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DESAFÍOS PARA UNA RED VIAL RESILIENTEPROYECTO FONDEF ID14I10309. “Investigación y desarrollo de modelos para cuantificar y mitigar el riesgo de eventos naturales en la red vial nacional”
SEMINARIO
AlondraChamorro,PhDProfesoraEscuelaIngeniería,Pon3ficiaUniversidadCatólicadeChileInves3gadoraAsociadaCIGIDEN
18deOctubre,2016
SíntesisdelProyecto Beneficiaria Principal Pontificia Universidad Católica de Chile
Beneficiaria Asociada Universidad de Concepción
Entidades Interesadas • Dirección de Vialidad - Ministerio Obras Públicas • COPSA Asociación Gremial • ONEMI
I CONCURSO IDeA EN DOS ETAPAS, INTERÉS PÚBLICO
PRIMERA ETAPA DE CIENCIA APLICADA: Resultado debe ser un producto o servicio aplicado a pequeña escala DURACIÓN: 24 meses (Abril 2015 – Abril 2017)
INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE MODELOS PARA CUANTIFICAR Y MITIGAR EL RIESGO DE EVENTOS NATURALES EN LA RED VIAL NACIONAL
• DirectoradeProyecto: AlondraChamorro,PhD. ProfesoraEscueladeIngenieríaPUC Inves3gadoraAsociadaCIGIDEN.
• DirectorAlterno: HernándeSolminihac,PhD. ProfesorEscueladeIngeniería,PUC.
• Inves=gadorPrincipal: TomásEchaveguren,PhD. ProfesorEscueladeIngenieríaUdeC Inves3gadorCIGIDEN.
• AsesoraInternacional: SusanTighe,PhD.
UniversityofWaterloo,Ontario,Canada.• EquipodeInves=gaciónyGes=ón: CarolinaVidela(Coordinadora)
AlelíOsorio,PhD(Inves3gadora) JoaquínDagá(AlumnoMSc-UC) FelipeBaraKa(AlumnoMSc-UC) ManuelContreras(AlumnoMSc-UdeC) GlendaVargas(AlumnaIng-UdeC) BraulioMora(AlumnoIng-UdeC)
Equipo de Trabajo
TEMARIO 1. Antecedentes
2. SíntesisdelProyecto
3. MarcoConceptualparaDesarrollodeModelos
4. ResultadosEsperados1raEtapayDesaTos2daEtapa
ANTECEDENTES
• Vulnerabilidad: suscep3bilidad de algún agente, estructura, infraestructura o red aperder total o parcialmente su nivel de servicio debido a la accion de eventosnaturales.
• Amenaza: eventos naturales que afectan a agentes, estructuras o redes en algúninstantede3empoconunaciertaprobabilidaddeocurrenciaeintensidad.
Riesgo=f(amenazas,vulnerabilidad,exposición)
Definiciones
• Es posible es3mar la probabilidad de daño deun elemento, infraestructura o red sujeto a lapotencialamenazadeunciertoeventonaturalenunsi3odado.
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
• Redvialvulnerableaamenazasnaturalespropiasdelpaís,como:sismos,maremotos,erupcionesvolcánicas, inundaciones, inviernoal3plánico,avalanchas,remocionesenmasa,aluviones,etc.
• Entre 1990 – 2009 más de 30 mil km de caminos presentaron al menos unainterrupcióntotaloparcialporamenazasnaturales.
• La faltadeconec3vidadafectademaneradirectaa lapoblación, lacompe33vidaddelpaís,laasignaciónderecursosyeldesarrolloeconómico.
Vulnerabilidad Red Vial
Sobre-costosalosusuariosyalEstado(inversión en reposición) frente a laa l t e rna3va de m i3ga r p rev i aocurrencia de evento o proponerdiseñosmasresilientes.
Acción reac3va ante eventos naturalesmediante programas y protocolos deemergencia, des3nados a habilitar al tráficoen el menor 3empo posible en el áreaafectadapost-evento.
Prác3caComún Consecuencias
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Deterioros red vial post-evento
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Causas de cortes de caminos
Eventosnaturalescausantesdecortesdecaminosentre1990y1999enChile
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Cortes causados por remociones en masa
3
10 0
10 0
4
0 0 0
21 1 1 1 1
5
01 1
34
0
2
4 4
21
6
2 2
12
7
10
18
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
2019
80
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
Numero1de1Ev
entos1d
e1Rem
ocion
1en1
Masa
Año
RegionesmasafectadasporremocionesenmasaenChile:• Metropolitana• BioBio• LosRios• LosLagos
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
• En el año 2009 la Dirección de Vialidad del MOP licita el estudio “CatastroGeoreferenciadodeRiesgos y PeligrosNaturalesen laRedVial”.Adjudicadoenelaño2010alCentrodeCienciasAmbientales(EULA)delaU.deConcepción.ElestudiodesarrollóunÍndicederiesgoqueevalúaelriesgodelaredvial,considerando:ü Inundacionesydeslizamientosendetaludesü Iden3ficó 800 puntos de la red, totalizando 31mil km de caminos con cortes,
entre1990y2009conlocualconstruyóunindicederiesgo.
• Internacionalmenteexistenprocedimientosparacuan3ficarelriesgoyvulnerabilidadderedesvialesperononecesariamentesonaplicablesenChileporcomplejidad,porcaracteris3cas y naturaleza de las amenazas, por la tolerancia al riesgo de lapoblacion,gobernanzaasociadaalriesgoeins3tucionalidad.
Antecedentes
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
• En Chile no existen modelos obje3vos para evaluar el nivel de riesgo al cual seencuentraafectalaredvialnacional,considerandotodaslasamenazasnaturalesyapar3rdelocualmejorarlaresilienciadelaredvialnacional.
• Paraelloesnecesariocontarconmodelosquepermitan:
ü Cuan3ficarlavulnerabilidaddelainfraestructuraquecomponelaredvialnacional.
ü EvaluarMi3gacióndeefectosdeeventosnaturalespreviosasuocurrencia.
Problema y Necesidad de InvesEgación
Intensidaddelaamenaza
Prob
abilidadde
Falla
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
SÍNTESIS DEL PROYECTO
Desarrollar y validar modelos que permitancuan3ficarelnivelderiesgo queafecta laredvialnacional producto de la amenaza de eventosnaturales y asignar estrategias de mi3gación quepermitan disminuir dicho riesgo considerandocriteriosdeop3mización.
ObjeEvo General
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
• Iden3ficarloseventosnaturalesqueafectanconmayorrecurrenciaysignificanciaalaredvialnacional
• Caracterizar los elementos de la infraestructura vial y usuarios quesonmásvulnerablesanteeventosnaturalesmásrecurrentes.
• Desarrollarunmodeloquepermitacuan3ficarelriesgoasociadoalaamenazadeeventosnaturales.
• Desarrollar un modelo que permita asignar, mediante criterios deop3mizacióntécnicayeconómica,estrategiasdemi3gación.
• Aplicar y validar apequeñaescala losmodelosde cuan3ficaciónderiesgoymi3gación
• Difundirlainves3gaciónydesarrollollevadoacaboenelproyecto.
ObjeEvos Específicos
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Metodología de InvesEgación ANTECEDENTESYDISEÑOEXPERIMENTAL DIFUSIÓN
REVISIÓNYANALISISDEANTECEDENTESADICIONALES
CARACTERIZACIÓNREDVIAL,USUARIOSYEVENTOSNATURALES
DISEÑOEXPERIMENTALYAJUSTEMETODOLÓGICO
DESARROLLOYVALIDACIÓNDEMODELOS
SEMINARIOPRESENTACIÓNPROYECTOEXPERIENCIANACIONALEINTERNACIONAL
SEMINARIOPRESENTACIÓN
APLICACIÓNYVALIDACIÓNDEMODELOSAPEQUEÑAESCALA
RESULTADOSPROYECTO
DESARROLLODE DESARROLLODEMODELODECUANTIFICACIÓN
ESTRATEGIASDEMITIGACIÓNDERIESGODELAREDVIALMODELODEASIGNACIÓNDE
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
MARCO CONCEPTUAL PARA DESARROLLO DE MODELOS
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
ESTADODELAREDYAGENTES
INVENTARIOREDYAGENTES MODELOVULNERABILIDADFÍSICA(ELEMENTO)
Vfij=f(condiciónelemento“I”,=poamenaza“j”)
Ej:ModelosHazus(aplicablearedvial)
V=f{ESTADO,VEN}(Ej.Echavegurenetal.2012)V=ÍndicedeVulnerabilidad;ESTADO=Condiciónelemento;VEN=Vulnerabilidadasociadaalaamenaza
CARACTERIZACIÓNAMENAZAS
MODELOIMPORTANCIASOCIO-POLÍTICA
ISPaj=f(variablesS-P,=poamenaza“j”,Arco“a”)
Ej:FPSP=f{PS,IC,PB,PVA}(Godoyetal.2015)PS:PercepciónSocial;IC:InfraestructuraCrí3cacercanaalaVía;PB:PoblaciónBeneficiada;PVA:PresenciaVíasAlterna3vas
MODELODEMITIGACIÓN
MODELODERIESGO
ESTÁNDARESDEMITIGACIÓN
- Ac3vidadesdeMi3gaciónpor3podeelemento
- EstrategiasPropuestas
- Costosasociadosaac3vidadesdemi3gación
MODELODERIESGO(ELEMENTO)
AdaptacióncurvasdevulnerabilidadasicaCorregidascontextonacionaleimportanciaSocio-
Polí3cadearcosencontextored
IntensidaddeAmenaza
Prob
abilida
dde
FallaSistema
DATOSENTRADA
VAN-EFECTIVIDADMARGINALAPORTADACOMOROBUSTEZDELARED
CEMi=RiesgoMi3-RiesgoMitj
VANMi3-VANMitj
ESTÁNDARESESTRATÉGICOSDE
LARED
ACCIONESDEMITIGACIÓN
COSTOACCIONESDEMITIGACIÓN
ESTIMACIÓNRIESGOREDSegmentaciónred
AsignacióndetráficodelaredconinterrupcionesEj:REDARS
Etapa1ProyectoFONDEF
Etapa2ProyectoFONDEF
Enfoque Modelación de Riesgo
Enfoques
Elementospuntuales(elementosdecaminos)1eraETAPA
Elementoslongitudinales(caminos)2daETAPA
Dered(redesdecaminos)2daETAPA
Modelosbasadosen:• Índicesdeterminís3cos• Probabilidades• Costos• Mixtos
HerramientasDisponibles(GiovinazziandKing,2009):• HAZUS(USA)• Riskscape(NZ)• REDARS(USA)• ALA(USA)• MIRISK(Japon)• LESSLOSS(EU)
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
• HazusMHesunsorwaredesarrolladoporFEMA,EEUU,conelpropósitodees3marlos impactos humanos, sociales, sobre la propiedad y financieros, producto deamenazas naturales tales como sismos, viento e inundaciones, bajo condicionesexistentesydadasposiblesmedidasdemi3gación
• EsunsorwaredesarrolladoenambienteSIG,enlaplataformaArcGIS
• Con3enemodelosderiesgoTsicodedis3ntos3posdeinfraestructura,dentrodeellaslainfraestructuravial
Modelos y SoOware HAZUS MH
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Modelos de Riesgo de HAZUS
(Amenaza)x(Inventario)x(Vulnerabilidad)=Riesgo
• Sismos• Inundaciones• Huracanes
• DemograTa• Edificaciones• FacilidadesEsenciales• FacilidadesdeTransporte• Agricultura• Vehículos
Sismos Inundaciones Huracanes
• DañoTsicodirecto• DañoTsicoinducido• Pérdidasdirectas• Pérdidassociales• Pérdidasindirectas
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
ESCENARIOS AJUSTE MODELOS RIESGO
PeakGroundAccelera=on
Prob
abilida
dde
Falla
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
MODELOS DE RIESGO: - Amenaza Sísmica - Amenaza Volcánica - Amenaza Hidro-meteorológica
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
EXPERIMENTOS PARA AJUSTE MODELOS RIESGO SÍSMICO
Experimento1 HomologaciónCategoríasyMetodologíatomadeDatos
Experimento2 ValidaciónyCalibracióndeModelosdeRiesgoSísmico
• Obje=vos:• Con los datos obtenidos acerca de las emergencias viales, validar el
modeloderiesgo.• En caso de no validar sa3sfactoriamente los modelos de Hazus a
eventosenChile,sedeberácalibrarlosmodelosparaChile
• Obje=vos:• 1.a Homologar las categorías del Manual Técnico de Hazus con la
informacióndeinventariodisponibleenChile.• 1.b Homologar los estados de daño de Hazus con la información
disponibledeemergenciassísmicasreportadasenChile.
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN MODELOS RIESGO SÍSMICO
Métod
osde
Calibración Empírico
Analí3co
JuiciodeExpertos
Híbrido
Datosrealesobservadoshistóricosoexperimentos
Datosobtenidosapar3rdesimulacionesconmodelos
Comportamientobasadoenopinióndeexpertos
Mezcladedosomásmétodos
Sibiensecuentacondatoshistóricos,lacan3daddedatospuedeserinsuficientepararealizarunacalibraciónmedianteelenfoqueempírico.Endichocasoserequeriráunenfoquehíbrido,enquesecomplementela informaciónempíricaconsimulaciones.
Si curvas no se validan sa3sfactoriamente al caso chileno, será necesario realizar unacalibracióndelosparámetrosdelascurvasderiesgo.
Lavalidacióncorrespondealacomparaciónestadís3cadelvalorderiesgocalculadoconHazusyelobservadodedatohistórico
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
MODELOS DE RIESGO: - Amenaza Sísmica - Amenaza Volcánica - Amenaza Hidro-meteorológica
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
InundacionesModelosHAZUS
Marejadas(coastalsurge)
Anegamientos(floods)
Aluviones(debris)
Ribereñas
Costeras
ProcesosVolcánicos Flujospiroclás3cos
Caídadepiroclastos
Flujosdelava
Lahares
CenizasCuan=ficaciónderiesgodelaharessobreinfraestructuramediantemódulode
inundaciones(aluviones)deHAZUS-MH
Concepto general a desarrollar
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Extensivo
Curvas de fragilidad de elementos
Moderado
Leve
P(DS>=ds|IM)
Profundidadinundación(r)
1
0
• Énfasisdelaes3maciónderiesgobasadoenlasocavacióndelainfraestructuradelpuente.
• La curvas deben ser calibradas para modelar el riesgo de loslaharessobrelainfraestructurachilena.
Intensidaddellahar(m3)
Colapso
NIVELDEDAÑO
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Experimento 1. Homologación de intensidad (profundidad-volumen)
• El Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) elaboró unmétodo de delimitación de las zonas de riesgo de lahares(IversonySchilling,1998).
• Seobtuvieronrelacionesentre:• Volumen del flujo lahárico (V) y el área de la sección transversal de lainundación(A)
• Volumendelflujolahárico(V)yeláreaplanimétricadeinundación(B)eneláreadistaldelvolcán.
! = 0,05 ∗ !!/!
! = 200 ∗ !!/!
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Experimento 2. Importancia de la socavación
• Másdel60%delasfallasdepuentesenEstadosUnidossedebealasocavacióndelainfraestructuradelpuente(Richardsonetal.,2000).
• Lasocavaciónesfuncióndelavelocidaddelflujodeagua,delaalturadeaguaydeladuracióndelacrecida(FEMA,2011).
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Experimento 3. Necesidad de calibración de curvas HAZUS
• Apesardelasimilituddeladinámicadefluidosentrelaharesyaluviones,losefectossobrelainfraestructuravialsondis3ntos.
• Escombrosybolonesdelaharesaumentanlospotencialesdañosalainfraestructuravial.
Curvadefragilidadantealuviones
Intensidaddelahar(V)
1
0
RL
RACurvadefragilidadantelahares
Desaao:- Ajuste/calibracióncurvade
fragilidad
P(DS>=ds|IM)
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
MODELOS DE RIESGO: - Amenaza Sísmica - Amenaza Volcánica - Amenaza Hidro-meteorológica
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Amenaza Hidro-meteorológica: Caracterización de sub-amenazas / daño
Amenazas
Anegamientos
Aluviones
Ribereñas
Costeras
Crecidas(pluvialesynivopluviales)Ribereñas
Costeras
Marejadas
Avalanchas
DeslizamientodeTaludes
• Puentes(Hazus)• Segmentosdecaminos• ObrasProtecciónFluvial• Taludesnaturales
• TaludesdeCorte• ObrasdeArte• Calzadas
PrecipitacionesIntensas
Receptoresdedaño
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Amenaza Hidro-meteorológica: Caracterización de sub-amenazas / daño
Amenaza Indicadordeintensidad
Inundación Velocidadyaltura
Crecida Velocidadyaltura
DeslizamientodeTalud(*)
PrecipitaciónCri3caAgresividaddelaPrecipitación
Componente Daño Efecto
Puente DesplazamientodecepasoestribosErosiónTerraplendeacceso
PerdidatotaldeNS
ProtecciónFluvial SocavaciónbaseDesmoronamientoErosióndenúcleo
PérdidatotaldeNSPérdidaparcialdeNS
TaluddeCorte ObstruccióntotaloparcialdecalzadaObstrucciónydestruccióndecalzadaconcompromisodeplataforma
PérdidatotaldeNSPérdidaparcialdeNS
TaluddeTerraplén DestrucciónparcialdeplataformaDestruccióntotaldeplataforma
PérdidatotaldeNSPérdidaparcialdeNS
TaludNatural Destruccióntotaldeplataforma PerdidatotaldeNS
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Amenaza Hidro-meteorológica: Calibración Hazus
ProbabilidaddeDaño
IntensidaddelaAmenaza0
1
3empo
PorcentajedeDaño
t1 t2 t3
AjustecurvasHazusparapuentes
CurvadeRestauracióndeHazus
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
MODELO DE MITIGACIÓN
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Modelo de MiEgación: Criterios de clasificación emergencias
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Modelo de MiEgación: Criterios de asignación de costos
Acadaestrategialecorrespondeunconjuntodeoperacionesdemantenimientoconpreciounitario,can3daddeobrapromedioyrendimiento,actualizadosamonedade2016.DatosobtenidosdeemergenciasMOP
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Modelo de MiEgación: Ejemplo costos y rendimientos
RendimientosdeoperacionesPermitenes3mar3empoderestauracion
CostounitariodeoperacionesPermitenestudiarmodelodeevaluacionsocial
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Modelo de MiEgación: Calibración curva restauración Hazus
3empot1 t2 t3
PorcentajedeDaño
Ajuste3emporestauraciónparapuenteschilenos
PorcentajedeRecuperaciónconsiderandohomologaciónde3podepuentesChile-Hazus
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
RESULTADOS ESPERADOS
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Resultados Etapa 1 Proyecto • Modelosderiesgoparaelementosdelaredvialmásvulnerablesante
eventossísmicos,volcánicosehidro-meteorológicos(crecidasyestabilidaddetaludes)validadosycalibradosparaChile.
• Estrategiasdemi3gación(3poycostosasociados)recomendadaspara
elementosdelaredvialmásvulnerablesanteeventossísmicos,volcánicosehidro-meteorológicos(crecidasyestabilidaddetaludes)
• Aplicacióndemodelosapequeñaescala
• Recomendacionesparalaevaluaciónyauscultacióndedeterioros/variablesqueincidenenlavulnerabilidaddeelementosquecomponenlaredvialnacional
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
Desacos Etapa 2 Proyecto • Desarrollomodelosderiesgoanivelderedconsiderandoeventossísmicos,
volcánicosehidro-meteorológicos(crecidasyestabilidaddetaludes.
• DesarrolloeintegracióndemodelosdevulnerabilidadNo-Física(Ej.vulnerabilidadsocial,polí3ca,estratégica,etc.)
• Op3mizacióndeestrategiasdemi3gaciónaniveldered
• Desarrolloprogramacomputacionalpararealizaranálisisderiesgoymi3gaciónanivelderedconinterfazSIG
Antecedentes > Síntesis del Proyecto > Desarrollo Modelos > Resultados Esperados y Desafíos
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