Período Fund del Suelo -...

U N I V E R S I D A D D E L B I O - B I O FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

Profesor Patrocinante: Oscar Gutiérrez Astete Profesores Comisión: Gilda Espinoza Valenzuela Franco Benedetti Leonelli

“DETERMINACIÓN DEL PERÍODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN DEL SUELO

APLICANDO EL CRITERIO SESAME”

Proyecto de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Título de Ingeniero Civil

JUAN CARLOS SALDIVIA PANTANALLI

Concepción, Enero 2014

Universidad del Bío-Bío. Red de Bibliotecas - Chile

ii

Dedicatoria

Dedicado a mi madre Derlinda Pantanalli, a mi padre Juan Carlos Saldivia, a mi hermana

Nancy Saldivia y a Andrea y su Familia.


iii

NOMENCLATURA

NCh 433 of. 96 mod. 2009: Norma Chilena 433 oficializada en 1996 y modificada en 2009.

DS N° 117: Decreto Supremo N°117 (Febrero de 2011).

DS N° 61: Decreto Supremo N°61 (Diciembre 2011).

SESAME: Evaluación de efectos de sitio utilizando excitaciones ambientales (Site Effects

assessment using Ambient Excitations).

HVSR: Razón espectral Horizontal Vertical (Horizontal Vertical Spectral Ratio).

VS: Velocidad de propagación de ondas de corte.

VP: Velocidad de propagación de ondas de compresión.

VS30: Velocidad de onda de corte equivalente de los 30 m superiores del terreno.

MASW: Análisis multicanal de ondas superficiales (Multichannel Analysis of Surface Waves).

ReMi: Refracción de ruido ambiental (Refraction Microtremor).

lw: Longitud de un tramo de la señal total, llamada ventana, medida en segundos.

tsta: Amplitud de la señal en un período corto de tiempo, con valores entre 0.5 a 2.0 segundos.

tlta: Amplitud de la señal en un período de tiempo mayor, con valores entre 20 a 60 segundos.

Smáx: valor umbral que evita ventanas de tiempo con amplitudes transitorias energéticas.

Smín: valor umbral que evita ventanas de tiempo con amplitudes anormalmente bajas.

FFT: Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform).


iv

ÍNDICE DE CONTENIDOS

RESUMEN ...................................................................................................................................... 1

ABSTRACT .................................................................................................................................... 2

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 3

Objetivo General .......................................................................................................................... 4

Objetivos Específicos .................................................................................................................. 4

Justificación ................................................................................................................................. 5

Metodología de Trabajo ............................................................................................................... 5

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 6

Ondas Sísmicas ............................................................................................................................ 6

Microtremores .............................................................................................................................. 6

Métodos de Medición de Ondas Superficiales ............................................................................ 7

Método de Nakamura o Razón Espectral H/V ......................................................................... 8

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE DATOS ........................................................................... 10

Equipo Utilizado ........................................................................................................................ 10

Criterio SESAME ...................................................................................................................... 11

Ubicación de Mediciones y Condiciones en Terreno ................................................................ 12

Procesamiento de datos en GEOPSY ........................................................................................ 15

Procesamiento de datos en Código MATLAB .......................................................................... 16

RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................................................... 18

Comprobación Criterio SESAME ............................................................................................. 22

Comparación de Resultados con otros Autores ......................................................................... 23

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 27

Conclusiones .............................................................................................................................. 27

Recomendaciones ...................................................................................................................... 28

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ........................................................................................... 29

Bibliografía ................................................................................................................................ 29

Referencias ................................................................................................................................. 30


1

DETERMINACIÓN DEL PERÍODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN D EL SUELO

APLICANDO EL CRITERIO SESAME

Autor: Juan Carlos Saldivia Pantanalli

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Bío-Bío

Correo Electrónico: [email protected]

Profesor Patrocinante: Oscar Gutiérrez Astete

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Bío-Bío

Correo Electrónico: [email protected]

RESUMEN

El terremoto en Chile del año 2010 provocó un cambio en la normativa sísmica. Consecuencia de

esto, el DS N° 61 introdujo una nueva clasificación del suelo basado en el estudio de la VS30.

También describe otros parámetros, dentro de los cuales se encuentra el período fundamental de

vibración del suelo, el cual es abordado en este trabajo, pero que aún no se utiliza

normativamente.

Por lo anterior, en esta investigación se determina el período fundamental del suelo a través de

microtremores o vibraciones ambientales y aplicando el criterio SESAME, el cual da

recomendaciones importantes en todas las fases de este estudio, para obtener resultados

representativos y confiables. Siendo un método económico y relativamente fácil de aplicar.

Los datos son procesados en el software GEOPSY y también en un código creado en MATLAB.

Los resultados obtenidos en estas dos herramientas son comparados entre sí y verificados con el

criterio SESAME, además son contrastados con estudios de otros autores, encontrando grandes

similitudes y validando esta investigación.

El criterio SESAME para una curva confiable y un peak claro, no siempre se cumplió

completamente, pero esto no significó que los resultados fueran incorrectos. Esto indica que las

mediciones de microtremores deben realizarse en horarios con menor ruido ambiental,

preferentemente de noche, con el fin de obtener menos variabilidad en la señal captada.

Palabras Claves: Microtremores, Método de Nakamura, Criterio SESAME.

Número de Palabras: 5061 + 9*250 + 5*500 = 9811


2

ABSTRACT

The Chilean earthquake of 2010 caused a change in the seismic regulation. As a consequence, SD

No. 61 introduced a new classification of soil based on the study of VS30. It also describes other

parameters, where it can be found the fundamental period of vibration of the soil, which is

addressed in this work, but that is not used normatively yet.

Therefore, in this research the fundamental period of the soil is determined by environmental

vibrations or microtremors and applying the SESAME criteria, which gives important

recommendations in all phases of this study to obtain representative and reliable results. Being a

cheap and relatively easy-to-apply method.

The data are processed in GEOPSY software and also in a created code in MATLAB. The results

obtained in these two tools are compared to each other, verified with the SESAME criteria and

compared with studies of other authors, finding great similarities and validating this research.

The SESAME criteria for a reliable curve and a clear peak, not always was completely fulfilled,

but this did not mean that the results were incorrect. This indicates that the microtremors

measurements must be performed on a setting when there is low environmental noise, preferably

at night, in order to obtain less variability in the sensed signal.

Keywords: Microtremors, Nakamura Method, SESAME Criteria.


3

INTRODUCCIÓN

En Chile se espera un cambio en la normativa sísmica, siguiendo los pasos que ha tomado la

normativa internacional. Este cambio se debe a que se necesita un mayor conocimiento de la

respuesta dinámica del suelo ante un sismo, la cual no se define en su totalidad con la Velocidad

de Onda de Corte equivalente de los 30m superiores del terreno, que actualmente, es uno de los

parámetros principales del Decreto Supremo N° 61.

Por lo anterior, se investigará y medirá el Período Fundamental de Vibración del Suelo, a través

de vibraciones ambientales o microtremores. El Período Fundamental, junto con antecedentes

geológicos, como la profundidad del basamento rocoso, da información adicional al estudio del

suelo, logrando complementar los resultados de la Vs30, a través de la ecuación del modelo

unidimensional de propagación de ondas: � = �∗�� . Además de entregar datos sobre la

Amplificación Sísmica y la Resonancia entre suelo-estructura, que pueden generar mayores

daños en edificaciones.

Los estudios sobre microtremores hechos por Nogoshi e Igarashi (1970; 1971), propusieron el

cálculo de la razón espectral horizontal sobre la vertical (HVSR), consiguiendo eliminar el efecto

de la fuente y mejorando los resultados de amplificación sísmica hechos por otros autores.

Nakamura (1989, 1996, 2000) popularizó ampliamente este concepto, en el estudio de

microzonificación sísmica en grandes ciudades.

Diferentes estudios han demostrado una correlación entre el peak observado en los resultados de

HVSR y la frecuencia fundamental del suelo (Lermo y Chávez-García, 1993; 1994; Lachet et al.,

1996; Konno y Ohmachi, 1998; Bonnefoy-Claudet et al., 2006a; 2006b; 2008b), sin embargo, sus

amplitudes no han sido capaces de relacionarse con las amplificaciones de sitio (Chávez-García

et al, 2007; Bonnefoy-Claudet et al., 2008a). Por otro lado, Leyton y Ruiz (2011) han mostrado

un comportamiento similar del suelo usando acelerogramas de movimientos fuertes y

mircrotremores, permitiendo el uso de este último para estimar la respuesta sísmica de sitio

durante un terremoto de gran magnitud (Leyton et al., 2011).

Para obtener valores de período fundamental confiables, se utilizará el criterio SESAME (Site

Effects assessment using Ambient Excitations), investigación de tres años realizada por expertos


4

Europeos. El cual, brinda recomendaciones en terreno, análisis y verificación posterior de datos y

resultados.

Las mediciones en terreno se harán a través de un sismómetro triaxial, el cual capta y graba

vibraciones ambientales en la superficie del terreno en dirección Norte-Sur, Este-Oeste y en

sentido vertical. Siendo un método de medición no intrusivo y de bajo costo. La metodología de

obtención de datos en terreno será según las recomendaciones dadas por el criterio SESAME.

El procesamiento de los datos obtenidos en terreno se hará utilizando el software libre GEOPSY,

y también, por medio de un código MATLAB, generado para esta tarea. Los resultados, de ambas

herramientas, serán comparados y verificados por medio del criterio SESAME para las curvas

resultantes.

Objetivo General

Determinar el período fundamental de vibración del suelo, aplicando el criterio SESAME.

Objetivos Específicos

i. Describir el criterio SESAME para la toma y procesamiento de datos confiables.

ii. Medir las vibraciones ambientales (microtremores) del suelo con el sismómetro triaxial,

modelo Geobox SR04 de la empresa SARA electronic instruments, cumpliendo con el

criterio SESAME.

iii. Procesar los datos en el software libre GEOPSY y en un código MATLAB, para comparar

resultados.

iv. Analizar los resultados a través del criterio SESAME.


5

Justificación

En Chile se han generado cambios en la normativa sísmica causados, principalmente, por el

terremoto producido en Febrero del año 2010; suceso por el cual se ha tratado de mejorar las

normas existentes, concernientes al ámbito sísmico. Ejemplo de ello es el DS N° 117 y DS N° 61

del año 2010 y 2011, respectivamente, los que modifican la Norma Chilena NCh 433 Of. 1996

mod. 2009. Y que, en el caso del DS N° 61, propone una nueva clasificación de suelos basada en

el estudio de la VS30.

Siguiendo el camino de perfeccionar la normativa, es que en esta investigación se entregan

herramientas para el estudio de otro parámetro importante, el cual es el Período Fundamental del

suelo. Este, es de vital ayuda para impedir que el período de algunas estructuras coincida con el

período del suelo, evitando amplificaciones sísmicas por efecto de resonancia y el consiguiente

daño de la estructura.

Actualmente en Chile, la obtención y análisis de datos recopilados de los ensayos de Período

fundamental no están normados, ni tampoco se usa un criterio estándar. Debido a lo anterior, en

esta investigación, se presenta un criterio útil y de sencilla ejecución, probado en diversos países

y que entrega resultados representativos y confiables del sitio en estudio.

Metodología de Trabajo

1. Estudio de Antecedentes: revisión bibliográfica de normativa existente (NCh 433 of. 96

mod. 09, DS N°117, DS N°61), investigación de aspectos técnicos y criterios a emplear

en mediciones y análisis de datos.

2. Marco Conceptual: se estudian los microtremores y su utilidad para determinar el período

fundamental, los métodos de medición de ondas superficiales y se ejecuta un criterio en

las etapas de toma y procesamiento de datos, para la correcta interpretación de estos.

3. Procesamiento y Análisis de Resultados: luego de las mediciones en terreno, se procede a

analizar los datos en software, comparándolos manualmente con los criterios adoptados.

4. Conclusiones y Recomendaciones: al tener los resultados de los análisis, se determinan

los criterios más relevantes y se presentan las recomendaciones para obtener un resultado

representativo del sitio en estudio.


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MARCO TEÓRICO

Ondas Sísmicas

La liberación de energía que se produce en un macizo rocoso es proporcional al movimiento

sísmico que lo produjo. Esta energía se propaga a través del medio en forma de ondas sísmicas.

En un sólido pueden transmitirse dos tipos generales de ondas: Internas (o de cuerpo) y

Superficiales.

Las Ondas Internas se subdividen en dos tipos que son las Compresionales y Transversales (o de

Corte).

• Ondas Compresionales (P): se pueden propagar por medios sólidos o fluidos, consisten en

la transmisión de compresiones que se mueven en el mismo sentido que se mueve la onda.

• Ondas Transversales (S): pueden desplazarse únicamente en medios sólidos, las partículas

se mueven en dirección perpendicular al movimiento de propagación de la onda.

Las Ondas Superficiales, también, se subdividen en dos tipos que son las Ondas de Rayleigh y de

Love.

• Ondas Rayleigh (R): el modo de transmisión de la onda genera un movimiento elíptico

retrogrado de las partículas.

• Ondas Love (L): las partículas se mueven perpendicularmente a la propagación de la

onda, como las ondas S, pero en la superficie de la Tierra.

Las velocidades de las diferentes ondas dependen de las características de medio, pero se pueden

resumir de la siguiente forma: V,� < V < V�

Microtremores

Son vibraciones del suelo producidas por fuentes naturales o artificiales (antropogénicas) (Omori,

1908). Según Nakamura (1989), los microtremores están conformados tanto por ondas de cuerpo

como superficiales, basadas en la idea de que las fuentes artificiales de vibración poseen

principalmente movimiento vertical.


7

Posteriormente, se encontró que los microtremores (Flores, 2004) o microtrepidaciones (Omori,

1908), están conformados básicamente por ondas superficiales Rayleigh y Love, que están

afectadas por la estructura geológica del sitio donde se mide, las fuentes se encuentran

distribuidas al azar y en una gran área, las cuales se clasifican en (Bard, 1998):

• Bajas Frecuencias (0.3 – 0.5 Hz): causados por olas oceánicas a grandes distancias, la

amplitud espectral es estable y esta correlacionada, a gran escala, con las condiciones

meteorológicas del mar.

• Frecuencias Intermedias (0.5 – 1 Hz): vinculadas al oleaje que rompe en las costas y al

viento, su amplitud espectral es inestable.

• Altas Frecuencias (superiores a 1 Hz): relacionadas a la actividad humana, la amplitud

espectral se adapta a la actividad generada.

Métodos de Medición de Ondas Superficiales

Existen diversos métodos para estudiar las ondas superficiales, los cuales se dividen en tres

familias: Pasivos, Activos e Híbridos.

• Métodos Pasivos: basados en el análisis de microtremores, no requieren que se produzca

una señal artificial. Tales como Nakamura (HV), Técnica F-K, SPAC.

• Métodos Activos: registran ondas Rayleigh inducidas por una fuente impulsiva o una

fuente oscilatoria con movimiento vertical armónico. Los sensores verticales son ubicados

en la superficie en línea con la fuente. Tales como MASW, SASW.

• Métodos Híbridos: resultan de la combinación entre métodos pasivos y activos. En este

caso se encuentra el ensayo ReMi.

En la sección siguiente se detalla el método de Nakamura, aplicado en este estudio. Los métodos

MASW y ReMi, utilizados actualmente para obtener la VS30 se explican de forma general en el

ANEXO A.


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Método de Nakamura o Razón Espectral H/V

Es un método Pasivo, basado en el análisis de microtremores y el uso de sensores triaxiales.

Nakamura (1989) propuso la utilización de los microtremores para la evaluación de los efectos de

sitio, relacionando las componentes espectrales horizontales (N-S, O-E) y vertical del

movimiento superficial registrado en un lugar (H/V). Obteniendo una señal compuesta donde el

peak de mayor amplitud indica la Frecuencia fundamental del suelo (Lermo y Chávez-García,

1993; 1994; Lachet et al., 1996; Konno y Ohmachi, 1998; Bonnefoy-Claudet et al., 2006a;

2006b; 2008b). Implicando, que este tiende a vibrar en torno a su frecuencia fundamental.

El método se basa sobre la formulación de tres hipótesis principales:

• El ruido ambiental es generado por la reflexión y refracción de ondas de corte en la

superficie de las capas sedimentarias y por las ondas superficiales.

• Las fuentes superficiales de ruido, tales como el tráfico o el paso de peatones, no afecta el

ruido ambiental de las fuentes profundas del espesor sedimentario, siempre y cuando no

se produzcan muy cerca del receptor.

• La componente vertical del movimiento no es amplificada por la capa sedimentaria.

Hallando la transformada rápida de Fourier de cada componente del movimiento se define el

efecto de sitio (SE o Función de Transferencia) y el espectro de la fuente o efecto de la onda

Rayleigh (AS) en el dominio de Fourier.

�� = �� = �� Donde:

• HS y HB: amplitudes del espectro de Fourier de la componente horizontal en la superficie

y en la base de la capa sedimentaria, respectivamente

• VS y VB: amplitudes del espectro de Fourier de la componente vertical en la superficie y

en la base de la capa sedimentaria, respectivamente.


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Eliminando el efecto de las ondas Rayleigh, se obtiene un efecto de sitio que no considera el

espectro de la fuente, llamado SM o modificación del efecto de sitio (Función de Transferencia

más fiable):

�� = �� = �� ∗ ��

Nakamura (1989), demuestra que el espectro de la componente vertical (VB) y la horizontal (HB)

son equivalentes en el manto rocoso:

�� = 1�� = ��

Obteniendo finalmente el efecto de sitio causado por microtremores en un espesor sedimentario

suprayacente a un basamento rocoso (Nakamura, 1989).

Este método permite obtener, por lo tanto, el período predominante del suelo y las

amplificaciones asociadas. Sin embargo, investigaciones experimentales (Lachet y Bard, 1994;

Chávez-García et al, 2007; Bonnefoy-Claudet et al., 2008a) han demostrado que las amplitudes

entregadas, por este método, no representan las amplificaciones de sitio, dejando únicamente al

método como herramienta para la determinación del período fundamental.


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METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE DATOS

Equipo Utilizado

La grabación de vibraciones ambientales se obtuvo utilizando el sismómetro triaxial Geobox

SR04 de “SARA electronic instruments”. Este debe ubicarse en dirección Norte y ser

correctamente nivelado.

Características técnicas:

• Convertidor A/D con 3 canales de 24 bits.

• Rango dinámico: 124dB (144dB, 24 bit de ENOB, entre 0.1 y 10Hz).

• Muestreo: simultaneo en los 3 canales (1 A/D por canal).

• Frecuencia de muestreo: desde 10 a 600Hz.

• Reloj de tiempo real: +/-10ppm (-20/+50°C)

• Precisión de tiempo UTC: <50ms.

• Velocidad de transmisión: 115200 baud.

• Temperatura de operación: -20/+60°C.

Imagen 1. Sensor digital GeoBox SR04 de SARA electronic instruments.

Los espectros ortogonales (NS - EO) y el vertical, que capta el instrumento, se pueden apreciar en

el ANEXO C.


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Criterio SESAME

Es un proyecto de investigación Europeo realizado durante tres años. Se creó con el objetivo de

tener un procedimiento de análisis y evaluación fiable de riesgo y estrategia de mitigación

sísmica. Se basa en la caracterización de efectos de sitio utilizando grabaciones ambientales

(microtremores) combinadas con la técnica de razón espectral H/V (HVSR).

Entrega procedimientos prácticos para la toma de datos en terreno, procesamiento e

interpretación de resultados (SESAME, 2004) (Ver ANEXO B).

Para la comprobación de resultados de frecuencia y período fundamental, entrega nueve criterios

que se enfocan en obtener una gráfica con una curva confiable y un peak claro o definido.

Curva H/V confiable:

i. �� > ��

ii. � !��" > #��

iii. $%!�" < #&'('�. * ∗ �� < � < # ∗ ��+,�� > �. *-.

ó $%!�" < /&'('�. * ∗ �� < � < # ∗ ��+,�� < �. *-.

Peak H/V claro (por lo menos 5 de los 6 criterios cumplidos):

i. ∃�1 ∊ 3��4 , ��5 |%-7!�1" < %�#

ii. ∃�8 ∊ 9��, 4 ∗ ��:|%-7!�8" < %�#

iii. %� > #

iv. �&;'< ∗ =%-7!�" ± $%!�"? = �� ± *%

v. $� < A!��"

vi. $%!��" < B!��"


12

Donde:

• �� = longitud de la ventana.

• �� = número de ventanas seleccionadas para la curva media de H/V.

• � = �� ∗ �� ∗ �� = número de ciclos significativos.

• � = frecuencia actual.

• �� = frecuencia peak de H/V.

• $� = desviación estándar de la frecuencia peak de H/V (�� ± $�". • A!��"= valor umbral para la condición de estabilidad σf <ε (fo).

• %�= peak de amplitud de H/V a la frecuencia fo.

• %-7!�" = peak de amplitud de la curva H / V a la frecuencia f.

• �1= frecuencia entre fo/4 y fo para que AH/V(f-) <Ao/2.

• �8= frecuencia entre fo y 4fo para que AH/V(f +) <Ao/2.

• $%!�"= "desviación estándar" de AH/V(f), σA(f) es el factor por el cual la curva media

AH/V(f) debe ser multiplicada o dividida.

• B!��" = valor umbral para la condición de estabilidad σA(f) < θ(fo).

El cumplimiento o no de estos nueve criterios, no define que el resultado final sea correcto o

incorrecto, lo que busca es disminuir la probabilidad de error en los datos, entregando

recomendaciones desde la etapa en terreno hasta el análisis en software.

Ubicación de Mediciones y Condiciones en Terreno

Las mediciones se llevaron a cabo siguiendo el criterio SESAME, teniendo en cuenta las

condiciones experimentales recomendadas y utilizando la hoja de registro en terreno (ver

ANEXO B).

El tiempo de grabación de vibraciones ambientales varió de 5 a 20 minutos, dependiendo de las

características propias de cada lugar (ruido antrópico, viento, etc.), para tener un registro

representativo y ventanas de tiempo suficientes para el análisis posterior.


13

Se hicieron tres mediciones en cada lugar (mínimo) separadas a una determinada distancia para

poder compararlas entre sí.

El estudio se realizó en tres ciudades: Concepción, Panguipulli y Los Ángeles. En la siguiente

imagen se muestra la ubicación de las mediciones en cada ciudad (ver ANEXO F).

Imagen 2. Ubicación de Mediciones. De arriba abajo: Concepción-Panguipulli-Los Ángeles (ver

ANEXO F).


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Tabla 1. Condiciones en terreno en cada medición.

Condiciones Climáticas

Viento Autos Camiones Peatones1a 14:50 20 arena1b 15:20 20 tierra blanda1c 15:55 5 tierra dura

1d 13:50 20 Sin Presencia1e 14:05 101f 14:15 5 tierra dura

2a 10:00 20 tierra dura Poco2b 10:25 202c 10:50 10

3a 11:15 20 tierra dura3b 11:40 203c 12:05 10

4a 12:05 20 Ninguno4b 12:30 104c 12:45 5

5a 10:10 205b 10:35 105c 10:50 5

6a 11:00 206b 11:25 106c 11:40 10 tierra dura

7a 12:05 107b 12:20 57c 12:30 15

8a 10:05 208b 10:30 108c 10:50 5

9a 14:40 109b 15:05 109c 15:20 5

Débil

Débil

Tiempo de Grabación

(min)

Calle D´Halmar

Calle Lautaro

Calle Orompello

Panguipulli

Los Ángeles

Disperso Poco Ninguno

Disperso

14-10-2013

14-10-2013

hierba cortaDisperso

ModeradoNinguno

DispersoDébil

12-11-2013

12-11-2013

11-10-2013

11-10-2013

Sin Presencia

29-10-2013

12-11-2013

Ubicación

Universidad del Bío-Bío

UdeC. F. C. Físicas

UdeC. Biblioteca

Cerro La Virgen

14-10-2013

12-11-2013 Sin Presencia

Fuentes Monocromáticas

NingunoPoco Ninguno Motobomba

Presencia Transitorios

Medio ( > 5m/s )

arenaNinguno Máquina

Retroexcavadora

Moderado Sin Presencia

Débil

hierba cortaPoco Ninguno Poco Sin Presencia

Ensayo Tipo de SueloDensidad de Edificación

Fecha Hora

Sin Presencia

Sin Presencia

Sin PresenciaNo existe

Sin Presencia cemento Denso Moderado Ninguno Sin PresenciaPoco

tierra blandaPoco

Ninguno Ninguno

tierra dura

Sin PresenciaNingunoPocotierra dura Disperso

Sin PresenciaModerado Moderado Poco

Poco Sin PresenciaNingunoModerado

Ninguno

Ninguno

NingunoNinguno Sin Presencia

Denso

Denso

Disperso

baldosa

cemento

Sin Presencia

Moderado

Sin Presencia

Sin Presencia

Sin Presencia

Sin Presencia

Árboles

Sin Presencia

Sin Presencia

Disperso

Disperso


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Las mediciones en la UBB se repitieron debido a al viento reinante en el lugar el día de la primera medición.

Las fuentes monocromáticas, específicamente motobomba y retroexcavadora en la UBB, tuvieron un funcionamiento ocasional en el momento de las mediciones.

Los árboles presentes cerca de las mediciones no fueron de gran envergadura, estando por lo menos 4 metros distantes.

Procesamiento de datos en GEOPSY

Las grabaciones obtenidas en terreno se procesaron en el software GEOPSY, el cual se rige por el

criterio SESAME para el análisis H/V, pero no muestra una comprobación visible de este, por lo

que se configuró una hoja de cálculo en Excel para dicho propósito. El manejo de GEOPSY se

resume en el ANEXO C.

Los parámetros que se consideraron para la selección de ventanas en GEOPSY fueron (ver

ANEXO C):

• lw = 5, 7.5, 10, 15 y 20 segundos.

• Smáx = 1.9

• Smín = 0.25

• tlta = 30 segundos

• tsta = 1 segundo

La duración de ventanas dependió del tiempo total de grabación, la frecuencia resultante y la

consideración de al menos 10 ventanas para el análisis. En ocasiones, la cantidad de ventanas

mínima no se cumplía, teniendo que bajar su tiempo, debido a que la señal no respetaba los

parámetros expuestos anteriormente (lw, Smáx, Smín, etc.).

Luego de cada selección de ventanas y de generar la gráfica, se procedió a filtrar la señal

resultante, ya que en algunos casos existen ventanas alteradas, las que deben ser quitadas del

análisis. Estas generan resultados menos confiables si se toman en cuenta.


16

En la siguiente imagen se observa un ejemplo de los Espectros de Fourier de cada ventana

seleccionada. En la izquierda se muestran todas las ventanas seleccionadas, mientras que, en la

derecha se muestra la gráfica con las ventanas más representativas.

Imagen 3. Espectro de Fourier resultante de la señal con todas las ventanas seleccionadas

(Izquierda) y con ventanas alteradas eliminadas (Derecha).

Aunque no se distingue mayor contraste en los resultados de fo que entrega el software, es

recomendable realizar esta limpieza de ventanas, y así, poder estimar de mejor manera los

resultados. En este caso, se observa un peak a los 2.05 Hz, relacionado a la mayor amplitud. No

obstante, en ocasiones, existe más de un peak notorio en la gráfica, siendo necesario verificar los

criterios para cada uno. Esto sucede en el caso que existan perturbaciones al momento de captar

las vibraciones ambientales en terreno, generando falsos peaks en la señal resultante.

Procesamiento de datos en Código MATLAB

En primer lugar, se guardaron los datos de grabación NS, EO y vertical, de cada lugar, en formato

“ASCII” desde GEOPSY, los cuales son leídos por el código MATLAB.

El código generado, permite seleccionar manualmente 10 ventanas. Para poder leer el mayor

número de datos dentro de la duración total de grabación, las ventanas variaron entre 20 a 90

segundos.


17

Tabla 2. Tiempo de ventanas seleccionadas según duración total de grabación.

A diferencia del software GEOPSY, el código no contiene la herramienta Anti-triggering, que

evita alteraciones transitorias en la señal, por lo que se aprecian diferencias en los resultados.

Esto último se ve amplificado, al tener gráficas con más de un peak notorio.

Al tener las ventanas seleccionadas, el código les aplica la Transformada Rápida de Fourier

(FFT) a cada señal (NS, EO y vertical). Luego se calcula la curva H/V de cada ventana a través

de la ecuación de Arai & Tokimatsu (2004), que resultó entregar resultados con una menor

variación de amplitudes:

�� = CDD�E� + DD��GDD��

Se promedian las curvas obtenidas de cada ventana, y se genera la curva media H/V resultante;

además se entrega la curva ajustada en otro gráfico. El ajuste de la gráfica se hizo a través de la

herramienta Smoothing Spline de MATLAB.

Imagen 4. Curva media H/V entregada por MATLAB (Izquierda) y Curva media H/V ajustada

(Derecha). Medición hecha en Panguipulli.

Tiempo Total de Grabación (min) Tiempo Ventana (s)20 9015 6010 605 20


18

RESULTADOS Y ANÁLISIS

A continuación se exponen los resultados de frecuencia y período fundamental obtenidos del

análisis en GEOPSY y del código MATLAB, además se indica el tipo de suelo relacionado

(según DS N° 61) y la comprobación de los criterios SESAME.

Tabla 3. Frecuencias y Períodos Fundamentales de cada sector analizado, y correspondiente

clasificación del tipo de suelo según DS N° 61.


19

Tabla 4 (a). Comprobación del criterio SESAME, para una Curva Confiable y un Peak Claro, de cada ensayo analizado con GEOPSY y con

Código MATLAB.

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

i OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

ii OK OK OK OK OK NO CUMPLE OK OK OK OK OK OK

iii OK OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE OK OK OK OK OK OK

iv OK OK OK OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE OK NO CUMPLE

v OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

vi OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

vii NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE

viii NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE OK OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE

ix OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

To (s) 0.54 0.53 0.5 0.51 0.45 0.47 0.54 0.51 0.51 0.51 0.45 0.47

fo (Hz) 1,864 1,892 1,984 1,957 2,216 2,146 1.85 1.95 1.98 1.95 2.2 2.15

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6


ii OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

iii OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

iv OK OK OK OK OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE


vi OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK


viii OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE OK NO CUMPLE OK NO CUMPLE OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE


To (s) 0.52 0.52 0.5 0.68 0.76 0.73 0.53 0.53 0.53 0.54 0.71 0.69

fo (Hz) 1,905 1,934 2,001 1,475 1,314 1,361 1.9 1.9 1.9 1.85 1.4 1.45

Ensayos en GEOPSY (1 a 3 F.C. Físicas; 4 a 6 Biblioteca)

Criterios SESAME

Curva

Confiable

Peak Claro

o Definido

Ensayos en Código MATLAB (1 a 3 F.C. Físicas; 4 a 6 Biblioteca)

Universidad de Concepción

Ensayos en Código MATLABEnsayos en GEOPSY

Criterios SESAME

Curva

Confiable

Peak Claro

o Definido

Universidad del Bío-Bío


20

Tabla 4 (b). Comprobación del criterio SESAME, para una Curva Confiable y un Peak Claro, de cada ensayo analizado con GEOPSY y con

Código MATLAB.

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3


ii OK OK OK OK OK OK OK OK NO CUMPLE OK OK OK

iii OK OK OK OK OK OK OK OK NO CUMPLE OK OK OK

iv OK OK OK NO CUMPLE OK NO CUMPLE OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE


vi OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK NO CUMPLE


viii OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE

ix OK NO CUMPLE NO CUMPLE OK OK OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE OK OK

To (s) 0.26 0.29 0.26 0.26 0.27 0.27 1.02 0.86 0.83 0.83 0.83 0.74

fo (Hz) 3,798 3,418 3,809 3.8 3.7 3.7 0.984 1,163 1,206 1.2 1.2 1.35

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3


ii OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK


iv NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE OK OK OK OK OK NO CUMPLE

v NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE OK OK NO CUMPLE OK OK OK OK OK OK

vi OK OK NO CUMPLE OK OK NO CUMPLE OK OK OK NO CUMPLE OK NO CUMPLE


viii NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE


To (s) 0.71 0.66 0.63 0.61 0.68 0.67 0.48 0.44 0.47 0.4 0.4 0.38

fo (Hz) 1,416 1,518 1,599 1.65 1.48 1.5 2,078 2,292 2,141 2.5 2.5 2.6

Ensayos en GEOPSY Ensayos en Código MATLAB

Calle Lautaro N°323 Calle Orompello N°29

Ensayos en GEOPSY

Criterios SESAME

Curva

Confiable

Peak Claro

o Definido

Ensayos en Código MATLAB


Calle Augusto D’Halmar N°1364

Ensayos en GEOPSY

Criterios SESAME

Curva

Confiable

Peak Claro

o Definido


Sector Cerro La Virgen


21

Tabla 4 (c). Comprobación del criterio SESAME, para una Curva Confiable y un Peak Claro, de cada ensayo analizado con GEOPSY y con

Código MATLAB.

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3


ii OK OK NO CUMPLE OK OK OK OK OK OK OK OK OK


iv OK OK OK OK OK NO CUMPLE OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE

v OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE

vi OK OK NO CUMPLE OK OK NO CUMPLE OK OK OK OK OK OK


viii OK OK NO CUMPLE OK OK NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE NO CUMPLE


To (s) 0.88 0.93 0.76 0.91 0.91 0.87 0.2 0.23 0.23 0.21 0.26 0.22

fo (Hz) 1,135 1.08 1,316 1.1 1.1 1.15 5,076 4.44 4,399 3.1 3.9 4.15


Panguipulli Los Ángeles

Ensayos en GEOPSY

Criterios SESAME

Curva

Confiable

Peak Claro

o Definido



22

Comprobación Criterio SESAME

En general los resultados de período fundamental se aproximan en las tres pruebas hechas en

cada ubicación. Lo mismo pasa al comparar resultados obtenidos entre GEOPSY y MATLAB,

teniendo una leve variación, debido a los parámetros que restringen la selección de ventanas en

GEOPSY y que en MATLAB no se incluyeron.

Pese a lo anterior, los resultados no cumplen completamente con el Criterio SESAME. Por una

parte, el criterio para una curva confiable se cumplió casi totalmente. Pero, la verificación para

obtener un peak claro no cumplió en casi la totalidad de ensayos. Esto debido principalmente al

no cumplimiento de los criterios iv, v, vii, viii y ix.

Los parámetros involucrados en los criterios en conflicto son:

• %-7!�" : Amplitud de la curva H/V a la frecuencia f.

• %� : Amplitud de la curva H/V a la frecuencia fo.

• $%!�" : Desviación estándar de la amplitud de la curva H/V a la frecuencia f.

• $%!��" : Desviación estándar de la amplitud de la curva H/V a la frecuencia fo.

• $� : Desviación estándar de la frecuencia peak de la curva H/V.

Los parámetros antes mencionados, tienen relación directa con la selección de ventanas y la

variabilidad que puede existir entre ellas. Esto quiere decir que, mientras más perturbaciones se

hayan registrado en la grabación de microtremores, mayor será la variabilidad de amplitudes,

frecuencias peak, y en consecuencia la desviación estándar de cada una. Por lo que, el no

cumplimiento de parte del criterio para un peak claro, significa que las condiciones de ruido

ambiental en terreno no eran totalmente acordes a las condiciones ideales recomendadas por el

criterio SESAME.

En el caso de los criterios para una curva confiable, los parámetros involucrados buscan tener una

duración mínima del registro que sea útil y represente de mejor forma los resultados. Debido a

esto, y para cumplir con el criterio, ocurrieron casos donde se tuvo que incluir en el análisis

ventanas que tenían mayores perturbaciones que otras, aunque mostrando un notorio peak en

común con el resto. Esto, también afectó a los parámetros del criterio para obtener un peak claro.


23

Para evitar la variación entre ventanas, se pueden realizar mediciones en horarios con menor

ruido ambiental. Aunque los resultados de período no deberían cambiar notoriamente, según los

estudios hechos por Nogoshi e Igarashi (1970; 1971). Consiguiendo únicamente mejorar los

parámetros involucrados con el criterio para un peak claro.

Comparación de Resultados con otros Autores

Los estudios hechos por Leyton et al. (2011), y Velásquez D. (2012) se enfocaron en los efectos

dinámicos de sitio en Concepción, a través de la medición de microtremores.

Leyton et al. (2011) utilizó en sus mediciones el instrumento GVB el que capta tres componentes

de 4.5 Hz. En cada punto, el tiempo de medición fue de 20 minutos, subdividiéndola en ventanas

de 60 segundos, y basándose en las recomendaciones de terreno propuestas por el criterio

SESAME. Las ventanas seleccionadas no excluían los ruidos bruscos en la señal.

Velásquez D. (2012), en cambio, utilizó un sensor de velocidad MR2002 de SYSCOM Inc. de

tres canales y un geófono triaxial de alta resolución. Las mediciones fueron de 20 minutos en

cada punto y se realizaron en zonas de acceso libre, en que no fueran afectadas por la vibración

de edificios o árboles altos.

En la imagen 5 se aprecia el mapa de Concepción con la ubicación de los puntos medidos por

Leyton et al. (2011), posteriormente por Velásquez D. (2012), y los puntos cercanos medidos por

esta investigación, y que pueden ser comparados.


24

Imagen 5. Ubicación de mediciones de períodos por Leyton et al. (2011), Velásquez D. (2012) y

del estudio actual (estrella amarilla). (Imagen modificada).

Tabla 5. Comparación de Resultados cercanos a los estudios de Leyton et al. (2011) y Velásquez

D. (2012).

Como se aprecia en la Tabla 7, existen notorias diferencias entre las mediciones actuales y las

realizadas por Velásquez D. (2012). No obstante, se acomodan mayormente al rango entregado

por Leyton et al. (2011). Siendo el resultado de la calle Orompello la que no cumple, en ambos

casos.

Leyton et al., 2011

EnsayoFrecuencia promedio

(Hz)

Rango de Frecuencias (Hz) en el sector

Test Frecuencia (Hz)

UBB 1.93 - 1 1.00UdeC. F.C. Físicas 1.92 1.50 - 3.00 3 1.03

Calle Orompello 2.35 1.00 - 1.50 5 0.60

Calle D'Halmar 1.18 1.00 - 1.50

Este estudio Velásquez D., 2012


25

Para complementar, se presentan los resultados del estudio de Microzonificación Sísmica de la

Ciudad de Concepción, utilizando el equipo Tromino de Micromed S.p.A., realizados por Jorge

Vivallos y Paola Ramírez (2010). Dicho estudio, separa la ciudad en cuatro zonas dependientes

de su período fundamental o predominante:

• Zona I: 1.0 - 1.3 s.

• Zona II: 0.7 - 1.0 s.

• Zona III: 0.5 - 0.7 s.

• Zona IV: 0.3 - 0.5 s.

Imagen 6. Microzonificación resultante de los estudios realizados por Jorge Vivallos y Paola

Ramírez (2010) en Concepción. En él se incluyeron los puntos de ensayos actuales que se pueden

comparar (Imagen modificada).


26

Tabla 6. Comparación de resultados actuales con la clasificación por Zonas de Vivallos J. y

Ramírez P., 2010.

Se tuvo que incluir dos zonas en algunos puntos de la Tabla 8, debido a que se ubican en la

frontera de una y otra zona. En términos generales, los resultados actuales se adaptan a la

clasificación entregada por el estudio de Vivallos J. y Ramírez P., 2010.

Observando el resultado de período fundamental de la Calle Orompello, esta sigue teniendo una

variación, pero no tan notoria como la comparación anterior.

EnsayoPeríodo

Fundamental Promedio (s)

ZonaPeríodo

Fundamental (s)

UdeC. F. C. Físicas 0.52 III 0.5 - 0.7UdeC. Biblioteca 0.69 III - IV 0.3 - 0.7

C. La Virgen 0.27 IV 0.3 - 0.5Calle D'Halmar 0.85 II 0.7 - 1.0Calle Lautaro 0.66 II - III 0.5 - 1.0

Calle Orompello 0.43 II - III 0.5 - 1.0

Este estudio Vivallos J., Ramírez P., 2010


27

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

• Se determinó el período fundamental de vibración del suelo aplicando las

recomendaciones que brinda el criterio SESAME, desde la fase de obtención de datos en

terreno hasta el procesamiento de estos, logrando resultados similares a estudios

realizados por otros autores y así validando esta investigación.

• Las recomendaciones dadas por el criterio SESAME son una buena forma de obtener

resultados representativos del lugar en estudio, ya que en general indica las condiciones

óptimas para obtener datos y resultados confiables. En el caso de los criterios para una

curva confiable y un peak definido, pueden o no cumplirse a cabalidad, pero esto no

significa que el resultado sea correcto o no. La confiabilidad del resultado dependerá

mucho de las condiciones en terreno, donde fueron obtenidos los datos, y también del

análisis en software. Ante esto, y para cumplir completamente el criterio es recomendable

realizar mediciones de noche, donde se captan menores perturbaciones en la señal.

• Al medir los microtremores se encontró que las condiciones en terreno no siempre fueron

las más adecuadas según el criterio SESAME, ya sea por ruido antrópico o por viento en

la zona de ensayo. Se observó que el ruido antrópico es el que genera más perturbaciones

en la señal. En cambio el viento no generó gran variación en los resultados, aunque se

debe destacar que no superó los 15 m/s aprox.

• En GEOPSY, la selección de ventanas de 20 segundos se vio entorpecida cuando la señal

se encontraba muy perturbada. Entregando un número de ventanas menor a 10, y con una

señal útil por debajo de lo recomendado por el criterio SESAME. Esto debido a que, en el

tiempo señalado por ventana, no se cumplían los parámetros introducidos para el análisis

del software. Al disminuir a 15, 10, 7.5 o 5 segundos, aumentó el número de ventanas y

así se cumplieron las recomendaciones del criterio. Aunque, la reducción de tiempo por

ventana no siempre se puede aplicar, ya que depende de la frecuencia fundamental del

suelo.


28

• Los resultados en GEOPSY y MATLAB fueron muy semejantes, pese a los parámetros

aplicados en GEOPSY, respecto a la selección de ventanas, y que no fueron incluidos en

el código MATLAB. La diferencia se produjo al seleccionar la frecuencia peak, siendo

mucho más complejo distinguirlo en MATLAB, debido a que el espectro no siempre se

conformaba con un sólo peak notorio.

• Los resultados obtenidos en esta investigación, concuerdan en su mayoría con trabajos de

otros autores. Pero, debido a la variabilidad de estos, se debe tener información más

amplia del suelo, como es la profundidad del manto rocoso. Esto permitiría emplear la

expresión del modelo unidimensional de propagación de ondas: � = �∗��

La expresión anterior, evaluada a los 30 metros y utilizando el valor obtenido de T,

entregaría el valor de la VS30, logrando comparar resultados con los ensayos MASW y

ReMi.

Recomendaciones

• En relación al tiempo de grabación de vibraciones en terreno, se recomiendan tiempos de

20 minutos o más. De esta forma se busca tener la mayor cantidad de tramos de señal con

menores perturbaciones. Además, el criterio SESAME recomienda duraciones mínimas

de grabación, según sea la frecuencia fundamental del suelo. Un tiempo muy corto, puede

no ser adecuado para frecuencias bajas, dando posibles resultados erróneos.

• Se deben hacer por lo menos 3 grabaciones de vibración ambiental en el lugar de estudio,

separadas unos metros entre sí. Con el fin de envolver la zona y así comparar resultados.

• Mediciones en zonas con mucho tráfico o industriales, es recomendable hacerlas en

horarios con menor ruido ambiente, generalmente de noche. Esto, para evitar que la señal

se perturbe, obteniendo datos inexactos del suelo. Esta recomendación se acentúa si en el

lugar existe maquinaria que genere frecuencias constantes en el tiempo.


29

• El acoplamiento del sensor debe ser preferentemente en suelo natural, aunque mediciones

en hormigón o asfalto también obtienen buenos resultados. En el caso que el suelo esté

muy blando, se debe contar con una superficie dura (placa metálica) para apoyar el

sensor. Si se encuentra cubierto con hierba, esta se puede cortar, hacer un hoyo (un poco

más grande que el equipo) o incluso se puede cambiar el tipo de soportes del sensor, los

cuales se puedan enterrar en el suelo. En el caso de viento muy fuerte, también, se puede

hacer un hoyo en el suelo y protegerlo con otro objeto encima, sin tocar el sensor.

Teniendo en cuenta que siempre el sensor debe estar apoyado en sus soportes.

• Las mediciones cerca de edificios con subterráneo resultan alteradas. Se recomienda

efectuarlas a una distancia aproximadamente igual a la altura de la estructura, según lo

expuesto por Mauro Mariotti en la II Semana de la Geotecnia UBB.

• Se recomienda utilizar algún software, usado en esta investigación u otro existente, los

que pueden simplificar el análisis y comprobación de los criterios. En el caso de

GEOPSY, se deben editar las ventanas seleccionadas de la señal, ya que algunas de estas,

contaminan el espectro resultante. Otra alternativa es discretizar más los parámetros

introducidos.

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

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