UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
TÍTULO DE LA TESIS: “Influencia de las propiedades dinámicas del suelo en la respuesta sísmica del terreno en la calle Puente Grau y zonas Aledañas del centro Histórico de Arequipa”
ÁREA: ÁREA : ESTRUCTURAS
POSTULANTE: Bach. Ing. Jonathan David Mendoza Chávez ASESOR DE TESIS: ING. FIDEL COPA PINEDA
PLAN DE TESIS 1. Título “Influencia de las propiedades dinámicas del suelo en la respuesta sísmica del terreno en la calle Puente Grau y zonas Aledañas del centro Histórico de Arequipa” 2. Palabras claves Respuesta sísmica, amplificación, acelerograma, espectro, efecto de sitio. 3. Líneas de investigación Peligro sísmico, Estructuras. 4. Resumen La distribución de los daños producidos en el centro Histórico de Arequipa por los terremotos de 1979 y 2001 estuvo fuertemente ligada a la zonificación de suelos del distrito de Cercado. Es de interés general contar con parámetros de diseño sismorresistente realistas, por citar un ejemplo, el Instituto Geofísico del Perú en 2014 revisó la metodología probabilista con el fin de considerar la influencia de fuentes sismogénicas y leyes de atenuación propias de cada región en la determinación de mapas de isoaceleraciones y espectros de peligro uniforme. El presente proyecto de tesis pretende establecer relaciones entre la rigidez de los estratos del suelo y la amplificación sísmica del terreno en el Centro Histórico de Arequipa, tomando como referencia la metodología de las funciones de transferencia. El presente estudio propone caracterizar indirectamente los estratos del suelo de la estación acelerográfica MOQ001, que registró el sismo del 2001, por medio del método geofísico Arreglo de microtremores, para después, por deconvolución, obtener acelerogramas, como si hubieran sido registrados en roca de este y otros eventos sísmicos. El estudio también propone generar acelerogramas sintéticos para el Centro Histórico mediante el ajuste espectral de los acelerogramas en roca de la estación MOQ001 a espectros de peligro uniforme obtenidos de un estudio de Peligro sísmico. Mediante la presente investigación se desarrollarán espectros de diseño conforme a la realidad del Centro Histórico de Arequipa, que tomen en cuenta la historia sísmica de la región y los niveles de amplificación del terreno,
permitiendo formular reforzamientos que no alteren las características arquitectónicas de sus casonas y monumentos. La información técnica generada por esta investigación se encontrará disponible en la Subgerencia de gestión de riesgo de desastres de la Municipalidad Provincial de Arequipa, esperando que en el futuro pueda formar parte de la microzonificación sísmica del Cercado y permita un crecimiento urbano que armonice el desarrollo y la cultura. 5. Antecedentes y estado del arte Desde la antigüedad y hasta nuestros días, se han hecho esfuerzos por entender la acción destructiva de los terremotos, así se plantearon los primeros códigos de diseños sismorresistente pero no fue hasta 1824 en que MacMurdo luego del terremoto de Cutch en India notó que las construcciones situadas en roca no resultaban tan afectadas como aquellas cuya cimentación no alcanzaba una base rocosa. Se avanzó mucho en la estimación del movimiento producido por un sismo, incluso se desarrollaron expresiones matemáticas para relacionar la magnitud de un terremoto con la distancia al epicentro, así en 1976, McGuire define la curva de peligro sísmico para relacionar la aceleración esperada en un lugar y su probabilidad anual de excedencia. Se propusieron leyes de atenuación en base a regresiones, así Youngs, en 1997 emplea registros de Alaska, Chile, Cascadia, Japón, México, Perú y las Islas Salmón para roca, suelo profundo y suelo poco profundo. En el Perú, Chávez, en 2006 elabora su ley de atenuación utilizando registros de la Red Acelerográfica del CISMID, con acelerógrafos elegidos tomando en cuenta la rigidez del terreno, similares a las de la grava aluvial de Lima. Debido a la heterogeneidad de los suelos presentes en cada región es usual utilizar leyes de atenuación para diferentes tipos de suelo en estudios de Peligro sísmico, es habitual encontrar inconsistencias en reproducir la disminución de la respuesta del suelo a medida que uno se aleja del epicentro, al no trabajar con una sola ley de atenuación. Para el año 1972 Schnabel ya había comparado exitosamente datos registrados por estaciones acelerográficas con resultados de simulaciones dinámicas de depósitos de suelo, pero aún no se habían desarrollado métodos prácticos para para los análisis de propagación de ondas ni se contaba con suficientes estaciones de registro instaladas en el mundo.
A partir de 1989 varios investigadores japoneses retoman el método SPAC introducido por Aki en 1957 para determinar el perfil de velocidades para los estratos que conforman el terreno, tomando registros de microtremores de un arreglo instrumental (Arreglo de microtremores), usualmente necesario para una simulación dinámica de suelos. Aún se suelen correr análisis de peligro sísmico extrapolando las leyes de atenuación en roca hacia suelos, basados en un criterio de daño, de manera arbritaria, para salvar las inconsistencias de las leyes de atenuación desarrolladas para suelo profundo y poco profundo. En el Perú Castillo y Alva en 1993, obtienen mapas de isoaceleraciones para un 10% de probabilidad de excedencia y una vida útil de 50 y 100 años, en el mismo camino hacia el 2004, Monroy y Bolaños desarrollan espectros de peligro sísmico uniforme para Lima, Arequipa e Iquitos. Recientemente en 2014 el Instituto Geofísico del Perú hace una publicación revisando la metodología probabilista con el fin de considerar la influencia de fuentes sismogénicas y leyes de atenuación propias de cada región. En Arequipa se han estudiado los daños producidos por los terremotos de 1979 y 2001, así Orihuela concluye que la distribución de los daños en 1979 en el centro Histórico de Arequipa estuvo fuertemente ligada al mapa de suelos del distrito de Cercado, Aguilar compara la delimitación sísmica elaborada en base a registro de períodos de vibración natural, con el mapa de daños de Orihuela y encuentra que los suelos más rígidos experimentaron menos daño que aquellos menos rígidos. Recientemente en 2016 Quispe y Lazares estudian la amplificación espectral de los suelos de la estación sísmica AQP003 para estimar las condiciones locales de sitio en el distrito de Cercado y sugieren que la amplificación espectral ocurre a bajas frecuencias. Alternadamente Cabrejos en 2013 aplica la técnica de cocientes espectrales H/V para obtener funciones de transferencia y distingue niveles de amplificación sísmica en 4 estaciones acelerográficas de Lima y Loayza en 2015 entregando curvas de isoaceleraciones máximas esperadas para Arequipa. Dejando para el final el trabajo de Suarez y Montejo de 2003, en el que los autores exponen una de las metodologías más comunes para la generación de acelerogramas sintéticos por medio de la técnica del ajuste espectral. El presente trabajo haciendo uso de las técnicas hoy disponibles (método SPAC en arreglo de microtremores para determinar el perfil de velocidades, análisis de peligro sísmico en base a leyes de atenuación ajustadas a registros peruanos en roca y aplicación de funciones de transferencia validadas por cocientes
espectrales H/V para simular la respuesta dinámica de los depósitos de suelo en el centro histórico de Arequipa a partir de acelerogramas generados sintéticamente) pretende dar respuesta a una de las mayores interrogantes de cualquier Ingeniero estructural acerca del movimiento de entrada para sus diseños o reforzamientos y en particular a la necesidad de contar con reforzamientos realistas para los edificios históricos dentro del Cercado de Arequipa. 6. Justificación - La ciudad de Arequipa, se ubica en una zona sismogénica y como parte de
las acciones preventivas ante la ocurrencia de sismos, se debería contar con estudios destinados a conocer la respuesta dinámica de los suelos ante los mismos. - El presente proyecto de investigación se realiza porque actualmente no se
manejan factores de amplificación sísmica del suelo reales para el centro Histórico de Arequipa. - Los resultados de la presente investigación ayudarán a plantear alternativas
de reforzamiento estructural que conserven mejor las características arquitectónicas de los monumentos y casonas del Centro Histórico. - Asimismo contribuirá a
validar la metodología propuesta por la Norma
Técnica E.030 para determinar los parámetros de sitio para diseño sismorresistente. - Permitirá corroborar los períodos de vibración natural del terreno encontrados
por Aguilar en 1990. - Complementará los estudios de peligro sísmico iniciados por Loayza en 2015,
en la zona próxima al Puente Grau del centro Histórico de Arequipa. - Otorgará evidencia para entender el hecho de que la amplificación espectral
estudiada por el CISMID en 2016, para la estación AQP003, ocurriera a bajas frecuencias de vibración. 7. Problema Identificado El centro histórico de Arequipa conserva casonas y monumentos, muchos de los cuales han reducido su valor cultural y ello se debe principalmente a que no conservan sus características arquitectónicas originales tras reforzamientos estructurales poco realistas. En general los criterios de diseño estructural se suelen tomar de códigos de diseño disponibles, como la Norma E.030, IBC, etc.,
aunque aquellos no hayan sido desarrollados para la realidad de la región Arequipa y mucho menos para las condiciones de su centro Histórico. Tras el terremoto de 1979, se pudo evidenciar que incluso dentro del Cercado de Arequipa el nivel de daño ocasionado en edificaciones con las mismas características estaba relacionado con el tipo de suelo en donde se habían construido. Dado que Arequipa se encuentra en constante crecimiento económico y que su centro Histórico concentra aún más dichas actividades, es necesario buscar un equilibrio entre construcciones modernas y patrimonio histórico y aún más, por ubicarse en una zona altamente sísmica es importante contar con criterios de diseño sismorresistente específicos que consideren los tipos de suelos presentes en cada zona. Un espectro de respuesta es una herramienta de diseño estructural que considera los efectos que produce un movimiento sísmico sobre un amplio rango de estructuras, desde las más bajas hasta las más altas. Arequipa cuenta con 3 estaciones acelerográficas, que permiten construir espectros de respuesta por cada sismo registrado, a pesar de ello aún no se cuenta con información suficiente para representar movimientos de gran magnitud. Así la presente investigación permitirá elaborar espectros de respuesta específicamente para el centro Histórico, en particular para los alrededores de la calle Puente Grau, representativos de sismos de gran magnitud y además sugerirá una metodología para desarrollar espectros de respuesta adicionales para otras zonas dentro del Cercado que consideren el tipo de suelo presente en cada zona. 8. Hipótesis/supuestos -
Es posible correlacionar las propiedades dinámicas de los suelos en las proximidades de la calle Puente Grau, mediante una comparación entre las funciones de transferencia y los cocientes espectrales H/V (Lermo, 1993) sobre aclerogramas registrados en la estación a AQP003.
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Para sismos de gran magnitud, los niveles de amplificación sísmica resultan menores que aquellos calculados para sismos de mediana intensidad, debido a que los estratos sedimentarios degradan su rigidez e incrementan su amortiguamiento.
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Es posible estimar empíricamente el efecto de sitio por medio de la técnica de las funciones de transferencia.
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9. Objetivo General Correlacionar las propiedades dinámicas de los suelos con la amplificación sísmica espectral del terreno obtenida por análisis de respuesta dinámica de acelerogramas generados sintéticamente para roca del centro Histórico de Arequipa (alrededores de la calle Puente Grau). 10. Objetivos específicos -
Simular la respuesta dinámica de los depósitos de suelo en el centro Histórico de Arequipa, con el perfil de velocidades de onda de corte considerando como movimientos de entrada acelerogramas generados sintéticamente en roca.
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Validar las funciones de transferencia calculadas aplicando el método de cocientes espectrales H/V (Lermo, 1993) a los acelerogramas registrados por la estación AQP003.
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Generar acelerogramas sintéticos y espectros de respuesta simulados para sismos de gran magnitud, representativos de los alrededores de la calle Puente Grau.
11. Metodología de Investigación Inicialmente se recopilarán los acelerogramas registrados en las estaciones AQP003 y MOQ001, incluyendo el sismo del 2001. Posteriormente se determinará el perfil de velocidades de ondas S para el terreno en las estaciones AQP003, MOQ001 y otro que sea representativo de los alrededores de la calle Puente Grau, por medio de exploración geofísica (arreglo de microtremores, según la metodología SPAC). Luego se obtendrá el acelerograma a la profundidad de la roca, para la estación MOQ001, por medio de la técnica de deconvolución para el sismo del 2001 registrado en superficie. Se determinará el periodo de retorno asociado al espectro de respuesta del sismo del 2001 registrado en la estación MOQ001, comparándolo con diferentes espectros de peligro sísmico uniforme. Se determinará el espectro de peligro uniforme para la ubicación de la estación AQP003, con el periodo de retorno del sismo del 2001. Luego se generarán acelerogramas sintéticos representativos del sismo del 2001, compatibles con el periodo de retorno esperado para la estación AQP003. Se desarrollará el análisis de respuesta dinámica del terreno para la ubicación de la estación AQP003 y se estimará empírica el efecto de sitio y se validará su
función de amplificación por medio de la técnica de las funciones de transferencia. Se estimará el efecto de sitio a partir de los cocientes espectrales H/V para los acelerogramas de la estación AQP003. Se desarrollará el análisis de respuesta dinámica del terreno para los alrededores de la calle Puente Grau. Finalmente se generarán acelerogramas sintéticos y espectros de respuesta simulados representativos de sismos de gran magnitud para diferentes niveles de peligro sísmico, para el Centro histórico de Arequipa (alrededores de la Calle Puente Grau) 12. Resultados esperados -
Presentación de un artículo de investigación para su evaluación y, de aprobarse la participación como ponente en el Congreso Nacional de Ingeniería Civil CONIC 2018.
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Sustentación de la tesis en la Facultad de Ingeniería Civil de la UNSA y presentación de las tesis para su consulta en las bibliotecas de la UNSA y publicación en el repositorio oficial de la UNSA.
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Obtención del título profesional de Ingeniero Civil.
13. Impacto de los resultados El Centro Histórico representa un núcleo urbano, en donde se desarrollan muchas actividades económicas de la población, que demandan condiciones mínimas de seguridad y ciertos casos han obligado a sus usuarios a reforzar estructuralmente dichas construcciones rompiendo la armonía y modificando sus características arquitectónicas. Con los criterios de diseño estructural, que se obtengan como resultado de la presente investigación, se podrán plantear alternativas de reforzamiento estructural más eficientes que aquellas que actualmente exige la normativa vigente (Reglamento Nacional de Edificaciones) permitiendo conservar su valor cultural. Así mismo suministrará información técnica a la Subgerencia de gestión de riesgo de desastres de la Municipalidad Provincial de Arequipa, acerca de la vulnerabilidad sísmica del Centro Histórico.
Se contará con el perfil de velocidades de ondas S para el terreno en la calle Puente Grau y zonas aledañas del Centro histórico de Arequipa. Se alimentará la base de datos de factores de amplificación para en el futuro validar la metodología propuesta por la Norma Técnica E.030 para determinar los parámetros de sitio en la ciudad de Arequipa.
14.-Cronog rama de tr abajo. ACTIVIDAD
Recopilación de acelerogramas registrados en las estaciones AQP003 y MOQ001, incluyendo el sismo del 2001. Determinación de el perfil de velocidades de ondas S para el terreno en las estaciones AQP003 y MOQ001 y otro que sea representativo de los alrededores de la calle Puente Grau, por medio de exploración geofísica (arreglo de microtremores, según la metodología SP AC). Obtención del acelerograma a la p rofundidad de la roca, para la estación MOQ001 ubicada en Moquegua, por medio de la técnica de de convolución para el sismo del 2001 registrado en superficie. Determinación del periodo de retorno asociado al espectro de respuesta del sismo del 2001 registrado en la estación MOQ001, comparándolo con diferentes espectros de peligro sísmico uniforme. Determinación del espectro de peligro uniforme asociado al sismo del 2001 para la ubicación de la estación AQP003.
Generación de acelerogramas sintéticos representativos del sismo del 2001, compatibles con el periodo de retorno esperado para la estación AQP003. Desarrollo del análisis de respuesta dinámica del terreno para la ubicación de la estación AQP003 y estimació n empírica el efecto de sitio y su función de amplificación por medio de la técnica de las funciones de transferencia. Estimación del efecto de sitio a partir de los cocientes espectrales H/V para los acelerogramas de la estación AQP003.
Desarrollo del análisis de respuesta dinámica del terreno para los alrededores de la calle Puente Grau. Generación de acelerogramas sintéticos y espectros de respuesta simulados representativos de si smos de gran magnitud para diferentes niveles de peligro sísmico, para el C entro histórico de Arequipa (alrededores de la C alle Puente Grau)
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30-dic
30-ene
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15.- CONTENIDO ANALÍTICO CAPÍTULO I: GENERALIDADES 1.1 Antecedentes 1.2 Objetivos 1.3 Alcance 1.4 Contenido del estudio CAPÍTULO II: EL FENÓMENO SÍSMICO 2.1 Introducción 2.2 Movimiento fuerte del suelo 2.3 Tectónica global y generación de sismos 2.4 Caracterización de los sismos 2.4.1 Hipocentro y epicentro 2.4.2 Tipos de sismos por ubicación 2.4.3 Parámetros de tamaño 2.5 Propagación sísmica 2.5.1 Ondas sísmicas de cuerpo 2.5.2 Ondas sísmicas de superficie 2.5.3 campos cercano, intermedio y lejano CAPÍTULO III: ESTACIONES ACELEROGRÁFICAS EN AREQUIPA 3.1 Introducción 3.2 Descripción de Arequipa 3.2.1 Reseña histórica 3.2.2 Geografía 3.2.3 Geología y geomorfología regional 3.2.4 Geotecnia 3.3 Emplazamiento tectónico regional 3.4 Historia sísmica de Arequipa 3.5 Instrumentación sísmica CAPÍTULO IV: EL EFECTO DE SITIO 4.1 Introducción 4.2 Efecto local de sitio 4.3 Métodos de estimación
4.3.1 Técnica de las funciones de transferencia 4.4 Evidencia de efectos de sitio en Arequipa CAPÍTULO V: ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES 5.1 Acelerogramas 5.1.1 Lectura y procesamiento de acelerogramas 5.1.2 Corrección por línea base y filtrado 5.1.3 Análisis del contenido de frecuencia 5.2 Relación de registros sísmicos utilizados 5.3 Análisis de respuesta dinámica del terreno 5.4 Obtención de cocientes espectrales H/V 5.5 Análisis y discusión de resultados 5.5.1 Espectros de amplitudes de Fourier 5.5.2 Espectros de respuesta de aceleración 5.5.3 Cocientes espectral H/V 5.5.4 Funciones de transferencia Conclusiones y Recomendaciones Bibliografía Anexos
16.- Bibliografía.Abrahamson, N.A (1992) Non-Stationary Spectral Matching. Seismological research letters 63(1), 30-30. Aguilar, Z. (1991). Microzonificación sísmica de la ciudad de Arequipa, Tesis de licenciatura, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, CISMID- Laboratorio de Geotecnia, Lima, Perú. Aguilar, Z., Quiñonez (2001) A., Synthetic Strong Ground Motion Accelerograms for the 03/10/74. Lima Earthquake. Japan Peru EQTAB Workshop, Lima, Perú, Apostolidis, P., Raptakis, D., Roumelioti, Z., & Pitilakis, K. (2004). Determination of S-wave velocity structure using microtremors and SPAC method applied in Thessaloniki (Greece). Soil dynamics and earthquake engineering, 24(1), 49-67. Bolaños L. y M. Monroy (2004): Espectros de Peligro Sísmico Uniforme – programa MRiesgo, Tesis para optar el grado de Magister en Ingeniería Civil, PUCP, Lima, Perú. Cabrejos, H. (2013). Amplificación Sísmica en la Ciudad de Lima aplicando la técnica de Cocientes Espectrales, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú. Cano L., Molina G., Mejía N., Henao D. y Orrego J., (2013) .Determinación de los espectros de respuesta sísmica para los suelos de la ciudad de Pereira utilizando análisis unidimensionales, III Seminario Internacional de Ingeniería Sísmica y Geotecnia, Universidad Libre, Colombia. Chávez-García, F. y Montalva, G. (2014). Efectos de sitio para Ingenieros Geotécnicos, estudio del valle Parkway. Obras y Proyectos 16, 6-30. Field E.H. and Jacob K.; 1995: A comparison and test of various siteresponse estimation techniques, including three that are not reference-site dependent, Bull. Seism. Soc. Am., 85, 1127-1143. Hashash, Y.M.A, Groholski, D.R., Phillips, C. A., Park, D, Musgrove, M. (2012) “DEEPSOIL 5.1, User Manual and Tutorial.” 107 p. Lermo, J. and Chávez-García, F. J. (1993). Site effect evaluation using spectral ratios with only one station. Bulletin of the Seismological Society of America, 83, 1574-1594. Loayza, N. (2015). Peligro sísmico en la Región Arequipa, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de San Agustín, Arequipa, Perú. McGuire, R. K. (1995). "Probabilistic Seismic Hazard Analysis and Design Earthquakes: Closing the Loop." Bulletin of the Seismological Society of America, 85(5), 1275-1284. Nakamura, Y., (1989) A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremors on the ground surface, Quaterly Report of Railway Technical Research Institute, 30(1):25-33. Olarte, J. Y López, D. (2000): Sismicidad y peligrosidad sísmica en la región sur- occidental del Perú. Programa Científico PC - CISMID, 1999-2000. Universidad Nacional de Ingeniería.
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