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INFLUENCIA DEL SUELO EN LA

RESPUESTA SÍSMICA DE ESTRUCTURAS

(Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, SIDETUR 13 de octubre de 2008)

Pedro Carrillo P. Geolab Consultores C. A.

Prof. de Ingeniería de Fundaciones, UCAB [email protected]

RESUMEN

La respuesta sísmica de las edificaciones depende de las vibraciones del suelo y del diseño estructural de las mismas; en algunos casos se puede llegar a la ruina de un edificio estructuralmente capaz de soportar un sismo, debido a las condiciones particulares del suelo. La identificación de los suelos y de aquellas propiedades que los hacen especialmente susceptibles a la acción de los terremotos, es el objeto de este artículo. En forma sumaria, se hace una revisión de las técnicas de análisis utilizadas en la ingeniería geotécnica sísmica para estimar la respuesta del suelo bajo la acción de un terremoto y sus consecuencias en depósitos sedimentarios, tales como la evaluación del riesgo de licuación de suelos arenosos saturados, el asentamiento súbito del suelo debido a las vibraciones del terreno, la amplificación de la aceleración del movimiento sísmico, la inestabilidad de taludes por la acción sísmica y la estimación de las fuerzas de empuje en muros debidos un terremoto. Sobre la base de estas técnicas de análisis, se comentan los principios utilizados en las normas para edificaciones sismorresistentes para la evaluación de los parámetros geotécnicos que en éstas se recomiendan. 1. INTRODUCCIÓN Los movimientos del terreno debidos a la acción de los terremotos han sido la causa de daños severos en estructuras importantes. El estudio de la influencia de las condiciones particulares del subsuelo y los efectos que de esto se derivan sobre edificaciones de todo tipo, ha dado origen a la ingeniería geotécnica sísmica, rama de la geotecnia que se dedica a proporcionar datos básicos para el diseño y construcción de proyectos de edificaciones sismorresistentes. Esta disciplina requiere la comprensión de la geotecnia básica y de otras especialidades, como son la geología, la sismología y la ingeniería sísmica. La práctica de la geotecnia sísmica incluye todo lo relativo a los métodos de exploración del subsuelo, análisis de esfuerzos en el suelo bajo la acción de cargas dinámicas, la estimación de la capacidad de soporte del suelo en el diseño de fundaciones, entre otros aspectos. Todo lo anterior se inicia con la estimación de la magnitud de las aceleraciones pico a nivel del terreno para un terremoto probable, lo que constituye el punto de partida para el estudio de otros fenómenos, que como consecuencia de un movimiento sísmico deben ser investigados, como son: licuación del suelo, estimación de asentamientos, estabilidad de taludes y de suelos blandos o poco densos, además de las modificaciones en los empujes de tierra en obras de retención.

mailto:[email protected]

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 2 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS TERREMOTOS Los movimientos sísmicos fuertes se definen sobre la base de ciertas características tales como magnitud, intensidad, epicentro, foco y distancia a una localidad dada. Por tratarse de términos muy conocidos en sismología y en ingeniería sísmica, a continuación se dan sus definiciones en forma sumaria. Foco. Es el punto bajo la superficie del terreno donde se inicia la ruptura de una falla Profundidad focal. Distancia vertical desde la superficie del suelo al foco Epicentro. Punto de intersección de una línea vertical desde el foco a la superficie del terreno Distancia epicentral. Distancia horizontal entre el epicentro y un sitio determinado Distancia efectiva a la falla. Longitud horizontal entre el punto medio de la falla a un sitio dado. Intensidad. Medida arbitraria del poder destructivo de un terremoto (escala Mercalli Modificado, de I a XI grados) Magnitud. Cantidad de energía disipada durante un sismo (escala Richter, de 1 a 8 grados) Entre Intensidad y Magnitud se han desarrollado patrones de comparación que permiten correlacionar una medida con la otra, y fórmulas para estimar la severidad de un terremoto, como las que se dan a continuación.

Escalas Richter vs. Mercalli Magnitud Duración de la Magnitud M Inensidad M rotura en la falla, (s)

1 - 5 52 I, II 6 153 III 7 25- 304 IV, V5 VI, VII6 VIII7 IX, X8 XI

(Tomado de Das, B., 1999) Para la energía disipada en un terremoto se utilizan fórmulas que son función de diferentes parámetros, como las que se dan a continuación, que dependen de magnitud y la distancia a la falla: Log10E = 12,24 + 1,44 M (Bath, 1966) Log10L = 1,02M – 5,77 (Housner, 1969) E= Energía (ergs) L= Distancia a la falla, km M= Magnitud Richter (Tomado de Das, B., 1999) Otras correlaciones, deducidas de la observación y medición de numerosos terremotos, permiten evaluar la variación del período de vibración y de la aceleración en la roca en función de la distancia efectiva a la falla activa, como lo indican las figuras 1 y 2.

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 3

Figura 1. Período predominante para la máxima aceleración en la roca.

Figura 2. Variación de la aceleración máxima con la distancia a la falla. (Seed et al., 1975)

Estos datos son de gran interés en el análisis de la modificación de las aceleraciones y desplazamientos en la superficie de depósitos de suelos de gran espesor, como consecuencia del fenómeno de amplificación de un movimiento sísmico, como se verá más adelante. Otros conceptos y parámetros utilizados para establecer la magnitud de un sismo diferencian entre la magnitud local o magnitud Ritchter y el “momento de la magnitud”; este último concepto se utiliza para evaluar el tamaño global de un terremoto, lo cual es función del momento sísmico, lo que a su vez depende del módulo de corte de la roca en el plano de la falla, del área del plano de falla y del desplazamiento de la falla.

3. ACELERACIÓN MÁXIMA En la práctica de la ingeniería sísmica uno de los parámetros más importantes a determinar es la aceleración máxima del terreno; amáx. Para la evaluación de amáx se utilizan diversas metodologías, entre las cuales podemos citar los que se fundamentan en lo siguiente: Terremotos Históricos: estudio de terremotos pasados Terremoto máximo posible: el mayor terremoto que razonablemente puede esperarse Terremoto máximo probable: establecido sobre la base del estudio de fallas cercanas Mapas de riesgo sísmico: valores de amáx de estudios probabilísticos para un período dado. Normas Locales De la utilización de todas estas metodologías en un proyecto en particular, se pueden obtener valores de amáx comprendidos entre un amplio rango, como por ejemplo: amáx= 0,15g a 0,40g por lo que queda al criterio del investigador la selección de la aceleración de diseño. Los datos de la figura 2 pueden ayudar en la estimación de amáx; sin embargo, lo más a la mano que se tiene es

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 4 lo establecido en la Norma COVENIN 1756-2:2001, Tabla 4.1, de donde amáx= A0g. A continuación se reproduce la tabla citada. Tabla 4.1 (COVENIN 1759-2:2000) Zona Sísmica Peligro Sísmico A0 7 0,40 6 Elevado 0,35 5 0,30 4 0,25 3 Intermedio 0,20 2 0,15 1 Bajo 0,10 0 ---- La Zona Sísmica se deduce del Mapa de Zonificación Sísmica y de la Tabla 4.2 de la misma Norma. 4. CONDICIONES GEOLÓGICO-GEOTÉCNICAS PARTICULARES DEL SITIO Hasta ahora se ha tratado sobre el origen y tamaño de un terremoto y de sus consecuencias, la propagación de las ondas sísmicas en el basamento rocoso y las aceleraciones y desplazamientos horizontales y verticales en la superficie de este medio. Sin embargo, las condiciones particulares del subsuelo pueden producir transformaciones importantes en la forma como se propaga un sismo, lo cual ha llegado a producir efectos devastadores en ciertas localidades como consecuencia de un sismo magnitud moderada. Entre los fenómenos que se pueden producir como consecuencia de una condición geológica en particular, podemos mencionar los siguientes: amplificación de los desplazamientos y aceleraciones en la superficie del terreno; licuación del suelo; inestabilidad de taludes y de suelos blandos o poco densos; incremento en los empujes de tierra en muros; asentamientos locales o subsidencia regional. 5. AMPLIFICACIÓN DEL MOVIMIENTO SÍSMICO La presencia de grandes espesores de suelos y las condiciones de contorno debidas a la forma del basamento rocoso, tienden a transformar las ondas que se propagan por la roca, lo que produce cambios en la frecuencia de vibración y aumento en las aceleraciones y desplazamientos en la superficie de estos depósitos de suelos. En el terremoto de Caracas del 29 de julio de 1967 se produjo el fenómeno de amplificación del movimiento sísmico en la urbanización Los Palos Grandes; este fenómeno ha sido observado y medido en otros sitios similares, como es el caso del terremoto de San Francisco del 17 de octubre de 1989, donde se obtuvieron registros de sismógrafos ubicados en roca (sitio Yerba Buena) y sobre depósitos con grandes espesores de suelos marinos (Treasure Island, 30 m de suelos blandos o poco densos -tomado de Das, B., 1999-), los cuales se muestran en la figura 3.


Figura 3. Amplificación de la aceleración en roca y en 30 m de suelos. Terremoto de Loma Prieta, California, octubre de 1989.

(Seed, et al. 1990) En esta figura se puede apreciar el cambio en la frecuencia de vibración y el incremento en el valor de la aceleración para dos sitios equidistantes del epicentro del terremoto de Loma Prieta, California, 17 de octubre de 1989 (Seed et al, 1990): amáx= 0,06g y amáx= 0,16g en la roca y en la superficie de un depósito sedimentario, respectivamente. Del análisis de columnas de suelo de diferentes características (profundidad del depósito, módulo de corte, peso unitario, velocidad de ondas de corte, atenuación) se deducen los espectros de respuesta y las formas espectrales (S-1 a S-4) que se utilizan la Norma COVENIN 1756-1:2001, los cuales se muestran en la figura 4.

Figura 4. Formas Espectrales Tipificadas

(Norma COVENIN 1750-2:200)

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 6 En Venezuela el primer estudio de amplificación sísmica se realizó en el valle de Caracas, como parte de los estudios ordenados por la Comisión Presidencial para el Estudio del Sismo, cuyos datos fueron publicados por FUNVISIS, 1978. 6. LICUACIÓN DEL SUELO El fenómeno de licuación se produce en depósitos recientes de arenas finas limpias o poco limosas, no cohesivas, donde el nivel freático se encuentra cerca de la superficie. Cuando estos suelos son sometidos a la acción de esfuerzos cortantes cíclicos, provenientes de la propagación de las ondas de corte de un terremoto, tienden a comprimirse, lo que genera presiones de poro que no pueden disiparse debido a la rápida aplicación de las solicitaciones sísmicas; en estas condiciones tienden a generarse esfuerzos en la masa del suelo en una condición no drenada, con aumento de las presiones de poro, lo que ocasiona una disminución de los esfuerzos efectivos dentro de la masa del suelo, lo cual se expresa por la fórmula siguiente: σ’= σtot,- u σ’ = γ’z , Esfuerzo efectivo σtot,= γtot,.z , Esfuerzo total u = Presión de poros γtot. = Peso unitario total γ’ = Peso unitario efectivo z = Profundidad Cuando las presiones de poro son iguales al esfuerzo total geostático σtot., se origina una condición de esfuerzo efectivo σ’ = 0, es decir, que se produce una pérdida de resistencia al corte total, las partículas del suelo pierden confinamiento y tienden a desplazarse hacia la superficie del terreno en forma de surtidores o chorros de agua que dejan pequeños volcanes de arena suelta. La pérdida de resistencia en el suelo trae como consecuencia la falla de las fundaciones de los edificios e inestabilidad en los taludes, especialmente en presas de tierra. 6.1. Suelos Susceptibles a Licuación Según la teoría de A. Casagrande, 1936, las arenas no cohesivas son susceptibles a licuación cuando su relación de vacíos es igual o mayor a un valor crítico. Un suelo con una relación de vacíos crítica es aquél que no experimenta cambios de volumen durante un sismo, según la definición de Casagrande, mientras que un suelo potencialmente licuable es aquél que bajo una acción dinámica tiende a comprimirse, lo cual produce excesos de presión de poros, que es la causa inicial de la licuación de un suelo. El primer paso en el diagnóstico de una potencial condición de licuación consiste en la identificación de los suelos susceptibles a licuarse. Básicamente hay dos factores que permiten identificar los suelos potencialmente licuables: su granulometría y su densidad relativa. Las arenas finas a medias limpias o poco limosas, no cohesivas, gradadas o mal gradadas, saturadas, están dentro de la clasificación de riesgo. Por otra parte, si los valores de resistencia en la Prueba de Penetración Estándar (Standard Penetration Test, SPT) son bajos, es indicativo de una baja densidad relativa del suelo y, por lo tanto, indicativos del riesgo de licuación del suelo. Los valores de SPT se deben corregir por profundidad y por pérdida de energía del martillo, dichas correcciones se resumen a continuación.


CORRECCIÓN DEL NSPT PARA EL MARTILLO DE SEGURIDAD CON 60% DE LA ENERGÍA TEÓRICA

SPTne NCCN =60,1 v

an

pC'σ

= 5,0

60

60100 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

NDr

=nC Corrección por sobrecarga

=ap Presión atmosférica (1,0 kg/cm2) =v'σ Esfuerzo vertical efectivo de sobrecarga =Dr Densidad Relativa % Corrección por Pérdida de Energía (60%)* Martillo Energía Ce

Donut 45% 0,75

De Seguridad 60% 1,00

* NSPT normalizado para una energía efectiva transmitida del

60% de la caída libre teórica.

Para calificar un suelo como potencialmente licuable se deberán tener al menos dos de las siguientes condiciones: 1.- Si la granulometría de una arena se encuentra entre las bandas y gradaciones que se dan en la

figura 5 2.- Que el nivel freático se encuentre cerca de la superficie del suelo 3.- Valores de NSPT ubicados en las zonas B o C de la figura 6; o que los valores N1,60 sean

iguales o menores a los indicados en la Tabla 1 4.- Densidad relativa DR del suelo baja (usualmente: DR< 67%), como lo indica la figura 7 5.- Límite Líquido y humedad natural entre los límites indicados en la Tabla 2 De darse las condiciones citadas, será necesario proceder a ejecutar análisis más detallados del potencial de licuación.

Arenas y Limos de Gradación Uniforme

0

25

50

75

100

0,0010,010,1110100

Tamaño de partículas en mm

%Pa

sant

e

Grava Arena Limo Arcilla

LICÚA FÁCILMENTE

LICÚA

Figura 5 a. Granulometrías de arenas mal gradadas susceptibles a licuación


Arenas y Limos Bien Gradados

0

25

50

75

100

0,0010,010,1110100

Tamaño de partículas en mm

%Pa

sant

e

Grava Arena Limo Arcilla

LICÚA FACILMENTE

LICÚA

Figura 5 b. Granulometrías de arenas gradadas susceptibles a licuación

Figura 6. Suelos Licuables deducidos del NSPT

(Tomado de Colindres, R., 1993)

Tabla 1 Tabla 2N1,60 Riesgo de Licuación Suelos Susceptibles a Licuación0 – 20 Alto Plasticidad20-30 Intermedio LL< 35> 30 Bajo Wnat.> 0,90 LL LL= Límite Líquido

(Seed et al, 1985) Nivel Freático: Próximo a la superficie

Figura 7. Potencial del Licuación en Función de

la Densidad Relativa del Suelo. (Tomado de Das, B., 1999)

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 9 6.2. Potencial de Licuación Una vez identificado un depósito de suelos como potencialmente licuables, se deberá proceder a evaluar los esfuerzos dinámicos que se pueden generar en la masa del suelo y su resistencia a la licuación. El cociente entre este último parámetro y el primero, será el factor de seguridad (FdeS) a la licuación del depósito. El factor más importante en la estimación de la susceptibilidad de un suelo a la licuación es la aceleración máxima en la superficie del terreno, amáx , la cual depende de la intensidad del sismo y su duración. Sólo se harán análisis de licuación para las siguientes condiciones:

Riesgo de Licuación amáx > 0,10g

M > 5 (M = magnitud del sismo) El método propuesto por H.B. Seed et al. (1985), se fundamenta en la obtención de dos parámetros fundamentales: CRR = Relación de resistencia cíclica (Cyclic Resistant Ratio) CSR = Relación del esfuerzo cíclico (Cyclic Stress Ratio) Donde el factor de seguridad a la licuación de un suelo será: FdeS = CRR/CSR Evaluación del factor CSR. El esfuerzo cortante máximo que se puede generar durante un sismo en una columna de suelo se deduce del siguiente análisis: F= m a = W/g a = γz/g amáx ; amáx = Máxima aceleración horizontal

F

tmax

F = σvo amáx/g σvo = Esfuerzo vertical total τmáx = F = σvo amáx/g τmáx = Esfuerzo cortante máximo τmáx/ σvo’ = (σvo/ σvo’) (amáx/g) σvo’ = Esfuerzo efectivo vertical En el método citado se interpreta un posible acelerograma como una serie de ciclos de esfuerzos uniformes, correspondientes a la frecuencia a la cual se producen los picos de aceleración, que son los que realmente afectan las estructuras, y se asume que el esfuerzo cortante es cíclico y uniforme. Así, un acelerograma irregular y errático se convierte en una serie de ciclos de esfuerzo cortante regulares, cuyos valores, para un esfuerzo cortante promedio y sismos de diferente magnitud se estiman como se indica en la Tabla 3.


Tabla 3 Magnitud sismo Nº ciclos Duración (s) 7 10 25 - 30 7,5 20 > 30 8 30 Sobre la base de estas simplificaciones, el esfuerzo cortante se expresa como: τcyc = 0,65 τmáx (esfuerzo cortante cíclico uniforme) τ = esfuerzo cortante (Seed, et al., 1975) CSR = τcyc /σv0 = 0,65 rd (σv0/σv0) (amáx/g) rd = 1-0,012 z rd = Coef. de reducción de esfuerzos Factor CSS. Representa la resistencia del suelo a la licuación, el cual se deduce de los valores del NSPT corregidos por profundidad y energía del martillo: N1,60. Los valores de CSR propuestos por Seed, et al. (1985), corresponden a un sismo de magnitud M= 7,5 los cuales se dan en la figura 8 para suelos con diferente contenido de finos.

Figura 8. Valores de CRR vs. N1, 60. (Seed et al. 1985)

Para sismos de magnitud M≠ 7,5 Seed propone los factores de escala (Magnitude Scaling Factor, MSF) de la Tabla 4.

Tabla 4 Magnitud Sismo Factor de Escala (MSF) 8,5 0,89 7,5 1,00 6,75 1,13 6 1,32

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 11 5,25 1,50 (Seed et al. 1985) De donde: CSRM = MFS CSR De todo lo anterior, el factor de seguridad a la licuación tendrá la siguiente expresión: FdeS = CSRM/CSS De las experiencias del sismo de Niigata de 1954, J.R.A. Draft (1979 -tomado de Colindres, 1993-) propone factores de reducción D para la capacidad de carga de los suelos, en función del FdeS estimado por el método anterior, los cuales se resumen en la Tabla 5.

Tabla 5 FdeS Factor de Reducción D > 1 1,00 0,80<FdeS≤ 1 2/3 0,60<FdeS≤ 0,80 1/3 < 0,60 No construir 6.3. Disminución del Riesgo de Licuación El riesgo de licuación disminuye si las capas de suelos potencialmente licuables se encuentran bajo capas de suelos estables, los cuales producen presiones efectivas verticales y de confinamiento sobre las capas con riesgo de licuación. Estas condiciones particulares, atenuantes del potencial de licuación, se observaron durante un sismo de magnitud M = 7,7 ocurrido en el norte de Japón en mayo de 1983, donde capas de arena con valores de NSPT < 10 potencialmente licuables, cubiertas por capas de suelos densos, se mantuvieron estables, sin producir efectos en las estructuras fundadas superficialmente. Los resultados de las investigaciones realizadas en estos sitios se resumen en la figura 9.

Figura 9. Atenuación del Potencial de Licuación por Sobrecarga

(Tomado de Day, R.W., 2006) Del análisis de los datos de esta figura se desprende que cuando la cobertura de suelos estables es de 6,0 m, el riesgo de licuación de una capa subyacente es muy reducido y sólo con sismos con

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 12 magnitud M >7,5 y epicentros a distancias de <30 km podría ocurrir licuación en capas de suelos susceptibles al fenómeno cuando éstos tengan espesores > 5 m. En el caso del sismo de Caracas de 1967, cualquier suelo potencialmente licuable que tuviera una cubierta de suelos densos del orden de 3 m, no hubiera sido posible que se produjera licuación. El caso de licuación reportado en Güigüe durante este sismo, se produjo en suelos superficiales saturados, sin cobertura alguna, según se deduce de fotografías del sitio tomadas días después del terremoto. En la figura 10 (Acosta y De Santis, 1997 -tomado de Grases, J. 2002-) se reproduce un mapa de Venezuela, sobre el cual se indican los sitios donde históricamente se han producido fenómenos de licuación.

Figura 10. Fenómenos de Licuación en Tiempos Históricos en Venezuela

(Tomado de Grases, J., 2002) 7. ESTABILIDAD DE TALUDES Y DE SUELOS BLANDOS CON SISMO En principio, todo talud puede fallar bajo la acción de un sismo fuerte, tanto taludes en suelos, como en taludes en roca. Dos condiciones del suelo dan origen a sendos tipos de análisis: taludes con capas o lentes de suelos de baja resistencia al corte; y taludes con suelos densos o duros o en roca, cuya estabilidad depende de las fuerzas inerciales producidas por las aceleraciones horizontales que genera el sismo. 7.1. Estabilidad Dinámica de Taludes con Suelos de Baja Resistencia al Corte. Para estas condiciones se pueden distinguir dos casos generales: a. cortes o pendientes donde se encuentran lentes o zonas de materiales que pueden presentar flujos laterales masivos, zonas licuables o capas horizontales susceptibles a licuación; y b. suelos blandos y/o arcillas sensitivas que pueden ablandarse y fluir durante un sismo fuerte. El primero de estos casos ocurre en suelos

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 13 susceptibles a licuación, cuya estabilidad se analiza sobre la base de superficies de deslizamiento circulares o planares, donde se representan las zonas o lentes propensos a licuación como capas cuya resistencia al corte es: τ =0, es decir para la condición φ = 0 y c = 0 (φ = ángulo de fricción interna, c= cohesión). En taludes con lentes o zonas de suelos blandos o sensitivos, puede presentarse el fenómeno de ablandamiento del suelo bajo la acción cíclica de un sismo, lo que puede producir flujo o extrusión (squeezing) de estos lentes de suelo. No existe un método de análisis específico para estos casos, aunque podría utilizarse un análisis de elementos finitos, donde las condiciones de contorno pueden resultar difíciles de establecer. Los análisis de estabilidad con superficies planas, pueden dar una idea del FdeS en estos casos. En la figura 11 se ilustra el mecanismo de flujo en este tipo de suelos.

Figura 11. Falla por Reblandecimiento del Suelo y Extrusión por Sismo

(Tomado de Day, R.W., 2006) 7.2 Estabilidad Dinámica de Taludes con Suelos Densos o Duros. Para el análisis de estabilidad de taludes formados por suelos densos o duros, o en roca, se utiliza el método pseudo-estático, en el cual se supone que la aceleración de un sismo produce una fuerza horizontal en la masa de suelo, en dirección hacia fuera del talud, la cual se incluye en un análisis de fuerzas estáticas. En todos los análisis de estabilidad de taludes con sismo se utiliza una aceleración horizontal modificada: ah = F amáx , donde un valor de F promedio es de: F≈ 0,50. Sin embargo, Este valor de reducción puede estimarse, como se sugieren la Norma COVENIN 1750-2:2000, Parte 2, tomando en cuenta la importancia de la estructura (Tabla 6-1, Factor de Importancia α) y la forma espectral correspondiente al sitio, lo cual puede expresarse de la siguiente forma:

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 14 amáx= A0’ g A0’ = F Α0 (Norma COVENIN 1750-2:2000, Parte 1 y Parte 2) F = 0,50 α φ Α0= Coeficiente de aceleración φ = Factor de corrección, según forma espectral α= Factor de Importancia de la estructura 8. EMPUJES DE TIERRA DEBIDOS A CARGAS SISMICAS El comportamiento de un muro bajo la acción de un sismo es sumamente complicado; básicamente, por tratarse de una acción cíclica entre la estructura del muro y el suelo en el trasdós, la diferencia entre la frecuencia de vibración de la estructura del muro y el suelo, pueden producir desplazamientos de ambos medios en direcciones opuestas, como resultado de movimientos de traslación y rotación del muro. Los empujes dinámicos máximos ocurren cuando el muro se desplaza en sentido contrario al desplazamiento del suelo; debido a que se trata de movimientos horizontales cíclicos, los empujes aumentan y disminuyen también cíclicamente, y la resultante del empuje se desplaza de arriba a abajo. Después de un sismo pueden quedar desplazamientos permanentes y presiones residuales contra el muro, todo lo cual debe reflejarse en los análisis dinámicos. La metodología de análisis de los empujes de tierra dinámicos sobre muros aislados, no integrados a otras estructuras, se fundamenta en métodos pseudos-estáticos, en los cuales el efecto dinámico del sismo se le suma al empuje de tierra estático. La técnica utilizada hasta ahora data de 1926, cuando Mononobe y Okabe, luego Mononobe y Matsu, 1929, propusieron un método que se basa en la teoría de empuje de tierra de Coulomb. Este método ha sido modificado durante casi un siglo, como consecuencia de investigaciones sucesivas, pero todo puede considerarse como variaciones sobre un mismo tema. Los empujes dinámicos sobre muros se expresan como la suma del empuje estático, más el dinámico, lo cual se formula según la siguiente ecuación: PAE = PA + PE = ½ kAE γtot. H2

El valor de kAE se define con una complicada ecuación, deducida de la ecuación de Coulomb, modificada para el caso sísmico. Como referencia, a continuación se indican los datos geométricos que se incluyen en la fórmula siguiente.

d

b

Pa

HO

Geometría del Muro considerada en la ecuación


2

2

2

)cos()cos()()(1)cos(coscos

)(cos

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−++−−+

+++

−−=

θβψθδψβϕϕδψθδθψ

ψθϕ

sensenK AE

(Tomado de Das, B., 1999) El efecto sísmico se incluye en esta fórmula en el parámetro ψ , el cual se define como sigue: ψ = tg-1 kh = tg-1(amáx/g) En los análisis de estabilidad de muros sometidos a fuerzas sísmica se aceptan factores de seguridad menores, FdeS = 1,1 a 1,2 para la combinación de carga estática más sismo. 9. ASENTAMIENTOS Y SUBSIDENCIA POR SISMO Una de las causas principales de asentamientos en la superficie del terreno se debe a fenómenos de licuación en capas cubiertas por suelos estables; también el flujo de suelos licuados hacia la superficie produce asentamientos. En investigaciones sobre asentamientos en suelos granulares bajo la acción dinámica de máquinas vibratorias, se ha comprobado este efecto, y en los métodos y normas de diseño de fundaciones de máquinas se incluyen procedimientos para la estimación de asentamientos. En el caso de terremotos sólo conocemos datos bibliográficos de asentamientos y subsidencia regional, como fue lo sucedido la ciudad de Golcuk, en el golfo de Izmir, como consecuencia del terremoto de Turkía de 1999, donde ocurrió un fenómeno de subsidencia que afectó una zona de 3 km de largo y se produjo una subsidencia de 3 m. También en investigaciones geológicas recientes se indica que el origen de ciertos fosos tectónicos o graven, es debido a la ocurrencia de terremotos que produjeron subsidencia en extensas áreas, que ahora delimitan dichos fosos. No se descarta que el denominado, hasta ahora, sinclinal del valle de Caracas sea más bien el producto de un fenómeno sísmico de grandes proporciones, cuyos indicios se encuentran en los resultados de las investigaciones geofísicas ordenadas por la Comisión Presidencial para el Estudio del Sismo de Caracas de 1967, dichos datos están contenidos en el informe de esta Comisión, publicados por FUNVISIS en 1978. 10. CONCLUSIONES La Ingeniería Geotécnica Sísmica se fundamenta en los datos provenientes de investigaciones sismológicas y geofísicas, los cuales se analizan y simplifican en fórmulas y gráficos que permiten su aplicación en métodos pseudos-estáticos o dinámicos aplicables a estructuras de todo tipo, especialmente a la estructura de los suelos. Los parámetros que sirven de base a las diferentes metodologías de análisis son: las aceleraciones máximas, los períodos de vibración en la superficie del terreno, atenuación y amortiguamiento del fenómeno sísmico, entre otros, todos deducidos de las fuentes de la sismología.

INFLUENCIA DEL SUELO EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Seminario Técnico “Dr. Eduardo Arnal”, 13 de octubre de 2008 16 Los métodos empleados para estimar el comportamiento del suelo durante la acción de un sismo, difieren y tienen vías de aplicación distintas para cada fenómeno; así, la metodología para evaluar el potencial de licuación de un suelo, es diferente a la empleada para la estimación de los empujes de tierra en muros o para valorar la amplificación de un sismo al cambiar el medio de propagación del movimiento sísmico. Sólo los parámetros fundamentales citados, son comunes a todas las metodologías, pues éstos se derivan de la naturaleza e intensidad de un sismo. Como consecuencia, los métodos de análisis de fenómenos sísmicos, desde el punto de vista de la Ingeniería Geotécnica aplicada a la sísmica, son necesariamente de carácter semi-empírico, deducidos de experiencias y observaciones directas, muchas de éstas de origen casual, debido a lo impredecible de un sismo. Finalmente, en este artículo se ha tratado de exponer, en forma simple y resumida, una serie de técnicas que usualmente requieren la intervención de profesionales especializados, con el fin de informar a aquellos ingenieros de otras disciplinas de la Ingeniería Civil, que necesariamente deben enfrentarse a la complejidad e incertidumbre de la heterogeneidad de los suelos. Esto hace que la Ingeniería Geotécnica sea algo diferente a otras especialidades que trabajan sobre la base de materiales cuya resistencia y propiedades físico-mecánicas son más constantes, y que, en consecuencia, pueden adaptarse mejor a las teorías de análisis de esfuerzos y deformaciones, base fundamental y resultado final de cualquier problema de Ingeniería. BIBLIOGRAFÍA Colindres, R., (1993). "Dinámica de Suelos y Estructuras", Limusa, México.

COVENIN 1756-2:2001, FONDONORMA

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