Riesgo sísmico de edificaciones en términos de pérdidas económicas mediante integración de costos de reparación de componentes

Abstract

The probabilistic seismic risk assessment in terms of economic losses for building portfolios aims at the estimation of the probability distribution functions of losses. This can be done for a specific seismic event (deterministic ) or for a set of stochastic events which represent the seismic hazard of a particular geographic zone (probabilistic). For this, it is required the seismic hazard assessment, the definition and characterization of the building portfolio and the estimation of the expected economic losses for specific seismic intensities. Losses are then integrated for the different hazard scenarios and finally for the complete set of stochastic events. A consistent and rigorous methodological approach to evaluate economic losses in typical building constructions is proposed as a function of the seismic hazard intensity. The following features are included in order to adequately control all relevant variables: the selection of a set of seismic records which represent the seismological and geotechnical characteristics in the zone of analysis; the use of prototype building models integrally characterized; the evaluation of the seismic response of building structures through detailed non-linear dynamic analysis; the definition of a component based model potentially susceptible to damage with its corresponding fragility specification in terms of cost and time of repair; independent consideration of structural, non-structural and building content components; an integration methodological approach which adequately considers uncertainties for each one of the variables; and the possibility to consider practical aspects such as geographical variations, scale economy, special commercial conditions, minimum or total intervention costs and the consideration of the business interruption costs due to the time required to repair expected damages under different stochastic scenarios. The results of the proposed methodological approach are represented through specific vulnerability functions for each one of the building typologies. Those relate the expected economic losses and the corresponding uncertainty measure with the seismic intensity level. The integration of losses considers the uncertainties associated with the hazard assessment, the dynamic response of the model, the expected damage level for each one of the components and the corresponding repair cost and time. The proposed vulnerability functions are compared with similar results from other methodologies and are used in the probabilistic seismic risk assessment of hypothetical building portfolios. In order to illustrate the potential and type of results of the proposed methodological approach, vulnerability functions are evaluated for a series of building prototypes. Reinforced concrete moment resisting frames 2, 5 and 10 story high, for two seismic design levels (low and high) and different non-structural type of components (ductile and fragile) are simulated. Seismic risk parametric assessments in terms of economic losses are performed for hypothetical building portfolios and different geotechnical profile characterization (firm and soft soils) in Bogotá. A sensibility analysis of the risk results is performed for each one of the parameters that control the economic loss assessment model proposed. Final conclusions and recommendations for further research related to rigorous seismic risk assessment are summarized.

La evaluación probabilista del riesgo sísmico en términos de pérdidas económicas para portafolios de edificaciones pretende estimar la distribución de probabilidad de las pérdidas ante la ocurrencia de un evento sísmico específico (análisis determinista) o a un conjunto de eventos estocásticos que representen de manera adecuada la amenaza sísmica de una zona geográfica determinada (análisis probabilista). Para esto se requiere la evaluación de la amenaza sísmica, la definición del portafolio de edificaciones debidamente caracterizadas y la estimación de las eventuales pérdidas económicas ante intensidades sísmicas específicas para integrar las pérdidas para los diferentes escenarios. Este trabajo plantea una metodología consistente y rigurosa para evaluar tales pérdidas como función de la intensidad de la amenaza sísmica. Para garantizar un control rigurosos en las variables relevantes se incluye: la selección de un conjunto de señales sísmicas que representen las características sismológicas y geotécnicas del sitio de estudio; el uso de modelos prototipos de edificaciones integralmente caracterizados; la evaluación de la respuesta dinámica de las estructuras usando análisis dinámico no lineal detallados; la conformación de un modelo de componentes susceptibles a daño con sus respectivas especificaciones de fragilidad en términos de costos y tiempos de reparación; la consideración de elementos estructurales, no estructurales y contenidos de manera independiente; una metodología de integración de las pérdidas económicas que considere las incertidumbres de cada una de las variables; la posibilidad de considerar aspectos prácticos tales como variaciones en la ubicación geográfica, economías de escala, condiciones específicas del mercado, costos mínimos de intervención o costo de reposición total; y la consideración de los costos asociados a la interrupción del funcionamiento por el tiempo que requiere la reparación de los eventuales daños y afectaciones. Los resultados de la aplicación de esta metodología se representan mediante funciones de vulnerabilidad específicas para cada uno de las tipologías constructivas, las cuales relacionan las pérdidas económicas esperadas y su respectiva incertidumbre con el nivel de intensidad sísmica. La metodología incluye la incertidumbre en la evaluación de la amenaza sísmica, en el análisis de respuesta dinámica de la estructura y en la estimación de los niveles de daño de los componentes y sus respectivos costos y tiempos de reparación. Las funciones de vulnerabilidad obtenidas se comparan con las propuestas por otras metodologías y se utilizan directamente para la evaluación del riesgo sísmico de portafolios hipotéticos de edificaciones. Con el fin de ilustrar la metodología se evalúan las funciones de vulnerabilidad para una serie de edificaciones prototipo. Se estudian estructuras en pórticos resistentes a momento de concreto reforzado, para tres alturas diferentes (2, 5 y 10 pisos), dos niveles de diseño sísmico (alto y bajo) y diferentes tipos de acabados (dúctiles y frágiles). Las funciones de vulnerabilidad encontradas se utilizan para realizar análisis paramétricos del riesgo en términos de pérdidas económicas para portafolios hipotéticos de edificaciones de diferente tipo y con diferentes estratigrafías de suelo, características de la ciudad de Bogotá. Los análisis permiten establecer el grado de sensibilidad en los resultados del riesgo de cada uno de los parámetros relevantes del modelo de evaluación de pérdidas económicas propuesto. Finalmente se planten una serie de conclusiones y recomendaciones para trabajos de investigación futuros relacionados con la temática de la evaluación del riesgo sísmico con métodos rigurosos.