Efectos de sitio observados de acelerogramas y su relación con la direccionalidad

Para estudiar la relación que puede existir entre los efectos de sitio y las direcciones principales, se analizaron dos técnicas. La primera, la relación espectral horizontal-vertical, H/V o HVSR; la otra, la relación espectral suelo-roca, o función de transferencia empírica (FTE). Existen varios métodos que utilizan como base las observaciones simultáneas de microtemblores; por ejemplo, Nakamura (1989) utilizó la relación espectral Horizontal-Vertical (HVSR) para determinar los periodos dominantes; otros investigadores han aplicado una técnica basada en la inversión de la relación H/V con la que es posible estimar la variación de la velocidad de ondas de cortante, como Arai y Tokimatsu (2004). Aunque este procedimiento ha sido cuestionado por su falta de fundamento teórico (Horike et al., 2001), en la actualidad su aplicación se ha extendido en todas partes, y se utiliza como una herramienta muy versátil para estimar las características del sitio donde se localiza la estación sismográfica o acelerográfica (Lozano et al., 2009). Este método también se ha aplicado para estudiar los acelerogramas de movimiento intenso.

Utilizando los registros de los nueve sismos más intensos registrados en los últimos 15 años en la estación RICC, los resultados de calcular los cocientes espectrales H/V, en RICC, y en CHIL, se presentan en las figuras 8.30 y 8.31, donde se busca coincidir con la dirección longitudinal y transversal del valle. En cada caso, se presentan las gráficas promedio de los nueve sismos con la desviación estándar, para las componentes a 46º, que están alineadas aproximadamente con el eje longitudinal (LONG) y transversal (TRANSV) del valle. Al usar los registros a 46 grados en la dirección LONG y en la TRANS, se detecta que las curvas tienden al mismo periodo (2.7 s) y también tienden a la misma amplitud que los H/V calculados sin girar. En el caso de la estación sobre roca (CHIL), se observa un comportamiento típico de un terreno de suelo firme, es decir, una curva muy horizontal, excepto entre 0 y 0.7 s.

Figura 8.30. Promedios de los Cocientes Espectrales con la desviación estándar, de los nueve sismos más intensos registrados en Chilpancingo en los últimos 15 años en la estación RICC, al rotar los ejes 46

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Figura 8.31. Promedios de los Cocientes Espectrales con la desviación estándar, de los nueve sismos más intensos registrados en Chilpancingo en los últimos 15 años en la estación CHIL, al rotar los ejes 46

grados (LONG. y TRANSV.).

En la figura 8.32 se muestra una gráfica comparativa de los cocientes espectrales promedio y los obtenidos girando los ejes de los equipos 46 grados para las estaciones RICC y CHIL, donde se puede observar que para el caso de RICC en las direcciones NS y LONG ambos cocientes presentan la amplitud máxima para un periodo cercano a 3.0 s, mientras que para las direcciones EO y TRANS se observa una disminución de las amplitudes máximas y de su correspondiente periodo, comparado con las otras direcciones, también se observa una diferencia importante en la respuesta entre las direcciones NS y EO. Para la estación CHIL no se observa diferencia significativa en las direcciones NS y LONG, así como en las direcciones EO y TRANS.

Figura 8.32. Comparación de los cocientes espectrales promedio de los sitios RICC y CHIL entre los H/V obtenidos sin girar y girando los registros.

Al usar la técnica que relaciona una estación ubicada en suelo entre otra estación ubicada en roca, o llamada función de transferencia empírica (FT o FTE), se procesaron los acelerogramas y se calcularon los espectros de Fourier de las componentes NS y EO, de los nueve eventos con las intensidad más altas, registrados simultáneamente en las estaciones RICC (suelo sedimentario) y CHIL (suelo firme), después de realizar el suavizado de las curvas, se calcularon los cocientes correspondientes. Además, se calculó la suma vectorial o resultante única (RU) de los espectros de amplitud de Fourier de la componente horizontal, como:

= | | | | (8.3) 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 H/V PROMEDIO. RICC PERIODO (seg) R E L A C IO N H /V 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 H/V PROMEDIO. RICC PERIODO (seg) R E L A C IO N H /V 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 H/V PROMEDIO. CHIL. PERIODO (seg) R E L A C IO N H /V 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 H/V PROMEDIO. CHIL PERIODO (seg) R E L A C IO N H /V CHIL-LONG CHIL-NS CHIL-TRANS CHIL-EO NS LONG EO TRANS

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Este criterio fue desarrollado por Huang (1983), quien propuso este parámetro como una medida para encontrar el espectro de amplitud horizontal máximo, que se supone es independiente de la dirección. En la figura 8.33 se presentan las curvas de los promedios de los cocientes, o funciones de transferencia (FT) entre las estaciones RICC/CHIL, donde se observa una significativa diferencia entre las ordenadas máximas que alcanza cada una de las componentes independientes NS y EO, siendo mucho menor la dirección NS. También se observa una pequeña diferencia en los valores de los máximos, en la dirección NS está entre 2.7 s, mientras que en EO está en alrededor de 2 s. En esta misma figura también se graficó el cociente de los promedios RU entre RICC y CHIL, que como puede observarse entre 1.0 y 3.0 s representa el promedio entre las componentes NS y EO, el valor máximo se localiza en 2.25 s.

Por otra parte, cuando se comparan los cocientes FT y los cocientes H/V en RICC en la misma figura 8.33, se concluye que, en cuanto a amplificaciones, los cocientes H/V alcanzan valores relativamente muy bajos, de no más de 5. Esto es entre 3 a 5 veces menores que las funciones de transferencia FT. Pero al comparar los valores de los periodos donde se concentran los máximos, éstos se presentan en intervalos muy cercanos en ambas técnicas, sobre todo en la componente NS, donde los valores están entre 2.7 y 2.8 s.

Figura 8.33. Promedio de las Funciones de Transferencia RICC/CHIL; y comparación con los Cocientes Espectrales Promedio H/V.

8.6. CONCLUSIONES

Después de haber aplicado varias técnicas para inferir los efectos de sitio en el valle de Chilpancingo, se llega a la conclusión de que estos son importantes, como parte de la valoración del peligro sísmico. Se logró caracterizar claramente el tipo de suelo sobre el sitio en que se ubican cada una de las estaciones utilizadas en este estudio. CHI1 y RICC en suelo sedimentario, RICA en suelo y CHIL en roca (suelo firme), esto de acuerdo con los espectros de respuesta elástica observados en cada sitio. Al usar la técnica H/V o HVSR, se observó que cuando se consideran las componentes de las direcciones principales de los registros, las curvas tienden a ser iguales en amplitud y periodo, sin embargo, al usar esta metodología, no se pueden alcanzar los niveles de amplificación observada entre

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las estaciones RICC y CHIL, porque se obtienen valores entre 3 y 5 veces menores. Pero esta técnica sí puede proporcionar el periodo de los estratos de suelo.

De los cocientes espectrales obtenidos con la técnica de Nakamura, se observan periodos dominantes del suelo muy largos para ciertos sitios, aunque esto hace inferir que en estos sitios los depósitos de suelo sedimentarios son mayores o existen irregularidades importantes en los estratos profundos (interface de suelo sedimentario con la roca). En términos generales, se observó que los periodos que producen la mayor amplitud coinciden con los obtenidos con las otras técnicas.

Un resultado muy importante que muestra claramente la complejidad de la geología local y de la topografía en los efectos de sitio, es la gran diferencia observada entre las funciones de transferencia NS y EO, lo que demuestra que no es posible reproducir completamente con un modelo 1D los efectos de amplificación del valle de Chilpancingo. Por tanto, si se quieren estimar con precisión los efectos de amplificación es necesario recurrir a modelos 2D o 3D del valle y así tratar de explicar las diferencias significativas de las funciones de transferencia empíricas promedio horizontales observadas entre las estaciones RICC/CHIL. La componente EO amplifica más la respuesta del depósito de suelo que la componente NS.

El análisis de direccionalidad no indica una clara polaridad en el movimiento del suelo. Cuando se consideran las direcciones de PGA, no existe ninguna relación ni tampoco alguna tendencia, pero si se analizan las direcciones principales de Arias, que nos representan la direccionalidad de la energía se presentan ciertas tendencias sobre todo en CHIL y en RICC. Lo anterior, sugiere que pueden ser menores los efectos de amplificación debido a la topografía y más fuertes los efectos de la geología local principalmente debido a los estratos profundos.

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