Desarrollo Modelos

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

Deterioros red vial post-evento

Causas de cortes de caminos

Eventosnaturalescausantesdecortesdecaminosentre1990y1999enChile

Cortes causados por remociones en masa

21 1 1 1 1

Numero1de1Ev

entos1d

RegionesmasafectadasporremocionesenmasaenChile:•  Metropolitana•  BioBio•  LosRios•  LosLagos

•  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

•  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

abilidadde

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

•  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

Metodología de InvesEgación ANTECEDENTESYDISEÑOEXPERIMENTAL DIFUSIÓN

REVISIÓNYANALISISDEANTECEDENTESADICIONALES

CARACTERIZACIÓNREDVIAL,USUARIOSYEVENTOSNATURALES

DISEÑOEXPERIMENTALYAJUSTEMETODOLÓGICO

DESARROLLOYVALIDACIÓNDEMODELOS

SEMINARIOPRESENTACIÓNPROYECTOEXPERIENCIANACIONALEINTERNACIONAL

SEMINARIOPRESENTACIÓN

APLICACIÓNYVALIDACIÓNDEMODELOSAPEQUEÑAESCALA

RESULTADOSPROYECTO

DESARROLLODE DESARROLLODEMODELODECUANTIFICACIÓN

ESTRATEGIASDEMITIGACIÓNDERIESGODELAREDVIALMODELODEASIGNACIÓNDE

MARCO CONCEPTUAL PARA DESARROLLO DE MODELOS

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

abilida

FallaSistema

DATOSENTRADA

VAN-EFECTIVIDADMARGINALAPORTADACOMOROBUSTEZDELARED

CEMi=RiesgoMi3-RiesgoMitj

VANMi3-VANMitj

ESTÁNDARESESTRATÉGICOSDE

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)

•  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

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

ESCENARIOS AJUSTE MODELOS RIESGO

PeakGroundAccelera=on

abilida

MODELOS DE RIESGO: - Amenaza Sísmica - Amenaza Volcánica - Amenaza Hidro-meteorológica

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.

VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN MODELOS RIESGO SÍSMICO

Métod

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

InundacionesModelosHAZUS

Marejadas(coastalsurge)

Anegamientos(floods)

Aluviones(debris)

Ribereñas

Costeras

ProcesosVolcánicos Flujospiroclás3cos

Caídadepiroclastos

Flujosdelava

Lahares

CenizasCuan=ficaciónderiesgodelaharessobreinfraestructuramediantemódulode

inundaciones(aluviones)deHAZUS-MH

Concepto general a desarrollar

Extensivo

Curvas de fragilidad de elementos

Moderado

P(DS>=ds|IM)

Profundidadinundación(r)

• Énfasisdelaes3maciónderiesgobasadoenlasocavacióndelainfraestructuradelpuente.

• La curvas deben ser calibradas para modelar el riesgo de loslaharessobrelainfraestructurachilena.

Intensidaddellahar(m3)

Colapso

NIVELDEDAÑO

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 ∗ !!/!

Experimento 2. Importancia de la socavación

• Másdel60%delasfallasdepuentesenEstadosUnidossedebealasocavacióndelainfraestructuradelpuente(Richardsonetal.,2000).

• Lasocavaciónesfuncióndelavelocidaddelflujodeagua,delaalturadeaguaydeladuracióndelacrecida(FEMA,2011).

Experimento 3. Necesidad de calibración de curvas HAZUS

• Apesardelasimilituddeladinámicadefluidosentrelaharesyaluviones,losefectossobrelainfraestructuravialsondis3ntos.

• Escombrosybolonesdelaharesaumentanlospotencialesdañosalainfraestructuravial.

Curvadefragilidadantealuviones

Intensidaddelahar(V)

RACurvadefragilidadantelahares

Desaao:-  Ajuste/calibracióncurvade

fragilidad

P(DS>=ds|IM)

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

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

TaluddeTerraplén DestrucciónparcialdeplataformaDestruccióntotaldeplataforma

TaludNatural Destruccióntotaldeplataforma PerdidatotaldeNS

Amenaza Hidro-meteorológica: Calibración Hazus

ProbabilidaddeDaño

IntensidaddelaAmenaza0

PorcentajedeDaño

t1 t2 t3

AjustecurvasHazusparapuentes

CurvadeRestauracióndeHazus

MODELO DE MITIGACIÓN

Modelo de MiEgación: Criterios de clasificación emergencias

Modelo de MiEgación: Criterios de asignación de costos

Acadaestrategialecorrespondeunconjuntodeoperacionesdemantenimientoconpreciounitario,can3daddeobrapromedioyrendimiento,actualizadosamonedade2016.DatosobtenidosdeemergenciasMOP

Modelo de MiEgación: Ejemplo costos y rendimientos

RendimientosdeoperacionesPermitenes3mar3empoderestauracion

CostounitariodeoperacionesPermitenestudiarmodelodeevaluacionsocial

Modelo de MiEgación: Calibración curva restauración Hazus

3empot1 t2 t3

PorcentajedeDaño

Ajuste3emporestauraciónparapuenteschilenos

PorcentajedeRecuperaciónconsiderandohomologaciónde3podepuentesChile-Hazus

RESULTADOS ESPERADOS

Resultados Etapa 1 Proyecto •  Modelosderiesgoparaelementosdelaredvialmásvulnerablesante

eventossísmicos,volcánicosehidro-meteorológicos(crecidasyestabilidaddetaludes)validadosycalibradosparaChile.

•  Estrategiasdemi3gación(3poycostosasociados)recomendadaspara

elementosdelaredvialmásvulnerablesanteeventossísmicos,volcánicosehidro-meteorológicos(crecidasyestabilidaddetaludes)

•  Aplicacióndemodelosapequeñaescala

•  Recomendacionesparalaevaluaciónyauscultacióndedeterioros/variablesqueincidenenlavulnerabilidaddeelementosquecomponenlaredvialnacional

Desacos Etapa 2 Proyecto •  Desarrollomodelosderiesgoanivelderedconsiderandoeventossísmicos,

volcánicosehidro-meteorológicos(crecidasyestabilidaddetaludes.

•  DesarrolloeintegracióndemodelosdevulnerabilidadNo-Física(Ej.vulnerabilidadsocial,polí3ca,estratégica,etc.)

•  Op3mizacióndeestrategiasdemi3gaciónaniveldered

•  Desarrolloprogramacomputacionalpararealizaranálisisderiesgoymi3gaciónanivelderedconinterfazSIG

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