Tesis Doctorado
Análisis del comportamiento dinámico del suelo y de los edificios para la estimación del daño sísmico potencial (aplicación a Viña del Mar, Chile).
Analysis of the dynamic behavior of the soil and buildings for the estimation of potential seismic damage. Application to the city of Viña del Mar, Chile.
Autor
Aranda-Caballero, Carolina Paz
Institución
Resumen
Resumen: Terremotos históricos y recientes (p. ej. los de 1906, 1985 y 2010) indican la repetición de un patrón espacial de la distribución de los daños sísmicos en Viña del Mar (Chile) que afectan sobre todo a la zona llana de la ciudad.
La ciudad de Viña del Mar, situada en el borde norte de la gran zona de ruptura del terremoto de febrero de 2010, se encuentra situada en su mayor parte sobre una planicie formada por depósitos de materiales sedimentarios fluviales y marinos con gran contenido en agua, lo que hizo que el movimiento sísmico alcanzara en dicho terremoto una intensidad máxima de grado VIII (según la Escala Macrosísmica Europea, EMS) en un amplio sector de la ciudad y provocase daños en las construcciones, en particular en las que tienen mayor altura y cuya estructura es de hormigón armado.
La desigual distribución de los daños sísmicos observados en la ciudad evidencia las diferencias de la peligrosidad sísmica local, como también el desigual comportamiento de edificios en áreas donde la acción sísmica era similar. Esto puso de manifiesto el interés y necesidad de realizar un estudio más completo de los diferentes aspectos relacionados con el comportamiento sísmico del suelo y de los edificios tal como se ha hecho en esta Tesis Doctoral.
El análisis de los 122 estudios geotécnicos, con sondeos mecánicos, ensayos in situ y de laboratorio, ha permitido caracterizar y clasificar los tipos de suelo, para finalmente obtener diferentes mapas que proporcionan información sobre la estructura del subsuelo hasta una profundidad de 30 m. Se han analizado y obtenido relaciones entre los valores de velocidad de propagación de ondas S en el suelo (o velocidad de cizalla VS), obtenidos de perfiles de Refracción Sísmica de Microtremor (ReMI) y los valores del número de golpes de ensayos de penetración estándar de los sondeos (NSPT) corregidos, N1)60. Finalmente se ha obtenido una relación empírica específica para la zona; con ella se ha determinado la estructura VS de cada sondeo y posteriormente del área, indicando que la capa de suelo firme, denso, (con VS mayor o igual a 360 m/s) tiene una profundidad mayor de 20 m. en casi todo el Plan de Viña del Mar, siendo mayor de 30 m. en una gran parte de la ciudad.
Se han calculado las velocidades medias de ondas de corte en el terreno hasta distintas profundidades (10 m., 20 m., 30 m.) VS10, VS20, VS30, respectivamente y trazado los correspondientes mapas. Asimismo, se han clasificado según el Eurocódigo EC-8 las zonas de la llanura donde el terreno está constituido por depósitos profundos de arena densa o medianamente densa, grava o arcilla dura (Tipo C, EC-8) y las zonas de los cerros en la periferia de la ciudad con terrenos constituidos por depósitos de arena densa, grava o arcilla muy dura (Tipo B, EC-8). Pero esta caracterización del terreno se ha observado que es insuficiente por sí sola para determinar la respuesta cuando el espesor de sedimentos es mayor de 30 m.
Para obtener información de las capas más profundas hasta el basamento se han usado métodos geofísicos. Se ha analizado el comportamiento dinámico del suelo en 84 puntos geográficos de la ciudad a partir de medidas de ruido ambiental o microtremor. Con esta información se ha caracterizado el periodo de vibración del suelo a partir del método HVNSR (microvibraciones de ruido ambiental para la clasificación sísmica de los suelos) y se ha trazado un mapa de isoperiodos que constituye una microzonificación sísmica que ha permitido clasificar el suelo en función del periodo y de las características geológicas.
La estimación del espesor de relleno hasta el basamento a partir de la velocidad de propagación de las ondas de corte VS(z) obtenida ha permitido estimar la morfología del basamento. Otra estimación de dicha profundidad, se ha hecho a partir de las curvas H/V (cociente entre los espectros de las componentes horizontal y vertical) observadas y las simuladas con un modelo de capas unidimensional construido con la información de la estructura superficial del terreno y la de periodos medidos. Ambos métodos dieron resultados parecidos con profundidades mayores de 60 - 70 m. en un tercio del área estudiada y llegando hasta algo más de 120 m en un área reducida. Teniendo en cuenta los espesores determinados del relleno sedimentario, se clasificaron los suelos como tipo D-1 según el código IBC, (es decir de suelo rígido profundo del holoceno, arena o arcilla) en el centro de la cuenca y tipos C-2 (suelo rígido de poca profundidad) y C-3 (suelo rígido de profundidad intermedia) en los bordes. La amplificación espectral calculada en 12 puntos representativos, mediante la simulación a partir de los modelos de velocidad de la onda de corte VS y densidad del terreno, supera un factor 4 en la zona más profunda y es mayor de 3 para el periodo dominante correspondiente en el resto de zonas analizadas.
Se ha obtenido el intervalo de periodos en los que se produce amplificación sísmica con los métodos de la estación de referencia (SSR) y de la razón espectral H/V (HVSR) aplicados a registros del sismo principal de 2010 y de algunas réplicas. Estos resultados son congruentes con los obtenidos en esta Tesis con microtremor y también con los estimados por Midorikawa y Miura (2011).
Para analizar los daños, se ha hecho una clasificación tipológica de los edificios (denominados tipo ECh1, ECh2, ECh3, ECh4 y ECh5) en base a la estructura principal de la edificación y su comportamiento sísmico. El mapa de vulnerabilidades probables según la escala EMS indica que las clases B (edificaciones con alta vulnerabilidad), C (edificaciones sin diseño sismorresistente y con moderada vulnerabilidad) y D (edificaciones con diseño sismorresistente con baja vulnerabilidad) (EMS) son las más abundantes en los edificios de estructura muraria y las D, C y E (edificaciones con alto nivel de diseño sismorresistente y muy poca vulnerabilidad) son las más numerosas entre las de hormigón armado.
La mayoría (87.7%) de los 2054 edificios inspeccionados no sufrieron daños por el sismo de 2010 y solo 252 tenía daños detectables. Se ha apreciado una cierta dependencia del porcentaje y nivel de daño con la época de construcción (relacionada con la normativa sismorresistente aplicada) y con la altura del edificio y la tipología estructural. La mayoría de los edificios dañados (52.2%) fueron construidos antes de 1985 (eran tan solo el 6.47% del total). Los edificios con daños de grado 3 (daño sustancial a severo) y 4 (daño muy severo), según la escala EMS, fueron el 8.7% y el 4.35% de los dañados respectivamente, siendo la mayoría de ellos de hormigón armado y de más de 10 plantas.
Para analizar el comportamiento dinámico de los edificios se hicieron medidas de ruido ambiental en 99 edificios (sin daño y dañados pero reparados) de hormigón armado, obteniendo los periodos propios longitudinal y transversal de vibración, el factor de amortiguamiento y la relación periodo-altura con tres métodos diferentes. Las relaciones lineales entre el período T y el número de plantas N calculadas para edificios sin daño y reparados con daños grados 1 (daño leve), 2 (daño moderado), 3 (daño sustancial y severo), y 4 (daño muy severo), muestran un alargamiento del periodo fundamental creciente con el grado de daño del 8, 10, 14 y 16 %, respectivamente.
El bajo porcentaje de daños está relacionado con el alto índice de rigidez H/T (calculado a partir de la altura del edificios en metros y el período de vibración) obtenido que es de unos 60 m/s (o de N/T del orden de 20 plantas/s), que se considera rigidez normal en Chile frente a índices H/T mayor o igaul a 30 m/s (o N/T aproximado a 10 plantas/s) que se dan en estructuras de hormigón armado en otros lugares del mundo.
Los edificios con daño se situan en la parte llana de la ciudad, sobre todo en los lugares donde la potencia del relleno sedimentario es mayor de 20 m, y los daños más graves (grado mayor o igual a 3 EMS) se dieron sobre todo donde la profundidad del basamento es mayor de 60 m y cercanos a la traza de la falla de Marga Marga.
La distribución espacial de los edificios dañados muestra que los daños en edificios, sobre todo los altos, están en muchos casos relacionados con la cercanía entre el periodo del suelo y el del edificio, indicando un probable efecto de resonancia.
El que no hubiese más daños estructurales en los edificios de la ciudad se debe a que estos cumplen con la normativa sismorresistente y a que en en dicha normativa y en la práctica chilena de construcción se asume que en la vida de un edificio este sufrirá al menos un terremoto de gran magnitud, ya que estos son muy frecuentes en Chile. La práctica chilena de usar tradicionalmente sistemas de cargas laterales con un gran número de muros de cizalla en vez de sistemas de pórticos puros implica que los edificios tengan una gran rigidez y características de gran sismorresistencia.
Palabras clave: Clasificación del suelo, vibración ambiental, relación Vs con Nspt, periodo predominante, amplificación local, microzonificación sísmica, comportamiento dinámico de edificios, daños sísmicos, índices de rigidez.
Referencia MIDORIKAWA, S. & MIURA, H. (2011). Strong motion record observed at Concepcion during the 2010 Chile earthquake. En: Proceedings, 8th International Conference on Urban Earthquake Engineering. Tokyo Institute of Technology Tokyo, Japan. Summary:
Historical and recent earthquakes (eg those of 1906, 1985 and 2010) indicate the repetition of a spatial pattern of the distribution of seismic damage in Viña del Mar (Chile) that mainly affects the flat area of the city . The city of Viña del Mar, located on the northern edge of the great earthquake rupture zone of February 2010, is mostly located on a plain formed by deposits of river and marine sedimentary materials with large water content, what caused that the seismic movement reached in this earthquake a maximum intensity of grade VIII (according to the European Macrosismic Scale, EMS) in a wide sector of the city and caused damages in the constructions, in particular in those that have greater height and whose structure is reinforced concrete.
The uneven distribution of seismic damage observed in the city demonstrates the differences in local seismic danger, as well as the unequal behavior of buildings in areas where seismic action was similar. This showed the interest and need to carry out a more complete study of the different aspects related to the seismic behavior of the soil and buildings as has been done in this Doctoral Thesis.
The analysis of the 122 geotechnical studies, with mechanical surveys, on-site and laboratory tests, has allowed characterizing and classifying soil types, to finally obtain different maps that provide information on the structure of the subsoil to a depth of 30 m. Relationships between the velocity of propagation of S waves in the soil (or shear velocity VS), obtained from profiles of Microtremor Seismic Refraction (ReMI) and the values of the number of strokes of standard penetration tests have been analyzed and obtained. of corrected surveys (NSPT), N1) 60. Finally, a specific empirical relationship has been obtained for the area; with it, the structure VS of each survey has been determined and later of the area, indicating that the layer of firm, dense soil (with VS greater than or equal to 360 m / s) has a depth greater than 20 m. in almost the entire Viña del Mar Plan, being more than 30 m. In a large part of the city. The average speeds of shear waves in the terrain have been calculated to different depths (10 m., 20 m., 30 m.) VS10, VS20, VS30, respectively and plotted the corresponding maps. Likewise, the areas of the plain where the land is constituted by deep deposits of dense or moderately dense sand, gravel or hard clay (Type C, EC-8) and the areas of the hills have been classified according to Eurocode EC-8 the periphery of the city with land consisting of deposits of dense sand, gravel or very hard clay (Type B, EC-8). But this characterization of the terrain has been observed to be insufficient by itself to determine the response when the thickness of sediments is greater than 30 m. To obtain information from the deeper layers to the basement, geophysical methods have been used. The dynamic behavior of the soil in 84 geographical points of the city has been analyzed based on measurements of ambient noise or microtremor. With this information the period of soil vibration has been characterized from the HVNSR method (microvibrations of environmental noise for the seismic classification of soils) and an isoperiod map has been drawn up that constitutes a seismic microzonification that has allowed the soil to be classified into function of the period and geological characteristics. The estimation of the filling thickness to the basement from the propagation velocity of the cut-off waves VS (z) obtained has allowed to estimate the morphology of the basement. Another estimate of this depth has been made from the H / V curves (quotient between the spectra of the horizontal and vertical components) observed and those simulated with a one-dimensional layer model constructed with the information of the surface structure of the terrain and that of measured periods. Both methods gave similar results with depths greater than 60-70 m. in a third of the studied area and reaching a little more than 120 m in a small area. Taking into account the determined thicknesses of the sedimentary landfill, the soils were classified as type D-1 according to the IBC code, (i.e. deep rigid holocene soil, sand or clay) in the center of the basin and types C-2 ( rigid ground of shallow depth) and C-3 (rigid ground of intermediate depth) at the edges. The spectral amplification calculated at 12 representative points, by simulation based on the models of the VS cut-off velocity and the ground density, exceeds a factor 4 in the deepest zone and is greater than 3 for the corresponding dominant period in the rest of the analyzed areas. The interval of periods in which seismic amplification occurs with the methods of the reference station (SSR) and the spectral ratio H / V (HVSR) applied to records of the main earthquake of 2010 and some replicas has been obtained. These results are congruent with those obtained in this Thesis with microtremor and also with those estimated by Midorikawa and Miura (2011). To analyze the damage, a typological classification of the buildings (called type ECh1, ECh2, ECh3, ECh4 and ECh5) has been made based on the main structure of the building and its seismic behavior. The map of probable vulnerabilities according to the EMS scale indicates that classes B (buildings with high vulnerability), C (buildings without earthquake resistant design and with moderate vulnerability) and D (buildings with earthquake resistant design with low vulnerability) (EMS) are the most abundant in the buildings with a murary structure and the D, C and E (buildings with a high level of seismic-resistant design and very low vulnerability) are the most numerous among those of reinforced concrete. The majority (87.7%) of the 2054 buildings inspected were not damaged by the 2010 earthquake and only 252 had detectable damage. A certain dependence on the percentage and level of damage has been appreciated with the construction time (related to the seismic-resistant regulations applied) and with the height of the building and the structural typology. Most of the damaged buildings (52.2%) were built before 1985 (they were only 6.47% of the total). The buildings with damages of grade 3 (substantial damage to severe) and 4 (very severe damage), according to the EMS scale, were 8.7% and 4.35% of those damaged respectively, most of them being reinforced concrete and more of 10 floors. To analyze the dynamic behavior of the buildings, environmental noise measurements were made in 99 buildings (without damage and damaged but repaired) of reinforced concrete, obtaining the own longitudinal and transverse periods of vibration, the damping factor and the period-height relationship with Three different methods. Linear relationships between period T and the number of floors N calculated for buildings without damage and repaired with damage grades 1 (slight damage), 2 (moderate damage), 3 (substantial and severe damage), and 4 (very severe damage) , show a lengthening of the increasing fundamental period with the degree of damage of 8, 10, 14 and 16%, respectively. The low percentage of damage is related to the high H / T stiffness index (calculated from the height of the buildings in meters and the period of vibration) obtained that is about 60 m / s (or N / T of the order of 20 plants / s), which is considered normal stiffness in Chile against H / T rates greater than or igaul at 30 m / s (or N / T approximately 10 plants / s) that occur in reinforced concrete structures in others places of the world.
The buildings with damage are located in the flat part of the city, especially in places where the power of the sedimentary landfill is greater than 20 m, and the most serious damage (grade greater than or equal to 3 EMS) occurred mainly where the depth of the basement is greater than 60 m and close to the trace of the Marga Marga fault.
The spatial distribution of damaged buildings shows that damage to buildings, especially high buildings, is in many cases related to the proximity between the period of the floor and that of the building, indicating a probable resonance effect. The fact that there were no more structural damages in the buildings of the city is due to the fact that they comply with the earthquake-resistant regulations and that in said regulations and in the Chilean construction practice it is assumed that in the life of a building it will suffer at least one Earthquake of great magnitude, since these are very frequent in Chile. The Chilean practice of traditionally using lateral load systems with a large number of shear walls instead of pure gantry systems implies that the buildings have great rigidity and high seismic resistance characteristics. Keywords: Soil classification, environmental vibration, Vs relationship with Nspt, predominant period, local amplification, seismic microzoning, dynamic behavior of buildings, seismic damage, stiffness indices. Reference: MIDORIKAWA, S. & MIURA, H. (2011). Strong motion record observed at Concepcion during the 2010 Chile earthquake. In: Proceedings, 8th International Conference on Urban Earthquake Engineering. Tokyo Institute of Technology Tokyo, Japan. PFCHA-Becas PFCHA-Becas