INTRODUCCION Cuando ocurre un sismo, se genera ondas elásticas que viajan primordialmente por las rocas, pero al encontrarse en su camino con depósitos de suelo que sobreyacen a la roca, por tener estos suelos una rigidez contrastántemente menor, ocurre el fenó-meno de refracción. Es entonces que las ondas sísmicas tienden a propagarse casi verticalmente a través de los depósitos de suelo hasta llegar a la superficie de los mismos. El camino ascendente de las ondas elásticas en los suelos está gobernado en forma importante por la velocidad de propagación de la onda de corte (V S), y de ahí la conveniencia de conocer los perfiles de variación de la velocidad de onda de corte contra profundidad en depósitos de suelos. Un criterio empírico para determinar el compor-tamiento de suelos, parte de investigaciones realizadas por Borcherdt (1994), que proponen un método de clasificación con base en la velocidad promedio de onda de corte en los 30 m superficiales (V S30). Este criterio se ha popularizado en los últimos años y lo utilizan diferentes códigos o reglamentos en varios países, ente otros Estados Unidos, en donde se utiliza el llamado “Código Internacional para la Construcción” (IBC, 2006). ONDAS ELASTICAS Las ondas elásticas son pequeñas perturbaciones mecánicas en un medio constituido por partículas, como son los depósitos de suelos, y cuyo paso no altera prácticamente las condiciones del medio (suelo). Las ondas elásticas se dividen en dos grandes grupos, las de cuerpo, que viaje en el interior del medio elástico, y las de superficie, que se propagan a lo largo de la frontera de un medio semi-infinito, como se puede idealizar un depósito de suelos. Las ondas de cuerpo se subdividen a su vez en ondas de compresión o primarias (V P) y de corte o secundarias (VS). Las ondas VP viaja a una velocidad entre 70 y 140% mayor que las VS, para valores de la relación de Poisson (μ) de entre 0.25 y 0.4, rango frecuente en suelos y rocas. Por lo que respecta a ondas de superficie, hay varios tipos, siendo la más importante en geotecnia las ondas Rayleigh, cuya velocidad (VR) es de alrededor de 93% de las ondas de corte (VS). La velocidad de onda de compresión (VP) se determinar usualmente con la prueba de refracción sísmica y la velocidad de onda de corte (VS) con las pruebas downhole y crosshole. Para encontrar la velocidad de propagación de ondas de superficie tipo Rayleigh (VR) hay varios métodos que se presentarán enseguida.
VELOCIDAD DE ONDA DE CORTE (Vs) La determinación de la velocidad de propagación de las ondas de corte (VS) es de gran utilidad en la geotecnia, ya que con este valor se puede: 1) determinar el módulo de rigidez al esfuerzo cortante (G), 2) inferir densidad en campo, 3) estimar el estado de esfuerzos, 4) estimar la cementación natural o 5) evaluar la alteración de una muestra (Stokoe et al., 1989). La relación entre VS y el módulo de cortante (G) está dada por la siguiente ecuación: G = ρ VS 2 (1) En donde: ρ = densidad; VS = velocidad de onda de corte. Como las deformaciones causadas por las pruebas geofísicas son muy pequeñas, el módulo de cortante que se obtiene con la VS determinada con dichas pruebas viene siendo el valor máximo (GO), y sufre una degradación mayor o menor, dependiendo del suelo y de la deformación inducida. Este tipo de comportamiento de materiales se le conoce como elástico no-lineal, está asociado con suelos y rocas blandas, y se ha avanzado mucho en la comprensión de este fenómeno especialmente en los últimos años (Matthews et al., 1996), por lo que los valores de VS y GO tienen aplicaciones tanto para análisis geotécnicos tanto estáticos como dinámicos. PRUEBAS GEOFISICAS PARA DETERMINAR VELOCIDAD DE ONDA DE CORTE (V S) La determinación de la velocidad de la onda de corte (V S) tiene múltiples aplicaciones en el campo de la geotecnia, entre otras, la determinación del módulo de rigidez al cortante ante pequeñas deformaciones, la evaluación del potencial de licuación de suelos, el análisis de asentamientos e interacción suelo-estructura (Stokoe et al., 2004). Para determinar la velocidad de onda de corte en suelos (V S) lo más conveniente es recurrir a pruebas geofísicas de campo para encontrar directamente los valores mediante alguno de los métodos de geofísica sísmica. Con frecuencia, a falta de estas pruebas geofí-sicas se recurre a ecuaciones empíricas para estimar VS partiendo las resistencias a la penetración estándar (N).
Donde (N1)60 es la resistencia corregida, Nm es la resistencia de penetración medida, CN es un factor de corrección, Em es la energía del martillo y Eff es la energía teórica del martillo en caída libre. Sin embargo, es conocida la susceptibilidad de los resultados de la prueba de penetración estándar dependiendo de los equipos y metodologías con la que se realizó, por lo que los valores de VS calculados a partir de dicha prueba deben verse con mucha cautela. En ocasiones se recurre erróneamente a determinar la velocidad de onda de corte (V S) a partir de la medición de la velocidad de onda de compresión (V P). Esto no debe hacerse si no se conoce la relación de Poisson () de los diferentes estratos de suelo, ya que la onda V P viaja a una velocidad que fluctúa a entre 70 y 140% mayor que las V S, para valores de de entre 0.25 y 0.4, rango frecuente en suelos y rocas. Además, en caso de haber nivel freático, no es posible detectar estratos de suelo sumergido cuya V P sea menor a 1,480 m/s, que es la velocidad de onda a la compresión en el agua. Así los materiales más blandos tienen velocidades de propagación de la onda menores (y viceversa). La relación que existe entre los parámetros de deformabilidad, el índice de Poisson y la velocidad de las ondas P y S son los siguientes:
La VS se ha determinado en campo por muchos años con las pruebas downhole y crosshole. Sin embargo, en los últimos veinte años se ha ido popularizando otra alternativa para determinar VS, que consiste en medir la velocidad de propagación de ondas de superficie tipo Rayleigh (VR), que para fines prácticos es igual (alrededor de 93%) a la velocidad de onda de corte. CLASIFICACION La NCSE-02 La norma de construcción sismoresistente española, NCSE-02 [41], clasifica los suelos en función del parámetro velocidad de propagación de las ondas transversales de cizalla u ondas secundarias (S). Distingue los tipos de terreno asignando un valor C de coeficiente del terreno (tabla 2.7). Se observa que el coeficiente del terreno aumenta para aquellos suelos más sueltos y menos cohesivos o más blandos. Para obtener el coeficiente C de cálculo se determinan los espesores e1, e2, e3 y e4 de los suelos tipo I, II, III y IV, respectivamente, existentes en los treinta primeros metros existentes bajo la superficie. Se adopta como valor de
C el valor medio obtenido al ponderar los coeficientes Ci de cada estrato con su espesor ei en metros mediante la siguiente ecuación:
Además se establece un espectro normalizado de respuesta elástica en la superfície libre del terreno, para aceleraciones horizontales, correspondiente a un oscilador lineal simple con un amortiguamiento de referencia del 5% respecto al crítico, definido por los siguientes valores:
Donde α(T) es el valor del espectro normalizado de respuesta elástica, T es el período propio del oscilador en segundos, k es el coeficiente de contribución, utilizado para describir la influencia que tiene sobre el terremoto de diseño el hecho de que los terremotos se originen en zonas con diferentes características sismológicas, C es el coeficiente del terreno de la tabla 2.7 y TA y TB son los períodos característicos del espectro de respuesta de valores:
Las limitaciones de la normativa son que el coeficiente del terreno no contempla fenómenos como la rotura del terreno bajo la estructura, el hundimiento de cavidades subterráneas, movimientos de ladera y licuefacción, que son los que causan mayor daño estructural. Además la descripción del suelo es muy dispersa y aplica a amplias tipologías. El Eurocódigo 8 Para el diseño de estructuras sismoresistentes en la Unión Europea, la geología del subsuelo se clasifica en función de la velocidad de las ondas sísmicas S en los 30 primeros metros de la columna litológica, el valor NSPT y la resistencia al corte sin drenaje CU. La velocidad de las ondas sísmicas en los treinta primeros metros, Vs,30, se define como:
Donde hi y Vi son la potencia y velocidad en cada uno de los niveles i, respectivamente. N es el número de estratos considerados en los treinta primeros metros. La clasificación de las condiciones del subsuelo se agrupa en:
Se indica además que para aquellos lugares caracterizados por las clases de subsuelo S1 y S2 son necesarios estudios especiales para la definición de la actividad sísmica y en el caso del tipo S2 se debe considerar la posible rotura en el suelo.
Las recomendaciones en Estados Unidos de América El diseño sismoresistente en Estados Unidos está basado en las recomendaciones de NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) [45] que establece los procedimientos recomendados para determinar los espectros de diseño basándose en mapas de peligro sísmico de aceleración espectral y en coeficientes de sitio determinados por las condiciones geológicas locales. La clasificación del material está basada en las condiciones geológicas locales por medio de: 1. La descripción física de los materiales subsuperficiales. 2. Estimaciones de la velocidad de las ondas sísmicas de cizalla medias obtenidas a partir de correlaciones con ensayos de penetración SPT y teniendo en cuenta el valor de CU. 3. Medidas directas de la velocidad sísmica de las ondas S en los treinta primeros metros. Esta profundidad de interés corresponde a aquélla en que las resonancias con el depósito de suelo son mayores que 0.1 s.
