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RAZÓN DE MOVIMIENTO HORIZONTAL SOBRE VERTICAL (H/V) PARA SISMOS FUERTES Christian Malaga Chuquitaype* Reyes Garcia Lopez Oscar J. Gómez Rueda *[email protected] RESUMEN La razón de espectro horizontal versus vertical (H/V) obtenida mediante vibraciones ambientales ha sido extensivamente empleada para caracterizar efectos locales de sitio con especial énfasis en depósitos sedimentarios blandos. El presente artículo presenta y discute los resultados de relaciones H/V para sismos fuertes usando estaciones en roca y suelo blando de la base de datos de la red KIK-net (Japón) en la que se cuenta con perfiles completos del suelo e instrumentos localizados en profundidad y superficie. Se comparan valores pico, espectros de respuesta y de Fourier y se concluye discutiendo brevemente la metodología propuesta por Zhao et al. (2006) para clasificación de sitio. ABSTRACT The ratio of vertical over horizontal ground motion (H/V) by means of ambient vibrations has been extensively used to characterize site effects, especially for soft sedimentary basins. The present paper presents and discusses the H/V ratios for strong ground motions from the KIK-net database (Japan), where complete soil profiles are available. Peak values are compared, as well as the response and Fourier spectra. Finally, the site characterization method proposed by Zhao et al (2006) is briefly discussed. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1. INTRODUCCIÓN La técnica de relación espectral de movimiento horizontal versus vertical (H/V) es extensivamente empleada para caracterizar efectos sísmicos de sitio con especial énfasis en la determinación del periodo fundamental de depósitos sedimentarios blandos (Bonnefoy-Claudet et al., 2006). Algunos códigos de diseño sugieren una relación V/H constante en todo rango de frecuencias asignando un valor del orden de 2/3. Sin embargo, recientes estudios en California (Bozorgnia y Campbell, 2004) han demostrado que la relación V/H es altamente influenciada por el periodo natural, las condiciones de sitio y la distancia a la fuente sismo-génica. Mas aún, Bozorgnia y Campbell (2004) encontraron una menor influencia de la magnitud, mecanismo de falla y profundidad de sedimentos en sus resultados. Otras investigaciones para relaciones espectrales H/V han usado micro-trepidaciones como una alternativa para describir las características dinámicas de la estructura del suelo (Sato et al., 2004). Motivados por esa tendencia, el presente reporte presenta los resultados del estudio de relaciones H/V para dos estaciones particulares de la red KIK-net del Japón, una en suelo y otra en roca. Diez sismos han sido seleccionados para cada sitio y los correspondientes hallazgos son discutidos. 1.1. LA RELACIÓN H/V PARA SISMOS FUERTES El uso de la relación espectral H/V para sismos fuertes ha sido comparada con la relación de espectros en superficie y profundidad (Aldea et al., 2004). Ambas técnicas son comúnmente usadas actualmente para evaluar la respuesta sísmica de sitio, especialmente para identificar los periodos fundamentales de vibración del suelo (aquellos relacionados con un pico en la curva H/V). Más aun, los resultados de ambos métodos son coherentes y demuestran que los sismos fuertes también pueden ser empleados con relativa confiabilidad para estimar la respuesta de sitio. Bard et al. (2004) procesaron registros de vibraciones ambientales y sismos fuertes para varios sitios comparando las relaciones H/V. En su estudio, Bard et al. (2004) encontraron que para casi el 90% de los casos, las relaciones H/V a partir de ruido permiten identificar la frecuencia fundamental y que para el mismo porcentaje de casos analizados la amplitud pico de amplificación es menor que la encontrada cuando las razones espectrales de sitio versus emplazamiento de referencia (afloración rocosa) son calculadas. Por otro lado, estudios basados en extensas bases de datos japonesas (Shirai et al., 2004) reconocen la necesidad de incluir especificaciones de diseño para acciones verticales en códigos futuros. Más aún, refuerza el criterio de considerar demandas sísmicas específicas incluyendo fuente, sitio y estructura en consideración. 1.2. LA RELACIÓN V/H PARA ESPECTROS DE RESPUESTA Las características V/H han sido investigadas por algunos autores. En particular, los estudios hechos por Bozorgnia y Nazi (1993) y Bozornia et al. (1995,1996) demuestran que la relación V/H es muy sensible al periodo espectral y la distancia de la falla con un pico distinto para periodos cortos. Silva (1997) explora los efectos de la magnitud, distancia, condiciones locales de sitio y tectónica sobre la diferencia en las formas de los espectros de respuesta de aceleraciones verticales y horizontales. Todos estos estudios encuentran que el ratio V/H es altamente dependiente del periodo aunque ciertas contradicciones son aun relevantes en cuanto a su dependencia de magnitud y distancia. Campbell (1985) ya había sugerido que la práctica común de asignar un valor de 2/3 al ratio V/H debería ser reevaluada. Sin embargo, y a pesar de toda la evidencia anterior no ha sido posible introducir modificaciones en los códigos y mejorar las especificaciones quizás debido a razones históricas (tendencia a despreciar la carga vertical en el diseño). Por otro lado, algunos esfuerzos incipientes para mejorar esa concepción han sido hechos en la última década: el Eurocode (EC, 1998) permite que la relación V/H sea reducida de 2/3 para periodos cortos a 1/2 para periodos largos, el UBC (1997) sugiere el uso de espectros de respuesta verticales específicos y, Bozorgnia y Campbell (2004) han desarrollado ecuaciones empíricas para predecir ratios H/V en base a datos de California.

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RAZÓN DE MOVIMIENTO HORIZONTAL SOBRE VERTICAL (H/V) PARA SISMOS FUERTES

Christian Malaga Chuquitaype*

Reyes Garcia Lopez Oscar J. Gómez Rueda

*[email protected] RESUMEN

La razón de espectro horizontal versus vertical (H/V) obtenida mediante vibraciones ambientales ha sido extensivamente empleada para caracterizar efectos locales de sitio con especial énfasis en depósitos sedimentarios blandos. El presente artículo presenta y discute los resultados de relaciones H/V para sismos fuertes usando estaciones en roca y suelo blando de la base de datos de la red KIK-net (Japón) en la que se cuenta con perfiles completos del suelo e instrumentos localizados en profundidad y superficie. Se comparan valores pico, espectros de respuesta y de Fourier y se concluye discutiendo brevemente la metodología propuesta por Zhao et al. (2006) para clasificación de sitio.

ABSTRACT The ratio of vertical over horizontal ground motion (H/V) by means of ambient vibrations has been extensively used to characterize site effects, especially for soft sedimentary basins. The present paper presents and discusses the H/V ratios for strong ground motions from the KIK-net database (Japan), where complete soil profiles are available. Peak values are compared, as well as the response and Fourier spectra. Finally, the site characterization method proposed by Zhao et al (2006) is briefly discussed. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. INTRODUCCIÓN La técnica de relación espectral de movimiento horizontal versus vertical (H/V) es extensivamente empleada para caracterizar efectos sísmicos de sitio con especial énfasis en la determinación del periodo fundamental de depósitos sedimentarios blandos (Bonnefoy-Claudet et al., 2006). Algunos códigos de diseño sugieren una relación V/H constante en todo rango de frecuencias asignando un valor del orden de 2/3. Sin embargo, recientes estudios en California (Bozorgnia y Campbell, 2004) han demostrado que la relación V/H es altamente influenciada por el periodo natural, las condiciones de sitio y la distancia a la fuente sismo-génica. Mas aún, Bozorgnia y Campbell (2004) encontraron una menor influencia de la magnitud, mecanismo de falla y profundidad de sedimentos en sus resultados. Otras investigaciones para relaciones espectrales H/V han usado micro-trepidaciones como una alternativa para describir las características dinámicas de la estructura del suelo (Sato et al., 2004). Motivados por esa tendencia, el presente reporte presenta los resultados del estudio de relaciones H/V para dos estaciones particulares de la red KIK-net del Japón, una en suelo y otra en roca. Diez sismos han sido seleccionados para cada sitio y los correspondientes hallazgos son discutidos. 1.1. LA RELACIÓN H/V PARA SISMOS FUERTES El uso de la relación espectral H/V para sismos fuertes ha sido comparada con la relación de espectros en superficie y profundidad (Aldea et al., 2004). Ambas técnicas son comúnmente usadas actualmente para evaluar la respuesta sísmica de sitio, especialmente para identificar los periodos fundamentales de vibración del suelo (aquellos relacionados con un pico en la curva H/V). Más aun, los resultados de ambos métodos son coherentes y demuestran que los sismos fuertes también pueden ser empleados con relativa confiabilidad para estimar la respuesta de sitio. Bard et al. (2004) procesaron registros de vibraciones ambientales y sismos fuertes para varios sitios comparando las

relaciones H/V. En su estudio, Bard et al. (2004) encontraron que para casi el 90% de los casos, las relaciones H/V a partir de ruido permiten identificar la frecuencia fundamental y que para el mismo porcentaje de casos analizados la amplitud pico de amplificación es menor que la encontrada cuando las razones espectrales de sitio versus emplazamiento de referencia (afloración rocosa) son calculadas. Por otro lado, estudios basados en extensas bases de datos japonesas (Shirai et al., 2004) reconocen la necesidad de incluir especificaciones de diseño para acciones verticales en códigos futuros. Más aún, refuerza el criterio de considerar demandas sísmicas específicas incluyendo fuente, sitio y estructura en consideración. 1.2. LA RELACIÓN V/H PARA ESPECTROS DE

RESPUESTA Las características V/H han sido investigadas por algunos autores. En particular, los estudios hechos por Bozorgnia y Nazi (1993) y Bozornia et al. (1995,1996) demuestran que la relación V/H es muy sensible al periodo espectral y la distancia de la falla con un pico distinto para periodos cortos. Silva (1997) explora los efectos de la magnitud, distancia, condiciones locales de sitio y tectónica sobre la diferencia en las formas de los espectros de respuesta de aceleraciones verticales y horizontales. Todos estos estudios encuentran que el ratio V/H es altamente dependiente del periodo aunque ciertas contradicciones son aun relevantes en cuanto a su dependencia de magnitud y distancia. Campbell (1985) ya había sugerido que la práctica común de asignar un valor de 2/3 al ratio V/H debería ser reevaluada. Sin embargo, y a pesar de toda la evidencia anterior no ha sido posible introducir modificaciones en los códigos y mejorar las especificaciones quizás debido a razones históricas (tendencia a despreciar la carga vertical en el diseño). Por otro lado, algunos esfuerzos incipientes para mejorar esa concepción han sido hechos en la última década: el Eurocode (EC, 1998) permite que la relación V/H sea reducida de 2/3 para periodos cortos a 1/2 para periodos largos, el UBC (1997) sugiere el uso de espectros de respuesta verticales específicos y, Bozorgnia y Campbell (2004) han desarrollado ecuaciones empíricas para predecir ratios H/V en base a datos de California.

2. SELECCIÓN DE SITIOS Y REGISTROS Uno de los principales problemas que la comunidad científica encuentra es la falta de datos confiables de sismos fuertes. Sin embargo, nuevos y sofisticados instrumentos han sido instalados en algunos países desarrollados. La Kyoshin Network (KIK-net) se constituye en una buena opción para obtener registros de sitios en los que además se cuenta con datos del suelo extraídos a través de excavaciones y exploración directa de los sitios instrumentados. Dos sitios de la mencionada red han sido seleccionados para el presente estudio, uno en suelo y otro en roca. Las estaciones están localizadas cerca de la costa sur de Japón y las características generales de cada estación se pueden ver en la Tabla 1 mientras la Figura 1 nos muestra las velocidades de ondas de corte (Vs) en las columnas de suelo del emplazamiento. Los criterios para la selección de estaciones fue: 1) existencia de datos de suelo (columna estratigráfica,

velocidades de ondas P y S) 2) existencia de registros con valores importantes de

aceleración máxima que permitan disminuir los efectos del ruido en el registro.

3) variedad de distancias del sitio a la falla.

Figura 1. Distribución de velocidades de ondas de corte en

altura para las estaciones WKY07 en suelo y YMGH01 en roca.

Tabla 1. Características generales de los sitios seleccionados para el presente estudio.

Tipo suelo Código Latitud Longitud

Altitud Superficie (m)

Prof. (m) Instalación

Suelo WKYH07 33.6861 135.4424 22 100 Roca YMGH01 34.0461 131.5642 35 200

Algunas dificultades se encontraron al momento de seleccionar los sitios dado que varios datos de la red KIK-net aun no están disponibles y la mayoría de las estaciones existentes se localizan en suelo duro o roca. Un conjunto de 10 acelerogramas en superficie y 10 en profundidad fueron seleccionados para cada sitio en cada dirección horizontal (N-S y E-O) y vertical, haciendo un total de 120 registros procesados en el presente estudio. Los registros corresponden al periodo comprendido entre Enero y Diciembre de 2005 para eventos con magnitudes [Mw] mayores a 3 y con distancias epicentrales que varian entre 9 y 499 km. Los valores de aceleración se encuentran entre 1 y 239 gals (1 gal =0.01 m/s2). Los detalles de los registros y sismos seleccionados se aprecian en las Tablas 2 y 3.

Tabla 2. Registros de sismos en suelo.

ID Aceleración máxima [gals]

Distancia epicentral [km]

Profundidad [km]

Magnitud Mw

1 14.3 67 70 5.3 2 11.9 103 146 6.2 3 10.6 17 17 3.3 4 13.3 133 9 7.0 5 01.0 499 38 6.9 6 02.5 158 42 5.6 7 37.5 106 51 6.4 8 05.9 213 11 7.3 9 19.0 27 17 4.0 10 08.0 36 19 3.8

Tabla 3. Registros de sismos en roca.

ID Aceleración máxima [gals]

Distancia epicentral [km]

Profundidad [km]

Magnitud Mw

1 33.6 176 41 6.4 2 109.3 169 44 7.4 3 111.0 146 38 6.9 4 59.5 16 23 4.3 5 32.6 31 25 4.6 6 36.0 19 21 3.8 7 70.5 63 10 3.2 8 239.0 30 55 4.2 9 75.5 9 46 4.8

10 93.3 24 60 3.6 3. PROCESAMIENTO DE REGISTROS Se desarrollo un software en MatLab® con el objetivo de: a) pre-procesar el registro original (filtrado, integración, evaluación de relación ruido/señal, etc.); b) procesamiento del registro (obtención de espectros de Fourier y espectros de respuesta y seudo- respuesta, suavizado o “smoothing”, etc). En la mayor parte de los casos la ventana temporal de ruido se seleccionó por inspección directa del pre-evento en la historia de aceleraciones, aunque en ciertos casos se empleo una porción del coda. De igual modo, la selección del intervalo de frecuencias apropiado (es decir, el rango en el que la relación señal-ruido excedía un determinado nivel) se efectuó por comparación directa de los espectros de Fourier. Se empleó filtro tipo butterfly y la integración de la señal se realizó con el objeto de obtener las historias de desplazamientos y velocidades y también con aras de verificar la estabilidad de los códigos de integración y evaluar la mejor forma de efectuar la corrección de línea base.

Figura 2. Interfaz grafica de usuario: filtrado de la componente

E-O de un evento de Mw 7.3 con distancia epicentral 213 km en roca. Historia de aceleraciones (arriba) relación ruido/señal

(abajo)

Figura 3. Interfaz grafica de usuario: relaciones H/V para

espectros de Fourier (izquierda) y de respuesta (derecha) de un evento de Mw 7.4 con una distancia epicentral de 169 km con

suavizado de 121 puntos.

Reconociendo que no se cuenta con una respuesta conclusiva respecto de la combinación mas apropiada de las dos componentes horizontales, en el presente estudio se empleó una combinación geométrica hecha en el dominio de las frecuencias. 4. COMPARACIÓN DE MOVIMIENTO

HORIZONTAL Y VERTICAL (H/V) 4.1. COMPARACIÓN DE VALORES PICO Luego de su respectiva integración, los valores pico de desplazamiento, velocidad y aceleración fueron comparados. Los valores calculados se presentan en las Tablas 4 y 5 para suelo y roca respectivamente. Se realizaron análisis preliminares y se observó que la distribución de ratios obedecía a una distribución log-normal. Por lo tanto, la media y la desviación estándar fueron calculadas sobre los logaritmos de los valores mostrados. En general, se observaron algunos valores extremos para el ratio H/V aunque estos se restringen a la componente Este-Oeste presentado las componentes Norte-Sur tienen un comportamiento más restringido. Tabla 4. Ratios de valores pico horizontal versus vertical (acel:

aceleración, vel: velocidad y des: desplazamiento) suelo.

ID

Ratio H/V Máximo valor pico

horizontal/ valor pico vertical

Ratio H/V Valor pico Norte-

Sur/ valor pico vertical

Ratio H/V Valor pico Este-Oeste/ valor pico

vertical Acel Vel Des Acel Vel Des Acel Vel Des 1 1.4 1.6 2.1 1.4 1.6 2.1 1.2 1.4 1.8 2 1.6 2.4 3.5 1.6 2.4 3.5 1.1 1.8 3.2

3 4.1 6.1 4.3 4.1 6.1 4.3 2.4 2.4 2.6 4 65.1 72.5 60.1 7.7 11.2 10.3 65.1 72.5 60.1 5 36.5 70.3 80.9 2.1 2.9 4.2 36.5 70.3 80.9

6 4.0 7.5 5.5 2.2 3.0 2.9 4.0 7.5 5.5 7 121.7 165.5 94.0 2.2 2.2 0.3 121.7 165.5 93.9 8 3.4 3.0 1.1 1.9 1.7 1.1 3.4 3.0 0.8

9 3.2 3.5 1.0 2.4 2.6 0.9 3.2 3.5 1 10 3.5 4.3 1.5 2.1 3.3 1.5 3.5 4.3 1.4

Med

ia

7.3 9.6 6.5 2.4 3.1 2.1 6.5 8.4 5.8

- 1 S

t Dev

0.67 0.54 0.93 0.68 0.58 1.30 0.82 0.68 1.12

Tabla 5. Ratios de valores pico horizontal versus vertical (acel: aceleración, vel: velocidad y des: desplazamiento) roca

ID

Ratio H/V Máximo valor pico horizontal/ valor

pico vertical

Ratio H/V Valor pico Norte-

Sur/ valor pico vertical

Ratio H/V Valor pico Este-Oeste/ valor pico

vertical Acel Vel Des Acel Vel Des Acel Vel Des

1 2.3 3.3 1.5 2.3 3.3 1.0 1.6 1.7 1.5 2 2.4 2.7 4.4 2.1 1.9 1.5 2.4 2.7 4.4 3 2.9 1.6 1.8 2.9 1.6 1.2 1.9 1.0 1.8

4 2.0 2.2 1.8 2.0 2.2 2.8 1.0 1.4 1.0 5 2.4 3.2 2.6 1.6 2.4 2.2 2.4 3.2 2.6 6 1.7 2.6 1.9 1.7 2.6 1.9 1.6 1.7 1.3

7 1.8 0.9 0.9 1.8 0.9 0.9 1.7 0.8 0.9 8 2.7 1.1 2.6 1.5 0.6 1.2 2.7 1.1 2.6 9 1.6 3.5 4.9 1.6 3.5 4.9 1.2 2.0 2.7

10 0.9 1.3 1.2 0.6 1.3 1.2 0.9 0.8 0.7

Med

ia

2.0 2.0 2.1 1.7 1.8 1.6 1.6 1.5 1.7

- 1 S

t Dev

0.71 0.81 0.82 0.89 0.98 1.04 0.89 1.10 1.07

Los valores pico (velocidad y desplazamiento) son altamente sensibles a la relación señal/ruido y ello en cierta medida explicaría el comportamiento extremo en algunos ratios H/V. Sin embargo, el hecho de que sólo se presente en una componente de las dos horizontales sugeriría un origen instrumental. 4.2. COMPARACIÓN H/V EN VALORES

ESPECTRALES Y FRECUENCIA DE RESONANCIA La señal filtrada fue sometida a un análisis de Fourier. Luego de combinar los dos componentes horizontales por medio de un promedio cuadrático, los ratios H/V fueron determinados y sobre ellos fue empleada una técnica de detección de picos que permitiera determinar las frecuencias correspondientes a valores pico en la relación espectral H/V. Del mismo modo los espectros de respuesta (con 5% del amortiguamiento crítico) fueron calculados y la detección de picos fue también aplicada sobre su respectivo ratio H/V. Tabla 6. Frecuencias fundamentales y valores de amplificación

para relación H/V de espectros de Fourier y de respuesta de aceleraciones con 5% de amortiguamiento para suelo.

H/V Fourier H/V Fourier Evento Suavizado

41 pts Suavizado

121 pts

H/V Espectro Respuesta

ID Dist. [km]

Mag. Mw

Frec. [Hz] Ampl. Frec.

[Hz] Ampl. Frec. [Hz] Ampl.

1 9 4.8 3.0 5.8 3.1 4.85 2.7 5.7 2 16 4.3 3.1 6.9 3.3 5.45 3.3 5.4 3 19 3.8 3.2 12.3 3.0 8.4 2.9 5.5 4 24 3.6 3.3 360 2.7 164 3.15 174 5 30 4.2 3.0 220 3.2 150 3.15 170 6 31 4.6 3.1 17.7 3.0 13.4 3.10 10 7 63 3.2 3.3 1320 3.1 690 3.25 560 8 146 6.9 3.1 13.3 3.1 8.1 3.0 7.6 9 169 7.4 2.9 19.2 3.0 15.2 3.0 12.4

10 176 6.4 3.0 13.9 3.1 14.4 3.1 12.6 Mediana 3.10 35.56 3.06 24.84 3.06 22.50

Desv. Estándar (LOG) 0.019 0.813 0.023 0.741 0.025 0.753 Para el sitio con localizado en suelo, la frecuencia pico identificada es de 3.10 Hz con una desviación estándar sobre la distribución log-normal de 0.02 para los espectros de Fourier. En el caso de los espectros de respuesta, la frecuencia fundamental identificada es de 3.06 Hz con 0.025 de desviación

estándar. Esta coincidencia de resultados sugiere que el ratio de espectros de respuesta con 5% del amortiguamiento crítico (el equivalente al “smoothing” en el espectro de Fourier) puede ser empleado con confiabilidad para determinar frecuencias de resonancia. Por otro lado los valores de amplificación para los registros usados en el presente trabajo no están bien definidos y, serían de poca relevancia para la ingeniería práctica. En el caso del sitio en roca, los espectros mostraron un comportamiento bastante aleatorio con múltiples picos, como el presentado en la Figura 4, lo que impidió una correcta identificación de la frecuencia fundamental del sitio.

Figura 4. Relación H/V para espectros de respuesta en roca

4.3. SENSIBILIDAD DE RESULTADOS 4.3.1. Sensibilidad a la relación señal/ruido Con la finalidad de identificar la relación señal versus ruido, diferentes ventanas de ruido fueron seleccionadas para su comparación con la señal tanto en el coda como en la parte pre-evento del registro. Las decisiones fueron hechas en función de un ratio señal-ruido superior a 3 para definir las frecuencias limites a filtrar. Valores de frecuencia entre 0.05 Hz a 47 Hz para eventos con magnitud 7 Mw y entre 0.2 Hz hasta 60 Hz para eventos de 3 Mw fueron identificados. Sin embargo, un filtro “band-pass” entre 0.1 y 50 Hz fue finalmente empleado para todas las señales dando lugar a diversos ratios de ruido. A pesar de ello, los resultaos evidencian la poca sensibilidad de la técnica H/V al contenido de ruido de la señal. 4.3.2. Sensibilidad al suavizado o “smoothing” Dos rangos de suavizado fueron empleados (41 y 121 puntos) y a pesar de la gran variación en la forma final del espectro de Fourier, las variaciones en las frecuencias resonantes son menores. Del mismo modo, el suavizado no disminuyó las dificultades relacionadas a los múltiples picos en el sitio rocoso. 4.3.3. Variación de frecuencia fundamental con

magnitud y distancia De los resultados obtenidos y resumidos en las Figuras 5 y 6, es evidente que tanto la magnitud como la distancia epicentral tienen poca influencia en el valor de la frecuencia fundamental del sitio, lo que se muestran concordantes con la propuesta de Zhao et al. (2006) discutida más adelante.

Fundamental frequency vs Magnitude

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

9 16 19 24 30 31 63 146 169 176Distance

Fund

amen

tal f

requ

ency

Smoothing [41 points] Smoothing [121 points] Response spectra

Figura 5. Variación de la frecuencia fundamental H/V respecto

de la distancia epicentral

Fundamental frequency vs Magnitude

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

3.2 3.6 3.8 4.2 4.3 4.6 4.8 6.4 6.9 7.4Magnitude

Fund

amen

tal f

requ

ency

Smoothing [41 points] Smoothing [121 points] Response spectra Figura 6. Variación de la frecuencia fundamental H/V respecto

de la magnitud Mw 4.4. COMPARACIÓN CON VALORES TEÓRICOS DE

FUNCIONES DE TRANSFERENCIA DE FOURIER (ONDAS PLANAS DE INCIDENCIA VERTICAL)

Dado que se disponía de datos de velocidad de ondas de corte a lo largo de toda la columna de suelo hasta la roca subyacente, la función de transferencia teórica se calculo por medio del programa EERA (Bardet et al., 2000), La excitación fue definida como una función Delta de Dirac (cuya transformada de Fourier involucra todas las frecuencias). Las profundidades van hasta los 200 y 100 metros para los sitos en roca y suelo respectivamente, y se empleó un modelo no-lineal equivalente para el suelo. Los resultados se muestran en la Figura 7.

0

0.025

0.05

0.075

0.1

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00

Fre que ncy (Hz )

Fo

uri

er A

mp

litu

de

Sp

ectr

um

Soft Soil Site

Rock Soil Site

Figura 7. Función de transferencia de Fourier calculada con el software EERA (Bardet et al., 2000) para sitio en suelo (línea

oscura) y roca (línea tenue). Frecuencias en Hz E-2. La frecuencia fundamental teórica es de 2.9 Hz para el suelo, resultado congruente con los cálculos de H/V expuestos previamente. Para el caso del emplazamiento en roca, la frecuencia fundamental es imposible de identificar dado que presenta un espectro de Fourier prácticamente constante. Además, si consideramos solamente los 30 metros superficiales como es sugerido en algunos códigos (ejem. NEHRP) la frecuencia fundamental hallada es de 2.8 Hz. Dicha similitud de frecuencias, sin embargo, no debe tomarse como recurrente ya que en algunos casos la determinación de la frecuencia fundamental basada en los 30 primeros metros de suelo dista ostensiblemente de la frecuencia de amplificación real (Malaga, 2006). 5. DISCUSIÓN DE LA METODOLOGÍA

PROPUESTA POR ZHAO ET AL. (2006) PARA LA CLASIFICACIÓN DE SITIOS

Basados en datos de otra red japonesa (K-net) Zhao et al. (2006) presentan un esquema de clasificación de sitios en función del periodo dominante asumiendo un modelo de una sola capa. Ratios H/V para espectros de respuesta al 5% del amortiguamiento crítico fueron calculados para suelo firme intermedio y blando.

Basados en la información estadística, un índice de clasificación de sitio es planteado en función de las amplitudes medias de la relación espectral H/V, y las correspondientes desviaciones estándar son propuestas como una herramienta útil para estimar la clase de suelo. Se reporta que la metodología es particularmente eficiente para suelos duros y rocas y; en efecto, el periodo calculado para el suelo de acuerdo con la metodología de Zhao et al. (2006) es de 0.28 segundos, siendo congruente con nuestros resultados (0.3 segundos). Por otro lado, conclusiones respecto al sito en roca serian mucho mas arriesgadas dado la inexistencia de un pico claro en el espectro H/V. En efecto, el contraste de velocidades en el sitio clasificado como roca es muy pequeño y los resultados sugieren que la técnica H/V no sería eficiente para estimar la frecuencia fundamental. Más aún, en base a la velocidad de ondas de corte (Vs > 1000 m/s) y los picos de algunos ratios H/V, es evidente que el sitio tiene un periodo muy por debajo del periodo limite de 0.2 segundos que se obtendría al aplicar la metodología propuesta por Zhao et al. (2006) 6. CONCLUSIONES Los ratios H/V para valores pico hallados en el presente estudio son fuertemente influenciados por algunos valores extremos (especialmente en la dirección Este-Oeste) que podrían ser explicados por orígenes instrumentales. Las relaciones H/V a una desviación estándar para aceleración, velocidad y desplazamientos fueron: 0.67, 0.54 y 0.93 respectivamente para suelo y 0.71, 0.81 y 0.82 para suelo muy duro. La frecuencia fundamental del sitio en suelo obtenida en base a la relación espectral H/V es de 3.09 Hz y se encuentra bien definida estadísticamente. Sin embargo la identificación de la frecuencia de resonancia para el sitio en roca fue dificultosa. Adicionalmente, si bien los picos del espectro H/V son útiles para determinar las frecuencias fundamentales del sito, la amplitud de la amplificación obtenida no debe ser usada para evaluar el potencial de amplificación en estudios de ingeniería. Una ventaja del método de Zhao et al. (2006) que ha sido verificada en los dos casos estudiados es que la predicción basada en los espectros de respuesta de aceleración (con 5% de amortiguamiento que actúa como el suavizado en los espectros de Fourier) arroja resultados aceptables. Es reconocido que el concepto de espectros de respuesta resulta mucho más familiar para la mayoría de ingenieros civiles en nuestro medio. A pesar de los resultados congruentes en el caso de suelos blandos y semi-duros, la metodología de Zhao et al., (2006) no predice aceptablemente la frecuencia fundamental de emplazamientos en roca para la estación considerada en el presente estudio. Adicionalmente, y aunque la dolencia es común para otros fenómenos, la metodología podría mejorarse especificando la manera mas conveniente de combinar las componentes horizontales de los registros. Digno de nota, una fortaleza del método de Zhao et al. (2006) es que el suelo no sólo se clasifica en función de la velocidad promedio de ondas de corte sobre los primeros 30 metros (V30). Los valores sobre los 30 metros son normalmente considerados en los códigos en razón de ser la profundidad estimada de excavación para un día de trabajo (USA), pero ha sido demostrado que diferentes tipos de suelo con contrastes de velocidades muy disímiles pueden dar la misma velocidad promedio a 30 metros. Más aun, en la mayoría de casos la velocidad no es medida de manera directa sino obtenida de manera indirecta. La propuesta de caracterizar un sitio no solo en función de su V30 sino adicionalmente usando información referida a la respuesta del suelo frente a sismos fuertes o vibraciones ambientales es, a todas luces, un paso importante.

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