Incertidumbres en la clasificación dinámica de suelos

26 al 28 de Noviembre de 2014

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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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