Análisis del comportamiento dinámico del suelo y los edificios para la estimación del daño sísmico potencial. Aplicación a Viña del Mar, Chile

Abstract

Terremotos históricos y recientes (p. ej. los de 1906, 1985 y 2010) indican la repetición de un patrón espacial de la distribución de los daños sísmicos en Viña del Mar que afectan sobre todo a la zona llana de la ciudad. La ciudad de Viña del Mar, situada en el borde norte de la gran zona de ruptura del terremoto de febrero de 2010, se encuentra emplazada en su mayor parte sobre una planicie formada por depósitos de materiales sedimentarios fluviales y marinos con gran contenido en agua, lo que hizo que el movimiento sísmico alcanzara en dicho terremoto una intensidad máxima de grado VIII (EMS) en un amplio sector de la ciudad y provocase daños en las construcciones, sobre todo en las de mayor altura y estructura de hormigón armado. La desigual distribución de los daños sísmicos observados en la ciudad evidencia las diferencias de la peligrosidad sísmica local y también el desigual comportamiento de edificios en áreas donde la acción sísmica era similar. Esto puso de manifiesto el interés y necesidad de realizar un estudio más completo de los diferentes aspectos relacionados con el comportamiento sísmico del suelo y de los edificios tal como se ha hecho en esta Tesis Doctoral. Los 122 estudios geotécnicos, con sondeos mecánicos, ensayos in situ y de laboratorio, han permitido evaluar los tipos de suelo, clasificarlos y obtener diferentes mapas que proporcionan información sobre la estructura del subsuelo hasta una profundidad de 30 m. Con los valores de velocidad de cizalla VS, obtenidos de perfiles ReMI, y los valores de NSPT corregidos, (N1)60, de los sondeos, se ha obtenido una relación empírica específica para la zona; con ella se ha determinado la estructura VS del área, indicando que la capa con VS _ 360 m/s tiene una profundidad > 20 m en casi todo el Plan de Viña, siendo > 30 m en una gran parte de la ciudad. Se han calculado las velocidades medias de ondas S en el terreno VS10, VS20 y VS30, y trazado los correspondientes mapas. Se han clasificado los sitios con la VS30 siendo de tipo C en la mayor parte de la llanura y B en los cerros en el código EC-8 (D en IBC y NCh433), resultado que evidencia que el parámetro VS30 es insuficiente por sí solo para caracterizar la respuesta cuando el espesor de sedimentos es mayor de 30 m. Para poder obtener información de las capas más profundas hasta el basamento se han usado métodos geofísicos. Se ha analizado el comportamiento dinámico del suelo en 84 puntos de la ciudad a partir de medidas de ruido ambiental o microtremor. Con esta información se ha caracterizado el periodo de vibración del suelo a partir del método HVNSR y se ha trazado un mapa de isoperiodos que es una microzonificación sísmica ya que ha permitido clasificar el suelo en función del periodo y de las características geológicas. La estimación del espesor de relleno hasta el basamento a partir de la VS(z) ha proporcionado la morfología del basamento. Otra estimación se ha hecho con las curvas H/V observadas y las simuladas con un modelo de capas 1D construido con la información superficial y la de periodos medidos. Ambos métodos dieron resultados parecidos con profundidades > 60–70 m en un tercio del área estudiada y llegando hasta algo más de 120 m. Con estas profundidades se clasificaron los suelos como tipo D–1 en el centro de la cuenca y tipos C–2 y C–3 en los bordes. La amplificación espectral calculada en 12 puntos representativos con los modelos de VS y densidad supera un factor 4 en la zona más profunda y es mayor de 3 para el periodo dominante correspondiente. Se ha obtenido el intervalo de periodos en los que se produce amplificación sísmica con los métodos SSR y HVSR aplicados a registros del sismo principal de 2010 y algunas réplicas que son congruentes con los obtenidos con microtremor. Se ha hecho una clasificación tipológica de los edificios (ECh1, ECh2, ECh3, ECh4 y ECh5) en base a la estructura principal del inmueble y su comportamiento sísmico. El mapa de vulnerabilidades probables indica que las clases B, C y D (EMS) son las más abundantes en los edificios de estructura muraría y las D, C y E en las de hormigón armado. La mayoría (87.7 %) de los 2054 edificios inspeccionados no sufrieron daños por el sismo de 2010 y solo 252 tenía daños detectables. Se ha apreciado una cierta dependencia del porcentaje y nivel de daño con la época de construcción (relacionada con la normativa sismo resistente aplicada) y con la altura del edificio y con la tipología estructural. La mayoría de los edificios dañados (52.2 %) fueron construidos antes de 1985 (eran tan solo el 6.47% del total). Los edificios con daños grado 3 y 4 (EMS) fueron el 8.7% y el 4.35% de los dañados respectivamente, siendo la mayoría de ellos de hormigón armado y de más de 10 plantas. Para analizar el comportamiento dinámico de los edificios se hicieron medidas de ruido ambiental en 99 edificios (sin daño y dañados pero reparados) de hormigón armado obteniendo los periodos propios longitudinal y transversal de vibración, el factor de amortiguamiento y la relación periodo–altura con tres métodos diferentes. Las relaciones lineales T–N calculadas para edificios sin daño y con daños grados 1, 2, 3, y 4 reparados, muestran un alargamiento del periodo fundamental creciente con el grado de daño del 8, 10, 14 y 16 %, respectivamente. El bajo porcentaje de daños está relacionado con el alto índice de rigidez H/T obtenido de 60 m/s (o de N/T del orden de 20 plantas/s), que se considera rigidez normal en Chile frente a índices H/T _ 30 m/s (o N/T _ 10 plantas/s) que se dan en estructuras de hormigón armado en otros lugares del mundo. Los edificios con daño estaban en la parte llana de la ciudad, sobre todo en los lugares donde la potencia del relleno era mayor de 20 m, y que los daños graves (grado _ 3 EMS) se dieron sobre todo donde la profundidad del basamento era mayor a 60 m y cercanos a la traza de la falla de Marga Marga. La distribución de los edificios dañados muestra que los daños en edificios, sobre todo los altos, están en muchos casos relacionados con la cercanía entre el periodo del suelo y el del edificio, indicando un probable efecto de resonancia. Por último, el que no hubiese más daños estructurales en la ciudad es debido a que en la normativa sismo resistente, pero sobre todo en la práctica chilena de construcción, se asume que en la vida de un edificio este sufrirá al menos un terremoto de gran magnitud, ya que estos son muy frecuentes en Chile. La práctica chilena de usar tradicionalmente sistemas de cargas laterales con un gran número de muros de cizalla en vez de sistemas de pórticos puros implica que los edificios tengan una gran rigidez.