Dr. Víctor Manuel Cruz Atienza

Investigador - SismólogoInstituto de Geofísica, UNAM

XV Congreso ADOC – Colegio de Arquitectos de la Ciudad de México8 de septiembre de 2018

¿Qué ocurrió el 19 de septiembre de 2017 y hacia dónde debemos transitar para evitar nuevos desastres?

Los desastres son una construcción social

• Los desastres por causas naturales son una construcción social.

• Son el resultado de las decisiones que toma una sociedad y, notablemente, su gobierno.

• El peligro sísmico en México será siempre grande.

• El riesgo, y por lo tanto sus consecuencias, tendrán el tamaño que el gobierno disponga.

• La prevención es la única estrategia para reducir nuestra vulnerabilidad ante la amenaza sísmica y, por ende, los desastres.

Una Política de Prevención

Conocimiento de la amenaza natural

(Cuantificación del peligro sísmico y por tsunami)

Reglamentos de construcción

sismoresistente

Medidas preventivas derivadas:

Sistema de alertamiento

temprano

Protocolos oficiales de

protección civil

Punto de partida:

Educación de la sociedad

civil

Apego irrestricto al reglamento de construcción al edificar

Responsabilidad de los geocientíficos

Planeación urbana integral para la gestión del riesgo

Responsabilidad de los arquitectos

Sismicidad en México

Kostoglodov and Pacheco, 1999

Sismicidad en México

More than 15,000 deaths in Mexico city

M8.0 Michoacan Earthquake of September 19, 1985

6

7:35 del 19 de septiembre de 1985, Ciudad de México

Nuevo León building, Tlatelolco, Mexico city

Amplification of Seismic Waves

M8.0 Earthquake of September 19, 1985

7

Nuevo León building, Tlatelolco, Mexico city

Singh et al., 1988

Seismograms from the Copala

earthquake, Guerrero, 1995, M7.4

Accelerometric Network with ~100 stations

Lake-Bed Zone Amplification in the Valley of Mexico

• The soil of the valley is

clasified into three

geotechnical zones

• Amplification factors in

the lake-bed zone with

respect to hard-rock sites

range from 20 to 50 (0.2

< f < 0.7 Hz)

Lake-Bed Transition

Hard-Rock

Regional Amplification in the Valley of Mexico

Absolute amplification in the lakebed zone of 200 - 500 between 0.2 and 0.7 Hz with respect to hard rock site out of the valley

Hard rock sites amplification (Singh et al., 1995)

s

Singh et al., 1988

Inter- vs. Intra-Plate Mexican Earthquakes

Singh et al., 2018

Mw7.1

The Mw7.1 Earthquake of September 19th, 2017

• Intermediate-depth (57 km) intraslab normal-faulting

• 114 km south of Mexico City

• 44 building collapsed (1 to 10 stories) and 371 damaged and seriously damaged in Mexico City

• 369 dead people (228 in MC)

• Highest PGA ever recorded at hard-rock (UNAM site) in Mexico City with 57.1 gal (twice the 1985 earthquake)

Location of Damages and Geotechnical Soil Conditions

Geotechnical soil classificationCollapsed buildings and Dominant Periods

Hard Rock

Transition

Lake-bedDamage belt in transition

zone

Cruz-Atienza et al., 2017

Concept of Response Spectra

Input ground shaking

T1

T2

Resonant periods: T1 > T2

• The response spectra approximates the acceleration experienced by buildings with different resonant periods.

• The resonant period increases as 0.1 s per building level (rule of thumb).

Tall building

Small building

Buildings Seismic Forces: 1985 vs. 2017 Earthquakes

Cruz-Atienza et al., 2017

Hard Rock

Lake-Bed

The 2017 event threatened smaller buildings (< 12 stories) than the 1985 event, which mainly damaged tall structures (> 15 stories)

Distribution of Damages in Mexico City (2017 vs. 1985)

September 19th, 2017

September 19th, 1985

Courtesy of E. Reinoso et al., 2018

2-3 s Response Spectra (5% Structural Damping)

No good correlation with collapsed

buildings

74 strong motion records in the Valley of Mexico (RACM+RSVM)

SAmax = 430 gal

Damage belt

1-2 s Response Spectra (5% Structural Damping)

Good correlation with collapsed buildings

Strongest ground shaking

74 strong motion records in the Valley of Mexico (RACM+RSVM)

SAmax = 560 gal

Damage belt

Extreme and Complex Ground Motion Pattern

• Maximum SA ( > 950 gal) at 1.3 s (> 15 times larger than at hard-rock)

• Diffracted Rayleigh and Love waves in the basin edges with very large amplitudes

• The 3D basin structure plays a major role in the actual seismic response

Response Spectra (hard-rock vs. lake-bed) Particle Motion Polarization at 1.3 s

> 950 gal at 1.3 s

140 gal at 0.3 s

Hard-rock

Lake-bedTransition

830 gal at 1.3 s

590 gal at 1.8 s

580 gal at 1.5 s

Nonstructured tetrahedral mesh of central Mexico from tomographic model including the TMVB and the sedimentary basin of the Valley of Mexico.

Cross-Section of the Basin and the TMVB

10 m depth basin section

(m/s)

Fault plane

Simulation domain size: 260 x 150 x 80 km

(m/s)

• GEODG3D Discontinuous Galerkin earthquake simulator (Etienne et al., 2010; Tago et al., 2012; Cruz-Atienza et al., 2016)

• hp-Adaptative elastodynamic-equations 3D solver with intrinsic attenuation and finite source description (kinematic and dynamic)

• Tetrahedral mesh with 27.5 million elements (48 hr in 512 processors of the UNAM supercomputer Miztli)

Finite Source Model and Synthetics at CU

Final Slip (m) and Rupture Time Contours (s)

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

45

5

5

5

6

6

6

7

7

7

7

78

8

8

899

10

10

11

11

12

12

13

13

14

14

10 20 30 40

Strike (km)

5

10

15

20

25

Dip

(km

)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Static Stress Drop (MPa)

10 20 30 40

Strike (km)

5

10

15

20

25

Dip

(km

)

-5

0

5

10

Peak Slip Rate (m/s) and Rupture Time Contours (s)

11

2

2

3

3

3

4

4

4

4 5

55

56

66

6

77

7

7

7

78

8

88

8

899

9

9

10

10

11

11

12

12

13

13

14

14

15

15

16

0 10 20 30 40 50

Strike (km)

0

5

10

15

20

25

30

Dip

(km

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Rise Times (s)

0 10 20 30 40 50

Strike (km)

0

5

10

15

20

25

30

Dip

(km

)

1.5

2

2.5

3

3.5

10 -1 10 0

Hz

10 -2

10 -1

10 0

10 1

10 2

A(f

), c

m

NS Displacement Fourier Amplitude at CUP

NS

Observed

Synthetic

0 20 40 60 80 100 120

Time (s)

-4

-2

0

2

4

6

cm

0.04 > f > 1 Hz

10 -1 10 0

Hz

10 -2

10 -1

10 0

10 1

10 2

A(f

), c

m

NS Displacement Fourier Amplitude at CUP

NS

Observed

Synthetic

0 20 40 60 80 100 120

Time (s)

-4

-2

0

2

4

6

cm

0.04 > f > 1 Hz

NS component at UNAM Hard-Rock

Synthetic vs. Observed Spectral Accelerations with 5% Structural Damping (2-3 s average)

Synthetic Observed

• Good spatial correlation between the model and the actual basin response

• Motion underestimation of a factor two for frequencies higher than 0.5 Hz

Synthetic vs. Observed Spectral Accelerations with 5% Structural Damping (1-2 s average)

Synthetic Observed

• Good spatial correlation between the model and the actual basin response

• Motion underestimation of a factor two for frequencies higher than 0.5 Hz

Collapsed Buildings vs. Observed and Synthetic SAs

Profile Projection

• Collapsed buildings correlate with the maxima of observed and synthetic SA adjacent to the basin edge.

Induced/Transduced Fundamental Modes at the Basin Edges

Cruz-Atienza et al., 2016

Basin Profile

Strongamplification

Surface waves fundamental modes propagate from the basin edges and dominates the ground motion close to them.

Conclusions of the Seismic Response in Mexico City

• Damages in Mexico City concentrated along a ~6 km width basin-edge-parallel belt on top of the soil transition zone between hard-rock and the lake-bed sediments.

• Strong correlation of damages and the maximum spectral accelerations between 1 and 2 s.

• Basin-transduced and -induced surface-waves fundamental modes dominates the ground motion close to the basin edge and are likely to had produced the devastation.

• Constructive interference (resonances) of short period waves inside the basin wedge may also contribute to the extreme ground motion nearby the basin edge.

Reflexiones Finales

• Los desastres NO son una fatalidad. Si el gobierno de la República toma las decisiones correctas, éstos no ocurrirían nuevamente.

• Se deben destinar todos los fondos necesarios a los sismólogos mexicanos para estimar el peligro sísmico y diseñar métodos para el alertamiento temprano.

• Se deben destinar todos los fondos necesarios para construir una cultura de prevención (e.g. alertamiento temprano, códigos de construcción a nivel nacional, construcción en apego al reglamento, protocolos de protección civil, educación, etc.)

Reflexiones Finales

• Alerta sísmica temprana: existe un vacío legal muy preocupante que es necesario atender con celeridad.

• El gobierno federal debe asumir a la brevedad posible la rectoría y la responsabilidad de dicho alertamiento a nivel nacional.

• Al ser un problema de seguridad nacional, éste debe ser un sistema único a nivel nacional en el que todas las decisiones las tome un comité interdisciplinario de expertos.

• Falta de observancia para el cumplimiento cabal del reglamento de construcción en la Ciudad de México.

Por su atención, muchas gracias

El Suelo de la Ciudad de México

Sismo de 1985 vs. Sismo de 2017

Suel

o F

irm

eSu

elo

Bla

nd

o

Propagación de Ondas Sísmicas en el Valle de México

Simulación computacional realizada en la UNAM (Cruz-Atienza et al., Nature – Scientifc Reports, 2016)

¿Dónde ocurrieron los daños?

Zonificación geotécnica del subsueloEdificios colapsados y propiedades del suelo

¿Por qué los daños se concentraron en ciertas zonas de la ciudad?

Sistema automático SAPS-II-UNAM para la

identificación temprana de zonas potencialmente afectadas por un sismo.

Características del Movimiento del Suelo

Duración del movimientoAceleraciones en edificios

de 10 a 12 plantasS Gal

Registros sísmicos de la RACM del CIRES

Aceleraciones Experimentadas por los Edificios

Edificios de 5 a 7 plantasEdificios de 15 a 17 plantas

(en 1985 se alcanzaron los 750 gal)Gal Gal

Registros sísmicos de la RACM del CIRES

Investigaciones Actuales para la Prevención

• Proyecto SATREPS de colaboración con Japón (UNAM, SRE, CENAPRED).

• Red sismogeodésica anfibia en la brecha sísmica de Guerrero.

• Reducción del riesgo por terremoto y tsunami a través de escenarios plausibles.

El gobierno debe apoyar esta iniciativaRed sísmica anfibia

Red geodésica anfibia

• Proyecto SATREPS de colaboración con Japón (UNAM, SRE, CENAPRED).

• Instrumentación marina para cuantificar el potencial sísmico y tsunamigénico de la brecha sísmica de Guerrero para la reducción del riesgo.

Investigaciones Actuales para la Prevención

Planeador de Olas

SATREPS

UNAM

CONACyT

6.7 Millones de Dólares

Japón

México

• La instalación de una red submarina cableada frente a las costas del Pacífico mexicano.

• El alertamiento temprano de terremotos y tsunamis.

• La instalación de una red densa de GPS en la costa para el alertamiento de tsunamis.

Investigaciones Futuras para la Prevención

Red cableada de instrumentos de fondo marino en Japón para el alertamiento temprano.

Se requiere apoyo financiero para: