Análisis del Peligro Sísmico

Los parámetros del peligro sísmico pueden ser agrupados en tres categorías:

1. Movimientos del terreno. o aceleración o velocidad o desplazamiento

2. Frecuencia predominante. 3. Duración.

El fenómeno sísmico es fundamentalmente un proceso aleatorio; existen incertidumbres en cuanto a la distribución espacial y temporal de los eventos. Este hecho en primer lugar, y las limitaciones en cuanto a la cantidad y calidad de datos sismológicos con los que se cuenta, en segundo lugar, exige introducir conceptos probabilísticos en los estudios de la Ingeniería Sísmica.

La metodología para definir el peligro sísmico comprende la evaluación probabilística de los siguientes factores [Larsson & Mattson, 1987]:

1. Cuándo ocurren los terremotos. Se calcula la probabilidad de ocurrencia de los terremotos.

2. Cuál es su tamaño. Se define la máxima magnitud que puede esperarse en un intervalo de tiempo determinado.

3. Dónde ocurren los terremotos. Se establece la distancia a las fuentes de sismos que pueden afectar el sitio bajo investigación.

4. Cuál es la influencia local en el sitio. Se encuentra una relación de atenuación de las ondas sísmicas.

Los conceptos más importantes para definir la acción sísmica comprenden el periodo de retorno de los terremotos y la probabilidad de excedencia. Estos se asociarán luego con la vida útil (o vida económica) de las estructuras.

Probabilidad de ocurrencia

El periodo de retorno puede ser definido como el tiempo medio entre sucesos sísmicos de iguales características.

Es frecuente idealizar los fenómenos sísmicos como procesos de Poisson. La distribución de Poisson se basa en que no haya dependencia entre sucesos ni respecto al tiempo. La razón para utilizar esta distribución es la simplicidad y la facilidad de manejo antes que la adecuación de la hipótesis a la realidad [Barbat & Canet, 1994].

El periodo de retorno para sucesos que obedecen a un proceso de Poisson es: T=1/N, donde N es la cantidad promedio de sucesos de ciertas características que ocurren por unidad de tiempo.

La probabilidad de excedencia o de ocurrencia es la probabilidad de que al menos un sismo de ciertas características tendrá lugar en un periodo de tiempo (de retorno) dado.

Las vidas útiles que se consideran para construcciones comunes de tipo urbano o industrial están entre 50 y 100 años.

La probabilidad de excedencia que se asocia al sismo de diseño caracteriza el nivel de intensidad del mismo.

Se consideran dos probabilidades de excedencia de interés. Una asociada con la ocurrencia de sismos de magnitud moderada, pero con probabilidades de ocurrencia relativamente altas, llamados sismos de operación. La estructura debe resistir su acción sin sufrir daños importantes que la pongan fuera de uso. La reparación de daños debe tener un costo razonable.

La otra está asociada a eventos de gran magnitud, pero de ocurrencia esporádica; el terremoto más fuerte que se espera se produzca una sola vez durante la vida de una estructura, denominado sismo accidental. Se tiene la justificación económica de aceptar que un terremoto con estas características produzca daños estructurales importantes, siempre que al mismo tiempo, se evite el colapso de la construcción, las pérdidas de vidas y de bienes materiales [Barbat & Canet, 1994].

Para los sismos de operación se consideran probabilidades de excedencia entre 50% y 64%. Probabilidades menores no corresponden a condiciones de operación [Carballo, 1993]. En cambio, la selección de un nivel razonable de seguridad para tomar en cuenta acciones accidentales es un trabajo subjetivo. El nivel aceptable de riesgo está regido por factores diversos, como la posibilidad económica para poder aceptar dicho riesgo y los efectos que pudiera tener sobre la población un mal desempeño de las estructuras [Carballo, 1993]. El Reglamento Nacional de la Construcción (RNC-83) recomienda para el caso accidental una probabilidad del 10%.

Estimación de las aceleraciones

Una vez definidas las probabilidades de excedencia para los sismos de diseño, se determina el periodo de retorno para cada una de las probabilidades usadas.

Con base a estos periodos de retorno se obtienen las aceleraciones máximas del terreno en la curva de peligro sísmico.

Fuentes sismogeneradoras

Pueden identificarse dos mecanismos de fuentes de sismicidad para la región occidental del territorio nicaragüense, ambos efecto de la subducción.

El primero está asociado con los esfuerzos regionales que actúan en la zona de fallamiento de la Fosa Mesoamericana. El proceso de subducción genera temblores a partir de los 10 km de profundidad, aproximadamente, bajo el piso oceánico, hasta profundidades máximas de 250 km. La sismicidad en esta zona es de poco profunda a intermedia y generalmente de energía elevada.

El segundo mecanismo está relacionado con los esfuerzos locales de tensión que actúan en la Depresión Nicaragüense, con sismicidad somera prácticamente superficial en la zona de Managua, y con energías sísmicas bajas o intermedias.

Los sismos originados en la Zona de Subducción representan una amenaza menor para el área de la ciudad de Managua que los originados en el sistema local de fallas [Moore, 1990].

Ecuación de atenuación

Las aceleraciones del terreno inducidas por un temblor en un sitio particular dependen principalmente de dos valores estocásticos: la magnitud M del terremoto y la distancia hipocentral R [Larsson & Mattson, 1987].

La aceleración asociada a un sitio se puede relacionar con la magnitud de un sismo y su distancia al punto donde se originó mediante leyes de atenuación.

Tales ecuaciones están basadas en diferentes cantidades de datos o en diferente calidad de mediciones hechas en diversas partes del mundo. Esto es importante de mencionar por cuanto el tipo de terreno y, en general, la ubicación geográfica de los sismos utilizados para desarrollar las ecuaciones de atenuación determinan su aplicabilidad a un sitio dado.

La ecuación de Campbell (1981) es señalada como la más indicada para distancias pequeñas. Escobar y Corea (1998) comprobaron la conveniencia de utilizarla para analizar el efecto de sismos de origen local en Managua.

Determinación de magnitudes

A partir de las aceleraciones máximas obtenidas (0,29g para el sismo operativo y 0,56g para el accidental) y, teniendo en cuenta una distancia hipocentral de 5 km, de la relación de atenuación de Campbell (1981) se deducen valores de magnitud de 6,2 y 7,8 para los sismos operativo y accidental, respectivamente.

Se asume que la historia sísmica de una región da una clave de lo que ha de esperarse en el futuro; que éste seguirá el mismo patrón.

Al analizar la historia sísmica de la ciudad (cuadro a la derecha) y los estudios que estiman las mayores magnitudes que pueden esperarse (cuadro más abajo), se descarta la posibilidad de que ocurra un evento sísmico con magnitud 7,8 en el sistema de fallas de Managua.

Por tanto, se decidió tomar como sismo accidental un evento con magnitud de 6,75, atendiendo los argumentos presentados

por Montero (1990) sobre el sismo máximo posible a lo largo del cordón volcánico cuaternario centroamericano, en donde el evento de mayor magnitud observado es de Ms = 6,8, acaecido en el sudoeste de Guatemala en 1930.

Nótese que se tomó un valor mayor que el propuesto por el mismo Montero, mas plausible para el tipo de fallamiento asociado.

Estimación del periodo predominante

La estructura de suelo del sitio puede amplificar los movimientos que son transmitidos a la superficie como consecuencia de la resonancia entre el periodo natural del suelo y el periodo predominante del terremoto. Asimismo, los peores daños tendrán lugar si el periodo predominante del sismo corresponde al periodo fundamental (o periodo de resonancia) de las estructuras.

El contenido de la frecuencia, especialmente en el área epicentral,

se presume es una función del mecanismo de origen del sismo [Dowrick, 1995].

En la figura puede verse la tendencia del periodo predominante hacia valores mayores a medida que se incrementa la distancia desde el epicentro, porque los movimientos de alta frecuencia son filtrados, apagándose. Este fenómeno fue estudiado por Housner ya en 1959.

Estimación de la duración

La relación entre la duración del movimiento fuerte y la magnitud del terremoto fue propuesta por Housner en 1965 y luego confirmada por Donovan en 1974. La duración de los sismos empleados en este estudio es de 16 segundos, congruente con la duración del terremoto de Managua de 1972.