Estudios de Microzonificación sísmica en...

Prof. Michael Schmitz

Instituto Geofísico, Escuela Politécnica Nacional

Quito, Ecuador, 15 de diciembre 2016

Seminario 2016 / 2017

Metodología de estudios de Microzonificación Sísmica, aplicación a

la ciudad de Quito

Contenido del Seminario : A. Evaluación del subsuelo 1) Uso del ruido ambiental, H/V para determinar período fundamental del suelo y forma general de la cuenca 2) Determinación de Vs30: correlación SPT – Vs30 y mediciones ReMi 3a) Estructura profunda de la cuenca: ReMi 3b) Estructura profunda de la cuenca: Sísmica 4) Estructura profunda de la cuenca: Gravimetría B. Respuesta en superficie 5) Modelado de la respuesta sísmica en 1D, 2D y 3D 6) Cálculo de la respuesta en superficie, funciones de transferencia y espectros C. Determinación de microzonas 7) Tipos de microzonificaciones sísmicas: Conceptos fundamentales; ejemplos de estudios a nivel internacional a ser presentados por los participantes 8) Delimitación de las microzonas de igual respuesta sísmica, aplicación de estudios de microzonificación sísmica en ordenanzas locales


A. Evaluación del subsuelo 2) Determinación de Vs30: correlación SPT – Vs30 y mediciones ReMi 3a) Estructura profunda de la cuenca: ReMi Contenido:

Importancia del Vs30

Aproximación de Vs30 con datos de topografía

Correlación SPT-Vs30

Mediciones directas (sísmicas)

Mediciones ReMi, ejemplos de Quito (Metro)

Mediciones en cuencas profundas (Guarenas-Guatire)


Importancia del Vs30: amenaza NEC 2015


El mapa de zonificación sísmica para diseño proviene del resultado del estudio de peligro sísmico para un 10% de excedencia en 50 años (periodo de retorno 475 años)

Importancia del Vs30: perfil del suelo NEC 2015


Los parámetros utilizados en la clasificación son los correspondientes a los 30 m superiores del perfil para los perfiles tipo A, B, C, D y E

Los perfiles de suelo tipo F requieren una evaluación realizada explícitamente en el sitio por un ingeniero geotecnista. F1—Suelos susceptibles a la falla o colapso; suelos licuables, arcillas sensitivas, suelos dispersivos o débilmente cementados, etc. F2—Turba y arcillas orgánicas F6—Rellenos colocados sin control ingenieril

Importancia del Vs30: espectro de respuesta NEC 2015




En la mayoría de las normas a nivel mundial, se utiliza la velocidad de propagación de ondas de corte en los treinta metros superficiales (Vs30) como un índice para caracterizar la amplificación sísmica del suelo. La Vs30 se ha considerado como un buen indicativo del tipo de respuesta esperada en los depósitos (Choi & Stewart, 2005). Como material de esos 30 metros se pueden escoger los tipos extremos de suelos granulares y suelos finos, debido a su distinto comportamiento no-lineal, para luego promediar los resultados como indicativo de los suelos reales en que suele existir una mezcla de ambos tipos de suelos para un modelado paramétrico 1-D, con su debida calibración en sitios reales.

Hernández et al., 2009a



El estudio paramétrico tiene por objeto estimar los espectros elásticos de respuesta promedios en superficie en distintas clases de sitio, asociados al espectro elástico de respuesta en afloramiento rocoso sano, obtenido del estudio de amenaza sísmica. La columna de suelo se define mediante el modelo geofísico desde los 30 metros de profundidad hasta el basamento rocoso en cuanto a la velocidad de las ondas de corte y la densidad; en los 30 metros superiores se le asignan propiedades variables de VS,30 (entre 150 y 650 m/s) para tipos de material genérico (granular o fino). A cada capa de suelo se le asignan curvas de comportamiento no-lineal apropiadas y se efectúa un análisis dinámico lineal equivalente (Schnabel et al., 1972).

Hernández et al., 2009a



Clasificación de espectros por grupos de perfiles (Vs30, H)

Hernández et al., 2009b



Allen y Wald, 2009


Aproximación de Vs30 con datos de topografía Relación entre la pendiente topográfica y Vs30. Se muestra la respectiva categoría

de tipo de sitio según NEHRP.

Nuevo ajuste para datos de alta resolución Pendiente-Vs30

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Pendiente

Vs

30

(m

/s)

Cuva de ajuste Puntos Teóricos (Allen y Wald, 2009)

Curva de ajuste trigonométrico obtenida a partir de los datos de Vs30 y pendiente topográfica de Allen y Wald (2009)

Morales et al., 2009


Existe una relación entre el módulo de corte y la densidad del suelo y de las rocas, el cual a su vez se relaciona con la geomorfología, la competencia del material y la pendiente topográfica. Bajo esta premisa, Allen y Wald (2009) propusieron una técnica para estimar las condiciones de sitio en función de Vs30 en relación a la topografía de la zona. Con el fin de estimar los valores Vs30 en zonas sin información geotécnica o geofísica, se realizó en Caracas un ajuste de relaciones exponenciales respecto a la relación entre el Vs30 y la pendiente topográfica de Allen y Wald (2009), utilizando la herramienta de ajuste de curvas (curve fitting tool) del MatLab 7.8.0, en la ecuación: donde p es el valor de la pendiente y los coeficientes obtenidos son producto netamente del ajuste realizado (Morales et al., 2011). Para realizar el cálculo de Vs30 en el AMC, se tomó el modelo digital del terreno (MDT) a partir de los datos de altura de las imágenes SRTM descargadas desde Global Land Cover Facility. Una vez obtenido el MDT, se elaboró un mapa de pendientes expresadas en porcentaje de un tamaño de celda de 300 m. Se procedió al cálculo de las velocidades Vs30 en cada celda para la elaboración del mapa de distribución Vs30 en el AMC, del cual se obtienen los valores del promedio Vs30 principalmente en las laderas (Morales et al., 2009).




Mapa de pendientes rasterizado para el AMC utilizando como base el mapa SRTM (Global Land Cover Facility). Morales et al., 2009



Mapa de distribución Vs30 aproximado a partir de las pendientes topográficas del AMC. La línea negra representa el contacto roca sedimento. En círculos rojos se detallan las velocidades

intermedias asociadas a las planicies aluviales de descarga y sedimentos lacustres del valle de Caracas (Morales et al., 2009).



Clasificación de suelos según el Código Internacional de Construcción

BSSC, 2003



Distribución de los pozos geotécnicos (SPT) utilizados en Caracas (Feliziani et. al., 2004) Selección de unos 1000 sitios de 5000 que cumplieron ciertas características como la

profundidad de investigación (30 m) y registros completos de valores N



Ecuación de Imai y Yoshimura (1970): Vs = 89.8*N0.341 Ecuación de Campos (2004): Vs = 98.808*N0.3892 Ecuación de Ohta y Goto (1978): Vs = 61.62*N0.254 *H0.222 Ecuación de ajuste para valores recomendados por La Norma COVENIN (2001) Vs = 48.22*N0.5274 Ecuación de ajuste para valores recomendados por la NEHRP (BSSC, 2003) Vs = 37.86*N0.5757 donde N es el número de golpes (SPT) y H es la profundidad.

Ecuaciones Vs – SPT, aplicados a los datos geotécnicos de Caracas



Distribución del promedio de velocidades de ondas de corte en los primeros 30 m (Vs30) en Caracas, aplicando la relación NEHRP (BSSC, 2003).



Integración de mapas de distribución Vs30, obtenidos a partir de la conversión NSPT-Vs de datos geotécnicos y a partir de aproximaciones de la topografía en el AMC. Dentro del área de

sedimentos, línea negra, se utilizaron los valores derivados de la conversión NSPT-Vs.



Ubicación de los perfiles sísmicos de refracción, ondas superficiales y ensayos de pozos en Caracas



Esquema (izquierda) y adquisición geofísica (arriba) de downhole

Downhole



Propiedades dinámicas Sebucán usando el método Downhole

Downhole

Sección final onda SEW. Método Downhole , Sebucán Flores, 2006



Esquema (izquierda) y adquisición geofísica (arriba) de crosshole y SPT

Crosshole



Propiedades dinámicas Sebucán usando el método Crosshole

Crosshole

Sección final onda S, Método Crosshole , Sebucán Flores, 2006



Esquema de la geometría de adquisición disparando a cada cuarto de la distancia del tendido

Generación de ondas P

Generación de ondas S


Modelo 2D de Ondas P, realizado para el perfil de Los Chorros.

Modelo 2D de Ondas S, realizado para el perfil de Los Chorros

LOS CHORROS

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000

Velocidad de corte (m/s)P

rofu

nd

idad

(m

)

INFERIDO PROMEDIO

Modelo 1D y promedio Vs30 asociado al perfil de Los Chorros Identificación de primeras

llegadas en la sección sísmica

En general, se obtiene información hasta una profundidad de 20 – 30 m considerando golpes de mandarria como fuente

Morales, 2006


Mediciones directas (sísmicas): SASW

Esquema de combinación de los sensores para el análisis de SASW

García et al., 2006

Fuente y equipo de registro para SASW

Análisis Espectral de Ondas Superficiales - SASW

Mediciones directas (sísmicas): SASW

Curva de dispersión teórica ajustada a la curva de campo

García, 2006

En general se obtiene información hasta una profundidad de 15 – 20 m considerando golpes de mandarria como fuente

Espectro cruzado, coherencia y fase acumulada para señales combinadas

Modelo 1-D obtenido por SASW

García et al., 2006



Resumen de los resultados de métodos sísmicos y conversión geotécnica NSPT-Vs para los pozos profundos en Caracas; a la derecha valores Vs30 promedios

Comparación de valores de Vs30 obtenidos con difenrentes métodos sísmicos

Mediciones directas (sísmicas): ReMi El método, desarrollado por Louie (2001), se basa en el análisis e inversión de la curva de dispersión de las ondas Rayleigh, obtenida a partir de los registros ruido ambiental. Se utiliza un arreglo estándar para ensayos de refracción para grabar ondas superficiales con frecuencias entre 2 y 26Hz. Se obtiene un modelo 1-D de las velocidades de onda S en la zona de estudio. Se puede aplicar tomografía para perfiles 2-D. Permite obtener la velocidad de onda S en ambientes urbanos con mucho ruido ambiental (al contrario con otros métodos sísmicos, donde molesta el ruido. Para reforzar la energía en cierto rango de frecuencias, se puede aplicar ruido no coherente con golpes de mandarria, vibradores o vehículos.

Otras ventajas del ReMi: es económico, se puede alcanzar una cobertura densa de puntos, de fácil aplicación (se requieren los mismos implementos que para un tendido de refracción), no se requiere trigger.


Mediciones directas (sísmicas): ReMi

Geometría de adquisición como sísmica de refracción, fuente: tráfico, golpes mandarría



Procesamiento de los datos sísmicos mediante el software SeisOpt®ReMiTM (Louie, 2001)

Mediciones directas (sísmicas): ReMi Mediciones ReMi Metro Guarenas - Guatire

Skrainka, 2009

Perfil geológico y ejemplo de perfil de ondas S por ReMi

Perfiles 1-D del Holoceno (rojo) y Pleistoceno (azul)

Mediciones directas (sísmicas): ReMi Mediciones ReMi Metro Guarenas - Guatire

Skrainka, 2009

Comparación de valores Vs de SPT y de ReMi: variaciones de hasta 50% aplicando diferentes fórmulas de conversión, promedio 20%. Las arcillas del Pleistoceno aumenta la resistencia a golpes SPT y distorsionan los valores. Generalmente, valores de las relaciones SPT-Vs son más altas que las mediciones directas.



Louie et al., 2011



Louie et al., 2011, Pancha et al., 2017

Mapa detallado de Vs30 Malla de puntos 300 m o menos Acceso: clarkcountynv.gov Resultados de ReMi son mas confiables que downhole para clasificación de sitio, ya promedian sobre Dimensión parecida a fundaciones



Louie et al., 2011

Registro: 24 canales, geófono de 4,5 Hz cada 8 m = 184 m longitud. Tasa de muestreo: 2 ms durante 30 s para 12-20 registros. En zonas de bajo ruido se agregaron golpes de mandarria 5 a 10 m fuera de la línea de registro para aumentar energía de alta frecuencia. ArcGIS con kriging fue usado para producir el mapa.


Example of a two-dimensional ReMi analysis performed for an engineering evaluation at shallow depths. ReMi slowness-frequency p-f spectral images, upper and lower row, are

computed on dozens of overlapping sub-arrays at intervals through a 410-m-long multichannel ReMi array. Picking the lowest velocity envelope on each p-f image and

modeling the picks for a velocity vs. depth profile centered on each subarray allows assembly of a 2D section, center row, showing lateral as well as vertical distribution of low velocities

(cool colors) and high velocities (warm colors). Applications of Refraction Microtremor Done Right, and Pitfalls of Microtremor Arrays Done Wrong.

J. Louie, A. Pancha, S. Pullammanappallil, 2017


Mediciones directas (sísmicas): ReMi Comparación con valores Vs30 por topografía en Venezuela

Barcelona-Puerto La Cruz, estado Anzoátegui

Parra et al., 2016



Guarenas-Guatire, estado Miranda

Parra et al., 2016

ReMi a lo largo de la línea del Metro Skrainka, 2009 García, 2013



Maracay, estado Aragua Parra et al., 2016

Valencia, estado Carabobo



Microzonas originales, Vernáez et al., 2011 Parra et al., 2016

Valencia

Microzonas ajustadas


Perfil Topográfico de la Ruta del Metro de Quito (Mijares, 2012)

Mapa de Isoperíodos en la Zona Sur del Metro de Quito. Panchano, 2013

130 puntos de medición, espaciados 30-40 m entre ellos Equipo Syscom MR2002-CE Vibration Recorder, 1-160 Hz.

Registros de 15 min.

Mediciones ReMi, ejemplos de Quito (Metro) Modelado dinámico – análisis determinista

Las aceleraciones PGA máximas esperadas en superficie son de 0.33g (escenario cercano-El Calzado) de acuerdo a las modelaciones determinísticas lineal equivalente. Se hace notar que los resultados con métodos de modelados no lineal arrojan resultados inferiores. Las aceleraciones máximas calculadas en el tope del substrato geotécnico (Vs>360 & Nspt>50) son de 0.24g (escenario cercano-Moran Valverde). Las aceleraciones espectrales máximas son en el orden de 1g (escenario cercano-El Calzado) y son esperadas en el rango de periodos entre 0.4 y 0.7s. El parámetro de la aceleración es esperado ser menos alto de lo indicado en estudios previos y la norma

Cataldi, 2013 Escenario Lejano Roca Suelo Escenario Cercano Roca Suelo

Curva de Atenuación PGA (g) PGA (g) Curva de Atenuación PGA (g) PGA (g)

Zhao et al 2006 0.030 0.087 Abrahamson & Silva (2008) 0.257 0.325

Aktinsong & Boore 0.036 0.055 Boore & Aktinsong (2008) 0.150 0.223

Young et. al. 1996 0.137 --- Campbell & Bozorgnia (2008) 0.157 0.192

Escenario Intermedio PGA (g) PGA (g) Chiou & Youngs (2008) 0.143 0.184

Ambraseys et. al. (2005) 0.121 0.160 Idriss (2008) 0.185 ---

Lejano 200 km @ 8.4M, Intermedio 80 km @ 7.3M, cercano 25 km @ 6.5M

Curvas de atenuación de la aceleración máxima horizontal para sismo de intensidad 6.5 en roca (izqu.) y en superficie (der.).



Anomalias Suelos Blandos

Rigidez (Modulo Corte Din.)

Periodo Fundamental

Vs30

Cataldi, 2013

62 tendidos con una separación

de los geófonos de 4m.

Por cada tendido se realizaron 3

modelos 1-D, de 12 geófonos,

separados 24 m entre si, para un

total de 186 modelos

Ejemplo de espectro de velocidad y picking de la curva de dispersión


Mediciones ReMi

Quito (Metro)

Suelos

Blandos

Quebrada

?

Substrato Geotecnico

Capa Resonante

Zona A1-Moran Valverde / Turubamba

Perfil geotécnico

Downhole

ReMi

Cataldi, 2013


Mapa geológico de Quito (SIAGRO, 1984) y línea del Metro

Cataldi, 2013

Vs30 a lo largo de la línea del Metro


Detalle de la tomografía de Vs en la zona Sur del Metro de Quito

Ejemplo Vs30 en la cercanía de las estaciones Morán Valverde (izqu.) y Solanda (derecha)

Sánchez, 2012; Panchano, 2012



Sánchez, 2012

Detalle de la tomografía de Vs en la zona Central (arriba) y Norte (abajo) del Metro de Quito

Mediciones ReMi en cuencas profundas Equipos utilizados


Sismómetro digital de un canal marca RefTek Texan 125-A y geófono de componente vertical de 4,5 Hz

a) Conexión para la configuración de equipos Texan modelo 125A; b) equipos de transmisión de datos ReMi; c) Laptop; d) GPS

Alcance en profundidad: aproximadamente 1/3 de la longitud de la línea de registro.

Longitudes de los tendidos de registro: 500 – 1000 m, 50 equipos de registro; distancia entre geófonos: 10 a 20 m.

Mediciones ReMi en cuencas profundas


Análisis espectral de las ondas dispersivas de Rayleigh

Se apilan los espectros individuales en una sola imagen p-f donde se realiza la selección de los pares p-f (lentitud-frecuencia) para la curva de dispersión



(Rodríguez, 2013).

Diagrama lentitud – frecuencia y modelo 1D del perfil 6 en Barcelona

Mediciones ReMi en cuencas profundas (Guarenas-Guatire)


a) Ejemplo de curva de dispersión obtenida para cada tendido. b) Perfil 1D de Vs obtenido para el perfil 1. c) Pseudo-sección Vs 2D generada para Guarenas y Guatire con el límite sedimento-roca interpretado por modelado gravimétrico (García, 2013).


Arreglos de microtremores


Arriba: geometría del arreglo “La Vaquera” (Guarenas). Abajo: Función de respuesta teórica de acuerdo a la geometría diseñada para el Arreglo “La

Vaquera”. (García, 2013).


Arreglos de microtremores


(García, 2013)

Inversión de una curva de dispersión con un modelo de 2 capas. Derecha: curva de dispersión procesada (negra) sobre las curvas de dispersión teóricas de acuerdo a la inversión


Comparación entre ReMi y arreglos en Guarenas-Guatire


(García, 2013).

Comparación entre los perfiles 1D obtenidos mediante el arreglo de microtremores 4 y el perfil ReMi 7, ubicados en la Av. Intercomunal Guarenas-Guatire.

Comparación de los perfiles 1D obtenidos mediante el arreglo de microtremores y el perfil ReMi con el perfil litológico en el observatorio acelerográfico


A. Evaluación del subsuelo 2) Determinación de Vs30: correlación SPT – Vs30 y mediciones ReMi 3a) Estructura profunda de la cuenca: ReMi

Conclusiones:

El valor Vs30 es fundamental para el cálculo de la respuesta sísmica. Existen diferentes metodologías para la determinación de Vs30 Aproximado: Estimación de Vs30 de la topografía Correlación SPT – Vs Mediciones directas (sísmica): Con fuentes activas: Sísmica de refracción, SASW, MASW (penetración limitada por el tipo de fuente) Con ruido ambiental: Arreglos de Microtremores: Perfil puntual del suelo; compleja instalación ReMi (Refracción de Microtremores): rápida implementación, puede aplicarse en mallas mus densas para el mapeo de Vs30 ReMi puede aplicarse a profundidades de cuenca (varios cientos de m) en complemento d mediciones sísmicas y gravimétricas Próximo seminario (Evaluación del subsuelo): 21/12 (3b y 4): Estructura profunda de la cuenca: Sísmica, Gravimetría

Referencias


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