La metodología de riesgo uniforme combina la probabilidad de ocurrencia de todos los posibles sismos (captados por el estudio de amenaza) con la probabilidad de que un edificio se dañe.

Foto: Laura Rodríguez Rodríguez.

Entre el 2011 y el 2024, el proyecto de Vigilancia Sísmica de Costa Rica de la Red Sismológica Nacional (RSN) localizó, en promedio, diez sismos por día en el país. 

Este número es de esperarse, ya que en el territorio nacional interactúan cuatro bloques tectónicos: las placas Cocos, Caribe, Nazca y Panamá. Por esta razón, el estudio de la sismicidad del país es fundamental para generar insumos necesarios que permitan predecir lo que va a pasar y tener una mejor preparación y planificación. 

Por ello, algunos científicos del Laboratorio de Ingeniería Sísmica (LIS) están desarrollando un estudio en el que implementan la metodología de amenaza sísmica, desde la consideración del riesgo uniforme en el país. Esta metodología combina la probabilidad de ocurrencia de todos los posibles sismos con la probabilidad de que un edificio se dañe (fragilidad estructural), lo cual se conoce como riesgo.

El coordinador del LIS, el Dr. Diego Hidalgo Leiva, señala que el proyecto busca aportar conocimiento al Código Sísmico del país para que, sin importar la ubicación de un edificio, se pueda estimar la amenaza sísmica con la misma probabilidad de fallo.

Al fortalecer el Código Sísmico, se pretende mejorar la calidad constructiva, la seguridad de las estructuras y disminuir las pérdidas económicas y el impacto social que pueden ocasionar los terremotos.

Esta investigación nace a partir de otro estudio que utilizó la metodología tradicional para la estimación de la amenaza sísmica, la cual considera un nivel de amenaza uniforme para todo el país. 

En el trabajo anterior, para cada zona del país se estima una curva de amenaza diferente, en la que se puede ver cuál es la probabilidad de que ocurra un sismo en todo el rango de intensidades (desde el sismo de pequeña hasta el de gran intensidad). La amenaza uniforme emplea el mismo valor de probabilidad de ocurrencia para todas las zonas, lo que representa un punto de esa curva, por eso se conoce como amenaza uniforme.

Sin embargo, Hidalgo indica que esto tiene una debilidad, porque los resultados finales empleados para generar los mapas utilizan una sola probabilidad de excedencia (punto único donde se intersecan las curvas de amenaza de ciertas zonas del país) para todo el territorio nacional, pero no necesariamente garantizan que el daño sea equivalente entre las zonas.

Los investigadores notaron que, si tienen dos edificios que son iguales y los colocan, por ejemplo, en Limón y San José (zonas donde el mapa del estudio anterior indica que tienen la misma amenaza sísmica), los dos deberían dañarse, aproximadamente, de la misma forma. 

No obstante, esto no es real, ya que, en algunas zonas, los edificios presentan mayor degradación producto de sismos de gran intensidad y magnitud, mientras que en otras localidades es debido a sismos de menor magnitud, pero con mayor recurrencia. Es decir, el tipo de fuente sísmica de cada sitio es determinante para definir el daño esperado durante la vida de los edificios.

Por ello, para considerar toda la curva de amenaza, en este nuevo estudio se implementa la metodología de amenaza sísmica que considera el riesgo uniforme en el país. Para lograrlo, se incluyó el modelo de un edificio, mediante una curva de fragilidad que representa la probabilidad de cierto nivel de daño en la estructura (colapso) bajo cierta intensidad sísmica. La curva de fragilidad va a estar ligada con un país, una región o una zona de estudio.

El riesgo sísmico se puede estimar como la combinación (deconvolución) de la curva de fragilidad y la curva de amenaza sísmica (específica de cada sitio). Es decir, combinan la probabilidad de ocurrencia de todos los posibles sismos (captados por el estudio de amenaza) con la probabilidad de que ese edificio se dañe.

Cada curva de fragilidad (o cada edificio que puedan modelar) tendrá un nivel de riesgo distinto para ese nivel de amenaza en cada zona sísmica, por lo que será posible identificar un nivel de amenaza que genere valores de riesgo coincidentes entre las zonas del país.

El mapa muestra la aceleración esperada con la nueva metodología de riesgo uniforme, para asegurar que los edificios diseñados mantengan el nivel de riesgo estimado, independientemente de su ubicación. Imagen: cortesía de Sergio Álvarez González.

El proyecto pretende definir, como comunidad ingenieril, los niveles de riesgo “aceptables”, los cuales buscan reflejar el nivel de daño esperado en un sismo de alta intensidad. Este parámetro (riesgo aceptable) lo establecen con base en investigaciones realizadas en Estados Unidos y Europa. 

Variaciones significativas con la nueva metodología

Este estudio presenta una variedad de cálculos que fueron elaborados por el ingeniero civil Sergio Álvarez González para su proyecto de tesis de maestría, que se encuentra en etapas finales y es supervisado por el coordinador del LIS. El Dr. Hidalgo destaca del proyecto la elaboración de dos mapas a partir de esos cálculos.  

El primer mapa, el de riesgo uniforme, indica los valores de la aceleración (cambio de velocidad con la que se mueve un edificio) esperada para cada zona.

Para crear este mapa, se tomó cada sitio del país ubicado en el mapa anterior de amenaza sísmica. Se utilizó la curva de amenaza específica de cada sitio (la que define todos los sismos que pueden ocurrir en ese lugar) y se combinó con la función de fragilidad para estimar cuál es el edificio que da el riesgo aceptable.

La curva de fragilidad, que representa una estructura genérica, se debe modificar por medio de un escalado de la intensidad sísmica que modela su propio daño, con el fin de poder encontrar el valor de aceleración que deriva en el nivel de riesgo definido como aceptable. 

Luego, se repitió ese proceso (combinación de curvas de amenaza y fragilidad) en múltiples ocasiones para todos los sitios del país, con el fin de que todas las zonas tuviesen el mismo nivel de riesgo, lo que llaman riesgo uniforme. Asimismo, el mapa les permitió ver el valor de la amenaza con riesgo uniforme.

Según Hidalgo, al igual que en el estudio anterior, se observó que las penínsulas son los sitios con mayor amenaza sísmica calculada por riesgo uniforme y amenaza uniforme. También se identificó el Caribe Norte como la zona del país con menor amenaza sísmica. Asimismo, notaron que Limón y el Caribe Sur tienen ligeramente mayor amenaza que la zona central de la Gran Área Metropolitana (GAM). 

El segundo mapa, el de cálculo del coeficiente de riesgo, se hizo a través de una división del mapa inicial (el del estudio de amenaza uniforme) contra el nuevo mapa (el de riesgo uniforme). Colocaron los puntos de una capa de un mapa encima del otro y lo dividieron para observar la relación entre ellos y la posible variación por zonas.

Si los dos mapas fueran iguales, esa división de las zonas tendría que dar como resultado 1,0, lo que significa que no hay cambios entre el estudio anterior y el nuevo. Si el valor es menor que 1, indica que, en el nuevo estudio, el nivel de aceleración esperado será menor y, si el valor es mayor que 1, el nivel de aceleración esperado será mayor. 

La división les permitió identificar que, al utilizar la nueva metodología, hubo cambios significativos con variaciones que van del 15 % al 20 %, variaciones que tienen peso en el cálculo de estructuras. Sin embargo, el coordinador del LIS destaca que no es que la otra metodología esté mal, sino que el nuevo estudio refleja un avance en las investigaciones y un cambio en la filosofía de diseño.

Asimismo, comparar los dos mapas les permitió identificar las zonas donde hubo esas variaciones.

Ventajas de la nueva metodología

Hidalgo explica que, con el riesgo uniforme, toman en cuenta todas las posibilidades durante la vida del edificio, es decir, consideran los sismos de pequeña, mediana y alta intensidad. Mientras que, cuando diseñan un edificio con amenaza uniforme, solo consideran un sismo específico y no toda la vida sísmica de la estructura.

Este mapa fue creado a través de una división del mapa inicial (estudio de amenaza uniforme) contra el nuevo mapa (riesgo uniforme). Al utilizar riesgo uniforme hubo cambios significativos con variaciones que van de los 15% a los 20 %, variaciones que tienen peso en el cálculo de estructuras. Imagen: cortesía de Sergio Álvarez González.

“Estos estudios necesitan del estudio anterior, el cual es un input necesario. Es un dato de entrada necesario y lo que hace es simplemente mostrarnos, entonces, las posibilidades que tendríamos al utilizar esta nueva metodología”, expresa Hidalgo.

Además, señala que la tendencia mundial es utilizar riesgo uniforme, pero que su deber como investigador es aportar nuevos estudios para la toma de decisiones desde la Comisión del Código Sísmico. 

“Hay que generar cultura dentro del gremio de este tipo de cálculos, porque esto de riesgo uniforme aquí nunca se ha hecho, entonces la gente no conoce de estas metodologías o filosofía y hay que presentarles a los colegas por qué el cambio es importante, qué impactos tiene…”, declara el ingeniero.

Por su parte, Álvarez destaca que la metodología permite la variación de parámetros de entrada, como el nivel de riesgo aceptable; por tanto, este enfoque ofrece flexibilidad para que cada país gestione los riesgos de sus edificaciones de acuerdo con su realidad socioeconómica.

Asimismo, el ingeniero Álvarez señala que el estudio permite comprender en profundidad la diferencia entre ambos enfoques (amenaza sísmica uniforme y riesgo sísmico uniforme); observar la necesidad de actualizar las normativas y estándares de diseño vigentes del país; e incentivar la adopción de metodologías más avanzadas que garanticen mayores niveles de seguridad en las construcciones frente a futuros eventos sísmicos.

Hidalgo espera que este trabajo sea tomado en cuenta en la próxima generación del Código Sísmico que saldrá dentro de 5 o 10 años. 

Redes de monitoreo como fuentes de información para la planificación

El Laboratorio de Ingeniería Sísmica, la Red Sismológica Nacional y el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica (Ovsicori) son instituciones que poseen redes de monitoreo, las cuales brindan información y permiten predecir o generar mapas (como los de amenaza y riesgo uniforme). Para su elaboración, se requiere saber qué ha ocurrido en el pasado para planificar a futuro.

El Laboratorio de Ingeniería Sísmica, la Red Sismológica Nacional y el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica (Ovsicori) reciben fondos de la Ley Nacional de Emergencias y Prevención de Riesgo N.° 8488 para comprar equipos. 

Foto: Laura Rodríguez Rodríguez.

“La gente ve con suma normalidad que le llegue un mensajito diciendo que está temblando porque ahora todos lo tenemos en el celular y son notificaciones instantáneas, pero no entienden que, para que eso funcione, hay un montón de computadoras detrás calculando cosas”, resalta Hidalgo.

El ingeniero también indica que cada sismo les enseña algo nuevo. Después de que tiembla, la información va a bases de datos y, luego, esta evidencia les permite agregar y modificar aspectos que generarán un mejor estudio. 

El Código Sísmico ordena un conjunto de normas y prácticas del diseño sismorresistente para guiar a los profesionales en la construcción y diseño de edificaciones y otras obras civiles en Costa Rica.

¿Qué viene para el futuro?

Hidalgo menciona que tienen como meta mejorar las curvas de fragilidad para este tipo de estudios. En este momento, están utilizando una sola curva genérica de edificio para todo el país (lo cual sigue las metodologías empleadas en otras regiones) y se quiere utilizar una más específica. 

Esto significa que la siguiente etapa será realizar estudios de sensibilidad e identificar los posibles cambios que se tendrían que hacer para seguir usando riesgo uniforme, pero a la vez considerar las variaciones relacionadas a características tipológicas, como la altura del edificio, los materiales, etc.

El ingeniero señala que los estudios de sensibilidad no se están usando a nivel mundial porque están en fase de investigación, pero que es una línea por explorar en el LIS.