UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS. Evolución espacial de los periodos de resonancia y aplicaciones en el análisis mecánico de suelos

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS E.A.P. DE FÍSICA Evolución espacial de los periodos de resonancia y aplicaciones en el análisis mecánico de suelos Capítulo 4. Periodos predominantes en los suelos TRABAJO MONOGRÁFICO Para optar el Título de Licenciado en Física AUTOR Luis Pablo Vilcapoma Lázaro LIMA PERÚ 2005

2 4. PERÍODOS PREDOMINANTES EN LOS SUELOS Como se ha podido observar es muy importante analizar la frecuencia de oscilación del suelo y la frecuencia de oscilación de la estructura, por que la oscilación tiene una dependencia directa con las constantes elásticas del material en estudio. Cuando se realiza el estudio de las características del suelo, se utiliza entre sus propiedades dinámicas la presencia de los períodos predominantes, éstos dependen del tipo de suelo que se esta analizando. Seed [8] realizó un estudio de los períodos predominantes que un sismo presenta para diferentes distancias epicentrales. En el Gráfico 1 se puede notar que los períodos predominantes de la oscilación se mantiene constante hasta una distancia de 40km, 7 después el valor de los períodos se incrementan conforme la distancia epicentral va 0.6 aumentando. Períodos predominantes (Seg.) M= Km Gráfico 1.- Los períodos predominantes de un sismo de cierta magnitud, varía en función de las distancias entre el epicentro y el sitio de observación (Gráfico elaborado por el profesor Seed). Luis P. Vilcapoma Lázaro 13

3 4.1 Análisis del Tipo de Suelo Según sus Períodos Predominantes El análisis de los períodos predominantes dentro del área de 40Km de radio, nos permite realizar análisis de los tipos de suelo en que se encuentran asentadas las ciudades. Después del terremoto de Ocoña del 2001, el Instituto Geofísico del Perú instaló acelerógrafos en las localidades de Atico, Camaná y Chala (ver Figura 9) con la finalidad de monitorear las replicas que originó el sismo principal. Las señales de la oscilación en aceleración registradas por estas estaciones permitieron realizar un estudio del comportamiento del suelo de estas localidades, frente a un sismo. Figura 9.- Epicentro de las 13 réplicas que incidieron sobre los acelerómetros ubicados en las localidades de Chala, Atico y Camaná en el departamento de Arequipa. El estudio se realizó haciendo un análisis de la señal con la transformada de Fourier (ver anexo) para obtener la frecuencia y períodos predominantes de la oscilación, de este modo se obtuvo como resultado para 8 réplicas censadas por las estaciones de Camaná y Atico lo que se presenta en la Tabla 1 Luis P. Vilcapoma Lázaro 14

4 CAMANA ATICO Fecha y Norte Vertical Este Norte Vertical Este Hora T (s) T (s) T (s) T (s) T (s) T (s) 03 Jul 23: Jul 19: Jul 08: Jul 12: Jul 13: Jul 16: Jul 18: Jul 09: Tabla 1. Períodos (T) predominantes en las tres componentes de registro de las estaciones acelográficas de Camaná y Atico correspondientes a ocho replicas del sismo de Arequipa del 23 de Junio de En esta parte del trabajo se observa que el valor de los períodos predominantes son mayores para la estación de Camaná, esto indica que el suelo de Atico es más consistente y duro, donde la energía de la vibración sísmica se atenúa rápidamente, comparada con lo que ocurre en el suelo de Camaná. Del mismo modo se realizó el análisis de 5 réplicas monitoreadas por las estaciones de Chala y Atico, los resultados se presentan en la Tabla 2. CHALA ATICO Fecha y Norte Vertical Este Norte Vertical Este Hora T (s) T (s) T (s) T (s) T (s) T (s) 28 Jun 08: Jun 00: Jun 18: Jul 12: Jul 15: Tabla 2. Períodos (T) predominantes en las tres componentes de registro de las estaciones acelográficas de Chala y Atico correspondientes a cinco replicas del terremoto de Arequipa del 23 de Junio de Luis P. Vilcapoma Lázaro 15

5 Por lo que se observa en el valor de los períodos en la Tabla 2, se puede decir que el suelo de Chala es más rígido comparado con el suelo de Atico. La explicación que se da, analizando los períodos de oscilación para cada uno de las ciudades, concuerda con las características especificadas en las cartas geológicas [4, 5, 14]. Esto explica mejor el por que la ciudad de Chala se obtuvo un menor valor en la intensidad comparada con las demás ciudades estudiadas en este trabajo. Del análisis en conjunto de los períodos de oscilación se puede decir que el comportamiento dinámico de las ciudades estudiadas tiene un valor de su período, menores a 0.5 segundos, esto indica que las casas con períodos característicos a este orden (casas de 1 a 6 pisos), absorbieron la mayor cantidad de energía durante los sismos que ocurrieron como réplicas. Esto hace suponer que durante el sismo principal del 23 de Junio del 2001, las casas de pisos bajos recibieron la mayor carga del movimiento. 4.2 Evolución Espacial de los Períodos Predominantes Para distancias epicentrales mayores a 40 Km. Se realiza el análisis de los períodos predominantes, de modo que se puede buscar su comportamiento espacial. Para su estudio se usó las señales sísmicas de 5 estaciones de banda ancha localizadas a diferentes distancias respecto del epicentro (como se muestra en la Figura 10) para un sismo de 4.7 de magnitud ocurrido en Trujillo. FIGURA 10. Localización del epicentro del sismo de Trujillo, indicando la ubicación de las 5 estaciones de banda ancha que recibió la señal de este sismo. De las señales que se registraron en cada uno de las estaciones que se muestran en la Figura 11, se obtuvieron los espectros de Fourier que se muestran en la Figura 12, esto sirvió para hallar los períodos predominantes de la oscilación sismica. Los resultados se muestran en la Tabla 3 con la cual se elaboró la Gráfica 2. En esta gráfica Luis P. Vilcapoma Lázaro 16

6 se puede observar, como el período predominante que se calcula para cada uno de las ciudades [10], se incrementa conforme aumenta la distancia entre el epicentro y la estación. Los resultados que se presenta, es coherente con los resultados encontrados por Seed [8]. Cajamarca Huaylas Chachapoyas Pucallpa Huancayo Figura 11.- Registros de un sismo ocurrido el 19 de Marzo del 2003 en Trujillo, registrados por las estaciones de Cajamarca, Huaylas (Ancash), Chachapoyas, Pucallpa, y Huancayo. Luis P. Vilcapoma Lázaro 17

7 Cajamarca Huaylas Chachapoyas Pucallpa Huancayo Figura 12.- Transformada de Fourier de las señales sísmicas. Aquí se puede observar el corrimiento de la frecuencia fundamental de la onda sísmica de las 5 estaciones. Luis P. Vilcapoma Lázaro 18

8 ESTACIÓN DISTANCIA (Km.) FRECUENCIA (Hz.) PERÍODO (s) CAJAMARCA 183 1,41 0,71 HUAYLAS 213 1,05 0,96 CHACHAPOYAS 304 0,74 1,36 PUCALLPA 557 0,25 3,97 HUANCAYO 640 0,26 3,81 TABLA 3 Períodos fundamentales encontrados para cada ciudad mostrando el aumento en valor conforme aumenta la distancia de las ciudades al epicentro del sismo. Periodo (S) 4,5 T = 0,0076d - 0, R 2 = 0,9628 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Distancia (Km) Gráfica 2.-Evolución espacial de los períodos predominantes encontrados para cada ciudad donde se registró el sismo de magnitud 4.7 Richter. Luis P. Vilcapoma Lázaro 19