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MICROZONIFICACIÓN DE MANAGUA - Capítulo 4 : Amplificación del Suelo


Importancia del suelo para la amenaza sísmica

En sismología, se denomina como suelo a las capas superiores de la tierra, conformadas muchas veces de materiales blandos, menos consolidados que las capas rocosas, que son más profundas. La consistencia del suelo juega un papel importante para la evaluación de la amenaza sísmica. En sus capas, las ondas sísmicas sufren cambios muy significativos; generalmente, las capas de suelo se tornan más peligrosas que las capas rocosas.

Amplificación del suelo

La onda sísmica emitida del hipocentro se propaga, sin muchos cambios, hacia el punto B, y el sismograma registra amplitudes pequeñas. No obstante, en el Punto A, sobre el suelo, se registran amplitudes mucho más altas que en B.

Tal efecto puede alcanzar dimensiones dramáticas, como ocurrió en la Ciudad de México durante el terremoto de 1985. En esa ocasión, se destruyeron muchos edificios altos, como hoteles y hospitales, con muchas pérdidas humanas. Los sedimentos blandos de un antiguo lago, sobre el cual está construida la ciudad, amplificaron excesivamente las ondas sísmicas generadas por un terremoto en el Océano Pacífico, a 400 km de distancia. La amplificación ocurrió especialmente en el rango de frecuencias bajas, para las cuales, los mencionados edificios tuvieron una alta sensibilidad.

En el proyecto de Microzonificación, se investigó si un efecto similar podría ocurrir en Managua. A continuación, se expone la determinación de los parámetros del suelo y su efecto en la amplificación de las ondas sísmicas en diferentes zonas de la ciudad. Para investigar los efectos del suelo se aplicaron dos métodos importantes:

1.- Método analítico: Análisis numérico de la amplificación, con base en los parámetros físicos del suelo  (espesores y velocidades de las capas).

2.- Métodos empíricos:

  • Método de referencia: Comparación de los registros instrumentales de sismos, tomados en el sitio de interés, con un sitio de referencia ubicado en roca.

  • Método de Nakamura: Deducción de la amplificación del ruido sísmico en el sitio.

  • Análisis de los datos macrosísmicos sobre la afectación del sitio por terremotos anteriores.

Red de acelerógrafos

Para el proyecto de Microzonificación, se instaló una red de acelerógrafos digitales en Managua, con la cual se registraron los sismos mayores, ocurridos entre 1997 y 1998. En 1999, los mismos acelerógrafos pasaron a conformar la red sísmica acelerográfica de Nicaragua, con estaciones en Managua y en las cabeceras departamentales.

Con los registros de la red temporal, se efectuaron cálculos de la amplificación del suelo con métodos empíricos de la estación de referencia y de Nakamura. En 1997, se efectuaron también jornadas de medición sísmica con perfiles de la refracción sísmica y de la medición de ondas superficiales. Otra jornada de medición se efectuó en 1999, con un conjunto de acelerógrafos que registraron el ruido sísmico en 170 sitios ubicados en toda la ciudad de Managua. Estos datos fueron utilizados para determinar la amplificación del suelo en Managua, con el método de Nakamura.

Parámetros del suelo en Managua

El método analítico requiere de la siguiente información sobre los parámetros del suelo en Managua:

  • Espesor de las capas del suelo blando y de la roca del basamento,

  • Velocidades de las ondas sísmicas en estas capas.

Se pueden usar dos métodos para encontrar esta información:

1.      Derivación de estos parámetros, utilizando datos geotécnicos existentes sobre Managua.

2.      Determinación independiente de los parámetros, con métodos de sismología, por ejemplo, con perfiles de refracción sísmica. Espesores del suelo

En la figura, se aprecia que las capas del suelo suelto tienen un espesor de menos de 5 m. La profundidad del suelo muy compacto se encuentra a menos de 10 m. Fuente:  Estudio Mexicano, 1975.

Se puede concluir que, por lo general, el espesor del suelo suelto en Managua es de menos de 10 metros y, además, que se trata de un suelo relativamente compacto, con velocidades de onda S de más de 250 metros por segundo.

Discusión de los resultados de la amplificación del suelo

Al aplicar varios métodos para investigar la amplificación del suelo en Managua, no se pudo identificar área extensa alguna, en donde se presenten amplificaciones extremas con factores arriba de 3. Además, se verificó que las frecuencias que corresponden a la amplificación máxima, se ubican en la gran mayoría de los sitios investigados en el rango de frecuencias altas, arriba de 8 Hz. Estas frecuencias tienen importancia para construcciones bajas, de un piso. Construcciones importantes, peligrosas cuando colapsan durante un terremoto, se elevan generalmente a 3 pisos o más. Estos edificios tienen frecuencias de resonancia de menos de 3.5 Hz. En este rango de frecuencias, el método analítico y el método de Nakamura no detectaron amplificación alguna.

En comparación con el Este de la ciudad, existen  tendencias de mayor amplificación del suelo y, para frecuencias menores, en el Oeste de Managua; pero, tales tendencias reflejan únicamente efectos menores.

La verdad es que, tanto el método de Nakamura como el analítico, no necesariamente ofrecen resultados correctos, referidos a la afectación de los sitios por terremotos muy cercanos y muy fuertes. Los resultados se tienen que entender en su tendencia, y no se deben tomar los valores como absolutos.

En la evaluación de los resultados técnicos obtenidos, es necesario considerar la aplicación práctica, es decir, bajo qué condiciones es realmente importante la amplificación del suelo.  En la práctica de los diseños sísmicos (por ejemplo, NEHRP, 1997; Nadim, 1999), se clasifican los suelos considerando que, el umbral de frecuencia donde la amplificación del suelo comienza a tener importancia, existe cerca de los 3.5 Hz. Si la frecuencia natural sobrepasa este valor, se puede aplicar el espectro de respuesta desarrollado para un sitio de referencia en roca.

Para una zonificación sísmica, esto significa que, en relación con la amplificación del suelo, se podrían distinguir dos zonas: Zona 1, cuando la frecuencia natural sobrepasa los 3.5 Hz; y Zona 2, cuando la frecuencia natural es menor de 3.5 Hz. Para fines prácticos, los efectos de la respuesta del suelo se consideran sólo para la Zona 2. Bajo esta consideración, basta definir una sola zona, correspondiente a la zona I, para toda Managua.

Sin embargo, se conoce que el método de Nakamura, lo mismo que el método analítico, tienden a subestimar los efectos de terremotos fuertes cercanos. Ambos métodos asumen que las ondas sísmicas entran verticalmente desde abajo, y éste no es el caso para los terremotos muy cercanos que presentan el mayor peligro en Managua. Por eso, se abordó la zonificación también de otra manera, usando la experiencia de la geotécnica (NEHRP, 1997; Faroukh, 1999):

Si se considera la tipificación del suelo como base para la zonificación, se aplican los siguientes tipos:

  • Roca con velocidades Vs de la onda S, por encima de los 700 metros por segundo;

  • Suelo duro y suelo blando con Vs entre 250 y 700 m/s;

  • Suelos muy blandos con Vs entre 130 y 250 m/s;

  • Suelo extremo con Vs menos de 130 m/s.

(Vs es la velocidad promedio en las capas superficiales del suelo, las superiores a 30 m).

En toda Managua, las capas del suelo tienen únicamente un espesor de menos de 10 metros. Además, las velocidades en estas capas se mantienen arriba de los 250 metros por segundo.  Es así que se puede hablar de la existencia de un suelo duro en toda Managua. De esta consideración, resulta también que basta definir una sola zona para toda Managua.

En resumen, la investigación de la amplificación del suelo en Managua obtuvo el resultado de que, desde este punto de vista, se define una sola zona para toda la ciudad de Managua.

En relación con el espectro de diseño usado en la ingeniería, se recomienda en esta zona, es decir, para toda Managua, multiplicar por 2/3 el espectro de amenaza uniformada, para obtener el espectro de diseño, de interés para la ingeniería y la construcción.

No obstante, pueden existir zonas restringidas en Managua, donde ocurren mayores amplificaciones.  De modo que se recomienda efectuar un análisis de amplificación del suelo para todos los proyectos de construcción importantes.

a) Analítico, Amplificación, fnat > 7Hz

     

b) Nakamura, Amplificación, fnat = 7-10 Hz

          
 

c) Nakamura, Amplificación, fnat = 0.5-3.5 Hz

                
 

d) Nakamura, Amplificación, fnat = 3.5-7 Hz

     

e) Método analítico

          
 

NOTAS :

a, b, c, d. Amplificación del suelo

Sólo los puntos rojos representan sitios con  amplificación alta (más de 3). En el caso del método analítico, la amplificación se refiere, en la gran mayoría de los puntos, a frecuencias muy altas, arriba de 8 Hz. Con ninguno de los dos métodos se detectan áreas con amplificación anómala. Los puntos aislados con amplificación alta pueden resultar de errores de medición, de equivocaciones en el tratamiento de datos o de una anomalía muy local.

Frecuencias naturales - Método analítico y de Nakamura

Se encontraron muy pocos puntos aislados con frecuencias de amplificación máxima debajo de los 3.5 Hz. La mayoría de los puntos presenta amplificación máxima arriba de 6 Hz.

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