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| − | '''CALCULO DE LA INTENSIDAD JMA PARA REGISTROS DEL '''</div> | + | '''CALCULO DE LA INTENSIDAD JMA PARA REGISTROS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA SÍSMICA DE COSTA RICA'''</div> |
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| − | '''LABORATORIO DE INGENIERÍA SÍSMICA'''</div>
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| − | '''RESUMEN'''</div>
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| − | Se calculó la intensidad JMA para todos los eventos importantes que el Laboratorio de Ingeniería Sísmica (LIS) ha registrado desde 1990. Primero se realizó una preselección de la información tomando los eventos que habían sido registrados en más de 5 sitios. Luego se graficó cada uno para hacer una inspección visual y descartar aquellos que pudieran tener un nivel de ruido alto o cuya forma de onda no fuera de buena calidad. A cada componente de los registros de aceleración se le aplicó un filtro en el dominio de las frecuencias, posteriormente en el dominio del tiempo se calculó la suma vectorial de cada registro y se ordenaron los datos de amplitud en orden descendiente. Se tomó el valor de amplitud al instante 0,3s para calcular la intensidad instrumental. Los resultados se muestran en forma de gráficos que relacionan el valor de JMA con la aceleración máxima y en forma de mapas que muestran la distribución espacial de intensidades.
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| − | '''Palabras clave: '''Acelerógrafo, intensidad sísmica, aceleración máxima, ingeniería sísmica, terremoto, espectro.
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| − | '''ABSTRACT'''</div>
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| − | The JMA intensity was calculated for all the important events that the Earthquake Engineering Laboratory (LIS) has recorded since 1990. First, a pre-selection was made taking into account only events that had been recorded in more than 5 sites. Every record was plotted and revised by visual inspection in order to rule out those with high noise level or poor waveform quality. A frequency domain filter was applied to each component, then in the time domain the vectorial summation was computed and data was sorted out in descending order. The amplitude at which the cummulative amplitude reached a value of 0.3s was taken to compute the JMA intensity. The results are shown in the form of graphs that relate the value of JMA to the maximum acceleration and in the form of maps showing the spatial distribution of intensities.
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| − | Keywords: Strong motion accelerograph, seismic intensity, peak ground acceleration, earthquake engineering, spectra
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| − | <div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
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| − | '''INTRODUCCION'''</div>
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| − | Luego de un sismo fuerte, es común que los centros sismológicos notifiquen, además de la magnitud del evento y su ubicación espacial, un valor de intensidad sísmica asocidado a los distintos lugares donde se sintió el movimiento. Tradicionalmente en Costa Rica, dicho valor ha sido el dado por la escala de Intensidad de Mercalli Modificada (IMM) que se asigna según el nivel de daños reportados por la población o luego de un estudio por parte de expertos en el campo. La IMM consta de doce distintos valores que van desde el grado I que es un movimiento imperceptible hasta el grado XII que es un terremoto altamente destructivo.
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| − | Si bien Costa Rica cuenta desde los años 1990 con registros acelerográficos, estos raramente han sido utilizados para complementar la información de la IMM. Básicamente el uso de los mismos se ha limitado muchas veces a reportar el valor máximo de aceleración, dejando de lado otras muchas características que se podrían derivar de los mismos como la duración de la sacudida (Trifunac y Brady,1975; Dobry et al. 1978) o el cálculo de la intensidad espectral espectral (Housner, 1952) o la intensidad de Arias (Arias, 1970).
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| − | En años recientes, sin embargo, se han hecho intentos por usar de manera más objetiva los registros acelerográficos en la correlación con los daños producidos por un sismo. Por ejemplo, se han desarrollado ecuaciones empíricas que relacionan la aceleración (PGA) y velocidad (PGV) máximas con la intensidad de Mercalli (Wald et al, 1999; Linkimer, 2008; Tselentis y Danciu, 2008; Worden et al., 2012 por citar unos pocos), que en algunos casos, se ha llegado a denominar como intensidad instrumental.
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| − | Estas relaciones toman únicamente el valor máximo de la aceleración y la velocidad que son valores puntuales del registro acelerográfico. Los valores puntuales, como tal, pueden ocurrir en un instante de tiempo muy corto de los registros, que no necesariamente es el mismo para ambos y que además puede darse en diferentes componentes.
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| − | Dichas relaciones son también dependientes de la magnitud y distancia del origen del sismo al sitio de registro. Una determinación imprecisa de la ubicación del sismo o su magnitud implicaría un cálculo erróneo de la intensidad.
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| − | La Agencia Meteorológica de Japón (JMA por sus siglas en inglés) desarrolló en 1996 una escala que mide el valor de la intensidad sísmica directamente de los registros de aceleración (Shabestari y Yamazaki, 2001). El cálculo hace uso de las tres componentes de un registro acelerográfico, sin necesidad de conocer la magnitud del sismo ni la localización del epicentro. Además, el proceso de cálculo de la intensidad toma en cuenta la duración de una parte del registro, con lo cual se minimiza el error de que en el mismo se usen valores anómalos de amplitud (''picos'' o ''spikes'').
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| − | El hecho de que no sea necesario conocer la magnitud ni ubicación de un evento sísmico para calcular el valor de la intensidad en un sitio de registro, es muy ventajoso. Por un lado, se puede conocer el valor real de la intensidad durante la ocurrencia del sismo. Es decir, no es necesario esperar a que haya un cálculo de los parámetros de la fuente para asignar un valor de intensidad. Por otro lado, no se hace necesario usar ninguna relación empírica para los sitios de registro.
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| − | Muchas veces los reportes de la magnitud son dados en diferentes escalas como son la duración de la coda (Mc), de las ondas de cuerpo (mb), de ondas superficales (Ms) o de magnitud momento (Mw). Según haya sido la derivación de las relaciones empíricas de Mercalli con PGA y PGV, se haría necesario convertir los valores de magnitud a un valor común y esto, además de ser un paso extra en el cálculo de la intensidad, podría representar una nueva fuente de dispersión de la estimación final.
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| − | '''REGISTROS DE ACELERACION'''</div>
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| − | El Laboratorio de Ingeniería Sísmica (LIS), adscrito al Instituto de Investigaciones en Ingeniería (INII) de la Universidad de Costa Rica (UCR), opera una red de acelerógrafos distribuidos en prácticamente todo el país. Esta red ha ido cambiando en cuanto al número de unidades, modelo de éstas y cobertura espacial de las estaciones. Los primeros acelerógrafos eran analógicos. El sistema de registro se activaba cuando se sobrepasaba un cierto nivel de disparo por el movimiento sísmico. Un halo de luz velaba un película fotográfica que avanzaba por medio de un segundero. Más tarde, el rollo fotográfico se debía revelar en el laboratorio y el registro se debía escanear para digitalizarlo. El rango de frecuencias luego del procesamiento era de 0.8 – 23 Hz. Terremotos como el del 25 de marzo de 1990 en Cóbano (Mw 7.0) (Protti et al., 1995), 22 de diciembre de 1990 en Alajuela (Mw 5.9) (Montero y Rojas, 2014) y 22 de abril de 1991 en Limón (Mw 7.7) (Goes et al., 1993) son los eventos más significativos que se registraron con esa tecnología.
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| − | Posterior a los acelerógrafos analógicos, aparecieron los convertidores analógicos-digitales llamados QDR. Estos poseían una taza de muestreo de 100 muestras por segundo y se instalaron en pocos sitios. Durante su periodo de operación se sucedieron los sismos del 20 de noviembre del 2004 en Damas (Mw 6.4) (Pacheco et al., 2006) y del 08 de enero del 2009 en Cinchona (Mw 6.2) (Barquero y Rojas, 2010). En el 2010, gracias a los recursos del Transitorio 1 de la Ley Nacional de Emergencias, la red del LIS se renovó con equipo digital hasta el presente. El número de registros de sismos fuertes creció de la mano del número de estaciones, que en la actualidad es de 140 en campo libre (estructuras de un piso) y 10 edificios. Todos estos registros digitales poseen un rango de frecuencias de 0.05 a 25 Hz para los que provienen de sensores tipo fuerza balanceada (FBA) y 0.1 a 25 Hz para los de estado sólido (MEMS).
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| − | En el 2006 se creó el formato “lis” (Moya, 2006) para unificar los distintas salidas de los programas de cada fabricante. El formato “lis” es un arreglo de datos columnar con información del epicentro, estación, tipo de suelo, etc. En un principio, todos los registros de la red acelerográfica se convertían a este formato, incluso sismos de muy baja magnitud o que hubieran sido registrado en pocas estaciones. Sin embargo a partir del 2017, solo los eventos que son procesados por el SMA-LIS (Moya, 2017) son convertidos de manera automática al formato “lis”.
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| − | A la fecha, el número de registros en este formato es de poco más de 3000. Para este estudio, se hicieron dos preselecciones:
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| − | 1- Se tomaron únicamente los eventos que hubieran sido registrados en al menos 5 estaciones
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| − | 2- Se graficaron cada uno de esos registros y se examinaron de manera visual para garantizar que se tratara de una traza de buena calidad. Con buena calidad se da a entender que la forma de onda no mostrara inconsistencias como huecos o que estuviera incompleta.
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| − | La base que se analizó se redujo a 2491 registros correspondientes a 126 sismos diferentes desde el 25 de marzo de 1990 al 08 de julio del 2019. Cabe mencionar que muchos de esos registros corresponden a sitios que por diferentes razones ya no forman parte de la red del LIS como la Red SAN (Schmidt et al., 2005) que operó menos de un año.
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| − | '''INTENSIDAD JMA'''</div>
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| − | La estimación de la intensidad JMA se lleva a cabo siguiendo la metodología en Shabestari y Yamazaki (2001) y resumida a continuación:
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| − | 1. Cada una de las trazas del registro de aceleración es convertido al dominio de las frecuencias aplicando la transformada de Fourier.
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| − | 2. El espectro de amplitudes es multiplicado por el filtro F(f):
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| − | F(f) = F<sub>1</sub>(f) F<sub>2</sub>(f) F<sub>3</sub>(f) [1]
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| − | en donde:
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| − | F<sub>1</sub>(f) = (1 / f)<sup>0.5</sup>
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| − | F<sub>2</sub>(f) = (1 + 0.694x<sup>2 </sup>+ 0.24x<sup>4</sup> + 0.0557x<sup>6</sup> + 0.009664x<sup>8</sup> + 0.00134x<sup>10</sup> + 0.000155x<sup>12</sup>)<sup>-0.5 </sup>
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| − | F<sub>3</sub>(f) = (1 – exp(-f/f<sub>0</sub>)<sup>3</sup>)<sup>0.5</sup>
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| − | x= f / f<sub>c</sub>
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| − | Este filtro se muestra en la figura 1 y posee un máximo alrededor de 0.5 Hz que es un valor asociado a daños en casas de madera en Japón (Sokolov 2013).
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| − | 3. De vuelta en el dominio del tiempo, se toma raíz cuadrada de la suma vectorial de las tres componentes.
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| − | 4. Se toma la amplitud a<sub>0</sub>'' ''que tenga un valor <math display="inline">\tau</math> de duración acumulada tal que <math display="inline">\tau \left( {a}_{0}\right) \geq 0.3s</math>(Fig 2).
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| − | 5. El valor a<sub>0</sub> se usa en la ecuación siguiente:
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| − | I<sub>JMAI</sub> = 2.0 log(a<sub>0</sub>) + 0.94 [2]
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| − | Los valores de ''I<sub>JMAI</sub>'' obtenidos de esta manera son contínuos y se denominan intensidad instrumental porque son los datos medidos directamente de los equipos. Los datos instrumentales contínuos son la base para una escala discreta de diez valores que van de 0 a 7 y que denominaremos I<sub>JMA</sub>. Se trata de valores asignados según los rangos mostrados en la tabla 1. Esta escala es también llamada Shindo.
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| − | Tabla 1. Rangos de valores contínuos de intensidad instrumental, I<sub>JMAI</sub>, y su correspondiente valor discreto, I<sub>JMA </sub>o Shindo.
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| − | I<sub>JMAI</sub> I<sub>JMA</sub>
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| − | 0 <= I<sub>JMAI</sub> < 0.5 0
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| − | 0.5 <= I<sub>JMAI</sub> < 1.5 1
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| − | 1.5 <= I<sub>JMAI</sub> < 2.5 2
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| − | 2.5 <= I<sub>JMAI</sub> < 3.5 3
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| − | 3.5 <= I<sub>JMAI</sub> < 4.5 4
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| − | 4.5 <= I<sub>JMAI</sub> < 5.0 5-
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| − | 5.0 <= I<sub>JMAI</sub> < 5.5 5+
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| − | 5.5 <= I<sub>JMAI</sub> < 6.0 6-
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| − | 6.0 <= I<sub>JMAI</sub> < 6.5 6+
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| − | I<sub>JMAI</sub> >= 6.5 7
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| − | La descripción del tipo de daños y sus efectos en obras civiles y el paisaje se detallan en el sitio web de la Agencia Meteorológica de Japón. Básicamente valores superiores a 5 es cuando las cosas empiezan a caer por la fuerza de la sacudida hasta llegar a los valores de 6 y superiores que se podrían considerar como terremoto por la cantidad de daños que se podrían presentar.
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| − | El valor de I<sub>JMA</sub> más alto registrado por la red acelerográfica ha sido 6-. Este valor se ha presentado en diferentes sitios por los cuatro eventos indicados en la tabla 2.
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| − | Tabla 2. Eventos sísmicos y sitios en los que se ha registrado un valor de I<sub>JMA</sub> = 6-.
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| − | Fecha Mw Lugar
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| − | 1990-12-22 5.9 Alajuela centro
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| − | 2009-01-08 6.2 Cariblanco(*) de Heredia
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| − | 2012-09-05 7.6 Nosara, Santa Cruz, San Ramón y Paquera
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| − | 2019-06-26 6.4 Finca Naranjo y Laurel de Corredores
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| − | El terremoto de Limón de 1991, uno de los que ha provocado más destrucción a la infraestructura y cobrado decenas de víctimas mortales en años recientes, no figura en la lista. La razón es que en esa época el LIS no poseía instrumentos en la región del Caribe y por tanto no está incluida.
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| − | La figura 3 muestra un mapa resumen que contiene el valor de I<sub>JMA</sub> más alto registrado por estación, independientemente del evento sísmico que lo haya generado. Esta distribución geográfica permite ver lo siguiente:
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| − | 1. Los valores más altos de I<sub>JMA</sub>=6- han ocurrido en el Pacífico Norte y Sur del país. Estos están asociados al terremoto del 05 de setiembre del 2012 (Mw 7.6) y los del 12 de mayo y 26 de junio del 2019 (Mw 6.1 y 6.4 respectivamente).
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| − | 2. En el Pacífico Central el valor más alto registado ha sido I<sub>JMA</sub>=5+. Esto a pesar de que en la zona se ha producido dos eventos importantes en cuanto a la magnitud como el del 31 de mayo del 2010 (Mw 5.9) y el del 13 de noviembre del 2017 (Mw 6.5) . La cercanía de las estaciones al epicentro de estos eventos puede haber influído en este resultado así como la profundidad de los mismos (18 y 21 km respectivamente).
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| − | 3. En las cercanías de San José no se ha registrado un valor mayor a I<sub>JMA</sub>=5-. El valor en rojo de Alajuela corresponde al evento del 22 de diciembre de 1990 y el de San Ramón al del terremoto del 05 de setiembre del 2012.
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| − | 4. En la provincia de Limón se han presentado los valores de intensidad más bajos, con valores máximos de I<sub>JMA</sub>=4. Sin embargo, esto se debe a que no existe un registro acelerográfico cerca de la zona epicentral cuando se presentó el terremoto de Limón del 22 de abril de 1991.
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| − | La figura 4a muestra la relación de I<sub>JMAI</sub> con aceleración máxima. El resultado muestra una buena correlación entre ambas, aún cuando hay dispersión en los valores bajos. Una posible explicación para esto puede ser que hay una alta concentración de estaciones en la región central del país. Para un mismo evento a una distancia dada, habrá muchos puntos muy cercanos entre sí que mostrarían diferencias debido al tipo de suelo o la topografía. En este resultado también puede influir el tipo de instrumento analógico y los QDR, que como se indicó, eran de baja resolución comparados a equipos más recientes. La curva de mejor ajuste da la siguiente relación:
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| − | I<sub>JMAI</sub> = 0.875298 (+/- 0.008434) log(PGA) + 0.0975688 (+/- 0.02324) [3]
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| − | Por otro lado, si hacemos una selección por eventos mayores a Mw6.0 y de la era digital (2010 al presente), se obtiene un resultado como el de la figura b.
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| − | I<sub>JMAI</sub> = 0.829975 (+/- 0.009476) log(PGA) + 0.6177260 (+/- 0.03008) [4]
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| − | La relación de I<sub>JMAI</sub> con la magnitud y la distancia se graficó en la figura 5 en forma de una matriz a color con los valores de JMA en la vertical. Los datos así mostrados reflejan la variación de la I<sub>JMA</sub> en función de la distancia y la magnitud como si se tratara de un relieve topográfico. Entre más grande sea la magnitud de un evento, mayores van a ser los valores de intensidad en la diferentes distancias. Un sismo muy fuerte como el del 05 de setiembre del 2012 de Mw7.6 puede producir valores de JMA 6- en estaciones cercanas a los 20 km de distancia del epicentro y de intensidad 4 en San José. Por otro lado, un sismo de menor magnitud como el del 26 de junio del 2019 de Mw6.4 puede generar el mismo de JMA 6- en la zona epicentral, pero de 3 en San José.
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| − | Conforme nuevos evento sísmicos se sucedan en el futuro, se pueden ir añadiendo a esta matriz que podría eventualmente incorporarse al MAS-LIS (Moya 2019). En la actualidad, el MAS-LIS calcula la localización del epicentro, pero no la magnitud del evento, únicamente la intensidad en los sitios de registro. Sin embargo, si el cálculo de la magnitud se incorporara a dicho sistema, se podría generar un escenario de los valores aproximados de intensidades que se podrían esperar en las diferentes estaciones acelerográficas en tiempo real.
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| − | '''CONCLUSIONES'''</div>
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| − | Se llevó a cabo el cálculo de la intensidad JMA para varios de los registros del LIS desde 1990 a junio del 2019. Se observó que la intensidad más alta registrada de esta manera fue de 6- en cinco sitios: Alajuela, Finca Naranjo y Laurel de Corredores, Nosara, Santa Cruz y San Ramón.
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| − | La distribución espacial y temporal de los datos mostrada en la figura 4 indican que la zona del Pacífico Central no se han registado valores superiores a 5-. En la zona del Caribe los valores son bajos debido a la falta de registros de sismos fuertes.
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| − | Con el fin de verificar los valores de la matriz obtenida en la figura 5, se realizó un cálculo numérico de un posible sismo que ocurriera en la Península de Osa. Según el Workshop Report No 278 "Tsunami Hazard in Central America: Historical Events and Potential Sources del Intergovernmental Oceanographic Commission, la zona sur de Costa Rica podría generar un sismo de magnitud 7.6 si se rompiera una longitud de 117 km a lo largo de la zona de subducción en la zona sur. Aquí hemos simulado el impacto que tendría un sismo de Mw 7.4 correspondiente al rompimiento de un segmento de 60 x 50 km en la zona mostrada en la figura 6. Se asumió un mecanismo similar al del Global CMT para el sismo de Mw 7.4 de 1983. La estrella roja indica la ubicación del epicentro que se ha localizado a unos 15 km de profundidad en el centro de la zona de ruptura.
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| − | El programa ''Broadband Platform (BBP)'' desarrollado por el Southern California Earthquake Center (SCEC) (Silva et al., 2018) se usó para generar un modelo de ruptura y las formas de onda de estaciones seleccionadas. El BBP es una colección de diferentes códigos abiertos para simulaciones numéricas en el rago 0-100 Hz. Con este software se puede obtner la forma de onda de cualquier evento fuerte del que se proporcionen los parámetros de la fuente (tales como tipo de falla, magnitud y profundidad del sismo) así como un modelo de propagación de velocidad en 1D.
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| − | Desafortunadamente el programa en la etapa de desarrollo en que se encuentra, no permite que se utilice un modelo de velocidades distinto de los que se han predefinido. La recomendación de los autores para usuarios de sitios no contemplados en el código, es usar un modelo similar a alguno de los incluídos. En nuestro caso, se seleccionó el modelo del suroeste de Japón por tratarse de una zona de subducción similar a la nuestra.
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| − | Para un evento de Mw 7.4, se poduciría un desplazamiento máximo en la falla de unos 5.3 m con una duración de aproximadamente 25s. Los registros de aceleración obtenidos de la simulación alcanzaron valores máximos de aceleración del orden de 400-500 cm/s<sup>2</sup> cerca de la zona epicentral.
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| − | Los datos sintéticos de las tres componentes fueron procesados para calcular la intensidad JMA de manera similar a como se hizo con los registros observados. La tabla 3 muestra los valores calculados de los datos sintéticos y los obtenidos por la matriz de la figura 5.
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| − | Tabla 3. Comparación de los valores de JMA obtenidos usando modelos numéricos de un hipotético sismo de Mw 7.4 en la Península de Osa y los calculados de la matriz de la figura 5.
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| − | Estación Valor sintético Valor de la matriz
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| − | La Palma 6- 6-
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| − | Golfito 5- 5+
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| − | Ciudad Cortés 5+ 5+
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| − | Punta Uvita 5- 5+
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| − | Quepos 4 5-
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| − | San Isidro 4 5-
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| − | San José 3 4
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| − | Los valores obtenidos indican que la matriz sobreestima los datos a partir de distancias superiores a los 50 km aproximadamente. Sin embargo, también hay que considerar el hecho que el programa de simulación no hace uso de los efectos de sitio bajo cada estación, por lo que estos podría ser legeramente más altos que lo obtenido.
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| − | A pesar de las generalizaciones que se ha hecho en el modelo numérico por un lado y de la interpolacion de los valores de la matriz de la figura 5 por el otro, el resultado es aceptable. La matriz se podría implementar en un sistema automático como el MAS-LIS con el fin de predecir valores aproximados de intensidad a diferentes distancias del epicentro de un potencial sismo futuro.
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| − | '''AGRADECIMIENTOS'''</div>
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| − | Este trabajo ha sido posible gracias al financiamiento que recibe el Laboratorio de Ingeniería Sísmica a través de la Ley Nacional de Emergencias y los proyectos de investigación inscritos en la Vicerrectoría de Investigación de la Universidad de Costa Rica. Se agradece a los técnicos Esteban López, Esteban Cordero y Arturo Jiménez por el trabajo de instalación y mantenimiento de la red del LIS. Varios de los mapas, calculos de interpolación y algunos gráficos fueron elaborados con el GMT (Wessel et al, 2013) y el programa SAC (Goldstein et al, 2003)
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| − | '''REFERENCIAS'''</div>
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| − | Agencia Meteorologica de Japón [https://www.jma.go.jp/jma/en/Activities/inttable.html https://www.jma.go.jp/jma/en/Activities/inttable.html]
| |
| − |
| |
| − | Arias A (1970) A measure of earthquake intensity. In:Hansen RJ (ed) Seismic design for nuclear powerplants. MIT Press, Cambridge MA, pp 438–483.
| |
| − |
| |
| − | Barquero, R. y Rojas, W. (2010). Resumen de la actividad sísmica en Costa Rica durante el año 2009. Revista Geológica de América Central, 42, pp. 127-134.
| |
| − |
| |
| − | Dobry, R., Idriss, I.M. and Ng, E. (1978) "Duration characteristics of horizontal components of strong-motionearthquake records", Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 68, pp. 1487-1520.
| |
| − |
| |
| − | Goes, S., A. Velasco, S. Schartz y T. Lay (1993). The April 22, 1991, Valle de la Estrella, Costa Rica (Mw = 7.7) Earthquake and its tectonic implications: A broadband sesismic study. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 98 (B5), 8127-8142.
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