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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

CARACTERIZACIÓN DEL DAÑO CAUSADO A ESTRUCTURAS Y CONTENIDOS

POR INUNDACIONES FLUVIALES Y COSTERAS

Benjamín Huerta Garnica1, Beatriz Edith Vega Serratos2 y Carlos Eduardo Avelar Frausto3

RESUMEN En este trabajo proponemos una metodología, basada en estudios previos, que permite estimar el daño esperado a inmuebles específicos partiendo que se conoce la profundidad de inundación fluvial o costera. Se presentan expresiones de manera conceptual para diferentes usos o giros de inmuebles, entre los que podemos citar: hoteles, casas habitación, oficinas, bodegas, entre otros, además se hace una comparación de algunas de estas expresiones con casos reales. La metodología expuesta considera que el sistema estructural de los inmuebles analizados es resistente a los efectos de la inundación, es decir, que no se producirá el colapso de los mismos.

ABSTRACT In this work we propose a methodology based on previous studies, that allow damage estimation for specific buildings once fluvial or costal flood depth is known. Conceptual expressions for different building uses are presented, for example: hotels, houses, offices, warehouses, among others. Also a comparison of the results obtained by the expressions proposed with real cases is made. The proposed methodology considers that the structural system of the analyzed buildings is flood effects resistant, that is to say, no structural collapse will occur.

INTRODUCCIÓN En los últimos años el daño por inundación fluvial y costera ha aumentado debido, en gran medida, al acelerado desarrollo de las comunidades, las cuales se asientan en zonas de alto riesgo de inundación modificando los ecosistemas locales y exponiendo a otros poblados. Actualmente existe una necesidad primordial, para la toma de decisiones, de contar con instrumentos de gestión que permita disponer de información aproximada pero confiable con respecto a la dinámica de los efectos de fenómenos naturales para la valuación del riesgo y la mitigación de desastres en zonas urbanas. Una de las definiciones conceptuales más aceptadas en estimación del riesgo es la que involucra tres factores: la probabilidad de que ocurra un fenómeno potencialmente dañino, es decir el peligro, la vulnerabilidad o la relación de intensidad a daño y el valor de los bienes expuestos. Este trabajo aborda el segundo de estos factores, presentando de forma conceptual las funciones de vulnerabilidad o daño por inundación para construcciones con diferentes usos, clasificadas como edificios o naves industriales. Queda fuera del alcance de este trabajo los daños provocados por socavación, falta de resistencia por reblandecimiento del suelo o deficiencia de la cimentación que pueden producir el colapso de las estructuras. Las funciones de daño de estructuras presentadas en este estudio están basadas en observaciones de daños a estructuras típicas, así como en estudios previos mencionados brevemente en este documento. Para los contenidos de los diferentes usos de inmuebles se realizaron inventarios supuestos de los diferentes objetos que contienen cada uno de ellos, posteriormente se desarrollaron las funciones mediante ejercicios de simulación de profundidad del agua y suposición de los daños que éstos pueden presentar; por último se realiza una comparación de los resultados de estas funciones con algunos datos reales descritos en este documento.

1 Coordinador de Proyectos, ERN Ingenieros Consultores, S.C., Desierto de los Leones No. 46 Casa 2, Col. San Ángel, Del. Álvaro Obregón, C.P. 01000 México, D.F., Tel.-Fax 5616-8161 al 64; [email protected] 2 Responsable de Proyectos, ERN Ingenieros Consultores, S.C., [email protected] 3 Responsable de Proyectos, ERN Ingenieros Consultores, S.C., [email protected]

XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006

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ANTECEDENTES

En las planicies de los grandes ríos de México, prácticamente todos los años se producen inundaciones “fluviales” derivadas de sus desbordamientos. La causa principal es la pérdida de la capacidad hidráulica de estas corrientes, una vez que pasan de la zona montañosa a las zonas bajas que anteceden la desembocadura en el mar. En contraste, en las zonas semidesérticas las inundaciones son menos frecuentes, por lo que suelen olvidarse; sin embargo, cuando se presentan causan serios problemas. Además de las inundaciones fluviales, las zonas costeras pueden ser afectadas por la marea de tormenta, particularmente en el Golfo de México, donde la sobreelevación del nivel medio del mar hace que éste penetre tierra adentro afectando en algunas ocasiones zonas muy amplias. A este fenómeno se suma el del oleaje y juntos causan daños importantes, como la socavación de los cimientos en los edificios costeros, la destrucción de instalaciones portuarias, la rotura de las obras de protección costera y la erosión de las playas. Los tsunamis son también un riesgo para los residentes costeros que viven cerca del Océano Pacífico cuyas olas pueden alcanzar alturas de varios metros y provocar pérdidas humanas y materiales, principalmente por el incremento en la altura del mar y la gran extensión a la que éste puede penetrar. El efecto del agua no sólo es destructivo al avanzar tierra adentro, sino también en su retirada hacia el mar. En resumen, los huracanes, inundaciones y maremotos producen daño por inundación cada vez con mayor frecuencia en todo el mundo, prueba de ellos fueron los eventos ciclónicos ocurridos en el 2005; Emily resentido de manera significativa en Veracruz; Katrina que puede ser el peor desastre natural en la historia de los Estados Unidos; y que decir de Stan y Wilma, eventos que desbarataron las costas de Veracruz, Oaxaca y Chiapas, el primero, y Jamaica, Quintana Roo y Florida, el segundo. Tampoco podemos olvidar el Tsunami del 26 de diciembre de 2004 que afectó todo el Océano Indico, devastó regiones de Sumatra y Sri Lanka causando una verdadera tragedia, probablemente el tsunami más destructivo de la historia. La vulnerabilidad ante inundación de las edificaciones depende de la resistencia de las mismas para tomar presiones hidrostáticas e hidrodinámicas, su flotabilidad y la resistencia a impactos (Fig. 1). También es muy importante la capacidad de la cimentación al efecto erosivo de las aguas y la estabilidad de los materiales de construcción para permanecer inmersos bajo el agua por algún tiempo. En este sentido las construcciones de muros de tierra, adobe o materiales frágiles, al permanecer bajo el agua pierden su resistencia y colapsan, destruyéndose en su totalidad. Las edificaciones de concreto armado y mampostería reforzada tienen una resistencia adecuada para soportar las cargas provocadas por inundaciones de velocidades bajas a medias, en cambios si las velocidades son superiores a 5 m/s la gran mayoría de las construcciones son destruidas por erosión de cimentación. En este estudio se considera que las estructuras analizadas resisten todas las acciones mencionadas y que el daño de las mismas sólo se presenta en elementos no estructurales, acabados y por supuesto en sus contenidos.

Figura 1 Fuerzas sobre las estructuras debida a inundación (Pagán y Zapata, 2004)

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ESTUDIOS PREVIOS

A continuación se enumeran brevemente sólo algunos de los trabajos encontrados en la bibliografía, cuya línea de investigación ha sido la determinación de curvas de vulnerabilidad, los cuales han servido de referencia y apoyo para la metodología propuesta en este trabajo. Es importante aclarar que estos trabajos, y el que se propone, no pretenden determinar el daño preciso de una construcción en particular, sino el valor esperado promedio de un conjunto de construcciones de las cuales se cuenta con información mínima como su localización, uso y número de niveles. Metodología propuesta en México El Sistema Nacional de Protección Civil y el Centro Nacional de Prevención de Desastres (2004) realizaron una guía para la elaboración de Atlas de Peligro y Riesgo, en ese estudio se proponen ciertos criterios para la evaluación de la vulnerabilidad en las viviendas y sus contenidos, tomando como punto de partida el nivel socioeconómico de los usuarios. Para el caso del análisis referente a las estructuras de las viviendas, el estudio propone 5 índices de vulnerabilidad, los cuales están en función del material y tipo de construcción que más se utiliza en México, para mayor referencia de estos índices se puede consultar el trabajo citado. Para el caso de la vulnerabilidad en los contenidos este estudio propone curvas de daño para cinco clasificaciones, en la figura 2 se muestran a manera de ejemplo dos de estas curvas, para uno y dos niveles, respectivamente.

Figura 2 Funciones de Vulnerabilidad propuestas por CENAPRED La metodología propuesta en dicho trabajo consiste en que a cada tipo de vivienda se le asigne cierta configuración de contenidos, considerando la cantidad y calidad de éstos, así como también la clase social que habita cada tipología. Según el criterio propuesto, una vivienda tipo residencial de dos niveles es construida con acabados y elementos decorativos con un valor mayor al de las viviendas comunes de interés medio-bajo. El menaje está formado por artículos de buena calidad y con muchos elementos de confort, un ejemplo de la configuración de los contenidos es la que se muestra en la figura 3.

Figura 3 Ejemplo de menaje considerado para la vivienda tipo residencial


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Metodología desarrollada para Brasil La investigación que hicieron científicos brasileños se basa principalmente en una metodología para obtener las curvas de daño en función de la profundidad de inundación convirtiéndolas en valores monetarios. Inicialmente se consideraron diferentes tipos de usos de tierra clasificados por sectores: residencial, comercial, servicios, industrial e infraestructura para servicios públicos. Finalmente el estudio se centró en las curvas de daño contra inundación para el sector residencial; se utilizó la base de datos de la ciudad de Itajubá, en el valle del río Sapucaí en la región sureste de Brasil (Flood-damages curves, 2005). En la figura 4 se muestra una de las gráficas obtenidas.

Figura 4 Ejemplo de curvas de daño por inundación obtenidas para Brasil

A diferencia de lo propuesto en México, el análisis estadístico de daños mostrado en este trabajo muestra una curva que asemeja una media parábola, cuya concavidad propone que para tirantes pequeños el daño observado es más significativo que el propuesto por las curvas de la figura 3. Metodología desarrollada para Alemania Este estudio propone curvas de daño por inundación para diferentes tipos de edificios, así como también para diferentes tipos de contenidos dependiendo del uso del edificio. Este trabajo fue realizado para la zona costera de Schleswig-Holstein en la cual se aplicaron tres métodos para determinar los daños por inundación. Se empezó aplicando un primer método con una escala a nivel macro de toda la región; posteriormente se utilizó una segunda metodología a nivel medio (meso), esto es, se localizaron aquellas zonas costeras bajas para realizar esta parte del estudio; finalmente, se hizo un estudio a nivel micro, donde participaron 6 ciudades y municipios para obtener la evolución de daño. En este último estudio (MERK; Reese et al. 2003; Reese 2003) se proponen una serie de más de 10 funciones de daños contra inundación para diferentes categorías, las cuales fueron tomadas de otro estudio realizado por Consultancy Plan EVAL que utilizó una base de datos de daños llamada HOWAS, éstas funciones a su vez fueron ajustadas para las condiciones regionales por expertos en el área. En la figura 5 se muestra como ejemplo las curvas propuestas para estructura y para contenidos respectivamente.

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Figura 5 Ejemplo de curvas de daño por inundación para Alemania

Estas curvas muestran algunas relaciones lineales de daño a construcciones y para algunos contenidos muestran formas parabólicas similares a la curva de la figura 4.

METODOLOGÍA PROPUESTA EN ESTE TRABAJO Es un hecho que existe diferencia importante en cuanto a la forma y los valores propuestos en la bibliografía consultada expuesta en las secciones anteriores. Las funciones propuestas son aplicables sólo a ciertas características de estructura y contenidos, y salvo la primera propuesta, las otras dos reflejan las características y valores de los inmuebles y contenidos de la región donde se desarrolló cada estudio. En esta sección mostraremos de manera conceptual los resultados de una metodología desarrollada para obtener funciones de daño a contenidos y estructura, debidos a inundación y que formarán parte de un sistema de cómputo para la estimación de pérdidas por riesgos hidrometeorológicos en las construcciones aseguradas de México. Los criterios de esta metodología se basan en la primera propuesta aplicable a México pero tomando en cuenta las formas mostradas en los otros dos estudios. En este trabajo se contemplan los usos más comunes de edificios asegurados en México y actualmente se encuentra en la etapa de calibración, por lo que mostraremos algunas de las comparaciones que se han realizado con casos reales proporcionados por las aseguradoras, para lo cual describiremos los resultados sólo de forma conceptual para mantener la confidencialidad de la información proporcionada. Es importante aclarar que los resultados obtenidos de estos análisis no deben emplearse directamente en estimación de pérdidas, estas funciones requieren un modelo de incertidumbre apropiado el cual debe resultar del análisis más detallado de los datos de siniestros o de ejercicios numéricos apropiados, los cuales están pendientes en este trabajo. En esta metodología se proponen diferentes configuraciones y valores de los contenidos y elementos no estructurales para diferentes usos de inmuebles como hoteles, casas habitación, oficinas, bodegas, entre otros. En la tabla 1 se muestra parte de un inventario que ejemplifica la forma en que se llevaron a cabo los ejercicios, la tabla muestra los contenidos de una habitación sencilla de hotel en planta baja, la primer columna describe el tipo de contenidos, la segunda su valor en porcentaje respecto al valor total de los contenidos del cuarto y las siguientes en rojo son los porcentajes de daños “supuestos” para cada objeto debido a los diferentes valores de tirantes de inundación en metros. En estos ejercicios participaron varios expertos y cada uno propuso valores de daño para los objetos ejemplificados en la tabla 1 para todos los casos analizados, discutiéndose las mayores discrepancias de los valores obtenidos por cada uno y obteniendo valores promedio para su análisis, los ejercicios sólo se realizaron para estructuras de un nivel.


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Tabla 1 Ejemplo de inventario y daño por inundación para un cuarto de hotel en planta baja

Descripción Valor (%) % de daño para diferentes profundidades (m) 0.05 0.5 1.0 1.5 2.5 Cama 11.30% 2% 90% 100% 100% 100% Mesas de noche 0.90% 2% 30% 90% 100% 100% Lámparas 0.90% 0% 0% 70% 90% 100% Teléfono 0.27% 0% 0% 100% 100% 100% Tocador/espejo 2.71% 5% 50% 80% 90% 100% Televisión 1.81% 0% 0% 100% 100% 100% Clóset 1.36% 5% 40% 60% 70% 100% Plancha 0.32% 0% 0% 100% 100% 100% Burro 0.14% 5% 40% 80% 90% 100% Caja seguridad 1.58% 0% 0% 20% 50% 60% Cortinas/baño 0.23% 0% 10% 20% 30% 30% Secadora 0.23% 0% 0% 100% 100% 100%

Los resultados promedio se ajustaron a las curvas que de manera conceptual y preliminar mostramos en este estudio. En la figura 6 se muestran ejemplos de los resultados para algunos tipos de estructuras, las curvas obtenidas con esta metodología contemplan el daño tanto para contenidos como para estructura. La expresión que representa el daño de estructuras de un nivel es una función polinomial de tercer grado que inicia en cero, como la presentada en la ecuación 1.

tctbtatN ⋅+⋅+⋅= 231 )(δ (1)

donde: t = Tirante de inundación para el sitio analizado a, b, c = Constantes que definen el ajuste de la función a los valores promedio citados

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Tirante (m)

Pérd

ida

Tipo de Uso 1Tipo de Uso 2Tipo de Uso 3Tipo de Uso 4Tipo de Uso 5Tipo de Uso 6

Figura 6 Ejemplo de funciones de vulnerabilidad de inundación para estructura y contenidos Para varios niveles se extrapoló la función conceptual de daño de un nivel, suponiendo que los valores y la densidad de contenidos se mantendrán constantes con el número de niveles, de esta forma se obtuvo una expresión general para cualquier número de niveles y para cualquier profundidad de agua, la cual se muestra en la ecuación 2.

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( )

T

NstN

NtN )~(1 1max1 δδ

δ+−⋅

= (2)

donde: max1Nδ = Daño máximo de la función para un nivel, ec. 1 para tirante máximo.

)~(1 tNδ = Daño para un tirante relativo sobre los niveles completamente inundados, ec. 1.

)1(~ −⋅−= stN Nhtt , tirante relativo sobre los niveles inundados. hN = Altura de entrepiso.

)(N

SUPst htEntN = , nivel donde se encuentra la superficie de inundación del agua, definido

como el valor entero superior de la relación indicada. NT = Es el número total de niveles.

Con la aplicación de la ecuación 2 se pueden obtener las curvas de daño para cualquier número de niveles en función de las curvas obtenidas para un nivel mostradas en la figura 6, en la figura 7 se muestra un ejemplo de la aplicación de esta ecuación.

0 1 2 3 4 5 6 7Tirante (m)

Pérd

ida

UN NIVELDOS NIVELESTRES NIVELES

Figura 7 Ejemplo de las funciones obtenidas para inmuebles de varios niveles

CASOS REALES

En esta sección se enumeran, a manera de ejemplo, algunos casos reales de daños por inundación provocados básicamente por el huracán Wilma; en estas construcciones se presentaron daños combinados debidos a los diversos efectos generados por el huracán en los que interviene la fuerza del viento, el golpe de la marea de tormenta y la inundación tanto por marea como por lluvia. Auque la información presenta éstas características se decidió incluirla para tener un punto de referencia en cuanto a las funciones obtenidas en los análisis antes citados, se comentan los daños sólo de forma general y no se incluye información precisa de los inmuebles para mantener la confidencialidad con la fuente que nos proporciono la información. Caso 1 Este inmueble está construido a base de pisos y muros de concreto, con techos de palma de un nivel. Está ubicado en Tulúm sobre la línea de costa y los daños presentados en la estructura fueron debidos al oleaje y el viento generado por el huracán Wilma. Se estima que el tirante de inundación llego al nivel de un metro dentro del inmueble.


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Figura 8 Fotos de daños en el inmueble Caso 1 Caso 2 El inmueble esta ubicado en Cancún y consta de muros de mampostería, losas de concreto y techos de aluminio en una construcción de un nivel de 5 metros de altura; éste presentó daños en los muros de mampostería y pérdida de los techos de aluminio, dejando a su vez expuestos los contenidos. Las afectaciones fueron debido a la inundación por lluvia y a los fuertes vientos provocados por el huracán Wilma. La altura de inundación fue de 80 centímetros.

Figura 9 Fotos de daños en el inmueble Caso 2 Caso 3 Este inmueble se encuentra en Cancún y está construido con muros de mampostería y losas de concreto de un nivel. Los daños causados por el huracán Wilma fueron debidos al viento que desprendió antenas ubicadas en la azotea, sistemas de aire acondicionado y ventanas. Por otro lado, se presentó en el interior una inundación de 30 centímetros dañando equipo electrónico, instalaciones eléctricas y el mobiliario.

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Figura 10 Fotos de daños en el inmueble Caso 3 Caso 4 El inmueble se encuentra en Playa del Carmen ubicado en la primera línea de costa. Este inmueble consta de diversas villas de 2 pisos, construidas con muros de mampostería y losas de concreto. Los daños causados en las instalaciones fueron debidos al oleaje y la marea, así como también por el viento generado por el huracán Wilma. Según los reportes de daños el tirante de inundación en estas villas fue de un metro.

Figura 11 Fotos de daños en el inmueble Caso 4 Caso 5 Este inmueble es de 4 pisos a base de muros de mampostería y techos de teja, se encuentra ubicado en Playa del Carmen sobre la primera línea de costa. Los daños reportados se debieron principalmente al oleaje y la marea, pero también al viento, provocados por el huracán Wilma. La inundación se estima en 1.1 metros.

Figura 12 Fotos de de daños en el inmueble Caso 5


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Caso 6 El inmueble de dos pisos se encuentra ubicado en la primera línea de la laguna Nichupté, construida con muros de mampostería y losas de concreto además de techumbres de madera en terrazas y áreas abiertas. Los daños presentados fueron debido a la inundación de 50 centímetros provocada por el incremento del nivel del agua en la laguna y los fuertes vientos por el paso del huracán Wilma, lo anterior generó daños en los contenidos así como en algunas estructuras del inmueble.

Figura 13 Fotos de daños en el inmueble Caso 6 Caso 7 El inmueble se encuentra en el centro de la ciudad de Cancún, Quintana Roo, consta de tres pisos y está construido con muros de mampostería y losas de concreto. El inmueble presentó daños tanto en contenidos como en la estructura, principalmente por inundación debido a lluvia y por viento. Como consecuencias del huracán Wilma se estima que la inundación alcanzó 1.2 metros.

Figura 14 Fotos de daños en el inmueble Caso 7 En la figura 15 se muestran gráficas comparativas de las funciones obtenidas para cada tipo correspondiente a los casos antes descritos (Fun_Caso #), con el mismo símbolo se muestra la información de daños proporcionados por las compañías de seguros para cada uno de los casos (Reportado). Se observan dos valores reportados de daños, uno de ellos es el monto reclamado por el dueño del inmueble (valor superior) y el otro corresponde al monto ajustado por la compañía de seguros (valor inferior). Los daños reportados no están desglosados por la causa del daño y como se comenta en las descripciones todos los inmuebles sufrieron daño por inundación y también por viento, se decidió realizar las comparaciones directas sólo para tener puntos de referencia en cuanto a los valores propuestos y para observar la congruencia de la tendencia de las curvas, que a nuestro juicio resulto satisfactoria. Un estudio posterior podría incluir mayor información de los daños y el desglose de los mismos para proponer una distribución de probabilidad de la dispersión en la estimación del daño esperado, reconocemos que las aplicaciones de estas expresiones son acotadas ya que sabemos existe gran incertidumbre en cuanto a la vulnerabilidad de los contenidos.

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0 0.5 1 1.5 2Tirante (m)

Pérd

ida

Fun_Caso 1ReportadoFun_Caso 2ReportadoFun_Caso 3Reportado

0 0.5 1 1.5 2

Tirante (m)

Pér

dida

Fun_Caso 4ReportadoFun_Caso 5ReportadoFun_Caso 6ReportadoFun_Caso 7Reportado

Figura 15 Comparación de funciones con casos reales

CONCLUSIONES En este trabajo se propone una metodología para construir funciones de daño por inundación, basada en trabajos previos de México y otros países. Se generaron funciones de vulnerabilidad para diversos tipos de inmuebles suponiendo una distribución de contendidos común al uso del mismo y simulando el daño mediante suposiciones de la afectación para diferentes profundidades, en las que participaron varios expertos en el tema. Se propusieron expresiones generales para estimar de manera simple el daño por inundación de inmuebles con cualquier número de pisos y alturas de entrepiso. Por último realizamos comparaciones de las funciones con información real de los daños proporcionada por las compañías de seguros. El objetivo de las funciones es aplicarlas para la evaluación de pérdidas esperadas con fines de reservas de seguro o con fines de mitigación de daños causados por desastres, así pues, los tipos de uso de inmuebles considerados corresponden con los tipos comunes de inmuebles asegurados en México. Encontramos buena concordancia entre las funciones obtenidas y los daños reportados a pesar de que no se tiene un desglose de daños específicos por inundación, reconocemos que existe gran incertidumbre en cuanto a la vulnerabilidad de los contenidos por la variedad de materiales con la que pueden ser fabricados, por lo que proponemos que las funciones obtenidas sean empleadas sólo cuando se cuente con información de la distribución de probabilidad de estas dispersiones y realizando un análisis de acuerdo con esta información.

REFERENCIAS Flood-damages curves (2005), “Methodological development for the Brazilian context 10th International conference on Urban Drainage”, Copenhagen/Denmark 21-26 August. Ismael Pagán Trinidad y Raúl Zapata López (2004), “Daños Causados por Inundaciones” Presentación para la Oficina de la Comisionada de Seguros de Puerto Rico, Universidad de Puerto Rico, Mayagüez. MERK; Reese et al. (2003), “Micro-scale Risk Evaluation of Flood-prone Coastal Lowlands” Meyer and Messner (2005), “National Flood Damage Evaluation Methods A Review of Applied Methods in England, the Netherlands, the Czech Republic and Germany”, UFZ-Discussion Papers Department of Economics Sistema Nacional de Protección Civil y CENAPRED (2004), “Guía Básica para la Elaboración de Atlas Estatales y Municipales de Peligro y Riesgo” Sterr H, Markau HJ & Reese S (2005), “Analyses of Previous Vulnerabily Studies in the Pilot Site German Bight Coast” (TASK 27). FLOODsite Status-Report.

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