REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA (UNEFA) NÚCLEO ARAGUA – SEDE SEDE MARACAY
ESTUDIOS DE LOS EFECTOS DINAMICOS DEL SUELO EN ESTRUCTURAS.
Integrantes: Pérez Pacheco Kelvin Daniel Rengifo Arévalo Jhoana José Arias Arias Wismer Alejandro Ortiz Lanza Anaeden Delvalle Olave Seijas Alcide José
Maracay, Octubre de 2013.
ESTUDIO DE LOS EFECTOS DINAMICOS DINAMICOS DEL SUELO EN ESTRUCTURAS. Conceptos básicos:
Desde el punto de vista de la ingeniería, el material que constituye la corteza terrestre se divide en dos categorías: suelo y roca. Suelo es el agregado natural de granos minerales minerales que pueden separarse mediante medios mecánicos, mecánicos, como por ejemplo la agitación en agua. En cambio, roca es el agregado natural de minerales que están conectados por fuerzas permanentes y cohesivas de carácter fuerte y permanente. Desde el punto de vista geológico, suelo es el material producido por los efectos de la meteorización o alteración sobre las rocas de la superficie de la tierra y está dividido en estratos u horizontes. En cambio roca es el material constitutivo de la corteza terrestre, formado en general por una asociación de minerales minerales y que presenta una cierta homogeneidad estadística; en general es dura y coherente pero a veces es plástica (por ejemplo, la arcilla) o móvil (como ejemplo, la arena). En todas estas definiciones se observa que el concepto suelo describe algo que es dinámico, por lo que puede influencia enormemente un sismo, debido a las características del tipo de suelo y a sus propiedades dinámicas. Propiedades dinámicas de los suelos:
La amplificación del movimiento en el suelo está determinada por las propiedades dinámicas del suelo. Entre éstas, la rigidez del suelo y el amortiguamiento son las propiedades claves para el estudio de la respuesta de sitio. Una buena aproximación a la rigidez del suelo se obtiene a partir del módulo de corte G que se calcula por medio de la velocidad de las ondas sísmicas. La razón de amortiguamiento, muestra la capacidad que tiene el suelo para disipar la energía. Otras propiedades dinámicas son la densidad y el índice de Poisson, pero éstas tienen menor influencia.
Propiedades y módulos dinámicos:
La sacudida provocada por un terremoto es una carga cíclica rápida que provoca en el suelo un comportamiento tenso-deformacional no lineal. Las propiedades dinámicas más importantes son el módulo de corte G y la razón de amortiguamiento, que expresa la capacidad del material para disipar la energía. El comportamiento del suelo varía en función del rango de deformación de cizalla que existe en el terreno. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta este nivel de deformación para estudiar qué parámetros y modelos son los más adecuados para describir el comportamiento del suelo (fig.1.).
Figura 1. Cambios en las propiedades del suelo con la deformación de corte y modelos correspondientes. Factores que influyen en las propiedades dinámicas del suelo:
Los factores clave que influyen en las propiedades dinámicas del suelo son la tensión efectiva de confinamiento, el nivel de tensiones en el suelo, el índice de poros y la plasticidad del suelo. La tensión efectiva vertical aumenta con la profundidad y el material está más confinado. Un incremento de tensión efectiva media provoca un aumento del límite de deformación elástica. En consecuencia, los suelos bajo tensiones de
confinamiento altas se comportan como materiales más rígidos que suelos idénticos bajo tensiones de confinamiento menores. En resumen, los factores que controlan el comportamiento de los suelos frente a carga cíclica son los factores de carga: deformación de corte, tipo de carga (uniforme o irregular) y frecuencia- velocidad de carga y los factores inherentes al suelo: índice de plasticidad, índice de poros, edad geológica, grado de cementación, razón de sobreconsolidación y estado tensional inicial del suelo. Reconocimiento de los suelos:
En los siguientes apartados se analizarán las diferentes técnicas de reconocimientos de los suelos encaminadas principalmente a definir una serie de parámetros que se pueden relacionar con varias propiedades de los suelos (módulos de deformabilidad, densidad relativa, grado de consolidación, consistencia y rigidez, etc). El objetivo final es establecer la clasificación del suelo. Se ha distinguido entre métodos de laboratorio y los métodos de campo diferenciándose en estos últimos entre ensayos que suponen baja deformación y los que implican altas deformaciones. Los ensayos de baja deformación implican niveles de deformación de corte inferiores a 0.001 % y el comportamiento tensión-deformación del suelo es lineal. Por este motivo el fundamento teórico de estos métodos se basa en teorías de propagación de ondas en materiales lineales y en la medida de las velocidades de las ondas sísmicas internas (P y S) al propagarse a través de éstos. Los datos obtenidos pueden relacionarse con el módulo de corte del material a bajas deformaciones. Es más frecuente la medida de las velocidades de ondas sísmicas de cizalla (S) dado que, aunque las ondas longitudinales son más rápidas y se detectan con mayor facilidad, su velocidad depende de la temperatura y la salinidad del agua. Así, en
suelos blandos y saturados se obtienen valores muy altos y esto no es indicativo de mayor rigidez del material. Los ensayos que implican altas deformaciones se usan para medir parámetros tales como la resistencia del suelo y los resultados obtenidos se correlacionan con otras propiedades. Notándose de lo anterior que el efecto de los sismos se ve influenciado enormemente por las características locales del tipo de suelo, en la zona afectada. En los casos en los que el suelo se conforma de material granular suelto, el movimiento cíclico del sismo tiende a compactarlo y puede causar licuefacción, así como en suelos coluvionales las ondas tardan más en disiparse, por lo que presentan más intensidad que en suelos rocosos. Por otro lado, la estratigrafía del suelo tiene una influencia importante en los daños observados. La rigidez del suelo y sus características de amortiguamiento, así como la magnitud del sismo y su distancia hipocentral tienen gran influencia. Acelerógrafos de movimiento fuerte.
Para efectos de ingeniería es necesario disponer de información relacionada con el movimiento sísmico, es por esta razón que se desarrollaron los acelerógrafos de movimiento fuerte. En general el acelerógrafo consta de una serie de componentes dentro de los que se cuentan: un disparador que activa el instrumento al detectar que está ocurriendo un movimiento con aceleraciones mayores a un valor determinado, un grupo de tres péndulos que pueden moverse en dos direcciones horizontales ortogonales y una vertical, un medio de registro de las oscilaciones de los péndulos y un reloj que registra la duración de los movimientos de forma precisa, este registro obtenido por el acelerógrafo se llama acelerograma y corresponde a los
valores de aceleración horizontal del terreno, medidos en dos direcciones horizontales ortogonales y una vertical. Amenaza sísmica.
En la actualidad existen una variedad de estudios sobre los efectos que pueden tener los movimientos telúricos sobre las estructuras. Un tipo de estudio sobre
amenaza sísmica son aquellos que se realizan para las obras
de gran
envergadura ya que no se puede permitir su falla debido a un sismo, porque esto representa un gran peligro para los habitantes o usuarios de dichas obras. Estos estudios
con el fin de fijar parámetros de diseño,
los cuales
son solo
utilizables para el diseño de una obra especifica lo que significa que
estos
parámetros obtenidos no son aplicables para la construcción de otras obras. Entre este tipo de estudio se encuentran los de microzonificación, en los cuales una ciudad, o una región relativamente pequeña se estudia con respecto a la respuesta sísmica esperada en diferentes lugares, agrupando en microzonas que son aquellos sitios que tienen características similares. La metodología varía según el tipo de estudio, pero existen características comunes, y en algunos casos solo se diferencian por el alcance de los estudios que se realizan. A continuación se presentan una serie de consideraciones para recopilar información de importancia al momento de proponer la construcción de una obra. Consideraciones geológicas.
1.
Obtención de la información geológica existente sobre la región,
especialmente la neotectónica regional y movimientos recientes en la corteza debido a sismos. 2. Compilación de las fallas activas en la región. 3. Verificación de los niveles freáticos, pues la presencia del agua puede cambiar el comportamiento del suelo en presencia de un sismo.
Información sismológica.
1. Historia sísmica detallada de la región. Debe contener fecha, localización, profundidad, magnitud e intensidad de Mercalli de cada sismo registrado ilustrado por mapas regionales. 2. Estudio de los registros acelerográficos disponibles. (Sismos de diseño) 1. Según datos estadísticos y modelos probabilísticos usando información geológica y sismológica se definen curvas de recurrencia para estimar el sismo histórico de mayor magnitud en la zona y su periodo de retorno. Estudios geotécnicos.
1. Identificación y estudio de los aspectos geotécnicos y geológicos locales referentes a la posición y espesores de la estratificación dominante y la profundidad de la roca base. 2. Estudio de las propiedades de los suelos superficiales que afecten el tipo de fundaciones a emplear. Se deben detectar estratos de arenas sueltas y saturadas que puedan sufrir licuefacción, así como depósitos profundos de arcillas blandas. 3. Definición de las propiedades del suelo tales como el peso específico, contenido de humedad, resistencia cortante, comportamiento bajo cargas cíclicas, valores de la capacidad de amortiguamiento histeretico. 4. Determinación de velocidades de las ondas P y S. En nuestro país por norma COVENIN se establecen seis responsabilidades en cuanto a geotecnia se refiere. 1. Investigar la geología local atendiendo a riesgos geológicos posibles, cercanía de fallas, etc. 2. Efectuar pruebas de suelos necesarias para determinar su estado.
3. Clasificar el suelo según el capítulo 5 de la norma 1756-1:2001. 4. Acordar con los proyectistas de la estructura el tipo de fundación y establecer los parámetros de diseño y construcción de acuerdo con el capítulo 11 de la norma sísmica. 5. Tratar las situaciones especiales (topográficas, alto potencial de licuación, terrenos expansivos, etc) y recomendar las medidas necesarias adecuadas. 6. Definir los parámetros de análisis y el tratamiento de los sistemas adyacentes: taludes, muros de contención, etc. Por otra parte mediante trabajos de exploración geosísmica, aplicando técnicas directas o ensayos de baja y alta deformación como el Down Hole, el Up-Hole o el Cross Hole y el SPT respectivamente, así como ensayos de laboratorio en cámaras Triaxiales Cíclicas; se determinan las propiedades dinámicas que permitan caracterizar adecuadamente a un depósito de suelo. Para determinar el periodo dominante de vibración del terreno se realizan también mediciones indirectas con vibración ambiental. Ensayos.
Los ensayos de baja deformación más conocidos son: El Down Hole es un ensayo que mide la velocidad de propagación de ondas,
desde la superficie hasta distintas profundidades en que se instala la sonda ya que genera ondas sísmicas de cizalla S con mayor facilidad que el ensayo Up-Hole ya que se coloca el receptor en la superficie del suelo. La sonda tiene tres sensores ortogonales, X, Y, y Z, y un compás que permite su alineación desde la superficie en una dirección fija.
Mediante la diferencia en las llegadas de ondas hasta las distintas profundidades, puede calcularse el perfil de velocidades de propagación en el subsuelo. A continuación se detallan los pasos para la realización de Down Hole: 1) Extracción del revestimiento desde la profundidad a la que se instalará la sonda. 2) Placa de acero para efectuar el impacto. 3) Sonda con tres geófonos ortogonales y compás. 4) Mazo metálico con gatillo. 5) Instalación de la sonda en el interior del sondaje. Se ajusta la dirección según la ubicación de la placa. 6) Impacto del mazo contra la placa de acero. 7) Adquisición de los datos Sin embargo también se pueden describir las limitaciones del ensayo, como lo son el grado de alteración del suelo cuando se realiza el sondeo, posibles efectos de fluídos en el sondeo, excesivo o insuficiente impulso, efectos de ruido sísmico y efectos del nivel freático. La expansión geométrica y el amortiguamiento pueden influir en las longitudes de onda y por tanto las velocidades de las ondas S pueden tener una interpretación incorrecta para profundidades superiores a 30-60 m. El Cross-Hole, el cual utiliza dos o más sondeos para medir la velocidad de
las ondas sísmicas. El dispositivo consiste en dos sondeos, el primero con la fuente emisora de energía y el segundo con el receptor situados a la misma profundidad (fig. 2). De esta manera se miden la velocidad de propagación de las ondas a través del material situado entre ambos sondeos. Repitiendo el ensayo a distintas profundidades se obtiene un perfil de velocidades vs. la profundidad.
Figura 2. Ensayo sísmico Cross-Hole. (a) Medida directa usando dos sondeos (b) Configuración de tres sondeos. Las velocidades de onda se calculan a partir de la diferencia en los tiempos de llegada en el par de sondeos. Los tiempos de llegada se determinan visualmente usando puntos de fase común o por medio de técnicas de correlaciones cruzadas usadas habitualmente en exploración petrolera. El Análisis espectral de ondas superficiales que consiste en la instalación de
dos receptores verticales separados una distancia ∆d = dB – dA en la superficie del suelo y al lado de una fuente emisora de ruido, sobre una misma línea visual (fig. 3).
Figura 3. Dispositivo del análisis espectral de ondas superficiales. Los datos registrados son la diferencia de fase de las ondas RayLeigh. Estos datos se transforman al dominio de frecuencias mediante la transformada rápida de
Fourier. Tras dicha transformación, la diferencia de fase se computa para cada frecuencia. La representación de la velocidad de las ondas superficiales RayLeigh en función de la frecuencia (o de la longitud de onda) se conoce como curva de dispersión. Se ha demostrado que la forma de las curvas de dispersión en un lugar determinado está relacionada con la
variación de la velocidad de las ondas
internas con la profundidad (fig. 4).
Figura 4. Curva de dispersión experimental obtenida a partir de un análisis espectral de ondas superficiales. Este ensayo tiene una serie de ventajas sobre otros métodos de campo porque se ejecuta rápidamente y no requiere de sondeo, puede detectar niveles de baja velocidad de las ondas sísmicas y se puede utilizar para profundidades considerables (superiores a los 100 m). Además puede usarse en zonas donde la extracción de
muestras y la realización de sondeos sea difícil de realizar. Los materiales donde se suele utilizar este ensayo son las gravas y los vertederos de basuras. Como limitaciones cabe destacar que requiere de equipos especiales y observadores experimentados y su aplicabilidad se restringe a zonas donde la curva de dispersión teórica es satisfactoria. Los ensayos de alta deformación son: El ensayo de Penetración Estándar (SPT), el cual es
uno de los más
antiguos y utilizados en ingeniería geotécnica y en algunas aplicaciones para ingeniería sísmica. El dispositivo del ensayo se muestra en la figura 5 y 6, y consiste en clavar una barra que incorpora una punta afilada en un sondeo dejando caer un martillo de 63.6 Kg desde una altura de 76 cm (ver figura 7).
Figura 5. Muestra del ensayo SPT.
Figura 6. Sección del muestreador de media caña. (a) Penetrómetro estándar; (b) receptor de núcleos con resorte.
Figura 7. Ejecución del ensayo.
Se registra el número de golpes requeridos para hincar la tubería de tres intervalos de 15.0 cm (ver figuras 8). El número de golpes requeridos para los dos últimos intervalos se suman para dar el número de penetración estándar a esa profundidad.
Figura 8. Registro de perforaciones. Luego se retira la tubería y el muestreador y el suelo recuperado se coloca en envases o bolsas bien cerradas y se llevan a laboratorio como se muestra en la figura 9.
Figura 9. Recuperación de muestra.
El Cono de Penetración (CPT/CPTU) es un ensayo que consiste en la
penetración de una punta cónica en el terreno a una velocidad constante de 2 cm/s. El dispositivo incorpora, además, un manguito de fricción que está conectado a células de carga que miden la resistencia de punta o resistencia a la penetración, y la resistencia a la fricción del manguito como se muestra en las figuras 10 y 11.
Figura 10. Ejecución de ensayo.
Figura 11. Detalle del cono de penetración (CPT).
La resistencia a la penetración y a la fricción permiten obtener el ratio de fricción, el cual sirve para clasificar el suelo siendo mayor en suelos cohesivos y menor en suelos no cohesivos, logrando así discriminar entre suelos muy blandos a duros, entre arenas muy sueltas a muy densas, entre arenas y arcillas limosas, arcillas arenosas, arcillas inorgánicas insensitivas, arcillas orgánicas y turba. Además de los ensayos de campo anteriormente descritos, es posibles clasificar un suelo mediante métodos de laboratorio, como la Columna de resonancia, el cual se utiliza usualmente para determinar las propiedades del suelo a deformaciones inferiores a 10-4 % y consiste en someter muestras cilíndricas de suelo, huecas o sólidas, a una carga harmónica torsional por medio de un sistema electromagnético. Este sistema normalmente aplica una carga harmónica de la que puede controlarse la amplitud y la frecuencia (fig. 12).
Figura 12. Dispositivo tipo de un ensayo de columna de resonancia: (a) Vista superior del sistema de carga (b) Vista lateral del sistema de carga.
Tras la preparación de la muestra, se somete a una carga cíclica. Inicialmente la frecuencia de carga tiene un valor bajo y se aumenta progresivamente hasta que la
amplitud de deformación alcanza un valor máximo. La frecuencia más baja para la cual la respuesta de la muestra es máxima se conoce como frecuencia fundamental y depende de la rigidez de la muestra, de su geometría y de las características del dispositivo de la columna de resonancia. Otro ensayo es el ensayo de corte cíclico de torsión, el cual consiste en un ensayo de corte simple cíclico en el que los esfuerzos tangenciales en la probeta se imponen a través de un momento torsor (fig. 13). Se suele realizar este ensayo con probetas huecas e imponiendo presiones
de
confinamiento interiores
y
exteriores diferentes que permiten reproducir prácticamente cualquier trayectoria de tensiones en el material ensayado y determinar la influencia de la variación en la orientación de las tensiones principales en el comportamiento del material. Se utiliza para medir las características de rigidez y amortiguamiento del material en un amplio rango de deformaciones.
Figura 13. Ensayo de corte cíclico de torsión.
La muestra está rodeada por una membrana exterior e interior que aplican presiones exterior e interior independientemente. La aplicación del momento torsor induce tensiones tangenciales en los planos horizontales. Los suelos en las normas sísmicas:
Las condiciones locales influyen en el contenido frecuencial de los movimientos superficiales y por lo tanto en el espectro de respuesta que se produce, la figura 13 muestra los espectros normalizados de respuesta de aceleración para cuatro categorías de material: roca, suelos cohesivos a profundidades inferiores a 61 m, suelos no cohesivos a profundidades mayores a 76 m y finalmente, arcillas y arenas de consistencia blanda a media. Se observó que el tipo de material influye sobre la forma de los espectros de respuesta (fig. 14). Así, para períodos inferiores a 0.5 s, las mayores amplificaciones se dan en zonas caracterizadas geológicamente por suelos rígidos y en cambio la roca presenta menores amplificaciones. También se observó que para períodos superiores a 0.5 s, la amplificación aumenta a medida que decrece la rigidez del suelo. Los depósitos arcillosos blandos y los suelos no cohesivos son los que producen mayor proporción de movimiento de largo período. Este efecto puede ser muy significativo para estructuras de alto período, como por ejemplo, puentes o edificios altos, si están cimentadas en este tipo de materiales. Estos resultados mostraron que el uso de un solo espectro de respuesta estándar para todas las condiciones de sitio no era apropiado y tuvo gran influencia en el desarrollo de los códigos sismoresistentes. En general se conoce que los suelos rígidos amplifican las señales cuyas frecuencias predominantes son altas (períodos bajos) mientras que los suelos blandos lo hacen con señales de frecuencias predominantes bajas (períodos altos). Aparecen además otros fenómenos que puede alterar la respuesta de la estructura, por ejemplo la licuefacción que provoca la pérdida de capacidad portante del terreno.
El objetivo principal de una normativa sísmica es proporcionar el espectro de respuesta en aceleraciones, es decir, la máxima aceleración de respuesta. Este objetivo se acomete, en la mayoría de las normativas, mediante el cálculo de una función de amplificación genérica válida para una región sísmica, la aceleración sísmica máxima en el suelo y un coeficiente que incluye otros criterios como sismicidad, peligrosidad sísmica, importancia socioeconómica y geología, entre otros, y que es empírico generalmente.
Figura 14. Espectros normalizados de respuesta medios (5% de amortiguamiento) para diferentes condiciones locales.
Sismicidad en Venezuela.
En Venezuela, los estudios geotécnicos donde se evaluará el riesgo sísmico al
que
pueda estar
expuesta una obra
determinada, están determinados
por la zonificación sísmica. El país se encuentra dividido en ocho zonas que van desde la Zona 0, donde no se requiere las consideraciones de las acciones sísmicas, hasta la Zona 7 donde el riesgo de daños por causas de sismos es muy alto (fig.15).
Figura 15. Zonas sísmicas de Venezuela. Esto debido a que
según
la zona en que se encuentre la obra, las
aceleraciones horizontales del suelo debidas a un sismo tendrán un coeficiente máximo
según se expresa en la tabla 1:
Tabla 1.
Estos valores son representativos de probabilidades, basadas en estudios sobre periodos de retorno e intensidad de los sismos de las zonas del país. Los valores de evalúan la aceleración pico efectiva del suelo, expresada según una función de la aceleración de la gravedad. A su vez podemos encontrar valores de velocidad a las que viajan las ondas de corte, según el tipo de suelo y la profundidad a la cual se consigue material cuya velocidad de corte Vs es mayor de 500m/s (tabla 2).
Tabla 2. En casos especiales donde los perfiles
geotécnicos muestren suelos
susceptibles a licuar, o que su resistencia al corte se degrade o que experimenten cambios volumétricos importantes, deberán realizar estudios que se consideren adecuados, para determinar si se decide mejorar las propiedades del suelo por medios químicos o mecánicos.
CONCLUSION. En el presente trabajo se han revisado conceptos de relevancia en estudios de respuesta sísmica relacionados con las características de los suelos. En concreto se han revisado parámetros relacionados con la plasticidad, la compactación del material y su historia de tensiones. Se han definido las propiedades dinámicas del suelo y se han analizado los factores que pueden modificar las relaciones tensodeformacionales en el suelo. Se ha comprobado que existe una relación entre las propiedades físicas del suelo y sus propiedades dinámicas. Posteriormente se han analizado algunos de los métodos de laboratorio y campo que se utilizan para obtener parámetros encaminados a caracterizar los suelos y clasificarlos, ante lo cual podemos concluir lo siguiente: 1.
La susceptibilidad de un suelo para amplificar la señal sísmica está
determinada por sus propiedades dinámicas. En concreto, el módulo de corte y el amortiguamiento son las propiedades dinámicas clave y dependen del nivel de deformación del suelo. 2.
Las propiedades dinámicas varían en función de las características físicas
de un suelo. Es importante determinar la relación entre las propiedades dinámicas y otras características del suelo como la plasticidad, la historia de tensiones y el confinamiento. 3.
Los métodos de reconocimiento de los suelos tienen como objetivo
principal clasificar los suelos en función de una serie de parámetros, entre los que destaca, por su común utilización en las normas sísmicas, el valor N del ensayo SPT. Sin embargo, la información obtenida a partir de los métodos de reconocimiento está limitada por la profundidad del sondeo y las alteraciones introducidas en el terreno por el sistema utilizado. Esto es importante debido a que la velocidad de las ondas sísmicas de cizalla, VS, utilizada en las normas sísmicas, se obtiene a partir de correlaciones con el valor NSPT.
