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"EVALUACIÓN DE LA AMENAZA SÍSMICA PARA LA CIUDAD DE GUATEMALA"
Autores: Luna, J., Flores, O., López L., Pérez, C.
Este trabajo de investigación fue ejecutado por el CESEM durante los años 1991 a 1993 a través de un proyecto de investigación apoyado por la Dirección General de Investigación, Universidad de San Carlos de Guatemala.
Resumen
El análisis de riesgo sísmico involucra el conocimiento de la amenaza sísmica y la vulnerabilidad de uno o varios sistemas estructurales. La amenaza sísmica es característica de una determinada región geográfica, que por su ubicación geotectónica es susceptible de ser afectada por eventos sísmicos. La vulnerabilidad es un parámetro que el diseñador puede modificar utilizando el sistema constructivo más adecuado.
En este trabajo se realiza una evaluación de amenaza sísmica, por los métodos determinístico y probabilístico, para la ciudad de Guatemala, capital de la república del mismo nombre y lugar en donde se concentran aproximadamente, tres millones de habitantes.
La ubicación de las principales fuentes sísmicas y su actividad, es uno de los primeros pasos para realizar la evaluación. Para ambos métodos es necesario contar con una ecuación de atenuación adecuada y confiable. en el método determinístico se escoge un evento, que por su magnitud y distancia hipocentral, se considera como el que mayores efectos adversos produciría en las edificaciones; por este método se obtuvo una aceleración de 178.86 cm/seg², para un evento de magnitud (Mb) de 5.70 a una distancia hipocentral de 30.42 Km, con un registro instrumental de 25.42 años.
La probabilidad de que una aceleración sea excedida en un período de tiempo determinado, es la forma en que se expresan los resultados del método probabilístico. Para el análisis por este método se utilizó el programa para computadora eQRISK, desarrollado por McGuire (1976) basado en la teoría de Cornell (1968) que toma en cuenta las fuentes sísmicas, su actividad, la ocurrencia y recurrencia de los eventos sísmicos, obteniéndose valores de aceleración y probabilidad anual de excedencia.
Los resultados obtenidos por ambos métodos son útiles para el ingeniero de diseño, ya que con los valores de aceleración, en combinación con otros factores, es posible calcular la fuerza sísmica actuante en una edificación, a lo largo de su vida útil.
Introducción
Guatemala es un país que por su ubicación geotectónica ha sido "sacudido" por fuertes sismos. Los terremotos son parte importante de su historia, ya que varias de sus ciudades han sido destruidas y posteriormente trasladadas a lugares que se consideraron "más seguros".
Los objetivos del proyecto "evaluación de la amenaza sísmica para la ciudad de Guatemala", son los de aplicar las metodologías probabilística y determinística para evaluar la amenaza sísmica de la ciudad más poblada del país, obteniéndose aceleraciones de diseño.
Un primer paso para mitigar el efecto de los terremotos en un sitio, es conocer la amenaza sísmica a la que se pueda estar expuesto, para que las construcciones sean diseñadas con sistemas constructivos adecuados.
Área de Estudio
La ciudad de Guatemala se asienta en una depresión tectónica con orientación aproximada Norte - Sur (Fig.1a). Los límites al este y al Oeste son las fallas de Santa Catarina Pinula o Pinula y Mixco, respectivamente; al Sur, el complejo volcánico del Pacaya y al Norte el límite no se encuentra claramente definido, sin embargo, se visualiza que las fallas de Pinula y Mixco se prolongan hasta encontrarse casi perpendicularmente con la zona de falla del Motagua, considerándose esta última como el límite.
La evaluación de la amenaza sísmica se realiza para un punto ubicado en el centro de la ciudad, con coordenadas geográficas: 14°38'24" de latitud Norte y 90°30'36" de longitud al Oeste de Greenwich.
La geomorfología es predominantemente plana, con pendientes suaves hacia el Sur y Norte; sin embargo, presenta algunas zonas elevadas y depresiones provocadas por la erosión de las gruesas capas de piroclastos, con intercalaciones de paleosuelos y depósitos lacustres, que constituyen el relleno en el que se asienta la ciudad.
Estratigráficamente, se tiene un basamento Paleozoico constituido por rocas metamórficas e intrusivas; sobre él, yacen discordantemente, rocas carbonatadas del Cretácico Inferior. en el Cretácico Superior se tienen rocas sedimentarias clásitcas y el emplazamiento de intrusivos; el Terciario está representado por una imponente acumulación de productos volcánicos de composición y formación variada, algunas veces con intercalaciones de sedimentos lacustres; finalmente, una vasta cubierta de depósitos piroclásticos Cuaternarios, separados en ocasiones por paleosuelos.
Marco Tectónico Regional
Desde el punto de vista tectónico, la República de Guatemala está ubicada dentro de la zona de convergencia de las placas de Norteamérica, del Caribe y de Cocos. (Fig. 1b).
De acuerdo con el conocimiento actual sobre la interacción de las placas: la placa del Caribe se desplaza hacia el este de la Norteamericana en forma transcurrente, lo cual está evidenciado por el sistema de fallas Motagua - Chixoy - Polochic; en el Sur, la placa de Cocos se sumerge (subduce) bajo la placa del Caribe, lo cual ha dado lugar a la formación de la fosa Mesoamericana y la cordillera volcánica.
Conjuntamente con el sistema de fallas Motagua - Chixoy - Polochic, se desarrollaron otros de gran importancia, a nivel regional, tal el caso de la falla de Jocotán y el de la falla de Jalpatagua. (Fig.1a).
La interacción de las tres placas tectónicas ha generado esfuerzos tensionales dentro de la placa del Caribe, los cuales han provocado grandes sistemas de fallas normales (tipo graben - horst) de orientación Norte - Sur, como el de la ciudad de Guatemala.
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Fig. 1 a) y b) |
Evaluación de la Amenaza Sísmica en el Sitio.
Las actividades para realizar una evaluación de amenaza sísmica se sintetizan en la Fig.2.
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Fig. 2 |
El cálculo de aceleración, por el método determinístico, se realizó con ecuaciones de atenuación propuestas para lugares con características geológicas similares a las de Guatemala, siendo éstas:
la de esteva y Villaverde, 1973 (en McGuire, 1976):
a = 5,600 exp(0.8 M) / (R + 40)²
Y la de Taylor Castillo et. al. (1992), para Centroamérica:
In (a) = 0.339 + 0.455M - 0.67ln R - 0.00207 R
En donde:
a = aceleración en m/seg²
(cm/seg² en la de esteva y Villaverde)
M = magnitud
R = distancia hipocentral en Km.
Se evaluó para un evento de magnitud (Mb) 5.70 a una distancia hipocentral de 30.42 Km del sitio a investigar; tomado de un registro instrumental en un período de 25.42 años (registro del Instituto de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología -INSIVUMeH-). Con la ecuación de Taylor Castillo et.al. se obtiene una aceleración de 178.86 cm/seg², que es mayor que el resultado obtenido con la ecuación de esteva y Villaverde.
La evaluación probabilística se llevó a cabo siguiendo los pasos que presenta la Fig. 2. Se identificaron diez fuentes sísmicas en un radio de 150 Km del punto a investigar, así como un sector de círculo en la parte nororiental. Se determinó la actividad de las fuentes, los modelos de recurrencia y se asumió que la ocurrencia de los sismos con respecto al tiempo es Poissoniana.
Las fuentes sísmicas fueron seleccionadas de acuerdo a la sismicidad histórica que se tiene registrada en los catálogos del INSIVUMeH, CePReDeNAC y el USGS, procurando que la información fuera lo más completa posible, lo cual se logró a partir del año 1963.
Localizando los epicentros de las zonas que registran mayor actividad y tomando los principales rasgos geológicos que presenta el país, se seleccionaron las fuentes siguientes: sistema de fallas del Motagua, sistema de fallas Chixoy - Polochic, sistema de fallas de Jocotán, sistema de fallas de Mixco y Santa Catarina Pinula, sistema de fallas de Jalpatagua, sistema de fallas del Graben de Ipala, complejo vulcano - tectónico Amatitlán - Pacaya, cadena volcánica cuaternaria, zona de subducción la cual se divide en dos zonas, una somera (profundidad menor a 70 km.) y una profunda (profundidad mayor a 70 km) y el sistema de fallas de Ixcán.
eQRISK es el programa para computadora que se utilizó para efectuar la última etapa del análisis probabilístico, obteniéndose los siguientes resultados:
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Fig. 3 |
Aplicando los resultados anteriores, se presenta el siguiente ejemplo: si estimamos que una obra tendrá una vida útil de 50 años y queremos saber la probabilidad de que la aceleración de 333.75 cm./seg² (período de retorno de 200 años) sea excedida, entonces, aplicando la relación (en Morán 1989):
q = 1 - exp(-L/T)
En donde:
T = período de retorno
L = vida útil de la obra tendrá un 22% de probabilidad que la aceleración sea excedida (o un 78% de probabilidad de no ser excedida).
Aplicación de Resultados
Una de las aplicaciones de los resultados obtenidos es para el cálculo de la fuerza sísmica, en el diseño de edificios, ya que desde hace varias décadas los ingenieros empezaron a considerar las fuerzas sísmicas y adoptaron la fórmula F = CW, para calcular la Fuerza lateral equivalente (F) y simular el efecto de excitación sísmica; en donde "C" es el coeficiente sísmico cuyo valor era estimado empíricamente (en 0.10) y "W" es el peso del edificio.
El procedimiento para calcular "C" ha evolucionado y se han tomado en cuenta varios parámetros para su estimación. La | Asociación de Ingenieros estructurales de California -SeAOC- (1988, en Sauter, 1991) propuso la siguiente fórmula:
C = 1.25 I Av S / Rw T 2/3
Donde:
I = Factor de importancia del edificio, de acuerdo a su utilización.
Av = Amenaza sísmica, expresada como aceleración pico del terreno
S = Factor de amplificación, por las condiciones del suelo.
Rw = Factor de reducción.
T = Período natural de vibración del edificio.
Conclusiones y Recomendaciones
El método determinístico da un único valor de aceleración, producido por un sismo considerado como el que más daño podría provocar; estos valores son más confiables cuanto más largo sea el período que cubra la base de datos.
El método probabilístico proporciona varios valores de aceleración y probabilidad de excedencia, dependiendo de la vida útil estimada para la obra.
Es recomendable instalar una red de acelerógrafos para obtener datos de respuesta en el sitio (espectro de diseño), lo que permitirá corroborar los resultados obtenidos y además, para obtener relaciones de atenuación adecuados a las características de la región bajo estudio.
Agradecimientos
Al personal de la sección de Sismología del INSIVUMeH, a la Fundación para la Superación de la Ingeniería y a los trabajadores administrativos del CeSeM, por su colaboración brindada en el desarrollo de la investigación.
Bibliografía
* CORNeLL, A., 1968. engineering seismic risk analysis. Bulletin of the Seismological Society of America, USA. pp. 8
* KIReMIDJIAN, A., Shah, H. and Lubetkin L., 1977. Seismic hazard mapping for Guatemala, Stanford University, California, USA. pp. 227.
* LAPORTe PIRIe, María, 1985. estudios recientes en la evaluación de la amenaza sísmica: III seminario nacional de Geotecnia, San José, Costa Rica. pp. 17.
* McGuire, 1976. eQRISK, evaluation of earthquake risk to site. United States Department of the Interior Geological Survey.
* MORAN OReLLANA, Guillermo Napoleón, 1989. evaluación de la amenaza sísmica para el área geotérmica de Berlín, el Salvador, América Central: Tesis de graduación, Licenciatura en Geología, Universidad de Costa Rica, Facultad de Ciencias Básicas, escuela Centroamericana de Geología, San José, Costa Rica. pp. 97.
* PLAFKeR, George. 1976. Tectonic aspects of the Guatemala earthquake of 4 February 1976: American Association for the advancement of science. Vol. 193. pp. 37.
* SAUTeR, F. 1991. A critical review of current seismic codes, VI Seminar on earthquake Prognosis, Germany. pp. 18.
* TAYLOR CASTILLO, W., Santos, Pl, Dahle, A. and Bungan, H., 1992. Digitization of Strong Motion Data and estimation of PGA Attenuation. NORSAR NORWAY, pp. 23