
(unos 3.700 millones de dólares) en pérdidas económicas, según cálculos oficiales y extraoficiales.
Una gran cantidad de perdidas humanas esta relacionada al colapso de las estructuras, lo cual se ha convertido
en una creciente amenaza a medida en que las áreas urbanas han ido creciendo y densificándose.
Hoy en día, los problemas específicos de la ingeniería sísmica ya no pueden ser resueltos únicamente a base
de observación, si no que se requiere desarrollar una disciplina fundamentada sobre bases científicas con
programas de investigación destinados a entender los problemas no resueltos y realizar una interacción entre
las ciencias básicas como son la geofísica y la sismología y la experiencia de los ingenieros proyectistas y
constructores.
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La experiencia se adquiere al paso del tiempo mediante los efectos que ha dejado la ocurrencia de eventos
sísmicos importantes. En Puebla como en otros Estados de la República, la ocurrencia de sismos es habitual,
ya que la zona se ve afectada por el Cinturón Volcánico y por la placa tectónica de Cocos.
El Estado de Puebla, ubicado en el centro de la República, se ve afectado en gran medida por sismos de
mediana profundidad, la cual es menor de los 100km. Esta sismicidad es producto de una frecuente actividad
volcánica y una variada geología.
La carta sísmica de Puebla (Figura 3) muestra que el estado esta comprendido dentro de 3 zonas:
Zona I: 17.13° a 18.69° N y 96.13° a 99.45° W, corresponde a la zona donde los movimientos son frecuentes.
Zona II: 18.69° a 19.50° N y 96.80° a 99.45° W, donde los movimientos son menos frecuentes
Zona III: 19.50° a 21.00° N y 97.00° a 98.50° W, donde los movimientos son escasos.
Figura 3. Mapa de zonificación de la ciudad de Puebla
El 15 de junio de 1999, a las 15:40 horas ocurrió un sismo de 6.7° en la escala de Richter, cuyo epicentro se
ubicó a 20km al sur-suroeste de la ciudad de Tehuacán, Puebla. El temblor produjo intensidades de
moderadas a altas en el epicentro, causando daños considerables en algunas ciudades y poblados del sur de
Puebla. Pese al amplio radio de acción del sismo y su intensidad, sólo se reportaron 15 personas fallecidas a
consecuencia del evento y el número de damnificados no fue considerable. Dada la extensa área geográfica en
la que se sintió el fenómeno (Figura 4), se vio afectado un gran número de edificaciones, principalmente
iglesias, muchas de ellas consideradas patrimonio cultural. La evaluación de las pérdidas planteó problemas
que requirieron consideraciones de orden artístico e histórico, más allá del valor constructivo.
El sismo destruyó o afectó seriamente un gran número de viviendas, escuelas, algunos centros de salud y
edificios públicos. Los daños más significativos se registraron en las casas de adobe, aunque también
sufrieron daños importantes los edificios de más de un piso, básicamente debido a prácticas constructivas
inadecuadas. De acuerdo con el tipo de estructuras que se dañaron, parece ser que las que se resintieron en
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mayor medida fueron estructuras rígidas, generalmente de una planta. En Puebla y Oaxaca el sismo afectó
regiones muy pobres.
También hubo daños en carreteras, puentes y líneas de transmisión eléctrica. La actividad comercial, sobre
todo la de establecimientos pequeños se vio perjudicada. Paradójicamente, la actividad económica en
términos generales no resultó severamente dañada. La población afectada ascendió a dos millones de personas
debido a los daños de diversa magnitud que según el censo llevado a cabo por la Secretaria de Desarrollo
Social afectó alrededor de 36,700 viviendas localizadas en 140 municipios de los 217 que tiene el estado.
5,306 viviendas resultaron totalmente destruidas, 15,688 con daños parciales y 9,682 con leves daños. El
costo total de reparación y reconstrucción ascendió a 402.8 millones de pesos.
Por todo lo anterior se observa que es sumamente necesario realizar estudios de vulnerabilidad de la
infraestructura de las regiones más expuestas a fenómenos naturales.
Figura 4. Mapa de isosistas y zona dañada por el sismo de Tehuacán
PELIGRO SÍSMICO EN MÉXICO Y EN PUEBLA
El peligro sísmico se cuantifica en términos de los periodos de retorno de intensidades sísmicas relevantes en
el comportamiento de las estructuras. La tasa de excedencia de una intensidad sísmica se define como el
número medio de veces por unidad de tiempo en que el valor de esa intensidad sísmica es excedido.
Es posible determinar el peligro sísmico contando las veces en que se han excedido valores dados de
intensidad en el sitio de interés. Sin embargo, la determinación directa rara vez se puede hacer por que no se
dispone de catálogos completos de las aceleraciones que han producido en un sitio los sismos pasados. Por lo
anterior, resulta necesario calcular el peligro sísmico de manera indirecta. Para ello, se evalúa primero la tasa
de actividad sísmica en las fuentes generadoras de temblores y después se integran los efectos que producen
en un sitio dado los sismos que se generan en la totalidad de las fuentes.
El periodo de retorno es el tiempo esperado entre dos sucesos improbables y con posibles efectos
catastróficos. Es el tiempo medio entre dos terremotos de intensidad mayor que un cierto umbral y aumenta
con la magnitud según la relación Log N = a + bM, donde a y b son coeficientes que definen el grado de
actividad de la zona sismogenética.
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Es inminente la necesidad de impulsar investigación científica en área de la geología como la
paleosismología, lo que permitirá ampliar el catálogo sísmico de la zona.
Para una comprensión precisa del comportamiento estructural de la construcción estudiada, es necesario
conocer el efecto de las capas superficiales y realizar estudios previos de vibración ambiental, ruido sísmico y
microzonificación. La unidad habitacional Villa Frontera se ubica al norponiente de la ciudad de Puebla, la
localización del multifamiliar se muestra en el siguiente plano (Figura 5). La zona enmarcada corresponde a la
región donde se realizó la mayor parte del presente estudio.
Figura 5. Ubicación de la Unidad Habitacional Villa Frontera
Por las características constructivas, el tipo de suelo donde está localizado y la gran concentración de
población, el departamento de investigación de la UPAEP llevó a cabo estudios de riesgo sísmico para
obtener una estimación de la respuesta del sitio mediante el método del cociente espectral aplicado a ruido
ambiental.
Dentro del proyecto de estudio de la vulnerabilidad sísmica de Villa Frontera se ha estudiado la respuesta del
suelo y su afectación a los edificios de vivienda existentes. Debido a la sismicidad de la zona y las
características urbanísticas, la respuesta del suelo se ha calculado mediante el cociente espectral aplicado a
ruido ambiental para obtener los rangos de periodos en los que puede producirse amplificación.
Los resultados obtenidos reflejan la complejidad geológica de la región, estimando que el 28% del total de los
edificios de vivienda pueden presentar interacción suelo-estructura.
Una de las finalidades de este trabajo fue implementar la amplificación de suelos en los cálculos de
vulnerabilidad en edificios de viviendas en la zona de Villa Frontera. Debido a la amplitud espectral de las
bandas de frecuencia donde se produce amplificación, el hecho de asignar solo la amplificación al periodo del
valor máximo descartaría un amplio rango en el que probablemente se produce. Por este motivo, se optó por
suponer que existe amplificación en todo el rango en que el cociente espectral es mayor que 1. Esta forma de
trabajo significa adjudicar amplificación en periodos en que probablemente la amplificación si existe es muy
pequeña, pero como el propósito fue implementarlo en los cálculos de vulnerabilidad, esto sólo supone un
pequeño aumento.
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En el presente trabajo, se realizaron mediciones de vibración ambiental en 27 puntos representativos de Villa
Frontera, los cuales fueron identificados con 2 letras para su rápida ubicación (Figura 6) con el fin de
presentar una propuesta de microzonificación sísmica de la zona usando el método de Nakamura, para así
obtener el periodo fundamental del suelo y tener un mejor conocimiento del comportamiento ante un evento
sísmico. Con el fin de obtener mejores resultados, se probaron distintas posibilidades para considerar los datos
y los cocientes espectrales, se compararon de una manera estadística los resultados y se analizaron las
ventanas de registro de 30 minutos para obtener una mejor definición de los cocientes espectrales hacia bajas
frecuencias.
Los equipos que se utilizaron para las mediciones fueron acelerómetros de banda ancha K2 (Figura 7), que
contaban también con una antena de GPS.
Figura 6. Índice de número de puntos medidos en Villa frontera
Al obtener un mayor número de muestras, se pudo tener resultados más confiables desde el punto de vista
estadístico. Con la longitud de estos registros se pudieron realizar los análisis en varias ventanas de tiempo.
Figura 7. Mediciones con el sismógrafo K2 Kinemetrics
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Se utilizó el software MATLAB, el cual realiza la aplicación del método de Nakamura en el siguiente orden:
1. Selecciona el número de ventanas para cada estación
2. Realiza el suavizado de los bordes con las ventana de Von Hann
3. Calcula la transformada de Fourier (FFT)
4. Realiza la suma vectorial de los componentes horizontales en el dominio de las frecuencias
5. Calcula los cocientes espectrales para el número total de ventanas
6. Obtiene el promedio de los cocientes espectrales
En las señales de microtremores se debe de tomar en cuenta que las fuentes de energía son multidireccionales
y, por lo tanto, no se conoce la dirección de máximo movimiento, considerando el vector de máxima energía
horizontal, se obtendrán amplitudes mayores, como se muestra en la siguiente ecuación. Lo que implicará
tomar una postura conservadora en cuanto a la evaluación de la amplitud de la amplificación del sitio.
(1)
Una vez aplicado el método se obtienen los cocientes espectrales en los 27 puntos de la Unidad habitacional
de Villa Frontera, a partir de los cuales se identificaron las frecuencias fundamentales, y los periodos
fundamentales (los inversos de las frecuencias) como los observamos en el mapa. Los resultados de los
cocientes espectrales por componente se muestran en la tabla siguiente:
Tabla 1: cocientes espectrales en los 27 puntos de la Unidad habitacional de Villa Frontera
CLAVE PUNTO L T Promedio
Periodo Hz Amplif. Periodo Hz Amplif. Periodo
P1 GP 1.416 1.521 0.706215 1.465 1.247 0.682594 0.694404
P2 GQ 1.172 1.507 0.853242 1.172 1.431 0.853242 0.853242
P3 GR 1.123 2.21 0.890472 1.123 1.745 0.890472 0.890472
P4 GS 1.221 2.036 0.819001 1.221 1.442 0.819001 0.819001
P5 GT 1.172 1.813 0.853242 1.172 1.847 0.853242 0.853242
P6 GU 1.074 1.833 0.931099 1.074 1.156 0.931099 0.931099
P7 GV 1.025 1.61 0.97561 1.123 4.876 0.890472 0.933041
P8 GW 1.172 1.688 0.853242 1.172 1.334 0.853242 0.853242
P9 GX 1.318 1.956 0.758725 1.269 1.55 0.788022 0.773374
P10 GY 1.123 1.53 0.890472 1.172 1.606 0.853242 0.871857
P11 GZ 1.416 2.297 0.706215 1.318 1.438 0.758725 0.73247
P12 HA 1.074 1.91 0.931099 1.074 1.572 0.931099 0.931099
P13 HB 1.074 2.01 0.931099 1.172 1.69 0.853242 0.892171
P14 HC 1.123 2.984 0.890472 1.123 1.524 0.890472 0.890472
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P15 HD 1.172 1.605 0.853242 1.269 1.649 0.788022 0.820632
P16 HE 1.123 1.879 0.890472 1.123 10.3 0.890472 0.890472
P17 HF 1.416 1.978 0.706215 1.465 2.237 0.682594 0.694404
P18 HG 1.318 1.755 0.758725 1.318 2.3 0.758725 0.758725
P19 HH 1.367 1.847 0.731529 1.269 1.807 0.788022 0.759775
P20 HI 1.318 2.134 0.758725 1.318 2.178 0.758725 0.758725
P21 HJ 1.416 2.776 0.706215 1.318 2.681 0.758725 0.73247
P22 HK 1.562 2.265 0.640205 1.514 1.95 0.660502 0.650353
P23 HM-A 4.98 9.571 0.200803 4.98 8.524 0.200803 0.200803
P24 HM-B 4.98 8.274 0.200803 4.98 9.353 0.200803 0.200803
P25 HN-C 4.931 7.956 0.202799 4.931 7.284 0.202799 0.202799
P26 HO-D 1.123 2.103 0.890472 1.172 1.564 0.853242 0.871857
P27 HP-CA 1.025 2.589 0.97561 1.025 1.81 0.97561 0.97561
Con estas mediciones se calcularon los espectros de Fourier para cada punto de medición y se obtuvieron los
coeficientes espectrales H/V (cociente del espectro correspondiente a la media geométrica de las componentes
horizontales del registro, NS y EW y el de la componente vertical Z) con relación a cada punto para la
evaluación de los efectos locales (Figura 8).
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Figura 8. Cocientes espectrales de los 27 puntos de medición
Usando los registros de los en 27 puntos medidos, se construyó el mapa de isoperiodos (Figura 9). Los valores
obtenidos de los periodos fundamentales oscilan entre T =0.7seg. y T=0.9 seg. Cabe mencionar que para tener
una mejor robustez en los resultados es necesario compararlos con datos de aceleración de un evento sísmico.
Ya que en este trabajo no se logro registrar un evento sísmico durante las mediciones.
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Figura 9. Mapa de isoperiodos
Los períodos obtenidos de un análisis dinámico considerando edificaciiones de mampostería y de acuerdo al
Reglamento de la ciudad de Puebla, de 1999, Grupo B, suelo de tipo II, Qx, Qy = 2 y una CM para entrepiso y
azotea de 410 y 515 Kg / cm 2, respectivamente, son:
Tabla 1: períodos obtenidos
Modos Período (s)
X Y
1 0.265 0.150
2 0.097 0.153
3 0.064 0.135
4 0.053 0.029
Las modificaciones efectuadas a las construcciones modificaron sustancialmente los períodos mencionados
anteriormente.
VULNERABILIDAD SÍSMICA ESTRUCTURAL
La vulnerabilidad sísmica de una estructura puede definirse como la predisposición a sufrir daños ante la
ocurrencia de un terremoto de determinadas características. La vulnerabilidad está directamente relacionada
con las características de diseño y construcción que tiene la estructura, la cual depende totalmente del
ingeniero y del constructor.
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Como se ha mencionado, casi el 75% de la pérdida de vidas humanas que han ocurrido en el mundo entre
1900 y 1992 a causa de terremotos, se debe al colapso de muchas estructuras, por lo que debemos tener en
cuenta no sólo los terremotos recientes, sino considerar la carta región sísmica de la región.
La vulnerabilidad de una estructura es la relación entre la intensidad del movimiento sísmico, en este caso la
aceleración espectral y el nivel de daño. El parámetro que se utiliza para calcular el nivel de daño en una
estructura es la distorsión máxima de entrepiso, la cual se define como la relación entre el desplazamiento
relativo entre dos niveles dividido entre la altura de entrepiso.
De cualquier forma, dada la naturaleza errática de los sismos, así como la posibilidad de que se exceda el
nivel de diseño, es aconsejable evitar el planteamiento de configuraciones riesgosas, independientemente del
grado de sofisticación que sea posible lograr en el análisis de cada caso.
Se pudo notar en el estudio realizado en Villa Frontera, que un alto porcentaje de los edificios presentan
modificaciones estructurales (Figura 10), las cuales evidentemente se realizaron sin supervisión estructural
alguna, lo que conlleva a un aumento drástico de la vulnerabilidad de la zona. Lamentablemente, aún en
muchas edificaciones del Estado de Puebla las normas de construcción sismorresistente no han sido
efectivamente aplicadas. En otras palabras, la vulnerabilidad estructural de Villa Frontera es alta, situación
que debe ser corregida total o parcialmente con el fin de evitar enormes pérdidas económicas y sociales, en
particular en los zonas en desarrollo.
Figura 10. Ejemplo de modificaciones estructurales presentadas en viviendas de Villa Frontera
Debido a que muchas edificaciones fueron construidas hace tiempo y otras no han sido diseñadas ni
construidas con normas sismorresistentes, surgen dudas con respecto a la certeza de que dichas edificaciones
puedan seguir funcionando con posterioridad a un sismo. En estos casos, se hace imperativa una minuciosa
revisión sobre la capacidad de la estructura de soportar sismos moderados y fuertes, mediante estudios de
vulnerabilidad.
A causa de sismos fuertes es probable que se presenten daños estructurales en columnas, tales como grietas
diagonales, causadas por cortante y/o torsión, grietas verticales, desprendimiento del recubrimiento,
aplastamiento del concreto y pandeo de las barras longitudinales por exceso de esfuerzos de flexocompresión.
En las losas se pueden presentar grietas por punzonamiento alrededor de las columnas y grietas longitudinales
a lo largo de la placa debido a la excesiva demanda por flexión que en ciertas circunstancias puede imponer el
sismo. Este tipo de daños se ha visto reiteradamente en edificaciones como estas sometidas a movimientos
sísmicos fuertes y moderados.
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Irregularidades en altura, traducidas en cambios repentinos de rigidez entre pisos adyacentes, hacen que la
absorción y disipación de energía en el momento del sismo se concentren en los pisos flexibles, donde los
elementos estructurales se ven sobresolicitados. Las irregularidades en planta de masa, rigidez y resistencia
pueden originar vibraciones torsionales que generan concentraciones de esfuerzos difíciles de evaluar, razón
por la cual una mayor exigencia en estos aspectos debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar
arquitectónicamente las edificaciones.
Se puede deducir que ante la ocurrencia de un sismo, estas estructuras presentaran un daño significativo como
consecuencia de la degradación de la rigidez o de la resistencia del sistema, ya que los componentes
estructurales y no estructurales pueden caer y constituir una amenaza dentro o fuera del edificio. Tal vez sea
posible reparar las estructuras dañadas, aunque en algunos casos esto podría resultar poco práctico desde el
punto de vista económico.
Puede resultar poco práctico reforzar las estructuras, puesto que aun así el edificio no será totalmente seguro
para su ocupación y las actividades consecuentes podrían inducir a su colapso.
Conclusiones
Debido a la gran popularidad de las unidades habitacionales en México, en zonas densamente pobladas y una
vez que se hayan definido los conceptos de peligro, vulnerabilidad y riesgo sísmico, es factible la realización
de estudios de viabilidad para determinar los posibles daños potenciales que pueden producirse a causa de la
ocurrencia de un evento sísmico importante.
Con los datos obtenidos en el presente análisis y la revisión de un edificio tipo, se encontró que los inmuebles
están calculados en el estado límite de servicio, lo que hace a la estructura muy vulnerable al ser modificada
en un porcentaje de alrededor del 30% en sus características constructivas y de diseño originales sin
supervisión estructural.
Es necesario tener un mayor número de estudios de microzonificación para conocer más a detalle el
comportamiento del suelo y determinar si existirán efectos de amplificación dinámica de las vibraciones, así
como el análisis de otros posibles efectos locales causados por temblores futuros.
La región sísmica que se encuentra en el estado de Puebla, la concentración de población en Villa Frontera y
el tipo de suelo de la zona, hacen que la vulnerabilidad sísmica de sus edificios sea muy elevada, aunado a
esto, el nivel socio-económico sería un impedimento para solventar los gastos de reparación, en caso de que
estos fueran posibles.
Las autoridades implicadas deberían ser más estrictas con respecto a los cambios sin supervisión, ya que estos
alteran drásticamente la concepción original del proyecto, modificando la respuesta dinámica (periodos) de
las estructuras.
Haciendo un análisis de cómo afectaría un temblor a una zona como Villa Frontera, donde existe un estimado
de 200 edificios que corresponden a 4 niveles, dando un total de alrededor de 1600 departamentos de interés
social, con un promedio de 5 habitantes por inmueble, se tiene que existe una población aproximada de 8,000
habitantes cuyo nivel socio-económico bajo implicaría un obstáculo para cubrir el alto costo de reparación,
alterándose completamente la vida de la localidad. Lo anterior aplica al considerar un sismo de magnitud
entre 5 y 6 grados, pero si ocurriera un sismo de mayor magnitud (lo cual podría ser posible por lo estudiado
en los periodos de retorno) el peligro de la zona aumentaría en grandes niveles, ya que alteraría la vida
económica, social y familiar por los daños que se pueden presentar en el lugar.
CITAS, REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
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