RELACIÓN ENTRE LA ALTA FRECUENCIA CARACTERÍSTICA O CRUCES POR CERO DE LOS TERREMOTOS CHILENOS Y EL DAÑO OBSERVADO

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1 Universidad de Concepción Departamento de Ingeniería Civil Asociación Chilena de Sismología e Ingeniería Antisísmica N A01-13 RELACIÓN ENTRE LA ALTA FRECUENCIA CARACTERÍSTICA O CRUCES POR CERO DE LOS TERREMOTOS CHILENOS Y EL DAÑO OBSERVADO Saragoni, G. R 1, M. Astroza 2 y S. Ruiz Departmento de Ingeniería Civil Universidad de Chile Blanco Encalada 2002, Santiago, Chile rsaragon@ing.uchile.cl 2.- Departmento de Ingeniería Civil Universidad de Chile Blanco Encalada 2002, Santiago, Chile mastroza@ing.uchile.cl 3.-Ingeniero Civil Universidad de Chile. sruiz@.ing.uchile.cl Palabras Clave: Terremotos, Frecuencia, Formulas, Chile, Atenuación, IMM, cruces por cero RESUMEN De los estudios realizados hasta la fecha, se ha podido comprobar que la atenuación de las aceleraciones máximas del suelo y de la intensidad de cruces por cero presenta la misma tendencia que la atenuación de la intensidad sísmica, medida en la escala de Mercalli Modificada (IMM), para los terremotos de diseño interplaca tipo thrust e intraplaca de profundidad intermedia. Además, se observan valores más altos de aceleración, intensidad de cruces por cero e intensidad sísmica en la zona epicentral de los terremotos intraplaca, sin embargo, estos eventos presentan una atenuación más rápida de estos parámetros con la distancia hipocentral que los terremotos interplaca tipo thrust. La alta frecuencia característica y aceleración en la zona epicentral de los terremotos intraplaca de profundidad intermedia permiten explicar tanto el alto nivel de daño observado en las estructuras frágiles de períodos bajos durante este tipo de terremotos como la reducida demanda de desplazamiento de los edificios altos. Por estas razones, se propone considerar la frecuencia característica de los terremotos como parámetro de diseño.

2 1. INTRODUCCION Chile es uno de los países más sísmicos del mundo, siendo la alta velocidad de convergencia de las placas de Nazca y Sudamericana y la corta edad de la placa de Nazca las principales causas de la alta magnitud de los terremotos y su rápida recurrencia (Ruff y Kanamori, 1980, Heaton y Kanamori, 1984). La constante ocurrencia de terremotos destructivos en Chile ha permitido estudiar el daño en las estructuras durante estos grandes terremotos, como son: Valparaíso 1906 (M = 8.5) (Carvajal, 1988 y Saragoni y Carvajal, 1989), Chillán 1939 (M = 7.8) (Moya, 2002 y Astroza y otros, 2002a), Talca 1928 (Sanhueza, 2001, Astroza y otros 2002a), Santiago 1945 (M=7.1) (Sandoval, 2004, Astroza y otros, 2005), La Ligua 1965 (M=7.1) (Norambuena, 2005), Papudo 1981 (M = 6.8) (Fresard, 1985, Fresard y Saragoni, 1986), Arica 1987 (González, 1998, González y Saragoni, 1989) y Punitaqui 1997 (M=6.7) (Diaz, 2001, Astroza y otros, 2002b). Los dos tipos de terremotos chilenos que ocurren en forma más frecuentes son los terremotos interplaca tipo thrust e intraplaca de profundidad intermedia. De ambos terremotos se cuenta con información en la zona epicentral, comprobándose que el daño observado es menor que en otras zonas sísmicas del mundo, como son las zonas de California en los EEUU y de Japón donde los terremotos superficiales han ocasionado la destrucción de estructuras civiles diseñadas de acuerdo con las normas de diseño sísmico de ambos países, como fue el caso de los terremotos de Northridge, 1994 y Kobe, Las diferencias en el daño observado están relacionadas con las características diferentes de los terremotos de subducción respecto a estos terremotos superficiales (Saragoni y Ruiz, 2006). En este trabajo, la atención se centra en los daños observados en los terremotos de subducción chilenos, en la influencia del tipo de suelo y de la intensidad de cruces por cero en ellos. Con este propósito se cuenta con medidas experimentales de los principales terremotos chilenos desde el terremoto de Santiago de 1945, donde se obtuvo el primer registro de aceleración en Chile, y desde esa fecha la red de acelerógrafos que se ha instalado en Chile ha registrado más de 15 terremotos importantes en su zona epicentral, los cuales han sido objetos de diferentes estudios, por ejemplo: (Carvajal, 1988; Saragoni y Carvajal, 1989, Fresard, 1985; Fresard y Saragoni, 1986, Schaad, 1991; Schaad y Saragoni, 1989; Saez y Holmberg 1990; Saragoni y otros, 1989; Ruiz, 2002). De los resultados de estos estudios, se ha podido concluir que los terremotos chilenos presentan valores de aceleración más altos que los registrados en otras zonas de subducción, sin embargo esta diferencia en los valores de aceleración no se traduce directamente en el nivel del daño observado (Saragoni y otros, 2004). Además se ha comprobado que la aceleración máxima del suelo como indicador de daño por si mismo no ha sido capaz de justificar el daño observado en los terremotos, lo que obliga a buscar otros parámetros que introduzcan nuevas variables como el contenido de frecuencia de los terremotos, para obtener una mejor correlación con una medida del daño observado como es la intensidad sísmica (Saragoni,1981).

3 Hasta la fecha, el Potencial Destructivo definido por Araya y Saragoni (1980) y Araya y Saragoni (1984) ha sido el parámetro que mejor se correlaciona con la intensidad sísmica IMM (Saez y Holmberg, 1989, Saragoni y otros, 1989; Uang y Bertero, 1988; Saragoni y Concha, 2004 y Saragoni y otros, 2004). El Potencial Destructivo involucra además de la energía del terremoto, a través de la Intensidad de Arias, la intensidad de cruces por cero, siendo esta última propiedad la que mejora la correlación con la intensidad sísmica, pues la Intensidad de Arias por si sola no lo hace (Uang y Bertero, 1988). 2. FORMULAS DE ATENUACION DE ALGUNOS PARAMETROS DE LOS TERREMOTOS CHILENOS El estudio de la información reunida de los terremotos interplaca tipo thrust e intraplaca de profundidad intermedia, ha permitido caracterizar los diferentes niveles de daño observado en los edificios (Astroza y otros, 2002a, Astroza y otros, 2005), así como las diferencias en la frecuencia característica o intensidad de cruces por cero y los valores máximos de aceleración, velocidad y desplazamiento del suelo para cada tipo de evento (Ruiz, 2002; Ruiz y Saragoni, 2005a, Ruiz y Saragoni, 2005b y Saragoni y Ruiz, 2005a). El resultado de los estudios realizados, se traduce en diferentes leyes de atenuación para la intensidad sísmica, la aceleración, la velocidad, el desplazamiento e la intensidad de cruces por cero. En la Figura 2.1 se muestran en conjunto (Saragoni y otros, 2004) las curvas de atenuación de la intensidad sísmica (IMM) para un terremoto interplaca tipo thrust de magnitud Ms = 8.5 según la fórmula propuesta por Barrientos (1980) y para el terremoto de Chillán de magnitud Ms = 7.8 (Astroza y otros, 2005). En esta misma figura se muestran las curvas de atenuación de las aceleraciones horizontales máximas para suelos duros propuesta por Saragoni y Ruiz (2005a). De esta figura se puede concluir que en los primeros 150 [km] los terremotos intraplaca de profundidad intermedia producen más daño que los terremotos interplaca tipo thrust y que las aceleraciones más altas en la zona epicentral corresponden a los terremotos intraplaca de profundidad intermedia. Además se observa que aceleraciones máximas del suelo inferiores a 0.3 [g] no estarían asociadas a daño en el lugar del registro del sismo, comprobándose que la aceleración máxima del suelo no es la aceleración efectiva A 0 de las normas sísmicas. Además de los registros de aceleraciones de los terremotos chilenos se han obtenido fórmulas de atenuación para la intensidad de cruces por cero tanto en roca dura como en roca y suelo duro (Ruiz, 2002; Ruiz y Saragoni, 2004), para un terremoto interplaca tipo thrust o intraplaca de profundidad intermedia. En la Figura 2.2 se grafican estas fórmulas de atenuación para los terremotos intraplaca de profundidad intermedia e interplaca tipo thrust, para las magnitudes de diseño (Ruiz, 2002 y Ruiz y Saragoni, 2004) y para un suelo correspondiente a rocas o suelos duros con velocidades de onda de corte entre 1500 [m/seg] > Vs > 360 [m/seg]. De la Figura 2.2 se concluye que la intensidad de cruces por cero de los terremotos intraplaca de profundidad intermedia es mayor que los terremotos interplaca tipo thrust, y se atenúa en forma rápida a medida que se aleja de la zona epicentral.

4 Del análisis de las Figuras 2.1 y 2.2 se puede concluir que a mayores valores de aceleración y mayor intensidad de cruces por cero del terremoto, el daño observado en estructuras rígidas es mayor como se ha observado en los terremotos intraplaca de profundidad intermedia cuando se comparan sus efectos con los terremotos interplaca tipo thrust. De este modo, las viviendas con una estructura rígida de comportamiento frágil, como son las viviendas de adobe, mampostería de piedra y albañilería sin reforzar, sufren serios daños como los observados en la ciudad de Chillan en 1939 y en la localidad de San Lorenzo de Tarapacá en junio del IMM Atenuación IMM y Aceleración Terremotos de Diseño INTRAPLACA (M=7,8) v/s THRUST (M=8,5) IMM Intraplaca Distancia Hipocentral [km] IMM Thrust PGA Intraplaca PGA Thrust 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 PGA aceleración [g] Figura 2.1 Curvas de atenuación de la intensidad sísmica (MMI) y de las aceleraciones horizontales máximas del suelo para los terremotos de diseño del tipo intraplaca (M = 7.8) e interplaca tipo thrust (M=8.5). ( Saragoni y otros, 2004). Intensidad de Cruces por Cero [cruces/seg] Intensidad de Cruces por Cero Terremoto de Diseño Interplaca Thrust M = 8,5 Terremoto de Diseño Intraplaca M = 8,0 Intraplaca Profundidad Intermedia Interplaca Thrust Distancia Hipocentral [km] Figura 2.2 Curvas de atenuación de la Intensidad de Cruces por Cero para acelerogramas horizontales de terremotos chilenos de diseño intraplaca de profundidad intermedia e interplaca tipo thrust.

5 3. RELACION ENTRE LA ACELERACION Y EL DESPLAZAMIENTO MAXIMO DEL SUELO CON LA FRECUENCIA CARACTERISTICA Saragoni y Ruiz (2005b) y Ruiz y Saragoni (2005c), relacionan la aceleración y el desplazamiento máximo esperado del suelo por medio de la ecuación (1), y la aceleración con la velocidad por medio de la ecuación (2). A = αυ d (1) 2 max 0 max A = α υ V (2) max 0 max donde: d max, A max, V max corresponden a los valores máximos esperados del movimiento del suelo, ν o es la frecuencia característica del terremoto o intensidad de cruces por cero y α es una constante que depende del tipo de terremoto. De las ecuaciones (1) y (2) y considerando las fórmulas de atenuación propuestas Ruiz y Saragoni (2005a) se puede despejar la intensidad de cruces por cero del terremoto, las curvas obtenidas de esta forma, se comparan con la fórmula de atenuación de cruces por cero en la Figura 3.1. En esta figura, la curva que mejor se ajusta con la fórmula de atenuación de intensidad de cruces por cero es la obtenida a partir de la ecuación (2), esto principalmente porque los desplazamientos máximos obtenidos de los registros de aceleraciones presentan un error mayor que las velocidades máximas, al tener que integrar dos veces en lugar de una vez. Además, ello se puede deber a que el valor promedio de intensidad de cruces por cero υ 0 es inferior al de la zona de aceleraciones máximas horizontales. Teniendo en cuenta estas relaciones, se aprecia que aún cuando se produzcan altas aceleraciones en los terremotos de subducción chilenos, debido a las altas frecuencias características, se producen reducidos niveles de desplazamiento del suelo. Esta situación explicaría las bajas demandas de ductilidad a las que estarían enfrentadas los edificios con una estructuras sismorresistente flexible y por lo mismo el reducido daño estructural observados en ellos. 4. INTENSIDAD DE DAÑO ESTRUCTURAL PARA LOS DIFERENTES TIPOS DE SUELOS Y TERREMOTOS CHILENOS Teniendo en cuenta los resultados mostrados en el punto anterior, se puede destacar que el daño de las estructuras está asociado tanto a las características de los terremotos como a sus propiedades. Las características del terremoto, en principio quedan representadas por la aceleración máxima esperada del suelo y la intensidad de cruces por cero, parámetros que se relacionan con el desplazamiento máximo esperado del suelo de acuerdo con la ecuación (1).

6 Los antecedentes reunidos durante los terremotos, permiten destacar que el daño observado en las estructuras de período más bajo está controlado por la aceleración máxima esperada del suelo con valores superiores a 0.30 [g] y la intensidad de cruces por cero. En cambio el daño de las estructuras de período largo está controlado por los desplazamientos máximos esperados del suelo, es decir nuevamente por la aceleración máxima esperada del suelo y la intensidad de cruces por cero. 25,00 20,00 Terremoto Interplaca tipo Thrust Roca o Suelo Duro Ms = 7.8 Intensidad Cruces por Cero f [(A/D)^0.5] f [(A/V)] 15,00 [Hz ] 10,00 5,00 0, Distancia Hipocentral [km] 25,00 20,00 15,00 Terremoto Interplaca tipo Thrust Roca Dura Ms = 7.8 f [(A/D)^0.5] Intensidad Cruces por Cero f (A/V) [Hz] 10,00 5,00 0, Distancia Hipocentral [km] Figura 3.1 Curva de atenuación de intensidad de cruces por cero, junto con las curvas obtenidas de relacionar las ecuaciones (1) y (2) para despejar la intensidad de cruces por cero de las ecuaciones de A max, V max y d max para roca o suelo duro o roca dura. 5. DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS DEL SUELO Y REQUERIMIENTOS DE DUCTILIDAD EN EDIFICIOS ALTOS Los valores de los desplazamientos máximos del suelo para los terremotos chilenos de subducción interplaca tipo thrust e intraplaca de profundidad intermedia en suelo duro, han sido establecidos por Ruiz (2002), Saragoni y Ruiz (2005q), Ruiz y Saragoni (2005q), resultando valores muy bajos. En la Figura 5.1 se comparan los desplazamientos de suelo máximo esperado para el terremoto de diseño interplaca tipo

7 thrust Ms = 8.5 con los del terremoto de diseño intraplaca Ms = 8.0. En general, se aprecia que no superan los 25 cm, como consecuencia del alto valor de la intensidad de cruces por cero υ 0 mostrada en la Figura Comparación de Fórmulas de Atenuación de Desplazamiento Horizontal Máximo Propuestas para Roca y Suelo Duro Thrust Ms = 8.5 Intraplaca Ms = 8 Desplazamiento [cm] 10 Intraplaca Thrust Distancia Hipocentral [km] Figura 5.1 Desplazamientos máximos de suelo, para los terremotos de diseño interplaca tipo thrust e intraplaca de profundidad intermedia. En el caso de edificios altos el desplazamiento máximo del techo del edificio d es igual o ligeramente superior al desplazamiento máximo del suelo. Considerando las relaciones entre el nivel de desempeño y la razón entre el desplazamiento de techo d y la altura del edifico H de la Tabla 5.1 ( VISION 2000, 1995), se tiene que el desempeño operacional se produce para alturas H superiores a 25/0.005 = 5000 [cm] = 50 [m], lo que corresponde a edificios del orden de 20 o más pisos. Vale decir, para edificios del orden de 20 pisos o más no habrá requerimientos de ductilidad, debido exclusivamente a la propiedad de los terremotos chilenos de subducción y para ellos el diseño sísmico de la norma NCh433.Of 96 Diseño Sísmico de Edificios es solamente operacional o continuidad de servicio independiente de la disposición de corte basal mínimo. Para entender el daño que se ha observado en los edificios de período alto, es conveniente además comparar la información que proporcionan los espectros de amplitudes de Fourier de los registros del terremoto interplaca tipo thrust de Chile Central de 1985 y del terremoto intraplaca de profundidad intermedia de Tarapacá Con este propósito se consideran los registros obtenidos en las estaciones ubicadas en Iquique para el terremoto de Tarapacá 2005 y los registros obtenidos en las estaciones de Viña del Mar y Valparaíso-Almendral para el terremoto de Chile Central de 1985, en suelos de propiedades comparables. Aún cuando estos registros tienen aceleraciones máximas del suelo de magnitud similar, como se puede comprobar de la Figura 5.2 y de los valores de la Tabla 5.2, de la Figura 5.3 se observa que el contenido de frecuencia de los registros es totalmente diferente, siendo más bajo y cercano a los períodos fundamentales de los edificios altos que había en 1985 el de los registros de Viña del Mar y

8 Valparaíso (Calcagni, 1988, Calcagni y Saragoni, 1988 y Saragoni y Calcagni, 1989). Estas dos características explican el daño mayor observado en los edificios altos ubicados en la ciudad de Viña del Mar durante el terremoto de Chile Central de 1985 si se comparan con los daños de los edificios altos de la ciudad Iquique para el terremoto de Tarapacá. Tabla 5.1 Descripción del daño por Nivel de Desempeño (VISION 2000, 1995). Nivel de Desempeño Desempeño Estructural Desplazamiento objetivo d/h 1: SERVICIO Ausencia de daños, desempeño elástico La estructura no deberá experimentar daño, o 2: OPERACIONALéstos serán mínimos, de tal modo que se garantice su normal operación. La estructura podrá experimentar daños 3: DAÑO significativos, pero deberá quedar una reserva CONTROLADO adecuada para evitar el colapso. La estructura podrá experimentar importantes 4: ÚLTIMO daños estructurales y no estructurales. Su rigidez se habrá degradado de manera significativa, pero no deberá alcanzar el colapso. Tabla 5.2 Valores Máximos de Aceleraciones Horizontales para registros del terremoto de Chile Central de 1985 y Tarapacá Terremoto Chile Central de 1985 Aceleración Máxima Registros Horizontales [g] Desplazamientos Máximos Registros Horizontales [cm] Viña del Mar Almendral Terremoto Tarapacá de 2005 Aceleración Máxima Registros Horizontales [g] Desplazamientos Máximos Registros Horizontales [cm] Iquique Hospital Iquique UC Para entender los efectos que puedan tener las condiciones locales del suelo, en la Figura 5.3 se muestra el espectro de Fourier del registro obtenido en roca dura Vs > 1500 [m/seg] en la estación de Valparaíso Universidad Federico Santa María (UTFSM) para el terremoto del 3 de marzo de 1985, de esta figura se comprueba que a pesar de corresponder a una roca dura los acelerogramas obtenidos en Iquique tienen un

9 contenido de frecuencia de mayor valor aún cuando la estación se ubica en un suelo de menor rigidez. Por otra parte, de la Figura 5.4 se comprueba que las aceleraciones máximas esperadas del suelo para un terremoto del tipo interplaca tipo thrust sobre roca dura son menores que sobre roca o suelo duro. Figura 5.1 Registros de aceleraciones horizontales del terremoto de Chile Central de 1985 y del terremoto de Tarapacá del Figura 5.2 Espectros de amplitudes de Fourier del terremoto de Tarapacá del 2005 y del terremoto de Chile Central de 1985.

10 Figura 5.3 Espectro de amplitudes de Fourier de los registros de la estación UTFSM del terremoto de Chile Central de ,00 Comparación de Fórmulas de Atenuación de Aceleraciones Horizontales Máximas Propuestas para Sismos Thrust según tipo de Suelo Ms = 8.5 Roca y Suelo Duro Roca Dura Aceleraciones [g] 1,00 0, Distancia Hipocentral [km] Figura 5.4 Atenuación de la aceleración horizontal máxima de suelo para el sismo interplaca tipo thrust de diseño. Efectos del suelo. 6. COMENTARIOS Y CONCLUSIONES De los resultados obtenidos se concluye que el diseño de los edificios rígidos, periodos menores que 0.15 seg, está controlado por los terremotos del tipo intraplaca de profundidad intermedia. Además las demandas de ductilidad de los edificios altos son reducidas considerando que los niveles de desplazamiento máximos del suelo son pequeños por la alta intensidad de cruces por cero de los terremotos chilenos de subducción. Los desplazamientos máximos del suelo llegan a los 25 [cm], lo que implica que en los edificios de 20 pisos o más, diseñados de acuerdo a la norma NCh433.Of 96, tienen un comportamiento correspondiente a

11 un nivel de desempeño Operacional, sin requerimientos de ductilidad, más que de Daño Controlado como establece la norma. Los antecedentes reunidos sobre la intensidad sísmica de los terremotos chilenos, permiten destacar que el daño observado en las estructuras de período más bajo está controlado por la aceleración máxima esperada del suelo, cuando su valor es superior a 0.30 [g], y por la intensidad de cruces por cero. Los mayores valores de la aceleración máxima esperada y de la intensidad de cruces por cero de los terremotos intraplaca de profundidad intermedia explican el alto nivel de daño de las estructuras rígidas de comportamiento frágil, como son las viviendas de uno y dos pisos de adobe, mampostería de piedra y albañilería sin reforzar, daños observados tanto en la ciudad de Chillan para el terremoto del año 1939 como en la localidad de San Lorenzo de Tarapacá para el terremoto de Tarapacá de junio del REFERENCIAS Araya, R. y Saragoni, G. R., 1980, "Capacidad de los Movimientos Sísmicos de Producir Daño Estructural", Publicación SES I 7/80 (156), Sección Ingeniería Estructural, Departamento de Obras Civiles, Facultad De Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Santiago. Chile, Agosto Araya, R. y Saragoni, G.R., 1984, Earthquake accelerogram destructiveness potencial factor, 8 th World Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, USA. Astroza, M., A. Moya,y S. Sanhueza, 2002a, Estudio comparativo de los efectos de los terremotos de Chillán de 1939 y Talca de 1928, VIII Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería Antisísmica, Valparaíso, Chile. M. Astroza, O. Diaz, M. Pardo y S. Rebolledo, 2002b, Lecciones de un terremoto de subducción del tipo iontraplaca. El terremoto de Punitaqui del 14 de Octubre de 1997, VIII Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería Antisísmica, Valparaiso, Chile. Astroza M., M. Sandoval y E. Kausel, 2005, Estudio comparativo de los efectos de los sismos chilenos de subducción del tipo intraplaca de profundidad intermedia, IX Jornadas Chilenas de Sismología e Ingeniería Antisísmica, Concepción, Chile. Barrientos, S Regionalización sísmica de Chile Tesis (Magister en Ciencias, mención Geofísica), Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile. Santiago, Chile Calcagni, J Proposición de un espectro de diseño sísmico para la zona epicentral del terremoto del 3 de marzo de Memoria para optar al título de Ingeniero Civil, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile. Santiago, Chile.

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