1. Introducción
el megaterremoto de subducción interplaca tipo thrust de el Maule de 2010 fue el primer terremoto de MW = 8.8 registrado por una red de acelerómetros a nivel mundial, dando con ello la oportunidad de comprender sus características físicas, verificar las suposiciones de dise-ño consideradas hasta esa fecha para este tipo de terremotos y establecer las modificaciones de diseño sísmico necesarias a la luz de estos nuevos antecedentes.
a pesar de que este terremoto no fue completamente registrado en su área epicentral, pocas zonas de subducción cuentan con registros de un terremoto de gran magnitud. una excepción es el terremoto Mw = 9.0 de Tohoku-Japón que ocurrió un año después, el 11 de marzo de 2011, sin embargo sus características sismo tectónicas como lejanía de la fosa a la costa, hacen que sus registros en amplitud y duración no sean comparables a los obtenidos durante el terremoto de chile de 2010. Por este motivo, las características de la demanda
caPíTulo 6
Implicaciones y nuevos
desafíos de diseño sísmico
de los acelerogramas del
terremoto del 2010
Rodolfo Saragoni1
Sergio Ruiz2,3
1. Profesor. División Estructuras, Construcción y Geotecnia. Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
2. Départament des Géosciences, Ecole Normale Superieure, París, Francia 3. Departamento de Geología, Universidad de Chile
sísmica de este tipo de megaterremotos, considerados como terremotos máximos creíbles para el diseño (Mce), resultan de gran importancia para diferentes zonas del mundo en las cuales se espera la ocurrencia de grandes terremotos similares al ocurrido en chile, como por ejemplo sur del Perú y norte de chile (Kelleher, 1972, nishenko, 1985) o cascadia en la costa pacífica de eeuu y canadá (heaton and hartzell, 1987).
la demanda sísmica de este megaterremoto tiene especial importancia para el diseño de edificios altos debido a las características de sus acelerogramas de larga duración y la gran amplitud de sus ondas de período largo (saragoni et al. 2010; ruiz et al. 2012).
el análisis de los acelerogramas de las 32 estaciones acelerográficas que registraron el te-rremoto de el Maule 2010 (Boroscheck et al. 2010, Barrientos 2010) permite caracterizar los aspectos mas relevantes de estos megaterremotos orientados al diseño sísmico. Parte de es-tos resultados ya se han incorporado en el d.s. 61 de emergencia del Minvu que modificó en diciembre de 2011 la norma nch 433 of. 96 Modificada 2009 “diseño sísmico de edificios”.
Previamente, sólo los terremotos de valparaíso 1985 Mw 8.0 y Tocopilla 2007 Mw 7.8 fue-ron adecuadamente registrados por instrumentos de campo cercano (ruiz et al., 2011). el estudio de estos acelerogramas permitió caracterizar adecuadamente los terremotos de subducción chilenos y diferenciarlos en muchos aspectos de otras zonas sísmicas, como en la atenuación de sus valores máximos de aceleración y sus características destructivas (sa-ragoni et al., 2004). También a partir de estos registros se observó que la respuesta dinámica del suelo para este tipo de terremotos se caracteriza por una gran cantidad de respuestas libres del suelo (ruiz y saragoni, 2009) y sus espectros de respuesta por 2 peaks, uno de ellos asociado a la respuesta del suelo (ruiz y saragoni, 2008). Todos estos aspectos únicos de la subducción chilena, son contrastados con lo observado en los acelerogramas del me-gaterremoto de el Maule 2010.
en este capítulo se caracterizan los acelerogramas, indicándose las limitaciones que tuvo la red acelerográfica al registrar el terremoto para poder hacer una adecuada interpretación de sus resultados, se comparan los valores obtenidos de aceleración máxima con las fórmulas de atenuación propuestas, los potenciales destructivos medidos con las intensidades sísmicas informadas, la respuesta en vibración libre del suelo y los efectos de la amplificación dinámica del suelo, los espectros de respuesta medidos caracterizados por dos peaks y su influencia en el diseño, y finalmente la identificación de un pulso vertical común en la mayoría de los registros obtenidos en santiago.
2. Datos acelerográficos
se obtuvieron acelerogramas a nivel del suelo en la mayoría de las ciudades más impor-tantes dañadas por el terremoto, cubriendo sus 500 Km de longitud de ruptura, tal como se aprecia en la figura 1, donde se muestran a la misma escala los acelerogramas obtenidos en las 32 estaciones en la dirección eW. en esta figura se muestran con distinto color las estacio-nes de santiago, con las del resto del país; el punto rojo corresponde a cauqueestacio-nes, sitio donde se registró el acelerograma de mayor aceleración máxima o PGa 1.25g, el cual es discutido más adelante.
el pronóstico para el primer hueco sísmico era la ocurrencia de un terremoto de magnitud 8.0 similar al terremoto de Talca de 1928, con un largo de ruptura de 150 a 200 Km al sur de Matanzas y para el segundo, un terremoto similar al terremoto de concepción de 1835. sin
Figura 1. componentes acelerográficas eW del terremoto de el Maule 2010. los acelerogramas
obtenidos en santiago se muestran de color negro. el punto rojo indica la ciudad de cauquenes donde se registró la mayor aceleración máxima 1.25 g. no se muestra el registro por que el instrumento se saturó.
embargo, el de el Maule de 2010 rompió al menos el área de ruptura de ambos gaps. se observa en la figura 1 que la gran mayoría de las estaciones están ubicadas al norte de constitución, existiendo sólo 4 estaciones de constitución al sur, a pesar de que esta zona fue reconocida previamente como un gap sísmico (campos y otros, 2002). afortunadamente la uni-versidad había instalado una adecuada red en la zona central previendo el terremoto de 1985 (Pereira y otros, 1979), la cual en gran medida permitió registrar adecuadamente la zona norte del terremoto de el Maule, donde ocurrieron los mayores deslizamientos sísmicos de la placa y donde están ubicadas 2 de las principales asperezas que controlaron la ruptura sísmica de este terremoto (ver capítulo 1, ruiz et al., 2012). lamentablemente algunos acelerómetros localiza-dos en la zona del gap sísmico de concepción no funcionaron, lo que impide disponer de la información espacialmente completa del terremoto e interpretar mejor su ruptura en el tiempo.
la figura 1 muestra además la larga duración de algunos registros de alrededor de 2,5 mi-nutos, lo que concuerda con la longitud de ruptura de 500 Km del terremoto. cabe mencionar
-32º -33º -34º -35º -36º -37º -38 -74º -72º -70º -68º-74˚ -72˚ -70˚ -68˚ −38˚ −37˚ −36˚ −35˚ −34˚ −33˚ −32˚ EW COMPONENTS Constitución Concepción Angol Talca Hualañe Curicó Pichilemu MatanzasLlolleo Melipilla Casablanca Valparaíso
Viña del Mar El Roble Olmue Zapallar PapudoCabildo Los Molles Los Vilos Santiago Cauquenes
que algunos instrumentos por sus características, se detuvieron antes, no registrando todo el terremoto, como se aprecia en la figura 1 para algunas estaciones de santiago.
la red acelerográfica que registró el terremoto de 2010 es eminentemente analógica con una capacidad limitada de 1 g. ello significó limitaciones dentro del gran éxito de haber logra-do los registros, principalmente por este límite de su capacidad de 1 g, la cual fue superada en la estación cauquenes, la que se muestra en la figura 1, sin acelerograma.
los acelerogramas de la figura 1 muestran la comentada larga duración, así como un com-portamiento complejo de liberación de la energía en cada estación, dominado por las dos asperezas dominantes ubicadas en la zona norte de la ruptura (ruiz et al. 2012). de esta figura se puede apreciar la mayor duración de los acelerogramas de curicó al sur, debido a la llega-da de energía desde 2 asperezas y probablemente la llegallega-da de energía desde la parte sur de la ruptura, en tanto que los acelerogramas al norte de curicó tienen menor duración de movimiento fuerte, pues como se puede apreciar muestran solo dos llegadas dominantes de energía debido a las 2 asperezas vecinas a Pichilemu. sin embargo, en el acelerograma de Tal-ca de la figura 1 se aprecia tres llegadas de 3 zonas de energía, estando dos de ellas asociadas a las asperezas localizadas en la zona norte de la ruptura (ruiz et al., 2012) y la tercera podría corresponder a un arribo de energía desde la parte sur de la ruptura.
desafortunadamente no sólo la distribución de acelerogramas no está uniformemente dis-tribuida, concentrándose en la zona norte, sino que también la distribución global de estacio-nes, lo que ha significado que para el terremoto de el Maule se tenga un escaso conocimiento de la ruptura sísmica en la zona sur. la distribución espacial no uniforme de las estaciones acelerográficas en la zona de la ruptura del terremoto, implica una interpretación cautelosa de los promedios que se obtengan de los resultados de los acelerogramas, pues tenderán a representar más lo ocurrido al norte de curicó. situación que como se verá en este capítulo puede ser cuestionada pues los acelerogramas de mayor aceleración máxima, mayor dura-ción de movimiento fuerte y mayor potencial destructivo, se ubican al sur de la ruptura del terremoto de el Maule.
en la Tabla 1 se identifican las 32 estaciones acelerográficas, indicando su aceleración máxi-ma (PGa), (Peak ground acceleration) en unidades de g, la intensidad de arias la , (arias, 1969), el potencial destructivo Pd, el potencial destructivo horizontal Pdh (araya y saragoni (1984)) y la intensidad MsK, para aquellas estaciones en que se estimó su valor. los acelerogramas están ordenados de mayor a menor potencial destructivo horizontal Pdh.
la máxima aceleración horizontal corresponde a la componente ns de la estación angol con 0,93 g y la máxima aceleración vertical a la estación llolleo con 0.70 g.
una de las limitaciones más importantes que aun persiste para una mejor interpretación de los registros acelerográficos es que se desconoce la clasificación dinámica de los suelos, en la gran mayoría de las estaciones. en este momento se están realizando los sondajes hasta la roca en las más importantes de ellas, con lo que se resolverá parcialmente este problema en el futuro.
finalmente es conveniente mencionar que la estación de iloca, también registró el terremo-to pero el instrumenterremo-to quedó inutilizado al ser arrastrado por el posterior tsunami.
Tabla 1. Terremoto el Maule 2010. aceleración Máxima (PGa), intensidad de arias ia, Potencial destructivo Pd
y Potencial destructivo horizontal Pdh. se incluyen algunas intensidades MsK
N° ESTaCIÓN COMPONENTE I MSK PGa Ia Pd Pdh N° ESTaCIÓN COMPONENTE I MSK PGa Ia Pd Pdh [g] [g s] [cm s] [cm s] [g] [g s] [cm s] [cm s]
1 CONSTITUCIÓN lonG 8* 0.54 2.02 43.87 110.98 17 PaPUDO lonG 0.29 0.29 4.20 9.59 Tran 0.63 2.68 67.11 Tran 0.42 0.40 5.39 verT 0.34 0.40 2.39 verT 0.16 0.04 0.11
2 CONCEPCIÓN lonG 8 0.40 0.89 47.62 69.79 18 MElIPIlla lonG 6.5 0.57 0.92 3.23 8.47
CENTRO Tran 0.29 0.58 22.17 Tran 0.77 1.29 5.24 verT 0.36 0.77 12.97 verT 0.38 0.23 0.35
3 CONCEPCIÓN 1 7,5* 0.59 1.45 13.83 31.87 19 SaNTIaGO 1 6 0.47 0.77 3.63 7.20
SaN PEDRO 2 0.65 1.76 18.04 SaN JOSÉ 2 0.47 0.67 3.57 verT 0.55 1.10 5.02 verT 0.24 0.21 0.69
4 llOllEO lonG 7 0.33 0.50 9.22 26.93 20 CabIlDO lonG 0.27 0.27 2.53 5.41 Tran 0.54 1.03 17.71 Tran 0.32 0.27 2.88 verT 0.70 0.67 5.03 verT 0.13 0.05 1.50
5 MaTaNZaS lonG <7.0 0.33 0.72 17.29 26.34 21 SaNTIaGO eW 6.5 0.34 0.33 2.03 4.33 Tran 0.30 0.46 9.05 aNTUMaPU ns 0.28 0.30 2.30
verT 0.24 0.23 1.04 verT 0.21 0.16 0.81
6 aNGOl eW 6.5 0.69 1.79 10.24 20.42 22 PICHIlEMU lonG 0.12 0.12 1.73 4.11 ns 0.93 2.03 10.18 Tran 0.16 0.14 2.38 verT 0.28 0.44 1.58 verT 0.13 0.06 0.34
7 TalCa lonG 7,5* 0.48 1.18 10.53 20.32 23 SaNTIaGO eW 6.5 0.26 0.17 1.34 3.84 Tran 0.42 1.13 9.79 PUENTE alTO ns 0.27 0.26 2.50 verT 0.24 0.31 1.10 verT 0.13 0.10 0.54
8 HUalaÑE lonG 7 0.39 0.81 7.51 16.12 24 lOS MOllES X 0.16 0.08 1.29 3.18 Tran 0.47 0.89 8.61 y 0.15 0.09 1.89 verT 0.39 0.65 1.87 verT 0.07 0.02 0.09
9 CaSablaNCa 1 0.29 0.38 7.90 15.62 25 SaNTIaGO 1 0.32 0.28 1.39 3.08 2 0.33 0.39 7.72 SaNTa lUCÍa 2 0.24 0.28 1.69 verT 0.23 0.13 0.59 verT 0.26 0.26 1.26
10 ValPaRaÍSO lonG 7.5 0.22 0.23 8.86 14.37 26 SaNTIaGO eW 6 0.30 0.34 2.54 2.80
alMENDRal Tran 0.27 0.21 5.51 PEÑalOlÉN ns 0.29 0.33 0.26 verT 0.15 0.07 0.65 verT 0.28 0.18 1.05 11 CURICÓ eW 7.5 0.47 1.09 6.38 13.96 27 SaNTIaGO eW 6 0.16 0.13 1.25 2.38 ns 0.41 1.13 7.58 FCFM ns 0.17 0.12 1.13 verT 0.19 0.30 1.12 verT 0.14 0.08 0.15 12 SaNTIaGO 1 6.5 0.23 0.31 4.88 13.73 28 El ROblE eW 0.14 0.09 0.55 2.32 laS aMÉRICaS 2 0.31 0.38 8.85 ns 0.19 0.16 1.77 verT 0.16 0.16 1.81 verT 0.11 0.04 0.14
13 VIÑa DEl MaR eW 6.5 0.33 0.39 9.48 13.54 29 SaNTIaGO 1 6 0.23 0.22 1.53 2.27
CENTRO ns 0.22 0.21 4.06 aNDalUCÍa 2 0.31 0.28 2.30 verT 0.19 0.04 0.67 verT 0.18 0.14 0.74
14 VIÑa DEl MaR lonG 0.34 0.45 5.66 12.43 30 ValPaRaÍSO lonG 0.14 0.03 0.33 1.03
MaRGa MaRGa Tran 0.33 0.48 6.77 UTFSM Tran 0.31 0.05 0.70 verT 0.26 0.21 0.79 verT 0.08 0.02 0.18
15 SaNTIaGO 1 7 0.50 0.50 4.32 10.39 31 ZaPallaR lonG 0.18 0.06 0.29 0.54
MaIPÚ 2 0.54 0.58 6.07 Tran 0.18 0.06 0.25
verT 0.23 0.18 1.03 verT 0.11 0.03 0.07
16 OlMUÉ X 0.25 0.20 2.94 10.29 32 lOS VIlOS eW 0.03 0.00 0.02 0.03 y 0.36 0.41 7.35 ns 0.03 0.00 0.02 verT 0.15 0.07 0.30 verT 0.02 0.00 0.01
Figura 2. fotografía de la película de 70 mm del registro de aceleraciones obtenido en cauquenes con
un acelerógrafo analógico KineMeTrics sMa-1 de 1g, el cual se saturó y tuvo problemas de partida. la ampliación muestra el peak de la componente longitudinal de 1,25g, que es la máxima aceleración horizontal registrada para el terremoto de 2010 (la figura inferior corresponde a un zoom de la figura superior).
3. La maxima aceleración horizontal: Cauquenes
en la ciudad de cauquenes fue informada una intensidad máxima MsK igual a viii durante este terremoto (ver Tabla 3 del capítulo 5). la zona encuestada se ubica cerca de la ubicación del acelerógrafo de la universidad de chile en el hospital de cauquenes. el acelerómetro era del tipo Kinemetrics sMa-1 de 1 g, el cual durante el sismo se saturó pues sus componentes se cruzaron, como se aprecia en la figura 2. afortunadamente, en este registro se puede leer el valor máximo de la aceleración horizontal de la componente longitudinal la cual alcanza a 1.25 g. este valor de aceleración máxima corresponde a casi el doble del valor registrado para el terremoto de chile central 1985, llolleo 0.67 g y Tarapacá 2005, Pica 0.72 g. en las compo-nentes de la estación de cauquenes, se aprecia que éste tuvo además problemas de partida con su partidor vertical.
4. Fórmulas de atenuación de las aceleraciones máximas
horizontales
ruiz y saragoni (2005) establecieron la siguiente fórmula de atenuación para las aceleracio-nes máximas horizontales esperadas o PGa en roca o suelo duro:
ahormax = [cm/seg2], (1) donde:
M = magnitud
r = distancia hipocentral en kilómetros
en la figura 3 se compara la curva de atenuación correspondiente a Mw = 8.8 con los valo-res registrados durante el terremoto de 2010.
la curva corresponde a roca o suelo duro en tanto los valores de los registros corresponden a suelos de diferentes tipos, con un número importante de ellos en suelo duro, pero hay un número de ellos en suelos más blandos, que dan amplitudes mayores.
en la figura 3 se muestran los valores registrados en santiago con color verde y el valor máximo de 1.25 g de cauquenes con negro.
Figura 3. comparación de la fórmula de atenuación considerando distancia hipocentral para Mw =
8.8 en suelo duro (ruiz y saragoni (2005)). los puntos verdes representan los registros obtenidos en santiago. el cuadrado negro corresponde a la máxima aceleración registrada en cauquenes de 1.25 g.
FÓRMUla aTENUaCIÓN aCElERaCIÓN
1 0,1 0,01 30 50 100 300 500 ac el er ac ió n (g ) disTancia hiPocenTral (km)
de la comparación de la figura 3 se aprecia que en general los valores siguen la tendencia de la fórmula propuesta por ruiz y saragoni (2005), incluyendo el valor máximo de cauque-nes, aunque los valores registrados son ligeramente superiores. esto sin embargo, puede ser causado por asumir la distancia al hipocentro en lugar de utilizar fórmulas de atenuación que consideren la distancia a las asperezas.
a continuación se comparan las curvas de atenuación para la aceleración, propuestas por ruiz y saragoni (2005) asumiendo distancia al hipocentro y también asumiendo distancia a la aspereza ubicada más al norte propuesta por ruiz et al. (2012) en los -34.90° y -72.50° (ver figura 9, capítulo 1). sin embargo se necesitan mayores estudios para considerar la distancia a
Figura 4. fórmulas de atenuación considerando la distancia hipocentral al hipocentro y la distancia
hipocentral mínima a una de las asperezas para Mw = 8.8 y Mw = 8.0 en suelo duro. los puntos verdes indican los registros obtenidos en santiago. el cuadrado negro corresponde a la máxima aceleración observada en cauquenes, la cual sigue la tendencia del resto de los valores registrados.
FÓRMUla aTENUaCIÓN aCElERaCIÓN
FÓRMUla aTENUaCIÓN aCElERaCIÓN CONSIDERaNDO aSPEREZaS
1 0,1 0,01 1 0,1 0,01 30 50 100 300 500 30 50 100 300 500 ac el er ac ió n (g ) ac el er ac ió n (g ) disTancia hiPocenTral (km)
las asperezas ubicadas en la zona sur, que represente adecuadamente los PGa de los registros de concepción y angol y la mayor extensión del área afectada por la licuación (ver capítulo 4) con respecto al área de las isosistas del terremoto que es menor (ver capítulo 5).
en la figura 4 se comparan los resultados calculados con las fórmulas de atenuación corres-pondientes a las aceleraciones máximas respecto a su distancia hipocentral y a su distancia a las asperezas propuestas por ruiz y saragoni (2005) para suelo duro. se muestran las fórmulas para dos magnitudes: Mw = 8.8 el valor medido para el terremoto y Mw = 8.0. se puede observar que en el caso de considerar la distancia mínima a la aspereza de mas al norte, los valores observados de aceleración máxima (PGa) no sobreestiman los valores de la fórmula de atenuación, y que éstos se ubican entre valores asociados a terremotos entre Mw = 8.0 y Mw = 8.8. esto es consistente con las intensidades de daño reportadas para este terremoto (astroza (2012) y ver capítulo 5), indicando que la magnitud asociada a las asperezas es infe-rior a la magnitud asociada a todo el terremoto de Mw = 8.8. en estas estimaciones no se ha considerado la aspereza sur de concepción, por no poder ser bien identificada y porque un número muy pequeño de los datos acelerográficos están controlados por ella, como se ha explicado previamente.
en la figura 4 se ha incluido la aceleración máxima extrema de 1.25 g obtenida en cauque-nes, apreciándose que ella sigue la tendencia de la fórmula de atenuación, lo que hace posible registrar aceleraciones de 2g y mas en este tipo de terremotos.
la relativa buena concordancia de las fórmulas de atenuación propuestas por ruiz y sa-ragoni (2005) con los datos medidos confirma que los datos de la subducción chilena para terremotos interplaca tipo thrust (saragoni et al. (2004)), son subestimados por las fórmulas de atenuación propuestas por youngs et al (1997) y atkinson y Boore (2003), por lo que de acuerdo a estos nuevos resultados, no se recomienda su uso para la estimación de la amenaza sísmica de chile.
5. El factor de potencial destructivo
una intensidad instrumental definida para estimar los posibles daños en estructuras y obras de tierra es el potencial destructivo Pd definido por araya y saragoni (1984). esta definición se basa en la acumulación de deformaciones nolineales de estructuras simples elastoplásticas de un grado de libertad, asociado a la ductilidad global de estructuras considerada en las normas.
el potencial destructivo considera además un proceso estocástico noestacionario de acele-ración {a(t)}, caracterizado por una intensidad de cruces por cero por segundo ν0.
el potencial destructivo Pd queda definido por:
Figura 2.11. irregularidades a nivel del Primer piso.
donde
a(t) = aceleración del suelo
t0 = duración total del acelerograma
ν0 = intensidad de cruces por cero por segundo g = aceleración de gravedad.
Pd es proporcional al espectro promedio de ductilidad de osciladores nolineales elastoplás-ticos simples de un grado de libertad (araya y saragoni (1984)).
el potencial destructivo se puede expresar también como
Pd = (3)
donde ia es la intensidad de arias (arias, 1969).
se define además como potencial destructivo horizontal Pdh a
Pdh = PdXX + Pdyy (4)
que es la suma de los potenciales destructivos medidos en dos direcciones horizontales ortogonales X e y.
en la Tabla 1 se indican los valores de Pd y Pdh en cm-seg de las 32 estaciones acelerográ-ficas que midieron el terremoto de el Maule de 2010. la Tabla se ha organizado de mayor a menor Pdh.
el máximo valor Pdh se obtuvo en la estación constitución con 110,98 cm-seg, valor que corresponde al máximo valor registrado en chile y supera el máximo valor obtenido en la estación llolleo para el terremoto de chile central de 1985, 28.76 cm-seg (saragoni y otros (1989)). este máximo valor de constitución es menor al registrado para scT (secretaria de comunicaciones y Transportes) en ciudad de México para el terremoto de Michoacan de 1985 con 193,42 cm-seg y que está asociado al colapso de una gran cantidad de edificios altos en la ciudad de México.
el valor máximo de Pdh medido para ese terremoto subductivo mexicano fue en la estación de Tlahuac Bombas con Pdh = 321.78 cm-seg (saragoni y herrera, 1993).
además saragoni y otros (1989) establecieron la siguiente función de correlación entre la intensidad instrumental Pdh con la intensidad Mercalli Modificada iMM para los datos del terre-moto de chile central 1985.
iMM = 4.86 + 1.3 log10 Pdh (5)
considerando esta ecuación se obtiene un valor de iMM = 8.98 para la estación del hos-pital de constitución, valor que fue estimado en terreno por astroza (2012) con un valor de MsK = viii.
en la figura 5 se compara la ec. (5) con los valores informados, observándose en general que los valores Pdh obtenidos para este terremoto son mayores a los pronosticados por la ec. (5) para el mismo nivel de daño iMM. hay que recordar que los valores de la ec. (5) corres-ponden a una relación empírica para datos acelerográficos sólo del terremoto de chile de 1985, que se aprecian en la figura 5 sistemáticamente por debajo de los datos del terremoto de el Maule 2010.
empleando la ec. (5) saragoni y otros (1989) han considerado como destructivo a las esta-ciones con Pdh > 4.0 cm-seg (iMM > 6.5), lo cual concuerda con los valores informados en la Tabla 1, en que desde la estación n°23 santiago Puente alto hacia abajo no son destructivos.
en conclusión, el análisis instrumental de ambos valores amax y Pdh confirman las observacio-nes que indican que el terremoto de el Maule 2010 no fue tan destructivo, lo cual concuerda con el comportamiento observado especialmente de estructuras de baja y media altura.
sin embargo, los altos valores de Pdh registrados en constitución y concepción centro indi-can que estos registros son muy destructivos especialmente para estructuras de gran altura ausentes en el escenario del terremoto de 2010.
6. Vibraciones libres del suelo en los acelerogramas
en los acelerogramas de grandes terremotos es frecuente observar vibraciones libres del suelo, lo que parece una paradoja (ruiz y saragoni (2009). ello se debe a que la energía libera-da de las fuentes sísmicas, especialmente de sus asperezas, no se hace en forma permanente, dejando intervalos en que al no llegar prácticamente ondas sísmicas se desarrollan las vibra-ciones libres del suelo.
Figura 5. correlación entre potencial destructivo horizontal Pdh e intensidad MsK para los
datos acelerográficos del terremoto el Maule, chile 2010. los resultados se comparan con la ecuación propuesta por saragoni, holmberg y saez (1989).
POTENCIal DESTRUCTIVO V/S IMSK 10.000 1.000 100 10 1 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 Po Te n c ia l d es Tr u c Ti vo hori zon Ta l Pdh (0 ,0 00 1 g s 3) inTensidad MsK
fórmula atenuación Pdh v/s imsk (sáez et al., 1989) Pdh Maule 2010 Mw 8.8
ruiz y saragoni (2009) desarrollaron dos técnicas que permiten estimar a partir de los ace-lerogramas el período natural de las vibraciones libres del suelo: autocorrelograma y espectro de fourier. en este capítulo se aplican estas técnicas a los acelerogramas del terremoto de el Maule de 2010.
la figura 6a muestra el autocorrelograma de los acelerogramas de una de las componen-tes horizontales de Papudo y los Molles con una respuesta armónica amortiguada, en tanto los acelerogramas de concepción san Pedro y llolleo (figura 6b) muestran una respuesta aleatoria. la forma del autocorrelograma de la figura 6a ha sido asociada a las vibraciones libres del suelo, con el período fundamental y amortiguamiento observado, mientras que la forma aleatoria (figura 6b) se debe a las fuentes sísmicas, heterogeneidades complejas de los suelos y su respuesta no-lineal (ruiz y saragoni (2009)).
las vibraciones libres del suelo observadas cumplen normalmente con la ecuación del pe-ríodo Tn de las vibraciones libres de un modelo elástico del suelo.
Tn = (6)
donde
h = altura de la columna de suelo sobre la roca basal vs = velocidad de las ondas de corte en el suelo
n = modo de vibrar
Figura 6. autocorrelogramas de una de las componentes horizontales de los acelerogramas
obtenidos en (a) estaciones lejanas: Papudo, y los Molles, y (b) estaciones epicentrales concepción san Pedro y llolleo.
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 0 0.5 1 1.5 2 (s) 0 0.5 1 1.5 2 (s) 0 0.5 1 1.5 2 (s) 0 0.5 1 1.5 2 (s) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.4 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.4 CONCEPCIÓN SaN PEDRO lONG PaPUDO lONG
en la figura 7a se muestra la componente longitudinal del acelerograma registrado en el centro de concepción, donde se indican las vibraciones libres. en la figura 7b se comparan los desplazamientos obtenidos por integración de los acelerogramas para los registros de concepción centro y concepción san Pedro longitudinal.
las vibraciones libres del suelo se observan claramente en el registro de desplazamiento del centro de concepción, en el intervalo de relajación sin llegada de importantes ondas sísmicas que se produce entre la llegada de dos pulsos sísmicos 1 y 2, que son similares en las dos estaciones, lo que confirma que son debidos a la fuente sísmica.
durante la llegada de los pulsos los registros de desplazamientos del centro de concep-ción y de san Pedro tiene un comportamiento similar, sin embargo los desplazamientos son claramente diferentes en el intervalo de relajación entre los 16 y 27 segundos, debido a sus di-ferentes periodos naturales de vibrar del suelo. el período natural del suelo del centro de con-cepción es 2.1 segundos y se aprecia un número menor de ciclos para el registro del centro de concepción en el intervalo de relajación, con respecto al número de ciclos de san Pedro.
las vibraciones libres del acelerograma centro de concepción longitudinal a 2.1 segundos (0.5hz) se pueden apreciar claramente en el intervalo de tiempo indicado en el espectrogra-ma de la figura 8. este valor concordaría con una profundidad de la roca de 120m y con una velocidad de ondas de corte de 250 m/seg para el suelo arenoso de concepción, valores que deberán ser verificados por un sondaje.
esta identificación de las vibraciones libres del suelo en el centro de concepción es muy importante, dado que este registro se obtuvo a pocas cuadras de donde colapsó el edificio de 15 pisos de hormigón armado “alto río”.
Figura 7. (a). acelerograma de concepción centro donde se observan las vibraciones armónicas libres del suelo. (b) desplazamientos donde se comparan los registros de concepción centro y san Pedro. concePción cenTro concePción cenTro concePción san Pedro
Pulso 2 Pulso 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 TieMPo (s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 TieMPo (s) 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 30 20 10 0 -10 -20 -30 ac el er ac ió n (g ) d es Pl a z a M ie n To ( cm ) viBración liBre del suelo viBración liBre del suelo
A
B
en consecuencia se puede concluir que los acelerogramas de megaterremotos como el del 2010 pueden ser considerados como una secuencia aleatoria de episodios sísmicos de llegada de ondas sísmicas con episodios de vibraciones libre del suelo.
esta característica conduce a un carácter dual de los acelerogramas, en que los acelerogra-mas registrados lejos del área de ruptura se caracterizan porque las vibraciones libres superan a la ondas sísmicas, mientras que al contrario en los registros epicentrales las ondas sísmicas de la fuente son las predominantes.
7. Espectro de respuesta de 2 peaks
en la figura 9 se muestra el espectro de respuesta de aceleración absoluta para 5% de amortiguamiento, correspondiente a la componente longitudinal del acelerograma concep-ción centro, pudiéndose apreciar claramente que su espectro tiene dos peaks, uno de ellos alrededor de los 2.1 seg., el cual corresponde a las vibraciones libres del suelo comentadas en la sección anterior, y un segundo peak entre los 0.3 y 0.7 seg., debido a la interacción de las ondas asociadas a la fuente sísmica y la respuesta de modos superiores del suelo (2° y 3° modo de vibrar).
cuando la respuesta del suelo está dominada determinísticamente en la mayor parte de los acelerogramas, los espectros de respuesta se caracterizan por tener un solo peak, como lo indican la mayoría de los códigos de diseño sísmico, entre ellos el nch 433. of 96 Modif. 2009. “diseño sísmico de edificios”. sin embargo, cuando los registros son epicentrales los espectros de respuesta son más complejos o presentan espectros de respuesta con dos peaks (2Prs) (ruiz y saragoni: (2008)), como es el caso del registro longitudinal concepción centro, mos-trado en la figura 9.
Figura 8. espectrograma de concepción centro longitudinal, donde se observa con claridad los
intervalos donde el suelo responde libremente en una frecuencia de ~ 0.5 hz, entre los arribos de energía que corresponden a frecuencias más altas.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 TieMPo (s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 TieMPo (s)
CONCEPCIÓN CENTRO lONG
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 25 20 15 10 5 aMPliTud 5 4 3 2 1 0 ac el er ac ió n (g) (h z)
la figura 10 muestra los espectros de respuesta de aceleración para los mismos acelero-gramas que fueron considerados en la figura 6. los espectros de la figura 10a se caracterizan por tener un peak, en tanto los espectros de la figura 10b se caracterizan por tener 2 peaks.
en la figura 6 se muestran los autocorrelogramas característicos que corresponden a es-pectros de respuesta de un peak, mientras que los acelerogramas del área epicentral se carac-terizan por tener espectros de respuesta de aceleración con dos peaks.
desafortunadamente los espectros de diseño de la mayoría de los códigos mundiales, con-sideran el uso de acelerogramas normalizados siguiendo la idea original de seed et al. (1976). el problema de esta metodología es que los registros no epicentrales son muy numerosos comparados con los epicentrales obteniéndose consecuentemente espectros de respuesta promedio con un solo peak, que quedan por el lado inseguro del diseño.
no obstante ello, chile tiene una base robusta de acelerogramas de terremotos de subduc-ción, en que el epicentro y la destructividad de los terremotos muestran un comportamiento dual con espectros predominantes con 2 peaks (ruiz y saragoni (2008)), resultado que ha sido confirmado nuevamente con los acelerogramas del terremoto de el Maule 2010.
el efecto mas importante de los espectros de respuesta de aceleración de 2 peaks es que los edificios bajos y de altura media son afectados por el primer peak debido a las ondas sísmicas de la fuente y a la respuesta de los modos superiores del suelo, en tanto los edificios altos son afectados por el segundo peak debido a las vibraciones libres del suelo y al efecto de sismo lejano. Por este motivo el espectro de respuesta de 2 peaks (2Prs) tiene una influencia diferente en las estructuras, debido a que cada uno de sus peaks tiene ondas de diferentes características que afectan de modo diferente a las estructuras. estos efectos quedan bien caracterizados en un espectro de respuesta de diseño, incorporando el espectro de respuesta de aceleración de 2 peaks, lo que es un requisito indispensable a considerar en el futuro.
8. El espectro de respuesta de Concepción Centro
sin lugar a dudas los acelerogramas obtenidos en el centro de concepción representan los registros mas importantes que se obtuvieron en este terremoto, por haber sido registrados cerca de la aspereza sur, en su área epicentral con un amax = 0.40g y ser el segundo potencial destructivo horizontal del terremoto de el Maule 2010, Pdh = 69.79 cm-seg, y porque el afecta principalmente a los edificios altos.
la importancia de estos registros, en particular su componente longitudinal, es que su es-pectro de respuesta de aceleración absoluta, que se muestra en la figura 9 presenta el inespe-rado comentado peak a 2.1 seg, que corresponde a las vibraciones libres de suelos arenosos profundos, situación que no es considerada en la norma nch 433. of 96 .
este efecto de amplificación dinámica de suelos arenosos profundos fue la responsable del importante daño observado en edificios altos de hormigón armado y ha sido uno de los aspectos más novedosos de este terremoto.
el segundo peak del espectro de respuesta a 2.1 seg mencionado en la sección precedente es similar al espectro de respuesta de aceleración absoluta obtenida en la estación scT (se-cretaria de comunicaciones y Transporte) en ciudad de México para el terremoto de México de 1985, el cual presenta un solo peak a 2.5 seg, tal como se muestra para su comparación en la figura 9. el edificio de la secretaria de comunicaciones y Transporte donde se obtuvo este registro colapsó durante el terremoto. de la comparación de ambos espectros en la figura 9,
se aprecia en general que el espectro de concepción centro longitudinal supera al scT, que produjo el colapso de numerosos edificios en ciudad de México. en consecuencia los acele-rogramas obtenidos en el centro de concepción son muy destructivos, como consecuencia de la profundidad de los suelos arenosos a la roca basal, pero en un rango de periodos de estructuras no presente para el día del terremoto, lo que representa una voz de alarma.
este resultado, junto a las medidas acelerográficas realizadas en otros suelos profundos en este terremoto, ha confirmado que la clasificación dinámica de suelos aparte de considerar la velocidad media de propagación de las ondas de corte del suelo debe considerar además su profundidad hasta la roca basal, para poder reproducir correctamente el peak o segundo peak de los espectros de respuesta de aceleración.
Por este motivo la actual clasificación del decreto supremo d.s. 61 Minvu, basado solo en el vs30 del suelo, de los primeros 30m de profundidad, tiene un carácter transitorio, hasta que se disponga de los sondajes y mediciones de velocidades del suelo hasta la roca, en las principales estaciones acelerográficas que midieron el terremoto de 2010.
9. Pulsos verticales de los acelerogramas
el terremoto de el Maule 2010, se caracterizó por grandes componentes verticales del mo-vimiento del suelo, lo cual se puede constatar al ver que los valores de PGa de la Tabla 1, correspondientes a las componentes verticales son similares a los PGa horizontales, siendo en algunos casos mayor como es el caso de la estación de llolleo.
Figura 9. espectro de respuesta de aceleración de 5% de amortiguamiento concepción centro
longitudinal, chile 2010 mostrando 2 peaks, el segundo a 2.1 seg debido al efecto del suelo. se compara con el espectro de aceleración secretaría de comunicaciones y Transportes n90e (scT) del terremoto de México 1985, el cual tiene un peak debido al suelo a 2.5 seg el cual produjo el colapso de numerosos edificios. el espectro de concepción es superior al espectro scT de México prácticamente en todo el rango de periodos.
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Período (seg) sa ( g)
concePción cenTro lonG scT n90e
Figura 10. (a) espectros de respuesta de aceleración de acelerogramas lejanos. Papudo y los Molles,
terremoto el Maule 2010. (b) espectros de respuesta de aceleración de acelerogramas epicentrales: concepción san Pedro 1 y llolleo Transversal, terremoto el Maule 2010.
la figura 11 muestra los registros de desplazamiento vertical obtenidos en 9 estaciones de santiago, obtenidos por doble integración de los acelerogramas y un posterior filtrado usan-do un filtro Butterworth entre 0.05 y 5 seg.
se puede apreciar en esta figura que todos los registros de desplazamiento muestran el mismo pulso solitario vertical, con la misma forma y amplitud, independiente de la naturaleza del suelo.
este pulso solitario proviene de la liberación de energía en corto período de la aspereza dominante ubicada al norte cerca de Pichilemu (ruiz et al. (2012)).
la característica de este pulso vertical solitario es de un solo ciclo abajo y arriba con una amplitud de casi 10cm.
este pulso vertical se midió también sin modificaciones al interior de la estructura de la fa-cultad de ciencias físicas y Matemáticas fcfM, en la losa del cielo del subterráneo del edificio de hormigón armado, como se muestra en la figura 11.
en consecuencia el pulso vertical solitario generado en una aspereza dominante viajó sin modificaciones al interior de la estructura en santiago, demostrando que para comprender mejor la respuesta de edificios se requiere un análisis dinámico de propagación de ondas más que el actual análisis vibratorio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Período (s) PaPUDO lONG ESPECTROS DE RESPUESTa 5% (a) (b) CONCEPCIÓN 1 SaN PEDRO llOllEO TRaNS lOS MOllES x 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Período (s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Período (s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Período (s) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.5 2 1.5 1 0.5 0 sa ( g) sa ( g) sa ( g) sa ( g)
el pulso vertical solitario contribuyó a la falla sísmica de los edificios altos de hormigón ar-mado de santiago, caracterizado por una franja horizontal en los muros de hormigón arar-mado bajo la losa de cielo del primer subterráneo, donde las barras verticales de acero se cortaron en forma frágil sin extrusión, y el hormigón no confinado de recubrimiento no mostró des-cascaramiento.
en todo caso la interpretación de estas fallas no se puede hacer sin incluir el efecto de estas importantes componentes verticales.
Figura 11. registros de desplazamiento vertical en 9 estaciones acelerográficas de santiago,
mostrando el mismo pulso solitario vertical.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 TieMPo (s)
SaNTIaGO, DESPlaZaMIENTO VERTICal FIlTRO 0.05 - 5 (S) SaNTa lUCÍa FCFM aNDalUCÍa laS aMÉRICaS MaIPÚ PEÑalOlÉN aNTUMaPU PUENTE alTO SaN JOSÉ 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 10 0 -10 d es Pl a z a M ie n To (c m)
10. Conclusiones
se ha medido exitosamente el terremoto de el Maule de 2010 en 32 estaciones acelerográfi-cas, sin embargo su distribución espacial hace que esta red haya medido mejor los efectos del terremoto en las vecindades de la aspereza de más al norte, contándose con pocas estaciones en las vecindades de las asperezas sur, por lo que se requiere una interpretación ponderada de sus resultados.
los valores registrados de aceleración máxima y de potencial destructivo superan varias veces a lo medido en terremotos previos chilenos, habiéndose registrado una aceleración máxima de 1.25g en cauquenes, que es casi el doble de los valores registrados antes en chile.
las aceleraciones máximas de este terremoto de subducción interplaca tipo thrust siguen la tendencia de las fórmulas de atenuación propuesta por ruiz y saragoni (2005), lo que con-firma que no es posible emplear fórmulas importadas propuestas para otras regiones de sub-ducción.
la correlación entre el potencial destructivo horizontal Pdh y la intensidad MsK es similar a la propuesta antes, pero en general los potenciales destructivos de este terremoto son mayo-res para la misma intensidad MsK de daño.
en importantes acelerogramas de este terremoto se observan vibraciones libres del suelo y espectros de respuesta de aceleraciones con 2 peaks, siendo el caso más importante el acelerograma concepción centro longitudinal. el espectro de respuesta de aceleración de concepción centro longitudinal supera el registrado en la estación scT de la ciudad de Mé-xico, para el terremoto de México de 1985, el cual produjo el colapso de numerosos edificios altos. ello confirma el alto nivel de destructividad de este registro.
finalmente se identificó un pulso solitario vertical en todos los acelerogramas registrados en santiago, incluso al interior de un edificio, lo que hace recomendable incorporar su presen-cia en el estudio del daño observado de los edificios altos de santiago.
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