Mapas de amenaza sísmica en Colombia
Si bien para personas viviendo en la zona andina latinoamericana es común sentir un par de sismos fuertes al año, y nos parece que en cualquier momento y cualquier parte puede haber un sismo que cause daños, lo cierto es que hay zonas con más amenaza sísmica que otras.
En este artículo vamos a intentar explicar justamente ese concepto de amenaza sísmica y los factores importantes para tener en cuenta en el diseño de estructuras sismorresistentes.
1. Todo empieza con las placas
La corteza terrestre no es una sola pieza. Es un rompecabezas de placas que se desplazan, muy lentamente, sobre el manto. Colombia quedó justo donde convergen tres: Nazca, Caribe y Suramericana. Hemos oído hablar del cinturón del Pacífico, desde Japón hasta América, pues justamente de este cinturón estamos hablando, el cual es sísmicamente muy activo, a diferencia de otras zonas del planeta como Europa o la Amazonía.
La placa de Nazca avanza hacia el oriente a unos 55–60 mm por año y se hunde bajo la Suramericana frente a la costa Pacífica. Esa es la zona de subducción. Por el norte, la placa del Caribe empuja contra el continente. Y entre ambas, el territorio colombiano quedó fracturado por sistemas de fallas activas que recorren las tres cordilleras.
De ahí sale la primera idea importante: la amenaza sísmica no es igual en todo el país. No es lo mismo construir en el corredor andino, atravesado por fallas activas y cercano a la subducción, que hacerlo en los llanos orientales o en la Amazonía.
2. La magnitud: energía en el foco
Estas placas empujan y empujan durante mucho tiempo, acumulando energía, la cual cada cierto tiempo es liberada por deslizamientos o fracturas de estas placas. Es el mismo efecto de jalar fuertemente una soga que de repente se rompe y libera su energía con algo de sonido y el movimiento repentino de quien tira de ella. La magnitud, medida en la escala de Richter, mide la cantidad de energía liberada en el foco del sismo.
Lo que mucha gente no tiene presente es que la escala es logarítmica. Cada unidad de magnitud multiplica la energía liberada por aproximadamente 32.
Un sismo de magnitud 6 no libera el doble que uno de magnitud 5: libera unas 32 veces más. Uno de magnitud 7 libera cerca de 1 000 veces más. Eso explica algo contraintuitivo: la diferencia entre un sismo “que se sintió”, uno que “se sintió fuerte” y uno catastrófico no es un escalón pequeño en la escala, es un salto enorme en términos de energía.
3. Distancia al epicentro
Por esto también es importante la distancia al epicentro, como una bomba que explota y libera su energía en forma de sonido: entre más lejos estés, más atenuadas escuchas sus ondas de expansión, hasta dejar de percibirlas a una distancia considerable.
Pero como los sismos son liberaciones de energía en la profundidad de la corteza terrestre, los sismos muy profundos, digamos de más de 100 kilómetros, han disipado mucho su energía antes de ser percibidos en superficie; en cambio, las liberaciones de energía muy cercanas a la superficie son mucho más peligrosas, pues no han disipado su energía antes de golpear las estructuras en la superficie.
Por este tipo de aspectos físicos, es un problema para quien diseña estructuras pensar solamente en la magnitud ya que solamente describe lo que pasó en el foco, a kilómetros de profundidad y a kilómetros de distancia. Lo que le pega a un edificio es otra cosa.
4. La aceleración: lo que realmente siente la estructura
Lo que una edificación experimenta durante un sismo no es la magnitud, es la aceleración del terreno en el sitio donde está parada y es la variable que “mete” fuerzas en la estructura, por la vía más elemental de la física que conocemos: fuerza es igual a masa por aceleración.
La masa es básicamente lo que pesa el edificio, entre más pesado, mayores fuerzas sísmicas sentirá al ser acelerado en la base por las ondas sísmicas.
Este valor de aceleración es lo que la NSR-10 llama Aa, aceleración pico efectiva, y es lo que estadísticamente cada región del país podría llegar a sentir si se midiera la aceleración en la roca de la corteza terrestre.
5. El primer mapa: Aa municipio por municipio
El Apéndice A-4 de la NSR-10 asigna valores de Aa a cada uno de los municipios del país. Con esos datos se puede construir el mapa que todos reconocemos.
El patrón es el esperado: el corredor andino y la costa Pacífica concentran los valores altos; la Orinoquía y la Amazonía, los bajos. Tumaco llega a 0.45 g. Barranquilla se queda en 0.10 g. Bogotá y Medellín comparten el mismo valor, 0.15 g.
Con Aa la norma define además tres zonas de amenaza sísmica.
- Baja: Aa y Av son ambos menores o iguales a 0.10 g
- Intermedia: alguno supera 0.10 g, pero ninguno supera 0.20 g
- Alta: alguno supera 0.20 g
Hasta aquí, todo bien. El mapa es correcto, la norma es clara y el municipio tiene su número.
Y sin embargo, con este mapa usted todavía no puede diseñar.
No porque esté mal, sino porque está incompleto. Aa es la aceleración en roca. Describe lo que llega desde la fuente sísmica hasta la base del sitio. No dice nada sobre lo que pasa en los últimos treinta metros, los que están justo debajo de la edificación, ni sobre cómo responde el edificio mismo.
6. El suelo importa: la lección de Armenia
El 25 de enero de 1999, a la 1:19 de la tarde, un sismo de magnitud Mw 6.2 con epicentro en zona rural de Córdoba, Quindío, devastó a Armenia y al Eje Cafetero. Más de mil personas murieron.
Mw 6.2 es una magnitud moderada. No fue un evento excepcional en términos de energía liberada. Lo que hizo tan severo el daño fue la combinación de tres factores: el sismo fue superficial, ocurrió cerca de la ciudad, y buena parte de Armenia está construida sobre suelos blandos que amplificaron las ondas que llegaban desde la roca.
Ese último punto es el que nos interesa aquí. Armenia creció ocupando los bordes de pequeños valles y rellenando cauces y quebradas para ganar espacio urbano. En esos rellenos, las ondas sísmicas pierden velocidad al pasar de un material rígido a uno flexible, y esa energía se traduce en amplitud. Dos edificaciones a la misma distancia del epicentro, una sobre suelo firme y otra sobre relleno, experimentaron sacudidas muy distintas.
Esto es lo que en ingeniería sísmica se llama efecto de sitio, y es la razón por la que ningún diseño serio se queda solo con Aa.
7. Fa y Fv: cuánto amplifica cada suelo
Para capturar el efecto de sitio, la NSR-10 clasifica los perfiles de suelo según las propiedades de los 30 m superiores, principalmente la velocidad media de la onda de cortante:
| Perfil | Descripción | Velocidad de onda de cortante |
|---|---|---|
| A | Roca competente | ≥ 1500 m/s |
| B | Roca de rigidez media | 760 – 1500 m/s |
| C | Suelo muy denso o roca blanda | 360 – 760 m/s |
| D | Suelo rígido | 180 – 360 m/s |
| E | Suelo blando | < 180 m/s |
| F | Requiere estudio particular de sitio | — |
A cada perfil le corresponden dos coeficientes de amplificación: Fa, que afecta la zona de periodos cortos del espectro, y Fv, que afecta la de periodos intermedios.
Dos observaciones que esta gráfica hace evidentes y que las tablas esconden:
La amplificación no es uniforme a lo largo del espectro. Un suelo blando amplifica bastante los periodos cortos, pero amplifica muchísimo más los periodos intermedios. En amenaza baja, un perfil E multiplica por 2.5 la zona de periodos cortos y por 3.5 la de periodos intermedios.
La amplificación disminuye cuando el sismo es más fuerte. Para un perfil E, Fa pasa de 2.5 con Aa ≤ 0.1 a 0.9 con Aa ≥ 0.5. No es un error de la norma: los suelos blandos se comportan de forma no lineal y, ante sacudidas muy intensas, degradan su rigidez y disipan más energía. Por eso en zonas de amenaza muy alta un suelo blando puede llegar a atenuar en periodos cortos.
8. El mismo municipio, cinco aceleraciones distintas
Volvamos a Armenia. Según el Apéndice A-4, Aa = 0.25 g y Av = 0.25 g. Ese número no cambia dentro del municipio: es el mismo para toda la ciudad.
Pero al aplicar Fa, la aceleración efectiva en superficie se abre en abanico:
De 0.200 g sobre roca a 0.362 g sobre suelo blando. Un 81 % más, con el mismo sismo y el mismo municipio. Lo único que cambió fue lo que hay bajo la cimentación.
Este es el punto donde el mapa inicial deja de ser suficiente. Dos proyectos en Armenia, separados por diez cuadras, pueden tener demandas sísmicas radicalmente distintas. El mapa no lo sabe. El estudio geotécnico sí.
9. Falta la edificación: el espectro completo
Con Aa, Av y el perfil de suelo ya tenemos una aceleración ajustada al sitio. Todavía falta una pieza.
Un edificio no responde igual a todas las frecuencias del movimiento del terreno. Responde según su periodo natural de vibración (T), que depende sobre todo de su altura y de su sistema estructural. Un edificio bajo y rígido tiene periodo corto; uno alto y flexible, periodo largo.
Por eso la NSR-10 no entrega un solo número de aceleración de diseño. Entrega una curva: el espectro elástico de diseño, Sa contra T.
Esta gráfica es el artículo completo resumido en una imagen. Los cinco espectros corresponden al mismo municipio, al mismo Aa de la norma, al mismo grupo de uso. Solo cambia el perfil de suelo.
Y aquí aparece el dato que debería cambiar cómo miramos el mapa inicial:
- Para un edificio bajo y rígido (T ≈ 0.3 s), pasar de roca a suelo blando multiplica la demanda por 1.8.
- Para un edificio de unos diez pisos (T ≈ 1.0 s), la multiplica por 3.75.
- Para uno de veinte pisos (T ≈ 2.0 s), por casi 4.
La razón está en la forma de la curva. El suelo blando no solo levanta la meseta: estira la zona de aceleración constante. En roca, la meseta termina cerca de 0.48 s; en suelo blando se extiende hasta casi 1.0 s. Un edificio de diez pisos que sobre roca ya estaría en la rama descendente del espectro, sobre suelo blando sigue recibiendo la aceleración máxima.
Ese es, en el fondo, el mecanismo que destruyó edificaciones en Armenia.
Cierre
El mapa de Aa es el punto de partida, no la respuesta. La aceleración de diseño real de un proyecto se construye por capas:
- La fuente sísmica — dónde están las placas y las fallas, qué tan fuerte y qué tan cerca puede ocurrir el sismo. Esto es Aa y Av, y viene del mapa.
- El suelo local — qué hay en los 30 m bajo la edificación. Esto es Fa y Fv, y viene del estudio geotécnico.
- La edificación — cuánto pesa, qué tan alta es, cómo está estructurada. Esto es T, y viene del diseño.
Saltarse la segunda capa —diseñar con el número del mapa y un tipo de suelo asumido— es un error que puede subestimar la demanda sísmica en un factor cercano a cuatro. No es un matiz académico: es la diferencia entre una estructura que resiste y una que no.
Si su municipio tiene estudio de microzonificación sísmica vigente, ese estudio reemplaza a Fa y Fv y manda sobre todo lo anterior. Si no lo tiene, el estudio geotécnico del proyecto es el que define el perfil de suelo, y no es un trámite: es la entrada que gobierna todo el espectro.
Puede generar el espectro de diseño completo para su proyecto —con su municipio, su perfil de suelo y su grupo de uso— en la herramienta gratuita de Bimet:
→ Espectro Sísmico — bimet.com.co
Fuentes: NSR-10, Título A, Capítulo A.2 (zonas de amenaza sísmica, efectos locales, espectro de diseño) y Apéndice A-4 (valores de Aa y Av por municipio). Los mapas fueron generados con Python a partir de los datos del Apéndice A-4 y la cartografía municipal DIVIPOLA.