DETERMINACIN DE LOS ESPECTROS DE RESPUESTA SSMICA PARA LOS SUELOS DE LA CIUDAD DE PEREIRA UTILIZANDO ANLISIS UNIDIMENSIONALES.PhD. Leonardo Cano Saldaa Universidad del Quindo, MSc. Gloria Milena Molina Vinasco Universidad libre, Master Ing. Natalia Meja Martnez Universidad Libre, Ing. Dany Alejandro Henao Ochoa Universidad Libre, Ing. Juan David Orrego Universidad Libre.RESUMEN

El presente proyecto determin el espectro de respuesta ssmica para las siete zonas ssmicas de la ciudad de Pereira, con base en la informacin geotcnica de los suelos contenida en el estudio de Microzonificacin ssmica elaborado por la universidad de los Andes en el ao de 1999 y en la informacin de respuesta ssmica disponible en los acelergrafos locales, nacionales y mundiales, las simulaciones, se realizaron con el algoritmo SHAKE91 (Idriss y Sun, 1993) que evala la respuesta ssmica del suelo mediante el anlisis unidimensional de propagacin de ondas. Los espectros fueron comparados con los espectros tericos propuestos en la norma sismo resistente NSR-10. Durante las simulaciones se logr determinar que la mayor parte de la ciudad corresponde a suelos derivados de cenizas volcnicas pertenecientes a la zona de microzonificacin 3, estos tienen una respuesta dinmica entre 0.4 seg y 0.8 seg con una amplificacin promedio de 7.42g. Dichos suelos son ms susceptibles a ser excitados por sismos de fuentes intermedias con una distancia hipocentral entre 50 y 60 km.

Palabras Claves:

Microzonificacin Ssmica, anlisis unidimensionales, Espectro de diseo

ABSTRAC

This project determined the seismic response spectrum for the seven seismic zones of the city of Pereira, based on the information contained geotechnical soils in seismic microzonation study prepared by the University of the Andes in the year 1999 and in seismic response information available in the accelerometers local, national and global, to perform simulations, we use the program SHAKE91 (Idriss and Sun, 1993) that evaluates the seismic response of the soil by one-dimensional analysis of wave propagation. The spectra were compared with theoretical spectra proposed in the standard earthquake resistant NSR-10. During the simulations were able to determine that most of the city corresponds to volcanic ash soils belonging to the area of microzoning 3, these have a dynamic response between 0.4 sec and 0.8 sec with 7.42g average amplification. Such soils are more susceptible to be excited by earthquakes intermediate sources with a hypocentral distance of 50 to 60 km.

Keywords:

Seismic microzonation, dimensional analysis, design spectrum.

1. INTRODUCCIN

Estudios de amenaza ssmica sitan al departamento de Risaralda como una zona de alta sismicidad, circundado por un complejo sistema de fallas que generan numerosos sismos que se registran anualmente en la regin. El desarrollo de la ciudad de Pereira se ha dado a travs del tiempo y se refleja considerablemente en las tipologas constructivas que se han manejado culturalmente en el rea. La variabilidad en el tipo de suelos y sus tipologas constructivas la identifican como una ciudad con vulnerabilidad alta, ante la ocurrencia de un sismo.El Terremoto del Quindo (25-01-1999, Mw=6.2) se constituye en uno de los eventos naturales de mayor impacto econmico en la historia de Colombia, y se considera como el mayor desastre en trminos de personas damnificadas o afectadas por el mismo (INGEOMINAS, 1999) [1]. En 1999, como respuesta inmediata de dicho evento, instituciones como INGEOMINAS, CARDER, La Alcalda de Pereira, emprendieron una evaluacin integral de la zona afectada por el terremoto, que incluy anlisis geofsicos, sismolgicos y una zonificacin ssmica de la ciudad de Pereira.

Con base en dicha informacin este presente proyecto determino el espectro de respuesta ssmica y las funciones de transferencia para las siete zonas ssmicas de la ciudad de Pereira, mediante simulaciones unidimensionales de propagacin de ondas, para contribuir con el anlisis de evaluacin de riesgo ssmico en la ciudad.

La conjunta iniciativa entre La Alcalda de Pereira, la CARDER y el Banco Mundial a travs del proyecto EVALUACIN PROBABILSTICO DE RIESGO, ha encaminado la presente propuesta hacia el mejor entendimiento del riesgo ssmico de la ciudad, razn por la cual es de trascendental importancia recopilar, ordenar, clasificar y adecuar parte de los estudios previos con el fin de obtener los insumos de informacin bsicos de entrada para modelos matemticos de evaluacin de prdidas. Lo cual recoge el inters conjunto por conocer y modelar los posibles escenarios de riesgo ssmico y orientar los resultados hacia polticas y planes efectivos de mitigacin de riesgo.

2. METODOLOGAEl proyecto se desarroll en tres fases principales que fueron: i) Fase I Sismos de anlisis: seleccin de tres sismos de influencia directa sobre las estructuras de la ciudad provenientes de una fuente cercana, intermedia y lejana, ii) Fase II Modelos Estratigrficos: caracterizacin fsica y mecnica de distintos perfiles estratigrficos del subsuelo para cada una de las zonas ssmicas definidas en el estudio de Microzonificacin Ssmica del municipio de Pereira, iii) fase III: Simulacin: anlisis de la informacin definida en las fases I y II usando el algoritmo SHAKE91 para obtener las funciones de trasferencia del espectro de zonificacin para distintas escalas de la aceleracin mxima.

A continuacin se realiza la explicacin detallada del trabajo realizado y los criterios y consideraciones que se tuvieron en cuenta para llegar al resultado final.

2.1 Fase I. Sismos de anlisis:

De acuerdo con Ramos y Monsalve 2008 [2], es importante aclarar que dentro de un proceso de evaluacin probabilista de la amenaza, para poder definir fallas locales acordes con la realidad es necesario poseer catlogos instrumentales de movimientos ssmicos de por lo menos 100 aos y que estos catlogos estn completos tanto en magnitudes altas como bajas, y poder obtener as regresiones de magnitudes y valores de recurrencia ssmica, en concordancia a la actividad ssmica de la regin.

Debido a la ausencia de amplios registros de seales en roca dentro de la ciudad de Pereira, as como de seales ssmicas representativas para sismos de diseo, en los registros de los acelergrafos instalados en la ciudad, Buitrago y Quintana 2008 [4], la seleccin de las seales equivalentes se basaron en las consideraciones definidas en el Estudio de la Amenaza Ssmica del Eje Cafetero. 1999 [3] para fuente cercana, intermedia y lejana.

De acuerdo con ste estudio los tres escenarios ssmicos de mayor influencia en la zona son: Falla Romeral (Magnitud 6.9+0.1 Ms, distancia hipocentral 20 a 30 km), Falla Cauca (Magnitud 6.5+0.1 Ms, distancia hipocentral 50 a 60 km) y la zona de subduccin (Magnitud 7.7+0.1 Ms, distancia hipocentral 90 a 120 km). A continuacin se realiza una breve descripcin de cada uno, se hace nfasis en que los eventos ssmicos fueron registrados en roca.

Falla Romeral: La falla Romeral est conformada por tres grandes fallas llamadas, Cauca Almager, Silvia-Pijao y San Jeronimo, estas fallas han tenido gran importancia, pero su actividad durante el cuaternario ha sido muy baja. En la tabla 1 se presenta los sismos seleccionados en el estudio para esta falla.Tabla 1. Sismos Seleccionados para el sistema de la falla Romeral. Zona ssmica cercana

Fuente: Garca y Castillo 2011 [5].

Falla Cauca: La falla cauca es considerada como la ms importante del sistema de Fallas Romeral, tiene una baja actividad ssmica, viene desde el sur del pas hasta el departamento de Antioquia. En la Tabla 2 se presenta los sismos seleccionados en el estudio para esta falla.

Tabla 2. Sismos Seleccionados para el sistema de la Falla Cauca. Zona ssmica intermedia

Fuente: Garca y Castillo 2011 [5]

Falla Subduccin: La falla Subduccin es el resultado de la interaccin de la Placa de Nazca, La Placa Caribe y La Placa Suramericana, esta posee una actividad ssmica alta, que la hace el foco de continuos eventos ssmicos. En la Tabla 3 se presenta los sismos seleccionados en el estudio para esta falla.

Tabla 3. Sismos Seleccionados para el sistema de la Falla Subduccin. Zona ssmica Lejana

Fuente: Garca y Castillo 2011 [5]

Adicional a esto, de acuerdo con las recomendaciones de los funcionarios de la CARDER e INGEOMINAS, se verificaron los resultados obtenidos para la funcin de trasferencia de un sismo de fuente cercana, usando el sismo Tarapaca- Chile, que se muestra en la figura 4. La fecha de registro es de Junio 13 de 2005, magnitud de 7.9 Mw, La estacin de registro Iquique Aceleracin mxima registrada 0.2315 g[footnoteRef:1]. [1: ]

2.2 Fase II Modelos Estratigrficos

Con base en la informacin disponible en el estudio de Exploracin Geotcnica, Investigacin de Laboratorio y Zonificacin Ssmica de Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de Cabal (Departamento de Risaralda) 1999 [6], se realiz la determinacin de distintos modelos estratigrficos para cada zona ssmica del municipio de Pereira.

La clasificacin y determinacin de las propiedades del suelo usados en los perfiles estratigrficos se fundament en la informacin disponible en dicho estudio. Dentro de las propiedades estticas y dinmicas del suelo se tuvieron en cuenta el peso unitario, la velocidad de onda de cortante, y los modelos de curvas de degradacin de rigidez y de amortiguamiento, para cada zona ssmica (Tabla 4).Tabla 4. Asignacin de parmetros dinmicos a zonas geotcnicasZONAPERFORACINCARACTERSTICAESPESOR TOTALDEPSITO (m)PROFUNDIDAD(m)G/GmxBASAMENTOVs(m/s)

110 a 250-25G22Conglomerado1300

2UTP220-6G31Conglomerado1300

6-14G23

14-22G31

Samaria

3No hay perforacin10-200-20G22Conglomerado1000

4Guadalcanal320-18G23Conglomerado1300

18-32G31

Fecode y NaranjitoG22

5Galicia210-21G33Conglomerado1000

6---2 a 100-10G22Conglomerado1300

7---8 a 15Depsitos aluviales

8Parque - Cuba12 a 150-8G22Conglomerado1300

9El Bosque> 200-20G22Suelo Residual1000

10Egoy (Llenos Mecnicos)< 180-18G31Conglomerado1300

10*Gamma (Lleno Hidrulico)180-18G31Conglomerado1000

Fuente. CARDER 1999 [6]

De acuerdo con el decreto 386 de 2000 [7], Zonificacin Ssmica de Pereira, se describen siete zonas ssmicas que corresponden con la base ambiental con nfasis en riesgo [8]

Zona 1: Se caracteriza superficialmente por depsitos de cenizas volcnicas, con espesores de 2 a 10 metros, intercaladas con lentes de conglomerado. Esta secuencia reposa sobre conglomerados de buena rigidez, cuya profundidad es mayor a los 120 metros.

Zona 2: Los depsitos caractersticos son las cenizas volcnicas de 10 a 20 metros de espesor localizadas sobre conglomerados de buena rigidez. La roca de alta densidad se encuentra a una profundidad de 40 a 70 metros,y en otros sectores las cenizas reposan sobre terrazas aluviales semiconsolidadas, que llegan hasta 20-30 metros de profundidad.

Zona 3: El subsuelo est constituido por cenizas volcnicas con espesores de 20 a 25 metros, las cuales reposan sobre conglomerados de buena rigidez y cementacin que alcanzan una profundidad superior a 150 metros, para finalmente reposar sobre rocas de basamento de alta densidad. En otros sectores el subsuelo de la zona se caracteriza por tener cenizas volcnicas de 10 a15 metros de espesor sobre conglomerados de buena cementacin hasta una profundidad de 220 metros.Zona 4: Dpsitos de cenizas volcnicas de espesores de 25 a 35 metros sobre conglomerados de buena rigidez hasta una profundidad superior a 150 metros.Zona 5: Depsitos aluviales semiconsolidados, con espesores entre 8 y 15 metros, en algunos casos con lentes pantanosos. Dichos depsitos aluviales se encuentran sobre conglomerados de buena rigidez que alcanzan profundidades mayores a 150 metros.

Zona 6. Llenos: Se caracterizan por relieves semiplanos, conformados por rellenos antrpicos, dispuestos en depresiones de diversas geometras, y constituidos por materiales blandos a muy blandos de espesores entre 6 y 15 metros. Se encuentran en algunas ocasiones sobre cenizas volcnicas con profundidades hasta de 20 metros, y en otras sobre conglomerados de buena rigidez, los cuales continan hasta profundidades mayores a 150 metros. De acuerdo al mecanismo de construccin o proceso de conformacin, se han dividido en rellenos de vertimiento libre, hidrulicos, mecnicos de compactacin rudimentaria y mecnicos de compactacin tecnificada.

Zona 7: Se caracteriza por tener pendientes moderadas a altas, conformada por cenizas volcnicas, con espesores menores a 8 metros sobre suelo residual arcilloso que alcanza profundidades hasta de 22 metros, para continuar con la roca sana de alta densidad y rigidez.

2.3 Fase III. Simulacin

Ya definidas las seales ssmicas y determinadas las condiciones geotcnicas locales en los distintos modelos del subsuelo, puede estimarse, mediante la propagacin de las seales en roca hasta la superficie del terreno las respuestas en superficie de los diferentes escenarios previstos. De acuerdo con esto, cada uno de los modelos planteados con cada una del conjunto de seales indicadas se corri con el programa unidimensional SHAKE91 (Idriss y Sun, 1993)[9], el cual se basa en la propagacin vertical de ondas de cortante en un medio semiinfinito y utiliza un procedimiento iterativo lineal equivalente para las propiedades dinmicas del suelo de tal forma que sean compatibles con el nivel de deformacin por cortante impuesto por el sismo.

Las principales consideraciones del programa son: a) Los estratos considerados para cada modelo son infinitos horizontalmente.b) El registro de aceleracin obtenido corresponde a la propagacin vertical de la onda ssmica proveniente de la roca de basamento.c) Capa estrato simulado es homogneo, isotrpico y visco elstico caracterizado por su peso unitario, espesor, mdulo de corte y factor de amortiguamiento.

3. Resultados

En ste numeral se presentan los resultados de los espectros de amplificacin suelo/roca para cada una de las zonas ssmicas, estos resultados se comparan con el espectro recomendado por la Microzonificacin ssmica para cada una de las zonas y adicionalmente se realiza una corroboracin de los resultados obtenidos entre el sismo Romeral 1 y el Sismo Tarapaca Chile.Espectros de amplificacin normalizados

Se realiz una normalizacin de los resultados y se compar con los espectros planteados en la zonificacin ssmica de Pereira, construidos con los coeficientes espectrales definidos en la misma, que se presentan en la tabla 5.

Tabla 5. Coeficientes espectrales para el municipio de Pereira

Fuente: CARDER 1999.[6]

En las figuras 1 a 7 se presentan los resultados de la comparacin entre los espectros propuestos por la Microzonificacin ssmica 1999 y los resultados obtenidos en la simulacin.

Figura 1. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 1.

Figura 2. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 2.

Figura 3. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 3.

Figura 4. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 4.

Figura 5. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 5.

Figura 6. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 6.

Figura 7. Espectros de amplificacin normalizados para diferentes escalas de aceleracin en la zona 7.

Se puede afirmar que la zona ssmica que presenta mayor amplificacin es la zona 3 al hacer una comparacin entre las siete zonas, mostrando un valor pico de 7.45g alcanzado en un periodo de 0,51 seg, este comportamiento demuestra que en este sector de la ciudad es ms propenso a excitarse ante sismos intermedios.Todas las simulaciones utilizando el programa EERA (algoritmo Shake 91) mostraron que la amplificacin mayor de la onda ssmica en los espectros de respuesta se encuentra entre 0,5 seg y 1.0 seg, seguida por un descenso en la amplificacin para periodos mayores.Las zonas ssmicas 3 y 6 presentaron un espectro de respuesta similar al espectro de respuesta terico obtenido con las ecuaciones propuestas por la Norma Sismo resistente NSR-10, se observa una mayor uniformidad en un intervalo de periodo de 0.5 seg y 1.0 seg.Por el contrario, las zonas ssmicas de la ciudad de Pereira 5 y 7 estn considerablemente por debajo del espectro de diseo establecido por la NSR-10 concluyendo que dicho espectro de diseo se puede ajustar a los valores obtenidos en las modelaciones, para obtener clculos ms ajustados a las simulaciones.En general la mayor parte de la ciudad corresponde a cenizas volcnicas pertenecientes a la zona 3, estos suelos tienen una respuesta dinmica (para la ciudad) entre 0.4 seg y 0.8 seg con una amplificacin promedio de 7.42g. Dichos suelos son ms susceptibles a ser excitados por sismos de fuentes intermedias con una distancia hipocentral entre 50 y 60 km.En la escala de 0.05 g se presenta la mayor amplificacin debido a la presencia de un ruido en el programa EERA, el cual con estas escalas tan bajas en los sismos presenta una mayor claridad en los resultados mostrndose as la escala de 0.05 g como la mayor amplificacin de todas.Cuando se promedian los resultados segn su fuente se observa que la zona ssmica 3 presenta la mayor amplificacin con los sismos de la fuente Romeral mostrando un valor pico de amplificacin de 8.83g en un periodo de 0.5 seg confirmando as que esta zona representa un riesgo alto por sus grandes amplificaciones.En el promedio de los espectros de respuesta segn su fuente se observa que en la zona ssmica 1 los resultados son muy similares entre las fuentes, mostrando as que la mayor amplificacin es de 6.5g alcanzndola en el periodo de 0.3 seg proveniente de la fuente Romeral, adems las mayor influencia de la onda ocurre entre 0.2 seg y 0.5 seg.En la zona ssmica 2 cuando se promedia los espectros de respuesta segn su fuente se observa que la fuente ssmica Romeral presenta una mayor amplificacin de 8.6g alcanzndola en un periodo de 0.3 seg, con un periodo de mayor influencia de la onda que se encuentra entre 0.3 seg y 0.6 seg.La fuente ssmica Cauca genera mayor amplificacin en la zona ssmica 4 con un valor de 5.0 g alcanzndolo en un periodo crtico de 0.5 seg y una mayor influencia de la onda que oscila entre los periodos 0.3 seg y 0.7 seg siendo el periodo ms amplio de influencia entre todas las zonas ssmicas.En la zona ssmica 5 los espectros de respuesta pertenecientes a cada una de la fuentes ssmicas se observan similares mostrando una amplificacin mxima de 5.0 g en un periodo de 0.2 seg con una mayor influencia de la onda entre los 0.1 seg y 0.3 seg.En la zona ssmica 6 se observa que la fuente ssmica con mayor amplificacin es Romeral mostrando as que su mayor valor es de 5.1g logrndolo en un periodo crtico de 0.4 g con una mayor influencia de la onda ssmica oscilando entre los periodos de 0.3 seg y 0.6 seg.Para la zona ssmica 7 se observa cierta uniformidad entre los espectros de respuesta de cada fuente con un valor mximo de amplificacin de 6.4g logrado en un periodo de 0.3 seg perteneciente a la fuente ssmica subduccin con una influencia de la onda actuando entre los periodo de 0.2 seg y 0.4 seg.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Para la realizacin de una microzonificacin ssmica se recomienda realizar un mayor nmero de perforaciones para cubrir toda el rea urbana y la posible ampliacin que pueda tener esta en un futuro prximo y as obtener resultados consistentes del comportamiento del suelo ante eventos ssmicos.

Segn esta investigacin y los resultados obtenidos por Quintana y Buitrago 2010 [4] y Bermdez y Duarte (2002) [10] es importante la instalacin de una red de acelergrafos en la ciudad, con el fin de comparar los resultados del perodo fundamental del suelo obtenidos con registros de sismos fuertes generados por fuentes cercanas, lejanas e intermedias, con los usados en la microzonificacin ssmica y poder armonizar la microzonificacin ssmica a la luz de la norma sismo resistente NSR-10.

Referencias

1. Ojeda , C. A, 1999. Evaluacin de efectos de sitio para la Microzonificacin ssmica de Pereira. INGEOMINAS.2. Ramos M T, Monsalve J. H. Desagregacin de la amenaza ssmica, caso: Armenia Colombia Revista. Investigaciones Universidad. Quindo (18): 70-80.3. Cano S. L, Monsalve J. H, Espinosa B. A, Rubiano DM.,Paris Q. G, Guzmn J.. 1999. INGEOMINAS, CRQ, UNIQUINDO. Estudio de la Amenaza Ssmica del eje cafetero..4. Quintana, R. M. L., y Buitrago M., Y. V.2010. Respuesta dinmica de los suelos de la ciudad de Pereira a la Luz de la NSR-10. Trabajo de grado Universidad Libre.5. Garca P. A., y Castillo B, A. 2011 Estudio Numrico de la Propagacin de las Ondas Ssmicas Sobre Taludes De Corte En Suelos de Origen Volcnico. Caso Talud Estacin del Ferrocarril y Talud Altos del Bosque. Universidad del Quindo.6. CARDER, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES y DNPDA. 1999. Exploracin geotcnica, investigacin de laboratorio y zonificacin ssmica de Pereira, Dosquebradas y santa Rosa de Cabal. 7. 7. Alcalda de Pereira. 2000. Decreto 386 de 2000. 8. Vsquez, M,J., Campos, A.G, Cardozo P,D y Osorio R,G. 2000. Base Ambiental con nfasis en riesgo. CARDER- FOREC.9. Idriss, I. M. y Sun, J I.1993. User's manual for SHAKE91: a computer program for conducting equivalent linear seismic response analyses of horizontally layered soil deposits Center for Geotechnical Modeling, Dept. of Civil and Environmental Engineering, University of California, Davis Davis, Calif., 1993, (480/S36/1992).10. Bermdez, M. L. y Duarte, J. A. (2002). La red nacional de acelergrafos de Colombia. Memorias Primer Simposio Colombiano de Sismologa, Bogot, Colombia.