ANÁLISIS DE RIESGO SÍSMICO DE LA CIUDAD DE MOQUEGUA USANDO SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Moreno, Rodolfo A. (1), Aguilar, Zenón.

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1 ANÁLISIS DE RIESGO SÍSMICO DE LA CIUDAD DE MOQUEGUA USANDO SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Moreno, Rodolfo A. (1), Aguilar, Zenón. (2) (1) Asistente de Investigación del Laboratorio Geotécnico del CISMID-FIC-UNI (2) Investigador Principal, Sub director Académico del CISMID-FIC-UNI RESUMEN La presente investigación muestra la aplicación de los sistemas de información geográfica (SIG) y los diferentes pasos para realizar un análisis de peligro y riesgo sísmico regional. Sismos escenarios con 475, 975 años de periodo de retorno fueron evaluados, así como un sismo con similares características al de 23/06/2001 también fue analizado para comparar los daños estimados con los observados en este evento, esto nos permitió calibrar las curvas de vulnerabilidad para las edificaciones de la ciudad de Moquegua. El análisis del comportamiento dinámico del suelo muestra zonas con factores de amplificación importantes tanto para periodos cortos como para periodos intermedios, sin embargo solo los factores de amplificación para periodos cortos fueron usados en los sismos escenarios, debido al tipo de edificaciones existentes en la ciudad de Moquegua (edificaciones de no más de 5 pisos). Gran parte de las edificaciones que conforman la ciudad son de adobe (46%) lo cual evidencia la alta vulnerabilidad de esta ciudad. Varias funciones de vulnerabilidad fueron evaluadas, siendo la de Antofagasta (Ref. 1) la que fue usada en el modelo de riesgo. Los resultados muestran que mientras los mayores daños están ubicadas en el C.P.M San Francisco y el Cercado. Las mayores pérdidas económicas directas están ubicadas en López Albujar para eventos sísmicos con periodos de retorno mayores a 475 años. 1. INTRODUCCIÓN Realmente la comunidad científica todavía no ha encontrado la forma de predecir eventos sísmicos, pero si se han desarrollado metodologías que nos permitan estimar la vulnerabilidad y riesgo sísmico de una región. Muchos de estos trabajos hacen uso de nuevas tecnologías, gracias a los avances principalmente de los ordenadores. El principal objetivo de este trabajo es aplicar la metodología propuesta en el ATC36 (Refs. 2 y 3), para analizar el peligro y riesgo sísmico en la ciudad de Moquegua usando SIG. La metodología analiza el riesgo a través de superposición de mapas de peligro y vulnerabilidad dentro del entorno SIG. El peligro sísmico fue analizado para tres sismos escenarios usando el programa RISK. Los efectos de sitio fueron evaluados usando mediciones de microtrepidaciones, los cuales fueron correlacionados con el mapa de zonificación geotécnica. La matriz de daños de Antofagasta (Ref. 1) fue adoptada para la evaluación de la vulnerabilidad física la ciudad de Moquegua. Tanto los daños como las pérdidas económicas directas fueron estimados durante el análisis de riesgo sísmico para los tres sismos escenarios. El trabajo también plantea una serie futuras investigaciones que deberían ser elaboradas con el fin de cubrir el gran vacío existente en el tema de vulnerabilidad y riesgo sísmico de una región. 1

2 1.1 GENERALIDADES La ciudad de Moquegua se ubica alrededor de la coordenada de longitud Oeste y de latitud Sur, con una altitud promedio de 1410 m.s.n.m. Esta ciudad es la capital del distrito de Moquegua, de la Provincia Mariscal Nieto, del Departamento de Moquegua. El distrito de Moquegua tiene una superficie de Km2 y la zona de estudio tiene una superficie de Km2 de los cuales la superficie urbana representa el 30%. 2. SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Un Sistema de Información Geográfica (SIG) se define como un conjunto de instrumentos y métodos especialmente dispuestos para capturar, almacenar, analizar, transformar y presentar información territorial georreferenciada del mundo real. El paso de cartografía asistida por computador, por ejemplo AutoCAD, a un Sistema de Información Geográfica, por ejemplo ArcView (Ref. 4), se presenta cuando otro nivel de capacidad es añadido a los sistemas de cartografía automática. Dicho nivel de potencialidad es la posibilidad del tratamiento de las relaciones espaciales entre los objetos cartográficos. Por ejemplo, dada una microzonificación geotécnica de una ciudad, las líneas que forman la delimitación de una zona forman parte de una entidad denominada «zona», a la cual se les pueden asignar unos atributos que la definan. Dentro de la misma, otro conjunto de líneas puede delimitar una construcción. El sistema será capaz de determinar que la construcción se encuentra dentro del área de la zona. Dichas posibilidades de análisis geográfico de la información constituyen otro nivel que define y distingue a los SIG, a los cuales se les denomina atributos topológicos. 2.1 ANÁLISIS Y MODELAMIENTO DE DATOS El análisis espacial de datos es utilizado para modelar, hacer predicciones y para poder llegar a conclusiones sobre problemas de interés. Tales análisis involucran combinaciones de datos desde múltiples categorías de datos espaciales y ejecuciones de mediciones, análisis, estadísticas y otras operaciones sobre el conjunto de los datos del Sistema de Información Geográfica para transformarlos en información adecuada y óptima para una aplicación determinada. El modelamiento de datos espaciales involucra el uso de un modelo que es una representación simplificada de la realidad. Este modelo presenta relaciones en una forma generalizada, en otras palabras, es una aproximación selectiva de la realidad. Existen tres categorías principales de modelos: modelos descriptivos, modelos predictivos y modelos de decisión. Ejemplos de modelos predictivos son aquellos de estimación de daños y pérdidas debido a sismos como los que se presentan en este estudio. 2

3 3. ANÁLISIS DE FENÓMENOS GEODINÁMICOS DE LA CIUDAD DE MOQUEGUA 3.1. PELIGRO SÍSMICO El peligro sísmico se evaluó aplicando la metodología desarrollada por Cornell (1968), la cual fue modificada e implementada en el programa de cómputo RISK por McGuire (1976). Dos leyes de atenuación de aceleraciones fueron utilizadas (Ref. 5), la primera propuesta por Casaverde y Vargas (1980), que ha sido empleada para las fuentes asociadas al mecanismo de subducción A = 68.7 e 0.8Ms (R+25) 1.0 La segunda ley de atenuación de aceleraciones utilizada es la propuesta por McGuire (1974) para la costa Oeste de los Estados Unidos y ha sido asociada a las fuentes continentales. A = 472x Ms (R+25) 1.3 Donde: A = Aceleración en cm/s2 MS = Magnitud expresada en ondas de superficie R = Distancia hipocentral en Kms. El análisis del riesgo sísmico se evaluó para tres sismos escenarios: Sismo de Arequipa del 23 de Junio del 2001, sismo para un tiempo de exposición de 50 años con una probabilidad de excedencia del 10% y sismo para un tiempo de exposición de 100 años con una probabilidad de excedencia del 10%. Para los cuales se calcularon las aceleraciones pico a nivel de basamento rocoso. La Figura 1 muestra el peligro sísmico de la ciudad de Moquegua para 50 años de exposición con 10% de probabilidad de excedencia. Figura 1. Peligro sísmico para 50 años de exposición con 10% de probabilidad de excedencia 3

4 Las aceleraciones pico obtenidas para el sismo del 23/06/2001, el sismo de 475 años de periodo de retorno y 975 años de periodo de retorno son, 0.21g, 0.41g, 0.51g respectivamente AMPLIFICACIÓN SÍSMICA La amplificación sísmica es el efecto de sitio de mayor importancia durante la ocurrencia de un terremoto (Ref. 2). La ciudad de Moquegua tiene dos tipos de amplificación sísmica: La amplificación debido a la estructura del suelo en casi toda la ciudad y la amplificación debido a la topografía en las zonas del PP.JJ. San Francisco y la parte alta del PP.JJ. Mariscal Nieto. El presente estudio solo analizará la amplificación debido a la estructura del suelo. Para hacer un modelo simplificado del efecto dinamico del suelo dentro del entorno SIG, se usó la información de microtrepidaciones (Ref. 6). Esta información permite obtener los periodos de vibración natural del terreno, así como también, mediante las relaciones espectrales H/V, estimar la respuesta del perfil del suelo, conocida también como función de transferencia, a partir de la cual se puede estimar el valor de amplificación sísmica correspondiente. La Figura 2 muestra los factores de amplificación sísmica del suelo para periodos cortos a partir de los ensayos de microtrepidaciones. Figura 2. amplificación sísmica del suelo para periodos cortos a partir de los ensayos de microtrepidaciones. las relaciones espectrales H/V muestran dos picos diferenciados para la amplificación, por lo que se clasificó el contenido de periodos en la relaciones espectrales. Periodos cortos para aquellos periodos menores iguales a 0.4s y periodos intermedios para aquellos periodos entre 0.4 y 1.5s. Los factores de amplificación para periodos intermedios no fueron analizados debido a que las edificaciones existentes en la ciudad de Moquegua tienen periodos de vibración cortos dada la poca altura de estas. 4

5 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Con los factores obtenidos a partir de las microtrepidaciones y de acuerdo al mapa de zonificación geotécnica elaborado durante el Estudio de Microzonificación de la Ciudad de Moquegua en el marco del convenio UNI-CONCYTEC (Ref. 7), se generó el mapa de factores de amplificación sísmica para la ciudad de Moquegua el cual es mostrado en la Figura 3. Figura 3. Factores de amplificación sísmica para la ciudad de Moquegua 3.3 INTEGRACIÓN DE LOS FENÓMENOS GEODINÁMICOS DENTRO DEL ENTORNO SIG La integración de los peligros esta basada en la metodología propuesta en el ATC36(Ref. 3), la cual incluye una superposición del movimiento a nivel de basamento rocoso con los efectos de sitio y sus efectos colaterales. Sin embargo el mapa de amenaza sísmica debe estar expresada en términos de intensidad sísmica por lo que se hizo necesario el uso de una función que relacione la aceleración máxima del terreno con la intensidad. Varias relaciones entre Intensidad y PGA fueron evaluadas: Trifunac(1975), Murphy(1977) y Lomnitz(1974) por nombrar algunas de ellas, pero todas estas arrojan valores muy altos de intensidad para el sismo del 23/06/2001 teniendo como dato de entrada la aceleración pico obtenida del acelerógrafo de Moquegua. La relación de Saragoni (Ref. 8), obtenida para regiones al sur del continente sudamericano, específicamente entre Chile, Argentina y Perú, fue la que mas se aproximó a los efectos observados, por lo que fue utilizado para estimar las intensidades de cada sismo escenario. Dicha relación es la siguiente: Log(A)= 0.345(IMM) Donde A es la aceleración pico del terreno en gals y IMM es la intensidad del movimiento según la escala de Mercalli Modificada. La Figura 4 muestra el nivel de peligro sísmico final para cada sismo escenario. Ver indice 5

6 Figura 4. Intensidades sísmicas para los tres sismos escenarios 4. ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD Y RIESGO SÍSMICO DE LA CIUDAD DE MOQUEGUA 4.1 ANÁLISIS DE DAÑOS REGISTRADOS DURANTE EL TERREMOTO DEL 23/03/2001 La evaluación de daños fue realizada por la Municipalidad Provincial de Mariscal Nieto, en el se consideraron tres estados de daño los cuales son: Leve, Grave y Severo. Como el análisis de daños nos permitió seleccionar la matriz de daños a adoptar para las edificaciones de Moquegua, se hizo necesario homogenizar los tipos de edificaciones de las tres matrices ó curvas de vulnerabilidad, los cuales son: Utah (1994) propuesta en el ATC36 (Ref. 3) para el estado de Utah, EEUU; Costa Rica (1978) propuesta por Sauter (Ref. 3); Antofagasta (2000) propuesta por Tapia (Ref. 1) para la ciudad de Antofagasta, Chile. Varios rangos de factores de daños fueron asignados a los niveles de daños cualitativos consignados durante la evaluación de daños para cuantificar el porcentaje de daños que representan los niveles de daños leve, grave ó severo. Una vez elegida el rango apropiado se elaboró una matriz de daños para la ciudad de Moquegua para una intensidad VIII MM, cuyos valores fueron comparados con las tres matrices en evaluación. La Tabla 1 muestra las cuatro matrices de daños, pero solo para intensidad VIII con los tipos de edificaciones homogenizadas. 6

7 Tabla 1. Comparación de los daños para una intensidad VIII MM Curvas de Vulnerabilidad RM lr URM ADOBE ACON RM mr Antofagasta Moquegua Costa Rica Utah Observamos que hay una ligera correlación entre la matriz de Moquegua y las otras, sin embargo dado la necesidad de adoptar una de estas curvas para poder evaluar el riesgo, y aun cuando una matriz híbrida entre Antofagasta y Costa Rica representaría mejor a las edificaciones de Moquegua para una intensidad VIII MM, se ha optado por utilizar una de ellas, siendo la seleccionada la de Antofagasta debido principalmente a la similitud de esta ciudad con la ciudad de Moquegua INVENTARIO DE LAS EDIFICACIONES Fuentes de datos de instituciones públicas, como es el caso de la Municipalidad Provincial de Mariscal Nieto, Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI), Consejo Nacional de Tasaciones (CONATA), Instituto Catastral de Lima (ICL), fueron obtenidas para este estudio. Las edificaciones fueros clasificadas de acuerdo a los tipos de edificaciones pertenecientes a la matriz de daños adoptada, es decir a los tipos de edificaciones de Antofagasta. Dicha clasificación se hizo a través de reglas de inferencia cuyas variables fueron: número de pisos, antigüedad, material de los muros, material de los techos. Toda esta información se encuentra registrada en la base de datos de la municipalidad provincial Mariscal Nieto. La Figura 5 muestra la distribución de los diferentes tipos de edificaciones en la Ciudad de Moquegua de acuerdo a las curvas de vulnerabilidad de Antofagasta ESTIMACIÓN DE DAÑOS EN LA CIUDAD DE MOQUEGUA El procedimiento de análisis para estimar daños involucra superponer el mapa de amenazas (Figura 4) con el mapa de inventario de las edificaciones (Figura 5) y posteriormente asignar el daño de una edificación, cuyo valor es obtenido de la matriz de daños adoptada, dado una amenaza y un tipo de edificación. Como resultado de esta superposición se obtuvo el mapa de distribución de daños en la ciudad de Moquegua. Así, se generaron 3 mapas de distribución de daños, uno para cada sismo escenario. La Figura 6 muestra la distribución de daños para el sismo escenario del 23/06/

8 Figura 5. Distribución de las edificaciones de acuerdo a las curvas de vulnerabilidad de Antofagasta 4.4. EVALUACIÓN DEL RIESGO SÍSMICO La evaluación del riesgo sísmico es muy amplio, el cual implica estimar pérdidas económicas directas e indirectas y las pérdidas no monetarias como son el número de heridos y muertos(ref. 2). La presente investigación solo estima pérdidas económicas directas. Una simple fórmula para calcular las pérdidas directas de una edificación fue usada y está dada por: E[pérdida] = E[PD] x (costo de la edificación) Donde: E[pérdida] = Pérdida esperada para un tipo de edificación E[PD] = Factor de daño esperado para un tipo de edificación Dada la disponibilidad de la información catastral de los predios, el cálculo del valor de la edificación se hizo en base a la tabla de valores unitarios emitido por CONATA, el cual considera el valor arancelario del predio, por tanto los valores calculados no son los valores comerciales. El valor del daño promedio se obtuvo a partir de la estimación de daños mostrada en la Figura 6. Así pues, se superpusieron los mapas de distribución de daños con el mapa de valor de las edificaciones, generándose los mapas de distribución de pérdidas económicas para los tres sismos escenarios. La Figura 7 muestra el mapa de distribución de pérdidas económicas directas para el sismo escenario de 50 años de exposición sísmica con 10% de probabilidad de excedencia. 8

9 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Figura 6. Distribución de daños para el sismo escenario del 23/06/2001 Figura 7. Distribución de pérdidas económicas al mes de julio de 2002 para el sismo escenario de 50 años de exposición con 10% de probabilidad de excedencia 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los resultados muestran la efectividad de los Sistemas de Información Geográfica para el análisis de riesgo sísmico de una región y que fácilmente podría amoldarse a grandes urbes. Ver indice 9

10 Se ha estimado que el sismo del 23/06/2001 habría alcanzado una intensidad de VIII MM en la ciudad de Moquegua, valor que resulta ser un poco más alto que el obtenido por el Instituto Geofísico del Perú (IGP), el cual fue de VII MM. El estimado de las perdidas económicas directas para la ciudad de Moquegua al 80% del total de las edificaciones ascienden a S/48 114,125, S/85 430,564 y S/92 947,572 para el sismo del 23/06/2001, el sismo con periodo de retorno de 475 años y el sismo de 950 años de periodo de retorno respectivamente. Si el riesgo sísmico para edificaciones es un tema poco tratado en nuestro país, la investigación para determinar el riesgo sísmico de otro tipo de construcciones, tales como: puentes, carreteras, redes de agua y desagüe, son casi nulas, por lo que se hace indispensable desarrollar metodologías que analicen el riesgo de estas construcciones. El paso de aceleraciones pico a intensidades MM podría evitarse en la metodología propuesta, pero la falta de curvas que relacionen la aceleración al cual esta sometida una estructura con su factor de daño determinó el obligado traspaso, sin embargo estas curvas están en proceso de elaboración por lo que sería recomendable en un futuro evaluar el riesgo con estas curvas. REFERENCIAS 1. Tapia, P. y Roldán, W., Vulnerabilidad Sísmica de las Ciudades del Norte de Chile: Arica, Antofagasta y Copiapo, VIII Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería Antisísmica, Chile King Stephanie A. and Kiremidjian Anne S., Regional Seismic Hazard And Risk Analysis Through Geographic Information System, Stanford University, California Applied Technology Council, Earthquake Losses Evaluation Methodology and Databases for Utah (ATC36), ATC, California Environmental Systems Research Institute, Arc View GIS The Geographic Information System for Everyone, ESRI, USA Castillo, J. Tesis Peligro Sísmico en el Perú, UNI, Lima Lermo J., Tesis Observaciones de Microtremores en México y su Aplicación en la Ingeniería Sísmica, UNAM, México Convenio UNI/FIC/CISMID CONCYTEC, Zonificación Geotécnica Sísmica de la Ciudad de Moquegua, CISMID, Lima Saragoni R., Crempien J. y Ayala R., Características experimentales de los movimientos sísmicos sudamericanos, Revista del IDIEM, 21 (2), 67-86, México