Metodología para la modelación, cálculo y calibración de parámetros de la amenaza sísmica para la evaluación probabilista del riesgo

Abstract

In the assessment of seismic risk, hazard is one of its main components, given that, from a probabilistic perspective, provides the annual rates of exceedance of the intensities of strong motion in the site or region of analysis, or alternatively, provides a set of stochastically generated events that fully represent the hazard of the site or region of analysis. This thesis provides methodological elements of two major components of the assessment of seismic hazard: the attenuation of strong motion and site effects. A numerical procedure for the calibration of a source spectrum model to find the optimal combination of seismological parameters and derive unbiased ground motion prediction equations is presented, using available accelerogram recordings as calibration target. The source spectrum model is used to compute the radiated spectra of SH-waves for different seismic moments and hypocentral distances, combining point (far field) and finite (near field) source models. The expected value of the peak ground acceleration is computed from the radiated spectra using random vibrations theory. A genetic algorithm is used to search for the source spectrum parameters that best fit the available strong motion recordings. The procedure can be applied to any region with statistically significant accelerogram records. The proposed methodology is followed to derive spectral ground motion prediction equations compatible with the seismo-tectonic environment of Colombia, using 206 strong motion recordings as the calibration target. The obtained ground motion prediction equations are compared with those used in the latest national seismic hazard assessment study of Colombia. The comparison shows that the strong ground motion prediction equations obtained using the proposed methodology have lower residual bias, showing reasonable matching between them and the real strong motion recordings. Furthermore, in this thesis a methodology for assessing site effects in cities was developed, which is based on the geometry of the prevailing geological formations and their relation to soft soil deposits. The methodology allows to calculate the soil dynamic response at any location within a city, using a geotechnical seismic response model, which is based on the generation of synthetic stratigraphies from the definition of depth profiles of geotechnical properties relevant in assessing the seismic amplification. These geotechnical properties are modeled as random variables, in order to include in the model, in a consistent way, the uncertainty associated with the lack of the exact value of these properties in depth. This site effects model can be applied with three main objectives: i) obtaining transfer functions of the response spectrum for risk assessment, ii) generating Shake-Maps for emergency response purposes, and iii) the seismic microzonation of a city and obtaining elastic seismic-resistant design spectra. The methodologies presented here are a first step towards the construction of more detailed models of seismic hazard, which adequately reflect the specific conditions of the region where they are applied. This leads to the definition of more accurate models of seismic risk, to reduce the uncertainties associated with the assessment of the hazard and, therefore, to obtain tighter estimates of losses in order to provide decision makers with reliable information for the proper management of seismic risk.

Dentro del análisis de riesgo sísmico, la evaluación de la amenaza es uno de sus principales componentes, dado que, desde una perspectiva probabilista, provee las tasas de excedencia anuales de las intensidades de movimiento fuerte en el sitio o región de análisis, o alternativamente, provee un conjunto de eventos generados de manera estocástica que representan integralmente la amenaza del sitio o región de análisis. Esta tesis aporta elementos metodológicos en dos componentes principales de la evaluación de la amenaza sísmica: la atenuación del movimiento fuerte y la evaluación de efectos de sitio. Se propone un procedimiento numérico para la calibración de un modelo de espectro de fuente, para obtener la combinación óptima de parámetros sismológicos con el fin de calcular funciones de atenuación no sesgadas en términos de la aceleración espectral en roca firme, usando los registros acelerográficos disponibles como objetivo de calibración. El modelo de espectro de fuente es usado para calcular el espectro radiado de aceleración para diferentes momentos sísmicos y distancias hipocentrales, combinando modelos de fuente puntual (campo lejano) y fuente finita (campo cercano). El valor esperado de la aceleración máxima del terreno se calcula del espectro radiado usando teoría de vibraciones aleatorias. Un algoritmo genético es implementado para buscar los parámetros sismológicos del modelo de espectro de fuente que mejor se ajusten a los registros acelerográficos disponibles. Posteriormente, se extiende el procedimiento de calibración a aceleraciones espectrales para diferentes periodos estructurales. Esta metodología puede ser aplicada en cualquier región con una cantidad estadísticamente significativa de registros acelerográficos. La metodología propuesta es empleada para generar funciones de atenuación compatibles con el entorno sismo tectónico de Colombia, usando 206 acelerogramas como objetivo de calibración. Las funciones de atenuación obtenidas son comparadas con las usadas en el más reciente estudio de amenaza sísmica de Colombia. La comparación muestra que las funciones de atenuación obtenidas en esta tesis presentan el menor sesgo, mostrando un ajuste razonable entre ellas y los acelerogramas disponibles. Por otra parte, en esta tesis se desarrolló una metodología para la evaluación de efectos de sitio en ciudades, la cual está basada en la geometría de las formaciones geológicas que dan origen a los suelos blandos. La metodología permite calcular la respuesta dinámica del suelo en cualquier punto dentro de una ciudad, haciendo uso de un modelo geotécnico de respuesta sísmica, el cual se basa en la generación de estratigrafías sintéticas a partir de la definición de perfiles en profundidad de las propiedades geotécnicas relevantes en la evaluación de la amplificación sísmica. Estas propiedades geotécnicas son modeladas como variables aleatorias, con el fin de incluir en el modelo, de una manera adecuada, la incertidumbre asociada al desconocimiento del valor exacto de dichas propiedades en profundidad. El modelo de efectos de sitio puede ser aplicado con tres objetivos principales: i) la obtención de funciones de transferencia del espectro de respuesta para análisis de riesgo, ii) la generación de shakemaps con fines de respuesta a emergencias, y iii) la microzonificación sísmica de la ciudad y obtención de espectros elásticos de diseño sismo-resistente. Las metodologías acá presentadas son un primer paso hacia la construcción de modelos de amenaza sísmica más detallados, que reflejen adecuadamente las condiciones particulares de la región en donde son aplicados. Esto deriva en la definición de modelos de riesgo sísmico más acertados, que permitan reducir las incertidumbres asociadas a la evaluación de la amenaza y, por lo tanto, obtener estimaciones de pérdidas más ajustadas con el fin de proveer a los tomadores de decisiones con información confiable y segura para la adecuada gestión del riesgo sísmico.