UTILIZACION DE LOS MAPAS DE MICROZONIFICACION SISMICA EN EL PLANEAMIENTO URBANO Y LA REDUCCION DEL RIESGO

SISMICO

Bertha E. González Raynal y Luis D. Pérez Lara Centro Nacional de Investigaciones Sismológicas, Departamento de Sismología de Ciudad de la Habana Calle 212 No. 2906 e/29 y 31, La Coronela, Lisa. Ciudad de la Habana email cenais@iga.cu RESUMEN La microzonificación sísmica (M.S), consiste en la división de un territorio urbano en microzonas geográficas que van a manifestar comportamientos diferentes ante la ocurrencia de un sismo fuerte. Estos mapas constituyen un elemento esencial para el planeamiento urbano y la reducción del riesgo sísmico, porque permiten seleccionar los sitios más seguros para la construcción de las nuevas edificaciones y el reforzamiento y remodelación de las existentes. Las investigaciones de M.S. son obligatorias en las zonas de alto peligro y sus resultados están incluidos en los documentos normativos para la construcción en zonas sísmicas de muchos países. Sin embargo, en la última década, estos trabajos también se han llevado a cabo en las grandes ciudades, ubicadas en zonas de baja y moderada sismicidad. Esto es debido al alto costo y vulnerabilidad de los elementos sometidos a riesgo y a las consecuencias que un sismo de moderada intensidad, puede ocasionar sobre el medio ambiente natural, construido y socioeconómico. En Cuba, se establece como norma, la realización de estos trabajos en los asentamientos humanos donde se pronostican sacudidas sísmicas de I�7,0 grados de intensidad en la escala MSK, para periodos de recurrencia de 100 años y aceleraciones efectivas mayores que 0,2g. La categoría y escala de los mapas de M.S., van a depender de la importancia y dimensiones de la ciudad, de la información disponible y la actividad sísmica de la región. En el trabajo se abordan aspectos relativos a las metodologías de microzonificación sísmica utilizadas en Cuba y se muestran algunos resultados obtenidos para ciudades y municipios importantes del País. También se analizan las limitaciones de dichos resultados y se proponen acciones que deberán ser acometidas en el futuro, para que estos sean de mayor utilidad a los proyectistas, planificadores e inversionistas. De esta forma, se podrá asegurar el desarrollo sostenible de las ciudades sometidas a estas amenazas naturales, con la introducción de medidas racionales y efectivas para la prevención y mitigación del riesgo, donde se incluyan la planificación y el ordenamiento de territorios.

INTRODUCCIÓN La mitigación del riesgo sísmico se ha convertido, en los últimos años, en una necesidad imperiosa, aun en el caso de los países de sismicidad baja y moderada. Esto es debido al impacto negativo de los sismos en la economía y a las significativas perdidas de vidas humanas que estos producen, a pesar de ser menos frecuentes que otros fenómenos naturales. En Cuba se le ha concedido una gran importancia a las investigaciones para la reducción del riesgo sísmico, entre las que se destaca la microzonación sísmica de las áreas urbanas. En la actualidad, se acometen estas investigaciones en la mayoría de las ciudades ubicadas en el oriente del País, y algunos municipios importantes de la Capital. Los mapas de M.S. pueden ayudar a los ingenieros y arquitectos, expertos en planeamiento territorial y autoridades locales, en las tareas de prevención y mitigación del riesgo sísmico, mediante la reducción de la vulnerabilidad de los elementos sometidos a riesgo: las personas, viviendas, instalaciones críticas y el medio natural. Estas acciones resultan de vital importancia para el desarrollo sostenible y sustentable de las grandes ciudades, que constituyen complejos sistemas, donde todas las actividades y servicios vitales están interrelacionados. AMBIENTE SISMOTECTÓNICO GENERAL DEL TERRITORIO DE CUBA El territorio de Cuba forma parte de la región del Caribe, una de las más controvertidas regiones del mundo, por su compleja situación geodinámica. La posición de Cuba relativa a las placas de Norteamérica y el Caribe, determina la presencia en su territorio, de dos provincias sismotectónicas bien definidas, la que comprende a la zona de entre placas en Cuba sur oriental, caracterizada por una mayor frecuencia de ocurrencia de sismos de magnitudes grandes (M>7,5), y la que comprende a la zona de interior de placas en el interior de la Isla. Esta última, se caracteriza por presentar una baja sismicidad, donde se distinguen por lo general, breves intervalos de actividad, que alternan con prolongados períodos de calma, de decenas e incluso cientos de años de duración. Las magnitudes máximas observadas de los terremotos, no han sobrepasado en esta zona, el valor 6,2 en la escala de Richter Ninguna región del país, ha estado exenta de la ocurrencia de estos fenómenos telúricos. Sin embargo, se debe señalar que en el territorio de la actual provincia de Santiago de Cuba es donde se ha reportado el mayor número de sismos (22), con intensidades iguales o mayores que VII grados en la escala MSK y aceleraciones iguales o mayores que 0,3g. La ausencia o el escaso número de estaciones sismológicas, en las zonas de baja actividad sísmica de Cuba, complica aun más la situación. Esto ha hecho obligatoria la utilización de métodos indirectos, basados en el análisis de la información geológica geofísico y geodesica para la delimitación de las zonas sismogénicas y las fuentes sísmicas, así como para la determinación de los terremotos máximos posibles que

pueden generar dichas zonas. Los criterios de los expertos difieren en cuanto al trazado y potencialidad de las zonas, lo que ha dado origen a diversas versiones de mapas de zonas sismogénicas. Esta ha sido, hasta el momento, la causa de las mayores incertidumbres en los estimados del peligro y la zonificación sísmica a escala regional. Se debe destacar la importancia que se le ha concedido a los sismos históricos reportados en Cuba y en las islas vecinas de Jamaica y La Española, para las estimaciones regionales del peligro sísmico. Esto se debe a que algunos de ellos, han sido perceptibles, en la región oriental de Cuba. Como ejemplo los sismos del 4 de junio de 1770, 7 de mayo de 1842 y 4 de agosto de 1946, con epicentros macrosísmicos en Haití y la República Dominicana. Estos tres terremotos fueron sentidos, con relativa fuerza, en las ciudades de Baracoa, Guantánamo y Santiago de Cuba. Sin la información sobre los sismos históricos de Cuba, que data del siglo XVI, los mapas actuales de zonificación sísmica del territorio nacional, mostrarían un cuadro bien diferente, ya que las observaciones instrumentales sistemáticas datan solo de 1964. ESTIMACIÓN DEL PELIGRO SÍSMICO REGIONAL La metodología utilizada en Cuba para la estimación del peligro sísmico y la confección de mapas de zonificación sísmica (Z.S) consta de las etapas siguientes: (a) análisis de la sismicidad y el régimen sísmico (b) delimitación de las zonas sismogénicas y fuentes sísmicas con la definición de sus

parámetros fundamentales, entre los que se destaca, el valor de la magnitud del terremoto máximo asociado Mmax

(c) determinación de las funciones de atenuación de los movimientos fuertes (d) aplicación de algoritmos para el cálculo del peligro, basados en enfoques

determinísticos y probabilísticos. A Álvarez, H. (1970) y Chuy, T. y otros (1983), se deben los primeros intentos de obtener un mapa de zonación sísmica del territorio nacional. Estos primeros mapas estaban basados, fundamentalmente, en información macrosísmica histórica, y eran no zonificados, es decir, para su confección, los autores no consideraron zonas preferenciales de liberación de la energía (zonas sismogénicas). A estos mapas se les nombro de primera generación. Para la confección de los mapas de segunda generación, donde se muestran zonas con estimados probabilísticos del peligro (Álvarez, y otros 1985,1989; Rubio, 1985; Chuy y Álvarez, 1995; Rodríguez y otros 1996; García, 2000), se delimitaron las zonas con mayor probabilidad de ocurrencia de sismos de magnitudes mayores o iguales a 5,5 en la escala de Richter. Las mismas están relacionadas con fallas activas. Para la delimitación de estas zonas se utilizó información geológica, geofísica y geomorfológica. También se incluyó información sismológica, macrosísmica e instrumental en el oriente del País, y sobre terremotos perceptibles y fuertes, reportados en las zonas de baja actividad sísmica.

El análisis general de los mapas regionales obtenidos por diferentes autores, considerándolos a todos igualmente válidos, y sin hacer énfasis en las incertidumbres introducidas en cada una de las etapas, muestra claramente que la ciudad de Santiago de Cuba, segunda en importancia del País, es la más seriamente amenazada por los sismos. Debido a esto, los primeros estudios de peligro sísmico detallado y de microzonificación sísmica fueron realizados en el territorio de esta ciudad, con el propósito de determinar el grado sísmico básico y confeccionar el mapa de microzonificación sísmica del área metropolitana y sus alrededores. INVESTIGACIONES DE MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA Santiago de Cuba Como resultado de los trabajos para precisar del peligro realizados por González y Kogan (1987) y Álvarez (1988), se obtuvo, para la ciudad de Santiago de Cuba, el valor I=VIII grados en la escala MSK como grado sísmico básico. El periodo medio de recurrencia de este valor de intensidad oscila entre 60-80 años. El último sismo con características similares, ocurrió el 3 de Febrero de 1932. Su epicentro se localizó en las acuatorias, al Sur de la ciudad. Las sacudidas que produjo el mismo, afectaron severamente a más del 70% de las edificaciones. El análisis detallado de los reportes de las edificaciones dañadas y su correlación con los tipos de suelos donde estaban ubicadas las mismas, muestra claramente la estrecha correlación existente entre las afectaciones y las condiciones geológicas locales. Para la obtención del primer mapa de microzonificación sísmica de la ciudad de Santiago de Cuba, González, B. E. y otros, 1986, 1989, realizaron el análisis detallado de la geología superficial y de las características ingeniero-geológicas e hidrogeológicas de los suelos, sobre la base de un gran numero de calas, cuyas profundidades oscilaban entre 10 y 50 metros. Los suelos se clasificaron en tres tipos básicos: rocosos, semirrocosos y friables, y en función de las variaciones de la intensidad sísmica (determinadas mediante el método de las Analogías Ingeniero-Geológicas), en cuatro categorías: 1) no aptos para la construcción; 2) poco favorables para la construcción; 3) medios y 4) favorables (Fig.1). Este fue el primer intento de introducir, en la planificación urbana, los resultados de la microzonificación sísmica. Se realizaron paralelamente, varias campañas de mediciones instrumentales de microsismos de periodo corto, con diferente equipamiento, para obtener información sobre las características dinámicas de la respuesta del subsuelo: amplitudes y periodos predominantes. Sobre la base del procesamiento y análisis de los registros puntuales de microsismos, se construyeron mapas de los períodos predominantes, espectros típicos y factores de amplificación experimentales del subsuelo, para diferentes bandas de frecuencias (González, B. E. y otros, 1989 y González, B. E., 1991). En una segunda etapa, a partir de la segunda mitad de la década de los años noventa, se realizaron otros trabajos para la actualización del mapa de microzonificación sísmica de la ciudad de Santiago de Cuba, con la introducción de nuevos datos y la utilización de técnicas modernas de procesamiento de la información (Zapata, 1996). Se obtuvieron, entre otros resultados, esquemas de susceptibilidad de ocurrencia de

fenómenos geológicos peligrosos, tales como deslizamientos de tierra y licuefacción, para diferentes niveles de la amenaza sísmica. Durante el periodo comprendido entre abril de 1998 y octubre del 2000, se realizaron investigaciones para evaluar, con una mayor precisión, la respuesta dinámica del terreno de las ciudades de Santiago de Cuba y La Habana, con vistas a una futura evaluación del riesgo sísmico a que están sometidas las mismas. Para ello, se llevaron a cabo nuevas mediciones instrumentales de microsismos de período corto, en la parte

más urbanizada de la ciudad de Santiago de Cuba, con equipamiento digital portátil, en puntos con diferentes condiciones geológicas. Los resultados obtenidos del procesamiento y análisis de los registros, permitieron confeccionar nuevos mapas de distribución de los periodos y amplitudes máximas y estudiar las variaciones de la respuesta dinámica a lo largo de un perfil experimental que atraviesa la ciudad, cortando las principales formaciones geológicas representadas en la misma (Fig.2).

Fig. 2 Periodos predominantes de los microsismos en la componente N-S del registro El procesamiento de los registros experimentales de los microsismos, consistió en el cálculo de los espectros de Fourier para cada punto de medición, y en el caso del perfil, en la determinación de los cocientes espectrales con relación a puntos patrones seleccionados en suelos compactos y friables. También se calcularon, utilizando la técnica de Nakamura (Nakamura, 1989), los cocientes espectrales H/V (cociente del espectro correspondiente a la media geométrica de las componentes horizontales del registro, NS y EW y de la componente vertical Z), para la obtención de los efectos locales. La Habana En los últimos años, la evaluación de riesgo sísmico a que están sometidas las grandes ciudades, en las zonas de baja sismicidad, constituye una necesidad debido a que muchos terremotos destructivos han ocurrido en este tipo de zonas. Un ejemplo de subestimación del peligro con consecuencias fatales, fue el del caso de la ciudad de Gazlí en Uzbekistán, una de las repúblicas de la antigua Unión Soviética. En el mapa de zonación sísmica de esta República de Asia Central, la ciudad de Gazlí, aparecía en la zona de V grados de intensidad en la escala MSK, donde no debían ser tomadas medidas sismorresistentes. El 8 de Abril y el 17 de Mayo de 1976 ocurrieron dos

grandes terremotos de magnitudes 7,0 y 7,3 respectivamente, cuyos epicentros se localizaron a una distancia de 40 km de esta localidad aproximadamente, y sus profundidades fueron inferiores a 25 km. Los mismos produjeron intensidades de 7-9 grados en el territorio de Gazlí y sus alrededores, causando la destrucción total de la mayoría de las edificaciones que no estaban diseñadas para resistir sismos de tales intensidades. La ciudad de La Habana, capital de la República de Cuba, fue fundada en 1519. Su territorio actual tiene una superficie de 739,9 km2 y una población superior a los dos millones de habitantes. Más de un millón de personas reside en la zona metropolitana. La edad promedio de las edificaciones es de 70 años, aunque en el centro histórico, algunas sobrepasan los 100 años y poseen un inestimable valor arquitectónico, cultural e histórico. A esto se adiciona el estado técnico-constructivo deficiente de un gran número de edificaciones, especialmente en la zona más densamente poblada de la ciudad, que comprende a los municipios centrales Centro Habana, Habana Vieja, Cerro y 10 de Octubre, lo cual determina que su vulnerabilidad pueda ser catalogada como alta y muy alta. Por todo lo anterior, los estudios de microzonificación y vulnerabilidad sísmica de esta ciudad, revisten gran importancia, dado que se han reportado en la misma, sismos locales de hasta V grados de intensidad en la escala MSK. Además, fue perceptible con VI grados de intensidad, en algunos de sus antiguos barrios, el fuerte sismo ocurrido el 23 de Enero de 1880 (M=6,0), en la localidad de San Cristóbal, 80 km al oeste de la ciudad de la Habana, en la actual provincia de Pinar del Río. De acuerdo con las estimaciones del peligro sísmico a escala regional, la ciudad de la Habana se encuentra en una zona de V grados de intensidad en la escala MSK, para periodos de recurrencia de 100 años. Sin embargo, se consideró que, dada la importancia de esta ciudad y el valor de la intensidad máxima reportada en la misma (VI grados, MSK), se debía considerar este último valor como intensidad sísmica básica para los trabajos de microzonificación sísmica. El periodo medio de recurrencia para la intensidad de VI grados MSK, calculado a partir de los resultados de las evaluaciones del peligro obtenidos en los últimos 10 años, por diferentes autores, para esta ciudad es de 147 años.

El esquema de microzonificación sísmica de los municipios centrales de la ciudad de la Habana (Fig.3), fue confeccionado sobre la base del análisis de las características litológicas, ingeniero-geológicas e hidrogeológicas de las formaciones representadas en el territorio. Estas formaciones son del Cretácico (Vía Blanca y Peñalver), de composición terrígena y terrígeno-carbonatada; del Paleógeno (Capdevila y Apolo) de composición terrígeno-carbonatada y del Cuaternario, carbonatadas de origen arrecifal, y arcillo-arenosas, que entran en la composición de los sedimentos eluviales

superficiales. Para la clasificación de los suelos, se utilizaron dos métodos basados en la correlación de los parámetros que caracterizan a los movimientos sísmicos, con las propiedades físico-mecánicas de los suelos y rocas. Estos fueron los de Analogías Ingeniero-Geológicas y Rigidez Sísmica (Medvedev, 1977; Pavlov, 1980), con modificaciones introducidas por los autores (González, B. E. y otros, 2000) para su adecuación a las condiciones geológicas especificas de Cuba. Como información básica, se utilizaron más de 400 calas con profundidades entre 10 y 100 metros, con sus correspondientes determinaciones de propiedades físico-mecánicas, esquemas litológicos, de profundidad de yacencia del manto freático, modelo digital del relieve y otros materiales. Se realizó una zonación de nivel 1, donde aparecen identificados suelos de categorías II y III, con incrementos potenciales de hasta 1grado de intensidad. Posteriormente, se ejecutaron mediciones de microsismos de período corto (T<1seg), con ayuda de sismómetros digitales de alta sensibilidad, en puntos previamente seleccionados, con el objetivo de evaluar la respuesta dinámica de los suelos de cada una de las zonas del mapa. Esto último resulta importante porque las variaciones de la intensidad sísmica no son constantes, ya que dependen de las características de los

355000 356000 357000 358000 359000 360000 361000 362000 36360000

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370000

I + 1

I + 0.5

I - 0.5

I - 1

Límite municipal

F ig .3 M a p a d e M icro zo n a ción S ís m ica d e lo s m u n ic ip io s cen tra les d e la c iu d a d d e L a H a b a n a

sismos susceptibles de afectar el territorio. La causa de esta dependencia, es el rol de filtro dinámico que juegan los suelos friables de la parte superior del corte geológico, determinantes en su respuesta sísmica. Para cada formación geológica representada en el territorio, los periodos predominantes varían en dependencia de la constitución litológica y potencia de los suelos friables de la forma siguiente (Tabla 1): Tabla 1. Periodos predominantes para diferentes formaciones geológicas Formación Geológica Tmin Tmax Clasificación de los suelos en

función del periodo Vía Blanca 0,12 0,32 I-II Peñalver 0,10 0,25 I-II Capdevila 0,20 0,40 II Jaimanitas 0,10 0,30 II Arenas arcillosas del Cuaternario 0,50 0,60 III

El análisis de los resultados de la microzonación sísmica de las ciudades de Santiago de Cuba y la Habana permitieron concluir que existe una buena correlación entre la distribución de los periodos predominantes, obtenidos a partir de los microsismos de periodo corto y las condiciones geológicas locales. Las amplitudes y buena definición de los picos espectrales dependen del contraste de rigidez sísmica entre las capas del subsuelo. Sin embargo, las condiciones ingeniero-geológicas de los territorios de ambas ciudades son complejas y variables, debido a la meteorización intensa de las formaciones geológicas superficiales y la presencia del carso. La composición y consistencia de los depósitos eluviales, varía de forma gradual con la profundidad, lo que determina que, en la mayoría de los casos, el contraste de rigidez sísmica entre las capas del subsuelo sea inferior a 3. Esto dificulta la determinación de los periodos predominantes, ya que los espectros en general, no presentan una buena definición de sus picos, o presentan varios máximos (espectros multimodales). Existen excepciones en los sitios donde los suelos residuales blandos, sobreyacen formaciones densas. Esto se observa en los alrededores de la bahía de Santiago de Cuba y en los suelos de relleno de la zona del puerto de la Habana. En Santiago de Cuba los periodos varían entre 0,1-1,2 seg., mientras que en la Habana, los periodos máximos no sobrepasan los 0,6 seg. INSUFICIENCIA Y LIMITACIONES DE LOS METODOS DE ZS Y MZS UTILIZADOS EN CUBA La imposibilidad de utilizar métodos directos de M.S., basados en el registro de sismos fuertes, por la carencia de una red de acelerógrafos, determina que los microsismos de periodo corto, constituyan el único método experimental posible para la evaluación de la respuesta dinámica de los suelos, a pesar de los inconvenientes del uso de estas señales sísmicas, relacionados, en lo fundamental, con el insuficiente conocimiento sobre su origen y composición del campo de ondas. Esto último obliga a que se concentren los mayores esfuerzos en el mejoramiento de las técnicas de adquisición y

procesamiento de los datos, con vistas a obtener en el futuro, resultados más confiables. Los métodos de modelación numérica para la obtención de la respuesta dinámica de los subsuelo, como por ejemplo el método híbrido (Álvarez y otros, 1999), poseen el inconveniente de que pocas veces se cuenta con la información geológica suficiente y confiable, para la conformación del modelo, especialmente la relativa a las velocidades de propagación de las ondas sísmicas Vp y Vs, factores de calidad del medio Qp y Qs, densidades y otros parámetros. El primer trabajo basado en estos métodos, fue el realizado por Álvarez y otros, 1999 para la ciudad de Santiago de Cuba. Otra insuficiencia de los trabajos de M.S. realizados en las áreas urbanas del país, se refiere a la vinculación entre los mapas de zonificación y microzonificación sísmica. La mayoría de los mapas de zonificación sísmica del territorio nacional a escala 1:1 000 000, han sido obtenidos mediante algoritmos basados en enfoques probabilísticos. Cuando la intensidad sísmica o la aceleración, son determinadas para una región de grandes dimensiones, con ayuda del análisis probabilístico, se mezclan las contribuciones de las diferentes fuentes sísmicas, y las características de la atenuación, para un terremoto en particular, no pueden ser observadas con claridad. En los últimos años, han comenzado a ser utilizados los métodos determinísticos basados en escenarios de terremotos fuertes. Esta metodología resulta conveniente, porque las variaciones de la intensidad sísmica, dependen de las características de los terremotos susceptibles de afectar la zona urbana, por las propiedades de resonancia selectiva que poseen las capas superficiales del subsuelo. Sin embargo, los sismos seleccionados, deben ser los de mayor incidencia en el área de interés, para el periodo de vida útil de las construcciones con una mayor representatividad en la misma. CONCLUSIONES Para la introducción de los instrumentos del planeamiento y ordenamiento territorial, en la reducción del riesgo sísmico, se requiere contar con un mapa de M.S. del área urbana, a escala 1:25 000 o mayor, donde estén reflejados además de las intensidades y (o) aceleraciones y los periodos predominantes de oscilación de los suelos, los diferentes peligros geotécnicos inducidos por los sismos que afectan el territorio. En el planeamiento urbano para la reducción del riesgo, el uso del suelo debe ser considerado como una función del peligro sísmico local, donde se incluyan los efectos de sitio, reconociendo su estrecha vinculación con los tipos de estructuras constructivas presentes en la ciudad. El comportamiento de los edificios va a depender de las características de los sismos susceptibles de afectar el área urbana, que van a producir vibraciones con diferente contenido espectral en función de su magnitud y distancia al sitio de interés. Debido a esto, cada tipo de sismo va a producir efectos mayores o menores sobre tipos específicos de estructuras, cuestión que debe tomarse en cuenta al planificar la futura ubicación de las nuevas edificaciones, en las zonas de desarrollo urbano.

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