EVALUACIÓN DE EFECTOS DE SITIO PARA LA

EVALUACIÓN DE EFECTOS DE SITIO PARA LA

EVALUACIÓN DE EFECTOS DE SITIO PARA LA
MICROZONIFICACIÓN SÍSMICA DE PEREIRA
ANIBAL E. OJEDA C.*
*
JEFE RED SISMOLÓGICA Y DE ACELERÓGRAFOS NACIONAL DE COLOMBIA
Instituto de Investigaciones en Geociencias, Minería y Química - INGEOMINAS
Santafé de Bogotá, diagonal 53 # 34-53 Tel : (91) 222 1811
Fax : (91) 222 0438
e-mail : [email protected]
RESUMEN
Se presenta la evaluación de efectos de sitio en Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de
Cabal, a partir de registros de sismos fuertes, débiles y microtrepidaciones ; la
metodología consistió en comparar los resultados obtenidos con sismos y
microtrepidaciones, utilizando distintas técnicas de análisis. Para el registro de la
información sísmica, se instaló una red local de acelerógrafos que consta de seis
estaciones sobre suelo blando y una sobre roca. Los períodos y amplificaciones relativas
para cada uno de estos sitios se calcularon a partir de espectros de respuesta y espectros
de amplificación (técnica de Kagami), seguido se tomaron registros de microtrepidaciones
y se analizaron calculando espectros de Fourier y de Nakamura (espectro de frecuencias
de la componente horizontal entre espectro de frecuencias de la componente vertical). Los
resultados obtenidos con sismos fuertes, débiles y microtrepidaciones se compararon,
encontrando semejanza en los resultados obtenidos para sismos y microtrepidaciones.
Con los datos en toda la zona de estudio, se propone un mapa de isoperíodos que es
considerado como una zonificación. Para finalizar, se plantean unos modelos teóricos que
permiten calcular curvas de amplificación y comparar los resultados obtenidos contra los
modelos empíricos.
1 INTRODUCCIÓN
Las condiciones o efectos locales de sitio son de los factores mas influyentes en la
distribución de daños durante sismos, de allí la importancia de adelantar estudios
tendientes ha determinar el comportamiento dinámico de los suelos y su respuesta
cuando están sometidos a sismos y cargas dinámicas.
La repuesta local de sitio puede ser evaluada por métodos teóricos y empíricos. Los
primeros permiten un análisis de los distintos parámetros del problema, aunque requieren
una descripción detallada de las capas del suelo que conforman el estrato y de las fuentes
que generan los sismos, las cuales en algunos casos pueden ser muy complejas y por lo
tanto, se dificulta la construcción realista de un modelo matemático. Los métodos
empíricos se basan en registros de datos sísmicos en el sitio de interés, de tal manera
que se puedan determinar amplificaciones relativas y períodos dominantes de vibración. A
diferencia del método anterior, no se requiere una descripción detallada de las capas del
suelo, pero se necesita tener una gran cantidad de registros o información sísmica, lo cual
es posible en regiones donde se tenga una alta sismicidad y se cuente con redes de
acelerógrafos o equipos de registro sísmico. En el caso de no contar con mucha
información sísmica, se debe recurrir al uso de otros métodos. Entre las alternativas para
obtener datos sísmicos de una región en particular se encuentran las microtrepidaciones.
Las microtrepidaciones son vibraciones de baja amplitud del terreno y están conformadas
por ondas internas y superficiales. Sin embargo, algunas veces se ha encontrado que
principalmente están compuestas por ondas Rayleigh, excitadas localmente por una
fuente cercana al sitio de estudio. Investigadores han observado que las
microtrepidaciones de período largo mayor a 1 s. están conformadas por ondas
superficiales Rayleigh y Love generadas por fuentes naturales, como el viento, olas del
mar y variaciones de presión en el aire. Las microtrepidaciones de periodo corto menor a
1 s. son producidas por fuentes de ruido artificiales como el tráfico de vehículos, plantas
industriales, maquinarias, etc. Estudios adicionales han demostrado que a medida que el
período de las microtrepìdaciones decrece, su dependencia en las fuentes locales
aumenta, haciendo mas difícil interpretar las variaciones de sitio a sitio.
Las microtrepidaciones fueron estudiadas en un principio por investigadores en regiones
del Japón con el objetivo de determinar amplificaciones y períodos de vibración
dominantes en los suelos blandos, luego sus estudios se extendieron a regiones de
México, Perú, España, Italia, Francia, San Francisco y recientemente en Santafé de
Bogotá. Los resultados obtenidos con el uso de las microtrepidaciones han sido
ambiguos, en algunos casos de México y Japón, los resultados son excelentes y se
correlacionan con los resultados obtenidos con el uso de sismos y modelos teóricos,
sobre todo en la determinación de períodos dominantes, aunque los niveles de
amplificación obtenidos no siempre se correlacionan.
En el caso de Santafé de Bogotá, Ojeda y Yamin (1995), evaluaron los períodos
dominantes de vibración para los estratos de suelo blando a partir de microtrepidaciones,
los periodos obtenidos con microtrepidaciones no correspondían a los obtenidos con los
sismos, de tal manera, que se tuvo la necesidad de plantear modelos teóricos para
determinar los períodos de vibración de los suelos, los cuales mostraron que los sismos
lograban excitar al estrato de suelo blando solo hasta el segundo modo de vibración y las
microtrepidaciones alcanzaban a excitar el tercer modo de vibración. Ojeda y Yamin
(1995), concluyeron que los períodos obtenidos, estaban controlados por la profundidad
de los estratos de suelo y no por las velocidades de ondas de corte, ya que éstas, eran
muy constantes a lo largo del estrato de suelo. Las microtrepidaciones aunque no
determinaron períodos dominantes de vibración, si mostraron distintos tipos de
comportamiento dinámico de los suelos. Por otro lado, estos resultados mostraron muy
buena correlación con los obtenidos con los estudios de gravimetría en la misma zona,
integrando ambos métodos se logró determinar con gran confiabilidad la profundidad de
los estratos de suelo blando.
2 TÉCNICAS PARA EL ANÁLISIS DE MICROTREPIDACIONES
Para el análisis de microtrepidaciones se han propuesto tres técnicas que son :
Interpretación directa de la transformada de Fourier o del Espectro de Auto Correlación
también llamada Amplitudes espectrales, cálculo de los espectros relativos de
amplificación de las estaciones en suelo blando versus una estación en suelo firme o
técnica de Kagami y cálculo de los espectros entre la componente horizontal y vertical del
movimiento en un mismo sitio o técnica de Nakamura.
2.1 Amplitudes Espectrales
Esta técnica consiste básicamente en calcular el espectro de Fourier de las componentes
horizontales del movimiento y de esta manera, obtener una frecuencia predominante. En
esta técnica, se supone que las microtrepidaciones están conformadas por ondas S, que
se propagan verticalmente a través de los estratos de suelo blando y que el espectro de la
fuente de las microtrepidaciones está caracterizado por un ruido blanco.
La técnica de las Amplitudes Espectrales, ha sido utilizada por varios investigadores para
determinar períodos predominantes en suelos blandos, obteniendo buenos resultados.
Kobayashi (1986), Lermo (1994), Katz (1976) Morales (1991) y Kanai (1954).
En algunos casos se ha utilizado el espectro de Auto Correlación, el cual se calcula a
partir del espectro de Fourier, de la siguiente manera :
APS(w)=R(w)•R*(w)
(1)
donde APS(w) es el espectro de Auto Correlación, R(w) corresponde a la transformada de
Fourier y R*(w) corresponde al complejo conjugado de la transformada de Fourier.
Este espectro determina de una manera más clara el período de vibración fundamental,
pero la amplificación del sitio no la puede determinar. La calidad de los resultados con la
Auto Correlación es similar a la obtenida con la transformada de Fourier, por esta razón
en la mayoría de los casos es suficiente con tan solo calcular la transformada de Fourier.
2.2 Técnica de Kagami o espectros relativos a una estación de referencia
Esta técnica relaciona las señales registradas en una estación sobre suelo blando y otra
sobre roca o suelo firme, de tal manera que se asume que el movimiento en la superficie
en roca es representativo de la excitación de los sedimentos debajo de las capas de suelo
blando, lo cual es muy difícil cuando se trabaja con microtrepidaciones ya que estas son
afectadas muy fácilmente por las fuentes locales. El espectro de Kagami está dado por la
siguiente relación :
EK=HS(w)/HR(w)
(2)
En la cual EK(w) es el espectro de Kagami, HS(w) es el espectro horizontal de la señal en
el suelo blando y HR(w) es el espectro horizontal de la señal en roca o suelo firme.
Para aplicar esta técnica en microtrepidaciones se hace necesario identificar un tren
común de ondas entre las dos estaciones de interés, lo cual se hace tomando una
ventana de datos en suelo blando y en roca para un tiempo absoluto o calculando una
ventana representativa del movimiento en roca.
2.3 Técnica de Nakamura o espectros horizontales entre verticales
Nakamura (1989), propuso que las microtrepidaciones podían evaluar los efectos de sitio
simplemente evaluando el radio o cociente espectral entre las componentes horizontales y
verticales del movimiento registrado en un mismo sitio. El método asume que :
1. Las micotrepidaciones consisten de ondas Rayleigh propagándose en un capa que
está encima de un espacio infinito.
2. El movimiento es totalmente debido a fuentes locales y todas las fuentes profundas
son despreciadas.
3. Las fuentes locales no afectan el movimiento de las microtrepidaciones en la base del
estrato de suelo.
Considerando un estimativo de los efectos de sitio de interés, estarían dados por :
SE = Hs(w) / Hb(w)
(3)
donde SE representa el espectro de los efectos de sitio, Hs(w) es el espectro de la onda
horizontal en superficie y Hb(w) es el espectro de la onda horizontal en la base del
movimiento.
Puesto que las ondas internas de las microtrepidaciones contienen ondas de superficie es
necesario corregirlas removiendo los efectos de ondas superficiales. Nakamura asume
que el efecto de las ondas Rayleigh (AS), está incluido en el espectro de ondas verticales
superficiales (VS) y no en la base del movimiento (Vb) y consecuentemente, éste puede
ser definido como :
AS(w) = Vs(w) / Vb(w)
(4)
Removiendo el efecto de ondas Rayleigh, el espectro de sitio modificado queda definido
por :
SM(w) = SE(w) / AS(w) = (HS/VS) / (Hb/Vb)
Nakamura demostró experimentalmente
microtrepidaciones que :
Hb(w) / Vb(w) ≈ 1
usando
(5)
registros
de
borehole
y
(6)
De lo anterior queda que :
SM(w) ≈ HS(w) / VS(w) = NS(w)
(7)
De esta manera, Nakamura concluyó que el radio o cociente espectral entre la
componente horizontal y vertical del movimiento en un mismo sitio puede ser usada como
un estimativo de los efectos de sitio para ondas internas. La técnica de Nakamura es muy
atractiva, ya que elimina los efectos de fuente, patrón de radiación, directividad y camino
que se presentan en los sismos. Sin embargo, la validez de la técnica de Nakamura no ha
sido aun bien establecida, especialmente en estratos de suelos blandos muy profundos.
3 ANALISIS COMPARATIVO ENTRE SISMOS Y MICROTREPIDACIONES
3.1 Eventos Sísmicos
El Instituto de Investigaciones en Geociencias Minería y Química - INGEOMINAS - a
través de su proyecto, Red Nacional de Acelerógrafos de Colombia - RNAC - y el proyecto
para la Mitigación del Riesgo Sísmico de Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de Cabal,
coordinado por la Corporación Autónoma Regional del Risaralda - CARDER -, instalaron
una red local de 7 acelerógrafos en la zona de estudio. Sobre roca se localizó una
estación (código FILO), y sobre los distintos tipos de suelos presentes en la región, se
localizaron las restantes seis (códigos CAST, UTP, MAZP, BATA, ROSA, STRC). En la
tabla 1 se encuentra el código, la fecha de instalación del Acelerógrafo, las coordenadas
de latitud, longitud, altura, topografía y geología para cada una de las estaciones. En la
figura 1 se muestra un mapa de la región y la ubicación de cada una de las estaciones.
Los suelos blandos de Pereira, están conformados por cenizas volcánicas, depósitos
fluvio lacustres y en algunas casos rellenos antrópicos poco compactados, en todos los
casos los espesores de las distintas capas no sobrepasan los 30 m. Las zonas que
anteriormente han mostrado daños en estructuras durante sismos están muy
correlacionados con las zonas con rellenos muy heterogéneos y poco compactados.
Tabla 1 - Estaciones de la red local de acelerógrafos
ESTACIÓN
CODIGO
MAZP
UTP
CAST
BATA
FILO
ROSA
STRC
FECHA
MES AÑO
OCT 96
OCT 96
MAR 95
JUL 97
MAY 96
OCT 96
OCT 96
LAT.
(grados)
4.8100
4.7833
4.7916
4.8100
4.7667
4.8358
4.8799
LON.
(grados)
75.6901
75.6832
75.6865
75.7200
75.8334
75.6760
75.6254
ALTURA
(m)
1327
1621
1525
1340
1245
1572
1666
TOPOGRAFIA
PLANA
PLANA
PLANA
PLANA
ONDULADA
PLANA
PLANA
GEOLOGÍA
RELLENOS ANTRÓPICOS
CENIZAS VOLCANICAS
RELLENO COMPACTADO
DEPÓSITO VOLCÁNICO
ROCA
DEPOSITO FLUVIO LACUSTRE
CENIZAS VOLCANICAS
La Red Local de Acelerógrafos ha logrado registrar 11 sismos con magnitudes ML que
varían entre 4.5 y 6.4 , con distancias hipocentrales a la zona estudios entre los 70 y 400
Km y profundidades que van desde 0 a 160 Km. En la tabla 2 se muestra los sismos y las
estaciones donde estos fueron registrados. En la tabla 3 se describen para cada sismo las
coordenadas de latitud y longitud del epicentro, la profundidad, la magnitud local ML y la
distancia desde el hipocentro hasta la zona de estudio. De los sismos registrados solo 19FEB-97 puede ser considerado como movimiento fuerte, los demás se consideran
movimientos débiles.
Tabla 2 - Sismos registrados por la red local de acelerógrafos
Fecha SISMO
11-SEP-96
04-NOV-96
17-NOV-96
04-DIC-96
01-ENE-97
19-FEB-97
26-FEB-97
MAZP
UTP
X
X
CAST
X
X
BATA
FILO
ROSA
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
11-JUN-97
11-JUN-97
18-JUN-97
17-JUL-97
X
X
X
X
Tabla 3 - Características de los sismos registrados
Fecha
11-SEP-96
04-NOV-96
17-NOV-96
04-DIC-96
01-ENE-97
19-FEB-97
26-FEB-97
11-JUN-97
11-JUN-97
18-JUN-97
17-JUL-97
SISMO
Sipí (Chocó)
Juradó (Chocó)
Dovio (Valle)
Sipí (Chocó)
Villanueva (Sant.)
Sipí (Chocó)
Santos (Sant.)
Cepita (Sant.)
Santos (Sant.)
Dovio (Valle)
Cubarral (Meta)
LAT.
4.30
7.24
4.50
4.52
6.71
4.62
6.81
6.81
6.84
4.46
3.79
LON.
76.83
77.32
76.40
76.75
73.23
76.58
73.18
72.96
73.09
76.34
74.15
PROF.
100
28
22
125
150
100
150
160
150
0
0
MAG.
5.2
6.4
5.1
4.9
6.1
6.0
5.2
6.0
6.1
4.5
5.3
DIST.
160
350
140
170
315
150
340
400
400
85
210
La idea principal es evaluar la validez de cada una de las técnicas propuestas,
comparando los resultados obtenidos con espectros de respuesta, espectros de Kagami,
transformadas de Fourier y espectros de Nakamura para sismos fuertes, débiles y
microtrepidaciones.
En la figura 2, se presentan los espectros de Kagami (espectro en suelo/espectro en roca)
para el sismo 19-FEB-97 que es considerado como movimiento fuerte, de esta gráfica se
pueden determinar claramente los periodos dominantes de vibración. En la tabla 4 se
resumen los períodos predominantes obtenidos con los espectros de respuesta para un
5% de amortiguamiento y espectros de Kagami. Los resultados obtenidos por ambos
espectros son semejantes.
Para los movimientos débiles se han calculado los espectros de respuesta para un 5% de
amortiguamiento y normalizados a la aceleración máxima del terreno, en la figura 3 se
presentan los resultados obtenidos para cada una de las estaciones donde se han logrado
obtener registros. En la tabla 4 se resumen los periodos obtenidos a partir de las figuras
anteriores ; es de notar que los períodos obtenidos con movimientos débiles y utilizando
espectros de respuesta, son parecidos a los obtenidos con movimientos fuertes usando
espectros de respuesta o espectros de Kagami.
3.2 Microtrepidaciones
3.2.1 Equipo de Medición :
Para el registro de las microtrepidaciones en Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de
Cabal se utilizó un acelerógrafo marca KINEMETRICS, modelo ALTUS ETNA, el cual
cuenta con tres sensores ortogonales de aceleración de balance de fuerzas y escala
máxima de 2g. ; el rango de respuesta lineal de estos sensores va desde DC hasta 50 Hz.
El instrumento cuenta con una tarjeta digitalizadora de 24 bits de resolución, sin embargo,
su rendimiento no es superior a los 18 bits, que es más que suficiente, ya que la mayoría
de los equipos no ofrecen más de 16 bits. Para el almacenamiento de la información
cuenta con una tarjeta PCMCIA de 2.5 Mbytes de capacidad, lo cual permite 20 minutos
de grabado para los tres canales de los sensores. Por otro lado, el equipo cuenta con una
batería de gran capacidad que permite su funcionamiento por 72 horas continuas.
3.2.2 Mediciones de Microtrepidaciones y calibración en estaciones de Acelerógrafos:
Con el objetivo de determinar la metodología a seguir en la toma y posterior análisis de
microtrepidaciones, se adelantó la toma de registros de microtrepidaciones en cada una
de las estaciones de acelerógrafos, lugares donde ya se habían determinado con cierta
confiabilidad los periodos predominantes de vibración. A cada estación de acelerógrafo se
le hizo un seguimiento detallado de las microtrepidaciones que se obtenían, de tal manera
que se tomaron más de 20 registros en cada estación, en distintos días y a distintas horas
para comprobar la estabilidad de los resultados obtenidos. En cada sitio se tomaron
eventos de 20 s. de duración, tratando de tomar momentos en los cuales la zona cercana
al sitio no estuviese afectada por fuentes locales de ruido ambiental, tales como,
maquinaria, tráfico, lluvia, etc. A cada uno de estos registros en cada componente se les
calculó la corrección de línea base, luego se les aplicó un filtro digital pasabanda entre
0.10Hz y 10.0Hz tipo Butterworth, después, se les calculó la transformada rápida de
Fourier y se suavizaron con una ventana tipo Bartlett y para finalizar se calcularon los
espectros de Nakamura para las dos componentes horizontales del movimiento.
En la figura 4, se presenta un registro típico de microtrepidaciones en la estación de UTP,
vale la pena observar lo constante que es la amplitud de la aceleración en cada una de las
componentes, lo cual garantiza de cierta forma la no presencia de fuentes locales
afectando el registro.
En general, para el análisis de las microtrepidaciones se calcularon transformadas de
Fourier y espectros de Nakamura, estos son comparados con los obtenidos para sismos
fuertes y débiles. En la figura 5 y 6 se presentan las transformadas de Fourier para
movimiento fuerte, débil y microtrepidaciones, para las estaciones de UTP y CAST, en
ambos casos se observa una semejanza en las frecuencias dominantes, aunque para las
altas frecuencias en el caso de las microtrepidaciones la tendencia a decaer no es clara
como si lo es en el caso de los sismos, esta diferencia se debe principalmente a efectos
de la fuentes locales en las microtrepidaciones.
En la figura 7 y 8, se presentan los espectros de Nakamura y la suma de los espectros,
para las estaciones de UTP y CAST, en ambos casos, se observa una frecuencia
predominante que resulta ser muy parecida a la obtenida para los sismos fuertes y
débiles.
En las figuras 9 y 10 se presentan los espectros de Nakamura para movimiento fuerte,
débil y microtrepidaciones en las estaciones de UTP y MAZP, en el caso de
microtrepidaciones y movimientos débiles se obtienen períodos dominantes muy
parecidos, aunque para movimientos fuertes los resultados no son tan buenos como los
obtenidos con otras técnicas.
En la tabla 4 se presenta una comparación entre los períodos determinados por
microtrepidaciones, sismos fuertes y débiles con cada una de las técnicas antes
mencionadas.
Tabla 4 - Períodos para sismos en las estaciones
TÉCNICA
Strong Motion Spectra
Strong Kagami
Strong Fourier
Strong Nakamura
Weak Spectra
Weak Fourier
Weak Nakamura
Microtremor Fourier
Microtremor Nakamura
UTP
0.450
0.475
0.471
0.512
0.450
0.436
0.436
0.488
0.465
CAST
0.600
0.550
0.620
0.620
0.600
0.620
0.689
0.620
0.581
MAZP
0.650
0.600
0.600
0.600
0.550
0.570
0.600
0.620
0.620
BATA
ROSA
0.300
0.281
0.285
0.250
0.306
0.800
0.795
0.792
0.620
0.600
Los resultados obtenidos hacen pensar que los suelos blandos de Pereira, deberían tener
comportamientos muy plásticos, ya que, para bajas deformaciones como es el caso de
microtrepidaciones y sismos débiles, se presentan períodos muy parecidos a los
observados durante sismos fuertes, momentos en los cuales se presentan esfuerzos y
deformaciones considerables.
Para determinar los períodos predominantes de microtrepidaciones en las estaciones de
acelerógrafos y posteriormente en los distintos sitios donde se tomaron registros, se utilizó
el espectro de Nakamura ya que los resultados obtenidos con este se correlacionan con
los resultados dados por sismos ; la transformada de Fourier tiene el problema de estar
muy contaminada por otras frecuencias, por esta razón, en todos los análisis se utilizó el
espectro de Nakamura.
3.3 Registro de Microtrepidaciones en el área de estudio
La toma de datos se realizó en dos fases, en las cuales se registraron 294
microtrepidaciones en las áreas urbanas y suburbanas de los municipios de Pereira, Dos
Quebradas y Santa Rosa de Cabal. Los sitos para la toma de microtrepidaciones se
seleccionaron bajo criterios de zonas con poco influencia de fuentes locales, de tal
manera, que la mayoría de los sitos son zonas verdes, parques, parqueaderos y en
particular zonas donde los efectos locales no representan mayor problema. La distribución
de los sitios de medida se controló a partir del mapa de formaciones geológicas
superficiales, ya que éstas correlacionan en la mayoría de los casos con profundidades y
velocidades de onda de corte, propiedades que controlan los períodos y niveles de
amplificación de los suelos blandos.
En cada uno de estos sitios se tomaron 3 registros, con una duración de 20 s. y una
frecuencia de muestreo de 200 muestras por segundo. La duración del registro y la
frecuencia de muestreo limitan el posible rango de frecuencias captadas en el registro, de
tal manera, que la frecuencia más baja estaría alrededor de 0.1Hz y la más alta de 100Hz.
Estos límites en las frecuencias deben compararse a los impuestos por los sensores, que
tienen una respuesta lineal entre DC y 50Hz.
Después de tomados los registros y siguiendo la metodología antes explicada, se
determinaron los períodos y frecuencias predominantes de vibración de cada sitio con la
ayuda de los espectros de Fourier y Nakamura.
3.4 Mapa de isoperíodos
Los resultados obtenidos se resumen en la figura 11, donde se muestra un mapa de la
zonificación de la región de estudio dividida en cuatro rangos de períodos, T<=0.3s,
0.3s<T<=0.4s, 0.4s<T<=0.5s, y T>0.5s.
3.5 Modelos Teóricos
Para comprobar la validez de los resultados obtenidos empleando métodos empíricos, se
plantearon tres modelos teóricos de estructuras de suelos blandos en Pereira, la idea
básica es comparar los períodos obtenidos por ambas metodologías.
La información utilizada en los modelos teóricos proviene de estudios de suelos en sitios
de Pereira, realizados por la firma Alvaro Millán Angel y Cia. Ltda., ubicados en :Cabo
Marzo (Cra. 17 # 10-61), Santillana (Calle 21 # 18-47) y Viaducto (Cra. 1 calle 10). En las
tablas 5, 6 y 7 se resumen todas las propiedades de los suelos.
Tabla 5 - Propiedades de los estratos de suelo en Cabo Marzo (cra 17 # 10-61)
No. Capa Tipo de Suelo Profundidad (m) Densidad húmeda (T/m3) Vs (m/s)
1
Arcilla
2.0
1.58
177
2
Arcilla
4.0
1.48
182
3
Arcilla
6.0
1.24
197
4
Arcilla
8.0
1.48
217
5
Arcilla
10.0
1.38
192
6
Arcilla
12.0
1.80
217
7
Arcilla
14.0
1.61
231
8
Arcilla
16.0
1.63
277
9
Arcilla
18.0
1.63
178
10
Arcilla
20.0
1.49
160
11
Arcilla
22.1
1.79
160
12
Arcilla
25.5
1.79
160
13
Roca
900
Tabla 6 - Propiedades de los estratos de suelo en Santillana (cra 21 # 18-47)
No. Capa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tipo de Suelo
Arena
Arena
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Roca
3
Profundidad (m)
Densidad húmeda (T/m )
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
1.55
1.57
1.27
1.35
1.53
1.36
1.56
1.51
Vs (m/s)
85
161
160
144
157
130
197
200
1163
Tabla 7 - Propiedades de los estratos de suelo en Viaducto (cra 1 calle 10)
No. Capa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Tipo de Suelo
Arena
Arena
Arena
Arena
Arena
Arena
Arena
Arena
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Arcilla
Roca
3
Profundidad (m)
Densidad húmeda (T/m )
1.0
2.4
3.2
4.1
4.8
5.8
6.8
7.8
8.3
9.8
10.8
11.8
12.8
13.8
14.8
1.46
1.81
1.51
1.58
1.71
1.60
1.42
1.48
1.62
1.69
1.40
1.51
1.81
1.72
1.72
Vs (m/s)
283
314
274
248
174
368
266
327
172
200
188
189
186
474
616
1633
Con esta información se construyeron modelos teóricos unidimensionales, para esto se
utilizó el programa de computador SHAKE91 y se calcularon los espectros de
amplificación para cada sitio. En la figura 12 se muestran los espectros de amplificación
en Cabo Marzo, Santillana y Viaducto. Los resultados obtenidos muestran que los
períodos calculados con modelos teóricos están en los mismos rangos de periodos
calculados con modelos empíricos.
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los espectros de respuesta, la técnica de Kagami (espectro en suelo/espectro en roca), y
las transformadas de Fourier, muestran ser unas herramientas poderosas para el análisis
de eventos sísmicos fuertes. La técnica de Nakamura demuestra deficiencias en algunos
casos de movimiento fuerte, ya que los espectros obtenidos no muestran resultados tan
claros y precisos, como las otras técnicas.
Para el caso de movimientos débiles los espectros de respuesta, transformadas de
Fourier y técnica de Nakamura, muestran resultados semejantes y en el caso de Pereira
correlacionaron bien con los resultados obtenidos con movimientos fuertes.
Las microtrepidaciones mostraron resultados claros cuando se utilizó la técnica de
Nakamura para la evaluación del período dominante. Los períodos obtenidos con
microtrepidaciones mostraron ser semejantes a los calculados con movimientos fuertes y
débiles.
Las microtrepidaciones usando la técnica de Nakamura, demuestran ser una buena
herramienta para determinar el período predominante de vibración de los suelos blandos
poco profundos con estratigrafías no muy complejas y comportamientos plásticos. Por otra
parte, los resultados obtenidos con microtrepidaciones permiten establecer zonas de
distintos comportamiento dinámico, lo cual es de suma importancia en el momento de
adelantar estudios de microzonificación definitivos.
La buena correlación entre las microtrepidaciones, los sismos débiles y los fuertes puede
estar ligada al hecho, que las capas de suelo blando en Pereira presentan espesores
relativamente pequeños (<30m) y al gran contraste entre las velocidades de suelos
blandos y basamentos rocosos.
Los períodos obtenidos con modelos teóricos unidimensionales mostraron correlación con
los calculados a partir de los modelos empíricos.
Los mapas obtenidos a partir de microtrepidaciones pueden ser considerados como una
zonificación preliminar de la zona de estudio, que debe ser complementada con estudios
geotécnicos y modelaciones más detalladas del comportamiento dinámico de los suelos.
5 AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se realizo gracias al proyecto para la Mitigación del Riesgo Sísmico de
Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de Cabal, que es coordinado por la CARDER y hace
parte del programa de Prevención de Desastres del Plan de Acción Ambiental PereiraCentro Occidente y cuenta con el apoyo de la Gobernación del Risaralda, las alcaldias
municipales de Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de Cabal, las Empresas Públicas de
Pereira, el ministerio del Medio Ambiento y el Instituto de Investigaciones en Geociencias,
Mineria y Quimica - INGEOMINAS -. Se agradece espicialmente la participación por
INGEOMINAS del Ing. Samuel Martinez, Geol. Luisa Salgado, T.E. Ruben Villalba y Geol.
Luis García, y por la CARDER a la Ing. Ana Campos, Ing. Leonardo Cano, Geol. Jaime
Guzman, Geol. German Forero y Geol. Margarita Ochoa.
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Bogotá, Colombia.
Figura 1 - Mapa con la Ubicación de las estaciones de Acelerógrafo.
9
CAST EO
Amplificatión (Soil
Spectra/Rock Spectra)
8
UTP NS
7
MAZP NS
6
Figura 2. Espectro de Kagami
(suelo/roca)
Sismo 19-FEB-97.
5
4
3
2
1
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Period (s)
0.8
0.9
1.1
1.2
1.3
1.4
UTP
Acceleration Normalized
CAST
1.0
BATA
4
4
4
Acceleration Normalized
Acceleration Normalized
5
3
3
3
2
2
2
1
1
0
1
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Period (s)
1.0
1.2
1.4
0
0.0
0.2
0.4
MAZP
0.6
0.8
Period (s)
1.0
1.2
1.4
6
Acceleration Normalized
Acceleration Normalized
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
0.4
0.6
0.8
Period (s)
0.4
0.6
0.8
Period (s)
1
1.2
Figura 3. Espectro de respuesta
5 % de Amortiguamiento
Movimientos débiles
5
5
0.2
0.2
ROSA
6
0.0
0
1.0
1.2
1.4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Period (s)
1
1.2
1.4
1.4
ESTE-OESTE
0.050
0.025
ACELERACIÓN DEL TERRENO (gales)
0.000
-0.025
-0.050
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
3
3.5
4
4.5
5
3
3.5
4
4.5
5
NORTE-SUR
0.050
0.025
0.000
-0.025
-0.050
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VERTICAL
0.050
0.025
0.000
-0.025
-0.050
0
0.5
1
1.5
2
2.5
TIEMPO (s)
Figura 4 - Registro típico de microtrepidaciones.
100
S TRO NG M O TIO N
W E A K M O TIO N
Microtrem or
10
Figure 5. Transformada de Fourier
P ara Sismos fuertes, debiles
y m icrotrepidaciones en U TP
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.1
1
10
1000
S TR O N G M O TIO N
W E A K MO T IO N
M icrotrem or
100
10
Figura 6. Transformada de Fourier
P ara Sismos fuertes, debiles
y m icrotrepidaciones en C AST
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.1
1
10
100
100
10
10
1
1
0.1
0.1
0.01
0.1
1
10
Figura 7. Espectro de Nakamura para microtrepidaciones
en UTP
0.1
STRONG MOTION
10
10
Amplification
100
Amplification
100
1
1
0.1
0.1
0.1
1
Frequency (Hz)
0.1
10
WEAK MOTION
1
Frequency (Hz)
10
WEAK MOTION
100
10
10
Amplification
100
Amplification
10
Figura 8. Espectro de Nakamura para microtrepidaciones
en CAST
STRONG MOTION
1
1
0.1
0.1
0.1
1
Frequency (Hz)
0.1
10
MICROTREMOR
1
Frequency (Hz)
10
MICROTREMOR
100
10
10
Amplification
100
Amplification
1
1
1
0.1
0.1
1
Frequency (Hz)
Figura 9. Espectro de Nakamura para sismos fuertes, débiles
y microtrepidaciones en UTP
10
0.1
0.1
1
Frequency (Hz)
Figura 10. Espectro de Nakamura para sismos fuertes, débiles
y microtrepidaciones en CAST
10
CABO MARZO
5
4.5
4
AMPLITUD
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
FRECUENCIA (hz)
6
7
8
9
10
6
7
8
9
10
6
7
8
9
10
SANTILLANA
7
6
AMPLITUD
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
FRECUENCIA (hz)
VIADUCTO
6
5
AMPLITUD
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
FRECUENCIA (hz)
Figura 12 - Espectros de Amplificación según modelos Teóricos
Figura 11 - Mapa con isoperiodos