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Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos

e Ingeniería Geotécnica Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA, A.C.

Comparación de la estimación del periodo de suelo en diez sitios de la ciudad de México mediante el uso de vibración ambiental y sismos de mediana

magnitud Comparing the estimate of dominant period at ten sites in Mexico City by using microtremors and

medium magnitude earthquakes

Aristóteles JARAMILLO1 y Mayumy CABRERA2

1Servicios Técnicos de la Tierra. 2Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México.

RESUMEN: Las zonificaciones y microzonificaciones sísmicas de las ciudades han cobrado importancia en las últimas décadas para definir zonas similares en su comportamiento sísmico y poder establecer recomendaciones geotécnicas que impliquen el diseño de estructuras sísmicamente más seguras. La ciudad de México al ser considerada una zona con peligro sísmico ha tenido que establecer esta microzonificación para definir la respuesta local del suelo ante un sismo. Una de las técnicas para obtener el periodo de suelo (Ts) ha sido el uso de los espectros de Fourier de registros sísmicos y otra mediante el uso de la vibración ambiental o microtremores que considera el ruido natural y cultural de la zona. Se ha comparado la distribución de periodos obtenidos con sismos y vibración ambiental obervándose en muchas ocasiones y por diversos autores importantes diferencias entre ambas metodologías por lo que se ha minimizado esta última. En este estudio se hace una comparación entre el periodo obtenido mediante vibración ambiental y el obtenido a partir de los espectros de Fourier de acelerogramas registrados en las componentes norte-sur y este-oeste de tres sismos en dos estaciones acelerográficas ubicadas en la zona lacustre de la Ciudad de México. Para la adquisición de datos se obtuvieron mediciones de vibración ambiental en ambos sitios con ventanas de tiempo de 20 min. realizadas entre las 9:30 hrs y las 18:00 hrs, con lo que se obtuvo la razón espectral entre las componentes horizontales y la vertical H/V. Se utilizaron los sismos ocurridos durante los días 26 de abril, 5 de mayo y 11 de diciembre de 2011, con magnitudes de 5.3, 5.8 y 6.5 respectivamente con epicentro en Guerrero, así como la elaboración de un análisis de 8 sitios con valores de vibración ambiental obtenidos por Jaramillo 2012 y de aceleraciones tomadas de González et al. 2011 para observar la confiabilidad del uso de la vibración ambiental en la microzonificación sísmica.

ABSTRACT: In recent decades the seismic zoning and micro-zoning of cities have gained significance to define similar areas in their seismic behavior and to establish standards and recommendations involving geotechnology in order to design seismically safer structures. Since Mexico City is considered a seismically hazardous area officials have had to establish these microzoning standards to define the local soil response to an earthquake. The techniques most commonly used to estimate the dominant period of a site are interpretation of Fourier amplitude spectra and from microtremor measurements which are used to consider the antropic noise. This has been compared to the distribution of periods obtained from Fourier amplitude spectra and microtremors and an important difference between both methods has been observed many times by different authors so that the latter (microtremors) is minimized. In this study a comparison was made between the period obtained by microtremors and from the Fourier spectra recorded in the north-south and east-west components of three earthquakes recorded at two accelerographic stations located in the lake area of Mexico City. The data acquisition was obtained from microtremor measurements at both sites in time windows of 20 min. made between 9:30 hrs. and 18:00 hrs. Through this research we obtained the spectral ratio between horizontal and vertical components used to obtain the difference between two techniques. We used the earthquakes that occurred during the 26th of April, May 5 and December 11, 2011, originating in Guerrero with magnitudes of 5.3, 5.8 and 6.5 respectively, as well as the development of an analysis of 8 sites with values obtained from microtremors (Jaramillo, 2012) in addition to accelerations taken from González et al., 2011 to observe the reliability using microtremors in microzoning.

1 INTRODUCCIÓN

La microzonificación sísmica de las ciudades implica la obtención del periodo del suelo (Ts) el cual ha sido obtenido mediante diferentes técnicas entre las

que se encuentran el uso de los espectros de Fourier de registros sísmicos (técnica estándar) y el uso de la vibración ambiental (Udwadia y Trifunac 1973; Katz 1976; Katz y Bellon 1978; Kagami et al. 1982; Lermo et al. 1988; Akamatsu, 1992) que

2 Comparación de la estamación del periodo de suelo en diez sitios de la ciudad de México mediante el uso de vibración ambiental y sismos de mediana magnitud.


considera el ruido natural y cultural de la zona denominados microtremores. En zonas de alta sismicidad es posible contar continuamente con sismos de mediana magnitud que permitan el uso de éstos para establecer el periodo de suelo sin embargo en las zonas de baja sismicidad esta técnica se ve limitada por lo que el uso de la vibración ambiental se ha convertido en una técnica alternativa para estas zonas presentando varias ventajas entre las que destacan su bajo costo, rapidez en la adquisición de datos y simplicidad en la adquisición de los mismos entre otras. La aplicación de microtremores en ingeniería sísmica fue inicialmente propuesto por Kanai y Tanaka, 1961 y a partir de estos estudios diversos autores han evaluado la aplicabilidad de esta técnica en la evaluación de los efectos de sitio (Kanai, 1983; Kobayashi,1991;Yamanaka,1994). Se ha comparado la distribución de periodos obtenida con sismos y vibración ambiental y se ha observado que la obtención del periodo del suelo mediante vibración ambiental es una técnica fiable en un rango de 0.3 y 5 Hz (Lermo y Chávez, 1994). Kobayashi et al., 1986 y Lermo et al., 1988 observaron microtremores de periodo largo en la Ciudad de México y obtienen una distribución de los periodos dominantes que concuerdan con los obtenidos durante el sismo de 1985 con epicentro en Michoacán. En este estudio se hace una evaluación de los periodos fundamentales de suelo obtenidos mediante vibración ambiental y los obtenidos a partir de los espectros de Fourier registrados en las componentes norte-sur y este-oeste de tres sismos en dos estaciones acelerográficas ubicadas en la zona lacustre de la Ciudad de México así como la elaboración de un análisis de 8 sitios con valores de vibración ambiental obtenidos por Jaramillo 2012 y de aceleraciones tomadas de González et al. 2011 para observar la confiabilidad del uso de la vibración ambiental en la microzonificación sísmica.

2 AREA DE ESTUDIO

De acuerdo a mapas de microzonificación de la Ciu-dad de México los sitios de estudio se localizan en la Zona I, II y III (Figura 1).

Figura 1. Localización de las estaciones acelerométricas (Modificado de Santoyo et al., 2005).

3 METODOLOGÍA 3.1 Adquisición de datos de campo En cada sitio estudiado se colocó un acelerómetro, capaz de registrar las amplificaciones inducidas en términos de aceleración de partícula en función del tiempo. Se destaca que, cada sensor de los instrumentos fue orientado para capturar las historias de aceleración en las componentes longitudinal, transversal y vertical (Tabla 1).

Tabla 1. Orientación de las componentes.

Componente Dirección

X Este-Oeste

Y Norte-Sur

Z Vertical Los equipos utilizados para realizar el monitoreo de

vibración ambiental fueron dos acelerógrafos marca Kinemetrics modelos K2 y BASALT con una resolución de 19 y 24 bits con un rango dinámico de 114 dB, 3 componentes ortogonales, una densidad de muestreo de 100 muestras/segundo y una respuesta plana en frecuencia hasta de 50 Hz. Los instrumentos de monitoreo empleados para este proyecto, cuentan además con el software requerido para transferir los

JARAMILLO A. et al. 3


registros medidos en campo a una computadora capaz de cuantificar los parámetros de la dinámica de la partícula: desplazamiento, velocidad, aceleración y frecuencia del pulso dominante en cada una de sus tres componentes, además, velocidad de partícula pico, espectros de amplitudes y espectros de potencia.

Para la adquisición de datos se obtuvieron mediciones de vibración ambiental en los sitios denominados Mitla645, Sur 73, IM40, AU46, CO47, NZ31, NZ20, AR14, AE02 y FJ74 con registros de 20 min para las estaciones Mitla645, Sur 73, IM40, AU46, CO47 y FJ74, mientras que para los sitios NZ31, NZ20, AR14 y AE02 se realizaron registros de 60 min, con lo que se obtuvo la razón espectral H/V entre las componentes horizontales y la vertical. Para el sitio Mitla645, se utilizó el sismo ocurrido el día 11 de diciembre de 2011 y para el sitio Sur73 se utilizaron los sismos ocurridos el 26 de abril y 5 de mayo de 2011, con las características especificadas en la Tabla 2. Para los sitios IM40, AU46, CO47, NZ31, NZ20, AR14, AE02 y FJ74 se utilizaron los datos publicados por González et al., 2011 (Tabla 3).

Tabla 2. Principales características de los acelerogramas registrados SISMO FECHA SISMO HORA GTM LOCALIZACIÓN PROFUNDIDAD

(km)MAGNITUD REGIÓN REFERENCIA ESTACIÓN

A 26-Abr-11 11:07:30 17.100° N, 99.380° W 19.5 5.3 Guerrero, México

USGC Sur 73

B 05-May-11 13:24:06 16.808° N, 98.592° W 10.2 5.8 Guerrero, México

USGC Sur 73

C 11-Dic-11 01:47:26 18.038° N, 99.796 ° W 64.9 6.5 Guerrero, México

USGC Mitla

3.2 Proceso

Para este estudio, los registros recolectados fueron estudiados aplicando la técnica de cocientes espectrales H/V Con la técnica de H/V se busca eliminar las frecuencias no significativas y resaltar los periodos dominantes del suelo. Los registros acelerográficos se procesaron a través del software GEOPSY (GEOPSY, 2012), programa que presenta varias opciones de procesamiento como: longitud de ventanas de procesamiento, tipo de suavizado de la curva H/V con la función de Konno y Ohmachi, rango de muestreo en frecuencia, entre otras múltiples opciones.

La función Konno y Ohmachi (Konno y Ohmachi, 1998), es tipo trigonométrico-logarítmico y toma en cuenta la frecuencia central de máxima amplitud aplicando un coeficiente exponencial. Con lo anterior es posible observar la respuesta de sitio a partir de la gráfica H/V correspondiente, aumentando notablemente la claridad de las frecuencias dominantes, situación que ha contribuido el uso y desarrollo de esta técnica para la medición de periodo de suelo.

Para la obtención de los cocientes espectrales H/V con el software GEOPSY, fue necesario

ingresar o revisar el tipo de componente y la frecuencia de muestreo. El procesamiento se llevo a cabo para varias ventanas de 30 a 60 s en la duración total del registro, traslapando el 15% de duración entre las mismas. Algunas ventanas fueron removidas por presentar eventos transitorios de alta frecuencia.

En la figura 2 se observan los cocientes espectrales H/V para todos los sitios de vibración ambiental realizados, donde se obtiene el valor de la frecuencia dominante del suelo (Fd) y la amplificación relativa promedio asociada al punto de registro. En el eje horizontal se muestra el rango de frecuencias (Hz) en escala logarítmica, mientras que en el eje vertical muestra la relación adimensional H/V, las líneas de varios colores corresponden a cada ventana donde se estimó el cociente espectral H/V, la línea continua muestra el promedio de las ventanas procesadas, las líneas discontinuas muestran la máxima y mínima desviación estándar, y la barra vertical señala la frecuencia donde se observa el pico máximo de H/V. Con las técnicas aplicadas, los valores de amplificación máxima y frecuencias asociadas de los armónicos más importantes presentes en los espectros de cada componente, o en los cocientes espectrales, permitieron determinar los periodos característicos (Ts) de los 10 sitios estudiados.

4 RESULTADOS 4.1 Periodos dominantes

Los resultados de Ts obtenidos por la técnica H/V, son muy similares a los obtenidos y reportados a través de la técnica estándar en todos los sitios estudiados. Por otra parte, del análisis de los registros de vibración ambiental, de todas las ventanas de tiempo analizadas y de las bandas espectrales de frecuencias características (Figura 2) permitieron determinar las frecuencias dominantes (Fd) y los periodos fundamentales de suelo (Tabla 3).



Figura 2. Cocientes espectrales obtenidos para las diferentes estaciones. Fd = frecuencia dominante.

A partir de los resultados mostrados en la tabla 3, se observa que las diferencias entre los periodos obtenidos con la técnica H/V y la técnica estándar, son menores que 0.08 s paras las estaciones IM40 y FJ74 ubicadas en zona de lomas, menores que 0.02 s para las estaciones AU46 y CO47 ubicadas en la zona de transición, menores que 0.07 s para las estaciones ubicadas en las zona de lago III a, IIIb y IIIc, y menores a 0.3 s para las zona IIId donde los periodos del suelo superan los 3.5 s.

Por otro lado las estaciones IM40 y FJ74 se encuentran ubicadas en la Zona I (Zona de Lomas) cuyos periodos de suelo característicos deben estar por debajo de la curva de isoperiodos de 0.5 s de acuerdo a las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTCDS) situación no acorde con lo encontrado en la estación IM40 con periodo de suelo de 0.6. Para las estaciones AU46 y CO47 ubicadas dentro de la Zona II (Zona de Transición) con periodos de suelo con un rango de 0.5 - 1.0 s se calcularon los periodos 0.9 s para la primera y 0.5 s para la segunda (Figura 2b) situación congruente con las NTCDS, mientras que para la estación Mitla645 ubicada dentro de la Zona IIIa el periodo medido es 1.25 s valor congruente con las NTCDS. En la zona III c se tiene la estación Sur 73

con un periodo de suelo de 2.5 s (Figura 2c) también congruente con las NTCDS. Por último las estaciones AR14, AE02, NZ31 y NZ20 presentan un periodo de 3.3, 4.8, 4.8 y 4.3 s respectivamente valores adecuados para la Zona IIId, excepto en la estación AR14 lugar donde se asume que el periodo del suelo ha cambiado a través de los últimos 22 años ya que en 1990 se registró un Ts de 4.0 s (González et al., 2011).

Tabla 3. Comparación de periodos (Ts) y frecuencias dominantes (Fd) obtenidos en los sitios estudiados.

Figura 3. Cocientes espectrales obtenidos para las estaciones.ubicadas en la zona III d.

JARAMILLO A. et al. 5


Figura 4. Espectros de Fourier de los acelerogramas registrados durante el sismo A (a) y el sismo B (b) en la estación Sur 73.

Figura 5. Espectro de Fourier de los acelerogramas registrados durante el sismo C.

Al establecer una comparación entre los periodos de suelo obtenidos por las dos técnicas en los diferentes sitios se observa que no hay una diferencia significativa al aplicar la técnica de vibración ambiental en comparación con la técnica estándar (Figura 6).

Figura 6. Comparación entre periodo de suelo medido con vibración ambiental y la técnica estándar

5 CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos, se observa que las diferencias entre los periodos obtenidos con la técnica H/V y la técnica estándar, son menores que 0.08 s para la zona de lomas, menores que 0.02 s para la zona de transición, menores que 0.07 s para la zona de lago centro, y menores que 0.3 s para las zona de lago virgen donde los periodos superan los 3.5 s. por lo que se demuestra la validez de la técnica H/V al aplicar todas las nuevas herramientas teóricas y computacionales que actualmente existen.

Por otro lado en este estudio se analizaron solo 10 sitios de vibración ambiental encontrando que dos de los sitios no corresponden con los valores de Ts, reportados por las NTCDS del 2004, existiendo en estas mismas zonas importantes vacíos de datos acelerométricos, por lo que es recomendable realizar mediciones de vibración ambiental a lo largo y ancho de todas los zonas geotécnicas en una retícula lo más uniformemente distribuida con una mayor densidad de datos en las zona norte y poniente de la ciudad para definir con mayor exactitud las curvas de isoperiodos y estar en posibilidades de redefinir una zonificación detallada y adecuada para el diseño por sismo de la cuenca del valle de México.



REFERENCIAS

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