Análisis y gestión del riesgo sísmico de edificios y sistemas esenciales

Abstract

Los daños por terremotos en edificios y sistemas esenciales han motivado la definición de estándares de comportamiento de estas instalaciones, buscando reducir las pérdidas económicas y la pérdida de funcionalidad. Varias iniciativas nacionales y regionales han sugerido procedimientos para la evaluación del comportamiento y fragilidad de los edificios. Estos avances han dado soporte para la gestión de programas nacionales y regionales para la reducción de la vulnerabilidad de instalaciones esenciales, en los cuales se debe decidir entre ejecutar obras de reforzamiento o bien, renovar la infraestructura. En este trabajo se adoptan y presentan metodologías para evaluar la seguridad y riesgo sísmico, así como la factibilidad de las actividades de reducción de pérdidas, con el fin de priorizar el análisis detallado y orientar programas de reducción de la vulnerabilidad sísmica de edificios y sistemas esenciales. Estos procedimientos se aplican en diferentes casos de estudio, a escala local, regional, nacional y supranacional, realizando evaluaciones sobre centros educativos y centros de salud, entre otros edificios de importancia especial. Respecto a la evaluación de la seguridad sísmica de los edificios esenciales, se adopta un método simplificado basado en espectros de capacidad, propuesto en el proyecto RISK UE para evaluar su comportamiento y calificar su seguridad de acuerdo a los estándares sugeridos por el Comité VISION 2000. Para este análisis, los edificios se clasifican en tipologías estructurales para las cuales se conocen espectros de capacidad. Para estimar la acción sísmica (en roca firme), se adaptan espectros de amenaza uniforme a las formas espectrales del Eurocódigo 8. Para evaluar la acción sísmica en superficie, se emplean espectros de respuesta para diferentes tipos de suelo, de acuerdo a los resultados de estudios de mesozonación sísmica. A partir de la evaluación del comportamiento y daño esperado de los edificios, se presentan alternativas para evaluar las pérdidas económicas, índices de funcionalidad, así como estimaciones del tiempo de recuperación, que permiten identificar las instalaciones más críticas. Estos procedimientos se aplican a edificios esenciales de Cataluña (España), considerando periodos de retorno de 475 y 975 años. A escala local, esta metodología se aplica a los edificios esenciales ubicados en la Comarca de Val d’Arán. Este análisis permite evaluar su seguridad y priorizarlos según los daños esperados. De estos resultados se encuentra que cerca del 70% de los edificios son operacionales para periodos de retorno de 475 años. Para periodos de retorno de 975 años, son menos del 10% los edificios no cumplen con el nivel de comportamiento de seguridad de la vida. En cuanto a los daños esperados, el promedio de las instalaciones, para un periodo de retorno de 475 años, tienen un índice de pérdida económica del 25%. En cuanto a su funcionalidad, se observa que cerca del 50% tienen un índice de funcionalidad menor a 0.5. A escala regional, el mismo procedimiento se aplica para evaluar la seguridad de un conjunto de centros educativos de Cataluña, compuesto por instalaciones ubicadas en la Comarca de Val d’Aran, en la Provincia de Girona, así como edificios construidos con sistemas industrializados, la mayoría situados en la Provincia de Barcelona. Del total de centros analizados, para un periodo de retorno de 475 años, son menos del 5% las instalaciones que no cumplen con el nivel de comportamiento operacional. Para un periodo de retorno de 975 años, todos los centros educativos cumplen con el requisito de seguridad de la vida. El promedio de la pérdida económica de los centros de Girona se encuentra entre el 15% y el 20%. El promedio de la pérdida económica del conjunto de edificios industrializados es inferior al 5%. Para los centros educativos de de Val d’Aran, el promedio de la pérdida económica es del 25%. En forma similar, se desarrolla una evaluación de la seguridad de un conjunto de hospitales públicos de Cataluña. Para eventos de periodo de retorno de 475 años, cerca del 16% no cumplen el nivel de comportamiento operacional. Para eventos de periodo de retorno de 975 años, todos los hospitales cumplen con el requisito de seguridad de la vida. Además de la evaluación del comportamiento, se estiman índices de pérdida económica, de funcionalidad y se propone un Índice de Vulnerabilidad de Hospitales que incluye aspectos estructurales, no estructurales y de capacidad de respuesta a emergencias. Como complemento a la verificación de estándares de seguridad, en este trabajo se adoptan metodologías para la estimación de pérdidas esperadas ante un conjunto de eventos potencialmente dañinos, descritos por su magnitud y tasa de recurrencia. Dichos eventos se generan de acuerdo a la sismicidad de la zona de estudio. Para cada evento se evalúan las aceleraciones espectrales correspondientes al lugar donde se hallan las instalaciones empleando leyes de atenuación. Los edificios se clasifican en tipologías estructurales para las cuales se desarrollan curvas de vulnerabilidad. Dichas curvas relacionan la pérdida esperada y su desviación estándar con la aceleración espectral. Bajo este análisis es posible estimar la pérdida máxima probable para eventos de diferentes periodos de retorno, así como la pérdida anual esperada. Esta metodología se aplica a escala supranacional para evaluar relaciones de beneficio-costo de la reducción del riesgo sísmico en el área construida de centros educativos públicos de países de América Latina. Este análisis se centra en las pérdidas económicas y permite identificar los países en los cuales resulta viable la intervención estructural. Estos resultados se comparan con índices de progreso del sector educativo y de inversión pública en educación, con el fin de identificar los países en los cuales, los daños en la infraestructura escolar representan altos costos de oportunidad y pueden afectar el cumplimiento de los objetivos y metas en educación. Para la gestión de la seguridad de los edificios y sistemas esenciales, además de la estimación de las pérdidas económicas, es de interés evaluar las pérdidas asociadas a la interrupción del servicio durante terremotos, así como los impactos del desastre. Para el primer caso, se desarrolla un modelo para evaluar la respuesta de los hospitales durante eventos sísmicos. En este modelo se estiman el número de pacientes ingresados, en espera y no tratados oportunamente en un conjunto de hospitales. Este análisis se desarrolla para el conjunto de hospitales públicos de Cataluña para periodos de retorno de 475 y 975 años, así como para un conjunto de eventos generados de acuerdo a la peligrosidad sísmica de la región de estudio. De este análisis se encuentra que los hospitales con comportamiento crítico son aquellos ubicados en las zonas de mayor densidad de población y de mayor peligrosidad sísmica, en las cuales se espera que ocurran más heridos y que los hospitales puedan tener mayores daños. Para periodos de retorno de 475 años, el porcentaje de heridos no tratados oportunamente en el sistema puede llegar a ser del 8% y del 25% para periodos de retorno de 975 años. Para evaluar el impacto socioeconómico de los daños por terremotos en edificios esenciales, en este trabajo se adoptan metodologías para estimar los efectos sobre la población asociados a la reducción del funcionamiento de las instalaciones luego de eventos sísmicos. Estos procedimientos se aplican a un conjunto de hospitales públicos de Cataluña, con el fin de evaluar la reducción en la producción de salud, teniendo en cuenta diferentes escenarios de daños. La producción de salud se considera como el resultado de los servicios médicos ofrecidos con la infraestructura y recursos hospitalarios disponibles, los cuales influyen en la salud de la población. La producción de salud se mide en términos de la tasa de mortalidad (número de personas fallecidas anualmente por cada mil habitantes). De esta manera, una reducción en la producción de salud está relacionada con aumentos en la tasa de mortalidad. En el modelo adoptado, la producción de salud se relaciona con indicadores de los recursos sanitarios como el número de camas, personal médico y el diagnóstico de pacientes empleando nuevas tecnologías. De los resultados de este análisis se encuentra que, para escenarios de periodo de retorno de 475, la reducción en la producción de salud está relacionada con incrementos en la tasa de mortalidad de 0.84 muertos por cada mil habitantes. Dicho incremento es de de 1.14 para periodos de retorno de 975 años. Las metodologías propuestas y los resultados obtenidos son útiles para evaluar la importancia de la seguridad sísmica de los edificios y sistemas esenciales. Además de la verificación de los estándares de seguridad, los índices de pérdida económica, de funcionalidad, el análisis de respuesta ante emergencias y los impactos luego del desastre permiten identificar los beneficios de la reducción de la fragilidad de las instalaciones, dando soporte a programas de mitigación del riesgo.

In this thesis, several methods to evaluate the seismic safety and seismic risk of essential and special buildings and systems are developed and applied. Those procedures are applied to case studies. Concerning the safety analysis, the seismic action is defined by means of response spectra which are defined according to the spectral shapes proposed In Euro-code EC 08. The soils effects are taken into account using the results of a seismic mesozonation study; buildings are defined by means of their bilinear capacity spectra but they are grouped ac-cording to simplified structural typologies. The expected damage is then estimated by means of a capacity spec-trum based method. Finally, the buildings safety is evaluated comparing the expected damage grades and the levels of seismic performance proposed by the Vision 2000 Committee. In the proposed method expected economic losses, residual functionality and recovery time periods also can be estimated. The obtained results allow identifying the buildings with worse seismic performance and can be useful for prioritizing vulnerability and risk reduction measures. The seismic safety study has been applied at local and regional scales. At local scale the buildings of special importance in the municipalities of Val d¿Aran (Spain) has been analyzed; at regional scale the methods are applied to a set of schools and public hospitals of Catalonia (Spain). Moreover well-known methods for seismic risk assessment were used to estimate expected losses in essential facilities when they are exposed to a set of potential harmful seismic events, which are defined by their magnitudes and recurrence rates. Then stochastic techniques are used to generate a family of such events according to the seismicity of the region of interest. For each event and for each building, the spectral accelerations at the site of the building are estimated by using seismological models linking magnitudes and spectral amplitudes and attenuation laws. Then, for each building typology, curves relating the expected economic losses and the spectral acceleration are developed. The method also allows estimating the corresponding standard deviations. The method can be applied before and after of hypothetical measures for reducing the vulnerability and seismic risk. Therefore, on this basis it is possible to estimate annual average losses according to the seismic hazard of the studied region. This procedure has been applied, at national and supranational scale, to obtain appraisals of the benefit-cost ratios of seismic risk reduction actions in schools in countries of Latin America. An added value of this thesis comes from the methods for assessing also the expected indirect losses associated to the disruption of essential and special facilities during earthquakes, as well as those related to the socioeconomic impacts of the disaster. In this context, a model was developed that allows evaluating the whole performance of a hospital network during seismic events. The method is based on the assessment, for each event, of the numbers of inpatients, injured people in waiting list and injured people not receiving treatment opportunely. The method also allows obtaining quantitative estimates of the expected reduction in the assistance of the health of the population. The methods and techniques proposed and used in this thesis, as well as the results obtained in specific case stud-ies, are useful for evaluating the actual seismic safety of essential facilities. Besides, the verification of the levels of performance, the assessment of indices of economic losses and of residual functionality, the analysis of the response, capacity and resilience to face emergencies and the detailed study of the impacts of the disasters, allow identifying the benefits of activities oriented to the reduction of the seismic vulnerability and risk, even in low to moderate seismic hazard areas.