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Evaluación de Riesgos Naturales - América Latina Consultores en Riesgos y Desastres

ERN

PROGRAMA PARA LA REDUCCIÓN DE RIESGOS URBANOS EN EL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO RESUMEN EJECUTIVO

MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA DEL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO: ESTUDIO DE LA AMENAZA SÍSMICA A NIVEL LOCAL

ECUADOR

AGOSTO DE 2012

Evaluación de Riesgos Naturales - América Latina Consultores en Riesgos y Desastres

Consorcio conformado por: Colombia Carrera 19A # 84-14 Of 504 Edificio Torrenova Tel. 57-1-691-6113 Fax 57-1-691-6102 Bogotá, D.C. INGENIAR España Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería - CIMNE Campus Nord UPC Tel. 34-93-401-64-96 Fax 34-93-401-10-48 Barcelona C I M N E México Vito Alessio Robles No. 179 Col. Hacienda de Guadalupe Chimalistac C.P.01050 Delegación Álvaro Obregón Tel. 55-5-616-8161 Fax 55-5-616-8162 México, D.F. ERN Evaluación de Riesgos Naturales – América Latina www.ern-la.com

ERN Ingenieros Consultores, S. C.

Dirección y Coordinación de Grupos de Trabajo Técnico – Consorcio ERN América Latina Omar Darío Cardona A. Dirección General del Proyecto Luis Eduardo Yamín L. Dirección Técnica ERN-AL (COL)

Mario Gustavo Ordaz S. Dirección Técnica ERN-AL (MEX)

Alex Horia Barbat B. Dirección Técnica CIMNE (ESP)

Gabriel Andrés Bernal G. Coordinación General ERN-AL (COL)

Eduardo Reinoso A. Coordinación General ERN-AL (MEX)

Martha Liliana Carreño T. Coordinación General CIMNE (ESP)

Especialistas y Asesores – Grupos de Trabajo Julián Tristancho Especialista ERN-AL (COL)

Carlos Eduardo Avelar F. Especialista ERN-AL (MEX)

Mabel Cristina Marulanda F. Especialista CIMNE(ESP)

Mario Andrés Salgado G. Especialista ERN-AL (COL)

Leo Castañeda R. Especialista ERN-AL (MEX)

Jairo Andrés Valcarcel T. Especialista CIMNE(ESP)

Karina Santamaría D. Especialista ERN-AL (COL)

Víctor Carlos Valerio. Especialista ERN-AL (MEX)

Juan Pablo Londoño L. Especialista CIMNE(ESP)

Mauricio Cardona O. Especialista ERN-AL (COL)

Benjamín Huerta G. Especialista ERN-AL (MEX)

Nieves Lantada Especialista CIMNE(ESP)

César Augusto Velásquez V. Especialista ERN-AL (COL)

Mauro Pompeyo Niño L. Especialista ERN-AL (MEX)

Daniela Zuloaga R. Asistente Técnico ERN-AL (COL)

Miguel Genaro Mora C. Especialista ERN-AL (COL)

José Juan Hernández G. Especialista ERN-AL (MEX)

Diana Marcela González C. Asistente Técnico ERN-AL (COL)

Juan Felipe Pulido D. Asistente Técnico ERN-AL (COL)

Asesores Nacionales Roberto Rodrigo Aguiar F. Especialista

Daisy Quishpe Asistente Técnico

Diego Sosa Asistente Técnico

Juan Pablo Tarambis Asistente Técnico

Magaly Quishpe Asistente Técnico

Resumen Ejecutivo

Introducción y Antecedentes El Municipio del Distrito Metropolitano de Quito recibió del Banco Internacional de Reconstrucción y Fomento (BIRF) / Asociación Internacional de Fomento (AIF) una donación para financiar parcialmente el costo del Programa para la Reducción de Riesgos Urbanos en el Distrito Metropolitano, donación TF092633. Como parte de estos fondos, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo – PNUD realizó una invitación a presentar propuestas para proveer los servicios de consultoría relacionados con la “Microzonificación Sísmica del Distrito Metropolitano de Quito: Estudio de la Amenaza Sísmica a Nivel Local”. Luego de un concurso de méritos el proyecto le fue adjudicado al Consorcio Evaluación de Riesgo Naturales-América Latina, ERN-AL, para iniciar en el año 2011 y terminar en el año 2012. El objetivo principal del proyecto consiste en “Ejecutar un estudio de microzonificación sísmica de la mancha urbana del Distrito Metropolitano de Quito, utilizando las herramientas más modernas y eficientes, con el fin de contar además del mapa de microzonificación, con requerimientos y recomendaciones de diseño constructivo en cada una de las zonas establecidas, con miras a obtener información para la elaboración de un código local de construcción”. Para alcanzar los objetivos el proyecto incluyó las siguientes actividades específicas: -

Reconocimiento y caracterización geológica. Investigación geotécnica local que incluye investigación de campo y de laboratorio Estudio de la respuesta dinámica de los suelos según los perfiles estratigráficos típicos identificados. Integración de la respuesta dinámica para el área de estudio. Microzonificación sísmica y definición de espectros elásticos de diseño sismo resistente dentro de la zona de estudio. Consideraciones para la instalación y operación de una red de acelerógrafos. Desarrollo y puesta en marcha del sistema de información sísmica de Quito – SISQuito.

A continuación se presentan los resultados más importantes del proyecto.

Amenaza sísmica regional Se realizó un análisis aproximado de la amenaza sísmica a nivel regional considerando el catálogo disponible de eventos históricos, la información de fallas y fuentes sismogénicas activas en el país y su caracterización individual. La amenaza sísmica se cuantifica en términos de los periodos de retorno (o sus inversos, las tasas de excedencia) de intensidades sísmicas relevantes para el estudio del comportamiento de las estructuras. La Figura 1 presenta los mapas para aceleración máxima del suelo (PGA por sus siglas en inglés) para diferentes períodos de retorno en Ecuador. Por otra parte, la Figura 2 presenta los mapas de amenaza en roca para 500 años de período de retorno y diferentes ordenadas espectrales (periodos de vibración de las estructuras). ERN América Latina

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Resumen Ejecutivo

100 años

250 años

500 años

1000 años

2500 años Figura 1 Mapas de amenaza en roca para diferentes períodos de retorno [PGA en cm/s2]

0.1 seg

0.5 seg

0.15 seg

1.0 seg

0.3 seg

2.0 seg

Figura 2 Mapas de amenaza en roca para diferentes ordenadas espectrales [TR=500 años en cm/s2]

ERN América Latina

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Resumen Ejecutivo

Investigación geotécnica Se realizó una investigación geotécnica completa del área de estudio que incluyó: -

Realización de 14 sondeos a profundidades entre 20 y 30 metros. Caracterización de laboratorio para las muestras de suelo. Ensayos de campo para la caracterización geotécnica de suelos. Ensayos geofísicos para la caracterización dinámica de suelos.

La Figura 3 presenta algunos resultados representativos. 1.00 0.90 0.80 0.70

G/Go

0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 1.00E‐06

1.00E‐05

1.00E‐04

1.00E‐03

1.00E‐02

1.00E‐01

Deformación Angular ‐ γ DOBRY LÍMITE INFERIOR

LACUSTRE

DOBRY LÍMITE SUPERIOR

CENIZA

COLUVIAL

0.30

0.25

β

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00 1.00E‐06

1.00E‐05

1.00E‐04

1.00E‐03

1.00E‐02

1.00E‐01

Deformación Angular ‐ γ DOBRY LÍMITE INFERIOR

LACUSTRE

DOBRY LÍMITE SUPERIOR

CENIZA

COLUVIAL

Figura 3 Resultados representativos de los ensayos de campo y de laboratorio

Análisis de respuesta dinámica e integración de resultados Las señales sísmicas generadas por la propagación de onda en los estratos de suelo inciden directamente en las solicitaciones y el comportamiento de las edificaciones ante un terremoto. Por esta razón para generar diseños adecuados en el desarrollo de obras civiles en zonas de amenaza sísmica alta o intermedia (como es el caso de Quito) es de vital importancia estimar los efectos de amplificación sísmica generados por los estratos de suelo que componen el perfil estratigráfico. La Figura 4 presenta los resultados representativos del análisis en uno de los 33 puntos de referencia en la ciudad de Quito en los cuales se realizó el análisis de respuesta dinámica. Se presentan los espectros de amenaza uniforme de pseudo-aceleración, pseudo-velocidad y desplazamiento espectral correspondientes a periodos de retorno de 55, 225, 475, 1000 y 2500 años. ERN América Latina

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Resumen Ejecutivo

Figura 4 Espectros de amenaza uniforme para uno de los puntos de análisis del estudio

Estos análisis permiten definir la respuesta dinámica en puntos de referencia en los cuales se conoce con cierto nivel de confianza las características estratigráficas y las propiedades estáticas y dinámicas de los suelos. Luego estos resultados se integran geográficamente en el área de análisis para obtener la respuesta sísmica en cualquier punto. La Figura 5 presenta el mapa de la ciudad de Quito con la delimitación de las zonas homogéneas y la identificación del sondeo que caracteriza el comportamiento de cada una de estas zonas.

Figura 5 Delimitación de las zonas homogéneas en la ciudad

No obstante su aparente similitud en comportamiento sísmico, las zonas que conforman las rondas de los ríos, las zonas inundables, las zonas especiales de reserva, los rellenos, las zonas de fallamientos superficiales, entre otras, deben ser estudiadas de manera independiente y con un mayor nivel de detalle que el establecido para el presente proyecto. Esto se debe a que pueden tener un comportamiento sísmico diferente al esperado o a que en el futuro pueden presentar una restricción especial en cuanto a su uso.

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Resumen Ejecutivo

Zonificación sísmica y espectros de diseño Con base en el mapa de microzonificación sísmica, la ciudad de Quito puede realizar la planificación de su desarrollo definiendo claramente las políticas de uso de la tierra y las restricciones o requerimientos especiales para ciertos tipos de construcción desde el punto de vista sísmico. Cada punto que se encuentra en el perímetro urbano o en la zona de expansión de la ciudad se le asigna un espectro de diseño el cual se define de acuerdo con los parámetros establecidos por la norma NEC-11 para edificaciones. El comportamiento sísmico esperado en cada punto se asocia a una determinada zona homogénea (ver Figura 5) y se realiza una interpolación de valores para obtener los resultados finales del análisis. La integración de estos resultados permite generar mapas para 475 años de periodo de retorno y amortiguamientos estructurales con respecto al crítico del 5% para diferentes medidas de intensidad sísmica (aceleraciones espectrales para varios periodos estructurales) como se presenta en la Figura 6.

Acel (cm/s2) Test = 0.00 seg

Acel (cm/s2) Test = 0.30 seg

ERN América Latina

Acel (cm/s2) Test = 0.05 seg

Acel (cm/s2) Test = 0.50 seg

Acel (cm/s2) Test = 0.10 seg

Acel (cm/s2) Test = 1.00 seg

Acel (cm/s2) Test = 0.15 seg

Acel (cm/s2) Test = 1.50 seg

5

Resumen Ejecutivo

Acel (cm/s2) Test = 2.00 seg

Vel (cm/s) Test = 3.00 seg

Acel (cm/s2) Test = 3.00 seg

Desp (cm) Test = 3.00 seg

Figura 6 Intensidades sísmicas para diferentes periodos estructurales

La Figura 7 sintetiza los espectros de aceleración velocidad y desplazamiento resultantes del análisis para las diferentes zonas definidas.

ERN América Latina

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Resumen Ejecutivo

2000

120

1800

100

1400

Velocidad (cm/s)

Aceleración (cm/s2)

1600

1200 1000 800 600 400

80 60 40 20

200 0

0 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00

0.50

1.00

1.50

Periodo (s)

2.00

2.50

3.00

Periodo (s)

MSQ1‐2

MSQ2‐2

MSQ3‐2

MSQ4‐2

MSQ6‐2

MSQ8‐2

MSQ11‐2

MSQ15‐2

MSQ13‐2

MSQ14‐2

MSQ16‐2

MSQ17‐2

MSQ10‐2

MSQ1

MSQ2

MSQ3

MSQ4

MSQ6

MSQ8

MSQ11

MSQ15

MSQ13

MSQ14

MSQ16

MSQ17

MSQ10

Desplazamiento (cm)

25

20

15

10

5

0 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Periodo (s) MSQ1

MSQ2

MSQ3

MSQ4

MSQ6

MSQ8

MSQ11

MSQ15

MSQ13

MSQ14

MSQ16

MSQ17

MSQ10

Figura 7 Espectros de respuesta de los puntos de referencia para periodo de retorno de 475

Finalmente los espectros resultantes se ajustan a las formas espectrales definidas para diseño de edificaciones por medio de la norma NEC-11. En la Figura 8 se presenta la forma del espectro elástico de diseño de acuerdo con la NEC-11 y los espectros ajustados a estas formas para cada 1.6 uno de los puntos de referencia. 1.4 1.2

Sa (g)

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (seg) MSQ1 MSQ14 SMQ19 SMQ45

MSQ2 MSQ15 SMQ20 SMQ52

MSQ3 MSQ16 SMQ24 SMQ55

MSQ4 MSQ17 SMQ29 SMQ57

MSQ6 SMQ2 SMQ30 SMQ59

MSQ8 SMQ4 SMQ32 SMQ62

MSQ10 SMQ8 SMQ33

MSQ11 SMQ14 SMQ38

Figura 8 Espectro elástico de diseño según la NEC-11 y espectros elásticos de diseño ajustados para las zonas ERN América Latina

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MSQ13 SMQ16 SMQ41

Resumen Ejecutivo

Mapas de microzonificación sísmica Los mapas de microzonificación sísmica para la ciudad se presentan, de acuerdo con lo establecido por las NEC-11, en términos de los factores Fa, Fd y Fs que permiten construir las formas espectrales de diseño en cualquier punto de la ciudad. En la Figura 9, se presentan los factores Fa, Fd y Fs respectivamente para un período de retorno de 475 años.

Mapa Fa

Mapa Fd

Mapa Fs Figura 9 Mapas de microzonificación sísmica de los parámetros de Fa, Fd y Fs

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Resumen Ejecutivo

Red de acelerógrafos para la ciudad Un aspecto fundamental para lograr mejorar el conocimiento en la respuesta sísmica de los suelos de Quito consiste en la puesta en funcionamiento de una red de acelerógrafos que permita registrar el movimiento sísmico en diferentes puntos estratégicos de la ciudad y poder con esto validar y/o calibrar los modelos analíticos propuestos. La instalación de un sistema de monitoreo requiere las siguientes consideraciones: -

Selección de equipos Selección de sitios para instalación. Construcción de casetas. Calibración de equipos Instalación y puesta en funcionamiento Mantenimiento y recuperación de información Publicación y distribución de la información.

Para el Distrito Metropolitano de Quito se propone colocar un mínimo de veinte acelerógrafos dispuestos como se indica en la Figura 10, de los cuales 14 están localizados en suelo, 3 en roca a profundidad y tres (3) en roca superficial (afloramientos).

Figura 10 Ubicación general de acelerógrafos en la ciudad de Quito ERN América Latina

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Resumen Ejecutivo

Sistema de información sísmica y geográfica del área de estudio La información de la microzonificación sísmica de la ciudad se entrega en un sistema de información geográfica llamado SISQuito V1.0 el cual incluye toda la información geográfica desarrollada tales como mapas cartográficos generales de referencia, mapas de los diferentes parámetros de intensidad sísmica, espectros de amenaza uniforme y espectros de diseño en cualquier parte de la ciudad y un formato especial para la definición y control de los espectros de diseño que deben utilizarse en los proyectos de desarrollo de edificaciones en la ciudad.

Recomendaciones Los resultados del estudio permiten plantear las siguientes recomendaciones: -

La ciudad debe adoptar los resultados de la microzonificación sísmica mediante una ordenanza o decreto que obligue a la utilización de los espectros de diseño establecidos para las edificaciones nuevas de la ciudad y el reforzamiento de las edificaciones existentes.

-

El sistema de información sísmica SISQuito debe utilizarse para la determinación de espectros de diseño y para el control de los diseños por parte de las oficinas de control correspondientes.

-

La ciudad debe instalar y/o ampliar cuanto antes la red de acelerógrafos con las indicaciones establecidas en el informe.

-

Se recomienda establecer la obligatoriedad de instalar por parte de los particulares acelerógrafos en los proyectos constructivos importantes.

-

Se recomienda establecer la obligatoriedad de realización de investigaciones profundas en el caso de proyectos importantes tales como puentes, edificios o proyectos de infraestructura importantes, que incluyen entre otras cosas la caracterización dinámica de los suelos mediante investigación de campo y laboratorio, con el fin de incluir esta información en la base de datos de información geotécnica para ser incluida posteriormente en las actualizaciones de los estudios de microzonificación.

-

Se recomienda la realización de estudios adicionales con una mayor resolución y escala para establecer y especificar zonas donde puedan presentarse fenómenos de licuefacción, amplificación dinámica por efectos topográficos o inestabilidad de laderas ante efectos sísmicos.

-

Utilizar los resultados del presente estudio de microzonificación, tanto en el formato del sistema SISQuito, como en la versión digital (por ejemplo en el formato para integrarlo en la plataforma de evaluación de riesgo CAPRA) para realizar estudios relacionados con la gestión del riesgo en la ciudad tales como: mapas de amenazas para ordenamiento territorial, escenarios de riesgo (pérdidas económicas e impacto humano) para elaborar los planes de atención a las emergencias, riesgo financiero de los diferentes sectores para plantear estrategias de protección financiera, planteamiento de estrategias de reducción y mitigación de la vulnerabilidad mediante análisis de beneficio-costo, análisis del riesgo en los diferentes sectores por ejemplo las líneas vitales y servicios públicos, sistemas de monitoreo y evaluación rápida del daño y otros. Estos estudios le permitirán contar a la ciudad con un sistema integrado de gestión de riesgo sísmico moderno y efectivo.

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