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• Miguel Rivera Zeta

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Curso: Peligrosidad sísmica. Clase No. 1 Riesgo sísmico vs. peligro sísmico. Conceptos fundamentales Según Fournier d'Albe, el grupo de trabajo sobre "Estudio Estadístico de peligros naturales y sus consecuencias" en 1972 definió el riesgo como la posibilidad de pérdida. El riesgo financiero es la posibilidad de pérdida financiera; el riesgo económico en el contexto de los terremotos es la posibilidad de pérdida de propiedades o pérdida de funciones de edificios, estructuras, servicios, etc. Los factores que entran en la evaluación o estimación cuantitativa del riesgo sísmico pueden ser definidos por la siguiente relación: Riesgo = Peligrosidad • Vulnerabilidad • Valor La misma puede ser aplicada para estimar el riesgo, en términos financieros o económicos a cualquier objeto o grupo de objetos (esto es, un edificio y su contenido, una estructura de cualquier tipo, una red de servicios, así como agrupamientos de tales objetos en pueblos ciudades, regiones urbanas, etc.) •

La peligrosidad sísmica o peligro sísmico en este contexto se toma como la probabilidad de ocurrencia, en un lugar o dentro de un área dados y dentro de un intervalo temporal dado, de movimientos del terreno debido a un terremoto capaces de causar una pérdida significativa del valor (daño).

•

La vulnerabilidad es una medida de la proporción del valor, tal como se definió arriba, que puede esperarse que se pierda como resultado de un terremoto dado. Es un parametro que toma valores entre 0 y 1.

•

El valor puede ser tomado lo mismo en el sentido de capital (o en el caso especial de seguro contra riesgo, como valor asegurado o expuesto) ó como capacidad de producción (en el caso de fabricas, plantas energéticas, etc.).

También se ha trabajado con un término que engloba la peligrosidad y la vulnerabilidad, y que es conocido como riesgo específico. Segun el mismo autor: ! El "riesgo especifico" es la pérdida esperada en un lapso dado de tiempo, expresado como una proporción del valor (o el costo de reemplazo) de los edificios. De tal forma, el riesgo especifico de esos edificios se determinará por sus funciones de vulnerabilidad y por la peligrosidad sísmica en el punto. En general, el riesgo ha sufrido algunas modificaciones en su concepción, desde la

inicial orientada a seguros, hasta la que se usa en esa prácticamente nueva especialidad conocida como “Manejo de Desastres”. Según L. van Essche las siguientes definiciones fueron propuestas por la UNDRO: •

“Natural hazard” significa el grado de pérdida de un elemento sometido a riesgo, o un conjunto de tales elementos, resultado de la ocurrencia de un fenómeno natural de una magnitud dada expresado en una escala desde 0 (sin daño) hasta 1 (pérdida total).

•

Elementos sometidos a riesgo son la población, edificios y obras publicas, actividades económicas, servicios públicos, líneas vitales, infraestructura, etc., sometidos a riesgo en un área dada.

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Riesgo es la medida de las pérdidas esperadas, esto es, el número esperado de pérdidas de vidas, de personas heridas (injured) y daño material. El daño indirecto debido a la detención de la industria el comercio y los servicios puede ser también estimado, pero tal ejercicio está abierto necesariamente a un alto grado de interpretación y especulación.

Cada uno de los tres factores que intervienen en la formación del riesgo son muy especializados. En el presente curso se tratará con bastante detalle el primero, la evalución de la peligrosidad sísmica o peligro sísmico, mientras que de los otros dos serán tratados de forma muy general, haciendo hincapié en su interrelación con el primero. El uso preferente de la denominación “peligro sísmico” se localiza en la literatura sobre desastres, mientras que en la puramente sismológica es más común la denominación de “peligrosidad sísmica”. Para la solución de este problema, es decir, para la determinación de la probabilidad de ocurrencia de un efecto específico producto de los terremotos, es necesario responder a tres preguntas: 1) ¿Dónde ocurren los terremotos? 2) ¿Con que frecuencia y con que fuerza? 3) ¿Cómo se manifiestan sus efectos en función de la distancia al hipocentro? La respuesta a cada una de ellas implica la realización de complejos estudios sismológicos y también sismotectónicos, y constituye la parte más engorrosa de todo el proceso. Una vez concluidos éstos, es necesario seleccionar y aplicar un modelo de cálculo de la peligrosidad sísmica. Los métodos más sofisticados incluyen el uso de programas de cómputo que realizan todo el proceso, siendo lo más complicado entonces la preparación de los datos de entrada en la forma adecuada.

¿Dónde ocurren los terremotos? Frecuencia y fuerza máxima Variación de efectos con la distancia

→

Modelo de cálculo

→

Peligrosidad sísmica

Con respecto al modelo de cálculo, podemos decir que desde el segundo cuarto del siglo XX comenzaron a desarrollarse diversos métodos de evaluación de la peligrosidad sísmica, pero el inicio de los estimados cuantitativos de la peligrosidad sísmica corresponde al cálculo de la sacudibilidad1 sísmica, concepto fue introducido en la sismología por Riznichenko en 1965 como la frecuencia media BI de ocurrencia, en un punto dado, de oscilaciones sísmicas de intensidad mayor o igual que un cierto valor de intensidad I. Su valor inverso T = 1/BI es el período de recurrencia de las oscilaciones con intensidad ≥ I, o período de sacudibilidad. En su forma general, la sacudibilidad es calculada mediante la integral: BI = ∫∫∫ N Σ (M I ) ⋅ dv

(1)

donde N Σ (M I ) es la frecuencia acumulativa de los terremotos para M = MI, la cual es una función de las coordenadas. Por otra parte, el valor MI corresponde a la magnitud mínima capaz de producir una intensidad ≥ I en el punto en el cual se realizan los cálculos. La sacudibilidad es un estimado medio de la peligrosidad sísmica, lo que la diferencia de los estimados probabilísticos directos, que bajo la denominación de riesgo sísmico, fueron desarrollados en la escuela norteamericana a partir de los planteamientos de Cornell en 1968. La base de estos estimados la constituye una integral del tipo: P(i ≥ I ) = ∫ P[I ≥ i | R = r ]⋅ f R (r ) ⋅ dr

(2)

donde P[I ≥ i | R = r ]es la probabilidad de que una zona fuente, a una distancia r provoque en el punto de interés sacudidas con intensidad ≥ I, y fR(r) es la función de densidad de probabilidad de la distancia hipocentral. Los cálculos se realizan por separado para cada zona fuente. Los estimados medios se calculan en términos del llamado período de retorno, obtenido a partir de consideraciones probabilísticas adicionales. Con posterioridad, el propio Riznichenko relacionó ambos tipos de estimados, al plantear que el período de recurrencia de las sacudidas TI podía considerarse como la esperanza matemática de los intervalos temporales entre sacudidas con intensidad ≥ I, lo que permite obtener, a partir de la sacudibilidad, resultados similares a los que se obtienen con el algoritmo de Cornell, quedando las diferencias entre ambos modelos prácticamente en el orden formal. Por otra parte, el enfoque original de Cornell ha sido desarrollado por numerosos autores considerando 1

Traducción libre del término ruso “sotryasoiemost”, que significa “cualidad de sacudirse o estremecerse”. En inglés -shakeability

mútiples variantes del tratamiento estadístico de los factores que entran en él. Durante el curso se realizarán ejercicios con un programa de cómputo preparado siguiendo el enfoque de Riznichenko. Se debe señalar que los autores norteamericanos por lo general no siguen la definición de riesgo usada internacionalmente. Ellos prefieren usar esa denominación para nombrar a la peligrosidad sísmica, tal como hiciese Cornell al inicio. Según Martín-Martín, existen dos grandes métodos de evaluación de la peligrosidad sísmica: el probabilista y el determinista, ligados respectivamente a la consideración del fenómeno sísmico como un proceso estacionario probabilista o determinista. A su vez, tanto en la evaluación por el método probabilista como por el determinista puede considerarse la existencia o no de zonas (o estructuras) sismogenéticas o provincias sismotectónicas respectivamente, lo que permite dividirlos adicionalmente en zonificados y no zonificados. La hipótesis básica del método determinista implica que la ocurrencia de terremotos en el futuro será similar a la historia de lo ocurrido hasta hoy, es decir, que en el futuro no se van a producir terremotos cuyo efecto en el emplazamiento sobrepase el de los ya observados. Implícitamente se supone también que la sismicidad es estacionaria en el tiempo. Para su aplicación, es esencial que el intervalo de datos catalogados incluya los terremotos más grandes posibles en la zona de influencia sobre el emplazamiento y que la asignación de los correspondientes parámetros, en particular la intensidad máxima, sea correcta. La aplicación de los métodos deterministas “clásicos” (fueron los primeros en usarse) a la evaluación de la peligrosidad sísmica se ha ceñido exclusivamente al calculo en términos de intensidades, ya que no se dispone de datos en otro tipo de parámetros que cumplan ese requisito de “completitud” (a veces ni siquiera se cumple para intensidad). En los últimos años se ha desarrollado en la Universidad de Trieste un novedoso enfoque del método determinista usando modelación de ondas sísmicas, que permite extender este tipo de trabajo al cálculo de cualquier tipo de parámetros del movimiento del terreno (aceleración, velocidad y desplazamiento máximos, características espectrales, etc.), en el cual mediante el uso de consideraciones sismotectónicas se “salva” la insuficiencia de carecer de una historia sísmica adecuada. Los resultados del método determinista no son aplicables al cálculo de riesgo, pues lo que se obtiene es un efecto máximo, y no la probabilidad de ocurrencia de un efecto específico. Sin embargo, su ejecución es de suma importancia para los casos de instalación de centrales electronucleares o grandes hidroeléctricas, donde hay que tomar en consideración cualquier evento posible, por baja que sea su probabilidad de ocurrencia.

Los métodos probabilistas consideran la sismicidad como un proceso estocástico cuyo tratamiento requiere la utilización de técnicas estadísticas. Su hipótesis fundamental es que la información sísmica manejada es suficiente para deducir las leyes estadísticas a que se ajusta el fenómeno sísmico. Implícitamente se supone también que la sismicidad es estacionaria. Estos, en contraposición a los métodos deterministas, no tienen una dependencia tan fuerte del conocimiento del valor máximo del parámetro en que se evalúa la peligrosidad, ya que esta evaluación se fundamenta en los terremotos de todos los niveles de magnitud; pero esto no significa que sea innecesario conocer este valor, mientras mayor información se posea, mayor será la calidad de los resultados finales. Los estudios probabilistas de la peligrosidad sísmica admiten un gran número de enfoques (utilización, excluyente o no, de distribuciones de valores extremos, de métodos bayesianos, modelos estadísticos de ocurrencia de terremotos, etc.). Por otro lado, tanto los métodos probabilistas zonificados como los no zonificados, casi siempre parten de la hipótesis de la ocurrencia poissoniana de los terremotos, la más simple posible. La evaluación de la peligrosidad sísmica por el método probabilista no zonificado implica tan solo la ejecución secuencial de dos pasos: 1) Determinación de la distribución espacial de la sismicidad, asociando cada terremoto al punto definido por sus coordenadas epicentrales. 2) Calculo de la función de distribución en el emplazamiento o punto donde realizamos la evaluación, del parámetro (efecto) que define la peligrosidad. Para ello, habrá de tenerse en cuenta el efecto de la trayectoria mediante la consideración de curvas de efecto-distancia. La evaluación de la peligrosidad sísmica por el método probabilista zonificado implica en cambio la realización de los cinco pasos siguientes, que se corresponden con las cinco etapas descritas para el método determinista zonificado: I. II.

Determinación de la distribución espacio-temporal-energética de la sismicidad. Definición de las distintas zonas fuente y asociación a las mismas de la sismicidad.

III.

Determinación de la distribución estadística de la sismicidad correspondiente a cada zona fuente.

IV.

Calculo de la función de distribución del efecto(intensidad, aceleración u otro parámetro) en el emplazamiento, generada por la sismicidad de cada una de las zonas fuente. Ello implica la consideración de las correspondientes curvas efectodistancia.

V.

Calculo de la probabilidad en el emplazamiento como suma de las contribuciones asociadas a cada una de las zonas fuente.

El método zonificado es mucho más riguroso, y es el que se recomienda usar siempre. Sólo en aquellos casos en que por falta de información no pueda ser aplicado es que los trabajos se realizan por el método no zonificado. En la escuela de la antigua Unión Soviética, a los trabajos de estimación de la peligrosidad sísmica se les dividió en 2 tipos: •

Regionalización sísmica - Trabajos a escala 1:5’000,000, ó 1:2’500,000 orientados a estimados de tipo regional.

•

Regionalización sísmica detallada - Trabajos a escala 1:500,000, por lo general orientados a la solución de problemas en zonas reducidas.

El primero de ellos es un trabajo estándar de estimación de la peligrosidad sísmica, mientras que el segundo es un estudio mucho mas detallado del mismo problema, que corresponde aproximadamente a lo que la OIEA exige realizar para el emplazamiento de centrales electronucleares, depósitos de basura radiactiva, etc. Implica la ejecución de numerosas investigaciones geólogo-geofísicas a escala detallada y la instalación de redes locales de estaciones sismológicas, lo que al final permite la caracterización detallada del fenómeno de la ocurrencia de terremotos y sus efectos sobre el emplazamiento de la obra a ejecutar. Es común entonces encontrar en la literatura en ruso, o de autores de la antigua URSS, solo referencias a trabajos de regionalización sísmica o de cálculo de la sacudibilidad [ver explicación de fórmula (1)]. Según Muir-Wood, el estado actual de desarrollo de los métodos de estimación de peligrosidad sísmica en diferentes partes del mundo permite clasificarlos en 5 estadios o niveles. (1) Determinismo histórico. Cartografiado de las intensidades máximas de los efectos de terremotos reportados en el período histórico conocido. Se asume que ellos representan la mayor intensidad a ser esperada en el futuro. No toma en cuenta la duración o completitud del registro histórico y no requiere conocimiento de las causas de los terremotos. Una versión modificada incluye la adición de cierto factor "ad hoc" a la intensidad cartografiada para obtener una peligrosidad más extrema. (2) Probabilismo histórico. Considera el registro histórico de la sismicidad en términos de su duración para obtener cierto tipo de probabilidad anual de recurrencia de los efectos

de los terremotos, que puede ser la probabilidad anual de exceder una intensidad o algún otro parámetro del movimiento del terreno. La probabilidad anual de efectos más extremos es extrapolada. Se emplea cierta conversión para trasladar los terremotos históricos en magnitudes, y usando una relación efecto-distancia se calcula la recurrencia de cierto parámetro del movimiento del terreno relacionada con la distancia y la magnitud. (3) Probabilismo sismotectónico. Se reconoce el peligro de basarse solamente en el registro histórico de terremotos pasados y se incorpora la evidencia geológica incluyendo el registro prehistórico de movimiento del terreno paleosísmico y el fallamiento

superficial

neotectónico,

así

como

la

comprensión

científica

sismotectónica de las causas de los terremotos. Dadas la incertidumbre y el subjetivismo involucrados en la determinación de los parámetros de entrada de tal modelo, todos ellos son asignados en forma de un intervalo pesado de valores. (4) Probabilismo no poissoniano. Los grandes terremotos no ocurren de forma aleatoria en el tiempo. La ocurrencia de cualquier terremoto grande afectará la probabilidad de ocurrencia de otros eventos en su vecindad y en particular la repetición del mismo evento. Han sido explorados modelos de peligrosidad dependientes del tiempo en algunas de las regiones sísmicamente más activas, empleando una recurrencia de terremotos no poissoniana. Según avance el conocimiento sismotectónico, los modelos no-poissonianos serán empleados en las zonas de sismicidad media e incluso baja. (5) Predicción de terremotos. Cuando se ha acumulado suficiente conocimiento para indicar que un terremoto es inminente, el concepto de peligrosidad sísmica entra en una nueva fase, concentrándose en la probabilidad de determinar el tiempo del terremoto, así como su tamaño y su localización. Los resultados obtenidos en cada uno de estos niveles de estimación de la peligrosidad sísmica pueden variar grandemente. Por ejemplo para zonas de baja actividad, el paso del segundo al tercer nivel puede ir acompañado de incremento sustancial de la peligrosidad, mientras que en general el paso del tercero

al cuarto nivel, puede redundar en una

disminución abrupta de la peligrosidad estimada, si recientemente ha ocurrido un terremoto "grande", o en un aumento sí ya se ha excedido el tiempo medio de recurrencia de tales eventos. El presente curso versará sobre los niveles (2) y (3) de esta clasificación. Los niveles (4) y (5) requieren un conocimiento del fenómeno “ocurrencia de terremotos” que lamentablemente no se posee en la inmensa mayoría de los casos de la forma requerida. No obstante, en la mayoría

de las regiones donde existe un nivel medio de sismicidad, se tiene cierta idea de cuando es más probable que ocurra “el próximo” terremoto fuerte, y esto permite realizar los estudios llamados “de escenario”, que pueden ser desde el simple cartografiado de intensidades sísmicas o aceleraciones máximas esperadas, hasta el cálculo de pérdidas probables, y en algunos casos pueden ir acompanãdos de planes emergenciales o preventivos de los organismos encargados de la defensa civil. Nota: Esta clase es de carácter introductorio, y por tanto no se realizaran ejercicios de control. Es importante que se fijen los conceptos siguientes: 1) El riesgo sísmico no es equivalente a la peligrosidad sísmica, sino que es el producto de ésta por la vulnerabilidad y por el “valor”. La peligrosidad es una medida probabilística de la ocurrencia de un efecto sísmico específico, mientras que el riesgo es una medida de las afectaciones que provoca ese efecto sísmico y se expresa, ya sea en términos monetarios como en víctimas, en partes de un sistema de construcciones o de servicios que colapsa, etc. 2) La estimación de la peligrosidad sísmica requiere encontrar respuesta a 3 preguntas básicas: ¿donde ocurren los terremotos?, ¿con que frecuencia y con que fuerza?, ¿cómo se manifiestan sus efectos en función de la distancia al hipocentro? La obtención de estas respuestas es, con mucho, la parte más compleja de la evaluación de la peligrosidad sísmica. Una vez concluida esa etapa, solo resta aplicar un modelo de cálculo para obtener los resultados finales. 3) La peligrosidad sísmica se puede evaluar en términos determinísticos (efecto máximo) o probabilisticos (probabilidad de ocurrencia de efectos de diferente magnitud), siendo esta última la que se emplea en el cálculo del riesgo sísmico. 4) La peligrosidad en los dos casos anteriores se puede estimar mediante los métodos no zonificado (se considera que los terremotos pueden ocurrir en cualquier parte en la región de estudio) y zonificado (los terremotos ocurren dentro de zonas de dimensiones limitadas, y su estadística de ocurrencia dentro de ellas es conocida), siendo mas preciso el último de ellos.