Avaluació del risc sísmic al Principat d’Andorra

L’estudi del risc sísmic al Principat d’Andorra s’emmarca dins dels treballs de col·laboració que realitzen l’Institut Geològic de Catalunya (IGC) i l’Institut d’Estudis Andorrans (IEA) amb l’objectiu de la mitigació del risc. La principal motivació d’aquest treball és fer una primera avaluació del risc sísmic en un país on mai abans s’havia fet cap estudi en aquest camp. I no solament per la perillositat sísmica del Principat, baixa-moderada, sinó també pel gran nombre d’elements de risc: l’alta densitat de població, la gran concentració d’edificis d’habitatge, la situació particular entre dos països, Espanya i França, la concentració d’edificis essencials i la difícil gestió de l’emergència, en moments de crisi, entre altres particularitats. Tots aquests factors fan que estudis d’aquest tipus siguin necessaris tant a l’hora d’aportar informació de base del territori, com per elaborar plans d’emergència i propostes de gestió del risc sísmic al país, ja que l’avaluació del risc és l’única eina que tenen les administracions per a la seva prevenció i gestió.

Objectius

L’objectiu principal d’aquest treball és avaluar el risc sísmic al Principat d’Andorra. Per fer-ho s’han escollit dues metodologies d’avaluació de la vulnerabilitat i s’han creat les bases de dades d’edificació necessàries per aplicar-les, i s’han integrat en un Sistema d’Informació Geogràfica (SIG) per la seva explotació.

L’objectiu final és l’estimació d’escenaris de danys útils als organismes encarregats de la gestió de l’emergència. Els resultats tenen dues utilitats principals: abans del sisme serveixen d’eina per desenvolupar polítiques de prevenció de desastres sísmics i, després del sisme, d’eina de gestió de l’emergència.

Metodologia

El treball s’ha estructurat en dues parts: en la primera, es proposa una metodologia senzilla per a l’elaboració de bases de dades d’edificació útils per a l’avaluació de la vulnerabilitat sísmica en zones on no es disposa d’aquesta informació. En la segona, s’efectua l’estudi de la vulnerabilitat sísmica dels edificis d’habitatge i es defineixen i analitzen els escenaris sísmics. Prèviament a l’obtenció de les dades, es van estudiar les diferents metodologies que s’apliquen a la regió, i sobre aquesta base, es va definir la informació que calia recollir.

Les dades utilitzades en l’estudi provenen de diverses fonts: primer es va recollir tota la informació disponible als comuns i a les fonts bibliogràfiques existents; a partir d’aquí, es va anar completant mitjançant la interpretació i la comparació de fotografies aèries de diferents anys, amb campanyes de camp i amb entrevistes amb arquitectes i enginyers de la zona, coneixedors de l’evolució de l’edificació al Principat. L’objectiu era definir la distribució dels edificis en funció de la seva alçària, l’any de construcció i la tipologia estructural, i definir la matriu tipològica dels edificis d’habitatge a la zona.

Una vegada feta l’anàlisi de la vulnerabilitat es van definir els escenaris sísmics necessaris per a l’estimació dels danys.

Amb les dues metodologies seleccionades es va avaluar la distribució de danys associada a cadascun dels escenaris considerats. Per a la zona de la cubeta d’Andorra, es van incloure els efectes de sòl i es van quantificar les variacions de danys que es produeixen si es tenen en compte.

Perillositat sísmica

L’avaluació de la perillositat sísmica al Principat d’Andorra s’ha desenvolupat en el marc del projecte Informació Sísmica Automàtica Regional de Danys – ISARD (Goula et al., 2007). Aquesta s’ha realitzat a dues escales, una a nivell regional, integrada dins de l’estudi de la perillositat sísmica per tot el Pirineu, i una altra, a escala local, en l’estudi de la microzonació sísmica de la cubeta d’Andorra (Macau, 2008). La combinació d’aquestes dues escales d’estudi permet planificar millor l’ús del sòl per reduir futures pèrdues provocades per terratrèmols.

Els estudis recents de perillositat sísmica assignen al Principat d’Andorra intensitats VII i VIII per a períodes de retorn de 475 (Figura 1) i 1975 anys, respectivament (Secanell et al., 2008).

Figura 1. Mapa de perillositat sísmica per a període de retorn de 475 anys (Secanell et al., 2008).

Definició dels escenaris sísmic

Els escenaris sísmics informen de l’acceleració o de la intensitat esperada en cada punt del territori per un determinat període de retorn. Les tècniques actuals d’anàlisi del risc recomanen l’anàlisi de dos tipus d’escenaris, els probabilistes i els deterministes. Els probabilistes solen definir-se a partir de la probabilitat anual o, inversament, a partir del període de retorn. Els deterministes solen reproduir un sisme històric a la zona d’estudi. Els tres escenaris considerats (Taula 1) en aquest estudi són dos de probabilistes (per a períodes de retorn de 475 i 1975 anys) i un de determinista, definit pel terratrèmol del 1428 (Olivera et al.; 2006). Els escenaris que es presenten s’han modificat, per a la cubeta d’Andorra, amb el mapa de microzonació sísmica (Figura 2).

Taula 1. Escenaris sísmics per al Principat; valors en intensitats.

Figura 2. Zonació de la cubeta d’Andorra la Vella en funció de l’amplificació del sòl en termes d’intensitat (Macau et al., 2006). Zona 1: Sense amplificació. Zona 2: Increment d’intensitat de 0.5. Zones
3 i 4: Increment d’intensitat d’1.0. Zona 5: Increment d’intensitat d’1.5.

Avaluació de la vulnerabilitat sísmica

La vulnerabilitat del parc d’edificis d’habitatge s’ha avaluat mitjançant dos mètodes estadístics, un basat en classes de vulnerabilitat (Chávez, 1998; Roca et al., 2006) i un altre basat en índexs de vulnerabilitat (Milutinovic i Trendafiloski, 2003; Giovinazzi, 2005). Tots dos mètodes coincideixen en la definició del moviment del sòl mitjançant la intensitat macrosísmica de l’escala EMS’98 (Grünthal, 1998) i difereixen en la forma de caracteritzar la resistència sísmica dels edificis. En el primer mètode l’assignació d’un edifici o conjunt d’edificis a una classe de vulnerabilitat és senzilla i directa i no requereix d’informació detallada de l’edifici a avaluar. El segon, permet classificar qualsevol edifici, o grup d’edificis, mitjançant un nombre, un índex, que pren valors en un rang entre zero, per a edificis molt resistents, i la unitat, per a edificis de molt mala qualitat; d’aquesta forma la qualificació d’edificis és més sofisticada i requereix un major coneixement, freqüentment expert, de les característiques constructives dels edificis.

Classificació dels edificis en classes de vulnerabilitat segons l’escala EMS’98
L’aplicació d’aquesta metodologia es pot resumir en dues etapes: la primera consisteix a classificar els edificis d’habitatge en classes de vulnerabilitat i la segona consisteix a avaluar-ne la vulnerabilitat. La classificació es fa d’acord amb les classes de vulnerabilitat de l’escala EMS-98, en què la classe de vulnerabilitat A representa la classe més vulnerable i les classes de vulnerabilitat E i F, les menys vulnerables, utilitzant les dades contingudes en l’inventari relatives a l’edat, l’alçària i la localització de les edificacions, i tenint en compte tant els criteris de l’escala d’intensitat com les particularitats de la construcció de la regió. La Taula 2 mostra la distribució de classes de vulnerabilitat per a Catalunya proposada per Chávez (1998) i definida amb l’ajuda de l’experiència de tècnics de l’àrea de la construcció (Mañà, 1995). Aquesta s’ha basat principalment en l’edat de construcció, el nombre de plantes i el seu caràcter rural o urbà, però també s’han tingut en compte altres característiques com l’estat de conservació dels edificis.

Taula 2. Classificació dels edificis d’habitatge en classes de vulnerabilitat (Chávez, 1998). La classificació es basa en l’escala macrosísmica EMS-98. Les classes de vulnerabilitat A, B, C i D corresponen a les definides en la figura 5.1.

Els resultats obtinguts de l’aplicació de la metodologia basada en classes de vulnerabilitat indican que el parc d’edificis del Principat està caracteritzat per les classes de vulnerabilitat B i C i que les classes de vulnerabilitat A i D representen els percentatges més baixos, sempre pròxims a un 10% (Taula 3).

Taula 3. Distribució de les classes de vulnerabilitat dels edificis d’habitatge del Principat d’Andorra per parròquies

Classificació dels edificis en índex de vulnerabilitat
L’aplicació del mètode de l’índex de vulnerabilitat requereix un coneixement exhaustiu de les tipologies estructurals dels edificis d’habitatge de la zona on s’aplica. La definició de les tipologies estructurals es va fer partint de la matriu de classificació d’edificis (Building Typology Matrix, BTM) proposada en el projecte Risk-UE (Milutinovic i Trendafiloski, 2003) amb l’objectiu d’agrupar en una sèrie de classes els edificis amb diferents tipologies estructurals i comportaments similars. En aquest estudi, les dades referents a les tipologies estructurals, en no existir en les bases de dades d’edificació, es van recollir a partir de campanyes de camp i de reunions amb els arquitectes de la zona. Es van identificar 5 tipologies estructurals representatives dels edificis d’habitatge del Principat (Figura 3, Taula 4): tres tipologies amb estructura de fàbrica: de pedra fragmentada (M1.1), amb solera de fusta (M3.1) i amb lloses de formigó armat (M3.4); una amb estructura de formigó armat, amb pòrtics de formigó armat reblerts de fàbrica (RC3.1) i una amb estructura d’acer, amb pòrtics d’acer resistents al moment (S1). Com a resum es pot dir que al Principat, fins al voltant de 1935, es construïen cases de pedra; a partir d’aquesta data el sistema de construcció va canviar a estructures de fàbrica (sistema català) amb soleres de fusta; a partir de 1955-1960 es construeixen edificis mixtes (murs de fàbrica i lloses de formigó i ceràmica), i a partir de 1960-1965 estructures de formigó (pilars de formigó i forjats de formigó). En els últims anys s’estan construint edificis de murs de tallant de formigó armat (RC2), dels quals actualment només n’hi ha 4 o 5 en tot el país; per aquest motiu no s’ha utilitzat com una tipologia representativa de la zona d’estudi.

Figura 3. Tipologies constructives presents al Principat d’Andorra.

Taula 4. Principals tipologies per a la zona pilot de la cubeta d’Andorra amb els seus corresponents índexs de vulnerabilitat mitjà, proposats en el projecte Risk-UE (Mouroux i Lebrun, 2006)

Per calcular l’índex de vulnerabilitat s’ha modificat l’índex mitjà proposat en el projecte Risk-UE (Mouroux i Lebrun, 2006) tenint en compte altres paràmetres de les edificacions com l’estat de conservació, l’alçaria, la irregularitat en planta o la presencia de pisos tous, entre d’altres. Els resultats obtinguts de l’aplicació de la metodologia basada en els índex de vulnerabilitat indican que el parc d’edificis del Principat està caracteritzat per les índex vulnerabilitat entre 0.82 i 0.50.

Escenaris de danys

Els escenaris de danys es realitzen combinant els estudis de perillositat i de vulnerabilitat de la zona. Aquestes anàlisis aporten dades referents a l’estimació del dany als edificis (graus de dany de 0 a 5, edificis inhabitables, edificis col·lapsats, etc.), del dany a la població (persones sense llar, ferits de caràcter lleu, ferits de caràcter greu, víctimes mortals, etc.) i de les possibles pèrdues econòmiques. Generalment, els valors del moviment del sòl utilitzats per a l’elaboració dels diferents escenaris es refereixen a un sòl de tipus mitjà, però canvis en les condicions del sòl o variacions topogràfiques, entre d’altres, poden variar-ne el valor en un punt. En aquest estudi s’han realitzat els escenaris segons un sòl de tipus mitjà, i, para la cubeta de Andorra, s’ha tingut en compte la microzonació sísmica realitzada per Macau (2008). L’objectiu final és l’elaboració d’escenaris de danys que siguin útils als organismes encarregats de la gestió de l’emergència.

Per calcular els danys als edificis segons la metodologia de classes de vulnerabilitat s’han utilitzat les matrius de probabilitat de danys (Chávez, 1998; Roca et al., 2006) que es van obtenir de l’anàlisi estadístic de les dades de danys recollides despès del terratrèmol de Irpinia (Mw=6.9), ocorregut el 23 de novembre de 1980 al sud d’Itàlia. L’anàlisi va permetre obtenir les matrius de probabilitat de danys corresponents a les sis classes de vulnerabilitat A,B,C,D, E i F, i els graus d’intensitat sísmica de VI a X, definits per l’escala EMS’98. En la Taula 5 es mostra la matriu de probabilitat de dany per a la classe de vulnerabilitat A.

Taula 5. Matrius de probabilitat de danys per a la classe de vulnerabilitat A (Chávez, 1998).

En la metodologia de l’índex de vulnerabilitat els danys als edificis s’han calculat utilitzant l’equació 1, que relaciona el grau de dany mitjà amb la intensitat macrosísmica (I) i l’ índex de vulnerabilitat (V_I), mitjançant la relació:

(equació 1)

On μ₀ és el grau de dany mitjà; I és la intensitat macrosísmica i V_I és l’índex de vulnerabilitat. En la Figura 4 es mostren les corbes de grau de dany mitjà per a les tipologies de la zona. Els valors dels graus de dany mitjà també vénen expressats entre 0 i 5 com en la metodologia anterior.

Figura 4. Corbes de grau de dany mitjà per a les principals tipologies de la zona.

Per estimar el dany a les persones que hi podria haver si ocorregués un determinat escenari sísmic s’han escollit dues metodologies, l’ATC-13 (1985) i la proposada per Coburn i Spence (1992). La metodologia ATC-13 té la característica que aporta un percentatge de víctimes per a cada grau de dany experimentat per les edificacions, incloent-hi els estructurals i els no estructurals. S’escull perquè pren en consideració les possibles víctimes provocades pels graus de dany més baixos, que són els que cal esperar en llocs de baixa-moderada sismicitat, com és el cas de la zona d’estudi. La metodologia de Coburn i Spence (1992) estima el dany a la població tenint en compte únicament els edificis col·lapsats i considera el nombre de persones que resideixen habitualment als edificis, les que podrien ser a l’edifici en el moment del terratrèmol, les que podrien quedar atrapades pel col·lapse de l’edifici, les que moririen en el moment de produir-se el col·lapse, etc.

Els escenaris s’han elaborat tenint en compte només la població resident al Principat i considerant que el terratrèmol es produeix de nit (Anuari socioeconòmic, 2003). El dany a la població s’ha expressat en funció del nombre de persones que podrien resultar ferides greus o lleus, les possibles víctimes mortals i les que es podrien quedar sense llar. El nombre de persones sense llar és una xifra molt important a l’hora de dissenyar estratègies i plans d’emergència, ja que, per exemple, ens permet calcular els espais que s’haurien d’habilitar per allotjar-les durant un determinat període de temps.

Resultats dels escenaris de danys

Com a resultats més significatius en els escenaris calculats mitjançant l’avaluació de la vulnerabilitat en classes de vulnerabilitat s’obtindrien: en l’escenari determinista, danys lleugers al conjunt dels edificis del Principat, i en els escenaris probabilistes amb període de retorn de 475 i 1975 anys, danys moderats i severs, respectivament, per al conjunt dels edificis. Com a inhabitables resultarien un 3%, un 5% i un 15% dels edificis del Principat, respectivament. A la Taula 6 es mostra un exemple de la distribució del dany als edificis d’habitatge per l’escenari probabilista amb període de retorn de 475 anys.

Taula 6. Distribució de danys en l’escenari probabilista (T = 475 anys), en nombre d’edificis.

Pel que fa a la metodologia de l’índex de vulnerabilitat, en l’escenari determinista obtindríem danys lleugers per al conjunt dels edificis del Principat, i en els escenaris probabilistes amb període de retorn de 475 i 1975 anys es produirien danys de lleugers a moderats, respectivament, al conjunt dels edificis. A la Figura 5 es mostra, a tall d’exemple el grau de dany mitjà dels edificis en l’escenari probabilista amb període de retorn de 475 anys.

Figura 5. Grau de dany mitjà per polígon a partir del mapa probabilista amb T = 475 anys.

De la comparació d’ambdues metodologies, en un escenari sísmic probabilista amb període de retorn de 475 anys, s’observa que les distribucions se centren en els danys 0 i 1, cosa que indica que hi predominen els danys lleugers. La metodologia de l’índex de vulnerabilitat reflecteix un percentatge menor dels graus de danys 3, 4 i 5 que l’obtingut mitjançant la metodologia de classes de vulnerabilitat.

Resultats dels escenaris de danys tenint en compte els efectes de sòl

Segons la microzonació sísmica de la cubeta d’Andorra (Macau, 2008), a un 83% de l’àrea analitzada li correspon un augment d’intensitat que va d’un grau a un grau i mig. Aquests augments d’intensitat queden reflectits en l’augment del valor del grau de dany mitjà. A la Figura 6 es presenten, per l’ escenari probabilista amb període de retorn de 1975 anys, les comparacions dels graus de dany sense efectes de sòl i amb efectes de sòl. Analitzant el dany a la població, les persones que es quedarien sense llar considerant els efectes de sòl són més del doble que si no es tenen en compte (Taula 7). Aquests resultats són significatius i posen de manifest la importància d’incorporar en l’avaluació de la perillositat sísmica els efectes de sòl a l’hora de fer estimacions de dany als edificis i a la població i que, a més, aquestes dades s’haurien d’incorporar a l’hora de plantejar els diferents escenaris per a una bona prevenció i planificació de l’emergència.

Figura 6. Graus de dany mitjà en els diferents en el escenari probabilista amb període de retorn de 1975 anys.

Taula 6.14. Distribució de les persones sense llar segons ATC-13, utilitzant el mètode de l’índex de vulnerabilitat, amb i sense efectes de sòl.

Conclusions

Els resultats d’aplicar ambdues metodologies indiquen que el Principat està caracteritzat per edificis associats a les classes B i C, i a uns índexs de vulnerabilitat entre 0.82 i 0.50. Es pot dir que la vulnerabilitat sísmica obtinguda mitjançant les metodologies utilitzades és baixa i per a algunes zones mitjana.

En general, l’aplicació de la metodologia de l’índex de vulnerabilitat posa de manifest una vulnerabilitat més baixa del parc d’edificis d’habitatge que l’obtinguda pel mètode de classes de vulnerabilitat.

Cal remarcar la importància d’incorporar en l’avaluació de la perillositat sísmica els efectes de sòl a l’hora de fer escenaris de danys per una bona prevenció i planificació de l’emergència. Els augments d’intensitat queden reflectits en l’augment del valor del grau de dany mitjà i en el dany a la població. Les persones que es quedarien sense llar considerant els efectes de sòl són més del doble que si no es tenen en compte.

Els valors obtinguts dels escenaris de danys als edificis d’habitatge i a la població, en els diferents escenaris sísmics, poden ser molt útils als gestors de l’emergència per prevenir-la, preparar-la, planificar-la i gestionar-la.

Com a mesures preventives es recomana crear una normativa sismoresistent per als edificis de nova construcció i d’especial importància i revisar el parc d’edificis. Així com planificar i efectuar plans preventius d’emergència sísmica i d’educació a la població, i fer simulacres tant de la població com dels serveis l’emergència.

Referències

Anuari socioeconòmic (2003). Andorra: Banca Privada d’Andorra.

ATC-13 (1985). Earthquake damage evaluation data for California, ATC-13. Applied Technology Council. Redwook City, California. 492 p.

Chávez, J. (1998). Evaluación de la vulnerabilidad y el riesgo sísmico a escala regional: Aplicación a Cataluña. Tesis doctoral. Dpto. Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica. Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. 323 p.

Coburn, A. y Spence, R. (1992). Earthquake Protection. Jonh Wiley and Sons, Chinchester, England. 355 p.

Giovinazzi, S. (2005). The vulnerability assessment and the damage scenario in seismic risk analysis. Tesis doctoral. The Department of Civil Engineering of the Technical University Carolo-Wilhelmina at Brannschweig, and The Facultiy of Engineering Department of Civil Engineering of the University of Florence. Florence, Italy. 200 p.

Goula, X. i equio de treball del projecte (2007). Proyecto ISARD: Información Sísmica Automática Regional de Daños 3er Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, pp. 1513-1526. Girona, 2007.

González, M. (2014). Avaluació del risc sísmic al Principat d’Andorra. Centre d’Estudis de la Neu i de la Montanya d’Andorra de l’Institut d’Estudis Andorrans.
http://www.iea.ad/images/CENMA/monografies/Monografia_RiscSismic.pdf

Grünthal, G. (1998). European Macroseismic Scale 1998. Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Luxemburg.

Macau, A. (2008). Microzonación sísmica. Contribución a los estudios de peligrosidad sísmica a escala local en zonas rurales y urbanas. Tesis doctoral. Dpto. Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica. Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona. 328 p.

Mañà, F. (1995). Vulnerabilidad de las construcciones tradicionales respecto a un sismo de grado VI o VII. Informe ITEC (inédito).

Milutinovic, Z. V. y Trendafiloski, G. S. (2003). WP04. Vulnerability of current buildings. RISK-UE project: An advanced approach to earthquake risk scenarios with applications to different European towns. Contract No.EVK4-CT-2000-00014. Institute of Earthquake Engineering and Engineering Seismology (IZIIS), Skopje. 109 p.

Olivera, C., Redondo, E., Lambert, J., Riera Melis, A. y Roca, A. (2006). Els terratrèmols dels segles XIV i XV a Catalunya. Institut Cartogràfic de Catalunya, Barcelona.

Roca, A., Goula, X., Susagna, T., Chávez, J., González, M. y Reinoso, E. (2006). A Simplified Method for Vulnerability Assessment of Dwelling Buildings and Estimation of Damage Scenarios in Catalonia, Spain. Bulletin of Earthquake Engineering 4 (2): 141-158.

Secanell, R., Bertil, D., Martin, C., Goula, X., Susagna, T., Tapia, M., Dominique, P., Carbon, D. y Fleta, J. (2008). Probabilistic seismic hazard assessment of the Pyrenean region. Journal of Seismology, Volume 12, Number 3 / juliol de 2008.