propiedades dinamicas del suelo

7/31/2019 Propiedades dinamicas del suelo

1/40

Captulo 2 LOS SUELOS

7

2. LOS SUELOS

2.1. Introduccin

La naturaleza y la distribucin del dao ssmico estn muy influenciadas por la respuesta delsuelo frente a cargas cclicas. Dicha respuesta est controlada en gran m edida por las prop iedadesdel suelo. Por ejemplo, la susceptibilidad de un depsito de suelo para amplificar el movimientodepende d e las prop iedades d inmicas, siendo el mdulo de corte, G, y el amortiguamiento, , losprincipales parmetros para modelar la respuesta ssmica del suelo. Estos parmetros se

relacionan con otras propiedades del suelo, de carcter ms fsico, como por ejemplo el ndice deporos, la densidad relativa y la velocidad de las ond as de cizalla.

Se hace necesario, por lo tanto, revisar los conceptos ms importantes relacionados con lacaracterizacin ssmica de los suelos. En concreto, en este captulo se presentan los conceptosgeolgicos, geotcnicos, ssmicos y geolgicos relacionad os con los suelos.

Un p armetro clave en estud ios de evaluacin d e la respuesta ssmica de suelos es la velocidad delas ondas d e corte (u ondas S). Norm almente su valor se dedu ce a partir de ensayos o tcnicas dereconocimiento de suelos, por ejemplo, se han estudiado a lo largo del tiempo correlaciones con elvalor del contaje N en el ensayo de penetracin estndar (SPT) con la velocidad de corte. Por lotanto, se han revisado los pr incipales ensayos de laboratorio e in situ relacionados con este tema.

Sin embargo, estos mtodos slo alcanzan una profundidad limitada y por lo tanto se requierenmod elos que redu zcan la incertidum bre asociada a dichos valores con la profundidad .

El riesgo ssmico puede aum entar considerablemente por causa de la geologa y/ o la topografade la zona que experimenta la sacudida, y por eso es conveniente que las normativas de diseosismoresistente reflejen adecuadamente el peligro ssmico. Por este motivo tambin se hananalizado las clasificaciones del suelo y los espectros de respuesta elstica presentados en lasnormativas de construccin sismoresistentes de varios pases que, por su contexto tectnicoregional, o sufren terremotos fuertes o nos son cercanos. Entre las pr imeras, se analiza lasnormativas de Estados Unidos de Amrica y Japn. Entre las segundas, el Eurocdigo y lanormativa de construccin sismoresistente espaola: la NCSE-02.


2/40


8

2.2. Defin iciones y conceptos

2.2.1. Defin icin de suel o

Desde el punto de vista ingenieril, el material que constituye la corteza terrestre se d ivide en d oscategoras: suelo y roca. Suelo es el agregado natural de granos minerales que pueden separarsemediante medios mecnicos, como por ejemplo la agitacin en agua. En cambio, roca es el

agregado natural de minerales que estn conectados por fuerzas permanentes y cohesivas decarcter fuerte y permanente. Las dos definiciones difieren en los trminos fuerte yperm anente, que son m uy su bjetivos y por tan to estn sujetos a interpretaciones diferentes.

Desde el punto de vista geolgico, suelo es el material producido por los efectos de lameteorizacin o alteracin sobre las rocas de la superficie de la tierra y est dividido en estratos uhorizontes (concepto edafolgico*). En cambio roca es el material constitutivo de la cortezaterrestre, formado en general por una asociacin de minerales y que presenta una ciertahomogeneidad estadstica; en general es d ura y coherente pero a veces es plstica (por ejemplo, laarcilla) o mvil (como ejemp lo, la arena).

En todas estas definiciones se observa que el concepto suelo describe algo que es dinmico, por loque discernir muchas veces entre roca con un alto grado de meteorizacin o suelo es, al menos,discutible.

2.2.2. Consi stencia y lmi tes de Atterberg

En geotecnia se dividen los suelos en funcin del contenido de humedad que se representamediante los lmites de Atterberg: lmite de retraccin, R, lmite plstico, P, y lmite lquido L.Estos valores separan las diferentes consistencias o apariencias del suelo. As, distinguimos entreconsistencia dura o slida, consistencia friable (desmenuzable fcilmente) o semislida,consistencia plstica y consistencia viscosa o fluida (fig. 2.1). De este modo, el lmite de retraccin,R, es el contenido d e hum edad del suelo en su apariencia slida. El lmite lquido d el suelo, L ,es el contenido d e humedad en su apariencia lquida. Del mismo m odo, el lmite plstico o P es

el contenido de humedad en el estado plstico del suelo. El contenido de humedad, P w y loslmites de Atterberg se expresan en % de agua en peso de suelo seco.

Figura 2.1. Consistencias del suelo en funcin del contenido de humedad, Pw.

Edafologia*: Ciencia que trata sobre el estudio del suelo y que aparece a finales del siglo XIX. Su nombre viene del

griego edaph osque significa superfcie de la tierra en contraposicin de geos que denom ina al cuerpocsmico. Aunqu e algunos au tores han contrap uesto los conceptos ciencia d el suelo y edafologa con uncarcter esttico en la primera y d inmico en la segunda, en la actualidad ambas ciencias se confund en.


3/40


4/40


10

varillando y vibrando enrgeticamente cada capa hasta observar que no adquiere mayorcompacidad. Una vez enrasad o el recipiente se calcula su e.

Este parmetro se utiliza para caracterizar materiales arenosos, de forma que una densidadrelativa d el 0 % equivaldra a una arena suelta y una d el 100 % a una arena d ensa. Una arena conuna densidad relativa del 90 % indica que la compactacin a la que ha llegado el material es la

mxima compactacin que pued e alcanzar.

La tabla 2.1 califica el estado de comp actacin del suelo en funcin de la den sidad relativa, Dr.

Dr (%) 0-15 15-30 30-50 50-80 >80

Estado decompactacin

Muy suelta Suelta Media Densa Muy Densa

Tabla 2.1. Densidad es relativas y compactacin asociada

2.2.6. Grad o de sobrecons olidacin

Bajo el punto de vista geotcnico, distinguimos suelos no consolidados de los suelossobreconsolidados. Los suelos normalmente consolidados son aquellos que ha soportadotensiones m ximas histricas similares a las tensiones que soportan actualmente; correspond en asuelos que han sido cargados. En cambio los suelos sobreconsolidad os son aqullos que han sidocargados y descargados, es decir, las tensiones mximas histricas que han soportado han sidomayores que las actuales. Este concepto se expresa a travs del grado de sobreconsolidacin uOCR (Over Consolida tion Ratio):

'

'

max

actp

pOCR = (2.F)

Donde pmax y p act son las tensiones mxima y actual a las que se ha sometido el suelo.

El valor de la razn d e sobreconsolidacin es igual a 1 para suelos normalmente consolidados ypara suelos sobreconsolidad os es mayor a 1.

2.2.7. Resisten cia al corte sin dren aje

Se define resistencia al corte sin drenaje (Cu ) como la diferencia entre la tensin principal mayor ymenor en rotu ra, es decir:

( )

231

ROTURA

uC

= (2.G)

Donde 1y 3 son, respectivamente, las tensiones principales mayor y menor en el momento de larotura d el suelo.

Este parmetro depende del tipo de material, del grado de confinamiento y de la historia detensiones. As, los suelos de ndice de poros elevado presentan valores de Cu menores, lo queimplica menor resistencia del suelo. En cambio un suelo con ndice de poros bajo es mscompacto, est ms confinado y por tanto presenta un valor de C u mayor, lo que implica mayorresistencia.


5/40


11

2.3. Propiedades d inmicas de los su elos

La amplificacin del movimiento en el suelo est determinada por las propiedad es dinmicas delsuelo. Entre stas, la rigidez del suelo y el amortiguamiento son las propiedades claves para elestudio d e la respuesta d e sitio. Una buena aproximacin a la rigidez d el suelo se obtiene a partirdel md ulo de corte G que se calcula por med io de la velocidad de las ondas ssmicas. La razn d e

amortiguamiento, , muestra la capacidad que tiene el suelo para disipar la energa. Otraspropiedades dinmicas son la densidad y el ndice de Poisson , pero stas tienen menorinfluencia.

En la figura 2.1 se muestra la caracterizacin de una columna litolgica orientada a realizar unestudio d e respuesta d el suelo. Para cada estrato debe indicarse, al menos, su potencia, densidad yvelocidad de las ondas ssmicas de cizalla. Informacin adicional sera el tipo de material, edadgeolgica, consistencia, lmites de Atterberg, ndice de plasticidad, humedad y profundidad delnivel fretico, entre otros.

Figura 2.1. Caracterizacin de u na columna litolgica en u na zon a don de se realiza un an lisis de larespuesta d e suelos. Para cada estrato d ebe indicarse potencia, densidad y velocidad de las

ond as ssmicas S

0 10 0 m

Profundidad[m]

Zona deestudio

0

100

200

400


6/40


12

2.3.1. Propied ades y md ulos dinm icos

La sacudida provocada por un terremoto es una carga cclica rpida que provoca en el suelo uncomportamiento tenso-deformacional no lineal, como el descrito por en la figura 2.2, quecorresponde a la curva de histresis deformacin de corte tensin de corte . Las propiedades

dinm icas ms importantes son el md ulo de corte G y la razn de amortiguamiento . El md ulode corte se define como la relacin entre la tensin y la deformacin de corte en un puntodeterminado de la curva de la figura 2.2 y es una med ida de la du reza del material. Se obtienecalculando la pendiente de la curva tensin- deformacin y en funcin de dnde se evala estapend iente se distingue entre el mdulo de corte tangente (Gtan), secante (Gsec) o mximo (Gmax). Enla figura 2.2 se ilustran dichos mdulos: el mdulo de corte mximo (Gmax), calculado como elvalor de la pendiente de la recta tangente en el punto incial de la curva, el mdulo de cortetangente (Gtan) que es el valor de la pendiente en un pun to de la curva y el md ulo de cortesecante (Gsec) que se calcula como la pendiente de la recta secante a la curva. El mdulo de corte Gest relacionado con el coeficiente d e Poisson y el mdu lo de Young E segn:

( )GE += 12 (2.H)

Esta frmula es vlida para materiales que tienen un comportamiento istropo. El coeficiente dePoisson tambin es un parmetro dinmico pero se considera que tiene una influencia menor.En la tabla 2.2 se muestran valores tpicos de este parmetro para arcilla, arena y roca. Encondiciones drenad as el valor tpico de este parm etro es 0.3 y en condiciones no d renadas tomael valor d e 0.5.

Figura 2.2. Curv a de histresis deform acin de corte -tensin de corte , y definicin del m du lo de cortemximo (Gma x), tang ente (Gtan ) y secante (Gsec). La ten sin se expr esa en kPa y la deform acin

es adimen sional y se expresa en%.


7/40


13

Tipo dematerial

Ratio dePoisson

Arcilla 0.4-0.45

Arena 0.30-0.40

Roca 0.15-0.25

Tabla 2.2. Ratio de Poisson asociado a diferentes tipo d e ma terial.

La razn de amortiguam iento expresa la capacidad del material para d isipar la energa. Se calculasegn:

2

sec2

1

4c

lazo

S

D

G

A

W

W

== (2.I)

Donde WD corresponde a la energa disipada, WS es la energa de deformacin mxima y A lazo esel rea del lazo del ciclo de h istresis.

Es habitual la representacin normalizada del mdulo de corte versus el mdulo de cortemximo, conocida como curva d e redu ccin de m du lo (fig. 2.3) dond e se observa que el md ulode corte disminuye a med ida que au menta el nivel de d eformacin. La razn de amortiguam ientotambin depende del nivel de deformacin siendo mayor a medida que aumenta la deformacinde corte (fig. 2.3).

Figura 2.3. Curva d e redu ccin de m du lo de corte y variacin de la razn de am ortiguacin con el nivelde d eformacin de corte para un a arcilla blanda [5].

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10

Deformacin de Corte (%)

G/Gmax

0

5

10

15

20

25

30

Razna

mortiguamiento(%

Mdulo de Corte

Razn Amortiguamiento


8/40


14

El comportamiento d el suelo vara en funcin del rango d e deformacin de cizalla qu e existe en elterreno [6]. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta este nivel de deformacin para estudiar quparmetros y modelos son los ms adecuados para describir el comportamiento del suelo (fig.2.4).

Figura 2.4. Cambios en las propiedad es del suelo con la d eformacin d e corte y mod elos correspondientes[6].

Por ejemplo para deformaciones de corte del orden de 10 -5 % el comportamiento es elstico puro(es decir, la deformacin producida en el suelo es recuperable). Se utilizan modelos elsticos y elparmetro ms adecuado para caracterizar el suelo es Gmax que, en este n ivel de d eformacin, secalcula como:

2

max SvG = (2.J)

Donde es la densidad natural del suelo (incluyendo partculas slidas y agua) y v S es lavelocidad de las ondas ssmicas d e cizalla.

Las unidad es de Gmax son masa por longitud -1 por tiemp o-2.

El uso de la velocidad de las ondas ssmicas S es uno d e los medios ms utilizados para m edir insitu Gmax, aunque este m todo p resenta limitaciones. Por ejemplo, en zonas dond e las condicionesde esfuerzo son anistropas la interpretacin de la velocidad de las ondas ssmicas debe realizarse

con cuidad o porque la anisotropa pu ede causar variaciones en la velocidad de las ondas ssmicasde cizalla variando su direccin [7], [8] y [9]. En estos casos, Gmax se puede estimar a partir de losdatos obtenidos en ensayos d e laboratorio.


9/40


15

2.3.2. Factores qu e influyen en las propied ades dinmicas del suelo

Los factores clave que influyen en las p ropiedad es d inmicas del suelo son la tensin efectiva deconfinamiento, el nivel de tensiones en el suelo, el ndice de poros y la plasticidad del suelo.

La tensin total efectiva vertical est definida como V = z, donde es el peso especfico delsuelo y z la p rofund idad desde la sup erfcie. Por lo tanto la tensin efectiva vertical aumenta conla profundidad y el material est ms confinado. Un incremento de tensin efectiva mediaprovoca un aumento del lmite de deformacin elstica. En consecuencia, los suelos bajo tensionesde confinamiento altas se comportan como materiales ms rgidos que suelos idnticos bajotensiones de confinamiento menores (fig. 2.5). Se ha observado que para arcillas el aumento delndice de poros causa una d isminucin del mdulo de corte y de la razn de amor tiguamiento.

Figura 2.5. Variacin del md ulo de corte en fun cin de la tensin d e confinam iento, del nd ice deplasticidad y la d eformacin cclica de corte [10].

La disminucin del md ulo de corte con el aumento de la deformacin es menor cuand o el nd icede plasticidad del m aterial aumenta (fig. 2.6). Se ha m ostrado qu e dicho md ulo en arcillas de altaplasticidad es elstico a altas deformaciones [11]. Para suelos ligeramente consolidados (OCR>1)con alto indice de plasticidad , Gmax aumenta. En cambio para suelos normalmente consolidados(OCR = 1) si el ndice de plasticidad crece, Gmax permanece ms o menos constante. Estacaracterstica es muy importante ya que puede influir en la manera en que un depsito de sueloamp lificar o atenuar los movimientos provocados por un terremoto.

Figura 2.6. Variacin del mdu lo de corte en funcin del grad o de sobreconsolicacin del suelo y delndice de p lasticidad y la d eformacin.


10/40


16

En el mismo estudio se mostr que, para ndices de plasticidad elevados, la razn deamortiguam iento disminuye con el aumento de la d eformacin (fig. 2.7).

Figura 2.7. Variacin de la razn d e amortiguamiento en funcin d el ndice de plasticidad , el grado d esobreconsolidacin del suelo y la deforma cin.

Estos ensayos mu estran que el md ulo de deformacin de corte mximo pu ede expresarse segn:

( )( ) ( )nmn

a

kPOCReFG

'1

max625 = (2.K)

Donde F(e) es una funcin que depende del ndice de poros del suelo, OCR es la razn desobreconsolidacin del suelo, Pa es la presin atmosfrica, m es la presin efectiva media [m

=1+2+3] y n = 0.5. El parm etro k depend e del ndice de plasticidad d el suelo (tabla 2.3).

NDICE DE PLASTICIDAD K0 0.00

20 0.1840 0.3060 0.4180 0.48

>=100 0.50Tabla 2.3 Relacin entre el nd ice de plasticidad y el par metr o k [12]

Algunas d e las propu estas para la funcin F (e) son:

( )( )27.03.0

1

eeF

+= , [13]

(2.L)

( )3.1

1

eeF = , [14] (2.M)


11/40


17

Tambin se han propuesto correlaciones empricas del parmetro Gmax para tipos especficos desuelos. Por ejemplo para u na arena:

( ) 5.0'max,2max 1000 mKG = (2.N)

Donde K 2,max se calcula a partir del ndice de poros e o de la densidad relativa de la arena, D r(tabla 2.4 ).

e K2,max Dr(%) K2,max0.4 70 30 340.5 60 40 400.6 51 45 430.7 44 60 520.8 39 75 590.9 34 90 70

Tabla 2.4. Relacin e- K2,max y D r(%)- K2,max[15].

Para deformaciones del orden entre 10-5 % y 10-3 % el comportamiento del suelo es elastoplstico yse utiliza el mdulo de corte secante (Gsec) y la razn de amortiguamiento. Estos parmetros novaran con el nm ero de ciclos de carga.

Para deformaciones superiores a 10-3 % las propiedades del suelo varan en funcin de ladeformacin de corte y tambin del nmero de ciclos de carga, por lo que se ha de considerar lavelocidad de carga. El mdu lo de corte y la razn d e amortiguam iento varan en funcin de cmovaran las tensiones efectivas de confinamiento durante la historia de deformaciones de corteaplicadas sobre el suelo (que puede no ser uniforme). Cuando queda establecida esta ley devariaciones de las tensiones efectivas de confinamiento puede establecerse los lazos histerticosque son compatibles con d icha ley.

En resumen, los factores que controlan el comportamiento de los suelos frente a carga cclica sonlos factores de carga: deformacin de corte, tipo de carga (uniforme o irregular) y frecuencia-velocidad d e carga y los factores inherentes al suelo: ndice de plasticidad , ndice de poros, edadgeolgica, grado de cementacin, razn de sobreconsolidacin y estado tensional inicial del suelo.

2.4. Reconocimiento d e los suelos

En los siguientes apartados se analizarn las diferentes tcnicas de reconocimientos de los suelosencaminadas principalmente a definir una serie de parmetros que se pueden relacionar convarias prop iedades de los suelos (mdu los de deformabilidad , densidad relativa, grado de

consolidacin, consistencia y r igidez, etc). El objetivo final es establecer la clasificacin del suelo.

Se ha d istingu ido entre mtodos de laboratorio y los mtodos d e campo d iferencindose en estosltimos entre ensayos que suponen baja deformacin y los que implican altas d eformaciones.

Los ensayos de baja deformacin implican niveles de deformacin de corte inferiores a 0.001 % yel comportamiento tensin-deformacin del suelo es lineal. Por este motivo el fundamento tericode estos mtodos se basa en teoras de p ropagacin de ond as en materiales lineales y en la medidade las velocidades de las ondas ssmicas internas (P y S) al propaga rse a travs de stos. Los datosobtenidos pu eden relacionarse con el md ulo d e corte del material a bajas deformaciones.

Es ms frecuente la med ida d e las velocidad es de ond as ssmicas de cizalla (S) dad o que, aun que

las ondas longitudinales son ms rpidas y se detectan con mayor facilidad , su velocidad depende


12/40


18

de la temperatura y la salinidad del agua. As, en suelos blandos y saturados se obtienen valoresmu y altos y esto no es ind icativo de mayor rigidez del ma terial.

Los ensayos que implican altas deformaciones se usan para medir parmetros tales como laresistencia d el suelo y los resultados obtenidos se correlacionan con otras p ropiedad es.

2.4.1. Mtod os de laborat orio

2.4.1.1 Columna de resonancia

Es el ensayo de laboratorio que se utiliza usualmen te para d eterminar las prop iedades d el suelo adeformaciones inferiores a 10-4 %. Consiste en someter muestras cilnd ricas de suelo, huecas oslidas, a u na carga h armn ica torsional por med io de u n sistema electromagntico. Este sistemanormalmente aplica una carga harmnica de la que puede controlarse la amplitud y la frecuencia(fig. 2.8).

Figura 2.8. Dispositivo tipo de un ensa yo de column a de resona ncia: (a) Vista sup erior del sistema d ecarga (b) Vista lateral del sistema d e carga.

Tras la preparacin de la muestra, se somete a una carga cclica. Inicialmente la frecuencia decarga tiene un valor bajo y se aumenta progresivamente hasta que la amplitud de deformacinalcanza un valor mximo. La frecuencia ms baja para la cual la respuesta de la muestra esmxima se conoce como frecuencia fundamental y depende de la rigidez de la muestra, de sugeometra y d e las caractersticas d el dispositivo de la columna d e resonancia.

La frecuencia fundamental obtenida se correlaciona con el mdulo de corte y la razn deamortiguam iento mediante el siguiente proceso. Si se considera una m uestra d e altura h cuya baseno admite rotacin y sometida a una carga torsional harmnica se puede relacionar el momentotorsor T con el mdu lo de corte G y la rotacin que experimenta la mu estra segn:

z

IG

zGJT

=

=

(2.O)

Donde J es el momento polar d e inercia e I es la masa del momento polar de inercia de la m uestra.Este momento torsor T debe ser igual al torsor inercial del sistema de carga, es decir:

2

2

0t

hIT= (2.P)


13/40


19

Donde I0 es la masa del momento polar de inercia de los elementos del sistrema de cargatorsional conectados en la p arte superior de la mu estra.Sup oniendo que la rotacin tambin es harmnica se pued e expresar:

( ) ( )tCtCztz sincos)(, 21 += (2.Q)

Donde (z) = C3coskz + C4sinkz. Con la condicin rotacin en la base cero se obtiene C 3 = 0 eigualando las ecuaciones se obtiene la frecuencia fund amental n = knvs.

S

n

S

n

v

h

v

h

I

I tan

0

= (2.R)

Los datos conocidos son h, I, I0 y la frecuencia fundam ental n se obtiene experimentalmente coneste ensayo. A partir de la ecuacin 2.27 se obtiene la velocidad v s que se correlaciona con elmd ulo de corte G por m edio de la ecuacin 2.19.

2.4.1.2 Ensayo de corte cclico de torsin

Es un ensayo de corte simple cclico en el que los esfuerzos tangenciales en la probeta se imponena travs de un momento torsor (fig. 2.9). Se suele realizar este ensayo con probetas huecas eimponiendo presiones de confinamiento interiores y exteriores diferentes que permitenreprod ucir prcticamente cualquier trayectoria d e tensiones en el material ensayado y determinarla influencia de la variacin en la orientacin de las tensiones principales en el comportamientodel m aterial. Se utiliza para med ir las caractersticas de r igidez y am ortiguamiento d el material enun am plio rango de deformaciones.

Figura 2.9. Ensayo d e corte cclico de torsin. La muestra est rod ead a por u na mem bran a exterior einterior que aplican presiones exterior e interior independientemente. La aplicacin del

momen to torsor ind uce tensiones tangenciales en los p lanos horizontales.


14/40


20

2.4.2. Mtod os de campo

2.4.2.1 Ensayos de baja deformacin

Anlisis espectral de ond as sup erficiales

El dispositivo d e este ensayo consiste en la instalacin de d os receptores verticales separados una

distancia d = dB d A en la superfcie del suelo y al lado de una fuente emisora de ruido, sobreuna misma lnea visua l (fig. 2.10).

Figura 2.10. Dispositivo del an lisis espectral de on da s sup erficiales. Los receptor es se colocan respecto ala fuente d e mod o que la d istancia dA+d B es constante [16].

Los datos registrados son la d iferencia d e fase de las ond as RayLeigh. Estos datos se transformanal dominio de frecuencias mediante la transformad a rp ida d e Fourier. Tras dicha transformacin,la diferencia de fase se computa para cada frecuencia. De esta forma se puede obtener el tiempode v iaje de las ondas entre los dos receptores como:

f

fft

2

)()(

= (2.S)

Dado que la distancia entre los dos receptores es conocida d = dB d A se puede calcular lavelocidad y la longitud d e onda como:

)()(

ftdfvR

= (2.T)

f

fvf RR

)()( = (2.U)

La representacin de la velocidad de las ondas superficiales RayLeigh en funcin de la frecuencia(o de la longitud de ond a) se conoce como curva de dispersin. Se ha demostrad o que la forma d elas curvas de dispersin en un lugar determinad o est relacionada con la variacin de lavelocidad de las ondas internas con la p rofund idad (fig. 2.11).


15/40


21

Figura 2.11. Curva de d ispersin experimental obtenida a partir d e un anlisis espectral de ond assuperficiales [16].

Los datos obtenidos con un solo espaciado entre receptores son buenos pero se recomiendautilizar varios espaciados manteniendo el punto central del mismo siempre a la misma distanciade la fuente de manera que dA+d B perm anece constante.

Los resultados obtenidos sirven para determinar la potencia d e los estratos superficiales as comolas velocidad es de las ondas S en estos niveles mediante la comparacin de la curva de d ispersinobtenida y una curva de dispersin terica.

Los perfiles de velocidad obtenidos se ajustan bastante bien a otros p erfiles de velocidad de otrosensayos (por ejemplo en el ensayo Cross-Hole [17]).

Este ensayo tiene una serie de ventajas sobre otros mtodos de campo porque se ejecutarpidamente y no requiere de sondeo, puede detectar niveles de baja velocidad de las ondasssmicas y se puede utilizar para profundidades considerables (superiores a los 100 m). Ademspuede usarse en zonas donde la extraccin de muestras y la realizacin de sondeos sea difcil de

realizar. Los materiales donde se suele utilizar este ensayo son las gravas, depsitos debris-flow[18] y los vertederos de basu ras [19].

Como limitaciones cabe destacar que requiere de equipos especiales y observadoresexperimentados y su aplicabilidad se restringe a zonas donde la curva de dispersin terica essatisfactoria [20] y [21].


16/40


22

Ensayo ssmico Cross- Hole

Este ensayo ssmico utiliza dos o ms sondeos para medir la velocidad de las ondas ssmicas. Eldispositivo consiste en d os sondeos, el primero con la fuente emisora de energa y el segund o conel receptor situad os a la misma profundidad (fig. 2.12). De esta manera se miden la velocidad deprop agacin de las ondas a travs d el material situado entre am bos sondeos. Repitiend o el ensayoa distintas profund idades se obtiene un perfil de velocidad es vs. la profund idad.

Figura 2.12. Ensayo ssmico Cross-Hole. (a) Medid a d irecta usand o dos son deos (b) Configuracin de tressondeos.

Se recomienda utilizar ms de dos sondeos para minimizar los errores resultados de las medidasdel tiempo de disparo, los efectos del material superficial e intersondeos y la anisotropa. Lasvelocidades de onda se calculan a partir de la diferencia en los tiempos de llegada en el par desondeos. Los tiempos de llegada se determinan visulamente usando puntos de fase comn(primera llegada, primer pico, etc). o por medio de tcnicas de correlaciones cruzadas usadashabitualmente en exploracin petrolera [22].

En funcin del tipo de fuente emisora utilizada en la generacin de las ondas ssmicas, elcontenido en ondas P y S es diferente. Por ejemplo para explosivos el contenido en ondas P esmayor [23] particularmente cuando se utilizan grandes cantidades y se detona cerca de lasuperfcie del suelo.

Las fuentes de tipo mecnico son ensayos de penetracin tipo SPT, impactos verticales y cargastorsionales en la base del sondeo. Los impactos verticales tambin tienen un contenido elevado enondas P, por ello se recomienda utilizar imp actos horizontales en la superficie del suelo quegeneran mayor contenido en ondas SH.

Las ventajas de este mtodo son las siguientes. Permite obtener perfiles de velocidades aprofundidades de 30 a 60 m utilizando fuentes emisoras mecnicas. Con fuentes emisoras tipoexplosivo puede alcanzar profundidades mayores. Adems detecta capas ciegas con mayorfacilidad que otros mtodos como por ejemplo la ssmica de refraccin.

Y entre las limitaciones, las velocidades de las ondas ssmicas son sensibles a la distancia emisor-receptor. Esto requiere estudiar estas desviaciones, particularmente para sond eos de 15 a 20 m d eprofundidad. Adems las velocidades pueden emmascararse si se atraviesan capas de altavelocidad. En estos casos se requieren otros mtodos como la ssmica de refraccin, la correccinde trayectorias de la curvatura del rayo ssmico en materiales que varan continuamente develocidad , etc.

La velocidad de las ondas internas permite obtener la rigidez del material, los mdulos de

deformabilidad del suelo (E, G) y el ndice de Poisson (). Tambin se ha relacionado laatenuacin de la amp litud de las ond as ssmicas con el amortiguamiento del material.


17/40


23

As los materiales ms blandos tienen velocidades de propagacin de la onda menores (yviceversa). La relacin que existe entre los parmetros de deformabilidad, el ndice de Poisson y lavelocidad de las ondas P y S son los siguientes:

)21)(1(

)1(

+

=

Ev

P

(2.V)

GEv

S =+=

)1(2 (2.W)

21

)1(2

=S

P

v

v (2.X)

2

max SvG = (2.Y)

Las medidas de la atenuacin de la amplitud en los datos obtenidos de estos ensayos se hanutilizado para obtener la razn de amortiguamiento del suelo [24], [25] y [26]. El procedimientorequiere de receptores ad ecuad amente calibrados, orientados y su jetos a la pared del sondeo. Si sesupone que existe un patrn de radiacin conocido, los efectos de la atenuacin geomtrica sepueden separar de la atenuacin medida para obtener la atenuacin debida al amortiguamientodel material. La hiptesis utilizada limita la aplicabilidad de este mtodo a zonas de geometrasencilla y d e suelo hom ogneo.

Ensayo ssmico Down - Hole (Up-Hole)

El dispositivo d e este ensayo es similar al anterior pero slo utiliza u n sond eo y sita el receptor

en la superfcie del suelo (Up-Hole) o en el interior del sondeo (Down-Hole). El receptor se puedemover a distintas profundidades o bien colocar mltiples receptores a varias profundidadespredeterminadas (fig. 2.13).

Figura 2.13. (a) Ensayo ssmico Up-Hole. (b) Ensayo ssmico Dow n-Hole.

El objetivo del ensayo es tomar medidas de los tiempos de viaje de las ondas ssmicas internasgeneradas a partir d e la energa de la fuente emisora. Se recurre a la representacin en una curvade los tiempos de llegada versus la profundidad; el valor inverso de la pendiente de esta curvarepresenta la velocidad de p ropagacin de la ond a ssmica.

El ensayo Down-Hole genera ondas ssmicas de cizalla S con mayor facilidad que el ensayo Up-Hole y por lo tanto su uso es ms frecuente. Con una fuente de ondas SH el ensayo Down-Hole

mide las velocidad es de onda similares a aquellas que tr ansportaron mayor energa ssmica haciala sup erfcie del suelo.


18/40


24

Tambin se ha intentado medir la razn de amortiguamiento con este ensayo [26], [27] y [28].

Dado qu e las ondas p ueden atravesar tod os los materiales que existan entre la fuente emisora y elreceptor el ensayo Down-Hole pu ede, adems, detectar capas ciegas.

Las limitaciones del ensayo son el grado de alteracin del suelo cuando se realiza el sondeo,posibles efectos de fludos en el sondeo, excesivo o insuficiente impulso, efectos de ruido ssmicoy efectos del nivel fretico. La expansin geomtrica y el amortiguamiento pueden influir en laslongitudes de onda y por tanto las velocidades de las ondas S pueden tener una interpretacinincorrecta para p rofund idades superiores a 30-60 m.

2.4.2.2 Ensayos de alta deformacin

Ensayo de Pen etracin Estnd ar (SPT)

Este ensayo es uno de los ms antiguos y utilizados en ingeniera geotcnica y en algunasaplicaciones para ingeniera ssmica. El dispositivo del ensayo se muestra en la figura 2.14.

Consiste en clavar una barra que incorpora una punta afilada en un sondeo dejando caer unmartillo de 63.6 Kg d esde una altura d e 76 cm.

Figura 2.14. Muestra d el ensayo SPT

Se cuentan el nmero d e golpes necesarios para clavar la punta 60 mm p ero cada 15 mm , es decir,se realizan cuatro medidas y se toman los 30 mm centrales. Este valor, conocido como N SPT , setoma como la resistencia del terreno.

El valor N d epend e del tipo de su elo, la tensin de confinamiento y la densidad pero tambin estinfluenciado p or el procedimiento de realizacin del ensayo y el equipo [29], [30] y [31].

El valor de resistencia N debe corregirse en funcin de la energa aplicada. La siguiente expresincorrige este valor al 60 % del ratio de energa:


19/40


25

( )ff

m

NmE

ECNN

60.0601

= (2.Z)

Donde (N1)60 es la resistencia corregid a, Nm es la resistencia de penetracin medida, CN es unfactor de correccin, Em es la energa del martillo y Eff es la energa terica del martillo en cada

libre.

El valor (N1)60 se ha correlacionado con propiedades de los suelos de grano grueso, como porejemplo la densidad relativa o el ngulo de friccin del suelo. Las correlaciones con los suelos degrano fino existen pero no son tan fiables.

Existen versiones de este ensayo para trabajar con suelos tipo grava (BPT Becker HammerPenetration).

Se ha de tener en cuenta que los resultados obtenidos de este ensayo son producto decorrelaciones empricas. Algunas de dichas correlaciones entre N y VS para d istintos tipos de suelofueron obtenidas por [32] y se presentan en la tabla 2.5.

Tipo de material y edad CorrelacinArena Holocena VS = 87.8

N0.292

Grava Holocena VS = 75.4N0.351

Depsito de edadPleistocena

VS = 138 N 0.246

Tabla 2.5. Correlaciones emp ricas entre el valor N d el ensayo d e pen etracin estnd ar (SPT) y la velocida dde las ond as ssmicas de corte (m/ s) par a diferentes tipos de su elo y edad es geolgicas [32].

Cono de Penetracin (CPT/CPTU)

El procedimiento del ensayo consiste en la penetracin de una punta cnica en el terreno a unavelocidad constante de 2 cm/ s. El dispositivo incorpora, ad ems, un m angu ito de friccin queest conectado a clulas de carga que miden la resistencia de punta q c , y la resistencia friccionaldel mangu ito, fs.

A p artir de estos parmetros se obtiene el ratio de friccin, Rf, como:

c

S

fq

fR = (2.AA)

El ratio de friccin sirve para clasificar el suelo (fig. 2.15) y es mayor en suelos cohesivos peromenor en suelos no cohesivos.

La resistencia de punta y la friccin lateral se correlacionan con el tipo de suelo y otraspropiedades como la razn de sobreconsolidacin, el grado de cementacin, la edad y lasensitividad obtenindose as una clasificacin final (fig. 2.15). Discrimina entre suelos muyblandos a duros, entre arenas muy sueltas a muy densas, entre arenas y arcillas limosas, arcillasarenosas, arcillas inorgn icas insensitivas, arcillas orgn icas y turba (peat).


20/40


26

Figura 2.15. Clasificacin d el suelo a par tir de los resultad os del cono d e pen etracin. El suelo se clasifica apar tir de la ratio d e friccin Rfy d e la resistencia de la p un ta cnica, qc [33].

Existe una variante del ensayo, el piezocono (CPTU) que puede medir la presin de agua en lapunta por medio de una piedra porosa situada justo detrs de la punta y conectada a untransductor d e presiones. La clasificacin de su elo (fig. 2.17) en este caso se obtiene a partir d e otroparmetro, Bq , definido como:

0

0

vT

T

qq

uuB

= (2.BB)

Donde uT es la presin de poros medida en la piedra porosa, v0 es la tensin vertical, u 0 es lapresin de poros y qT es la tensin en la pu nta.


21/40


27

La clasificacin obtenida en la figura 2.16 permite saber si se trata de un suelo normalmenteconsolidad os, o bien sobreconsolidad o (aumento de OCR), de u n suelo de mayor edad, o bien deun su elo con mayor grado d e cementacin.

Figura 2.16. Clasificacin del suelo a partir de los resultados d el cono d e penetra cin a partir del ratio defriccin norm alizado y d e la resistencia del cono

[34].


22/40


28

Figura 2.17. Clasificacin del suelo a p artir d e los resultados d el cono d e pen etracin [35].

A partir de los resultados de estos ensayos (qc y fs) se pueden obtener propiedades como ladensidad relativa del suelo D r o el mdulo de corte a bajas deformaciones G0 mediantecorrelaciones:

( ) rDCCoctc eCqG 21'

0

'

0 = (2.CC)

Donde C0 C1 y C2 son pa rmetros empricos, Dr es la densidad relativa, e el nd ice de p oros, qc es laresistencia de punta y oct es la tensin octadrica efectiva. Dado u n sistema de referencia donde1 ,2y3 son las tensiones principales se pu ede d efinir una recta dond e 1 = 2 = 3 . Dicha recta seconoce como recta hidrosttica y el plano perpendicular a sta es la plano octadrico. Entonces, latensin octadrica es la tensin normal a d icho p lano.

Los factores que influyen en los resultados de este ensayo son los siguientes. La temp eratura, yaque durante la penetracin del cono y especialmente en arenas secas o en arcillas cuando setrabaja cerca d e sup erfe, se producen temp eraturas elevadas debido a la friccin con el suelo quepueden afectar en gran medida a los resultados obtenidos. El ratio de penetracin porque se hacomprobado que en limos y arcillas el ratio de penetracin recomendado produce exceso de

presin de poros y que en suelos de grano grueso si se excede este ratio de penetracinrecomendado se obtienen valores de resistencia de punta qc superiores a los esperados. Laresolucin del d ispositivo ya que los dispositivos de este ensayo transmiten d atos digitalmente loque implica que las medidas son valores medios obtenidos a una profundidad determinada ydebe tenerse en cuenta que la resolucin del dispositivo disminuye a medida que aumenta laprofundidad. La presin de poros porqu e dicha presin debe ajustarse especialmente en suelos degrano fino y en arcillas. Adems, las presiones de poros medidas depende de la saturacinmantenid a en la piedra porosa y en el transductor. La rigidez del cono porque la resolucin de lasmedidas realizadas depende del rango de tensiones totales para el cual se ha diseado eldispositivo. Existe la tendencia a utilizar d ispositivos nicos para materiales muy diferentes comopor ejemplo arena o arcilla blanda. Esto conlleva disminuir la resolucin en el rango de las bajastensiones [36]. La alteracin del terreno porque el ensayo CPT produce rotura en el suelo.

Durante esta rotura se desarrollan presiones de poros en funcin de las propiedades del suelo ypor tan to la friccin medid a es la de un suelo alterado.


23/40


29

Dilatmetro

Este dispositivo de medida in situ de las propiedades del suelo es relativamente reciente ya quefue introdu cido por Marchetti en 1975-1980. Consiste en u n tubo que acaba en un pu nta y sobre elque se adapta una membrana lateral que se introduce en un sondeo realizado en la pared de 60mm (fig. 2.18). La membrana se expande debido a la presin de aire y un sensor indica elmovimiento del terreno cuando se ha producido un hinchamiento de membrana. Se realizan treslecturas d e la presin a la que est sometido el terreno: cuando la membrana se ha expand ido 0.05mm , 1.10 mm y 0.05 mm , respectivamente.

Figura 2.18. Dispositivo del dilatm etro, visin frontal y lateral.

Los parmetros obtenidos a partir del dilatmetro son el mdulo de rigidez, el aumento de laresistencia en el terreno necesario para que la membrana se expanda y la tensin horizontal queacta sobre la misma. El md ulo de r igidez, ED, se expresa como:

( )017.34 ppED = (2.DD)

Donde p0 y p1 son los valores de la presin corregidos. Si se tuviese en cuenta los efectos de lacurva tura de la membrana el coeficiente 34.7 pasara a 50.

La medida relativa del aum ento de resistencia necesario para que la membrana se expanda , ID. Suvalor aumenta con el aumento de tamao de la partcula y de la perm eabilidad d el suelo.

( )

( )00

01

up

ppID

= (2.EE)

Donde u0 es la presin de poros an tes de la instalacin d el dilatmetro.

La tensin horizontal que acta sobre la membrana d espus d e su instalacin, KD. Aum enta con elaum ento de la razn d e sobreconsolidacin, la d ensidad relativa y el ngu lo de friccin d el suelo.


24/40


30

( )'

0

00

v

D

upK

= (2.FF)

Donde V0es la tensin vertival efectiva antes de la instalacin del dilatmetro.

A partir de la combinacin de ED, ID, KD, la tensin vertical total sobre el suelo y la presin deporos se obtienen correlaciones entre diferentes propiedades de los suelos como por ejemploconsistencia, resistencia, densid ad y la clasificacin d el suelo (fig. 2.19 y 2.20).

En la figura 2.19 distingue claramente la arcilla de las arenas y los limos. Aparecen tambin sueloscombinacin como el limo arcilloso (silt clayey) o el limo arenoso (silt sandy), entre otros. En estaclasificacin tambin se distingue entre apariencias o consistencias y densidades. En la figura 2.20permite adems distinguir entre los grados de sobreconsolidacin del suelo (suelos normalmenteconsolidados o sobreconsolidados).

Figura 2.19. Clasificacin del suelo a par tir del mdu lo del dilatmetro y de la resistencia de su m embra na[37].


25/40


31

Figura 2.20. Clasificacin del suelo a par tir del md ulo del dilatm etro y de la resistencia de su mem bran a[38].

Presimetros

Es el nico ensayo in situ capaz de medir la tensin-deformacin del suelo as como su resistencia.El dispositivo consiste en una membrana flexible cilndrica situada en un sondeo que aplica unapresin uniforme en la pared del sondeo (fig. 2.21). La deformacin del suelo se puede calcularpor el volumen de fludo inyectado en la m embrana . Despu s de realizadas las correcciones sobrelas medidas tomadas se obtiene la curva presin-volumen y a partir de sta se deduce elcomportam iento tensod eformacional del suelo (fig. 2.21).

Figura 2.21. (a) Ensayo presim etro (b) Curv a presiom trica


26/40


32

2.5. Clasificacin sim plifi cada de los suelos

2.5.1. Geotcnica. Basada en la plas ticidad y el contenid o en agua.

La clasificacin geotcnica representa los suelos mediante un diagrama donde se grafican el ndicede plasticidad, IP, versus el lmite lquido de la fraccin ms fina de los suelos (arcillas, limos ysuelos orgnicos). El nd ice de plasticidad , IP, se calcula seg n la ecuacin 2.A.

Los suelos toman el nombre de la inicial de la nomenclatura inglesa correspondiente, es decir, lasarcillas o clays se nombran con la inicial C, los suelos orgnicos (organic soils) se conocen con lainicial O y son aqu ellos suelos que tienen aproximadamente ms de u n 20 % de m aterial orgnico.Los limos (silt) se conocen especialmente con la inicialM.

Para realizar esta clasificacin se d istinguen dos lneas lmite: la lnea A y la lnea B (fig. 2.22). Lalnea A separa suelos arcillosos (C) de los suelos no arcillosos (limos M o suelos orgnicos O) ytiene por ecuacin:

( ) 2073.0 = LIP (2.GG)

As, por encima de esta lnea siempre se sitan iniciales Cy por debajo de esta lnea iniciales MyO.

La lnea B es vertical y separa materiales de alto lmite lquido, L > 50%, y de bajo lmite lquido,L


27/40


33

2.5.2. Geolgica. Basada en la edad .

En funcin d e la edad geolgica d el material, se prod uce mayor o menor amp lificacin. Estud iosrealizados por [39] determinaron qu e la amp lificacin era mayor par a depsitos recientes de edadCuaternaria y que disminua para depsitos ms antiguos (tabla 2.6). La amplificacin de lossuelos Cuaternarios es mayor a baja frecuencia y menor a alta frecuencia. En definitiva, los efectos

locales se producen en terrenos jvenes. Esta informacin es relevante porque en el test deaplicacin en suelos de la ciudad de Barcelona se trabaja con suelos de edad Cuaternaria. Enconcreto, se han seleccionad o suelos de edad Holocena, caractersticos de la zona de costa ysuelos de edad Pleistocena, ms antiguos y caractersticos de la zona alta d e la ciud ad.

Tambin es interesante definir algunos trminos geolgicos usados en las normativas ssmicascomo son alluvium y diluvium. Alluvium es un trmino genrico para designar a los depsitosdetrtcos resultado del flujo de toda clase de vas fluviales, incluyendo los materiales quesedimentan en el lecho d e un arroyo, en llanuras fluviales, lagos, abanicos acumu lados a los piesde una montaa y estuarios. El trmino diluvium se emplea para depsitos de suelo que han sidotransportad os gravitacionalmente acum ulndose en las laderas.

ERA SISTEMA SERIEROCAS TIPO

(FACIES)AFLORAMIENTOS

PRINCIPALES

HOLOCENO Aluviales-Coluviales Cursos fluviales

SUP.

MED.

CUATERNARIO

PLEISTOCENO

INF.

Gravas, arenas y limosMrgenes de

cursos fluvialesZonas costeras

PLIOCENOGravas cuarcticaen matriz arcillosa

Depsitosfluviales

SUP. Calizas, margas y yesos

MED. Arcillas y margas

NEGENO

MIOCENO

INF. Areniscas

Depresionesinteriores

OLIGOCENOConglomerados

calcreos,

margas y yesos

EOCENOAreniscas y yesosCalizas y mar gas

CENOZOICO

TERCIARIO P

ALEGENO

PALEOCENO Areniscas, Calizas

Depresiones

interioresBord es o

reas marginalesAmbientes p roximalesde abanicos fluviales

MESOZOICO

PALEOZOICO

PRECMBRICO

Tabla 2.6. Principales d ivisiones d e los tiemp os geolgicos, rocas tipo y afloramien tos pr incipales. Las celdas d e colorverde corresponden a las edad es estud iadas en este trabajo.


28/40


34

2.5.3. Los su elos en las norm as ssm icas

Las condiciones locales influyen en el contenido frecuencial de los movimientos superficiales ypor lo tanto en el espectro d e respu esta que se p rodu ce (en el ANEXO I se describen los conceptosbsicos referentes al tratamiento de las seales ssmicas y espectros de respuesta). La figura 2.23

mu estra los espectros normalizados de respuesta de aceleracin para cuatro categoras de material[40]: roca, suelos cohesivos a profundidades inferiores a 61 m, suelos no cohesivos aprofund idades mayores a 76 m y finalmente, arcillas y arenas d e consistencia blanda a m edia. Seobserv que el tipo de material influye sobre la forma de los espectros de respuesta (fig. 2.23). As,para perodos inferiores a 0.5 s, las mayores amplificaciones se dan en zonas caracterizadasgeolgicamente por suelos rgidos y en cambio la roca presenta menores amplificaciones.Tambin se observ que para perodos superiores a 0.5 s, la amplificacin au menta a med ida quedecrece la rigidez del suelo. Los depsitos arcillosos blandos y los suelos no cohesivos son los queproducen mayor proporcin de movimiento de largo perodo. Este efecto puede ser muysignificativo para estructuras de alto perodo, como por ejemplo, puentes o edificios altos, si estancimentadas en este tipo de materiales. Estos resultados mostraron que el uso de un solo espectrode respuesta estndar para todas las cond iciones de sitio no era ap ropiado y tuvo gran influencia

en el desarrollo de los cdigos sismoresistentes.

En definitiva, el terreno de cimentacin de una estructura acta como un filtro de frecuencias ycambia en gran med ida la excitacin qu e se transm ite a la estructura. En general se conoce que lossuelos rgidos amplifican las seales cuyas frecuencias predominantes son altas (perodos bajos)mientras que los suelos blandos lo hacen con seales de frecuencias predominantes bajas(perodos altos). Aparecen adems otros fenmenos que puede alterar la respuesta de laestructura, por ejemp lo la licuefaccin que p rovoca la prd ida d e capacidad portante d el terreno.

Esto hace necesario que los espectros de respuesta reflejen el tipo de suelo. En este apartado seanaliza la clasificacin de los suelos en distintas normativas ssmicas. El objetivo principal de unanormativa ssmica es p roporcionar el espectro de respuesta en aceleraciones, es decir, la mxima

aceleracin de respuesta. Este objetivo se acomete, en la mayora de las normativas, mediante elclculo de una fun cin d e amp lificacin genrica vlida para un a regin ssmica, la aceleracinssmica mxima en el suelo y un coeficiente que incluye otros criterios como sismicidad ,peligrosidad ssmica, importancia socioeconmica y geologa, entre otros, y que es empricogeneralmente. En concreto, se mostrarn las clasificaciones de suelo utilizadas en la norma ssmicavigente en Espaa, la NCSE-02, y el Eurocdigo y finalmente dos normativas de naciones conenorme tradicin e historia ssmica: Japn y Estados Unidos.

Figura 2.23. Espectros norm alizad os de respu esta medios (5% de am ortigua miento) para diferentescondiciones locales [40].


29/40


35

La NCSE-02

La norma de construccin sismoresistente espaola, NCSE-02 [41], clasifica los suelos en funcindel parm etro velocidad de p ropagacin de las ondas transversales de cizalla u ondas secundar ias(S). Distingue los tipos de terreno asignando un valor C de coeficiente del terreno (tabla 2.7). Seobserva que el coeficiente del terreno aumenta para aquellos suelos ms sueltos y menoscohesivos o ms blandos. Para obtener el coeficiente C de clculo se determinan los espesores e1,e2, e3 y e4 de los suelos tipo I, II, III y IV, respectivamente, existentes en los treinta primeros metrosexistentes bajo la superficie. Se adopta como valor de C el valor medio obtenido al ponderar loscoeficientes Ci de cada estrato con su espesor ei en m etros med iante la siguiente ecuacin:

=30

iieC

C (2.II)

TIPODE SUELO

DESCRIPCINVS C

IRoca compacta,suelo cementadoo granular muy d enso

>750 1.0

II

Roca muy fracturada,suelos granularesdensoso cohesivos du ros

750-400 1.3

III

Suelo granular decompacidad media,

o suelo cohesivode consistencia firme amuy firme

400-200 1.6

IV

Suelo granu lar sueltoo suelo cohesivoblando.


30/40


36

diferentes caractersticas sismolgicas (fig. 2.24), C es el coeficiente d el terreno de la tab la 2.7 y TAy TB son los perodos caractersticos del espectro de respuesta d e valores:

10

CKTA =

5.2

CKTB =

(2.KK)

En la figura 2.24 se presenta el mapa ssmico d e la norm ativa sismorresistente donde se gra fica elcoeficiente de distr ibucin k:

Figura 2.24. Map a ssmico de la norm a sismoresistente. Coeficiente de Distribucin, k [41]


31/40


37

As los espectros de respuesta elstica para cada tipo d e suelo son (fig. 2.25):

Figura 2.25. Espectro de respu esta elstica en funcin d el tipo d e terreno en la NCSE-02 par a un aaceleracin ssmica bsica d e 0.04g y u n coeficiente d e contribucin k = 1.

El espectro de respuesta elstica mostrado en las figura 2.25 es una simplificacin del espectro derespuesta medio normalizado propuesto por [40], pero se observa la tendencia mostrada: paraperodos cortos el suelo tipo I (el de ms consistencia) presenta mayores amplificaciones que el

resto de suelos y que para perodos mayores la amplificacin crece a medida que disminuye larigidez del suelo. Es decir, se observa como la banda de perodos amplificados deriva haciaperodos largos para terrenos blandos.

Para obtener el espectro de diseo es necesario multiplicar las ordenadas del espectro derespuesta elstica por el valor d e la aceleracin ssmica de clculo, ac , definida como:

bc aSa = (2.LL)

Donde ab es la aceleracin ssmica bsica, que se p uede obtener d irectamente a partir de la figura2.24 o en tablas facilitadas en la mism a NCSE-02.

Donde es el coeficiente adimensional de riesgo, que depende de la probabilidad aceptable quese exceda ac du rante la vida til de la estructura, es decir, toma el valor d e 1 para construccionesde importancia norm al y el valor d e 1.3 para construcciones de imp ortancia especial.

Y dond e S es el coeficiente d e amp lificacin del terreno obtenido como:


32/40


38

Las limitaciones de la norm ativa son que el coeficiente del terreno no contempla fenmenos comola rotura del terreno bajo la estructura, el hundimiento de cavidades subterrneas, movimientosde ladera y licuefaccin, que son los que causan mayor dao estructural. Adems la descripcindel suelo es muy dispersa y ap lica a amplias tipologas.

El Eurocdigo 8

Para el diseo de estructuras sismoresistentes en la Unin Europea [42] y [43], la geologa delsubsuelo se clasifica en funcin de la velocidad de las ondas ssmicas S en los 30 primeros metrosde la colum na litolgica, el valor NSPT y la resistencia al corte sin drenaje CU.

La velocidad de las ond as ssmicas en los treinta pr imeros metros, Vs,30, se define como:

=

=N

i i

i

S

V

hV

1

30,

30

(2.NN)

Donde h i y Vi son la potencia y velocidad en cada uno de los niveles i, respectivamente. N es elnm ero de estratos considerad os en los treinta primeros metros.

La clasificacin d e las cond iciones del subsuelo se agrup a en:

TIPODE SUELO

DESCRIPCINVs,30[m/ s]

NSPTCu

[kpa]

ARoca u otra formacin con al menos 5 mde material meteorizado en superfcie

>800 - -

B

Depsitos de arena d ensa, grava o arcilla

muy d ura d e varios m de potenciacaracterizada por u n incremento de suspropiedades mecnicas en profundidad

360-800 >50 >250

C

Depsitos profundos de arena densa amed io densa, grava o arcilla du ra conpotencias de varias decenas a centenaresde m

180-360 15-50 70-250

D

Depsitos de suelos sueltos a mediocohesivos (con o sin niveles cohesivosblandos)o bien suelos cohesivos blandos a d urospredominantemente.


33/40


39

Se indica adems que para aquellos lugares caracterizados por las clases de subsuelo S1 y S2 sonnecesarios estudios especiales para la definicin de la actividad ssmica y en el caso del tipo S2 sedebe considerar la posible rotura en el suelo.

El movimiento del suelo est representado por el espectro elstico de respu esta:

SiB

TT 0

SiCB TTT

Si DC TTT

Si TTD

(2.OO)

Donde Se (T) es la ordenad a d el espectro elstico de respu esta, T es el perodo d e vibracin d e unsistema lineal de un solo grado de libertad, ag es la aceleracin de diseo del suelo para unperodo d e retorno de referencia, TB, TC son los lmites d el tramo horizontal, TD indica el inicio delrango d e desplazamiento constante en el espectro.

Clase S TB TC TDA 1.0 0.15 0.4 2.0B 1.2 0.15 0.5 2.0C 1.15 0.2 0.6 2.0

D 1.35 0.2 0.8 2.0E 1.4 0.15 0.5 2.0

Tabla 2.9. Valores de los parm etros que d escriben el espectro d e respu esta elstico tipo 1

Clase S TB TC TDA 1.0 0.05 0.25 1.2B 1.35 0.05 0.25 1.2C 1.5 0.1 0.25 1.2D 1.8 0.1 0.3 1.2E 1.6 0.05 0.25 1.2

Tabla 2.10. Valores de los pa rm etros que d escriben el espectro d e respu esta elstico tipo 2

S es un parm etro que d epend e del tipo d e material (tablas 2.9 y 2.10) y es el factor de correccinpor am ortiguamiento (de valor 1 para u n 5% de amortiguam iento viscoso).

( )

( )

+

=

25.2

5.2

5.2

15.21

T

TTSa

T

TSa

Sa

T

TSa

TS

DC

g

Bg

g

B

g

e


34/40


40

Como se ha mostrado en las tablas 2.9 y 2.10, se introducen dos tipos de espectros (tipo 1 y tipo 2)cuya eleccin d epend e de la magn itud del terremoto representados en las figuras 2.26 y 2.27. Paramagnitudes no sup eriores a 5.5 se recomienda el uso del espectro tipo 2.

Figura 2.26. Espectro de resp uesta elstica tipo 1 pa ra cada tipo de suelo en el eurocd igo, calculad o parauna ag= 0.16 g y u na = 1 correspond iente a un 5 % de amortiguamiento.

Figura 2.27. Espectro de respu esta elstica tipo 2 pa ra cada tipo de suelo en el eurocd igo, calculad o parauna ag= 0.16 g y u na = 1 correspond iente a un 5 % de amortiguamiento.

0

1

2

3

4

5

6

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

T(s)

Se(T)

Suelo A

Suelo B

Suelo C

Suelo D

Suelo E

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

T(s)

Se(T)

Suelo A

Suelo B

Suelo C

Suelo D

Suelo E


35/40


41

La normativa japonesa

El diseo sismoresistente en Japn [44] aborda el comportam iento ssmico de d istintas estructuras.As, se contemplan mtodos sismoresistentes especficos para las siguientes estructuras einfraestructuras: sistema de abastecimiento de agua, construcciones portuarias, puentes y presas,en la parte 1, edificacin en la parte 2 y por ltimo instalaciones de produccin de gas a altapresin en la parte 3. El mtodo de diseo sismoresistente utiliza mapas de zonacin ssmica delpas especficos para las construcciones portuarias, los puentes, los edificios y las instalaciones deprod uccin d e gas a alta presin, que consideran factores de suelo. Dichos factores son d iferentesen funcin del tipo de estructura y tienen descripciones tambin especficas. A continu acin sepresenta la clasificacin del suelo utilizada en el diseo sismoresistente de las citadas estructurascon el objetivo de poner de manifiesto la importancia que adquiere la clasificacin del suelo enesta normativa.

Potencia del depsitoCuaternario

Grava Arena o Arcilla Suelo Blando

Menor que 5 m Tipo 1 Tipo 1 Tipo 25-25 m Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3

Mayor que 25 m Tipo 2 Tipo 3 Tipo 3Tabla 2.11. Clasificacin d el suelo pa ra constru cciones p ortua rias.

Clasificacin Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3factor 0.8 1.0 1.2

Tabla 2.12. Factor de suelo pa ra constru cciones portu arias.

Para construcciones portuarias, el suelo se clasifica en funcin de la potencia del depsitoCuaternario y del tipo segn sean gravas, arenas, arcillas o suelos blandos (tabla 2.11 ). A partir de

esta clasificacin se obtiene el factor d e subsuelo (tabla 2.12).

Clase Tg (s)I Tg


36/40


42

Y para suelos arenosos se calcula como:

3/180 is NV = para 501 iN (2.RR)

Donde N i es el valor N del ensayo de pentracin estndar p ara el estrato i-simo.

El sustrato rocoso se supone que como estrato de suelo que tiene un valor N mayor que 25 paraestratos de suelo cohesivos, mayor qu e 50 para estratos de suelo arenosos; o bien que tiene unavelocidad de ond a sismica de cizalla mayor que 300 m/ s.

Finalmente, en edificacin los suelos se clasifican en funcin del perodo crtico Tc y de suconsistencia dura, blanda o media (tabla 2.14), distinguindose tres tipos.

TIPO DE SUELO CARACTERSTICAS

PERODOCRTICO

DELSUELO TC

Tipo 1 (Suelo du ro)Suelo que consiste en una roca,grava arenosa du ra, etcde edad Terciaria o ms antiguaO bien, un suelo cuyo perodo estimado,ya sea por clculos o bien otras investigacionessea equivalente a

0,4

Tipo 2 (Suelo medio)Sern de esta tipologa aquellos suelosque sean d iferentes de los de tipo 1 y 2

0,6

Tipo 3 (Suelo Bland o)

Suelo aluvial consistente en d epsitos blandos d etpicos de zonas deltaicas,capas superficiales delsuelo, lodo, o aquellos (incluyend o rellenos), cuyaprofundidad sea igual o sup erior a 30 m,

tierras p antanosas, lodos del fondo d el mar, etc,dond e la tierra ganad a sea igual o sup erior a 3 my dond e hayan pasado m s de 30 aos desde que segan la tierra al marO bien, un suelo cuyo perodo estimado,ya sea por clculos o bien otras investigacionessea equivalente a

0,8

Tabla 2.14. Clasificacin del suelo en edificacin y en funcin del perodo crtico del suelo Tc y suconsistencia.

Finalmente, en instalaciones d e produ ccin de gas el suelo se clasifica en funcin d e la edad y d esu origen como alluvium o d iluvium (tabla 2.15).

Tipo de suelo 1 2 3 4

Descripcin

SueloTerciario o de

edad msantigua, roca*

Diluvium

Suelos noclasificados enlas categoras

1,2 o 4

Suelo tiporelleno o capade alluvium

con unapotencia

mayor a 25 m3 1.4 2.0 2.0 2.0

Tabla 2.15. Descripcin del su elo para instalaciones de ga s y valor d el coeficiente d e zona cin 3 asociado.En roca* se especifica que cuan do se satisfagan d etermina da s condiciones, la d escripcin d el

suelo se ap licar a la base d el suelo de las categoras 1 o 2 (vase explicacin y cond iciones en el

texto).


37/40


43

En roca* se especifica que cuando se satisfagan alguna de las siguientes condiciones, ladescripcin del suelo se aplicar no a la superfcie del suelo de las categoras 3 o 4 sino a la basedel suelo de las categoras 1 o 2:

1. Estructura soportad a con pilotes o cimentaciones rgidas y con una potencia superficial desuelo menor que de la altura en el centro de gravedad de la estructura.

2. La potencia superficial del suelo es menor que 1/ 5 de la altura en el centro de gravedadde la estructura.

La aceleracin superficial del suelo horizontal se evala segn:

OHH = 3 (2.SS)

Donde OH es la aceleracin horizontal en el sustrato rocoso (en gal) para el movimiento del suelode diseo bsico y se calcula segn:

21150 =OH (2.TT)

1 , 2 y 3 son diferentes coeficientes que estn definidos en las tablas , respectivamente:

Factor deimportancia de la

instalacinIa I II III

1 1.0 0.8 0.65 0.50Tabla 2.16. Definicin d el coeficiente 1 en fun cin de la imp ortan cia de la instalacin. El factor de

imp ortan cia califica el tipo de rotu ra d e la instalacin en funcin d el dao q ue p rod uce [44].

Zonacin S-A A B C2 1.0 0.8 0.6 0.4

Tabla 2.17. Defincin del coeficiente de zona cin 2 .

Si se comparan la clasificacin de los suelos para puentes y edificacin se observa que los valoresse sitan en el mismo ran go de variabilidad . Sin embargo, la cota inferior utilizada en p uentes esalgo menor que en edificios


38/40


44

Las recomen daciones en Estados Unid os de Am rica

El diseo sismoresistente en Estados Unidos est basado en las recomendaciones de NEHRP(National Earthquake Hazards Reduction Program) [45] que establece los procedimientosrecomend ados p ara determinar los espectros de diseo basndose en map as de peligro ssmico deaceleracin espectral y en coeficientes de sitio determinados por las condiciones geolgicaslocales.

Se ajusta la aceleracin espectral esperada en una roca de referencia basndose en las condicioneslocales para aumentar o disminuir los movimientos del suelo esperados. Supone que la roca dereferencia ests situada en el pun to B (fig. 2.28). Los factores de sitio ajustan los mov imientos d e laroca estimados p ara tener en cuenta las condiciones del suelo en el pun to A.

Figura 2.28. Cond iciones d e sitio y prop iedad es del material [46].

La clasificacin del material (tabla 2.18) est basada en las condiciones geolgicas locales pormedio de:

1. La descripcin fsica de los materiales subsu perficiales.

2. Estimaciones de la velocidad de las ond as ssmicas de cizalla medias obtenidas a partir decorrelaciones con ensayos de penetracin SPT y teniendo en cuenta el valor de CU.

3. Medidas d irectas de la velocidad ssmica de las ondas S en los treinta p rimeros metros.Esta profund idad de inters corresponde a aulla en que las resonancias con el depsito

de su elo son mayores qu e 0.1 s [47].

La roca A es representativa de la zona centro del Este de Estados Unidos y presenta bajasusceptibilidad a la amplificacin. La roca B representa la zona Oeste y se trata de un materialblando. El tipo E representa un depsito de suelo blando y profundo con potencial para am plificarel movimiento y para provocar la rotura del mismo. El tipo F es un m aterial que requiere anlisisespecficos de sitio.


39/40


45

TIPOLOGADE

MATERIALDESCRIPCIN

VS en los 30 msuperiores

(m/s)A Roca compacta > 1500B Roca 760< VS 1500C Suelo muy denso y roca blanda 360< VS 760D Suelo rgido 15 NSPT 50 o 50 kPa CU 100 kPa 180 VS 730

EPerfil con ms de 3 m de arcilla blanda con IP>20 40 % y CU< 25 kPa

75

4. Arcillas de rigidez bland a a m edia d e potencia >36 mTabla 2.18. Clasificacin del suelo N EHRP [45].

Comentarios finales

La filosofa d el diseo sismoresistente se basa en evitar prdid as de v idas hu manas, la d efensa d eestructuras y propiedades as como el mantenimiento de la estabilidad social tras un terremoto.Pero la determinacin del valor de la fuerza ssmica de diseo presenta dificultades debido avarias incertidumbres, como por ejemplo, la probabilidad de ocurrencia de un terremoto en elrea de estudio, las caractersticas sismolgicas del mecanismo fuente, la propagacin de lasondas d esde la fuente a la zona concreta y la respuesta del suelo y de la estructura a la sacudida.

Los movimientos del suelo de proyecto se pueden desarrollar por medio de dos vias: anlisisespecficos de la zona concreta y a travs de las indicaciones de los cdigos ssmicos. En concreto,los cdigos ssmicos consiste en disear edificios de forma que resistan movimientos pequeos sindao, movimientos moderados sin dao estructural y movimientos fuertes sin colapso.Actualmente, los cdigos ssmicos contemplan los efectos locales pero se hace mediante grupos desuelo con perfiles similares y por ello las especificaciones aplican a amplios rangos de condicionesde su elo, tal y como se ha m ostrado. Por tanto, las condiciones especficas de un a zona se p uedensobreestimar. Por esta razn los movimientos del suelo de proyecto desarrollados a partir decdigos suelen ser ms conservativos, es decir, corresponden a niveles de sacudida muysuperiores que los desarrollados por medio de anlisis especficos lo que supone diseos mscaros.

Los anlisis especficos de una zona reflejan detalladamente los efectos de las condicionessubsuperficiales de inters. El proceso habitual para desarrollar movimientos de suelo especficosde proyecto incluye anlisis de p eligro ssmico y anlisis d e la respu esta de suelo.


40/40


2.6. Resumen y conclusin

En este captulo se han revisado conceptos de relevancia en estudios de respuesta ssmicarelacionados con las caractersticas de los suelos. En concreto se han revisado parmetrosrelacionados con la plasticidad, la compactacin del material y su historia de tensiones. Se han

definido las propiedades dinmicas del suelo y se han analizado los factores que puedenmodificar las relaciones tensodeformacionales en el suelo. Se ha comprobado que existe unarelacin entre las prop iedades fsicas del suelo y sus p ropiedad es dinm icas.

Posteriormente se han analizado algunos de los mtodos de laboratorio y campo que se utilizanpara obtener parmetros encaminados a caracterizar los suelos y clasificarlos. Finalmente se hanmostrado las clasificaciones bsicas del suelo en funcin de la plasticidad y contenido de agua, enfuncin d e la edad y en las norma tivas ssmicas.

Las principales conclusiones de este captulo son:

1. La susceptibilidad de un suelo para amplificar la seal ssmica est determinada por sus

propiedades dinmicas. En concreto, el mdulo de corte y el amortiguamiento son lasprop iedades d inmicas clave y depend en del nivel de deformacin del suelo.

2. Las propied ades d inmicas varan en fun cin de las caractersticas fsicas de un suelo. Esimportan te determinar la r elacin entre las p ropiedad es dinm icas y otras caractersticasdel suelo como la plasticidad, la historia de tensiones y el confinamiento.

3. Los suelos que amp lifican en mayor grad o el movimiento ssmico correspond en a los deedad Cuaternaria.

4. Los mtod os de reconocimiento de los suelos tienen como objetivo principal clasificar lossuelos en funcin de una serie de parmetros, entre los que destaca, por su comn

utilizacin en las normas ssmicas, el valor N d el ensayo SPT. Sin embargo, la informacinobtenida a partir de los mtodos de reconocimiento est limitada por la profundidad delsondeo y las alteraciones introducidas en el terreno por el sistema utilizado. Esto esimportante d ebido a qu e la velocidad de las ond as ssmicas de cizalla, VS , utilizada en lasnorm as ssmicas, se obtiene a partir de correlaciones con el valor NSPT .

5. La clasificacin de los suelos en las norm ativas ssmicas actua les parece que sobreestimael movimiento del suelo y por lo tanto se hace necesaria su revisin.

propiedades dinamicas del suelo

Documents