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Universidad del Bío-Bío. Red de Bibliotecas - Chile

UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

Profesor Patrocinante: Oscar Gutiérrez Astete Profesores Comisión: Gilda Espinoza Valenzuela Franco Benedetti Leonelli

“DETERMINACIÓN DEL PERÍODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN DEL SUELO APLICANDO EL CRITERIO SESAME” Proyecto de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Título de Ingeniero Civil

JUAN CARLOS SALDIVIA PANTANALLI

Concepción, Enero 2014

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ii

Dedicatoria Dedicado a mi madre Derlinda Pantanalli, a mi padre Juan Carlos Saldivia, a mi hermana Nancy Saldivia y a Andrea y su Familia.

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iii NOMENCLATURA

NCh 433 of. 96 mod. 2009: Norma Chilena 433 oficializada en 1996 y modificada en 2009. DS N° 117: Decreto Supremo N°117 (Febrero de 2011). DS N° 61: Decreto Supremo N°61 (Diciembre 2011). SESAME: Evaluación de efectos de sitio utilizando excitaciones ambientales (Site Effects assessment using Ambient Excitations). HVSR: Razón espectral Horizontal Vertical (Horizontal Vertical Spectral Ratio). VS: Velocidad de propagación de ondas de corte. VP: Velocidad de propagación de ondas de compresión. VS30: Velocidad de onda de corte equivalente de los 30 m superiores del terreno. MASW: Análisis multicanal de ondas superficiales (Multichannel Analysis of Surface Waves). ReMi: Refracción de ruido ambiental (Refraction Microtremor). lw: Longitud de un tramo de la señal total, llamada ventana, medida en segundos. tsta: Amplitud de la señal en un período corto de tiempo, con valores entre 0.5 a 2.0 segundos. tlta: Amplitud de la señal en un período de tiempo mayor, con valores entre 20 a 60 segundos. Smáx: valor umbral que evita ventanas de tiempo con amplitudes transitorias energéticas. Smín: valor umbral que evita ventanas de tiempo con amplitudes anormalmente bajas. FFT: Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform).

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iv ÍNDICE DE CONTENIDOS

RESUMEN ...................................................................................................................................... 1 ABSTRACT .................................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 3 Objetivo General .......................................................................................................................... 4 Objetivos Específicos .................................................................................................................. 4 Justificación ................................................................................................................................. 5 Metodología de Trabajo ............................................................................................................... 5 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 6 Ondas Sísmicas ............................................................................................................................ 6 Microtremores .............................................................................................................................. 6 Métodos de Medición de Ondas Superficiales ............................................................................ 7 Método de Nakamura o Razón Espectral H/V ......................................................................... 8 METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE DATOS ........................................................................... 10 Equipo Utilizado ........................................................................................................................ 10 Criterio SESAME ...................................................................................................................... 11 Ubicación de Mediciones y Condiciones en Terreno ................................................................ 12 Procesamiento de datos en GEOPSY ........................................................................................ 15 Procesamiento de datos en Código MATLAB .......................................................................... 16 RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................................................... 18 Comprobación Criterio SESAME ............................................................................................. 22 Comparación de Resultados con otros Autores ......................................................................... 23 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 27 Conclusiones .............................................................................................................................. 27 Recomendaciones ...................................................................................................................... 28 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ........................................................................................... 29 Bibliografía ................................................................................................................................ 29 Referencias................................................................................................................................. 30

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1 DETERMINACIÓN DEL PERÍODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN DEL SUELO APLICANDO EL CRITERIO SESAME Autor: Juan Carlos Saldivia Pantanalli Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Bío-Bío Correo Electrónico: [email protected] Profesor Patrocinante: Oscar Gutiérrez Astete Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Bío-Bío Correo Electrónico: [email protected]

RESUMEN

El terremoto en Chile del año 2010 provocó un cambio en la normativa sísmica. Consecuencia de esto, el DS N° 61 introdujo una nueva clasificación del suelo basado en el estudio de la VS30. También describe otros parámetros, dentro de los cuales se encuentra el período fundamental de vibración del suelo, el cual es abordado en este trabajo, pero que aún no se utiliza normativamente. Por lo anterior, en esta investigación se determina el período fundamental del suelo a través de microtremores o vibraciones ambientales y aplicando el criterio SESAME, el cual da recomendaciones importantes en todas las fases de este estudio, para obtener resultados representativos y confiables. Siendo un método económico y relativamente fácil de aplicar. Los datos son procesados en el software GEOPSY y también en un código creado en MATLAB. Los resultados obtenidos en estas dos herramientas son comparados entre sí y verificados con el criterio SESAME, además son contrastados con estudios de otros autores, encontrando grandes similitudes y validando esta investigación. El criterio SESAME para una curva confiable y un peak claro, no siempre se cumplió completamente, pero esto no significó que los resultados fueran incorrectos. Esto indica que las mediciones de microtremores deben realizarse en horarios con menor ruido ambiental, preferentemente de noche, con el fin de obtener menos variabilidad en la señal captada.

Palabras Claves: Microtremores, Método de Nakamura, Criterio SESAME. Número de Palabras: 5061 + 9*250 + 5*500 = 9811

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2 ABSTRACT

The Chilean earthquake of 2010 caused a change in the seismic regulation. As a consequence, SD No. 61 introduced a new classification of soil based on the study of VS30. It also describes other parameters, where it can be found the fundamental period of vibration of the soil, which is addressed in this work, but that is not used normatively yet. Therefore, in this research the fundamental period of the soil is determined by environmental vibrations or microtremors and applying the SESAME criteria, which gives important recommendations in all phases of this study to obtain representative and reliable results. Being a cheap and relatively easy-to-apply method. The data are processed in GEOPSY software and also in a created code in MATLAB. The results obtained in these two tools are compared to each other, verified with the SESAME criteria and compared with studies of other authors, finding great similarities and validating this research. The SESAME criteria for a reliable curve and a clear peak, not always was completely fulfilled, but this did not mean that the results were incorrect. This indicates that the microtremors measurements must be performed on a setting when there is low environmental noise, preferably at night, in order to obtain less variability in the sensed signal.

Keywords: Microtremors, Nakamura Method, SESAME Criteria.

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3 INTRODUCCIÓN

En Chile se espera un cambio en la normativa sísmica, siguiendo los pasos que ha tomado la normativa internacional. Este cambio se debe a que se necesita un mayor conocimiento de la respuesta dinámica del suelo ante un sismo, la cual no se define en su totalidad con la Velocidad de Onda de Corte equivalente de los 30m superiores del terreno, que actualmente, es uno de los parámetros principales del Decreto Supremo N° 61. Por lo anterior, se investigará y medirá el Período Fundamental de Vibración del Suelo, a través de vibraciones ambientales o microtremores. El Período Fundamental, junto con antecedentes geológicos, como la profundidad del basamento rocoso, da información adicional al estudio del suelo, logrando complementar los resultados de la Vs30, a través de la ecuación del modelo unidimensional de propagación de ondas:

=

∗

. Además de entregar datos sobre la

Amplificación Sísmica y la Resonancia entre suelo-estructura, que pueden generar mayores daños en edificaciones. Los estudios sobre microtremores hechos por Nogoshi e Igarashi (1970; 1971), propusieron el cálculo de la razón espectral horizontal sobre la vertical (HVSR), consiguiendo eliminar el efecto de la fuente y mejorando los resultados de amplificación sísmica hechos por otros autores. Nakamura (1989, 1996, 2000) popularizó ampliamente este concepto, en el estudio de microzonificación sísmica en grandes ciudades. Diferentes estudios han demostrado una correlación entre el peak observado en los resultados de HVSR y la frecuencia fundamental del suelo (Lermo y Chávez-García, 1993; 1994; Lachet et al., 1996; Konno y Ohmachi, 1998; Bonnefoy-Claudet et al., 2006a; 2006b; 2008b), sin embargo, sus amplitudes no han sido capaces de relacionarse con las amplificaciones de sitio (Chávez-García et al, 2007; Bonnefoy-Claudet et al., 2008a). Por otro lado, Leyton y Ruiz (2011) han mostrado un comportamiento similar del suelo usando acelerogramas de movimientos fuertes y mircrotremores, permitiendo el uso de este último para estimar la respuesta sísmica de sitio durante un terremoto de gran magnitud (Leyton et al., 2011). Para obtener valores de período fundamental confiables, se utilizará el criterio SESAME (Site Effects assessment using Ambient Excitations), investigación de tres años realizada por expertos

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4 Europeos. El cual, brinda recomendaciones en terreno, análisis y verificación posterior de datos y resultados. Las mediciones en terreno se harán a través de un sismómetro triaxial, el cual capta y graba vibraciones ambientales en la superficie del terreno en dirección Norte-Sur, Este-Oeste y en sentido vertical. Siendo un método de medición no intrusivo y de bajo costo. La metodología de obtención de datos en terreno será según las recomendaciones dadas por el criterio SESAME. El procesamiento de los datos obtenidos en terreno se hará utilizando el software libre GEOPSY, y también, por medio de un código MATLAB, generado para esta tarea. Los resultados, de ambas herramientas, serán comparados y verificados por medio del criterio SESAME para las curvas resultantes.

Objetivo General

Determinar el período fundamental de vibración del suelo, aplicando el criterio SESAME.

Objetivos Específicos

i.

Describir el criterio SESAME para la toma y procesamiento de datos confiables.

ii.

Medir las vibraciones ambientales (microtremores) del suelo con el sismómetro triaxial, modelo Geobox SR04 de la empresa SARA electronic instruments, cumpliendo con el criterio SESAME.

iii.

Procesar los datos en el software libre GEOPSY y en un código MATLAB, para comparar resultados.

iv.

Analizar los resultados a través del criterio SESAME.

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5 Justificación

En Chile se han generado cambios en la normativa sísmica causados, principalmente, por el terremoto producido en Febrero del año 2010; suceso por el cual se ha tratado de mejorar las normas existentes, concernientes al ámbito sísmico. Ejemplo de ello es el DS N° 117 y DS N° 61 del año 2010 y 2011, respectivamente, los que modifican la Norma Chilena NCh 433 Of. 1996 mod. 2009. Y que, en el caso del DS N° 61, propone una nueva clasificación de suelos basada en el estudio de la VS30. Siguiendo el camino de perfeccionar la normativa, es que en esta investigación se entregan herramientas para el estudio de otro parámetro importante, el cual es el Período Fundamental del suelo. Este, es de vital ayuda para impedir que el período de algunas estructuras coincida con el período del suelo, evitando amplificaciones sísmicas por efecto de resonancia y el consiguiente daño de la estructura. Actualmente en Chile, la obtención y análisis de datos recopilados de los ensayos de Período fundamental no están normados, ni tampoco se usa un criterio estándar. Debido a lo anterior, en esta investigación, se presenta un criterio útil y de sencilla ejecución, probado en diversos países y que entrega resultados representativos y confiables del sitio en estudio.

Metodología de Trabajo

1. Estudio de Antecedentes: revisión bibliográfica de normativa existente (NCh 433 of. 96 mod. 09, DS N°117, DS N°61), investigación de aspectos técnicos y criterios a emplear en mediciones y análisis de datos. 2. Marco Conceptual: se estudian los microtremores y su utilidad para determinar el período fundamental, los métodos de medición de ondas superficiales y se ejecuta un criterio en las etapas de toma y procesamiento de datos, para la correcta interpretación de estos. 3. Procesamiento y Análisis de Resultados: luego de las mediciones en terreno, se procede a analizar los datos en software, comparándolos manualmente con los criterios adoptados. 4. Conclusiones y Recomendaciones: al tener los resultados de los análisis, se determinan los criterios más relevantes y se presentan las recomendaciones para obtener un resultado representativo del sitio en estudio.

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6 MARCO TEÓRICO

Ondas Sísmicas

La liberación de energía que se produce en un macizo rocoso es proporcional al movimiento sísmico que lo produjo. Esta energía se propaga a través del medio en forma de ondas sísmicas. En un sólido pueden transmitirse dos tipos generales de ondas: Internas (o de cuerpo) y Superficiales. Las Ondas Internas se subdividen en dos tipos que son las Compresionales y Transversales (o de Corte). •

Ondas Compresionales (P): se pueden propagar por medios sólidos o fluidos, consisten en la transmisión de compresiones que se mueven en el mismo sentido que se mueve la onda.

•

Ondas Transversales (S): pueden desplazarse únicamente en medios sólidos, las partículas se mueven en dirección perpendicular al movimiento de propagación de la onda.

Las Ondas Superficiales, también, se subdividen en dos tipos que son las Ondas de Rayleigh y de Love. •

Ondas Rayleigh (R): el modo de transmisión de la onda genera un movimiento elíptico retrogrado de las partículas.

•

Ondas Love (L): las partículas se mueven perpendicularmente a la propagación de la onda, como las ondas S, pero en la superficie de la Tierra.

Las velocidades de las diferentes ondas dependen de las características de medio, pero se pueden resumir de la siguiente forma: V

,