MODELO DE BASE DE DATOS GEO-ESPACIAL EN APOYO A LA GESTIÓN DEL RIESGO SÍSMICO. CASO DE ESTUDIO MUNICIPIO BARACOA

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1 MODELO DE BASE DE DATOS GEO-ESPACIAL EN APOYO A LA GESTIÓN DEL RIESGO SÍSMICO. CASO DE ESTUDIO MUNICIPIO BARACOA Madelin Villalón Semanat, Zulima C. Rivera Álvarez, DTomás J. Chuy Rodríguez, Darío Candebat Sánchez. Centro Nacional de Investigaciones Sismológicas (CENAIS), Cuba, Calle 17 No. 61 Entre 4 y 6. Vista Alegre. Santiago de Cuba. CP madelin@cenais.cu. RESUMEN Con el objetivo de apoyar a las autoridades locales en la asignación de prioridades para la gestión del riesgo sísmico en los Consejos Populares urbanos de Baracoa, provincia Guantánamo, se ha confeccionado un modelo de Base de datos geo-espacial para estos fines. Este modelo contiene las capas de datos siguientes: mapa de zonación de condiciones del suelo, mapa de peligro sísmico con los valores de aceleración a esperar, datos estadísticos sobre la población (cantidad y densidad de población) en estos consejos populares, la caracterización (estado técnico) del fondo habitacional, la distribución y caracterización de las instalaciones esenciales y los viales. Para la confección del mismo se emplearon las operaciones más apropiadas de un Sistema de Información Geográfico (SIG). La cartografía de cada uno de estos elementos y sus atributos permitió obtener información con valor agregado útil que puede ser empleada en la reorganización de las prioridades en las acciones para la gestión del riesgo sísmico y de otros fenómenos con particular incidencia en las zonas de mayor urbanización y concentración de elementos en riesgo. Finalmente, como resultado principal, se obtuvo un mapa de índice de riesgo sísmico para los Consejos Populares analizados, así como una valoración del riesgo sísmico. ABSTRACT With the aim of helping local authorities to give priorities in the seismic risk management process in urban Popular Councils of Baracoa municipality a geo-spatial database model was generated. This model contains the following data layers: soil conditions map (seismic amplification factor), seismic acceleration map, population statistics (number and population density), state of construction, characterization and distribution of critical facilities per administrative units. The most appropriate GIS operations were used to generate this model. The elements at risk and attribute mapping made possible to obtain very useful aggregated value. It can be apply to reorganize priorities of the actions to be taken in the seismic risk management process, as well as for other hazards of particular incidence in the areas with the highest urbanization and concentration of elements at risk. Finally, as result, a seismic risk index map was obtained for the Popular Council analyzed, as well as a characterization of the seismic risk. INTRODUCCIÓN El municipio Baracoa de la provincia de Guantánamo, en el extremo oriental de Cuba, es frecuentemente afectado por fenómenos hidrometeorológicos como inundaciones fluviales e inundaciones costeras por penetraciones del mar. Sin embargo, la amenaza sísmica aunque no tan frecuente ha sido documentada desde tiempos de la conquista. El primer sismo reportado en Cuba fue en 1528 con una intensidad de VI grados en la escala MSK en la propia Villa de Baracoa, la primera fundada en la Isla por los conquistadores españoles. Existen reportes de terremotos históricos de gran intensidad ocurridos en el norte de La Española que fueron sentidos en esta región y que causaron serios daños. Es por ello que se hace necesario abordar el estudio y evaluación del riesgo sísmico existente en el territorio baracoense, en particular para las zonas más pobladas que se localizan en los Consejos Populares urbanos. 1

2 Teniendo en cuenta lo anterior, en este trabajo se presentan y describen los aspectos fundamentales del modelo de base de datos geo-espacial como apoyo a la gestión del riesgo sísmico. Se destaca también la utilidad de los Sistemas de Información Geográficos a partir de su flexibilidad y adaptabilidad para la creación de modelos digitales y simulaciones acerca del entorno geográfico y de los fenómenos que en él se suceden. MATERIALES Y MÉTODOS Para la confección del modelo de base de datos geo-espacial para la evaluación del riesgo sísmico a nivel de Consejos Populares, como unidades administrativas más pequeñas, fue necesario determinar cuáles eran los aspectos más relevantes con incidencia directa en el incremento de los niveles de riesgo. Estos aspectos están determinados por la amenaza sísmica y la exposición vulnerable de los elementos expuestos. Dentro de los primeros podemos mencionar las aceleraciones sísmicas que pueden ser generadas a partir de determinados terremotos y la amplificación sísmica de los suelos a partir de sus características litológicas y el comportamiento de la velocidad de las ondas superficiales por el medio. Respecto a los elementos expuestos se consideró para esta investigación solamente los indicadores de riesgo de la población de los consejos urbanos, las viviendas y las instalaciones críticas de primer nivel, dígase estación de policía, de bomberos, policlínicas y hospitales. Para la obtención del mapa de aceleraciones se valoró fundamentalmente el comportamiento y distribución de los epicentros de los terremotos, en particular los sismos moderados y fuertes, así como la distribución de efectos de terremotos fuertes en el escenario del municipio Baracoa. Para el cálculo del factor de amplificación de los diferentes tipos de suelos se realizó la modelación 1D de los suelos utilizando el programa Pshake para el análisis probabilístico de la propagación de la onda sísmica. Este programa tiene en cuenta el tipo de suelo, la potencia, la densidad y la velocidad (Vs) de los estratos, la curva de la respuesta espectral del peligro y las curvas de los tipos suelos. A partir de esto se establecieron diferentes modelos del comportamiento del suelo en profundidad a los cuales se les hizo la modelación y se les determinó su correspondiente factor de amplificación. En cuanto a los elementos expuestos se seleccionaron aspectos estadísticos de la población de los consejos urbanos como número de habitantes y densidad, la cantidad de viviendas y su estado técnico y la cantidad de instalaciones críticas de primer nivel; así como la evaluación preliminar de la vulnerabilidad sísmica de dichas instalaciones a partir de la inspección visual y su caracterización estructural. Esto último se realizó a través de un diagnóstico del estado técnico y la vulnerabilidad de estas edificaciones, además de la identificación de las causas probables de los problemas detectados. Por último, para la confección del mapa de índice de riesgo sísmico se seleccionaron los indicadores de vulnerabilidad a nivel de Consejo Popular, se ponderaron, se normalizaron y se combinaron con los mapas de aceleración y amplificación sísmicas. RESULTADOS Mapa de aceleración sísmica La precisión del Peligro Sísmico del escenario se realiza utilizando de base la compilación de la información cartográfica del escenario y zonas adyacentes, la valoración del comportamiento de la actividad sísmica reciente en la región donde se ubica y todos los niveles de conocimiento anteriores. En esto último se tienen en cuenta los resultados obtenidos con el modelo de fallas activas de la NC 46:1999 (Chuy y Alvarez, 1995), relacionados con variaciones espaciales del parámetro intensidad 2

3 planteados por Chuy (2000); los del modelo de promedios pesados considerando los impactos de varios estimados de peligro sísmico (García et al, 2002), y finalmente los de criterios de árbol lógico obtenidos por García et al (2005) para realizar nuevos estimados de peligrosidad sísmica. De esta manera y con fines de la precisión del parámetro peligro sísmico, se densificó la red de cálculo a 5 x 5 kilómetros y se ajustaron los parámetros de cálculo para diferentes condiciones ingeniero geológicas que definirían los perfiles de suelo en que se distribuye la región bajo estudio. Como resultado de este análisis se obtuvo un mapa de aceleración sísmica para cada tipo de suelo, como se muestra en la figura 1. Figura 1.- Mapas de aceleración sísmica calculados para cada tipo de suelo. Teniendo en cuenta la variabilidad de las litologías presentes en el municipio estos valores de aceleración se ajustaron a los tipos de suelos clasificados posteriormente por cada polígono geológico. Estudio de suelos en el municipio Baracoa a partir de la clasificación de suelos y modelación del terreno. La clasificación de los suelos se hizo por polígonos geológicos para cada formación geológica (Figura 2) según los códigos de las normas europea EC8 y norteamericana NEHRP (CEN, 2002 y BSSC, 2001), teniendo en cuenta sus propiedades y la velocidad de propagación de la onda (Vs 30m ). Para 3

4 esto fue necesario reagrupar todas las formaciones geológicas por unidades estratigráficas actuales, usando el Léxico Estratigráfico Cubano, 2009 y el libro Contribución a la Geología de Cuba Oriental (1983). Luego se realizó la modelación 1D de los suelos utilizando el programa de modelación Pshake (Sanó y Pugliese, 91) para el análisis probabilístico de la propagación de la onda sísmica, el cual tiene en cuenta el tipo de suelo, potencia, densidad y velocidad de las ondas S en los estratos (Vs), la curva de la respuesta espectral del peligro y las curvas de los tipos de suelos. Se establecieron diferentes modelos con estas características a los cuales se les hizo la modelación del suelo y se le determinó su correspondiente amplificación. Todo el trabajo se hizo apoyado en el mapa geológico de la región Oriental de Cuba, IGP-2003, escala 1: y montado en un sistema de información geográfica (ArcGis 9.2). De acuerdo con este mapa, en el municipio de Baracoa aparecen formaciones geológicas que van desde el Cretácico Inferior (Aptiano) - Cretácico Superior (Turoniano) hasta los sedimentos recientes del Cuaternario, incluyendo algunas rocas magmáticas. Figura 2.- Clasificación de los suelos para cada formación geológica según el código de la norma europea EC8 (izquierda) y según el código de la norma norteamericana NEHRP (derecha). De acuerdo con el Eurocódigo los suelos fueron clasificados como roca (a) con Vs 30 > 800 m/s y amplificación Af=1.0, suelo duro (b) Vs 30 entre m/s, Af=1.2 y suelo muy blando (d) Vs 30 <180 m/s, Af=1.35. Según la Norma americana aparecen suelos clasificados como roca dura (A) con Vs 30 > 1500 m/s y Af=0.8, roca (B) Vs 30 entre m/s, Af=1.0, suelo duro (C) Vs 30 entre m/s, Af=1.2 y suelo blando (E) Vs 30 <180 m/s, Af=2.4. La figura 3 muestra las variaciones de amplificación de los suelos en el municipio, desde 1 hasta 2.4 en dependencia de las condiciones y las propiedades del suelo, así como de los valores de la curva de peligro para cada polígono. En este caso se seleccionó para los suelos tipo A, B, C y E por ser estos los que más se asemejan a las litologías presentes en el municipio. 4

5 Figura 3.- Mapa de factor de amplificación sísmica a partir de modelación de suelos 1D. Caracterización y cartografía de los elementos expuestos. El municipio Baracoa es el más extenso en área dentro de la provincia Guantánamo y ocupa el segundo lugar en cuanto a cantidad y densidad de habitantes por kilómetro cuadrado, siendo estas de hab. y 83.8 hab./km 2, respectivamente. Está constituido por 15 consejos populares, de ellos 5 conforman la cabecera municipal, la ciudad de Baracoa. Posee 26 instituciones educacionales y 75 instalaciones de salud; entre ellos 1 hospital general y 4 policlínicas. En la figura 4 se muestra el mapa de los consejos populares y la tabla de atributos asociada a este mapa con los tipos de elementos expuestos en cada uno de ellos y la cantidad. Figura 4.- Mapa de consejos populares con su tabla de atributos asociada. 5

6 En cuanto a la selección de los elementos expuestos se consideró importante analizar las instalaciones críticas de cada consejo debido a su significación social y el rol que tienen tanto en momentos cotidianos como durante y después de emergencias. Para esto se analizaron el hospital, las 4 policlínicas, la estación de policía y la estación de bomberos. En ellos se efectuó un diagnóstico del estado técnico, una evaluación preliminar de su vulnerabilidad sísmica y se identificaron las causas probables de los problemas detectados. El modelo de bases de datos geo-espacial Nuestro modelo está basado en la representación de los distintos elementos en riesgo, aquí tenidos en cuenta, en forma de mapas de puntos, segmentos o polígonos con sus respectivas características almacenadas en tablas de atributos que comparten el mismo vínculo espacial. En la figura 5 se presenta un diagrama de flujo con los principales elementos del modelo así como los procesos que se realizan hasta llegar a la definición de los índices de riesgo sísmico para los Consejos Populares urbanos del municipio Baracoa. Atributos de los elementos en riesgo Amplificación sísmica. Aceleración sísmica Cantidad de habitantes Densidad de población Cantidad de viviendas Instalaciones críticas. Índices de Vulnerab. Ponderación de criterios Multiplicar Índice Riesgo Sísmico Consejos Populares Cruce Índices de riesgo por CP Figura 5.- Diagrama de flujo que refleja los elementos del Modelo y los procesos que se ejecutan a partir del mismo. 6

7 Como se puede apreciar en la figura anterior, a partir de la concepción del modelo de Base de Datos geo-espacial es posible, de una manera rápida llegar a conocer cuál seria la influencia de los parámetros de peligro sísmico, amplificación y aceleración, sobre los distintos elementos expuestos dentro del Consejo Popular; todo esto de acuerdo con la escala de trabajo. Es importante destacar que la precisión de los resultados aquí alcanzados puede ser tanto más alta como detallados sean los datos de entrada. DISCUSIÓN 3 de las instalaciones de salud están ubicadas en las zonas donde los efectos sísmicos serán más severos, determinado por el factor de amplificación, como se aprecia en la figura 6. Figura 6.- Mapa de amplificación sísmica y las instalaciones críticas. CONCLUSIONES El enfoque empleado aquí para la determinación de las aceleraciones sísmicas para los tipos de suelos clasificados por la Norma Sísmica Cubana (NC -1999) es apropiado para su procesamiento en este modelo, al igual que el mapa de amplificación del suelo resultante. El Modelo de Base de Datos geo-espacial permite, de una manera rápida llegar a conocer cuáles son los Consejos Populares que mayor índice de riesgo sísmico tienen, así como puntualizar el riesgo sísmico preliminar para las instalaciones críticas. La implementación de este modelo sirve como valiosa herramienta para la gestión del riesgo sísmico a nivel de Consejos Populares, pues brinda a las autoridades la posibilidad de definir prioridades para acciones más concretas. Por ejemplo, definir qué instalaciones críticas intervenir primero para la rehabilitación estructural, jerarquizar las labores de emergencia por Consejos donde se prevén mayores daños a partir de las mayores amplificaciones y aceleraciones sísmicas. BIBLIOGRAFÍA 7

8 BSSC (Building Seismic Safety Council); 2001: NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new building and other structures. Part 1 Provisions, 2000 edition. BSSC, Washington D.C., 374 pp. Carrillo, D.; Echavarria, B.; Castellanos, E.; Triff, J.; Nuñez, K. (2003): Mapa Geológico Digital de Cuba Oriental, 1: Instituto de Geología y Paleontología. Sistema de Información Geológica de Cuba (SIGEOL). Carrillo, D.; Echavarria, B.; Castellanos, E.; Triff, J.; Nuñez, K. (2009): Léxico Estratigráfico de Cuba. Instituto de Geología y Paleontología. CEN (Comité Europeen de Normalisation); 2002: Eurocode 8. Design of structures for earthquake resistance. Part 1: general rules, seismic actions and rules for buildings. Draft No. 5, Doc CEN/T250/SC8/N317, CEN, Brussels, 100 p. Chuy, T. J. (2000): Estimados de peligrosidad y microzonación sísmica de Cuba utilizando terremotos perceptibles. En: Sismos perceptibles, Peligro y Vulnerabilidad Sísmica en Cuba. Editorial Academia. La Habana. ISBN pp Chuy, T. y Alvarez, L. (1995): Peligrosidad Sísmica de Cuba con fines de la Norma Sismorresistente Cubana. Reporte de Investigación. Fondos del CENAIS y del MICONS. 28 pp. García, J., Zapata, J. A., Arango, E. D., Monnar, O., Chuy, T. J., Fernández, B. C., Reyes, C. R. y Oliva, R. (2002): Manejo y evaluación del riesgo sísmico en la ciudad de Santiago de Cuba, a partir de su implementación en un Sistema de Información Geográfica (SIG). En: Revista Nuevas Investigaciones Sismológicas en Cuba. Editorial Academia. La Habana ISBN pp García, J., Alvarez, L., Slejko, D., Rebez, A., Arango, E.; Pico, R., Santulin, M., Márquez, P. I., Morejón, G., Vázquez, J. C. y Berenguer, Y. (2005): Nueva generación de estimados de Peligrosidad Sísmica con el error asociado para Cuba y cálculo de pérdidas para la ciudad de Santiago de Cuba usando técnicas SIG. Informe Final del Proyecto. Programa Nacional de la Defensa. Fondos del CENAIS, 180 pp. Nagy, E. (1983): Contribucion a la Geologia de Cuba Oriental. Instituto de Geologia y Paleontologia. Academia de Ciencias de Cuba. Editorial Cientifico Tecnica. La Habana. Cuba. Sanó, T., Pugliese, A. (1991): PSHAKE, Analisi Probabilistica della Propagazione delle Onde Sismiche. Ente per le Nuove Tecnologie, L Energia e L Ambiente (ENEA), Direzione Sicurezza e Protezione. 8