MICROZONIFICACIÓN DE RIESGO SÍSMICO PARA LAS CIUDADES PEQUEÑAS DEL ESTADO DE COLIMA DE ACUERDO CON EL NIVEL DE VULNERABILIDAD DE LA VIVIENDA RESUMEN

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2 MICROZONIFICACIÓN DE RIESGO SÍSMICO PARA LAS CIUDADES PEQUEÑAS DEL ESTADO DE COLIMA DE ACUERDO CON EL NIVEL DE VULNERABILIDAD DE LA VIVIENDA Vyacheslav Zobin Peremanova 1, Francisco Ventura Ramírez 2, Ari Cruz Bravo 3 y Eduardo Arellano Vallejo 4 RESUMEN La metodología de microzonificación de riesgo sísmico en las ciudades pequeñas basada en la vulnerabilidad de las casas residenciales está propuesta y aplicada para dos ciudades del estado de Colima, Colima y Comala. La microzonificación de riesgo sísmico consiste en dos elementos: un mapa de zonificación de las manzanas residenciales según su nivel de vulnerabilidad de vivienda y la matriz probabilística de daños calculada para las manzanas tipo. El pronóstico de riesgo sísmico puede servir durante un periodo entre dos terremotos destructivos. ABSTRACT A methodology of seismic risk microzonation in a low-rise city based on the vulnerability of residential buildings is proposed and applied to two cities of Colima state, México: Colima and Comala. It consists of two elements: the mapping of residential blocks according to their vulnerability level and the calculation of an expert-opinion based damage probability matrix for a given level of earthquake intensity and a given type of residential block. A specified exposure time to the seismic risk for this zonation is equal to the interval between two destructive earthquakes. INTRODUCCIÓN Riesgo sísmico expresa la probabilidad de que en determinado sitio y durante un tiempo de exposición dado las consecuencias económicas (daños, pérdidas) y sociales (número de víctimas) durante un sismo excedan valores prefijados. De acuerdo con esta definición, la estimación de la probabilidad de los daños de vivienda durante un terremoto para las zonas diferentes de una ciudad nos permite realizar una microzonificación de riesgo sísmico para la ciudad durante un periodo entre dos terremotos destructivos. Las ciudades pequeñas con población hasta 0, ,000 representan la mayoría de poblaciones mexicanas situadas dentro de la zona D de la mayor intensidad sísmica según el mapa de regionalización sísmica de la Republica Mexicana (Manual, 1993). Por eso, es importante tener una metodología bastante simple y económica para estimación de su riesgo sísmico. Lo que está propuesto en nuestro estudio es una metodología macrosísmica basada en la evaluación visual de las manzanas de una ciudad considerando la proporción de las construcciones de tipo diferente dentro ella. La aplicación de una matriz probabilística de daños (MPD), calculada para los diferentes tipos de construcciones y para las diferentes intensidades de un terremoto, nos permite dar un pronóstico de daños en vivienda durante un terremoto. Aquí presentamos la microzonificación de riesgo sísmico para dos ciudades pequeñas del estado de Colima, Colima y Comala (Fig. 1 Profesor-Investigador Titular C, Observatorio Vulcanológico, Universidad de Colima, Av. Gonzalo Sandoval 444, Colima, Col., Teléfono: (312) ; fax: (312) ; 2 Director, Bachillerato 4, Universidad de Colima, Villa de Álvarez, Col., 3 Pasante de Maestría en Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima, Coquimatlán, Col., 4 Pasante de Licenciatura en Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima, Coquimatlán, Col., 1

3 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 09 1). Ambas ciudades están situadas a distancia de unos 70 Km. de la zona de subducción Mexicana y sufren daños destructivos durante los terremotos. La metodología de microzonificación fue propuesta en 1999 para una zona de estudio dentro de la ciudad de Colima que representa % del territorio de la ciudad (Zobin y Ventura-Ramírez, 01). El terremoto del 21 de enero de 03 (Mw 7.6), sentido en la ciudad de Colima con intensidad VII (escala Mercalli Modificada), mostró buena coincidencia entre el daño pronosticado para la vivienda y el que fue observado (Zobin et al., 05; 06) Comala Colima Estado de Colima LATITUD, N TRINCHERA MESO-AMERICANA Océano Pacìfico LONGITUD, O Figura 1 Actividad sísmica del estado de Colima. La estrella muestra el epicentro del terremoto del 21 de enero de 03 (Mw 7.6). Los puntos negros son los epicentros de sismos superficiales (profundidad 60 Km.) con magnitud 4, localizados por el Servicio Sismológico Nacional (UNAM). METODOLOGIA DE ESTUDIO En nuestro estudio, usamos dos unidades de vivienda, una construcción y una manzana. Por eso, estimamos MPD para tres tipos de construcciones y para las manzanas residenciales tipo. Una manzana sirve como la unidad para la construcción del mapa de microzonificación de riesgo sísmico. CLASIFICACIÓN DE CONSTRUCCIONES Las construcciones residenciales de mampostería que representan a la mayoría de vivienda en las ciudades del estado de Colima son de uno o dos pisos. Por eso, su clasificación es simple y tiene solo tres grados: tipo A (buena calidad), tipo B (intermedia calidad) y tipo C (mala calidad) (Zobin y Ventura-Ramírez, 01). Tipo A, buena calidad. Tiene cimientos de mampostería de piedra mínimo 70 cm. de ancho en la base, para terreno regular a bueno con cadenas o dalas de concreto armado de 15 cm. de ancho por cm. de alto, con 2

4 castillos separados de 2.5 a 3 m como máximo, losa de 10 cm. como mínimo de espesor de concreto armado de con muros de 15 cm. espesor como mínimo con dos niveles de construcción comúnmente. Los materiales tienen un diseño adecuado para resistir fuerzas horizontales. Tipo B, media calidad. Edificios reforzados construidos con diseños deficientes, materiales de media a buena calidad, muros de tabique de 15 cm. comúnmente, techos de concreto elaborados con control deficiente en la supervisión y regular aplicación de los materiales utilizados tanto en los refuerzos como en los cementantes. No tiene un buen diseño sismorresistente. Tipo C, mala calidad. Generalmente son las construcciones viejas construidas con adobe, construcciones recientes con bastante eficiencia en su calidad así como carentes de elementos estructurales como castillos, dalas de cerramientos con cubiertas de teja o laminas sin anclaje considerables. CLASIFICACIÓN DE MANZANAS Las manzanas residenciales fueron clasificadas de acuerdo con su época de construcción y la distribución de tipos diferentes de construcciones dentro de ellos. Tipo 1. Con casas construidas después del año La mayoría de las casas son de tipo A, sin casas de tipo C. Tipo 2a. Con casas construidas entre 1950 y La mayoría de las casas son de tipo B, con poca proporción de casas tipo A y C. Tipo 2b. Con casas de INFONAVIT construidas entre 1950 y Son equivalentes a las casas de tipo B. Tipo 3a. Con casas construidas entre 1970 y 07. La mayoría de las casa son de tipo B, poca proporción de casas tipo A y alta proporción de tipo C. Tipo 3b. Con casas construidas entre 1970 y 07 en las colonias populares. La mayoría de las casa son de tipo B, alta proporción de casas tipo C y ausencia de casas tipo A. CONSTRUCCIÓN DE LA MATRIZ PROBABILISTICA DE DAÑOS PARA TRES TIPOS DE CONSTRUCCIONES La MPD-07 fue calculada (Tabla 1) de acuerdo con la escala de daños de siete grados (Whitman, 1988) usando el método de expertos (con participación de 11 especialistas) para los tres tipos de construcciones y las intensidades de sismos de VII a IX (Escala Mercalli Modificada, MM). Muestra algunas diferencias comparándola con la MPD-1999 (Zobin y Ventura Ramírez, 01) como un resultado de la nueva experiencia obtenida por los expertos después del terremoto de 03. Tabla 1 Matriz probabilística de daños MPD-07 (en %) calculada para tres tipos de construcciones y las intensidades de VII a IX MM Estado de daño Tipo A Tipo C Tipo C VII VIII IX VII VIII IX VII VIII IX 1 ninguno menores ligeros moderados fuertes mayores totales CONSTRUCCIÓN DE LA MATRIZ PROBABILISTICA DE DAÑOS PARA LAS MANZANAS RESIDENCIALES 3

5 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 09 La MPD para las manzanas residenciales tipo fue calculada de acuerdo con las formulas propuestas en (Zobin y Ventura Ramírez, 01): P = k(a)p(a) + k(b)p(b) + k(c)p(c) (1) k(a) = N (A) / N(A+B+C) (2) k(b) = N (B) / N(A+B+C) (3) k(c) = N (C) / N(A+B+C) (4) Donde P es la probabilidad del estado de daños (Whitman, 1988) para una intensidad MM; p(a, B, C) es la probabilidad del estado de daños de la construcción tipo A, B o C para esa intensidad de acuerdo con la MPD calculada para los tres tipos de construcciones (Tabla 1); y k(a, B, C) es el coeficiente de peso para cada tipo de construcción en una manzana típica con el numero de edificaciones N (A+B+C) de construcciones tipo A, B, y C. MICROZONIFICACION DE RIESGO SISMICO PARA LA VIVIENDA DE LA CIUDAD DE COLIMA La ciudad de Colima es la capital del estado de Colima, su población es de 123 mil (05); su área es igual a 31.8 km 2. La ciudad está construida sobre una capa delgada (alrededor de 800 m) de los depósitos de avalanchas y lahares volcánicos con edad entre 1,800 y 2,500 años producidos por la actividad de los volcanes andesíticos del Complejo Volcánico de Colima situado a una distancia de 32 Km. al norte de la ciudad. El estudio de los periodos dominantes y amplificación máxima con las metodologías de HVSR y los arreglos, realizado por (Chávez-García et al., 07), mostró que las propiedades de suelo para el territorio de la ciudad de Colima son suficientemente homogéneos. Por eso, se puede creer que las variaciones en riesgo sísmico para el territorio de la ciudad no dependen de las diferencias en las propiedades de suelo pero sí en la vulnerabilidad de la vivienda. De acuerdo con eso, la microzonificación de riesgo sísmico para la ciudad de Colima consiste de dos elementos: un mapa de zonificación de las manzanas según su nivel de vulnerabilidad de vivienda y la matriz probabilística de daños calculada para las manzanas tipo. INVENTARIO DE LAS MANZANAS RESIDENCIALES Fueron evaluadas 1,466 manzanas. La mayoría de ellas (59%) son de tipo 2 con vivienda de calidad intermedia. Las manzanas de tipo 3 (de calidad mala) representan 32% de todas las unidades. Las manzanas de tipo 1 (buena calidad de vivienda) representan sólo 9%. La Fig. 2 muestra la distribución de las manzanas de acuerdo con su tipología. Se puede ver que las manzanas con tipo diferente de vivienda se agrupan. Las manzanas de tipo 1 se localizan en la parte norte de la ciudad. Las manzanas de tipo 2 están distribuidas a través de todo el territorio de la ciudad. Las manzanas de tipo 3a con fuerte presencia de casas de adobe se concentran dentro del centro histórico de la ciudad y su periferia sur. Las manzanas de tipo 3b, caracterizadas por la dominancia de casas construidas sin proyecto y con materiales de mala calidad, se ubican dentro de la periferia este de la ciudad de Colima. MATRIZ PROBABILISTICA DE DAÑOS PARA LOS CINCO TIPOS DE MANZANAS. Para cada tipo de manzanas fueron seleccionadas las 10 manzanas con una distribución típica de los tipos de construcciones. Los promedios de porcentaje de vivienda de cada tipo dentro de las manzanas de cinco tipos presentan en la Tabla 2. De acuerdo con esta distribución, la matriz probabilística de daños para los cinco tipos de manzanas y tres intensidades (VII a IX, escala MM) fue calculada usando las ecuaciones (1 a 4). La Tabla 3 y la Figura 3 muestran el pronóstico de daños para vivienda de la ciudad de Colima. Se puede ver, que el riesgo sísmico para las manzanas de tipo 2 y 3, que representan 91% de todas las unidades, es prácticamente igual. El sismo de 03, destruyendo la mayoría de casas vulnerables, ecualizó la vulnerabilidad de estas manzanas. De acuerdo con la Tabla 3, un sismo con intensidad de VII MM puede producir daños mayores y totales para la vivienda dentro de las manzanas de tipo 2 y 3 con una probabilidad de 4-5 % y producir daños fuertes para la vivienda dentro de las manzanas con una probabilidad de 9-14%. El 4

6 terremoto con intensidad de VIII MM puede destruir completamente la vivienda de las manzanas con una probabilidad de 5-9% y producir daños mayores con una probabilidad de 12-16%. El sismo con intensidad de IX MM tiene habilidad de producir los mayores y totales para la vivienda dentro de las manzanas de tipo 2 y 3 con una probabilidad de %. Para las manzanas de tipo 1 (buena calidad de vivienda), la probabilidad de los daños mayores y fuertes durante un sismo con intensidad VII MM no excede 4% y durante un terremoto con intensidad VIII MM, 5%. El terremoto con intensidad IX MM tiene como probabilidad de destrucción una tercera parte de la vivienda dentro de las manzanas de este tipo. Figura 2 Zonificación de los tipos diferentes de las manzanas residenciales en la ciudad de Colima. Las manzanas de tipo 1 su muestran con color verde, de tipo 2a, con color rojo, de tipo 2b, con color violeto, de tipo 3a, con color azul y de tipo 3b, con color cianuro. 5

7 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 09 Tabla 2 Promedios en número de casas tipo A, B y C (en %) dentro de cinco manzanas residenciales tipo en la ciudad de Colima Tipo de A B C manzana a b a b Tabla 3 Matriz probabilística de daños calculada para cinco tipos de manzanas residenciales de la ciudad de Colima y las intensidades de VII a IX MM VII VIII IX Estado de 1 2a 2b 3a 3b 1 2a 2b 3a 3b 1 2a 2b 3a 3b daño 1 ninguno menores ligeros moderados fuertes mayores totales PORCENTAJE % 60 0 IX MM PORCENTAJE % 60 0 VIII MM PORCENTAJE % 60 0 VII MM 03 Tipo 1 Tipo 2a Tipo 2b Tipo 3a Tipo 3b ESTADO DE DAÑO Figura 3 Pronóstico de daños para cinco tipos de manzanas residenciales de la ciudad de Colima durante los sismos con intensidad de VII a IX MM. Se muestra la curva de distribución de daños obtenida durante el sismo de 01 con intensidad VII MM (Zobin et al., 06). 6

8 DETERMINACION DEL PERIODO DE EXPOSICION PARA EL PRONÓSTICO DE RIESGO SISMICO La propuesta MPD-07 y la microzonificación de las manzanas residenciales pueden ser válidos durante un periodo específico de exposición, que podemos definir como un intervalo entre dos terremotos destructivos. Se puede esperar que un sismo destructivo nuevo cambie el nivel de riesgo sísmico como fue observado después del sismo de 03. Entonces, estimamos el tiempo de exposición como un intervalo promedio entre los terremotos destructivos en la ciudad de Colima. Tenemos una secuencia de eventos destructivos ocurridos en los años 1900, 1932, 1941, 1973 y 03. El intervalo promedio entre ellos es igual a alrededor de 26 años. MICROZONIFICACION DE RIESGO SISMICO PARA LA VIVIENDA DE LA CIUDAD DE COMALA La ciudad de Comala está situada 12 Km. al norte de la ciudad de Colima. Tiene población de 8 mil habitantes (05), su área es alrededor de 10 km 2. Está construida a lo largo de las orillas del río Comala, sobre una capa delgada (alrededor de 800 m) de los depósitos de avalanchas y lahares volcánicos con la edad entre 1,800 y 2,500 años producidos por la actividad de los volcanes andesíticos del Complejo Volcánico de Colima situado a una distancia de Km. al norte de la ciudad. La microzonificación de riesgo sísmico de la vivienda de la ciudad de Comala está realizada en la misma manera como para la ciudad de Colima con uso de la MPD-07 (Tabla 1). INVENTARIO DE LAS MANZANAS Fueron evaluadas 46 manzanas residenciales. Sus tipos son diferentes comparando con las de la ciudad de Colima mostrando características originales de la vivienda rural. Por eso, definimos dos tipos adicionales de manzanas, tipo 2c y 3c. Manzanas Tipo 1 no se encuentran en Comala. Las manzanas tipo 2c (son de 46 evaluadas) se caracterizan por contener mayoría de casas tipo B, con poca proporción de casas tipo A y C siendo significativamente mayor la proporción de casas de tipo C. Las manzanas de tipo 3c están representadas por la mayoría de casas tipo C, muchas casas de tipo B y ausencia casi total de casas de tipo A. La Fig. 4 muestra la distribución de las manzanas de acuerdo con su tipología. Se puede ver que las manzanas con tipo diferente de vivienda se agrupan. La mayoría de las manzanas de tipo 2c se localizan al norte y al extremo de la orilla oeste del río Comala. Las manzanas de tipo 3c están distribuidas a lo largo de ambas orillas del río Comala. MATRIZ PROBABILISTICA DE DAÑOS PARA LOS DOS TIPOS DE MANZANAS Para cada tipo de manzanas fueron calculados los promedios de porcentaje de vivienda de cada tipo dentro de las manzanas (Tabla 4). De acuerdo con esta distribución, la matriz probabilística de daños para los dos tipos de manzanas y tres intensidades (VII a IX, escala MM) fue calculada usando las ecuaciones (1 a 4). Tabla 4 Promedios en número de casas tipo A, B y C (en %) dentro de dos manzanas residenciales tipo en la ciudad de Comala Tipo de A B C manzana 2c c La Tabla 5 y la Figura 5 muestran el pronóstico de daños para la vivienda de la ciudad de Comala. Se puede ver, que el riesgo sísmico para las manzanas tipo 2c y 3c tiene una diferencia significativa en pronóstico de daños fuertes a totales. De acuerdo con la Tabla 5, una probabilidad de que un sismo con intensidad de VII a IX MM puede producir daños de grados 5 a 7 para 60% a 100% de la vivienda de manzanas tipo 2c, y es menor que para la vivienda de manzanas tipo 3c (intensidad VII, % contra 34%; intensidad VIII, 43% 7

9 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 09 contra 54%; intensidad IX, 78% contra 86%, respectivamente); la diferencia cada vez está alrededor del 10%. Que las manzanas de tipo 3c estén ubicadas sobre las orillas del río Comala puede incrementar su valor de riesgo sísmico Figura 4 Zonificación de los tipos diferentes de las manzanas residenciales en la ciudad de Comala. Las manzanas de tipo 2c su muestran con color amarillo y de tipo 3c, con color rojo. Tabla 5 Matriz probabilística de daños calculada para dos tipos de manzanas residenciales de la ciudad de Comala y las intensidades de VII a IX MM Tipo 2c Tipo 3c Estado de VII VIII IX VII VIII IX daños 1 ninguno menores ligeros moderados fuertes mayores totales CONCLUSIONES 1. Está propuesta una metodología simple y económica para microzonificación de riesgo sísmico de las ciudades pequeñas de acuerdo con el nivel de vulnerabilidad de vivienda. 2. La aplicación de esta metodología para las ciudades de Colima y Comala muestra su buena resolución para las manzanas con vulnerabilidad diferente de sus construcciones. 8

10 PORCENTAJE % 60 0 IX MM PORCENTAJE % 60 0 VIII MM PORCENTAJE % VII MM Tipo 2c Tipo 3c ESTADO DE DAÑO Figura 5 Pronóstico de daños para dos tipos de manzanas residenciales de la ciudad de Comala durante los sismos con intensidad de VII a IX MM. 3. Los pronósticos de riesgo sísmico de acuerdo con el nivel de vulnerabilidad de vivienda tienen que ser arreglados considerando las condiciones diferentes en suelo. 4. La metodología puede ser recomendada para otras ciudades pequeñas de México. REFERENCIAS Chávez-García F.J., Domínguez T., Rodríguez M. y Pérez, F. (07), Site effects in a volcanic environment: a comparison between HVSR and array techniques at Colima, México, Bull. Seismol. Soc. Am., vol. 97, pp Manual (1993), Manual de diseño por sismo, Comisión Federal de Electricidad, México, D.F., 162 pp. Whitman R.V. (1988), Earthquake loss estimation methodology, En: Earthquake Prognostics, A. Vogel y K. Brandes (Editores), F. Vieweg & Sohn, Wiesbaden, pp Zobin V.M. y Ventura Ramírez J.F. (1999), Vulnerabilidad sísmica de edificios residenciales y pronóstico de daños en caso de sismos fuertes en la ciudad de Colima, GEOS, vol. 19, pp Zobin V.M., Ventura-Ramírez J. F., Gutiérrez-Andrade C.L. Hernández-Cruz L. y Santibáñez-Ibáñez S. (06), The Mw 7.4 Colima, Mexico, earthquake of 21 January 03: The observed damage matrix in Colima city and its comparison with the probabilistic damage matriz, Natural Hazards, vol. 38, pp

11 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 09 Zobin, V.M. y Pizano-Silva J.A. (07), Macroseismic study of the Mw January 03, Colima, México, across-trench earthquake, Bull. Seismol. Soc. Am., vol. 97, pp

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