Los efectos del sitio sísmico están relacionados con la amplificación de ondas sísmicas en capas geológicas superficiales. [1] El movimiento de la superficie del suelo puede verse fuertemente amplificado si las condiciones geológicas son desfavorables (por ejemplo, sedimentos). Por lo tanto, el estudio de los efectos del sitio local es una parte importante de la evaluación de fuertes movimientos del suelo , peligro sísmico y sismología de ingeniería en general. Por tanto, los daños debidos a un terremoto pueden agravarse como en el caso del terremoto de la Ciudad de México de 1985 . Para las cuencas aluviales , podemos agitar un cuenco de gelatina para modelar el fenómeno a pequeña escala.
Este artículo define primero los efectos de sitio, presenta el terremoto de la Ciudad de México de 1985, describe el análisis teórico del fenómeno (a través de ondas mecánicas ) y detalla varios resultados de investigación sobre los efectos de sitio sísmico en Caracas .
Definición del fenómeno
Al propagarse, las ondas sísmicas se reflejan y refractan en la interfaz entre las diversas capas geológicas ( Figura 1 ).
El ejemplo de la Figura 1 muestra la amplificación de la onda sísmica en capas geológicas horizontales. Consideramos un semiespacio elástico homogéneo (en verde) sobre el cual una capa aluvial elástica de espesor constantese encuentra (en gris). Una onda de corte () de amplitud alcanza la interfaz entre el medio espacio y la capa aluvial con una incidencia . Genera así:
- una onda reflejada en el medio espacio con amplitud e incidencia
- una onda refractada en la capa superficial con amplitud e incidencia
La onda refractada origina una onda reflejada al llegar a la superficie libre; su amplitud e incidencia se denotan y respectivamente. Esta última onda se reflejará y refractará varias veces en la base y la parte superior de la capa superficial. Si la capa es más suave que el medio espacio, la amplitud del movimiento de la superficie puede ser mayor quelo que conduce a la amplificación de las ondas sísmicas o los efectos del sitio sísmico . Cuando las interfaces geológicas no son horizontales, también es posible estudiar los efectos del sitio sísmico considerando los efectos de la cuenca debido a la compleja geometría del relleno aluvial [2] Para pequeñas inclinaciones de las capas del subsuelo y / o contrastes de baja impedancia, el supuesto de La estratificación horizontal (es decir, el supuesto de 1D) todavía se puede utilizar para predecir la respuesta del sitio. [3]
En este artículo, proponemos varios ejemplos de efectos de sitios sísmicos (observados o simulados durante grandes terremotos), así como un análisis teórico del fenómeno de amplificación.
Ejemplo: efectos de sitio en la Ciudad de México (1985)
Los efectos sísmicos en el sitio se evidenciaron por primera vez durante el terremoto de la Ciudad de México de 1985 . [4] El epicentro del terremoto se ubicó a lo largo de la costa del Pacífico (a varios cientos de kilómetros de la Ciudad de México), sin embargo , el temblor sísmico fue extremadamente fuerte y provocó daños muy importantes.
La Figura 2 muestra las grabaciones realizadas a diferentes distancias del epicentro durante la secuencia del terremoto. La amplitud de aceleración medida a diferentes distancias cambia drásticamente:
- Estación Campos : esta estación está ubicada muy cerca del epicentro y registró una aceleración máxima de,
- Estación Teacalco : esta estación está ubicada a más de 200 km del epicentro y registró una aceleración mucho menor (aproximadamente). Esta disminución de la amplitud se debe a la atenuación de la onda durante
el proceso de propagación : [1] atenuación geométrica debida a la expansión del frente de onda y atenuación del material (o intrínseca) debida a la disipación de energía dentro del medio (por ejemplo, fricción de los granos),
- Estación UNAM : esta estación está ubicada a más de 300 km del epicentro y registró una aceleración máxima de, mayor que la registrada en la estación Teacalco ,
- Estación SCT : esta estación está ubicada en la Ciudad de México a aproximadamente 400 km del epicentro y registró una aceleración máxima muy fuerte (aproximadamente).
Podemos notar que la amplitud de la aceleración disminuye fuertemente primero y luego aumenta cuando las ondas sísmicas alcanzan el depósito aluvial sobre el cual se fundó la Ciudad de México.
Figura 2a : Muestra el efecto de resonancia: El espesor del lecho geológico superior del área moderna de la Ciudad de México es de 40 m. La velocidad de las ondas de corte a través de esa capa es de 80 m / seg. [5] Significa que la frecuencia natural de esa formación es de 0,5 Hz (período de 2 segundos). [6] Cuando las ondas de corte de la misma frecuencia llegaron a esa área, la resonancia fue responsable de ese enorme efecto de sitio sísmico.
Análisis teórico de los efectos del sitio sísmico: estratificación horizontal
En caso de estratificación de suelo horizontal (espesor constante, véase la Figura 1 ), podemos analizar teóricamente los efectos del sitio sísmico. Uno considera una onda cortante () (es decir, polarizada perpendicularmente a la figura) onda reflejada y refractada en la interfaz entre ambos medios y reflejada en la superficie libre.
Considerando la figura 1 , podemos analizar la propagación de las diversas ondas en la capa sedimentaria () y en el medio espacio (). Suponiendo que los medios son elásticos lineales y escribiendo las condiciones de continuidad en la interfaz ( desplazamiento y tracción ), así como las condiciones de superficie libre, podemos determinar la relación espectral entre el movimiento de la superficie y el movimiento en la parte superior del semiespacio sin ninguna capa sedimentaria:
dónde ; y :
- es el espesor de la capa,
- es la incidencia de olas en la capa,
- es la densidad de masa en la capa,
- es el módulo de corte en la capa,
- es el número de onda vertical en la capa 1,
- es la velocidad de la onda de corte .
La figura 3 muestra las variaciones de la relación espectral.con respecto a la frecuencia para diferentes características mecánicas del semiespacio (conpara la capa sedimentaria). Notamos que la amplificación del movimiento puede ser muy fuerte en ciertas frecuencias . El nivel de amplificación depende del contraste de velocidad. y toma los siguientes valores máximos:
- por (curva azul),
- por (curva verde),
- por (curva amarilla).
La curva roja corresponde a un gran contraste de velocidad entre la capa y el medio espacio (); la amplificación es, por tanto, muy grande. Como se muestra en la Figura 3 , la amplificación máxima se alcanza a ciertas frecuencias correspondientes a la resonancia de la capa sedimentaria. La frecuencia fundamental de la capa (o la primera frecuencia de resonancia) se puede calcular fácilmente [1] bajo la forma:. Por tanto, el modo fundamental corresponde a una resonancia de un cuarto de longitud de onda . El enfoque de "un cuarto de longitud de onda" puede usarse para estimar las amplificaciones del sitio debido al contraste de impedancia. [7]
Cuando las capas sedimentarias no son horizontales (p. Ej. , Cuenca sedimentaria ), el análisis es más complejo ya que deben tenerse en cuenta las ondas superficiales generadas por las heterogeneidades laterales (p. Ej., Bordes de cuencas). En tales casos, es posible realizar estudios empíricos pero también análisis teóricos para geometrías simples [8] o simulaciones numéricas para casos más complejos. [9]
Efectos de sitio sísmico en cuencas sedimentarias: el caso de Caracas
En las cuencas sedimentarias , los efectos del sitio también conducen a la generación de ondas superficiales en los bordes de la cuenca. Este fenómeno puede fortalecer significativamente la amplificación del movimiento sísmico . El agravamiento del nivel de amplificación en comparación con el caso de estratificación horizontal puede ser de hasta un factor de 5 o 10. Depende del contraste de velocidad entre las capas y la geometría de la cuenca. [9] Estos fenómenos se denominan efectos de cuenca y podemos considerar la analogía con las vibraciones en un cuenco de gelatina .
El análisis teórico de los efectos del sitio en cañones o cuencas sedimentarias semicirculares se realizó mediante métodos semi-analíticos a principios de los años 80. [8] Simulaciones numéricas recientes [10] permitieron el análisis de efectos de sitio en cuencas sedimentarias elipsoidales. Dependiendo de la geometría de la cuenca, la agravación de los efectos del sitio es diferente a la del caso de capas horizontales.
Cuando se conocen las propiedades mecánicas de la cuenca sedimentaria , podemos simular numéricamente los efectos del sitio. La Figura 4 muestra el fenómeno de amplificación para la ciudad de Caracas . [11] [12] El nivel de amplificación de una onda plana () se calcula mediante el método de elementos de contorno en el dominio de la frecuencia . [13] Cada mapa de color muestra el nivel de amplificación. a una frecuencia determinada :
- cima: . Los efectos del sitio debido a la topografía ocurren claramente en la cima de la colina (derecha). Sin embargo, los efectos del sitio debido a la cuenca sedimentaria conducen a una mayor amplificación.
- medio: . Los efectos del sitio topográfico son insignificantes en comparación con los debidos a la cuenca (4 veces más grande que a 0,3 Hz).
- fondo: . Los efectos del sitio en la cuenca son del mismo orden que a 0,4 Hz, pero notamos una longitud de onda mucho más corta.
Numerosos sitios geológicos han sido investigados por varios investigadores en busca de terremotos débiles y fuertes (véase síntesis [1] ). En este último caso, es necesario tener en cuenta el comportamiento no lineal del suelo bajo una gran carga [14] o incluso la licuefacción del suelo que puede conducir a la falla del suelo .
Referencias
- ^ a b c d Semblat JF, Pecker A. (2009) Ondas y vibraciones en suelos: terremotos, tráfico, choques, obras de construcción , IUSS Press, Pavía, Italia, 499p.
- ^ Bard PY, Bouchon M. (1985). La resonancia bidimensional de los valles llenos de sedimentos, Boletín de la Sociedad Sismológica de América , 75, pp.519-541.
- ^ Volpini, Carolina; Douglas, John (marzo de 2019). "Un enfoque accesible para el análisis de respuesta del sitio de depósitos en capas cuasi-horizontales" . Boletín de Ingeniería Sísmica . 17 (3): 1163-1183. doi : 10.1007 / s10518-018-0488-4 . ISSN 1570-761X .
- ^ Singh SK, Mena E., Castro R. (1988) Algunos aspectos de las características de la fuente del terremoto de Michoacán del 19 de septiembre de 1985 y la amplificación del movimiento del suelo en y cerca de la Ciudad de México a partir de datos de movimiento fuerte, Boletín de la Sociedad Sismológica de América , 78 ( 2), págs. 451-477.
- ^ Tiedemann, H., 1992. Terremotos y erupciones volcánicas. SRC, 951p.
- ^ Beresnev et al., 1998. Magnitud de la respuesta de sedimentos no lineales en la cuenca de Los Ángeles durante el terremoto de Northridge de 1994. BSSA, 88: págs. 1079-1084
- ^ Douglas, J .; Gehl, P .; Bonilla, LF; Scotti, O .; Regnier, J .; Duval, A.-M .; Bertrand, E. (1 de junio de 2009). "Aprovechar al máximo la información del sitio disponible para la predicción empírica del movimiento del suelo" . Boletín de la Sociedad Sismológica de América (manuscrito enviado). 99 (3): 1502-1520. doi : 10.1785 / 0120080075 . ISSN 0037-1106 .
- ↑ a b Sánchez-Sesma FJ (1983). Difracción de ondas elásticas por irregularidades superficiales tridimensionales, Boletín de la Sociedad Sismológica de América , 73 (6), págs. 1621-1636.
- ^ a b Semblat, JF; Kham, M .; Parara, E .; Bard, PY; Pitilakis, K .; Makra, K .; Raptakis, D. (2005). "Amplificación de onda sísmica: geometría de cuenca vs estratificación del suelo" (PDF) . Dinámica de suelos e ingeniería sísmica . 25 (7-10): 529-538. doi : 10.1016 / j.soildyn.2004.11.003 .
- ^ Chaillat, S .; Bonnet, M .; Semblat, JF (2009). "Un nuevo BEM multidominio rápido para modelar la propagación y amplificación de ondas sísmicas en estructuras geológicas 3-D" (PDF) . Revista Geofísica Internacional . 177 (2): 509–531. doi : 10.1111 / j.1365-246x.2008.04041.x .
- ^ Duval AM, Méneroud JP, Vidal S., Bard PY (1998). Relación entre curvas obtenidas de microtremor y efectos de sitio observados después del terremoto de Caracas de 1967, XI Conferencia Europea de Ingeniería Sísmica , París, Francia.
- ^ Papageorgiou AS, Kim J. (1991). Estudio de la propagación y amplificación de ondas sísmicas en el Valle de Caracas con referencia al terremoto del 29 de julio de 1967: ondas SH, Boletín de la Sociedad Sismológica de América , 81 (6), págs.2214-2233
- ^ Semblat, JF; Duval, AM; Dangla, P. (2002). "Efectos del sitio sísmico en una cuenca aluvial profunda: análisis numérico por el método del elemento de contorno". Informática y Geotecnia . 29 (7): 573–585. arXiv : 0901.3709 . doi : 10.1016 / s0266-352x (02) 00017-4 .
- ^ Regnier, J .; Cadete, H .; Bonilla, LF; Bertrand, E .; Semblat, J.-F. (2013). "Evaluación del comportamiento no lineal de los suelos en la respuesta del sitio sísmico: análisis estadístico de los datos de movimiento fuerte de KiK-net". Boletín de la Sociedad Sismológica de América . 103 (3): 1750-1770. doi : 10.1785 / 0120120240 .
Ver también
- Temblores
- Ingeniería Sísmica
- Placas tectónicas
- Peligro sísmico
- Escalas de intensidad sísmica
- Escalas de magnitud sísmica
- Riesgo sísmico
- Ondas sísmicas
- Sismología
- Geofísica cercana a la superficie