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Posted by: leoalvar ® 2001/10/19, 12:02:18 Author Profile Edit |
Clase 5. Los modelos de estimación de la peligrosidad sísmica IntroducciónSupongamos que analizamos la peligrosidad sísmica a que está sometido un área pequeña. Supongamos que esa área es afectada sólo por los terremotos que ocurren en una sola zona fuente, de dimensiones reducidas, ubicada a una distancia tal que se pueda considerar a los efectos prácticos como un punto con relación al área de estudio. Si se conocen las leyes de ocurrencia de los terremotos (gráfico magnitud-frecuencia de la zona) y de atenuación del efecto de los terremotos con la distancia (curvas regionales de atenuación de la intensidad, aceleración, etc.) es muy fácil estimar el grado de peligro a que está sometida el área de estudio. Esto es, a partir de las curvas de atenuación se determina que magnitud en la zona es capaz de provocar un efecto dado en el área, y con esa magnitud, a partir del gráfico magnitud-frecuencia se determina la frecuencia con que ese efecto se puede producir en el área de estudio. Supongamos ahora que el área de estudio es afectada por terremotos que ocurren en diferentes zonas. Si somos capaces de estimar esas frecuencias para diferentes zonas fuentes y las sumamos estaremos en condiciones de estimar la peligrosidad sísmica del área de estudio. Este razonamiento, que ahora parece muy simple no apareció en la ciencia sismológica hasta mediados de los 60, con los trabajos de Riznichenko (en 1965) y de Cornell (en 1968). A continuación veremos los planteamientos iniciales de estos autores y el desarrollo posterior de los métodos de estimación de la peligrosidad sísmica.
Métodos fundamentales de estimación de la peligrosidad sísmicaMétodo de Riznichenko
Sea dada, en el elemento de volumen dx.dy.dz en
los alrededores del punto P(x,y,z) en la región
focal, la frecuencia suma de ocurrencia de terremotos
Consideremos además que en cada punto Po(xo,yo,zo) (punto de interés para el estudio de los efectos de los terremotos) de la superficie terrestre (zo=0) está definida la función:
donde r es la distancia hipocentral, a es el azimut de la dirección hasta el epicentro con respecto al eje x, y z es la profundidad del terremoto.
Fijemos ahora el valor Ii para el cual
se quiere construir el mapa de frecuencia de las sacudidas
Para obtener la frecuencia suma completa
La expresión (3) da la resolución general
del problema. Ella determina en cualquier punto Po
de la superficie terrestre la frecuencia
Veamos ahora el camino por el que tomó
Riznichenko, que hizo que sus trabajos no fueran seguidos en el mundo
occidental. En los inicios de los 60 tuvo una gran difusión en
la antigua URSS la confección de mapas de actividad sísmica
como vía para el estudio de la sismicidad. Riznichenko, como
creador de esa representación decidió vincular con ella
la nueva magnitud por el desarrollada, y pasó a expresar
Para los cálculos se pasa de la integral {ò[?]dS} a una sumatoria {å[?]DS}, y se obtienen finalmente las expresiones:
Un aspecto discutido en los trabajos de Riznichenko y que es aplicable a todos los estimados de peligrosidad sísmica en términos de intensidad, es el relativo al valor de I que debe ser utilizado en las fórmulas (4a,b) y por consiguiente en las (5-6). Es conocido el carácter discreto de la intensidad sísmica, esto es, un valor I en realidad comprende un intervalo (I-0.5,I+0.5). De tal forma, para calcular la sacudibilidad sísmica para un valor dado de intensidad, en la fórmula debe ser utilizado el valor I-0.5; de lo contrario se estará subestimando el nivel de peligrosidad. Con posterioridad estos estimados pasaron a realizarse para otros parámetros diferentes de la intensidad (aceleración, características espectrales, etc.) A partir de la sacudibilidad BI, que es un estimado medio, se pueden realizar estimados probabilísticos de la peligrosidad sísmica. Sean:
Para un proceso poissoniano, los intervalos entre eventos sucesivos obedecen a una distribución exponencial, cuya expresión es equivalente:
donde FD - función de distribución, fdp - función de densidad de probabilidad, E - esperanza matemática y ? - dispersión estándar. Por tanto, la probabilidad de que no ocurra ni un evento con intensidad mayor o igual que I, en un tiempo t, que se denomina "de espera" será:
Método de CornellEste método constituye la base de todos los que se han desarrollado con posterioridad en la escuela norteamericana. Sus hipótesis básicas son:
donde m es la magnitud y R la distancia epicentral
El planteamiento inicial era limitado solo a intensidad, de la forma siguiente: la probabilidad de que la intensidad sea ³i en el punto a una distancia R=r es:
Para considerar la influencia de todos los valores posibles de distancias focales y sus verosimilitudes relativas se integra. La distribución acumulativa de I, FI(i), para M³m viene dada por
donde fR(r) es la función de densidad de probabilidad de R, la distancia focal. Si el número de eventos de interés en una zona fuente está distribuido por Poisson con media anual n, podemos considerar que los eventos independientes son "sucesos" de Poisson con media pi, donde p es la probabilidad de cada una de ellas. En este caso se dice que se está en presencia de un proceso de Poisson con "selección aleatoria". En nuestro caso los eventos son aquellos que provocan una intensidad ³i. La probabilidad p. viene dada por P[I³i]. De tal forma el número de veces N que la intensidad en el punto es ³i viene dada por
La probabilidad de que no ocurra ningún evento con I³i en el intervalo t será
La probabilidad de que no ocurra ningún evento con I³i en un año será
el período de retorno se define como el inverso de (1-P[N=0]1)
Al introducir la cantidad ?, lo que se hace es calcular la esperanza matemática del número anual de eventos que causa una intensidad ³I , la cual se obtiene de la forma:
donde ?=N(m0,mmax) es el número anual de terremotos en ese intervalo de magnitud. Cornel con posterioridad extendió esta formulación a cualquier parámetro a del movimiento del terreno. En la práctica, el proceso de cálculo del riesgo se desarrolla en cinco etapas:
Comparación entre los enfoques de Riznichenko y CornellHemos visto dos métodos diferentes en su enfoque inicial, pero que luego son coincidentes en sus resultados finales. El método de Riznichenko parte de considerar los gráficos magnitud-frecuencia, que dan un estimado medio de la ocurrencia de terremotos. Se obtienen como resultado primario los períodos de recurrencia para diferentes valores de la intensidad, esto es un gráfico (?i, Treci) donde ? puede ser intensidad, aceleración u otro parámetro cualquiera, y sólo entonces, usando el modelo poissoniano calcula los estimados probabilísticos. El método de Cornell prepara una función de distribución a partir de la ley magnitud-frecuencia y calcula la probabilidad de ocurrencia, la cual, multiplicada por el número total de eventos nos lleva a la esperanza matemática de la frecuencia de ocurrencia. A partir de aquí considerando un modelo poissoniano de ocurrencia se determina el período de retorno Tret, por lo que igualmente se tendrá un gráfico del tipo (?i, Treti). Los períodos de recurrencia y retorno son prácticamente iguales para (Trec,Tret)>10 años, por lo que ambos enfoques son equivalentes. Cuando para cada uno de los puntos de una red regular que cubra un área de estudio se calculan estos valores (?i, Ti) (donde ya no diferenciamos entre recurrencia y retorno) estamos en condiciones de construir el primer tipo de mapas de peligrosidad sísmica, con estimados medios: T(?) o su inverso ?(T). En ambos enfoques se usa el modelo poissoniano para caracterizar la ocurrencia de sacudidas en un punto, y esto permite preparar el segundo tipo de mapa de peligrosidad sísmica, con estimados probabilísticos: p(?,t) o alguna de las variantes ?(p,t) y t(?,p), donde p es la probabilidad de que no ocurra ni una sacudida con valor ³.?, y t es el tiempo para el que se calcula esa probabilidad, que comúnmente se denomina "de espera". Este tiempo esta estrechamente vinculado al tiempo de vida útil que se le calcule a las edificaciones sometidas a la acción de los terremotos. Los mapas de uso más frecuente son ?(T) ?(p,t), pero como se ve en la fórmula (7) a cada par (p,t) le corresponde un valor de T, y es común encontrar ambas denominaciones en un mismo mapa, por ejemplo "probabilidad 0.9 en 50 años (período de retorno 475 años). Otros métodos de estimación de la peligrosidad sísmicaMétodo del Centro John A. Blume de la Universidad de StandfordEs una variante del método de Cornell. Aquí, a diferencia del inicial de Cornell, el carácter poissoniano se traslada a la fuente, en lugar del punto de recepción (son poissonianos los terremotos en la fuente, no las sacudidas en el punto). Igualmente, en lugar de calcular originalmente la probabilidad anual, se calcula la probabilidad en t anos y el paso a la anual se realiza considerando fórmula binomial, que evaluada para el caso de 0 éxitos en t pruebas conduce a
donde p es la probabilidad anual de ocurrencia de A³ao . El período de retorno viene dado por
La expresión para m fuentes se obtiene multiplicando las probabilidades individuales, ya que la ocurrencia de terremotos en zonas diferentes corresponde a eventos totalmente independientes:
que resulta equivalente a la que se obtiene por el método de Cornell. Igualmente, el proceso de calcular la probabilidad de no-ocurrencia en t años y de ahí pasar a la de 1 año y al período de retorno no tiene diferencias con el método habitual de los otros autores. Este modelo ha evolucionado hacia formas mas complejas que incluyen el tratamiento bayesiano de la información, que aquí no vamos a analizar, por salirse de los objetivos del curso. Aunque de este método no aparecen muchos trabajos publicados, preferí hacer mención de él pues el centro que lo desarrolló es una consultoría muy fuerte que ha tenido una presencia muy activa en América Latina desde la década del 70, y es probable que ustedes se encuentren en su trabajo por informes desarrollados por ellos. Método del Instituto Internacional de Pronóstico de Terremotos y Geofísica Teórica de la Academia de Ciencias de RusiaEste método, desarrollado por G.M. Molchan en la antigua URSS a principios de los años 70, aunque ha tenido muy poca divulgación, tiene una gran importancia, pues es el enfoque más completo para su época de la peligrosidad sísmica en términos probabilísticos. Incluye por primera vez el tratamiento de isosistas elípticas y el cálculo del error asociado a las estimaciones que realiza. Su originalidad también reside en la inclusión del análisis de pérdidas y afectaciones a la población producto de los terremotos, por lo que es el primer tratamiento completo del riesgo sísmico propiamente dicho (ver primera clase). Tiene una formulación muy compleja y sólo se presentarán aquí algunos de sus planteamientos fundamentales. Los terremotos se consideran como eventos casuales (t,g,e) en el espacio TxGxE, donde t es el momento de ocurrencia del evento dentro del intervalo de tiempo T, g es el vector de las coordenadas del epicentro dentro de la región sísmica G y e es la medida de la energía (magnitud, clase energética y demás) dentro del rango de energía E. En G se distinguen dos subgrupos - el objeto O y la zona de peligro sísmico G'. Cada subgrupo puede consistir de una serie de áreas, líneas y puntos. En el caso de objeto, este subgrupo puede separar áreas de la superficie terrestre, redes de carreteras, ciudades y edificios, y en el caso de la zona G' el subgrupo esta formado por las regiones sísmicamente activas y las fallas que amenazan al objeto O. No es necesario que la zona de peligro comprenda al objeto O. Un efecto es asociado con cada terremoto, esto es, algún valor aleatorio x(t,g,e) que caracteriza al daño causado al objeto por un terremoto (t,g,e). El problema consiste en calcular la función de distribución estadística
para el efecto total XS(T), el cual es causado por la secuencia de eventos (to,go,eo) en el volumen TxG'xE:
El algoritmo permite el calculo de prácticamente cualquier efecto, para el cual exista un mínimo de estimados necesarios del valor x(t,g,e) - el efecto de terremotos aislados, aunque se analizan sólo los siguientes:
Métodos que utilizan distribuciones asintóticasEn la tercera clase presentamos la III distribución asintótica de Gumbel y la formulación de Kijko como una vía para determinar las magnitudes máximas de los terremotos. Ellas también pueden ser empleadas para la estimación de la peligrosidad sísmica. Sea FM(m) la función de distribución (FD) de las magnitudes, o FI(i) la FD de las intensidades [derivada de FM(m) usando fórmula de atenuación de I]. El período de retorno será
Cuando no se conoce la forma de FM(m) o FI(i) se pueden usar alguna de las distribuciones asintóticas de Gumbel, Kijko o cualquier otra, y se tiene que:
donde T identifica el tipo de distribución asintótica a utilizar, n es el numero de elementos de la muestra (magnitudes máximas reportadas) y 'y' es el máximo de esas magnitudes aleatorias reportadas. Estas son las distribuciones matemáticas más utilizadas para la evaluación del riesgo sísmico por el método probabilista no zonificado si bien puede aplicarse también al método zonificado. La gran ventaja de ellas radica en basarse en los valores extremos, máximos en este caso, que por lo general son mejor conocidos. En cambio presentan la desventaja de ignorar mucha información. Las FD de Gumbel y de Kijko correspondientes a intervalos de A años y de un año están ligadas por la expresión
De esta fórmula se desprende que considerar la no ocurrencia en N años por la binomial es equivalente a considerarlo por las distribuciones asintóticas, al igual que por el modelo poissoniano. El proceso se desarrolla en las siguientes fases:
Programas de cálculo más importantesProgramas para el cálculo de la sacudibilidad por el método de RiznichenkoLa sacudibilidad en estos programas siempre es calculada usando las fórmulas (5,6), pero expresada en términos de la clase energética K, la cual se relaciona con M por una fórmula del tipo
Esto constituyó una nueva limitatante en la extensión de este tipo de enfoque de la peligrosidad sísmica, ya que fuera de la URSS y otros paises socialistas, nadie usaba la clase energética K para representar la magnitud de los terremotos. Como se ve de las fórmulas (5,6), es necesario poseer los mapas de A y Kmax para poder realizar los cálculos. Los primeros programas no utilizaban simultáneamente los mapas de A y Kmax (motivado por limitaciones técnicas de los medios de cómputo), sino solamente el de Kmax, calculando A por una correlación del tipo:
donde Ka=cte., habitualmente 15. Con posterioridad fueron desarrollados otros programas (escritos por Seiduzova al igual que los primeros) que resuelven el problema completo, usando ambos mapas y permitiendo seleccionar entre las 2 variantes de atenuación, dadas por las fórmulas (4a,b). Los programas continuaron perfeccionandose durante mucho tiempo, y ya en la década de los 80 se encuentran ejemplos de calculo de sacudibilidad "espectral", esto es, en términos de algún parámetro del espectro de los terremotos. Debe señalarse que todos los programas sin excepción usan como parámetros fijos para toda el área:
Programa RISK (Algermissen-Perkins)Este fue el primero de los programas para la estimación de la peligrosidad sísmica confeccionado siguiendo las ideas de Cornell que obtuvo una amplia difusión. En esencia se basa en lo siguiente:
Para cada rectángulo unitario a través de
la región calcula el número esperado de ocurrencias en
rangos de aceleración, para los terremotos distribuidos por
los elementos de la fuente. El resultado final es, para cada
rectángulo unitario, la distribución del número
esperado de ocurrencias como función de la aceleración.
Para la misma puede ser calculada la función de distribución
de probabilidad condicional acumulativa
El período de retorno (parámetro de interés ingeniería) se define por:
donde R(a) es el número medio de eventos que producen una aceleración ³a. El período de retorno en años es dado por:
Programa EQRISK (McGuire)El algoritmo de McGuire es una generalización del de Cornell al considerar la dispersión en las fórmulas de atenuación. Considera que cualquier valor del efecto (aceleración, intensidad, etc.) puede ser provocado por una magnitud entre Mmin y Mmax sobre la base de una función de distribución. La fórmula general de calculo es:
donde: P - probabilidad, A - evento cuya probabilidad se calcula, s y r - variables aleatorias continuas e independientes que influencian a A. La variable A representa el evento de que un valor especifico de movimiento del terreno-intensidad sea excedido en el lugar de interés durante un terremoto. La variable S representa la magnitud o intensidad del terremoto y la variable r la distancia. Para el cálculo de P[A|s,r] se proponen dos relaciones entre A y (s,r):
donde
La función
donde:
El calculo de la peligrosidad sísmica consiste en la evaluación numérica de la integral
sometida a algunas transformaciones
algebraicas. Aquí ? simboliza la distribución normal.
La integración numérica se hace zona a zona. Cada zona
fuente se subdivide en subzonas, manteniendo el valor de b
uniforme, mientras que el número de eventos anuales entre
Este programa tuvo un gran uso a inicios de los años 80, y en estos momentos ha perdido su importancia, pues han aparecido otros que se obtienen gratis a traves de Internet, mientras que sus versiones posteriores se venden a precios elevados. Programa SEISRISK (Bender-Perkins)Probablemente éste sea el programa basado en el algoritmo de Cornell que mas difusión ha obtenido en el mundo. Se obtiene gratis a traves de Internet, y fue usado en el programa internacional GSHAP (Global Seismic Hazard Assessment Program) recientemente concluido, donde se construyeron mapas de peligrosidad sísmica para todo el mundo.El mismo se caracteriza por un conjunto de factores que lo diferencian de otros usados en la actualidad
a) La ocurrencia de terremotos no es
uniforme dentro de la zona fuente. Los terremotos de cada zona están
distribuidos normalmente en el espacio, por lo que fuera de la zona
su frecuencia no es =0, sino que varia suavemente a través de
las fronteras. De tal forma, si la ubicación esperada (media)
de un terremoto es en
b) Admite 2 tipos de fuente, superficial y lineal. Para
la lineal emplea un modelo de ruptura de fallas. En tal caso, las
rupturas ocurren con igual probabilidad en cualquier lugar de la
falla, y están totalmente contenidas en ella. La longitud de
ruptura es función de la magnitud y está distribuida
normalmente con media l(m) y desviación estándar
c) La magnitud se analiza en intervalos discretos, con valor asignado a su centro. Dados Mmax, Mmin y un número n de intervalos se tiene:
d) La aceleración (u otro parámetro usado en los cálculos), debida a terremotos de una magnitud y a una distancia dadas, se asume que tiene distribución lognormal con desviación estándar ?a en ln a. Esto es en gran medida equivalente a lo usado en el algoritmo de Mc Guire e) Los resultados para cada punto son:
Programa SACUDIDA (Alvarez)Permite realizar los estimados de peligrosidad sísmica por dos métodos:
Este programa será objeto de una clase aparte, pues se utilizará en un ejercicio práctico del curso.
Bibliografía recomendada de uso generalReiter, L. (1990): Earthquake hazard analysis. Issues and insights. Columbia Univ. Press, New York, 254 pp. [libro de texto ]. GSHAP (1993): Global Seismic Hazard Assessment Program for the UN/IDNDR. Número especial de la revista "Annali di Geofisica", vol XXXVI, No. 3-4, June-July 1993. [dedicado a la propuesta del programa, para lo cual presenta un análisis del nivel de desarrollo de estos estudios en todo el mundo ya la discusión de aspectos metodológicos de los estimados de peligrosidad sísmica]. GSHAP (1999): The Global Seismic Hazard Assessment Program GSHAP (1992-1999). Número especial de la revista "Annali di Geofisica" , vol. XLII, No. 6, December 1999. [dedicado a presentar los resultados obtenidos en el proyecto para todo el mundo]. Panza, G.F.; Radulian, M.; Trifu, C.; ed. (2000): Seismic hazard of the Circum-Panonian region. Birkhäuser, 280 pp. Reprint from Pure and Applied Geoph. (PAGEOPH), Vol. 157 (2000), No. 1/2 [dedicado a presentar los resultados de un proyecto, donde el énfasis fundamental se hizo en peligrosidad sísmica deterministica usando modelación de ondas superficiales]. |
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