EVALUACIÓN DEL RIESGO SÍSMICO
PROPOSICION DEL MÉTODO QUIZÁS DETERMINÍSTICO CON LA
POSIBILIDAD DE CORRELACIONAR LOS ESTADOS ACTUALES Y PASADOS DE
LOS FENÓMENOS REGISTRADOS A BASE DE INSTRUMENTACIÓN DE LAS
PLACAS TECTÓNICOS Y LOS SISMOS FUTUROS CERCANOS O LEJANOS
ADMITIENDO LA INFLUENCIA DE SUCESOS ALEATORIOS E IMPREDECIBLES
SE TRATA DE BASAR LA PREDICTIBILIDAD EN LA DETERMINACIÓN DE LOS
SUCESOS SÍSMICOS, CONOCIENDO LAS CONDICIONES PASADAS Y ACTUALES
EN LA CADENA DE LOS EVENTOS FÍSICOS QUE LOS INDUCEN
PREFACTIBILIDAD
Contenido
Introducción ... 2
Los motivos para realizar ese estudio ... 15
Hipótesis de trabajo y lo qué quiere demostrar esta tesis ... 16
Objetivos que se pretenden alcanzar. ... 17
El plan de actividades en función de tiempo ... 17
Introducción
Se pretende elaborar la metodología de análisis sísmico de las estructuras subterráneas en formaciones de suelos de muy baja resistencia y muy alta compresibilidad (Tabla 1).
Unidad estrat. Espesor aprox. (m) γm (kN/m3) c (kPa) φ (°) mv (cm2/kg) k (cm/s) ν G (MPa) CS 1-6 15-16 20-40 0-30 0.05 10-2-10-1 0.3 >10.0 FAS 27-32 11-12 20-25 0 0.1 10-5-10-8 0.5 5.5 CD 1-5 15-16 100-150 30-35 0.001 10-3-10-1 0.3 40.0 FAI 10-15 11-13 30-50 0 0.02 10-5-10-8 0.5 10.0 DP profundidad de Hasta la 1000m y más. 15-18 200 y más 30-45 0.0004 variable 0.35-0.5 >100.0 CS = costra superficial: relleno consiste de arenas, limos, limos arcillosos negros y cafés con materia orgánica y yacimientos arqueológicos.
FAS=la formación arcillosa superior, depósitos de arcilla limosa con muy alto contenido de agua, de consistencia suave a semi-rígida con numerosas capas de arena producto de lluvias de material piroclástico. Esta arcilla limosa tiene desarrolladas altas ligas entre los granos bajo los esfuerzos efectivos del pasado.
CD = capa dura, estrato formado de serie de depósitos delgados de arena y limos con el variados grados de cementantes de calcio de carbonato y arcillas.
FAI=formación arcillosa inferior: depósitos lacustres de arcilla limosa de color verde-olivo con alto contenido de agua, con el estrato de vidrio volcánico blanco en la zona media.
DP = depósitos profundos: en las profundidades mayores de 48-50m: series de depósitos de grava, arena y limos, cambiando en las profundidades mayores en las gravas aluviales gruesas, arenas y limos.
Tabla 1. Propiedades típicas del subsuelo en la “Zona del Lago” de la Ciudad de México (Zeevaert, 1983)
Este estudio comprende el estudio de movimientos del subsuelo durante la ocurrencia de los sismos y su interacción con las estructuras de concreto reforzado sumergidas, que podrían considerarse con o sin interacción dinámica (figura 1).
Las propiedades índice comunes de estos materiales son las siguientes: peso volumétrico, γm =11~12
kN/m3; relación de vacíos, e=8; Límite Líquido, w
L=300%; Índice Plástico, Ip=230%; contenido natural
de agua, w=300% (hasta 800%). Las propiedades mecánicas típicas son: resistencia al esfuerzo cortante no drenada (UU), c=20kPa; compresibilidad volumétrica, mv > 0.0011/kPa y coeficiente de
permeabilidad, k=10-10~10-12 m/s. El nivel freático se encuentra generalmente a 2.0m de profundidad
pero, a profundidades mayores, se observan reducciones importantes de la presión de poro por el intenso bombeo en los acuíferos profundos. Esto ha producido que en el valle de México se presente un
figura 1. Ejemplo de interacción suelo estructura sísmica para una lumbrera de Drenaje Profundo de la Ciudad de México
La interacción dinámica depende de las fuerzas inerciales que se generan en las masas de elementos de estructuras subterráneas.
El presente estudio se limitará a las estructuras subterráneas que no tienen extensiones por arriba del nivel de superficie de suelo que podrían generar las fuerzas inerciales que interfieren con la interacción suelo-estructura estática o dinámica por debajo de la superficie de suelo (figura 2).
figura 2. Estructura subterránea y por arriba de la superficie de suelo
La corteza terrestre consiste de placas tectónicas (Alfred Wegener, 1929) (figura 3).
figura 3. Configuración de las placas tectónicas
figura 4. Movimiento de las placas tectónicas
Los contactos entre las placas se denominan fallas (figura 5).
Los movimientos bruscos de placas en las zonas de fallas producen los terremotos (figura 6) y pueden registrarse por sismógrafos (figura 7, figura 8).
figura 6. Movimiento brusco en la falla tectónica que genera al terremoto
figura 8. Sismógrafo para registrar los desplazamientos horizontales. Con el mismo principio se implementan sismógrafos para registrar los desplazamientos en otras dos direcciones
En los últimos diez a quince años, el posicionamiento global por medio de los satélites (GPS, figura 9) se ha convertido en una herramienta muy valiosa para medir el movimiento de las placas tectónicas y la acumulación de esfuerzos a través de las fallas (figura 10, figura 11 ) .
figura 9. Concepto de GPS
figura 10. Una estación de GPS y el registro de un sistema de estaciones geodésicas tipo GPS
Los receptores de GPS se colocan en los bancos de referencia geodésicos para determinar su ubicación exacta con ayuda de los satélites (figura 10).
figura 11. Mapa de probable peligro sísmico resultado de mediciones con GPS
Con el tiempo, los bancos de referencia se mueven de acuerdo con el movimiento de la placa tectónica considerada (figura 12).
Los bancos de referencia, también, se mueven uno con respecto al otro. Por ejemplo, los puntos en los lados opuestos de una falla pueden moverse acercándose o alejándose, en el sentido lateral, horizontal, vertical o de acuerdo con algunos patrones de desplazamientos combinados en intervalos de tiempos cortos o largos (figura 12).
figura 13. Predicción de las amplitudes de las olas de por un Tsunami
Los registros de estos movimientos se utilizan para deducir las deformaciones de la corteza
terrestre. Después de varios años de continuas mediciones, los movimientos de los marcadores se interpretan en evaluaciones cuantitativas de la actividad tectónica de sitios observados (figura 11).
En los límites de placas activas, los registros de las mediciones geodésicas de desplazamientos telúricos se combinan con los registros de sismos ocurridos con el fin de estimar la acumulación de los esfuerzos tectónicos en las fallas (figura 13, ), y así, evaluar parámetros del peligro sísmico en la zona considerada.
Por ejemplo, un conjunto de marcadores geodésicos pueden instalarse alrededor de una falla de interés. Después de muchas mediciones, el movimiento relativo de los marcadores uno respecto al otro puede indicar el sentido de movimiento en la falla, la rapidez de movimiento de las placas en cada lado de la falla y/o si la falla está bloqueada o tiene flujo plástico (figura 12).
figura 15. Zona donde se generan significativos temblores del VM
El sistema de mediciones de desplazamientos de los límites de las placas constituye un
observatorio geodésico diseñado para estudiar el campo de deformaciones tridimensionales que resultan de las deformaciones en las zonas de fronteras activas entre las placas o fallas. Una de estas regiones importantes puede ser un tramo de la frontera entre el Pacífico y Continente de América (figura 15).
El observatorio de fenómenos de una región tectónica puede constar de redes de puntos fijos ligados al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y al sistema de mediciones de deformaciones con el radar de apertura con interferómetro sintético1 de satélites InSAR, (figura 16), con la precisión de 0.5 cm. Así se pueden deducir los campos de deformaciones en varias escalas de tiempo que puede variar desde unos días hasta las décadas. También se pueden efectuar las investigaciones geológicas y paleosísmicas para simular los campos de deformaciones en intervalos de tiempo más largos.
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figura 16. Observaciones de movimiento telúrico con los InSAR
figura 17. Medición de temblores con sistema InSAR
Los tipos de problemas que se pueden resolver de los datos de las observaciones mencionadas se dividen en varias categorías generales como son las relacionadas con los:
• procesos de márgenes convergentes (figura 18),
figura 18. Borde de choque de dos placas tectónicas
figura 19. Una de las formas consecuencia de esfuerzos y deformaciones sostenidas de la corteza
figura 20. Ejemplo del mapa de esfuerzos en un horizonte de corteza
• con la estructura continental y su evolución (figura 21),
• con fallas y procesos sísmicos (figura 22),
figura 22. Placas en la cercanía de VM
• con las estructuras profundas de la tierra (figura 23),
figura 23. Partes del globo
figura 24. Magma del volcán
• historia de los sismos pasados (figura 25)
figura 25. Ejemplo de la evaluación de sismos pasados
figura 26. Esfuerzos de Coulomb en la zona crítica de Tíbet, que forma parte de interpretación de sismo de Wechuan, 2008
La región que abarcará el estudio se limitará a zonas de fallas que pueden provocar sismos de magnitudes altas, por arriba de 7.0, que afectan al Valle de México, en el cual, por la naturaleza de suelos lacustres, las ondas sísmicas se amplifican provocando accidentes, pérdidas de las vidas humanas y daños posiblemente catastróficos en una gran variedad de estructuras e instalaciones (figura 27).
figura 27. Sismo 1985, Ciudad de México
Los motivos para realizar ese estudio
El estudio puede proporcionar los beneficios universales aplicables a cualquier sitio del globo, especialmente a la comunidad urbana situada en el Valle de México (VM) en varios aspectos de protección en contra de los efectos de los fuertes terremotos que lo sacuden aproximadamente cada treinta años. Se obtendrán mejoras de varios aspectos de prevención de los daños, principalmente en el diseño de estructuras subterráneas. También, los beneficios podrán
aplicarse en las superestructuras que se proyectan por arriba de la superficie de suelo, sobre todo, en las que disponen de grandes extensiones geométricas2 (en planta), que pueden ser afectadas por los movimientos sísmicos diferenciales de suelo, además de tener una respuesta dinámica espectral, señalada, por ejemplo en el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal.
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Se descubrirán las zonas de concentraciones de ondas sísmicas con el mayor poder de destrucción (figura 28).
figura 28. Ejemplo de enfoque y dispersión
Actualmente no existe un consenso en la metodología de diseño de las construcciones subterráneas y de las de grandes extensiones en uno o dos sentidos horizontales.
El problema principal consiste en la dificultad de determinar los movimientos sísmicos de campo libre que ocurren en el subsuelo durante la ocurrencia de los sismos.
Con la metodología propuesta se pretenden llegar a representar las configuraciones de desplazamientos, velocidades y aceleraciones en la masa de suelo en cualquier punto del VM, partiendo de un modelo estructural en el cual se utilizarán los datos de observaciones actuales de GPS e InSAR de los fenómenos tectónicos cercanos en el tiempo real (figura 13).
Hipótesis de trabajo y lo qué quiere demostrar esta tesis
Las suposiciones de trabajo son las siguientes:
1. Se conoce con suficiente detalle la geometría de las unidades geológicas involucradas en el problema de la relación de fallas tectónicas con el VM para acotar la geometría del
problema a una zona relativamente pequeña comparada con el globo terrestre. 2. Se dispone de datos de las observaciones geodésicas de los
esfuerzos-deformaciones-desplazamientos-velocidades de las zonas de las fallas tectónicas que generan los sismos. 3. Se conocen o pueden conocerse con suficiente detalle las discontinuidades de las masas
rocosas en la región de solución de problema.
4. Las propiedades de materiales involucrados como son poroelásticos, termoelásticos y reologías viscoelásticas se conocen con suficiente precisión para expresar sus magnitudes cuantitativamente.
Es importante mencionar que con el estudio se pretende demostrar que es posible predecir los fenómenos sísmicos a base de la combinación de observaciones de campo con las simulaciones numéricas con un nivel de precisión satisfactorio.
También, teniendo los datos de desplazamientos de campo libre de VM, se visualizarán los puntos de mayor intensidad de desplazamientos, velocidades y aceleraciones tanto en la superficie de suelo como en las profundidades de estructuras subterráneas.
Objetivos que se pretenden alcanzar.
El objetivo general que se pretende realizar es llegar a presentar un método quizás determinístico con la posibilidad de correlacionar los estados actuales y pasados de los fenómenos registrados a base de instrumentación de las placas tectónicos y los sismos futuros cercanos o lejanos
admitiendo la influencia de sucesos aleatorios e impredecibles. Se trata de basar la predictibilidad en la determinación de los sucesos sísmicos, conociendo las condiciones pasadas y actuales en la cadena de los eventos físicos que los inducen.
Los objetivos específicos pueden enumerarse de la siguiente manera:
1. Recopilación de la información de las zonas instrumentadas con los GPS con registros continuos de movimientos tectónicos en las fallas y en las masas rocosas cercanas sujetos a sismos importantes por estos desplazamientos.
2. Recopilación de la información de las zonas instrumentadas con los InSAR con registros de movimientos tectónicos de superficies continúas en las fallas y en las masas rocosas cercanas con a sismos significativos inducidos por estos desplazamientos.
3. Revisión de los modelos matemático-físicos y de los métodos numéricos disponibles para interpretar los registros de movimientos de los GPS e InSAR, en base a propiedades mecánicas de los materiales de la corteza involucrados.
4. Selección de los métodos de solución numéricos óptimos3 para su aplicación en la práctica de ingeniería.
5. Análisis de los campos de movimientos sísmicos en el VM para evaluar desplazamientos – velocidades – aceleraciones (DVA) y obtener sus configuraciones, valores máximos, y así llegar a las zonas críticas de los campos de DVA.
6. Recomendar procedimientos de análisis de estructuras subterráneas en el VM.
El plan de actividades en función de tiempo
Las actividades consisten, eminentemente en la recopilación y sistematización de la información disponible, así como de su encauzamiento en los problemas de diseño sísmico del VM. Se parte tanto de las campañas existentes de la instrumentación y registros de mediciones como de los modelos matemáticos – físicos de los fenómenos tectónicos para llegar a las soluciones prácticas de ingeniería cuotidiana de diseño sísmico.
Los métodos matemáticos – físicos de resolución de problemas de transmisión de ondas sísmicas y de resistencia de materiales4 se encuentran disponibles desde hace varias décadas y quizá siglos. Por otro lado las campañas de instrumentación con nubes de GPS y regiones con los InSAR son
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Desde varios puntos de vista: ecuaciones diferenciales, soluciones, programas de cómputo, multi-física, disponibles en el mercado, populares, etc...
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relativamente nuevas, ya que son producto de las tecnologías de observaciones directas a gran escala con ayuda indispensable de los satélites.
El plan de trabajo se indica en la Tabla 2 en función de tiempo, dividido por ETAPAS, y a lo largo de seis ETAPAS (se estima la duración de cada etapa igual a seis meses):
ETAPA 1 Recopilación de la información de las zonas instrumentadas con los GPS con registros continuos de movimientos tectónicos en las fallas y en las masas rocosas cercanas sujetos a sismos importantes por estos desplazamientos.
ETAPA E 2 Recopilación de la información de las zonas instrumentadas con los InSAR con registros de movimientos tectónicos de superficies
continúas en las fallas y en las masas rocosas cercanas con los sismos significativos inducidos por los mismos desplazamientos.
ETAPA 3 Revisión de los modelos matemático-físicos5 y de los métodos
numéricos6 disponibles para interpretar los registros de movimientos de los GPS e InSAR, en base a propiedades mecánicas de los
materiales de la corteza involucrados.
ETAPA 4 Selección de los métodos de solución numéricos óptimos desde el punto de vista para su aplicación en la práctica de ingeniería de simulación.
ETAPA 5 Simulación de los campos de movimientos sísmicos en el VM para evaluar desplazamientos – velocidades – aceleraciones (DVA) y obtener configuraciones y zonas críticas de los campos de los DVA. ETAPA 6 Formular los procedimientos de análisis de estructuras subterráneas
en el VM.
Tabla 2. El plan de trabajo por semestres
5 Elaboración del modelo geológico: definición de la geometría del problema, determinación de los tipos de
materiales y sus propiedades mecánicas en los rangos de fenómenos esperados (esfuerzos,
desplazamientos, temperaturas, velocidades, etc..) incluyendo modelos de falla (Coulomb, Drucker-Prager, Von Mises, Tresca, modelos reológicos, etc.), proposición de las discontinuidades, definición de los condiciones de contorno de desplazamientos, velocidades, aceleraciones, presiones, temperaturas, etc..
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