RESPUESTA SÍSMICA EN
SUPERFICIE - EFECTO SITIO
Ramón Verdugo A. (Ph.D.)
CMGI Ltda.
CHARLA UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO STA. MARÍA
27 de Agosto de 2014
- COMPORTAMIENTO CÍCLICO DE SUELOS
- MODELO LINEAL EQUIVALENTE
- PERIODO FUNDAMENTAL
- MÉTODO DE NAKAMURA, O RAZÓN ESPECTRAL H/V
- CLASIFICACIÓN DE SUELOS, COMITÉ NCH433
- EMPUJES SÍSMICOS EN MUROS SUBTERRÁNEOS
- DESLIZAMIENTO DE LADERAS
- EFECTOS TOPOGRÁFICOS
CONTENIDO
COMPORTAMIENTO
CÍCLICO DE SUELOS
ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO
COMPORTAMIENTO CÍCLICO DRENADO
(Towhata, 1982, Ph.D. Thesis)
COMPORTAMIENTO CÍCLICO DRENADO
t
G
LOOP ESTABLE – MÓDULO DE CORTE CÍCLICO
10-4
10-6
10-5
10-3
10-2
10-1
COMPORTAMIENTO SEGÚN
NIVEL DE DEFORMACIÓN
10-4 % 10
-3 % 10
-2 % 10
-1 % 1 % 10 %
NIVEL DE
DEFORMACIONES
PEQUEÑAS
NIVEL DE
DEFORMACIONES
MEDIANAS
NIVEL DE
DEFORMACIONES
GRANDES
NIVEL DE
DEFORMACIONES
DE FALLA
COMPORTAMIENTO ELÁSTICO
COMPORTAMIENTO ELÁSTICO – PLÁSTICO
FALLA
ANÁLISIS DINÁMICO
En todo problema dinámico, necesariamente existen fuerzas
inerciales. En este contexto existen situaciones en las cuales esas
fuerzas inerciales son ingenierilmente relevantes, aun cuando el
nivel de deformación es reducido.
Adicionalmente, la propagación de ondas sísmicas desde estratos
profundos requiere establecer el comportamiento cíclico del suelo a
niveles de deformación significativamente pequeños.
Por lo anterior, problemas geotécnicos de naturaleza dinámica
involucran niveles de deformación en el suelo que van desde valores
tan bajos como 10-6
(10-4
%). Es decir, muy inferior al rango de
deformación de interés en análisis estáticos.
ANÁLISIS DINÁMICO
Por otra parte, evidentemente solicitaciones dinámicas pueden
involucrar la falla de la masa de suelos, con lo cual el nivel de
deformaciones también puede desarrollarse en el rango de grandes
deformaciones.
El caso particular de licuefacción también se desarrolla en el rango
de grandes deformaciones
10-4
10-6
10-5
10-3
10-2
10-1
Rango de deformación de problemas dinámicos
CURVAS DE DEGRADACIÓN
DE MÓDULO DE CORTE
Distorsión Angular
G/Go
MÓDULO DE CORTE CÍCLICO MÁXIMO
2
max SO VGG
: Densidad de masa
Vs : Velocidad de propagación de onda de corte
Gmax
EN FUNCIÓN DEL CONFINAMIENTO ISÓTROPO
RELACIONES PARA Gmax
366
335
305
274
244
213
183
152
122
m/s
396
Tamaños (Tamices ASTM) emáx emín
No 20 - No 30 0.71 0.50
No 80 - No 140 0.89 0.54
74.8% No 20 - No 30
25.2% No 80 - No 140
No 20 - No 140, bien graduada 0.76 0.42
0.66 0.32
0.750.550.45
Índice de Vacíos, e
0.350.35
Velocidad de
Propagación
Ondas de Corte
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
f/s
1300
0.750.650.550.450.35
VELOCIDAD ONDA DE CORTE - DENSIDAD – PRESIÓN CONFINANTE
EFECTO DE LAS TENSIONES NORMALES EN LA
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS DE CORTE
Algunos datos experimentales indican nx = n
y = 0.12
zyx n
a
z
n
a
y
n
a
xs
PPPCeFV
)(
0
t
RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO, D
El área encerrada por el loop corresponde
a la energía disipada en un ciclo completo
carga-descarga (ALOOP
).
a
ta
El área de ambos
triángulos corresponde a
la energía elástica
entregada al sistema en
un ciclo completo carga-
descarga (ATRIÁNGULOS
).
TRIÁNGULOS
LOOP
A
AD
2
Hatanaka et al, 1988, copiado de Ishihara 1996
RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO, D
CURVAS TÍPICAS DE DEGRADACIÓN DE MÓDULO
Y RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO
Distorsión Angular, (%)
D (%)
Amortiguamiento
G
Gmax
MODELO LINEAL EQUIVALENTE
PROPAGACIÓN UNIDIMENSIONAL DE
ONDAS DE CORTE
DEPOSITO
DE SUELOS
SUPERFICIE
DEL TERRENO
ROCA BASAL
Frente de ondas
Propagación vertical
de ondas de corte
AFLORAMIENTO
ROCOSORespuesta sísmica
en superficie
RESPUESTA DE SITIO
t cG
MODELO VISCO-ELÁSTICO
t G1
td
dcc
t
2
Componente elástica
Componente viscosa
PROPAGACIÓN UNIDIMENSIONAL
DE ONDAS DE CORTE
BASAMENTO ROCOSO
DEPÓSITO
DE SUELOS
SUPERFICIE
basea
supa
PROPAGACIÓN UNIDIMENSIONAL
DE ONDAS DE CORTE
z
Superficie del terreno
Roca basal
dzz
tt
t
gu
u
du
dz
H
zt
u
tz
u
2
2
2
t
udzAAdz
zhorhor
t
t cG zt
uc
z
uG
2
t
2
2
2
3
2
2
t
u
zt
uc
z
uG
2
2
2
2
2
3
2
2
t
u
t
y
zt
yc
z
yG
g
Equilibrio dinámico:
Suelo visco-elástico:
Ecuación de onda:
Cambiando de variable:
t
u
t
y
t
u
z
y
z
uuuy
g
g
ti
b epzsenpHpzau )()tan()cos(
tib epH
auHzu
)cos()( sup
Aceleración absoluta:
Aceleración absoluta en superficie:
baseu
uA
sup
1 )cos(
11
pHA
Amplificación base-superficie:
MÉTODO LINEAL EQUIVALENTE
1.- La señal sísmica de input se transforma al domino de la
frecuencia por medio en una serie del tipo:
n
j
ti
jgjeAAü
1
)()0(
2.- En el centro de cada estrato se calcula la distorsión angular
efectiva:
max65.0 efect
3.- Se verifica que los parámetros G y D asumidos en cada
estrato son compatibles con el nivel de distorsión angular efect
de cada estrato.
Distorsión Angular
G/Go
15%
30%
1
G1/G
0
D1
2
G2/G
0
D2
MÉTODO LINEAL EQUIVALENTE
PERIODO FUNDAMENTAL
DEPÓSITO DE SUELOS
2
2
2
2
1
11
2
1
11
2
d
d
GH
d
d
GH
senhsencoshcos
1)(1
iA
22221
senhsencoshcos
1)(
A
FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA
BASE-SUPERFICIE
0
Vs
H
GH
Vs
HA
cos
1
cos
1)(1
2
5,
2
3,
20cos
Vs
H
Vs
H
H
Vs
H
Vs
H
Vs
2
5,
2
3,
2
Vs
H
Vs
H
Vs
HT
5
4,
3
4,
4
Para d = 0:
A1 tiende a infinito cuando:
80 m
Vs= 450 m/s
𝜸𝒕= 2 t/m³
𝑻𝒇= 0.71 s
0.71
Alternativa 1:
University of Southern California
http://gees.usc.edu/GEES/Software/EERA2000
Alternativa 2:
University of Memphis
http://www.ce.memphis.edu/7137/eera.htm
Alternativa 3
*Tetsuo Tobita, Associate Professor, Kyoto Universiy.
https://sites.google.com/site/tt60898/home/software
ALTERNATIVAS PARA OBTENER EL PROGRAMA EERA
Equivalent-linear Earthquake site Response Analysis
MÉTODO DE NAKAMURA
(RAZÓN ESPECTRAL H/V)
PARA OBTENER EL
PERIODO FUNDAMENTAL
PERIODO FUNDAMENTAL
DEL DEPÓSITO DE SUELOS, Tf
HB
VB
VS
HSHW
S
S
S
STF
V
HHW
E
TFTF
~ 1
RAZÓN ESPECTRAL H/V, O MÉTODO
DE NAKAMURA
FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA ONDAS DE CORTE
SUPERFICIE – BASE:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Pro
fun
did
ad
(m
)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Penetración Estandar, N (golpes/pie)
INDICE DE PENETRACION N-SPT SONDAJE S1 EL ALMENDRAL IDIEM-MIT, 1987
Roca basal a 57 m
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Pro
fun
did
ad
(m
)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Velocidad de onda de corte (m/seg)
ENSAYOS CROSS-HOLE EL ALMENDRAL
Vspromedio = 241 m/seg
MODELO UNIDIMENSIONAL DE PROPAGACIÓN
VERTICAL DE ONDAS DE CORTE
sV
HT
4
:- Periodo fundamental de vibración
segT 95.0241
574
T = 0.95seg
MEDICIONES DE NAKAMURA
T = 1/3.9 = 0.26 seg
MEDIDA DE NAKAMURA
ESPECTROGRAMA REGISTRO 27F
PAPUDO NS
Stgo. La Florida NS
ESPECTROGRAMA REGISTRO 27F
Stgo. La Florida EW
ESPECTROGRAMA REGISTRO 27F
PERIODO PREDOMINANTE OBTENIDO
VÍA NAKAMURA Y DE REGISTROS DEL 27F
N-S, L
E-W,T
CLASIFICACIÓN SÍSMICA DE
DEPÓSITOS DE SUELOS
COMITÉ NCh433
2010 CHILE EARTHQUAKE
HORIZONTAL
PEAK ACCELERATIONS
RECORDED ON
ROCK OUTCROPS
aL=0.14g
aT=0.31g
aNS=0.19g
aEW=0.14g
aNS=0.18g
aEW=0.17g
aL=0.32g
aT=0.24g aNS=0.20g
aEW=0.20g
aNS=0.19g
aEW=0.15g
aNS=0.14g
aEW=0.14g
aNS=0.08g
aEW=0.09g
2010 CHILE
EARTHQUAKE
HORIZONTAL
PEAK GROUND
ACCELERATIONS
RECORDED ON
SOIL DEPOSITS
aL=0.23g; aT=0.31g
aNS=0.19g; aEW=0.13g
aL=0.50g; aT=0.54g
aNS=0.29g; aEW=0.30g
aL=0.23g; aT=0.31g
aNS=0.27g; aEW=0.26g
aNS=0.23g; aEW=0.27g
aNS=0.25g; aEW=0.24g
aNS=0.17g; aEW=0.16g
aNS=0.20g; aEW=0.23g
aNS=0.22g; aEW=0.33g
aNS=0.35g; aEW=0.33g
aL=0.22g ;aT=0.28g
aL=0.34g; aT=0.33g aL=0.25g
aT=0.36g aL=0.29g
aT=0.33g
aL=0.33g
aT=0.30g
aL=0.47g
aT=0.47g
aNS=0.09g
aEW=0.14g
aNS=0.93g
aEW=0.69g
aL=0.40g; aT=0.29g
aL=0.59g; aT=0.65g
aL=0.57g
aT=0.77g
aL=0.39g
aT=0.47g
aNS=0.48g
aEW=0.41g
aL=0.48g
aT=0.42g
aL=0.33g
aT=0.54g
aL=0.29g; aT=0.42 g
aL=0.18g; aT=0.18 g
aL=0.27g
aT=0.32g
aL=0.16g
aT=0.15g
aL=0.54g
aT=0.63g
TABLA 4.3.- DEFINICIÓN DE LOS TIPOS
DE SUELOS DE FUNDACIÓN
TABLA 4.3.- (Cont.)
TABLA 4.3.- (Cont.)
PROFUNDIDAD DE EXPLORACIÓN
Suelo Tipo II: Espesor mínimo del estrato 20 m
Suelo Tipo III: Espesor mínimo del estrato 10 m
Suelo Tipo IV: Espesor mínimo del estrato 10 m
TIPO DE
SUELO
DESCRIPCIÓN GEOTÉCNICA
VS (m/s)
RQD (%)
qu
(MPa)
Su
(MPa)
t
(t/m3)
Dr (%)
GC (%)
N1 g/pie
I Roca ≥ 900 ≥ 50 ≥ 10
II
Suelo en los 10 m sup. y creciente
≥ 400
Grava Densa
2.0 ≥ 75 ≥ 95
Arena Densa
≥ 75 ≥ 95 ≥ 40
S. Cohesivo Duro ≥ 0.2 ≥ 0.1
III
Arena No-Saturada
55-75 ≥ 20 (*)
Grava o Arena N.S: < 95
Suelo Cohesivo 0.05 0.20
0.025 0.10
Arena Saturada
20-40
IV Suelo Cohesivo
Saturado ≤ 0.05
≤ 0.025
(*) N-SPT sin normalización
RESUMEN TABLA 4.3
NCh 433. Of1996, Modificada en 2009
400 900
II IIII
Roca
Arena
Grava
S. cohesivo
Suelo
cohesivo
saturado
VS-30
(m/s)
Grava densa
Arena densa
Suelo Cohesivo duro
IV
CLASIFICACIÓN SÍSMICA SEGÚN Vs
NCh433.Of96
CLASIFICACIÓN SÍSMICA
DE SUELOS SEGÚN
DECRETO SUPREMO 61
ESPECTROS ELÁSTICOS DE PSEUDO-ACELERACIÓN
SEGÚN TIPO DE SUELOS DE FUNDACIÓN
ESPECTROS DE DESPLAZAMIENTO: Sde
𝑆𝑑𝑒(𝑇𝑛) = 𝑇𝑛
2
4𝜋2∙ 𝛼 ∙ 𝐴0 ∙ 𝐶𝑑
∗
500 900
BD A
350
C
180
E
Roca
Suelo cementado
Suelo
media-
namente
denso o
firme
Suelo de
compaci-
dad, o
consisten-
cia
mediana
VS-30
(m/s)
Roca blanda o
fracturada, suelo
muy denso o muy
firme
Suelo
denso
o firme
CLASIFICACIÓN SÍSMICA SEGÚN VS-30
Decreto Supremo 61
CLASIFICACIÓN SÍSMICA SEGÚN
Decreto Supremo 61
PARÁMETROS GEOMECÁNICOS
PROPIEDADES DE ESTADO
- Densidad
- Densidad Relativa
- Grado de Compactación
PARÁMETROS DE RESISTENCIA (grandes deformaciones)
- Índice de Penetración Estándar (N-SPT)
- Resistencia Compresión Simple
- Resistencia No-Drenada
PARÁMETROS DE RIGIDEZ (pequeñas deformaciones)
- Velocidad de propagación de ondas de corte
PARÁMETROS DE VIBRACIÓN
- Periodo fundamental de vibración
EJEMPLO DE ANÁLISIS
GRAVA DENSA
VS= 800 m/S t = 2.3 t/m³
15 m
ARCILLA BLANDA
VS= 150 m/S t = 1.7 t/m³
15 m
GRAVA DENSA
VS= 800 m/S t = 2.3 t/m³
15 m
ARCILLA BLANDA
VS= 150 m/S t = 1.7 t/m³
15 m
VS-30
= 252 m/s
550m/s
700m/s
50m
30m 550m/s
700m/s
50m
30m
550m/s
700m/s
50m
25m
5m 150m/s
550m/s
700m/s
50m
20m
10m 150m/s
550m/s
700m/s
50m
25m
5m 150m/s
550m/s
700m/s
50m
10m
20m
150m/s
550m/s
700m/s
50m
15m
15m 150m/s
150m/s
700m/s
50m
15m
15m 550m/s
150m/s
700m/s
50m
10m
20m
550m/s
700m/s
50m
20m
10m
150m/s
550m/s
700m/s
50m
25m
5m
150m/s
550m/s
150m/s
700m/s
50m
25m
5m 550m/s
150m/s
700m/s
50m
30m 150m/s
700m/s
50m
30m
550m/s
700m/s
50m
30m 550m/s
700m/s
50m
30m
550m/s
700m/s
50m
25m
5m 150m/s
550m/s
700m/s
50m
20m
10m 150m/s
550m/s
700m/s
50m
25m
5m 150m/s
550m/s
700m/s
50m
10m
20m
150m/s
550m/s
700m/s
50m
15m
15m 150m/s
150m/s
700m/s
50m
15m
15m 550m/s
150m/s
700m/s
50m
10m
20m
550m/s
700m/s
50m
20m
10m
150m/s
550m/s
700m/s
50m
25m
5m
150m/s
550m/s
150m/s
700m/s
50m
25m
5m 550m/s
150m/s
700m/s
50m
30m 150m/s
700m/s
50m
30m
RESPUESTA SÍSMICA EN SUPERFICIE
30 m
20 m
30 m
100 m
Roca Basal
Roca Basal
sV
HT
4
PERFIL DE TERRENO EQUIVALENTE
30 m
H
ROCA
Vs-i
; hi
Vs-equiv
Vs = 900 m/s
T = TNak
H
CASO 1: TNak
plano
CASO 2: TNak
< T30
CASO 3: TNak
> T30
SUELO
TIPO B
Análisis
con H = 0
Análisis
con H 0
TALCA
Grava de cantos sub-redondeados a sub-angulares , de tamañomáxi mo 3”, presenci a de bolones de has ta 10” aproxi madamente y sin
recuperación de matriz. Se observa una arena en el retorno del agua.
Toba fracturada con pómez color amarillo, cl astos polimícticos condistinto grado de alter ación . C on estr atos de roca volcano
sedimentaria de clastos polimicticos con distinto grado de alteración.
Arcilla color café claro, consistencia media y plasticidad baja.
Toba fracturada con pómez color amarillo, cl astos polimícticos condistinto grado de alteración.
Grava de cantos sub-redondeados a sub-angulares , de tamañomáxi mo 3” apr oximadamente y sin recuper ación de matriz. Se observa
una arena en el retorno de agua.Roca volcano sedimentaria fr acturada de dur eza muy baj a, con pómezcolor amarillo, clastos polimicticos con distinto grado de alteraci ón y
cemento color amarillo claro. Se obser van zonas con alto nivel de
meteorización.
Arcilla color café claro, consistencia alta y plasticidad alta.
Grava de cantos sub-redondeados a sub-angulares de tamaño máximo5” aproxi madamente y sin recuperaci ón de matriz. Se obser va una
arena en el retorno de agua.
787 m/s 30 m
787 m/s 30 m
MATANZAS
Arcilla color gris verdoso, consolidada, consistencia alta y plasticidad alta. Presencia de lentes de grava de cantos angulares, tamaño máximo 1 ½”
Arcilla color café claro, consolidada, consistencia alta y plasticidad alta. Presencia de vetas de color rojo amarillento y lentes de arena
cementada .
Arena pobremente graduada color negro grisáceo de compacidad alta. Presencia de lentes de grava de cantos angulares y tamaño máximo
3”.
Arcilla color gris verdoso, consolidado, consistencia alta y plasticidad media.
Arena color gris verdoso, cementada y compacidad alta. Presencia de lentes de arcillas consolidadas
Arcilla color gris claro, consolidada, consistencia alta y plasticidad alta.
Arena color gris verdoso, cementada y compacidad alta. Presencia de vetas color negro. Presencia de lentes de arcillas consolidadas color
gris oscuro.
374 m/s
900m/s 55 m
30 m
374 m/s
900m/s 55 m
30 m
CASABLANCA
Arena color café mal graduada , humedad alta, compacidad media a alta y contenido variable de finos sin plasticidad.
Arcilla color café verdoso, humedad media, consistencia media y plasticidad baja
Arena arcillosa color café, mal graduada, humedad media, compacidad media y plasticidad baja.
Arcilla color café verdoso, humedad media a alta, consistencia media y plasticidad baja.
Arena arcillosa color café, mal graduada, humedad media, compacidad media y plasticidad baja.
Arcilla color café verdoso, consolidada , humedad alta, consistencia alta y plasticidad alta.
Arena color gris, mal graduada, humedad alta, compacidad media a alta y contenido variable de finos sin plasticidad.
Arena color gris, mal graduada, humedad alta, compacidad alta y contenido variable de finos sin plasticidad .
Grava de diversos colores de cantos angulares y sub-angulares , tamaño máximo 2”, sin recuperación de matriz. Se observa arena en el retorno del
agua.
Arcilla color café, humedad alta, consistencia media y plasticidad baja. Presencia de basura.
Arcilla gris verdoso, consolidada , humedad alta, consistencia alta y plasticidad baja .
EMPUJES SÍSMICOS SOBRE
MUROS DE SUBTERRÁNEOS
CONDICIÓN ESTÁTICA
- Empuje en reposo
CONDICIÓN SÍSMICA
Empuje activo (Mononobe – Okabe)
No es consistente
No hay reportes de falla de muros subterráneos
senKo 1
C.3 La componente sísmica del empuje se puede
evaluar usando la siguiente expresión:
gAhC omRs /3,0
DESLIZAMIENTO DE LADERAS
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8
TERREMOTO DEL MAULE, 2010
Punta Lavapie
Uplift = 1.5 mEl Piure
Uplift = 2.8 m
Slope Failures
ZoneRumena
Uplift = 2.4 m
CO-SEISMIC STATIC DISPLACEMENT FIELD
2010 CHILE EARTHQUAKE
Vigny et al (2011)
FALLA IMPORTANTE DE TALUDES EN ARAUCO
IQUIQUE 2014 – PANAMERICANA ROUTE (RUTA 16)
SLOPE FAILURES ALONG RUTA 16
DOWN STREAM SLOPE ON SANDY SOILS
SLOPE FAILURES ALONG RUTA 16
DOWN STREAM SLOPE ON SANDY SOILS
SLOPE FAILURES ALONG RUTA 16
UP STREAM SLOPE ON SOFT ROCK
ZONA CON PENDIENTE
BAJADA CERRO DRAGÓN
MURO DE CONTENCIÓN COLAPSADO
MURO DE CONTENCIÓN COLAPSADO
EFECTO TOPOGRÁFICO
GEOMETRÍA EN DOBLE TALUD
POSIBLE AMPLIFICACIÓN POR EFECTO TOPOGRÁFICO
MODELACIÓN NUMÉRICA 3D
CAMPO DE DEFORMACIONES POST SISMO
MUCHAS GRACIAS
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