Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXIX Reunión Nacional de Ingeniería Geotécnica Noviembre 23 y 24, 2018 – León, Guanajuato

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

1 ZONA PONIENTE DE LA ZMG

1.1 Estudios de mecánica de suelos

Al poniente de la ciudad se contó con una base de datos de 67 ensayos SPT e igual número de pruebas de prospección geofísica sísmica del tipo “downhole”. El espesor de los depósitos de suelo varía desde los 2 m y hasta los 60 m.

Los sondeos se encuentran distribuidos de forma coherente en lo que a algebra de mapas se refiere, es decir, con una buena distribución para la influencia de áreas en un análisis geoespacial, densidad de puntos (Fig. 1).

En los registros SPT se describe el tipo de suelo, así como su clasificación SUCS, el número de golpes, la profundidad a la que se tomaron cada una de las muestras de suelo, el contenido de agua, el porcentaje de grava, arena y finos.

Además, se marcan las fronteras entre los diferentes estratos de suelo (transiciones), en función a las propiedades físicas y a la respuesta del suelo a la penetración estándar, que tiene relación con las propiedades mecánicas del mismo.

Figura 1. Ubicación de sondeos SPT

La estratigrafía muestra que se trata de depósitos de suelos friccionantes, arenas limosas, (sedimentos piroclásticos), de compacidades suelta a muy compacta.

La masa específica de los suelos se encuentra incluida en los reportes y se registra una profundidad máxima de exploración de 60 m.

Figura 1. Ubicación de sondeos SPT y down-hole (poniente).

RESUMEN: Se analizaron más de 80 estudios de mecánica de suelos, realizados mediante la técnica de penetración estándar SPT, hasta la roca basal o hasta el estrato resistente (N>50), posteriormente se llevó a cabo una prueba de prospección geofísica sísmica del tipo “down-hole” (Vs > 720 m/s). Se tomaron en cuenta los periodos de retorno de referencia (ER), así como la aceleración máxima del terreno (roca) en el sitio, mediante el programa PRODISIS v4.1. La discretización del suelo se hizo, considerando estratos de suelo a cada metro de profundidad y las velocidades de onda de corte. Se recurrió a la caracterización del terreno de cimentación mediante el MDOC del IIE de la CFE 2015, para el grupo estructural B1. Por último, utilizando técnicas geoestadísticas se procedió a obtener mapas de zonificación sísmica como son: aceleración máxima del terreno, coeficiente sísmico e isoperiodos.

ABSTRACT: We analyzed more than 80 studies of soil mechanics, carried out using the SPT standard penetration test, up to the basal rock or to the resistant stratum (N> 50), where seismic geophysical prospecting test of the type "down-hole" (Vs> 720 m / s) was subsequently carried out. The reference return periods (ER) were taken into account, as well as the maximum acceleration of the terrain (rock) in the site, through the PRODISIS v4.1 program. The discretization of the soil was made, considering soil strata at each meter depth and cutting wave speeds. The characterization of the foundation soil was used through the MDOC – IIE – CFE 2015, for the structural group B1. Finally, using geostatistical techniques, we proceeded to obtain seismic zoning maps such as: maximum ground acceleration, seismic coefficient and isoperiods.

Zonificación sísmica de la zona metropolitana de Guadalajara a partir del MDOC del IIE de la CFE 2015

Guadalajara metropolitan area seismic zoning from the MDOC - IIE - CFE 2015

Pablo E. ZAMUDIO ZAVALA1, Iván GÓMEZ MORA2 y Pedro A. MAYORAL RUIZ3

1Estudios Sísmicos Grado 7 2Instituto de Información Estadística y Geográfica, 3Universidad Politécnica de la Zona Metropolitana de Guadalajara

2 ZAMUDIO Z., P.E.ET AL ______________________________________________________________________________________

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

1.1 Estudios de prospección geofísica (downhole)

Se llevó a cabo, la prueba de prospección geofísica sísmica del tipo “downhole”, realizada en el barreno correspondiente al sondeo SPT.

El dispositivo de este ensayo utiliza un sondeo (barreno) y sitúa el receptor en el interior del sondeo (downhole). El receptor se puede mover a distintas profundidades o bien colocar múltiples receptores a varias profundidades predeterminadas.

El objetivo del ensayo es registrar lecturas de los tiempos de viaje de las ondas sísmicas internas generadas a partir de la energía de la fuente emisora.

Se recurre a la representación en una curva de los tiempos de llegada contra la profundidad; el valor inverso de la pendiente de esta curva representa la velocidad de propagación de la onda sísmica.

Con una fuente de ondas “SH” el ensayo “downhole” mide las velocidades de onda similares a aquellas que transportaron mayor energía sísmica hacia la superficie del suelo.

El conocimiento de las velocidades de las ondas de corte y de compresión, junto con la densidad del material, permite el cálculo de los módulos de Poisson (), de Rigidez (G0) y de Young (E0), todos parámetros que definen el comportamiento dinámico del subsuelo.

Los módulos de Young (Elasticidad al axial) y de Rigidez (Elasticidad al cortante) se derivan directamente de las velocidades Vp y Vs usando las ecuaciones de la teoría elástica conocidas.

Figura 2. Equipo “downhole”.

El equipo de adquisición de datos sísmicos es marca PASI modelo 16S-U de 24 canales con una conexión a lap–top marca Samsung modelo RV411 (Fig. 2). La sonda triaxial (3D) con tres geófonos en el rango de frecuencia

de 10Hz - orientadas según el eje-xyz alojado dentro de una sonda cilíndrica para la determinación de los tiempos de llegada de las ondas sísmicas del tipo “S” y tipo “P” soportado por un cable guía con longitud de 60 metros.

La fuente de energía para generación del pulso elástico consistió en impacto de marro de 14 libras, sobre placa metálica con disparador de arranque integrado para inicio de registro. La fuente de poder es una batería de Litio-Cadmio con voltaje de 12 volts.

1.2 Peligro sísmico

Para la selección de un sismo adecuado para inducir el movimiento en la roca basal, se utilizó el mapa de aceleraciones máximas del terreno (roca) del software PRODISIS v4.1, correspondientes a los periodos de retorno de referencia ER (Ts = 600 años), diseño por sismo (CFE, 2015).

Los parámetros del espectro de diseño en roca son: latitud, longitud, aceleración máxima en la roca (a0r), ordenada espectral máxima en roca (cr) y periodo de retorno (Tr).

Figura 3. Peligro sísmico (PRODISIS, 2015).

1.3 Respuesta del depósito de suelo

Para fines prácticos, se tomaron en cuenta las amplificaciones producidas en depósitos de suelo con estratificación horizontal. Para ello se recurrió a una aproximación que consiste en remplazar el perfil estratigráfico por un manto homogéneo equivalente de igual espesor caracterizado por su periodo dominante y su velocidad efectiva de propagación de ondas cortantes “S”. Está técnica para determinación de la respuesta en sitio está contenida y definida en el Manual de Diseño de Obras Civiles (MDOC) – diseño por sismo, emitido por la Comisión Federal de Electricidad (CFE, 2015), a través del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE).

Se emplearon las propiedades dinámicas del terreno determinadas de forma directa mediante la prueba de prospección geofísica mencionada.

______________________________________________________ XXIX REUNIÓN NACIONAL DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA 3

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

1.4 Parámetros espectrales de diseño

Los parámetros espectrales se obtuvieron a partir de los espectros de diseño generados, espectros que reflejan la totalidad del peligro sísmico.

Se ha tomado en cuenta únicamente el tipo de estructuras “B” para reportarlos; el especialista en el diseño sísmico de la estructura deberá tomar en cuenta las reducciones por ductilidad, sobre resistencia, redundancia e irregularidad, correspondientes que para el caso apliquen.

Debido a que la forma paramétrica de los espectros es conocida y está contenida en el MDOC del IIE (CFE, 2015). A manera de simplificación se presentan únicamente los parámetros espectrales obtenidos.

Tabla 1. Parámetros espectrales zona poniente de Guadalajara.

Los sondeos 37 a 52 se realizaron en la zona oriente de Guadalajara.

2 ZONA ORIENTE DE LA ZMG

2.1 Estudios de mecánica de suelos

Se contó con una base de datos de 16 ensayos SPT. El espesor de los depósitos de suelo varía desde los 5 m hasta los 21 m.

Los sondeos se encuentran distribuidos de forma coherente en lo que a algebra de mapas se refiere, es decir, con una buena distribución para la influencia de áreas en un análisis geoespacial, densidad de puntos (Fig. 4).

En los registros SPT se describe el tipo de suelo, así como su clasificación SUCS, el número de golpes, la profundidad a la que se tomaron cada una de las muestras de suelo, el contenido de agua, el porcentaje de grava, arena y finos de estas.

Además, se marcan las fronteras entre los diferentes estratos de suelo (transiciones), en función a las propiedades físicas y a la respuesta del suelo a la penetración estándar, que tiene relación con las propiedades mecánicas del mismo.

periodo coeficiente acel. max.

Consecutivo X (m) Y (m) T (s) c (g´s) a0 (g´s)

1 669162 2289849 0.13 0.87 0.24

2 660790 2289535 0.12 0.89 0.25

3 660407 2291936 0.14 0.88 0.24

4 665725 2283132 0.13 0.89 0.24

5 669326 2289645 0.14 0.87 0.24

6 663383 2285191 0.15 0.90 0.25

7 667793 2288527 0.14 0.88 0.24

8 668102 2288799 0.17 0.88 0.24

9 669754 2286675 0.17 0.88 0.24

10 663306 2289294 0.17 0.88 0.24

11 661027 2275314 0.15 0.87 0.24

12 668430 2290568 0.19 0.87 0.24

13 660315 2292241 0.18 0.88 0.24

14 666961 2285217 0.20 0.88 0.24

15 667678 2291597 0.40 0.87 0.24

16 671731 2288994 0.21 0.87 0.24

17 665547 2291044 0.21 0.87 0.24

18 665223 2290607 0.43 0.87 0.24

19 664133 2290302 0.40 0.88 0.24

20 661699 2290056 0.31 0.89 0.25

21 665054 2299581 0.55 0.85 0.24

22 667674 2284788 0.50 0.90 0.25

23 669114 2286612 0.47 0.88 0.24

24 667394 2287547 0.35 0.88 0.24

25 676643 2291237 0.14 1.05 0.26

26 668653 2290675 0.24 0.89 0.25

27 666352 2290391 0.51 0.87 0.24

28 661294 2275225 0.44 0.92 0.26

29 669153 2289799 0.11 1.06 0.27

30 664652 2298782 0.32 0.86 0.23

31 663123 2289323 0.40 0.90 0.25

32 672140 2285997 0.07 0.89 0.25

33 663779 2290278 0.26 0.88 0.24

34 662198 2293822 0.22 0.87 0.24

35 664849 2281719 0.32 0.90 0.25

36 669395 2289589 0.32 1.06 0.27

Coordenadas UTM

(ER) Tr = 600 años ‐ CFE 2015

periodo coeficiente acel. max.

Consecutivo X (m) Y (m) T (s) c (g´s) a0 (g´s)

53 673264 2297588 0.10 0.25 0.07

54 675962 2294374 0.12 0.86 0.24

55 670026 2290182 0.32 0.87 0.24

56 672591 2287769 0.17 0.89 0.25

57 670126 2285821 0.15 0.90 0.25

58 665748 2291108 0.19 0.89 0.25

59 667750 2287564 0.31 0.88 0.25

60 668824 2286220 0.38 0.88 0.25

61 671050 2287304 0.27 0.87 0.24

62 675947 2291915 0.11 0.85 0.24

63 665152 2290646 0.39 0.88 0.24

64 669762 2287308 0.48 0.88 0.24

65 669105 2286747 0.48 0.88 0.25

66 664582 2289174 0.15 0.88 0.25

67 664979 229070 0.23 0.26 0.10

68 661776 2275045 0.49 0.93 0.26

69 663638 2280135 0.31 0.91 0.25

70 669063 2289675 0.13 1.06 0.27

71 667544 2284935 0.36 0.89 0.25

72 663756 2292217 0.36 0.88 0.24

73 669887 2289554 0.23 0.87 0.24

74 667590 2286272 0.45 0.86 0.25

75 662652 2291747 0.36 0.88 0.25

76 669494 2289641 0.20 0.87 0.24

77 666274 2288787 0.35 0.88 0.25

78 669766 2286148 0.33 0.88 0.25

79 663354 2290829 0.38 0.88 0.25

80 668595 2289528 0.18 1.06 0.27

81 671387 2293124 0.14 0.86 0.24

82 668073 2286903 0.40 0.88 0.25

83 664408 2294698 0.03 0.25 0.10

Coordenadas UTM

(ER) Tr = 600 años ‐ CFE 2015

4 ZAMUDIO Z., P.E.ET AL ______________________________________________________________________________________

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

Figura 4. Ubicación de sondeos SPT (oriente). La estratigrafía, muestra que se trata de depósitos de

suelos friccionantes, arenas limosas, (sedimentos piroclásticos), de compacidades suelta a muy compacta.

La masa específica de los suelos se encuentra incluida en los reportes y se registra una profundidad máxima de exploración de 21 m.

2.2 Propiedades dinámicas del terreno

Los parámetros dinámicos del sitio fueron obtenidos a través de una correlación generada a partir de 592 puntos de la zona poniente, donde se obtuvieron a cada metro de profundidad el número golpes de la prueba SPT, así como la velocidad de onda cortante Vs.

La curva obtenida se apega a las modelos para la estimación de los perfiles de velocidad de onda de corte (PEER, 2012).

Figura 5. Correlación entre la velocidad de onda cortante Vs y el número de golpes de la prueba SPT (obtenida de la zona poniente de la ZMG).

2.3 Peligro sísmico

Para la selección de un sismo adecuado para inducir el movimiento en la roca basal, se utilizó el mapa de aceleraciones máximas del terreno (roca) del software PRODISIS v4.1, correspondientes a los periodos de retorno de referencia ER (Ts = 600 años), diseño por sismo (CFE, 2015).

Los parámetros del espectro de diseño en roca son: latitud, longitud, aceleración máxima en la roca (a0r), ordenada espectral máxima en roca (cr) y periodo de retorno (Tr).

2.4 Respuesta del depósito de suelo

Para fines prácticos, se tomaron en cuenta las amplificaciones producidas en depósitos de suelo con estratificación horizontal. Para ello se recurrió a una aproximación que consiste en remplazar el perfil estratigráfico por un manto homogéneo equivalente de igual espesor caracterizado por su periodo dominante y su velocidad efectiva de propagación de ondas cortantes “S”. Está técnica para determinación de la respuesta en sitio está contenida y definida en el Manual de Diseño de Obras Civiles (MDOC) – diseño por sismo, emitido por la Comisión Federal de Electricidad (CFE, 2015), a través del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE).

Se emplearon las propiedades dinámicas del terreno determinadas de forma indirecta mediante la correlación ya mencionada.

2.5 Parámetros espectrales

Los parámetros espectrales se obtuvieron a partir de los espectros de diseño generados, espectros transparentes y que reflejan por ende la totalidad del peligro sísmico. Tabla 2. Parámetros espectrales zona oriente de Guadalajara.

Se ha tomado en cuenta únicamente el tipo de

estructuras “B” para reportarlos; el especialista en el diseño sísmico de la estructura deberá tomar en cuenta las reducciones por ductilidad, sobre resistencia, redundancia, irregularidad y comportamiento histerético degradante, correspondientes que para el caso apliquen.

Debido a que la forma paramétrica de los espectros es conocida y está contenida en el MDOC del IIE (CFE, 2015). A manera de simplificación se presentan únicamente los parámetros espectrales obtenidos.

periodo coeficiente acel. max.

Consecutivo X (m) Y (m) T (s) c (g´s) a0 (g´s)

37 676053 2291967 0.11 1.04 0.26

38 673183 2284350 0.20 1.06 0.27

39 677052 2284816 0.14 1.05 0.27

40 675659 2290816 0.18 0.85 0.23

41 675757 2286444 0.13 1.05 0.27

42 678102 2291416 0.10 0.84 0.23

43 672122 2285123 0.30 1.06 0.27

44 673813 2287956 0.12 1.05 0.27

45 673542 2287526 0.12 1.05 0.27

46 673876 2287637 0.14 1.05 0.27

47 672994 2287231 0.10 1.06 0.27

48 679750 2285538 0.10 1.04 0.26

49 675672 2286481 0.13 1.05 0.27

50 672923 2287207 0.12 1.06 0.27

51 681798 2283177 0.03 0.25 0.10

52 678580 2281836 0.07 1.05 0.27

Coordenadas UTM

(ER) Tr = 600 años ‐ CFE 2015

______________________________________________________ XXIX REUNIÓN NACIONAL DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA 5

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

Figura 6. Ubicación del total los sondeos (83 sondeos SPT y 67 sondeos downhole).

3 ZONIFICACIÓN SÍSMICA PROPUESTA

3.1 Interpolación de Kriging

La interpolación de Kriging es un procedimiento geoestadístico avanzado que genera una superficie estimada a partir de un conjunto de puntos dispersados con valores z. A diferencia de otros métodos de interpolación en el conjunto de herramientas de Interpolación, utilizar la herramienta Kriging en forma efectiva implica una investigación interactiva del comportamiento espacial del fenómeno representado por los valores z antes de seleccionar el mejor método de estimación para generar la superficie de salida. presupone que la distancia o la dirección entre los puntos de muestra reflejan una correlación espacial que puede utilizarse para explicar la variación en la superficie. La herramienta Kriging ajusta una función matemática a una cantidad especificada de puntos o a todos los puntos dentro de un radio específico para determinar el valor de salida para cada ubicación. Kriging es un proceso que tiene varios pasos, entre los que se incluyen, el análisis estadístico exploratorio de los datos, el modelado de variogramas, la creación de la superficie y (opcionalmente) la exploración de la superficie de varianza. Este método es más adecuado cuando se sabe que hay una influencia direccional o de la distancia correlacionada espacialmente en los datos. Para este estudio los mapas fueron generados empleando el método ordinario de interpolación de Krining y el modelo de semivariograma lineal, con un tamaño de celda de 10 m.

3.2 Mapa de aceleraciones máximas

El mapa de aceleraciones máximas de la ZMG se presenta en la figura 7. La metodología empleada para determinar el peligro sísmico (aceleraciones máximas) está en función de su distribución geoespacial de las intensidades en términos de aceleraciones del terreno, asociado al periodo de retorno de referencia (ER), en este caso Tr = 600 años; esta información se estandariza mediante procesos de estimación a partir de los valores obtenidos en los muestreos de campo y cálculos geoespaciales.

Figura 7. Aceleraciones máximas del terreno para la ZMG.

3.3 Mapa de isoperiodos

De igual manera se logró construir el mapa de isoperiodos para la ZMG (Fig. 8).

La elaboración del modelo para representar los valores de los periodos mostradas como líneas de contorno, son generadas a partir de la ubicación y análisis de la respuesta del terreno mediante un modelo de depósito o estrato equivalente, propagado mediante su ubicación en X y Y.

De igual manera se empleó el método ordinario de interpolación de Krining y el modelo de semivariograma lineal, con un tamaño de celda de 10 m.

Figura 8. Mapa de isoperiodos para la ZMG.

6 ZAMUDIO Z., P.E.ET AL ______________________________________________________________________________________

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

3.4 Mapa de coeficiente sísmico

Siguiendo la misma metodología descrita para el mapa de aceleraciones e isoperiodos, se generó el mapa de coeficientes sísmicos para la ZMG (Fig. 9).

Figura 9. Mapa de coeficientes sísmicos para la ZMG.

4 UTILIDAD

Actualizar las NTC para diseño por sismo de la ZMG. Establecer áreas de coeficientes sísmicos de sitio, que estén en función de los parámetros dinámicos y no del espesor del depósito. Utilizar el mapa de isoperiodos para evitar que las construcciones futuras entren en una posible resonancia. Construir mapas de riesgo por resonancia de las edificaciones ya construidas. Emplear el mapa de aceleraciones máximas del terreno para el diseño sísmico. Obtener velocidades y desplazamientos de diseño a partir de las aceleraciones del suelo.

5 CONTINUIDAD

Llevar a cabo un mayor número de pruebas geofísicas para la obtención directa de los parámetros dinámicos en la zona oriente de la ZMG. A partir de las propiedades dinámicas obtener una zonificación sísmica empleando respuestas de sitio mediante curvas de degradación de rigidez y tomando en cuenta los efectos no lineales del suelo. Evaluar la posibilidad de mecanismos de falla del terreno ante un evento sísmico, como licuación.

6 REFERENCIAS

CFE (2008), “Manual de Diseño de Obras Civiles (MDOC), Diseño por Sismo”, Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), Comisión Federal de Electricidad (CFE), México, D.F.

CFE (2015), “Manual de Diseño de Obras Civiles (MDOC), Diseño por Sismo”, Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), Comisión Federal de Electricidad (CFE), México, D.F.

NTC (1997), “Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo para Guadalajara”, Laboratorio de Investigación del Posgrado de Ingeniería Civil, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías (CUCEI), Universidad de Guadalajara (U de G), H. Ayuntamiento Constitucional de Guadalajara, Guadalajara, Jalisco.

Ordaz (1999), “Algunas consideraciones sobre los nuevos reglamentos mexicanos de construcción de diseño por sismo”, XII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica (SMIS), Morelia, Michoacán.

PEER (2012), “Guidelines for Estimation of Shear Wave Velocity Profiles”, Pacific Earthquake Engineering Research Center, Headquarters at the University of California, California, USA, 2012.

PRODISIS v4.1 (2015), “Programa de Diseño Sísmico”, Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), Comisión Federal de Electricidad (CFE), México, D.F.

Saborio-Ulloa J. (1995), “Algunas Características del subsuelo de la ciudad de Guadalajara, Jalisco, México”, División de Ingenierías, Universidad de Guadalajara (U de G), Guadalajara, Jalisco 1970-1995.

SIAPA (1999), “Sondeos de exploración profunda” Sistema Intermunicipal de Agua Potable y Alcantarillado (SIAPA), Guadalajara, Jalisco.

SIAPA (2003), “Sondeos de exploración profunda”, Actualización, Sistema Intermunicipal de Agua Potable y Alcantarillado (SIAPA), Guadalajara, Jalisco.

Zamudio y Gómez-Mora (2016) Zonificación Sísmica de la ZMG, una propuesta de modificación de las NTC para diseño por sismo de 1997