respuesta sÍsmica en superficie - ociv.usm.cl · nch 433. of1996, modificada en 2009 . 400 900 iii...

RESPUESTA SÍSMICA EN

SUPERFICIE - EFECTO SITIO

Ramón Verdugo A. (Ph.D.)

CMGI Ltda.

CHARLA UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO STA. MARÍA

27 de Agosto de 2014

- COMPORTAMIENTO CÍCLICO DE SUELOS

- MODELO LINEAL EQUIVALENTE

- PERIODO FUNDAMENTAL

- MÉTODO DE NAKAMURA, O RAZÓN ESPECTRAL H/V

- CLASIFICACIÓN DE SUELOS, COMITÉ NCH433

- EMPUJES SÍSMICOS EN MUROS SUBTERRÁNEOS

- DESLIZAMIENTO DE LADERAS

- EFECTOS TOPOGRÁFICOS

CONTENIDO

COMPORTAMIENTO

CÍCLICO DE SUELOS

ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO

COMPORTAMIENTO CÍCLICO DRENADO

(Towhata, 1982, Ph.D. Thesis)

COMPORTAMIENTO CÍCLICO DRENADO

t

G

LOOP ESTABLE – MÓDULO DE CORTE CÍCLICO

10-4

10-6

10-5

10-3

10-2

10-1

COMPORTAMIENTO SEGÚN

NIVEL DE DEFORMACIÓN

10-4 % 10

-3 % 10

-2 % 10

-1 % 1 % 10 %

NIVEL DE

DEFORMACIONES

PEQUEÑAS

NIVEL DE

DEFORMACIONES

MEDIANAS

NIVEL DE

DEFORMACIONES

GRANDES

NIVEL DE

DEFORMACIONES

DE FALLA

COMPORTAMIENTO ELÁSTICO

COMPORTAMIENTO ELÁSTICO – PLÁSTICO

FALLA

ANÁLISIS DINÁMICO

En todo problema dinámico, necesariamente existen fuerzas

inerciales. En este contexto existen situaciones en las cuales esas

fuerzas inerciales son ingenierilmente relevantes, aun cuando el

nivel de deformación es reducido.

Adicionalmente, la propagación de ondas sísmicas desde estratos

profundos requiere establecer el comportamiento cíclico del suelo a

niveles de deformación significativamente pequeños.

Por lo anterior, problemas geotécnicos de naturaleza dinámica

involucran niveles de deformación en el suelo que van desde valores

tan bajos como 10-6

(10-4

%). Es decir, muy inferior al rango de

deformación de interés en análisis estáticos.

ANÁLISIS DINÁMICO

Por otra parte, evidentemente solicitaciones dinámicas pueden

involucrar la falla de la masa de suelos, con lo cual el nivel de

deformaciones también puede desarrollarse en el rango de grandes

deformaciones.

El caso particular de licuefacción también se desarrolla en el rango

de grandes deformaciones

10-4

10-6

10-5

10-3

10-2

10-1

Rango de deformación de problemas dinámicos

CURVAS DE DEGRADACIÓN

DE MÓDULO DE CORTE

Distorsión Angular

G/Go

MÓDULO DE CORTE CÍCLICO MÁXIMO

2

max SO VGG

: Densidad de masa

Vs : Velocidad de propagación de onda de corte

Gmax

EN FUNCIÓN DEL CONFINAMIENTO ISÓTROPO

RELACIONES PARA Gmax

366

335

305

274

244

213

183

152

122

m/s

396

Tamaños (Tamices ASTM) emáx emín

No 20 - No 30 0.71 0.50

No 80 - No 140 0.89 0.54

74.8% No 20 - No 30

25.2% No 80 - No 140

No 20 - No 140, bien graduada 0.76 0.42

0.66 0.32

0.750.550.45

Índice de Vacíos, e

0.350.35

Velocidad de

Propagación

Ondas de Corte

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

f/s

1300

0.750.650.550.450.35

VELOCIDAD ONDA DE CORTE - DENSIDAD – PRESIÓN CONFINANTE

EFECTO DE LAS TENSIONES NORMALES EN LA

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS DE CORTE

Algunos datos experimentales indican nx = n

y = 0.12

zyx n

a

z

n

a

y

n

a

xs

PPPCeFV

)(

0

t

RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO, D

El área encerrada por el loop corresponde

a la energía disipada en un ciclo completo

carga-descarga (ALOOP

).

a

ta

El área de ambos

triángulos corresponde a

la energía elástica

entregada al sistema en

un ciclo completo carga-

descarga (ATRIÁNGULOS

).

TRIÁNGULOS

LOOP

A

AD

2

Hatanaka et al, 1988, copiado de Ishihara 1996

RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO, D

CURVAS TÍPICAS DE DEGRADACIÓN DE MÓDULO

Y RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO

Distorsión Angular, (%)

D (%)

Amortiguamiento

G

Gmax

MODELO LINEAL EQUIVALENTE

PROPAGACIÓN UNIDIMENSIONAL DE

ONDAS DE CORTE

DEPOSITO

DE SUELOS

SUPERFICIE

DEL TERRENO

ROCA BASAL

Frente de ondas

Propagación vertical

de ondas de corte

AFLORAMIENTO

ROCOSORespuesta sísmica

en superficie

RESPUESTA DE SITIO

t cG

MODELO VISCO-ELÁSTICO

t G1

td

dcc

t

2

Componente elástica

Componente viscosa

PROPAGACIÓN UNIDIMENSIONAL

DE ONDAS DE CORTE

BASAMENTO ROCOSO

DEPÓSITO

DE SUELOS

SUPERFICIE

basea

supa

PROPAGACIÓN UNIDIMENSIONAL

DE ONDAS DE CORTE

z

Superficie del terreno

Roca basal

dzz

tt

t

gu

u

du

dz

H

zt

u

tz

u

2

2

2

t

udzAAdz

zhorhor

t

t cG zt

uc

z

uG

2

t

2

2

2

3

2

2

t

u

zt

uc

z

uG

2

2

2

2

2

3

2

2

t

u

t

y

zt

yc

z

yG

g

Equilibrio dinámico:

Suelo visco-elástico:

Ecuación de onda:

Cambiando de variable:

t

u

t

y

t

u

z

y

z

uuuy

g

g

ti

b epzsenpHpzau )()tan()cos(

tib epH

auHzu

)cos()( sup

Aceleración absoluta:

Aceleración absoluta en superficie:

baseu

uA

sup

1 )cos(

11

pHA

Amplificación base-superficie:

MÉTODO LINEAL EQUIVALENTE

1.- La señal sísmica de input se transforma al domino de la

frecuencia por medio en una serie del tipo:

n

j

ti

jgjeAAü

1

)()0(

2.- En el centro de cada estrato se calcula la distorsión angular

efectiva:

max65.0 efect

3.- Se verifica que los parámetros G y D asumidos en cada

estrato son compatibles con el nivel de distorsión angular efect

de cada estrato.

Distorsión Angular

G/Go

15%

30%

1

G1/G

0

D1

2

G2/G

0

D2

MÉTODO LINEAL EQUIVALENTE

PERIODO FUNDAMENTAL

DEPÓSITO DE SUELOS

2

2

2

2

1

11

2

1

11

2

d

d

GH

d

d

GH

senhsencoshcos

1)(1

iA

22221

senhsencoshcos

1)(

A

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA

BASE-SUPERFICIE

0

Vs

H

GH

Vs

HA

cos

1

cos

1)(1

2

5,

2

3,

20cos

Vs

H

Vs

H

H

Vs

H

Vs

H

Vs

2

5,

2

3,

2

Vs

H

Vs

H

Vs

HT

5

4,

3

4,

4

Para d = 0:

A1 tiende a infinito cuando:

80 m

Vs= 450 m/s

𝜸𝒕= 2 t/m³

𝑻𝒇= 0.71 s

0.71

Alternativa 1:

University of Southern California

http://gees.usc.edu/GEES/Software/EERA2000

Alternativa 2:

University of Memphis

http://www.ce.memphis.edu/7137/eera.htm

Alternativa 3

*Tetsuo Tobita, Associate Professor, Kyoto Universiy.

https://sites.google.com/site/tt60898/home/software

ALTERNATIVAS PARA OBTENER EL PROGRAMA EERA

Equivalent-linear Earthquake site Response Analysis

MÉTODO DE NAKAMURA

(RAZÓN ESPECTRAL H/V)

PARA OBTENER EL

PERIODO FUNDAMENTAL

PERIODO FUNDAMENTAL

DEL DEPÓSITO DE SUELOS, Tf

HB

VB

VS

HSHW

S

S

S

STF

V

HHW

E

TFTF

~ 1

RAZÓN ESPECTRAL H/V, O MÉTODO

DE NAKAMURA

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA ONDAS DE CORTE

SUPERFICIE – BASE:

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Pro

fun

did

ad

(m

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Penetración Estandar, N (golpes/pie)

INDICE DE PENETRACION N-SPT SONDAJE S1 EL ALMENDRAL IDIEM-MIT, 1987

Roca basal a 57 m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Pro

fun

did

ad

(m

)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Velocidad de onda de corte (m/seg)

ENSAYOS CROSS-HOLE EL ALMENDRAL

Vspromedio = 241 m/seg

MODELO UNIDIMENSIONAL DE PROPAGACIÓN

VERTICAL DE ONDAS DE CORTE

sV

HT

4

:- Periodo fundamental de vibración

segT 95.0241

574

T = 0.95seg

MEDICIONES DE NAKAMURA

T = 1/3.9 = 0.26 seg

MEDIDA DE NAKAMURA

ESPECTROGRAMA REGISTRO 27F

PAPUDO NS

Stgo. La Florida NS

ESPECTROGRAMA REGISTRO 27F

Stgo. La Florida EW

ESPECTROGRAMA REGISTRO 27F

PERIODO PREDOMINANTE OBTENIDO

VÍA NAKAMURA Y DE REGISTROS DEL 27F

N-S, L

E-W,T

CLASIFICACIÓN SÍSMICA DE

DEPÓSITOS DE SUELOS

COMITÉ NCh433

2010 CHILE EARTHQUAKE

HORIZONTAL

PEAK ACCELERATIONS

RECORDED ON

ROCK OUTCROPS

aL=0.14g

aT=0.31g

aNS=0.19g

aEW=0.14g

aNS=0.18g

aEW=0.17g

aL=0.32g

aT=0.24g aNS=0.20g

aEW=0.20g

aNS=0.19g

aEW=0.15g

aNS=0.14g

aEW=0.14g

aNS=0.08g

aEW=0.09g

2010 CHILE

EARTHQUAKE

HORIZONTAL

PEAK GROUND

ACCELERATIONS

RECORDED ON

SOIL DEPOSITS

aL=0.23g; aT=0.31g

aNS=0.19g; aEW=0.13g

aL=0.50g; aT=0.54g

aNS=0.29g; aEW=0.30g

aL=0.23g; aT=0.31g

aNS=0.27g; aEW=0.26g

aNS=0.23g; aEW=0.27g

aNS=0.25g; aEW=0.24g

aNS=0.17g; aEW=0.16g

aNS=0.20g; aEW=0.23g

aNS=0.22g; aEW=0.33g

aNS=0.35g; aEW=0.33g

aL=0.22g ;aT=0.28g

aL=0.34g; aT=0.33g aL=0.25g

aT=0.36g aL=0.29g

aT=0.33g

aL=0.33g

aT=0.30g

aL=0.47g

aT=0.47g

aNS=0.09g

aEW=0.14g

aNS=0.93g

aEW=0.69g

aL=0.40g; aT=0.29g

aL=0.59g; aT=0.65g

aL=0.57g

aT=0.77g

aL=0.39g

aT=0.47g

aNS=0.48g

aEW=0.41g

aL=0.48g

aT=0.42g

aL=0.33g

aT=0.54g

aL=0.29g; aT=0.42 g

aL=0.18g; aT=0.18 g

aL=0.27g

aT=0.32g

aL=0.16g

aT=0.15g

aL=0.54g

aT=0.63g

TABLA 4.3.- DEFINICIÓN DE LOS TIPOS

DE SUELOS DE FUNDACIÓN

TABLA 4.3.- (Cont.)

TABLA 4.3.- (Cont.)

PROFUNDIDAD DE EXPLORACIÓN

Suelo Tipo II: Espesor mínimo del estrato 20 m

Suelo Tipo III: Espesor mínimo del estrato 10 m

Suelo Tipo IV: Espesor mínimo del estrato 10 m

TIPO DE

SUELO

DESCRIPCIÓN GEOTÉCNICA

VS (m/s)

RQD (%)

qu

(MPa)

Su

(MPa)

t

(t/m3)

Dr (%)

GC (%)

N1 g/pie

I Roca ≥ 900 ≥ 50 ≥ 10

II

Suelo en los 10 m sup. y creciente

≥ 400

Grava Densa

2.0 ≥ 75 ≥ 95

Arena Densa

≥ 75 ≥ 95 ≥ 40

S. Cohesivo Duro ≥ 0.2 ≥ 0.1

III

Arena No-Saturada

55-75 ≥ 20 (*)

Grava o Arena N.S: < 95

Suelo Cohesivo 0.05 0.20

0.025 0.10

Arena Saturada

20-40

IV Suelo Cohesivo

Saturado ≤ 0.05

≤ 0.025

(*) N-SPT sin normalización

RESUMEN TABLA 4.3

NCh 433. Of1996, Modificada en 2009

400 900

II IIII

Roca

Arena

Grava

S. cohesivo

Suelo

cohesivo

saturado

VS-30

(m/s)

Grava densa

Arena densa

Suelo Cohesivo duro

IV

CLASIFICACIÓN SÍSMICA SEGÚN Vs

NCh433.Of96

CLASIFICACIÓN SÍSMICA

DE SUELOS SEGÚN

DECRETO SUPREMO 61

ESPECTROS ELÁSTICOS DE PSEUDO-ACELERACIÓN

SEGÚN TIPO DE SUELOS DE FUNDACIÓN

ESPECTROS DE DESPLAZAMIENTO: Sde

𝑆𝑑𝑒(𝑇𝑛) = 𝑇𝑛

2

4𝜋2∙ 𝛼 ∙ 𝐴0 ∙ 𝐶𝑑

∗

500 900

BD A

350

C

180

E

Roca

Suelo cementado

Suelo

media-

namente

denso o

firme

Suelo de

compaci-

dad, o

consisten-

cia

mediana

VS-30

(m/s)

Roca blanda o

fracturada, suelo

muy denso o muy

firme

Suelo

denso

o firme

CLASIFICACIÓN SÍSMICA SEGÚN VS-30

Decreto Supremo 61

CLASIFICACIÓN SÍSMICA SEGÚN

Decreto Supremo 61

PARÁMETROS GEOMECÁNICOS

PROPIEDADES DE ESTADO

- Densidad

- Densidad Relativa

- Grado de Compactación

PARÁMETROS DE RESISTENCIA (grandes deformaciones)

- Índice de Penetración Estándar (N-SPT)

- Resistencia Compresión Simple

- Resistencia No-Drenada

PARÁMETROS DE RIGIDEZ (pequeñas deformaciones)

- Velocidad de propagación de ondas de corte

PARÁMETROS DE VIBRACIÓN

- Periodo fundamental de vibración

EJEMPLO DE ANÁLISIS

GRAVA DENSA

VS= 800 m/S t = 2.3 t/m³

15 m

ARCILLA BLANDA

VS= 150 m/S t = 1.7 t/m³

15 m

GRAVA DENSA

VS= 800 m/S t = 2.3 t/m³

15 m

ARCILLA BLANDA

VS= 150 m/S t = 1.7 t/m³

15 m

VS-30

= 252 m/s

550m/s

700m/s

50m

30m 550m/s

700m/s

50m

30m

550m/s

700m/s

50m

25m

5m 150m/s

550m/s

700m/s

50m

20m

10m 150m/s

550m/s

700m/s

50m

25m

5m 150m/s

550m/s

700m/s

50m

10m

20m

150m/s

550m/s

700m/s

50m

15m

15m 150m/s

150m/s

700m/s

50m

15m

15m 550m/s

150m/s

700m/s

50m

10m

20m

550m/s

700m/s

50m

20m

10m

150m/s

550m/s

700m/s

50m

25m

5m

150m/s

550m/s

150m/s

700m/s

50m

25m

5m 550m/s

150m/s

700m/s

50m

30m 150m/s

700m/s

50m

30m

550m/s

700m/s

50m

30m 550m/s

700m/s

50m

30m

550m/s

700m/s

50m

25m

5m 150m/s

550m/s

700m/s

50m

20m

10m 150m/s

550m/s

700m/s

50m

25m

5m 150m/s

550m/s

700m/s

50m

10m

20m

150m/s

550m/s

700m/s

50m

15m

15m 150m/s

150m/s

700m/s

50m

15m

15m 550m/s

150m/s

700m/s

50m

10m

20m

550m/s

700m/s

50m

20m

10m

150m/s

550m/s

700m/s

50m

25m

5m

150m/s

550m/s

150m/s

700m/s

50m

25m

5m 550m/s

150m/s

700m/s

50m

30m 150m/s

700m/s

50m

30m

RESPUESTA SÍSMICA EN SUPERFICIE

30 m

20 m

30 m

100 m

Roca Basal

Roca Basal

sV

HT

4

PERFIL DE TERRENO EQUIVALENTE

30 m

H

ROCA

Vs-i

; hi

Vs-equiv

Vs = 900 m/s

T = TNak

H

CASO 1: TNak

plano

CASO 2: TNak

< T30

CASO 3: TNak

> T30

SUELO

TIPO B

Análisis

con H = 0

Análisis

con H 0

TALCA

Grava de cantos sub-redondeados a sub-angulares , de tamañomáxi mo 3”, presenci a de bolones de has ta 10” aproxi madamente y sin

recuperación de matriz. Se observa una arena en el retorno del agua.

Toba fracturada con pómez color amarillo, cl astos polimícticos condistinto grado de alter ación . C on estr atos de roca volcano

sedimentaria de clastos polimicticos con distinto grado de alteración.

Arcilla color café claro, consistencia media y plasticidad baja.

Toba fracturada con pómez color amarillo, cl astos polimícticos condistinto grado de alteración.

Grava de cantos sub-redondeados a sub-angulares , de tamañomáxi mo 3” apr oximadamente y sin recuper ación de matriz. Se observa

una arena en el retorno de agua.Roca volcano sedimentaria fr acturada de dur eza muy baj a, con pómezcolor amarillo, clastos polimicticos con distinto grado de alteraci ón y

cemento color amarillo claro. Se obser van zonas con alto nivel de

meteorización.

Arcilla color café claro, consistencia alta y plasticidad alta.

Grava de cantos sub-redondeados a sub-angulares de tamaño máximo5” aproxi madamente y sin recuperaci ón de matriz. Se obser va una

arena en el retorno de agua.

787 m/s 30 m

787 m/s 30 m

MATANZAS

Arcilla color gris verdoso, consolidada, consistencia alta y plasticidad alta. Presencia de lentes de grava de cantos angulares, tamaño máximo 1 ½”

Arcilla color café claro, consolidada, consistencia alta y plasticidad alta. Presencia de vetas de color rojo amarillento y lentes de arena

cementada .

Arena pobremente graduada color negro grisáceo de compacidad alta. Presencia de lentes de grava de cantos angulares y tamaño máximo

3”.

Arcilla color gris verdoso, consolidado, consistencia alta y plasticidad media.

Arena color gris verdoso, cementada y compacidad alta. Presencia de lentes de arcillas consolidadas

Arcilla color gris claro, consolidada, consistencia alta y plasticidad alta.

Arena color gris verdoso, cementada y compacidad alta. Presencia de vetas color negro. Presencia de lentes de arcillas consolidadas color

gris oscuro.

374 m/s

900m/s 55 m

30 m

374 m/s

900m/s 55 m

30 m

CASABLANCA

Arena color café mal graduada , humedad alta, compacidad media a alta y contenido variable de finos sin plasticidad.

Arcilla color café verdoso, humedad media, consistencia media y plasticidad baja

Arena arcillosa color café, mal graduada, humedad media, compacidad media y plasticidad baja.

Arcilla color café verdoso, humedad media a alta, consistencia media y plasticidad baja.

Arena arcillosa color café, mal graduada, humedad media, compacidad media y plasticidad baja.

Arcilla color café verdoso, consolidada , humedad alta, consistencia alta y plasticidad alta.

Arena color gris, mal graduada, humedad alta, compacidad media a alta y contenido variable de finos sin plasticidad.

Arena color gris, mal graduada, humedad alta, compacidad alta y contenido variable de finos sin plasticidad .

Grava de diversos colores de cantos angulares y sub-angulares , tamaño máximo 2”, sin recuperación de matriz. Se observa arena en el retorno del

agua.

Arcilla color café, humedad alta, consistencia media y plasticidad baja. Presencia de basura.

Arcilla gris verdoso, consolidada , humedad alta, consistencia alta y plasticidad baja .

EMPUJES SÍSMICOS SOBRE

MUROS DE SUBTERRÁNEOS

CONDICIÓN ESTÁTICA

- Empuje en reposo

CONDICIÓN SÍSMICA

Empuje activo (Mononobe – Okabe)

No es consistente

No hay reportes de falla de muros subterráneos

senKo 1

C.3 La componente sísmica del empuje se puede

evaluar usando la siguiente expresión:

gAhC omRs /3,0

DESLIZAMIENTO DE LADERAS

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DE TARAPACÁ 2005, M = 7.8

TERREMOTO DEL MAULE, 2010

Punta Lavapie

Uplift = 1.5 mEl Piure

Uplift = 2.8 m

Slope Failures

ZoneRumena

Uplift = 2.4 m

CO-SEISMIC STATIC DISPLACEMENT FIELD

2010 CHILE EARTHQUAKE

Vigny et al (2011)

FALLA IMPORTANTE DE TALUDES EN ARAUCO

IQUIQUE 2014 – PANAMERICANA ROUTE (RUTA 16)

SLOPE FAILURES ALONG RUTA 16

DOWN STREAM SLOPE ON SANDY SOILS

SLOPE FAILURES ALONG RUTA 16

DOWN STREAM SLOPE ON SANDY SOILS

SLOPE FAILURES ALONG RUTA 16

UP STREAM SLOPE ON SOFT ROCK

ZONA CON PENDIENTE

BAJADA CERRO DRAGÓN

MURO DE CONTENCIÓN COLAPSADO

MURO DE CONTENCIÓN COLAPSADO

EFECTO TOPOGRÁFICO

GEOMETRÍA EN DOBLE TALUD

POSIBLE AMPLIFICACIÓN POR EFECTO TOPOGRÁFICO

MODELACIÓN NUMÉRICA 3D

CAMPO DE DEFORMACIONES POST SISMO

MUCHAS GRACIAS