Al crecer en el noreste, los tornados eran estos eventos aleatorios que ocurrían en las películas y en lugares lejanos como Kansas. Pero según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), aproximadamente 1,200 tornados ocurren en los EE. UU. cada año. Y ocurren en todos los 50 estados, pero principalmente en los 48 que se encuentran al sur y al este de las Montañas Rocosas. Teniendo en cuenta que los tornados matan a más personas por año en los EE. UU. que los huracanes y los terremotos, el Instituto de Ingeniería Estructural de la ASCE modificó la norma 7 de la ASCE para cargas mínimas de diseño y criterios asociados para edificios y otras estructuras con la esperanza de que se adopte en el Código Internacional de Construcción 2024.
Diseñar un edificio resistente a los tornados catastróficos que vemos en las noticias es lo correcto para salvar vidas, pero las exigencias que implica pueden parecer inalcanzables. Hasta que lo pones en perspectiva.
La ASCE desarrolló el Capítulo 32 para abordar el cálculo de cargas de tornados. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las cargas de los vientos aún deben calcularse según los lineamientos del Capítulo 30. El Capítulo 32 solo es obligatorio para edificios clasificados como categoría de riesgo III y IV. Esto abarca instalaciones esenciales, como hospitales e instalaciones de respuesta ante emergencias, que deben seguir funcionando incluso bajo condiciones climáticas extremas. Estos edificios deben mantener su operatividad después de un tornado de intensidad prevista. Pero recuerda que la funcionalidad no equivale a contar con un cuarto seguro o refugio antitornados. Estos espacios están diseñados para brindar una protección casi absoluta frente a eventos de viento extremo. FEMA publicó una guía aparte con requisitos específicos para cuartos seguros y refugios antitornados, que son aún más estrictos que los establecidos en la ASCE 7-22.
Entender los tornados
¿Qué es exactamente un tornado? Según Marc Levitan, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y presidente del comité que elaboró las disposiciones sobre tornados de la ASCE 7-22, un tornado es una columna de aire que gira violentamente dentro de una nube de tormenta. Se forma cuando el aire cálido y húmedo asciende, el aire frío desciende, y esa mezcla genera una espiral de corrientes que llega hasta el suelo.
Los tornados pueden variar mucho en tamaño e intensidad. Desde 2007, se utiliza la Escala Fujita Mejorada (EF) para estimar su fuerza según los daños observados. Cuanto mayor es el número en la escala EF, mayor es el potencial de destrucción. La figura 1 resume los rangos de velocidad del viento y los daños asociados a cada nivel de la escala.
Figura 1: escala EF, velocidades del viento relacionadas y daños resultantes.
Si bien los tornados de categoría EF 3, 4 y 5 pueden causar una destrucción extrema, la buena noticia es que la mayoría de los tornados que se registran son de menor intensidad: EF 0, 1 o 2. El mapa de la figura 2 muestra la cantidad total de tornados según su categoría EF y revela que no están restringidos al clásico "callejón de los tornados", como solemos imaginar quienes no crecimos con simulacros ni sirenas de alerta. De hecho, gran parte del país puede enfrentar el riesgo de un tornado si se dan las condiciones adecuadas. Un dato interesante es que el Dr. Robert Rohde recopiló datos históricos del NIST y creó una animación que muestra cómo se han distribuido los tornados a lo largo del tiempo. En ella destaca que abril es el mes con más tornados violentos (F4 y F5), mientras que mayo es el mes en el que se han registrado más tornados en general.
Figura 2: mapa del NIST que muestra la ubicación, la intensidad según la Escala Fujita Mejorada y la cantidad de tornados ocurridos en un período de 67 años.
La Oficina Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) también realiza un seguimiento de los tornados reportados. De acuerdo con datos del Centro de Predicción de Tormentas de la NOAA, en diciembre de 2021 se confirmaron 193 tornados. Esto representa casi ocho veces el promedio mensual de 1991 tornados registrado entre 2010 y 24, como se observa en la figura 3. Ese mes marcó un récord histórico: fue el mayor número de tornados reportados en EE. UU. durante diciembre, lo que duplica el récord anterior de 97 tornados en 2002.
Figura 3: cortesía del Centro de Predicción de Tormentas de la NOAA: tornados reportados
Pérdidas a causa de los tornados
Según el NIST, los tornados causan más muertes por año en Estados Unidos que los huracanes y los terremotos juntos. En los últimos 25 años, cerca de 1,700 personas han perdido la vida a causa de tornados. Tras el tornado más devastador registrado —el de Joplin, en 2011— el NIST reporta que entre 5 y 600 murieron unas 1995,2011 personas debido a este tipo de fenómenos. El promedio anual de muertes en EE. UU. por evento es el siguiente:
Tornados: 91.6
Huracanes: 50.8
Terremotos: 7.5
El Insurance Information Institute, Inc. señala que Estados Unidos experimenta más tornados que cualquier otro país. Entre 1997 y 2016, los tornados representaron casi el 40 % de las pérdidas catastróficas aseguradas, según Property Claim Services (PCS) de Verisk. Los huracanes y las tormentas tropicales ocuparon el segundo lugar, con un 38.2 % de las pérdidas aseguradas.
El NIST también analiza los daños materiales y las pérdidas económicas ocasionadas por los tornados en su Informe de Investigación de Joplin. A partir de los tornados reportados entre 1995 y 2011, se calcularon tanto la pérdida promedio por tornado como la pérdida total por categoría EF (en rojo en el gráfico). Como era de esperarse, los tornados más intensos —especialmente los de categoría EF4 y EF5— generan pérdidas significativamente mayores. Sin embargo, las pérdidas acumuladas por tornados de categoría EF1 a EF5 resultan similares. La alta frecuencia de tornados EF1 y EF2 produce un impacto económico comparable al de los menos frecuentes pero más intensos tornados EF3 a EF5.
Figura 4: daños materiales y pérdidas financieras por categoría EF, según el NIST en el Informe de Investigación de Joplin.
Diseño para resistir cargas de tornado
Estas estadísticas refuerzan la importancia de incluir este capítulo en la ASCE 7-22. Hoy tenemos la oportunidad de reducir las pérdidas provocadas por tornados, tanto en términos económicos como en vidas humanas.
La buena noticia es que no hace falta diseñar los edificios para que resistan los tornados más extremos para lograr una diferencia significativa. En los últimos 20 años, el 97 % de los tornados registrados fueron de categorías EF0 a EF2 (ver figura 5). Las disposiciones de la ASCE 7-22 están pensadas justamente para ayudar a mitigar los daños y reducir las pérdidas durante este tipo de eventos. Para tornados de categoría EF3 o superior, se exigen refugios contra tormentas y habitaciones seguras en instalaciones críticas de respuesta a emergencias y edificios educativos. Estas estructuras deben cumplir con la Sección 423 del IBC y la Sección 500 del ICC.
Figura 5: frecuencia de tornados por categoría EF
La ASCE 7-22, en su Capítulo 32 sobre Cargas de Tornado, exige que los edificios de categoría de riesgo III y IV ubicados en zonas propensas a tornados se diseñen para resistir tornados de intensidad EF2 o menor, con velocidades de viento entre 60 y 138 mph, según la ubicación y otros factores, como se muestra en la figura 32-1-1. Los componentes y revestimientos deben resistir la carga más alta, ya sea por tornado o por viento, aplicando las combinaciones de carga especificadas en el Capítulo 2.
El Capítulo 32 incluye un diagrama de flujo de diseño para guiar a los diseñadores en el proceso, como se observa en la figura 6. Los pasos 1 y 2 identifican la categoría de riesgo y las zonas propensas a tornados según la sección 32.1.1. Los pasos 3 y 4 determinan la velocidad del viento conforme a la sección 32.5.2. La mayoría de los coeficientes y ecuaciones de carga de viento se han ajustado para considerar las diferencias propias del viento tornádico (VT). Los períodos de retorno son iguales a los de las cargas de viento: 1,700 años para categoría de riesgo III y 3,000 años para categoría IV. Las pruebas en vientos tornádicos representan velocidades de tornado umbral aproximadas a las cuales las cargas de tornado podrían comenzar a controlar algún aspecto del diseño de la carga del viento. La velocidad básica del viento (V) y la categoría de exposición se determinan según el Capítulo 26, en función de la exposición que genere las mayores cargas para cualquier dirección del viento en el sitio.
Figura 6: diagrama de flujo al inicio del Capítulo 32 que identifica el proceso para determinar en qué casos es necesario diseñar para cargas de tornado y en cuáles no.
La clasificación del tipo de cerramiento para cargas de tornado es más estricta que para cargas de viento. Por ejemplo, las escuelas generalmente no requieren acristalamiento resistente a impactos, aunque es altamente recomendable. En cambio, instalaciones esenciales como estaciones de bomberos y hospitales sí deben contar con este tipo de acristalamiento en zonas propensas a tornados. Cuando se emplea acristalamiento resistente a impactos, el edificio puede diseñarse como una estructura cerrada. Sin embargo, si se usa acristalamiento no resistente, el edificio debe considerarse parcialmente cerrado para compensar las mayores presiones internas que se generan cuando las ventanas se rompen por la proyección de desechos.
Las cargas de tornado suelen aplicarse en los siguientes casos:
Edificios ubicados en el centro o sureste de EE. UU., incluyendo zonas costeras comúnmente afectadas por huracanes.
Categoría de riesgo IV, designados como instalaciones esenciales.
Edificios con grandes áreas funcionales.
Estructuras con techos de altura media baja, lo que se asocia con presiones máximas más elevadas.
Construcciones clasificadas como cerradas para cargas de viento.
Las cargas de tornado pueden ser determinantes incluso cuando las velocidades de tornado son tan bajas como la mitad de las velocidades básicas del viento. Cuando esto sucede, las presiones ascendentes de diseño sobre el techo suelen incrementarse. En próximos artículos del blog se analizarán ejemplos en los que las cargas de viento y tornado son críticas. Mientras tanto, anticipa la adopción de la ASCE 7-22 en el IBC 2024. Recuerda que el código establece requisitos mínimos de diseño. Se recomienda contemplar diseños mejorados, siguiendo lo descrito en la ASCE 7-22, independientemente de la adopción oficial y mandatos del código. Después de todo, como diseñadores, nuestro compromiso es proteger la salud, la seguridad y el bienestar del público.
