Análisis del comportamiento dinámico del suelo y de los edificios para la estimación del daño sísmico potencial (aplicación a Viña del Mar, Chile)

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.