METODOLOGIA PARA LA DETERMINACIÓN PRELIMINAR DE LA AMENAZA SISMICA PARA LOS MUNICIPIOS

8/6/2019 METODOLOGIA PARA LA DETERMINACIÓN PRELIMINAR DE LA AMENAZA SISMICA PARA LOS MUNICIPIOS

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METODOLOGIA PARA LA DETERMINACIÓN PRELIMINAR DELA AMENAZA SISMICA PARA LOS MUNICIPIOS DEBIDO A LOS

EFECTOS DEL AGUA SUB-SUPERFICIAL

ING. FRANK MOTOYA CALLEJASProfesor Asociado en la Facultad de Minas de la

Universidad Nacional de Colombia - Ingeniero Civil

Candidato al titulo de Maestría de la Universidad Politécnica de Cataluña.

ING. GLORIA ISABEL RAMIREZ BOLIVAR Ing. Geologa – Cimientos Ltda.

ING. KENY JULLIET SANCHEZ Ing. Civil – Obras Publicas Municipales – Municipio de Medellín.

RESUMEN:

Mediante esta metodología se pretende dar a losmunicipios una herramienta sencilla para la evaluaciónde la vulnerabilidad sísmica que presentan, mediante ladeterminación cuantitativa de los efectos de las ondassísmicas sobre el agua subsuperficial y sucorrespondencia en la superficie del terreno. Estemétodo, sin embargo, no pretende sustituir los estudiosde amenaza sísmica, sino que por el contrario, estableceuna herramienta que permita determinar la necesidad amediano o largo plazo de un estudio de este tipo.

Así mismo, tampoco se pretende desvirtuar las

condiciones estructurales de las viviendas del municipio,el cual es otro de los factores de mayor importancia almomento de ocurrencia de un sismo.

Esta metodología fue desarrollada, tras numerososestudios efectuados en barrios de la ciudad de Medellíny Pereira en condiciones estáticas. Con el sismo ocurridoel 25 de enero de 1999, el cual afectó la zona cafetera, endonde se vio seriamente perjudicado el municipio deCircasia; localizado al norte del departamento delQuindío, donde se tuvo la oportunidad de aplicar estametodología a todo un municipio en condicionesdinámicas, considerando para ello las particularescondiciones morfológicas que presentaba el casco urbanode éste; para ello se valió del trabajo de grado realizadopor la Ing Keny Julliet Sánchez, para este municipio, enel año 2000. (Ref. 18).

PALABRAS CLAVES

Sismo, Aceleración, licuación. Presión de Poros ylevantamiento.

ABSTRACT

This methodology pretend to given a towns a sample toolfor the evaluation of the seismic vulnerability, by meansthe effects of the seismic weaves quantitativedetermination over underground water and itscorespondent over land.

This method not pretend dretrac from the conditionsstructural for the house for the town, that is other of greater important factor in the moment of a seismic.

This methodology has development in base to manystudy effected in the suburb of the Medellín and Periera,

under static condition. With the earthquake happened 25of January of 1999 that affected the region coffee planter,in especial of town of Circasia, for that saw theopportunity for the application this methodology for atown under conditions dynamics, considering for this theparticulars conditions morphology for the center urban.For this itself utilized work grade of the engineeringKeny Julliet Sánchez, realized in this town.

KEY WORDS

Earthquake, Acceleration, liquefaction, pore water,elevation.

1. ASPECTOS GEOGRÁFICOS YCONSIDERACIONES DEL SISMO OCURRIDO EL25 DE ENERO DE 1999.

El municipio de Circasia, se encuentra localizado enel departamento del Quindío. Desde el punto devista fisiográfico, este Municipio presenta un relieve

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ondulado con una profunda disección de susquebradas (Ref. 1).Con respecto a las características geológicas locales,este Municipio de encuentra localizado sobre unasecuencia de depósitos fluvio-volcánicos cubiertos

por suelos derivados de cenizas volcánicaspertenecientes al Glasis del Quindío; los cuales sepresentan en niveles o capas de espesor variableseparadas unas de otras, con base en los rasgostextuales y composicionales. La meteorización de laceniza original, ha producido un suelo con unatextura que varía de arenosa a arcillosa,dependiendo fundamentalmente de la relacióncristales – matriz en el material original (Ref. 1).

El sismo ocurrido el 25 de enero de 1999, afectó laregión cafetera y tuvo su origen cerca de la

población de Córdova (Quindío), ubicada en unalatitud 4.3° Norte y una longitud 75.64° Oeste,presentando una magnitud de 6.2 ML (Ref. 3).

Los acelerógrafos pertenecientes al proyecto deMitigación del Riesgo Sísmico de Pereira,Dosquebradas y Santa Rosa de Cabal, registraronuna aceleración máxima de 0.30g, mientras que elresto de las estaciones registraron aceleracionesentre 0.18g y 0.25 g (Ref. 3).

Para la ciudad de Armenia, la aceleración máxima

registrada fue de 0.591g horizontal y de 0.459gvertical, para la estación ubicada en la Universidaddel Quindío. En la estación de Finlandia, laaceleración máxima registrada fué de 0.487ghorizontal. (Ref. 5).

Figura 1: Acelerogramas obtenidos en launiversidad del Quindio.

2. METODOLOGÍA DESARROLLADA

2.1 ANÁLISIS MORFOLÓGICO YDETERMINACIÓN PRELIMINAR DE LOSFLUJOS DE AGUA SUPERFICIAL

Para el desarrollo de este estudio, se siguió unametodología enmarcada en los aspectosmorfológicos que caracterizan el casco urbano delmunicipio, así como la presencia de importantesredes de flujo, las cuales rodean la zona. En el planotopográfico del municipio se observa como éste seencuentra rodeando una importante red hídrica, por

lo que se consideró ésta como el primer factor aconsiderar en la metodología.

La importancia e influencia que generan muchas delas redes de drenaje existente en cualquier zona,están relacionadas con los flujos de aguasubsuperficial que generan, debido a la diferenciade gradientes o potenciales entre sitios, en este casoentre dos quebradas, así como la permeabilidad delos materiales que conforman el subsuelo en lazona.

En el caso del municipio de Circasia, se tiene queeste presenta en general una topografía suave, lacual desciende en dirección oriente - occidente. Estatopografía suave se contrasta con la topografíaobservada en las zonas de las quebradas, las cualesse caracterizan por presentar cañones en forma de¨V¨ con laderas de pendiente alta.






En el costado suroccidental del municipio, seobservan numerosos drenajes, los cuales poseen sunacimiento en las afueras del municipio(evidenciando que el agua que surte estosnacimientos proviene de los costados norte u

oriental.).

En los costados norte y oriental, se encuentran lasquebradas Cajones y Yeguas, las cuales generancañones profundos como se observa en el plano delmunicipio.

La diferencia de potencial existente entre lasquebradas ubicadas al norte y oriente del municipio,con los nacimientos de agua encontrados al sur yoccidental, permite establecer una serie de líneas deflujo, las cuales son utilizadas para la ubicación

preliminar de sondeos.

2.2 EVALUACIÓN Y ZONIFICACIÓN DE LOSDAÑOS

Adicional al análisis morfológico, se realizó unrecorrido por el casco urbano del municipio deCircasia, observando el grado de afectación de lasestructuras por el evento sísmico, con lo cual secorroboró el plano de diagnóstico post-sismo.

Considerando los factores morfológico así como las

líneas de flujo planteadas y en este caso con ayudade la zonificación de daños, se determinaron 6zonas importantes o de interés (Ref. 18) :

q Sector Barrio Altos de la Cruz. q Sector Barrio Alto de la Taza. q Sector del Matadero.q Sector Plaza de Mercado y Bomberos .q Sector del Colegio Simón Bolívar.q Colegio Libre.

Este aspecto puede ser considerado en el estudio de

cualquier municipio, con ayuda del estudio de losefectos que han generado algunos eventos sísmicosantiguos, así como la existencia de inventarios dedaños o la determinación de zonas con mayoresdaños por este tipo de fenómeno dentro del cascourbano del municipio en estudio.

2.3 REALIZACIÓN DE SONDEOS

Con el fin de obtener la mayor información posiblerespecto al subsuelo de la zona en estudio, serealizaron 20 perforaciones; las cuales se ubicaron

de acuerdo a los dos criterios mencionadosanteriormente.

En el trabajo de campo se realizaron 13perforaciones mecánicas, tal como se muestra en latabla 1, con la ejecución del ensayo de penetraciónnormal SPT con profundidades que oscilaron entre5.0 y 16.0 m y 7 perforaciones por medio de conoHolandés para realizar el ensayo CPT, comocomplemento al trabajo de campo.

Tabla No. 1 Número de eventos relacionados en cada

sondeo.(Ref 18)

Sondeo Nº Número deviviendas a

demoler

Número deviviendas con

demoliciónparcial

1 5 12 3 23 1 24 14 45 6 46 2 27 2

8 69 410 4 211 612 3 513 1 (colegio)14 1015 1 116 1 (colegio)17 518 1619 10 1020 10 10

En la figura 2, se observa la topografía de la zona,así como la identificación de las redes de drenaje enel sector aledaño al municipio, la zonificación dedaños y la ubicación de sondeos.






figura 2: Ubicación de flujos y sondeos






2.4 COMPROBACIÓN DE LOS FLUJOS DE AGUA

Con base en los sondeos realizados en la zona y ladetección de agua en algunos de ellos, como seobserva en la tabla 2, se procedió a identificar los

flujos de agua que afectan la zona.

Tabla 2. Profundidad de sondeos. Posición del nivelfreático

SondeoNo.

Profundidad(metros)

Nivel freático(metros)

1 9.60 2.202 15.65 2.903 4.60 3.804 8.00 6.005 9.15 3.406 7.20 2.207 6.20 2.808 10.05 1.809 6.80 2.50

10 6.10 2.4011 16.20 SECO12 9.20 6.8013 4.60 1.6014 5.20 SECO15 10.35 8.5016 6.00 SECO17 14.85 SECO18 11.20 SECO

19 12.60 SECO20 12.50 SECO

El primero de estos flujos, presenta su origen en lacorrelación entre quebrada Cajones, cuyo cauce seencuentra en la cota 1780 m aproximadamente y laquebrada La Tenería, cuyo nacimiento esta en lacota 1770 m o parte baja del Municipio. El segundode los flujos, corresponde al existente desde laquebrada Las Yeguas, con su cauce en la cota 1825m, la cual atraviesa al municipio correlacionándose

con un nacimiento de agua ubicado en la cota 1800m, ver figuras 2 y 3.

En los perfiles realizados y presentados en la figura3, se observa el trazado aproximado de la alturapiezométrica hallada en el trabajo de campo.

En el corte 1, se muestra la posición del nivelfreático y la diferencia de cotas entre la QuebradaCajones y la Quebrada Las Yeguas, lo quecorrobora una diferencia entre cabezas de posiciónde estas dos quebradas, facilitando el flujo de las

aguas desde la Quebrada Cajones hacia elnacimiento de la Quebrada Las Yeguas.

En el Corte 2, también se observa la forma del nivelfreático en otro sector del Municipio y la diferenciade cotas entre la trayectoria sub-superficial de lasaguas de la Quebrada Las Yeguas y unos de susnacimientos ubicados en la parte inferior delMunicipio.

2.5 DETERMINACIÓN DEL PERFILESTRATIGRÁFICO EN LA ZONA DE LAS

PROPIEDADES DEL SUELO EXISTENTE.

Con los resultados obtenidos de los ensayos delaboratorio, se definieron los parámetrosgeotécnicos principales:

q Clasificación Unificada de Suelos (U.S.C)q Indice plásticoq Indice de consistenciaq Compacidad relativa

Como resultado del trabajo de campo y de

laboratorio, se definió el perfil estratigráfico de losdiferentes sectores en los cuales se realizó el ensayoSPT, con lo que se identificaron algunascaracterísticas estratigráficas y geotécnicas, talescomo:

Se tiene además, la presencia de estratos de cenizasvolcánicas, intercalados en ocasiones con estratosde arenas. Estos estratos, se caracterizan porpresentar niveles altos de humedad y en general seclasifican como MH y ML en su mayoría.

La presencia de estratos de ceniza enterrados enzona de los sondeos 4 y 9, corrobora el origen dadoa los suelos que conforman el municipio deCircasia, ya que en los sondeos antes mencionadosse observa la intercalación de las cenizas (partevolcánica del depósito) con arenas (parte fluvial deéste mismo).






Figura 3: Cortes y alturas piezométricas

Los estratos de ceniza mas superficiales, sonasociados al complejo volcánico Ruiz - Tolima y apartir de los cuales se desarrollan los suelos de laregión.

Desde el punto de vista estratrigráfico, se observanlos siguientes estratos de arenas a diferentesprofundidades, las cuales poseen una compacidad

relativa entre baja y media, así como grados deplasticidad bajos.

Estas arenas se encuentran en su mayoría bajo elnivel del agua (ref 17), por lo que se analizó elpotencial de licuación de estos estratos de arenas.

2.6 ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DEL AGUASUBSUPERFICIAL SOBRE LA SUPERFICIE DELTERRENO, ASOCIADOS AL EVENTO SÍSMICO.

Resultados de los cálculos del potencial de licuación

Considerando las características presentadas por losensayos de campo y laboratorio, se procedió acalcular el potencial de licuación de estas arenas apartir de una aceleración de 0.30 g., la cual fue laaceleración mínima registrada en la zona de Pereirahasta un valor de 0.6g., la cual fue la aceleraciónmáxima registrada en Armenia, siendo esta últimala mas correlacionable con la zona en estudio,

debido a la cercanía entre estos dos Municipios; sinembargo, se calculó el potencial de licuación paravarias aceleraciones, las cuales variaron entre lamas baja de 0.3g. y la máxima de 0.6g.

Para el caso de una aceleración de 0.30g., sepresentó licuación únicamente en el sondeo 2, elcual se encuentra ubicado en el sector cercano al

Parque Bolívar (figura 3), en este sitio también seencuentran ubicados los sondeos 1 y 5 (CPT), loscuales son correlacionables con esta perforación, yaque todos presentan estratos blandos iniciando lasperforaciones hasta una profundidad de 3.30 m.,con presencia del nivel freático en todos lossondeos. En esta zona, se presentan daños enedificaciones principalmente mampostería noreforzada, las cuales llegan hasta la demolición total; así como, el asentamiento en el terreno.

Ya en la situación de una aceleración de 0.45 g. seobtuvo licuación en los sondeos 6, 9 y 10, loscuales se ubican en el sector de la Plaza de Mercadoy Bomberos (figura 2), en esta zona y especialmenteen el sector de bomberos o zona del sondeo 8, seobservó la presencia de agrietamientosconsiderables en las estructuras, asentamiento en elterreno y el colapso total de edificaciones.El Sondeo 13, esta ubicado en el sector del ColegioSimón Bolívar (figura 3), donde ocurrieron






demoliciones totales, con asentamientos en elterreno y viviendas cercanas con grietasestructurales.

Y por último, bajo la condición de una aceleración

de 0.6 g. la cual fue la máxima en la zona, se obtuvolicuación en la zona del sondeo 7, ubicado en elsector de Bomberos (figura3), en donde se observanviviendas con grietas estructurales y demampostería no reforzada, con demoliciones totalesy parciales.

En general los factores de seguridad calculados parael potencial de licuación estuvieron en un intervaloentre 0.45 y 0.96 .

Se pudo observar que en los sondeos 3, 4, 12, 14 y

16, no se presento licuación, debido a que losestratos de arena saturada que poseían eran másdensos (SPT entre 10 y 30).

Es importante mencionar, que el estudio se iniciocuatro meses después de presentado el eventosísmico, sin posibilidad de observar el fenómeno devolcanes de arena; sin embargo, sí se apreciaronfenómenos de hundimientos de pisos y algunosagrietamientos locales también en pisos, los cualesson también evidencia del fenómeno de licuación

2.7 DETERMINACIÓN DE LA PRESIÓN DEPOROS INDUCIDA POR ONDAS SÍSMICAS

Durante una acción sísmica, se da lugar a un cambiovolumétrico rápido, en este caso se generan tambiénpresiones de poros, las cuales a su vez producenvariaciones en los esfuerzos efectivos del suelo queresultan en deformaciones del mismo.

Leonardo Zeevaert, en su libro ¨Sismo –Geodinámica de la Superficie del Suelo yCimentaciones de Edificios en la Ciudad de

México¨ (Ref 17), establece como cada tipo de ondaregistrada en un sismo, se asocia a un incremento enla presión de poros así:

Para una ONDA PLANA DE SUPERFICIE , encondiciones isotrópicas, se tiene que la presión deporos inducida por una onda sísmica de este tipoesta dada por la expresión.

( )Λωρ

=+ −

−K

K K vC V eS

a S

S S

rs

3 2

2

1&&&

Considerando el agua incompresible, se obtiene que

Ka = 0, (compresibilidad volumétrica unitaria de lamezcla aire –agua)

Λωρ

=−

−

1 vC V eS S

rz( )

Donde

∆w Incremento sísmico de la presión de aguade poro.ρ Masa unitaria del suelo

ν Relación de PoissonCs Velocidad de la Onda Cortante de cuerpor Coeficiente de atenuación de la ondas Resistencia unitaria a la cortante.

Para una ONDA PLANA DE CUERPOIRROTACIONAL, en condiciones isotrópicas yconsiderando el agua incompresible, se tiene que elincremento de presión aplicada es igual a la presiónsísmica del agua.

Λω ρ π= ( ) sen( / )C V z H d d 2 Donde

Cd Velocidad de la Onda de cuerpo IrrotacionalZ Espesor del estrato

Para una ONDA PLANA DE CUERPO DECORTANTE en condiciones isotópicas, se tieneque Λω = 0 .

Para el análisis de los desplazamientos verticalestotales, Zeevaert, propone el cálculo de laspresiones in situ, utilizando para ello, los módulosde deformación unitaria tanto a compresión como

de respuesta, los cuales son datos obtenidos para elsuelo analizado con base en el ensayo de la CámaraHolandesa.

No obstante, a manera de ejercicio y con el fín deobtener una idea de la manera como el incrementode la presión de poros afecta el suelo, se efectuó elcálculo de las presiones de poros inducidas por cadauna de las ondas durante el sismo estudiado. Por






otro lado como no se conocen los datos del módulode deformación unitaria del suelo, se consideró laacción de este incremento en la presión de porosdesde el punto de vista de variaciones delasentamiento o levantamiento que experimenta el

suelo.

Es importante aclarar que se consideró elincremento de la presión durante la onda decompresión, ya que con la onda de tracción lapresión de poros se reduce.

Se determinó importante verificar la variación de lapresión de poros en zona de sondeo 6, durante unfenómeno sísmico; para esto, se consideró unascondiciones isotrópicas del suelo, situación que noes del todo real; sin embargo, se utilizó con el fín de

obtener una idea respecto a éstas.

Como resultado de esta verificación, se observócomo el incremento de la presión de poros resultabastante mayor que el esfuerzo total, para unaprofundidad dada del suelo.

Esta variación de los esfuerzos efectivos, antes ydurante el sismo, se traducen en una deformacióndel suelo establecida como un levantamiento, estopermite establecer como el suelo existente mas quesufrir un asentamiento experimenta un

levantamiento brusco, los que generan la avería y/oel colapso de cualquier estructura que se localice enla superficie.

Para el caso analizado, el levantamiento registradofue de 23 cm aproximadamente, el cual resultabastante elevado.

Lo anterior, permite establecer como el sueloexperimenta un cambio volumétrico considerable,que se traduce en el levantamiento de la superficiedel terreno.

3. CONCLUSIONES

Con este estudio se determinó, por medio de lossondeos una estratigrafía por sectores; debido a loamplio de la cabecera municipal.

La hipótesis utilizada para la ubicación de lossondeos, con la cual se pretendía encontrar la

presencia de agua y que se basa en la direcciónaproximada de los flujos de agua, de acuerdo a lascondiciones morfológicas, el nivel de daños de lasviviendas y estructuras por sectores, realmente fuela más adecuada; teniendo en cuenta que de los 20

sondeos ejecutados, se detectó la presencia de aguaen 13 de ellos a profundidades variables, entre 1.60m hasta 8..50 m.

Producto del trabajo de campo y de los análisis delaboratorio, se observaron una serie de estratos dearena, cuya compacidad relativa varía de un sondeoa otro con la profundidad; siendo de particularinterés las arenas definidas como sueltas ysaturadas.

La presencia conjunta de estas arenas sueltas con un

nivel freático, permiten establecer para esta zona lahipótesis de un fenómeno de licuación, el cual fueuno de los agentes que ayudó a que el Municipio deCircasia fuera notablemente afectado por el sismodel 25 de enero de 1999.

De acuerdo con los resultados obtenidos en elcálculo del potencial de licuación para los estratosdefinidos como importantes, se evidencian treszonas donde se presentó licuación de arenas:

El sector Barrio Altos de la Cruz parte baja,

asociado al sector cercano al Parque Bolívar.El sector Plaza de Mercado y Bomberos.El sector Colegio Simón Bolívar.

Pudiendo confirmar que el fenómeno de licuaciónverdaderamente afectó el casco urbano delmunicipio de Circasia.

La disipación de la presión de poros en este eventoestuvo relacionado con los diferentes drenajes queposee la zona, los cuales incisan el terreno, llegandoa cortar los estratos de arenas potencialmente

licuables, generando de esta manera zonas dedrenaje rápido para estos estratos.

En cuanto a los efectos que generan las ondassísmicas sobre la presión de poros, se tiene suincremento, el cual se traduce en una variaciónsúbita de los esfuerzos efectivos y en unaimportante variación volumétrica.






La deformación del suelo relacionada con estavariación en los esfuerzos efectivos, corresponde aun levantamiento, el cual es del orden, en este casode 23 cm; no obstante, se considera muy importantela determinación de cada uno de los parámetros del

módulo de deformación, con el fín de obtener unvalor exacto de las deformaciones verticales ¨insitu¨.

Es importante aclarar que el valor obtenido, permiteobtener una idea de las deformaciones queexperimenta el suelo durante un sismo, ya que parala determinación exacta del fenómeno, se requeriríade numerosas pruebas dinámicas a los suelos de lazona.

4. RECOMENDACIONES

Considerando estas condiciones, se procedió a larecomendación de drenes verticales, con el fin dedisipar las presiones de poros generadas durante un

sismo, para la cual se estudiaron diferentesalternativas para su construcción, estableciendocomo solución más adecuada, la encontrada porMarco Polo en la Plaza Tiang Meng (Ref 19) en lacual se tenia la utilización del Bambú o paranuestro caso Guadua; ya que, se trata de unmaterial propio de la región, evitando así el uso dePVC u otro tipo de material mas costoso, con cualse proporciona una solución económica y viablepara el casco urbano del Municipio.






REFERENCIAS

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