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ANÁLISIS DE LA AMPLIFICACIÓN SÍSMICA EN EL SUBSUELO DE

CONCEPCIÓN

Felipe Valenzuela Dechent (q.e.p.d.) Universidad de Concepción

Mario Valenzuela Oportus

Universidad de Concepción marioval@udec.cl

Peter Dechent Anglada

Universidad de Concepción pdechen@udec.cl

Gonzalo Montalva Alvarado. Universidad de Concepción

gmontalva@udec.cl

RESUMEN En Concepción, como consecuencia del terremoto del Maule 27F/2010, se evidenció bastante daño estructural en los edificios altos de la ciudad, en una proporción mucho mayor que en otras ciudades afectadas por el terremoto. Los análisis realizados utilizando el método lineal equivalente de propagación de ondas de corte verticalmente incidentes, han permitido corroborar la importante amplificación dinámica que tuvo el subsuelo y que no advierte la normativa de diseño sísmico vigente. La misma metodología ha permitido reproducir en forma aproximada el espectro derivado del registro medido en el centro de Concepción. 1. INTRODUCCION. El catastro de daños observados en el Gran Concepción evidencia claramente que los edificios que sufrieron mayor daño sísmico fueron edificios modernos sobre 12 pisos (Beltrán, 2012). Es importante indicar que la mayoría de estos edificios estaban calculados siguiendo la norma de diseño sísmico NCh433Of1996 (2009), vigente a la fecha del terremoto. Por otro lado, el espectro derivado para el único registro obtenido en Concepción durante el terremoto 27F/2010, evidenció una gran amplificación dinámica para períodos que tienen alguna correspondencia con los edificios de mediana y mayor altura. Este trabajo trata sobre la modelación del subsuelo del Gran Concepción, sometido a registros en el basamento rocoso, para intentar comprender la respuesta en la superficie libre. Los perfiles estudiados se han obtenido a partir del sondaje profundo realizado por IDIEM (Poblete, 1967), información geológica (Galli, 1967) y otros sondajes más superficiales correspondientes a distintos sectores del Gran Concepción. La metodología utilizada consiste en aplicar en el basamento rocoso, registros típicos obtenidos en roca para el mismo terremoto 27F/2010, los disponibles en RENADIC y Servicio Sismológico Nacional. Luego, mediante el método lineal equivalente de propagación de ondas de corte verticalmente incidentes, se obtuvieron los registros artificiales en superficie, a través de los cuales se derivaron espectros de respuesta, que permitieron realizar comparaciones con el espectro calculado del registro medido y correlaciones con el daño sísmico en edificios. 2. UBICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO. Se presentan los resultados para dos sitios de la llanura arenosa de la interzona Concepción-Talcahuano, uno en Concepción

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centro y otro en Talcahuano centro. La llanura costera comprende el área oeste de la interzona, aproximadamente entre los paralelos 36°42` y 36°51` latitud sur y los meridianos 73°00` y 73°12` longitud oeste. El relieve de zona lo constituye una planicie orientada en dirección NE – SW, limitada al oeste por el bloque alzado de las penínsulas de Tumbes y Hualpén y por el este con la Cordillera de la Costa, sobresaliendo en esta llanura una serie de cerros islas y lagos relictos de la antigua red de drenaje. La planicie presenta cotas cercanas al nivel del mar (Galli, 1967), ver Figura N° 1. El relleno de la planicie (incluido sus fosas) está constituido en gran parte por sedimentos aportados por el río Bío Bío, del cual aún se observan antiguos cauces que desembocaron en las bahías de Concepción y San Vicente. Los sedimentos Bío Bío están conformados principalmente por arenas basálticas de granulometría media a fina y limos asociados al proceso de depositación fluvial, en algunos sectores estos sedimentos han sido retrabajados y redistribuidos por la acción del mar y el viento. Por el margen nororiental, escurre casi superficialmente el Río Andalién, desarrollando un ancho valle en la franja occidental del macizo costero, aportando sedimentos graníticos, principalmente arenas cuarzosas y arcillas. En los sectores vecinos al contacto entre las laderas de los cerros y la planicie se encuentra coluvio.

Figura Nº 1 : Vista aérea de la zona Concepción – Talcahuano. (Ref : Google Earth)

Torre Prat

Torre Libertad

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3. PERFILES TIPOS Y MODELACION. Se analizan varios perfiles de distintos sectores de Concepción y Talcahuano, de manera ilustrativa se discuten dos perfiles estratigráficos correspondientes al centro de la Ciudad de Concepción y al centro de la ciudad de Talcahuano. La connotación de estos sectores es la comparación de daño sísmico ocurrido en dos edificaciones prácticamente gemelas: La Torre Libertad de Concepción ubicada en Avda O’Higgins esquina Lincoyan y la Torre Prat de Talcahuano ubicada en calle Aníbal Pinto esquina Bulnes, ambos edificios de 17 pisos, construidos al inicio de los años 70 (Figura N° 2).

Torre Libertad Concepción Torre Prat Talcahuano

Figura Nº 2: Fotografías Elevación Torres Prat y Libertad La modelación del subsuelo y velocidades de ondas de corte para la Torre Libertad se obtuvo a partir de la extrapolación del sondaje profundo, con roca granítica ubicada a 120 m de profundidad (Poblete, 1967). Para la Torre Prat se consideró un sondaje de 25 m desarrollado durante el proyecto de fundaciones, la roca sedimentaria se detectó a 22 m de profundidad y para este trabajo se midió el perfil de velocidades de ondas de corte con metodología REMI, de acuerdo a lo recomendado por la normativa chilena (MINVU, 2011) y el método propuesto por Louie (2001). La Tablas N°1 y N°2 resumen las propiedades de los suelos utilizadas en la modelación. Las Figuras N°3 y N°4 muestran el perfil de velocidades de ondas de corte para la Torre Libertad y Torre Prat respectivamente.

Tabla 1. Modelación Estratigráfica para Torre Libertad Concepción.

Horizonte Espesor

(m)

Clasificación

USCS

Peso Unitario

(KN/m3)

Vs

(m/s)

Prof Napa

(m)

1 25 SM 18.60 220 4.5

2 3.0 ML 17.00 196

3 22.0 SM 19.40 270

4 35.0 SM 17.60 314

5 15.0 SM 20.00 480

6 20.0 SM 19.50 370

Roca basal indef granítica 26.50 3.300

4

Tabla 2. Modelación Estratigráfica para Torre Prat Talcahuano

Horizonte Espesor

(m)

Clasificación

USCS

Peso Unitario

(KN/m3)

Vs

(m/s)

Prof Napa

(m)

1 11.0 SM 17.50 185 2.5

2 2.5 CL 16.50 220

3 4.5 SM 19.00 320

4 4.5 CL 17.00 320

Roca basal indef arenisca 22.50 700

FIG N°2 : Velocidades de Ondas de Corte Torre Libertad Modelación Extractada Sondaje Profundo IDIEM

0

20

40

60

80

100

120

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Velocidad (m/s)

Pro

fun

did

ad

(m

)

Vs(30) = 215 m/s

Vs(30) = 215 m/s

Figura N°3 : Perfil de Velocidades de Ondas de Corte Torre Libertad (Poblete, 1967).

FIG N°3 : Velocidades de Ondas de Corte Torre Prat Modelación REMI 2012

0

10

20

30

40

100 200 300 400 500 600 700

Velocidad (m/s)

Pro

fun

did

ad

(m

)

Vs(30) = 285 m/s

Vs(22,5) = 255 m/s representativa del suelo residual

Figura N°4 : Perfil de Velocidades de Ondas de Corte Torre Prat. Modelación REMI (cortesía Ruz & Vukasovic)

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4. REGISTROS UTILIZADOS. Los registros utilizados para los análisis corresponden a las estaciones Cerro el Roble, Rapel, Convento Viejo, Cerro Santa Lucía, Melado y Las Tórtolas; así como también el registro del Colegio Inmaculada Concepción. Para el análisis de los edificios en estudio se ha seleccionado el registro de Rapel por similitudes geológicas con la roca basal de Concepción. No obstante lo anterior, en simulaciones donde se han utilizado todos los registros, los resultados obtenidos son similares y muestran la misma tendencia. Las Figuras N° 5 y 6 muestran el registro y espectros de Rapel. La distancia entre Rapel y la Falla es igual a la distancia de Concepción a la Falla, desde la perspectiva sísmica, por ejemplo ambas distancias de Joyner-Boore serán 0 km. A mayor distancia, teóricamente, debiera reducirse tanto la amplitud como el contenido de altas frecuencias en los registros. Se estima que como los dos casos están relativamente cerca de la Falla, para los registros en roca, no debieran existir diferencias gravitantes en los resultados de superficie, toda vez que se está buscando la amplificación en modelos de columnas de suelo blando.

RAPEL - Registro en Roca (Terremoto 27F/2010)

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0 20 40 60 80

Time (sec)

Acce

lera

tio

n (

g)

Figura N°5: Registro Rapel N-S utilizado en los análisis.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Periodo (seg)

Sa (

%g)

Direccion E-O

Direccion N-S

Figura N°6: Espectro de respuesta de pseudo-aceleraciones consideradas en roca.

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5. RESULTADOS. Los registros utilizados fueron aplicados en la base del modelo de la columna de suelos (roca) y mediante el método lineal equivalente de propagación de ondas de corte verticalmente incidentes, se obtuvieron en superficie los registros correspondientes a cada columna estratigráfica. Las curvas de amortiguamiento y degradación de rigidez utilizadas, son las de Hardin y Drnevich (1972). La Figura 7 muestra los resultados de la simulación a través de los espectros de respuesta (aceleraciones) obtenidos de los registros calculados en superficie y la Figura 8 muestra el espectro elástico obtenido de los registros de aceleraciones en Concepción Centro para el terremoto 27/F2010. Se puede observar la similitud de resultados. La Figura 9 muestra los resultados de la simulación a través de los espectros de respuesta (aceleraciones) obtenidos de los registros calculados en superficie, para el modelo de Talcahuano.

Figura N°7 : Espectro de respuesta de pseudo-aceleraciones modelo Torre Libertad

Figura N°8: Espectro de respuesta de pseudo-aceleraciones en roca. Modelación registro Rapel.

Concepción Centro

Comparación en Concepción de espectros suelo III y SE, zona 3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 1 2 3 4 5

T(s)

a(g

)

Sae NCh433 emergencia Suelo III

Sae NCh433 of96 mod 2009 Suelo III

Sae - Concepción - suelos blandos - (peak - 0,17g)

Sae - Concepción - suelos blandos - (peak - 0,51g)

Sae - Concepción - suelos blandos - (peak - 0,34g)

Sae - Concepción - suelo III - (peak - 0,17)

Sae - Concepción - suelo III - (peak - 0,34g)

Sae - Concepción - suelo III - (peak - 0,51g)

Comparación en Concepción de espectros suelo III y SE, zona 3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 1 2 3 4 5

T(s)

a(g

)

Sae NCh433 emergencia Suelo III

Sae NCh433 of96 mod 2009 Suelo III

Sae - Concepción - suelos blandos - (peak - 0,17g)

Sae - Concepción - suelos blandos - (peak - 0,51g)

Sae - Concepción - suelos blandos - (peak - 0,34g)

Sae - Concepción - suelo III - (peak - 0,17)

Sae - Concepción - suelo III - (peak - 0,34g)

Sae - Concepción - suelo III - (peak - 0,51g)

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Figura N°9: Espectro de respuesta de aceleraciones modelo Torre Prat 6. EL DAÑO SISMICO EN CONCEPCION. La experiencia en Chile recogida como consecuencia del terremoto de febrero de 2010 que afectó la zona centro-sur del país, tiene una estadística de aproximadamente 40 edificios con daño estructural severo, de los casi 12.000 edificios construidos con la normativa NCh433 en esta zona (datos del comité de norma NCh433, DS N°60 y N°61), lo que evidentemente representa un éxito de la ingeniería chilena, dado la magnitud del terremoto. Sin embargo, en Concepción, la estadística es completamente distinta, colapsó totalmente el único edificio en Chile (15 pisos) y se ordenó la demolición de otros 8 edificios. Las Figuras N° 10 y N° 11 muestran el cuadrante de Concepción Centro, donde se catastró el daño sísmico en edificios de mediana altura (Beltrán, 2012).

Figura 10: Cuadrante de Concepción Centro sometido a evaluación de daño sísmico, mostrando

ubicación de Torre Libertad y Alto Río (edificio colapsado)

Espectro de pseudo aceleración - Torre Prat - Talcahuano

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 1 2 3 4 5 6

T (seg.)

a (

g)

Sae Talcahuano - Torre Prat, componente

NS, registro Rapel 27F - 2010

Sae Talcahuano - Torre Prat, componente

EW, registro Rapel 27F - 2010

Sae diseño, Decreto Nº 117, suelo III

Sae diseño - NCh433 MOD. 2009, suelo IV

Torre Libertad Alto Río

8

Daño Sísmico Concepción Centro

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

5 6 a 10 11 a 15 16 a 20 > 21

Cantidad de Pisos.

Ca

nti

da

d d

e E

dif

icio

s.

Sin daño

Daño ligero

Daño severo

Daño grave

Figura 11: Catastro del daño sísmico en el cuadrante de Concepción Centro (Beltrán, 2012).

7. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES. Los espectros obtenidos para el registro de Concepción, han evidenciado la importante amplificación dinámica que tuvo el subsuelo y que no advierte la normativa de diseño sísmico. Respecto de la amplificación dinámica, los espectros obtenidos son bastante coincidentes con el espectro derivado del registro medido en Concepción Centro (Colegio Inmaculada Concepción). Para el caso de Talcahuano, la cercanía de la roca a la superficie, provocó que la amplificación se concentre en una zona de periodos más bajos que para el modelo del centro de Concepción. Se observa también que para el caso de Talcahuano, la norma de diseño sísmico chilena NCh433 cubre los espectros obtenidos en superficie. Llama la atención que el suelo de Talcahuano, a pesar de ser más blando geotécnicamente, tiene velocidades de ondas de corte Vs30 comparables a las del centro de Concepción. Queda demostrado entonces, que la amplificación dinámica depende en gran medida de la profundidad del estrato de suelo. Más aún, dentro de la misma unidad geológica, con Vs30 similares, vemos comportamientos muy distintos, lo que claramente indica que la velocidad de ondas de corte no es el único parámetro influyente, pensamos que el espesor del estrato H, juega un rol fundamental, ya que el subsuelo está amplificando para un período cercano a la razón T = 4H/Vs. Este es un hecho que la normativa vigente no considera. Otros efectos no considerados, y que su importancia relativa debe ser evaluada, son por ejemplo, la tridimensionalidad de la cuenca y efectos no lineales. Correlacionando los espectros obtenidos para Concepción Centro y Talcahuano, con el daño sísmico provocado por el terremoto del 27F/2010, la correlación es extremadamente certera, debido a que la Torre Libertad de Concepción tuvo que ser demolida y la Torre Prat de Talcahuano mantuvo su servicio y está habitada. Si bien los espectros para el lugar de emplazamiento de la Torre Libertad presentan niveles de aceleración mayores que para el lugar de la torre Prat, esto por si solo no explica la causa que un edificio tuviese que ser demolido y el otro no. Se puede plantear la hipótesis que ambas edificaciones presentan períodos calculados amplificados por agrietamiento cercanos a 0.8 s, período efectivo que se puede haber

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incrementado frente a la demanda de deformación cíclica a la cual se vieron sometidas las edificaciones durante el terremoto, con la consecuente pérdida de rigidez. Sin embargo, los espectros estarían indicando que el nivel de severidad de la vibración fue mayor para la torre Libertad, con claras amplificaciones para rangos de períodos alrededor de 0.3, 0.7 y 1.6 s. Dado que esta estructura no poseía suficiente capacidad de deformación frente a la carga cíclica impuesta por el terremoto, el período estimado de 0.8 s para la torre Libertad se fue probablemente degradando y desplazando hacia la zona de períodos cercanos a 1.5 s. Para este periodo se observa un valor máximo de aceleración en el espectro, provocado probablemente por una resonancia de la columna de suelo en su periodo fundamental, efecto que habría producido una deformación creciente para el edificio, que por no tener capacidad suficiente de deformación condujo al daño extremo observado, razón por la cual se decidió su demolición. Por otro lado, si la Torre Prat sufrió degradación, ésta se alejó de eventuales resonancias de la columna de suelo. Se puede decir entonces, que el daño extremo sufrido por la torre Libertad se debió con bastante probabilidad a una degradación continua de rigidez que tuvo su origen en la zona de períodos sin agrietar de la estructura, y que por las altas deformaciones impuestas comenzó a degradarse de manera importante. 8. REFERENCIAS Beltrán, C. (2012). Recalibración del índice de vulnerabilidad sísmica de edificios de Concepción. Memoria de título, Universidad de Concepción Galli, C. (1967). Geología urbana y suelos de fundación de Concepción y Talcahuano. Universidad de Concepción. Chile Hardin, B.O. and Drnevich, V.P. (1972). Shear modulus and damping in soils: Measurement and parameter effects. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE. 98(6): 603 - 624. MINVU (2011). Decreto Supremo Número 61. Ministerio de Vivienda y Urbanismo NCh 433Of1996 (2009). Diseño sísmico de edificios. INN, Santiago Louie, J. N. (2001). Faster, better: shear-wave velocity to 100 meters depth from refraction microtremor arrays: Bulletin of the Seismological Society of America 91(2), 347-364. Poblete, M. (1967). El suelo del centro de Concepción en relación con el diseño antisísmico. Memoria de título, Universidad de Chile Valenzuela, F. (2011). Microzonificación Sísmica del Gran Concepción. Aplicación NCh433 y modificación D.S. N° 117. Memoria de título, Universidad de Concepción