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Incertidumbres en la clasificacin dinmica de suelos en terrenos
inclinados usando la tcnica MASW
Edgar Giovanny Diaz-Segura (1); Nelson Matas Reyes (2)
(1) Doctor en Ciencias de la Ingeniera, Profesor Pontificia
Universidad Catlica de Valparaso
(2) Ingeniero Civil, Pontificia Universidad Catlica de Valparaso
[email protected] - Av. Brasil 2147, Piso 4, Valparaso
Resumen
La velocidad de propagacin de onda de corte, Vs, es usada en
muchos cdigos de diseo como uno de los parmetros para realizar la
clasificacin dinmica de un suelo. Sin embargo, la normativa vigente
no especfica ciertos aspectos en el procedimiento de medicin que
cobran importancia cuando se requiera clasificar un terreno natural
inclinado. Para la medicin de Vs existen diferentes tcnicas, como
la MASW, que por su rapidez y costo son una alternativa ampliamente
usada en la prctica profesional. El uso de esta tcnica de medicin
en terrenos inclinados presenta algunas variantes respecto a un
terreno plano, principalmente en la configuracin del ensayo. En el
presente trabajo se realiza una evaluacin de las incertidumbres
asociadas a la clasificacin dinmica en terrenos inclinados usando
la tcnica MASW como ensayo complementario para la obtencin de Vs30
siguiendo la normativa vigente (NCh433DS61). A partir del anlisis
realizado se detect la necesidad de establecer un criterio anexo
que permita definir una profundidad mnima de exploracin en trminos
de la pendiente media del terreno. Finalmente, se observ mediante
una campaa de medicin que para la calidad y confiabilidad de la
medicin de Vs est condicionada, entre otros aspectos, a la
configuracin del ensayo. Palabras-Clave: Clasificacin dinmica de
suelos; MASW; Mtodos geofsicos; Vs30; Velocidad de onda de
corte
Abstract
The shear-wave propagation velocity of a soil, Vs, is used in
many design codes as one of the parameters for the seismic site
classification. However, the design codes do not specify certain
aspects of the survey procedure to become important when required
to classify a sloped terrain. There are different techniques for
measuring of Vs, like MASW, which by their fast implementation and
cost are widely used in professional practice. The use of this
measurement technique on sloped terrain presents some differences
with respect to a horizontal terrain, mainly in the survey
configuration. In this paper an assessment of the uncertainties
associated with the seismic site classification on sloped terrain
using the MASW method as complementary test for obtaining Vs30 is
performed following the current design code (NCh433DS61). From the
analysis the need for an addendum criteria to define a minimum
depth of exploration in terms of the mean slope was detected.
Finally it was observed by a measurement campaign that the
measurement quality of Vs is subject to, among other things, the
field survey configuration. Keywords: Seismic site classification;
MAWS; Geophysical methods; Vs30; Shear wave velocity
1. Introduccin
En pases ssmicos el diseo de cualquier estructura est altamente
condicionado por la respuesta dinmica del terreno de fundacin. Por
esta razn, las diferentes normativas definen espectros de diseo
segn las propiedades del terreno, a fin de considerar el efecto de
respuesta variable que experimenta un depsito de suelo frente a una
accin dinmica [1-5]. Dado que la velocidad de propagacin de onda de
corte de un suelo, Vs, est relacionada con la amplitud del
movimiento
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del terreno frente a una accin dinmica [6-10], dichas normativas
usan Vs como unos de los parmetros para la clasificacin dinmica de
un suelo.
Si dejamos de lado posibles configuraciones afectas a problemas
de amplificacin local [11-13], para proyectos ubicados en terrenos
que presentan una pendiente natural importante se requiere
considerar algunas variables adicionales para realizar su
clasificacin dinmica. Sin embargo, la mayora de los anlisis y
definiciones contenidas en los cdigos de diseo son vlidas para
terrenos planos o de muy baja pendiente.
Debido a los costos de medicin mediante mtodos directos como el
Cross-hole o el Down-hole, la determinacin de Vs basada en tcnicas
de medicin de la velocidad de propagacin de ondas superficiales,
como la MASW (Multichannel analysis of surface waves [14]), se han
convertido en Chile en unas de las ms usadas. Si bien Vs en un
suelo es independiente de la pendiente del terreno, el
procedimiento de medicin en un terreno inclinado usando las tcnicas
MASW, puede condicionar los valores de Vs, lo cual puede afectar la
clasificacin dinmica del suelo. En principio, la tcnica MASW no
presenta restricciones directas de uso cuando se trabaja en un
terreno con pendiente. Sin embargo, en este tipo de terrenos se
tiene un campo de propagacin de ondas diferente respecto a un
terreno plano. Adicionalmente, es importante tener presente que el
registro de medicin de Vs en profundidad es perpendicular a la
direccin del arreglo de medicin, lo cual obligara a explorar una
mayor profundidad para garantizar una medicin hasta mnimo 30 m.
Por las caractersticas del mtodo el alcance en profundidad de
los ensayos MASW con fuente activa puede llegar hasta 30 m bajo las
condiciones ms favorables de medicin. Sin embargo, dado que las
condiciones ptimas de medicin no necesariamente se tienen comnmente
para un proyecto determinado, se requiere complementar la medicin
con ensayos pasivos como el Microtremor Analysis Method, MAM [15]
para garantizar una adecuada profundidad de exploracin. Dado que la
configuracin del ensayo MAM es bidimensional, en un terreno
inclinado no se tienen las variantes procedimentales que se
producen para el ensayo MASW en este tipo de terrenos.
Al momento de realizar un ensayo MASW existen diferentes
aspectos procedimentales que no son independientes de la ubicacin
del punto de medicin. Entre ellos se destacan: el punto de ubicacin
de la fuente activa; direccin de propagacin, ascendente o
descendente respecto a la inclinacin del terreno; ubicacin y
direccin de los arreglos o tendidos de gefonos a lo largo del
terreno; profundidad mxima de prospeccin segn la ubicacin de la
zona de medicin y el potencial sello de fundacin.
En el presente trabajo se realiz una evaluacin de las
incertidumbres asociadas a la clasificacin dinmica en terrenos
inclinados usando la tcnica MASW como ensayo complementario para la
medicin de la velocidad de onda de corte.
3. Interpretaciones del decreto supremo N 61 (DS61)
En Chile uno de los principales cambios en la normativa para
diseo ssmico de edificios, NCh 433Of1996Mod2009 [16], derivados del
terremoto del 27 de febrero de 2010, fue la incorporacin, pese a
sus limitaciones [17-18], de la exigencia de la medicin de la
velocidad de onda de corte en los 30 metros superiores o hasta un
profundidad de Df +15 m (siendo Df el
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enterramiento de la fundacin), Vs30, como parmetro principal
para la clasificacin dinmica del suelo (DS 61, [19]).
La norma NCh433/DS61 define algunos lineamientos generales para
la medicin de Vs30 usando las tcnicas antes mencionadas, los cuales
son presentados bajo la premisa de horizontalidad del terreno
horizontal. Sin embargo, el procedimiento para la medicin de Vs30,
como mtodos recomendados y/o configuraciones de los ensayos se
presentan de forma general.
Para un terreno inclinado es posible, cumpliendo con la
normativa, hacer una interpretacin que conlleve a una clasificacin
condicionada a los criterios usados para la medicin de Vs. Es claro
que una inadecuada clasificacin dinmica puede representar ya sea un
sobredimensionamiento de la estructura, elevando notablemente los
costos del proyecto; o en el peor escenario una falla de la
estructura durante un terremoto, poniendo en riesgo la vida de sus
habitantes.
La profundidad de exploracin con fines de clasificacin dinmica,
es decir, 30 m o Df + 15 m, se mide desde la superficie natural del
terreno, por lo cual en un terreno inclinado la profundidad
explorada bajo el nivel del sello estara condicionada por la
pendiente del terreno, , la profundidad de enterramiento, Df, y el
ancho total de la estructura, B. Como se observa de forma
esquemtica en la Fig. 1, para un cierto nivel de enterramiento o de
ancho de la estructura, es posible que se genere un rea no
explorada bajo el sello de fundacin, pese a que se est cumpliendo
con el criterio de mxima profundidad de exploracin (30 m o Df + 15
m), considerando como Df el nivel de enterramiento a la cota ms
baja (ver Fig. 1).
Df
B
Mx (30 m; Df+15 m)
Zona explorada
Zona no explorada
Fig. 1. Esquema de zona exploracin segn DS61 en un terreno
inclinado
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0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 1 2 3 4
Df/
B
Nmero de subterrneos
Fig. 2. Relacin Df/B mnima que se debe cumplir para garantizar
un mnimo de 15 m de exploracin bajo el sello de fundacin del
proyecto usando medicin de ondas superficiales
Para hacer una aceptable exploracin de la zona del proyecto en
lo que respecta a la medicin de Vs, se debe contar con dos
dimensiones bsicas del proyecto: B y Df mnimo estimado (ver Fig.
1), aunque esta informacin no necesariamente se tiene al momento de
la exploracin. Considerando como mnima exploracin aceptable bajo el
sello de fundacin un espesor de 15 m, en la Fig. 2 se presenta un
criterio para definir la relacin de enterramiento mnima, Df/B, que
se debe cumplir para garantizar una medicin de Vs hasta la
profundidad indicada. Siguiendo el mismo lineamiento presentado en
la Fig. 2, se puede sugerir la siguiente profundidad mnima de
exploracin:
Hexploracin = Mx [(Btan + Df + 15 m); 30 m] (1)
En algunas mediciones a pesar de que la longitud del arreglo
activo debera permitir la exploracin de los 30 metros necesarios
para clasificar el suelo, estas no entregan resultados con una
confiabilidad total en la profundidad de anlisis, por lo que la
realizacin de una medicin pasiva es fundamental para poder combinar
estos resultados y as obtener un perfil de Vs en los 30 metros o
ms, con una alta confiabilidad.
Existen otros aspectos que cobra relevancia respecto a la
ubicacin del arreglo de medicin, ya que la direccin de la
estratificacin, , (asociado al tipo de depsito, o a la rigidizacin
en profundidad que experimente el suelo) condicionara los valores
de Vs30 dependiente de la ubicacin del proyecto y de la zona de
medicin.
Los depsitos de suelo son intrnsecamente heterogneos y pueden
tener diferentes tipos de singularidades. Sin embargo, con el fin
de ejemplificar de forma simplificada la influencia de la
estratificacin o de la variacin de rigidez con la profundidad, se
realiz un anlisis de clasificacin
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de suelo en tres casos que presentan las siguientes condiciones:
0
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Con el fin de evaluar la influencia de la configuracin del
ensayo MASW en la medicin de Vs, se realiz un grupo de ensayos en
un sector de la Duna de Concn (Fig. 5). El terreno en estudio
presenta una superficie natural con una pendiente media de 28, sin
irregularidades importantes, y est conformado por un depsito de
arena, SP-SM, de cementacin media con aumento progresivo de la
rigidez con la profundidad.
Todas las mediciones se realizaron usando un sismgrafo ES3000,
con arreglos lineales de 24 gefonos electromagnticos de 4.5 Hz
separados cada 3.0 m. Para la generacin de la fuente activa se us
un martillo de 8 lbs y se realizaron 15 impactos para cada ensayo,
esto ltimo con el fin de contar con un respaldo de registros en
cada punto de medicin. A partir de un anlisis de sensibilidad
preliminar, se determin que para las condiciones del lugar de
medicin, la ubicacin de la fuente activa a una distancia igual al
10% de la longitud del arreglo, LA, era un valor adecuado para los
propsitos del estudio.
Fig. 5. Ubicacin del terreno estudiado
Los gefonos electromagnticos estn compuestos por una bobina y un
imn fijo rgidamente a la estructura del gefono. Por lo tanto, las
mediciones se realizaron garantizando que el gefono estuviera
vertical, con el fin de evitar que la bobina toque el imn y
produzca una distorsin en el registro de la seal.
Uno de los principales factores que afectan el registro de
medicin activo es el exceso de ruido ambiental, por lo que los
ensayos se realizaron en horas de menor ruido y bajo condiciones
mnimas de viento, con el fin de registrar principalmente las ondas
superficiales generadas por el impacto del martillo.
Para evaluar la influencia de la ubicacin del arreglo de gefonos
se usaron dos configuraciones de ensayos: arreglo S1 perpendicular
a las curvas de nivel (Figs. 4a y 4b) y paralelo a las curvas de
nivel S2 y S3 (Fig. 4c). En las Figs. 6a y 6b, se muestran los
perfiles de velocidad junto a las curvas de dispersin obtenidas
para las configuraciones analizadas. Los perfiles de velocidad
presentados
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la Fig. 7, fueron obtenidos usando los cinco mejores impactos
realizados para cada arreglo y que presentaron variaciones entre si
inferiores a 4%.
A partir de los resultados se observ una influencia de la
localizacin del arreglo. As, para los arreglos S2 y S3 se obtuvo un
registr un mayor contenido de frecuencias, dificultando
notablemente la interpretacin, reduciendo la confiabilidad del
perfil de velocidad medido. De forma referencial se muestran en la
Fig. 7 dos diagramas de lentitud frecuencia para los arreglos S1 y
S3. Por su parte, para todos los ensayos realizados usando el
arreglo perpendicular a las curvas de nivel (S1), con impacto en la
cota ms baja, permitieron obtener mediciones de mayor calidad.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300 400 500 600
Pro
f. (
m)
Vs (m/s)
Arreglo S2 Arreglo S3
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20 25 30
Vel
oci
dad
de
fase
(m
/seg
)
Frecuencia (Hz)
S3
S2
Fig. 6. a) Influencia de la ubicacin de la fuente activa en el
perfil de velocidad; b) Influencia de la direccin del arreglo en el
perfil de velocidad
Por otra parte, considerando una ubicacin del impacto igual a
10% de la longitud del arreglo, se evalu la influencia en el perfil
de velocidad de la ubicacin del impacto. Para lo cual se realizaron
ensayos produciendo el impacto en la cota ms alta y ms baja del
arreglo, con el fin de registrar a lo largo del arreglo de gefonos
una direccin de propagacin de la onda descendente y ascendente
respecto a la pendiente del terreno.
a)
b)
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A partir de los resultados obtenidos se observ que los perfiles
de Vs en los casos analizados presentan diferencias de hasta 15%,
indicando una baja influencia de la direccin de propagacin. No
obstante, para los ensayos con golpe en la cota superior, los
diagramas de lentitud frecuencia registraron seales que dificultan
la interpretacin, lo cual produce curvas de dispersin con un nivel
de confiabilidad menor, quedando sujeta la medicin al uso de
filtros durante el proceso de interpretacin de los registros de
medicin, lo cual podra condicionar los valores de Vs.
Tendiendo igual direccin de registro de propagacin, la ubicacin
del impacto prcticamente no tiene influencia en la medicin como se
observa en la Figura 6a, aunque es importante recordar que la
confiabilidad de estas mediciones era baja respecto a los otros
arreglos.
Fig. 7. Diagramas de lentitud frecuencia para arreglos: a)
paralelos a las curvas de nivel, S2; b) perpendiculares a las
curvas de nivel, S1
5. Conclusiones
Con el fin de definir de forma ms clara las caractersticas del
suelo, se recomienda con fines de clasificacin dinmica realizar a
lo menos tres arreglos de medicin para los ensayos MASW, los cuales
corresponden a un arreglo perpendicular a la curvas de nivel, S1,
(de preferencia con impacto en el punto ms alto y ms bajo del
arreglo) y dos arreglos paralelos a las curvas de nivel, S2.
De acuerdo al DS 61 se exige que el perfil de velocidades de
onda de corte que caracteriza al terreno corresponda a aquel que
resulte en el caso ms desfavorable. Sin embargo, de acuerdo a lo
observado, en un terreno inclinado los criterios de favorabilidad
deben estar claramente definidos, ya que es posible que el menor
valor de Vs30 corresponda a un grupo de mediciones de baja
confiabilidad.
La profundidad mxima exigida de exploracin deber definirse para
un terreno inclinado en trminos del ancho del proyecto y la
profundidad de enterramiento mnima estimada. Igualmente, es
importante tener presente que los perfiles de Vs obtenidos mediante
mtodos MASW son perpendiculares al arreglo medicin y no
necesariamente verticales.
A partir de los resultados obtenidos se observ en el terreno
inclinado que los registros de medicin se ven afectados por la
direccin y ubicacin del arreglo, y la ubicacin de la fuente activa.
As las mediciones ms confiables, asociadas a una mejor captura de
la seal inducida por la fuente activa y por ende una mejor
interpretacin corresponde al arreglo perpendicular a las
a) b)
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curvas de nivel, S1, y con la fuente activa ubicada en la cota
ms baja del arreglo. Por lo cual se recomienda usar dicho arreglo
como punto de referencia inicial para caracterizar un terreno
inclinado.
Para la medicin de Vs con fines de clasificacin ssmica, sin
importar la tcnica usada, se recomienda ser redundantes en la
cantidad de arreglos o puntos seleccionados para la caracterizacin,
ya que los perfiles de velocidad dependen de la direccin de la
estratigrafa del terreno, y de ser posible deber complementarse con
otras tcnicas de medicin.
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