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LINEA DE INVESTIGACIÓN
“ESTUDIOS DE AMENAZA Y EVALUACIÓN DE ESCENARIOS DE DAÑO”
“ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA”
Por
Diego Fernando García Borrero
Director
Andrés José Alfaro Castillo
Asesor
Víctor Giraldo Calderón
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA CIVIL
2001
LINEA DE INVESTIGACIÓN
“ESTUDIOS DE AMENAZA Y EVALUACIÓN DE ESCENARIOS DE DAÑO”
“ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA”
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA CIVIL
2001
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
RESUMEN
Los registros de sismos recientes en el mundo entero, han demostrado la influencia decisiva de
las condiciones locales del suelo en las características de los movimientos sísmicos registrados
en la superficie del terreno. La ciudad de Bogotá, está localizada en zona de amenaza sísmica
importante, con aceleraciones esperadas de 0.20g en roca, afectada por una variedad de
sistemas de fallas que presentan alguna actividad, principalmente el sistema de fallas de
Guaicaramo. El Instituto Geofísico de la Universidad Javeriana ha emprendido la labor de
estimar los posibles efectos sísmicos locales en el Campus Universitario con el ánimo de
reducir el riesgo sísmico de sus edificaciones esenciales.
Como insumo básico para este fin se elaboró una base de datos geotécnicos extractada de los
estudios de suelos realizados en el Campus, en donde se puede encontrar resultados de ensayos
de laboratorio, y la estratigrafía de 57 perforaciones, realizando así una caracterización
geotécnica. Los espesores de suelo varían entre 4.5m y 20.0m en donde predominan suelos
arcillosos de baja plasticidad (CL) con contenidos de arena y gravas de arenisca de capacidad
portante satisfactoria, además dada la cercanía a los cerros orientales de la ciudad existen zonas
con predominio de materiales coluviales (Qpd); como basamento rocoso se tiene la formación
Bogotá (Tpb), caracterizada por una arcillolita rojiza moderadamente meteorizada.
Los parámetros dinámicos (Vs, G/Gmax, β) se estimaron a partir de los datos geotécnicos
mediante una serie de correlaciones empíricas o curvas teóricas. La herramienta para realizar la
modelación numérica fue el método lineal - equivalente unidimensional programa Shake'91 y
su actualización Proshake versión 1.1.
Los resultados indican que los suelos presentes en el Campus Universitario poseen
características geotécnicas satisfactorias, pero debido a los bajos espesores de suelo y la
localización bastante somera de la Formación Bogotá, los períodos predominantes del suelo
están en el rango de los períodos de los edificios, lo cual es crítico por el fenómeno de
resonancia.
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
AGRADECIMIENTOS
Para hacer posible el desarrollo de este Trabajo de Grado han colaborado diferentes
personas e instancias de la Pontificia Universidad Javeriana a quienes brindo mis más
sinceros agradecimientos, especialmente a:
Al Instituto Geofísico Universidad Javeriana, principalmente a su Director Ingeniero
Andrés José Alfaro Castillo y al Ingeniero Víctor Giraldo Calderón, Director y Jurado del
presente Trabajo de Grado respectivamente, por su colaboración y disponibilidad en todo
momento.
A los arquitectos de la oficina de Planta Física de la Pontificia Universidad Javeriana
Octavio Moreno y Lina Achury, quienes suministraron los estudios de suelos y el plano del
Campus Universitario en medio magnético.
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
PUBLICACIONES PREVIAS
I Congreso Internacional y XII Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniería Civil,
ANEIC 2001. Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia, Marzo 12 – 17
de 2001. Congreso donde se le otorgó el premio a la mejor ponencia en su categoría.
II Congreso Iberoamericano de Ingeniería Sísmica. Madrid, España, Octubre 2001.
Asociación Española de Ingeniería Sísmica.
XIII Congreso nacional de Ingeniería Sísmica. Guadalajara, México, Octubre 31 –
Noviembre 3. Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica.
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE
LAUNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN
NUMÉRICA
ÍNDICE
Pág.
CAPÍTULO 1 1
1.1. INTRODUCCIÓN 1
1.2. ANTECEDENTES 2
CAPITULO 2. EFECTOS SISMICOS LOCALES 3
2.1. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO DEL SUELO 3
2.2. EFECTO DE LA FUENTE 4
2.3. EFECTO DEL MEDIO SOBRE LA TRAYECTORIA DE LA ONDA 5
2.4. EFECTO SISMICO LOCAL 7
2.5. MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE LOS EFECTOS SISMICOS LOCALES 9
2.5.1. MÉTODOS EMPÍRICOS INSTRUMENTALES 9
2.5.1.1. Uso de registros de movimientos sísmicos fuertes 9
2.5.1.2. Uso de registros de movimientos débiles o moderados 18
2.5.1.2.1. Movimiento del suelo en un valle 18
2.5.1.3. Uso de Microtemblores 20
2.5.1.3.1. Relación espectral a un sitio de referencia 24
2.5.1.3.2. Relación Espectral Horizontal/Vertical 26
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
2.5.1.4. Observación en serie de microtemblores (Arrays) 32
2.5.2. MÉTODOS EMPÍRICOS INDIRECTOS 34
2.5.3. MÉTODOS NUMÉRICOS 35
2.5.4. COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LOS SUELOS 37
2.5.4.1. MODULO DE CORTE DINÁMICO (G) 39
2.5.4.2. COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO (D) 40
CAPITULO 3. MODELACIÓN NUMÉRICA DE EFECTOS LOCALES
“MÉTODO LINEAL – EQUIVALENTE UNIDIMENSIONAL” 41
3.1. PROGRAMA SHAKE´91 41
CAPITULO 4. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA Y ESTIMACIÓN DE
PARÁMETROS DINÁMICOS 51
4.1. ESTUDIOS GEOTÉCNICOS Y LOCALIZACIÓN DE SONDEOS 51
4.1.1. FORMACIÓN BOGOTÁ 53
4.2. ENSAYOS DE LABORATORIO 53
4.3. RESULTADO DE LOS ENSAYOS DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) 53
4.4. MATERIALES PREDOMINANTES EN EL CAMPUS UNIVERSITARIO 54
4.5. INVENTARIO DE SONDEOS Y BASE DE DATOS GEOTÉCNICOS 54
4.6. ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS DINÁMICOS DEL SUBSUELO 56
4.6.1. DEFINICIÓN DE LA CURVA DE MÓDULO G Y AMORTIGUAMIENTO
D CONTRA LA γc 56
4.6.2. ESTIMACIÓN DE LA VELOCIDAD DE ONDAS DE CORTE VS 58
4.6.3. SUSCEPTIBILIDAD A LA LICUEFACCIÓN 63
CAPITULO 5. ESTIMACIÓN DE EFECTOS – RESULTADOS 65
5.1. METODOLOGÍA GENERAL DE TRABAJO 65
5.2. SELECCIÓN DE LA SEÑAL SÍSMICA DE ENTRADA 67
5.3. RESULTADOS UNCIONES DE TRANSFERENCIA DEL SUBSUELO 75
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
5.3.1. Acceso Oriental Túnel carrera 7 75
5.3.2. Edificio Facultad de Teología 77
5.3.3. Centro Deportivo – Gimnasio 79
5.3.4. Accesos Vehiculares #1 y #2 Ed. Estacionamientos, Don Guillermo Castro 81
5.3.5. Edificio Centro Oncológico 82
5.3.6. Edificio Lorenzo Uribe (Carrera Séptima Costado Occidental) 82
5.3.7. Edificio Estacionamientos Don Guillermo Castro 84
5.3.8. Edificio Rafael Arboleda (Antiguo Instituto Neurológico) 85
5.3.9. Cafetería Ciencias Básicas 85
5.3.10. Edificio Fernando Barón S.J 87
5.3.11. Proyecto Edificio Aulas y parqueaderos Sector de la Avenida Circunvalar 89
5.3.12. Proyecto Edificio Aulas Cataliña 91
5.3.13. Proyecto Edificio de Aulas y Parqueaderos UNESIS 93
5.3.14. Puente Peatonal Carrera 6 Calle 40 94
CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 95
ANEXOS
ANEXO 1: BASE DE DATOS GEOTÉCNICOS 98
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 123
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 4.1. Inventario de Sondeos en el Campus Universitario 55
Tabla 4.2. Ecuaciones Empíricas de Ohta y Goto (1978) 58
Tabla 4.3. Resumen Propiedades Índice para los suelos del Campus Universitario 64
Tabla 5.1. Sismos utilizados en el proceso de modelación 67
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 2.1.a Zonas severamente dañadas por los sismos de 1957, 1979 y 1985
en Ciudad de México. (Iglesias, 1991) 11
Figura 2.1.b Curvas de igual aceleración máxima resultante (MHAR) para el
sismo de 1988 en Ciudad de México. (Iglesias, 1991) 12
Figura 2.1.c Curvas de igual aceleración máxima resultante (MHAR) para el
sismo de 1988 en Ciudad de México. (Iglesias, 1991) 13
Figura 2.2. Mapa de Periodos dominantes de Ciudad de México. Este mapa
es el resultado de la integración de datos acelerográficos y de microtemblores.
(Lermo y Chávez-García, 1994a). 14
Figura 2.3. Relación entre Ar y To obtenida a partir del promedio de las funciónes
de transferencia empíricas de datos acelerométricos. (Lermo y Chavez-García, 1994a) 15
Figura 2.4. Localización del plano de falla del sismo de Northridge y los contornos
de la aceleración máxima horizontal basado en los registros en roca y en suelo.
(Stewart et al., 1995) 16
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
Figura 2.5. Contornos de la relación espectral de Amplitudes de Fourier para
frecuencias de 0.48 Hz en el valle de Taipei, entre la estación de referencia y los
diferentes puntos. (Wen et al., 1995) 17
Figura 2.6. Resumen de las amplificaciones espectrales promedio para las
componentes vertical(Z), radial(R) y transversal (T) de los movimientos, evaluadas
para la banda de períodos de 0.4 a 2.0s, para los 34 sitios considerados.
(Borcherdt y Glassmoyer, 1992) 19
Figura 2.7. Registros representativos de microtemblores en varios tipos de suelo.
Curvas de distribución del período representativas (Kanai y Tanaka, 1961). 22
Figura 2.8. Comparación de la realación Frecuencia – Período entre sísmos y
microtemblores. (Kanai et al. ,1961) 23
Figura 2.9. Resultados para Ciudad de México, componente EW.
(Lermo y Cháves – García) 27
Figura 2.10. Relaciones Espectrales Horizontal a Vertical.
(Nogoshi e Igarashi, 1971) 28
Figura 2.11. Frecuencias pico de H/V para cada sitio; fn:frecuencia pico para H/V
para la simulación de ruido. (Lachet y Bard, 1994). 30
Figura 2.12. Amplitudes pico de la relación H/V de la simulación de ruido,
An: amplitud pico para H/V con simulación de ruido, As: Amplitud pico de H/V
de ondas S incidentes verticalmente. (Lachet y Bard, 1994). 32
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
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Figura 2.13. Comparación entre H/V-R (linea gruesa) y la amplificación debida
a las ondas S. Figura superior: Naga, figura inferior Miya. La amplificación de ondas
S se ha realizado a diferentes profundidades. (Wakamatsu y Yasui , 1995). 33
Figura 2.14. Comportamiento de los suelos bajo cargas dinámicas 38
Figura 2.15. Curva de variación del módulo de corte dinámico para Arcillas
20% < IP < 40%, según Sun. 39
Figura 2.16. Curva promedio de variación del coeficiente de amortiguamiento
para Arcillas, según Sun. 40
Figura 3.1. Propagación vertical de ondas de corte en un medio unidimensional
semi – infinito estratificado en capas planas (Giraldo, 1998) 42
Figura 3.2. Propagación de la onda de corte (Giraldo, 1998) 44
Figura 4.1. Localización de Sondeos 52
Figura 5.1. Metodología adoptada para el desarrollo del trabajo “Estimación
de Efectos Locales en el Campus de la Universidad Javeriana Mediante Modelación
Numérica” 66
Figura 5.2. Perfil estratigráfico totalmente caracterizado y dato de entrada para
el proceso de modelación. 66
Figura 5.3. Acelerograma sismo: El Centro (1940/05/18) 68
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
Figura 5.4. Acelerograma sismo: Taft Kern Country (1952/07/21) 68
Figura 5.5. Acelerograma sismo: Northridge registrado en Topanga
(1994/01/17) 69
Figura 5.6. Acelerograma sismo: Petrolia (1992/04/25) 69
Figura 5.7. Acelerograma sismo: Loma Prieta registrado en Yerba Buena Island
(1989/17/10) 70
Figura 5.8. Espectro de aceleraciones de Fourier – Sismo El Centro 70
Figura 5.9. Espectro de aceleraciones de Fourier – Sismo Taft 71
Figura 5.10. Espectro de aceleraciones de Fourier – Sismo Northridge registrado
en Topanga 71
Figura 5.11. Espectro de aceleraciones de Fourier – Sismo – Petrolia 72
Figura 5.12. Espectro de aceleraciones de Fourier – Sismo de Loma Prieta registrado
en Yerba Buena 72
Figura 5.13. Contenidos Frecuenciales – Nido de Bucaramanga (Alfaro, 2001) 73
Figura 5.14. Contenidos Frecuenciales – Falla Atrato (Alfaro, 2001) 74
Figura 5.15. Contenidos Frecuenciales – Falla Romeral (Alfaro, 2001) 74
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
Figura 5.16. Contenidos Frecuenciales – Falla Guaicaramo (Alfaro, 2001) 75
Figura 5.17. Funciones de Transferencia Sondeo C01 aC03. Acceso Oriental
Túnel Carrera 7. 76
Figura 5.18. Funciones de Transferencia Sondeo C04 a C07. Facultad de Teología 78
Figura 5.19. Funciones de Transferencia Sondeo C08 a C14. Centro Deportivo
Gimnasio 80
Figura 5.20. Funciones de Transferencia Sondeos C15 y C16. Accesos Vehiculares
Ed. Estacionamientos Don Guillermo Castro 81
Figura 5.21. Funciones de Transferencia Sondeos C19 y C20. Edificio Lorenzo Uribe. 83
Figura 5.22. Funciones de Transferencia Sondeos C23 a C30. Edificio Estacionamientos
Don Guillermo Castro 84
Figura 5.23. Funciones de Transferencia Sondeo C22. Edificio Rafael Arboleda 85
Figura 5.24. Funciones de Transferencia Sondeos C31 y C32. Cafetería Ciencias
Básicas 86
Figura 5.25. Funciones de Transferencia Sondeos C33 a C38. Edificio Fernando
Barón 88
Figura 5.26. Funciones de Transferencia Sondeos C39 a C45. Proyecto Sector
Av. Circunvalar 90
ESTIMACIÓN DE EFECTOS LOCALES EN EL CAMPUS DE LA
UNIVERSIDAD JAVERIANA MEDIANTE MODELACIÓN NUMÉRICA
Figura 5.27. Funciones de Transferencia Sondeos C46 a C49. Proyecto Ed. Cataluña 92
Figura 5.28. Funciones de Transferencia Sondeos C50 a C52. Proyecto Ed. UNESIS 93
Figura 5.29. Funciones de Transferencia Sondeos C53 y C54. Puente peatonal
Carrera 6 Calle 40 94