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

EFECTOS DEL AGUA SUB-SUPERFICIAL

ING. FRANK MOTOYA CALLEJAS Profesor 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 los municipios una herramienta sencilla para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica que presentan, mediante la determinación cuantitativa de los efectos de las ondas sísmicas sobre el agua subsuperficial y su correspondencia en la superficie del terreno. Este método, sin embargo, no pretende sustituir los estudios de amenaza sísmica, sino que por el contrario, establece una herramienta que permita determinar la necesidad a mediano 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 al momento de ocurrencia de un sismo. Esta metodología fue desarrollada, tras numerosos estudios efectuados en barrios de la ciudad de Medellín y Pereira en condiciones estáticas. Con el sismo ocurrido el 25 de enero de 1999, el cual afectó la zona cafetera, en donde se vio seriamente perjudicado el municipio de Circasia; localizado al norte del departamento del Quindío, donde se tuvo la oportunidad de aplicar esta metodología a todo un municipio en condiciones dinámicas, considerando para ello las particulares condiciones morfológicas que presentaba el casco urbano de éste; para ello se valió del trabajo de grado realizado por la Ing Keny Julliet Sánchez, para este municipio, en el año 2000. (Ref. 18). PALABRAS CLAVES Sismo, Aceleración, licuación. Presión de Poros y levantamiento.

ABSTRACT This methodology pretend to given a towns a sample tool for the evaluation of the seismic vulnerability, by means the effects of the seismic weaves quantitative determination over underground water and its corespondent over land. This method not pretend dretrac from the conditions structural 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 many study effected in the suburb of the Medellín and Periera, under static condition. With the earthquake happened 25 of January of 1999 that affected the region coffee planter, in especial of town of Circasia, for that saw the opportunity for the application this methodology for a town under conditions dynamics, considering for this the particulars conditions morphology for the center urban. For this itself utilized work grade of the engineering Keny Julliet Sánchez, realized in this town. KEY WORDS Earthquake, Acceleration, liquefaction, pore water, elevation. 1. ASPECTOS GEOGRÁFICOS Y CONSIDERACIONES DEL SISMO OCURRIDO EL 25 DE ENERO DE 1999. El municipio de Circasia, se encuentra localizado en el departamento del Quindío. Desde el punto de vista fisiográfico, este Municipio presenta un relieve

ondulado con una profunda disección de sus quebradas (Ref. 1). Con respecto a las características geológicas locales, este Municipio de encuentra localizado sobre una secuencia de depósitos fluvio-volcánicos cubiertos por suelos derivados de cenizas volcánicas pertenecientes al Glasis del Quindío; los cuales se presentan en niveles o capas de espesor variable separadas unas de otras, con base en los rasgos textuales y composicionales. La meteorización de la ceniza original, ha producido un suelo con una textura que varía de arenosa a arcillosa, dependiendo fundamentalmente de la relación cristales – matriz en el material original (Ref. 1). El sismo ocurrido el 25 de enero de 1999, afectó la región cafetera y tuvo su origen cerca de la población de Córdova (Quindío), ubicada en una latitud 4.3° Norte y una longitud 75.64° Oeste, presentando una magnitud de 6.2 ML (Ref. 3). Los acelerógrafos pertenecientes al proyecto de Mitigación del Riesgo Sísmico de Pereira, Dosquebradas y Santa Rosa de Cabal, registraron una aceleración máxima de 0.30g, mientras que el resto de las estaciones registraron aceleraciones entre 0.18g y 0.25 g (Ref. 3). Para la ciudad de Armenia, la aceleración máxima registrada fue de 0.591g horizontal y de 0.459g vertical, para la estación ubicada en la Universidad del Quindío. En la estación de Finlandia, la aceleración máxima registrada fué de 0.487g horizontal. (Ref. 5).

Figura 1: Acelerogramas obtenidos en la universidad del Quindio.

2. METODOLOGÍA DESARROLLADA 2.1 ANÁLISIS MORFOLÓGICO Y DETERMINACIÓN PRELIMINAR DE LOS FLUJOS DE AGUA SUPERFICIAL Para el desarrollo de este estudio, se siguió una metodología enmarcada en los aspectos morfológicos que caracterizan el casco urbano del municipio, así como la presencia de importantes redes de flujo, las cuales rodean la zona. En el plano topográfico del municipio se observa como éste se encuentra rodeando una importante red hídrica, por lo que se consideró ésta como el primer factor a considerar en la metodología. La importancia e influencia que generan muchas de las redes de drenaje existente en cualquier zona, están relacionadas con los flujos de agua subsuperficial que generan, debido a la diferencia de gradientes o potenciales entre sitios, en este caso entre dos quebradas, así como la permeabilidad de los materiales que conforman el subsuelo en la zona. En el caso del municipio de Circasia, se tiene que este presenta en general una topografía suave, la cual desciende en dirección oriente - occidente. Esta topografía suave se contrasta con la topografía observada en las zonas de las quebradas, las cuales se caracterizan por presentar cañones en forma de ¨V¨ con laderas de pendiente alta.

En el costado suroccidental del municipio, se observan numerosos drenajes, los cuales poseen su nacimiento en las afueras del municipio (evidenciando que el agua que surte estos nacimientos proviene de los costados norte u oriental.). En los costados norte y oriental, se encuentran las quebradas Cajones y Yeguas, las cuales generan cañones profundos como se observa en el plano del municipio. La diferencia de potencial existente entre las quebradas ubicadas al norte y oriente del municipio, con los nacimientos de agua encontrados al sur y occidental, permite establecer una serie de líneas de flujo, las cuales son utilizadas para la ubicación preliminar de sondeos. 2.2 EVALUACIÓN Y ZONIFICACIÓN DE LOS DAÑOS Adicional al análisis morfológico, se realizó un recorrido por el casco urbano del municipio de Circasia, observando el grado de afectación de las estructuras por el evento sísmico, con lo cual se corroboró el plano de diagnóstico post-sismo. Considerando los factores morfológico así como las líneas de flujo planteadas y en este caso con ayuda de la zonificación de daños, se determinaron 6 zonas importantes o de interés (Ref. 18) : � Sector Barrio Altos de la Cruz. � Sector Barrio Alto de la Taza. � Sector del Matadero. � Sector Plaza de Mercado y Bomberos. � Sector del Colegio Simón Bolívar. � Colegio Libre. Este aspecto puede ser considerado en el estudio de cualquier municipio, con ayuda del estudio de los efectos que han generado algunos eventos sísmicos antiguos, así como la existencia de inventarios de daños o la determinación de zonas con mayores daños por este tipo de fenómeno dentro del casco urbano del municipio en estudio.

2.3 REALIZACIÓN DE SONDEOS Con el fin de obtener la mayor información posible respecto al subsuelo de la zona en estudio, se realizaron 20 perforaciones; las cuales se ubicaron de acuerdo a los dos criterios mencionados anteriormente. En el trabajo de campo se realizaron 13 perforaciones mecánicas, tal como se muestra en la tabla 1, con la ejecución del ensayo de penetración normal SPT con profundidades que oscilaron entre 5.0 y 16.0 m y 7 perforaciones por medio de cono Holandés para realizar el ensayo CPT, como complemento al trabajo de campo. Tabla No. 1 Número de eventos relacionados en cada sondeo.(Ref 18)

Sondeo Nº

Número de viviendas a

demoler

Número de viviendas con

demolición parcial

1 5 1 2 3 2 3 1 2 4 14 4 5 6 4 6 2 2 7 2 8 6 9 4

10 4 2 11 6 12 3 5 13 1 (colegio) 14 10 15 1 1 16 1 (colegio) 17 5 18 16 19 10 10 20 10 10

En la figura 2, se observa la topografía de la zona, así como la identificación de las redes de drenaje en el sector aledaño al municipio, la zonificación de daños 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 la detección de agua en algunos de ellos, como se observa en la tabla 2, se procedió a identificar los flujos de agua que afectan la zona. Tabla 2. Profundidad de sondeos. Posición del nivel freático

Sondeo No.

Profundidad (metros)

Nivel freático (metros)

1 9.60 2.20 2 15.65 2.90 3 4.60 3.80 4 8.00 6.00 5 9.15 3.40 6 7.20 2.20 7 6.20 2.80 8 10.05 1.80 9 6.80 2.50

10 6.10 2.40 11 16.20 SECO 12 9.20 6.80 13 4.60 1.60 14 5.20 SECO 15 10.35 8.50 16 6.00 SECO 17 14.85 SECO 18 11.20 SECO 19 12.60 SECO 20 12.50 SECO

El primero de estos flujos, presenta su origen en la correlación entre quebrada Cajones, cuyo cauce se encuentra en la cota 1780 m aproximadamente y la quebrada La Tenería, cuyo nacimiento esta en la cota 1770 m o parte baja del Municipio. El segundo de los flujos, corresponde al existente desde la quebrada Las Yeguas, con su cauce en la cota 1825 m, la cual atraviesa al municipio correlacionándose con un nacimiento de agua ubicado en la cota 1800 m, ver figuras 2 y 3. En los perfiles realizados y presentados en la figura 3, se observa el trazado aproximado de la altura piezométrica hallada en el trabajo de campo.

En el corte 1, se muestra la posición del nivel freático y la diferencia de cotas entre la Quebrada Cajones y la Quebrada Las Yeguas, lo que corrobora una diferencia entre cabezas de posición de estas dos quebradas, facilitando el flujo de las aguas desde la Quebrada Cajones hacia el nacimiento de la Quebrada Las Yeguas. En el Corte 2, también se observa la forma del nivel freático en otro sector del Municipio y la diferencia de cotas entre la trayectoria sub-superficial de las aguas de la Quebrada Las Yeguas y unos de sus nacimientos ubicados en la parte inferior del Municipio. 2.5 DETERMINACIÓN DEL PERFIL ESTRATIGRÁFICO EN LA ZONA DE LAS PROPIEDADES DEL SUELO EXISTENTE. Con los resultados obtenidos de los ensayos de laboratorio, se definieron los parámetros geotécnicos principales:

� Clasificación Unificada de Suelos (U.S.C) � Indice plástico � Indice de consistencia � Compacidad relativa

Como resultado del trabajo de campo y de laboratorio, se definió el perfil estratigráfico de los diferentes sectores en los cuales se realizó el ensayo SPT, con lo que se identificaron algunas características estratigráficas y geotécnicas, tales como: Se tiene además, la presencia de estratos de cenizas volcánicas, intercalados en ocasiones con estratos de arenas. Estos estratos, se caracterizan por presentar niveles altos de humedad y en general se clasifican como MH y ML en su mayoría. La presencia de estratos de ceniza enterrados en zona de los sondeos 4 y 9, corrobora el origen dado a los suelos que conforman el municipio de Circasia, ya que en los sondeos antes mencionados se observa la intercalación de las cenizas (parte volcánica del depósito) con arenas (parte fluvial de éste mismo).

Figura 3: Cortes y alturas piezométricas

Los estratos de ceniza mas superficiales, son asociados al complejo volcánico Ruiz - Tolima y a partir de los cuales se desarrollan los suelos de la región. Desde el punto de vista estratrigráfico, se observan los siguientes estratos de arenas a diferentes profundidades, las cuales poseen una compacidad relativa entre baja y media, así como grados de plasticidad bajos. Estas arenas se encuentran en su mayoría bajo el nivel del agua (ref 17), por lo que se analizó el potencial de licuación de estos estratos de arenas. 2.6 ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DEL AGUA SUBSUPERFICIAL SOBRE LA SUPERFICIE DEL TERRENO, ASOCIADOS AL EVENTO SÍSMICO. Resultados de los cálculos del potencial de licuación Considerando las características presentadas por los ensayos de campo y laboratorio, se procedió a calcular el potencial de licuación de estas arenas a partir de una aceleración de 0.30 g., la cual fue la aceleración mínima registrada en la zona de Pereira hasta un valor de 0.6g., la cual fue la aceleración máxima registrada en Armenia, siendo esta última la mas correlacionable con la zona en estudio,

debido a la cercanía entre estos dos Municipios; sin embargo, se calculó el potencial de licuación para varias aceleraciones, las cuales variaron entre la mas baja de 0.3g. y la máxima de 0.6g. Para el caso de una aceleración de 0.30g., se presentó licuación únicamente en el sondeo 2, el cual se encuentra ubicado en el sector cercano al Parque Bolívar (figura 3), en este sitio también se encuentran ubicados los sondeos 1 y 5 (CPT), los cuales son correlacionables con esta perforación, ya que todos presentan estratos blandos iniciando las perforaciones hasta una profundidad de 3.30 m., con presencia del nivel freático en todos los sondeos. En esta zona, se presentan daños en edificaciones principalmente mampostería no reforzada, 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. se obtuvo licuación en los sondeos 6, 9 y 10, los cuales se ubican en el sector de la Plaza de Mercado y Bomberos (figura 2), en esta zona y especialmente en el sector de bomberos o zona del sondeo 8, se observó la presencia de agrietamientos considerables en las estructuras, asentamiento en el terreno y el colapso total de edificaciones. El Sondeo 13, esta ubicado en el sector del Colegio Simón Bolívar (figura 3), donde ocurrieron

demoliciones totales, con asentamientos en el terreno y viviendas cercanas con grietas estructurales. Y por último, bajo la condición de una aceleración de 0.6 g. la cual fue la máxima en la zona, se obtuvo licuación en la zona del sondeo 7, ubicado en el sector de Bomberos (figura3), en donde se observan viviendas con grietas estructurales y de mampostería no reforzada, con demoliciones totales y parciales. En general los factores de seguridad calculados para el potencial de licuación estuvieron en un intervalo entre 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 los estratos de arena saturada que poseían eran más densos (SPT entre 10 y 30). Es importante mencionar, que el estudio se inicio cuatro meses después de presentado el evento sísmico, sin posibilidad de observar el fenómeno de volcanes de arena; sin embargo, sí se apreciaron fenómenos de hundimientos de pisos y algunos agrietamientos locales también en pisos, los cuales son también evidencia del fenómeno de licuación 2.7 DETERMINACIÓN DE LA PRESIÓN DE POROS INDUCIDA POR ONDAS SÍSMICAS Durante una acción sísmica, se da lugar a un cambio volumétrico rápido, en este caso se generan también presiones de poros, las cuales a su vez producen variaciones en los esfuerzos efectivos del suelo que resultan en deformaciones del mismo. Leonardo Zeevaert, en su libro ¨Sismo – Geodinámica de la Superficie del Suelo y Cimentaciones de Edificios en la Ciudad de México¨ (Ref 17), establece como cada tipo de onda registrada en un sismo, se asocia a un incremento en la presión de poros así: Para una ONDA PLANA DE SUPERFICIE , en condiciones isotrópicas, se tiene que la presión de poros inducida por una onda sísmica de este tipo esta dada por la expresión.

( )Λω ρ=+ −

���

���

−KK K v

C V eS

a SS S

rs

3 22

1���

Considerando el agua incompresible, se obtiene que Ka = 0, (compresibilidad volumétrica unitaria de la mezcla aire –agua)

Λω ρ=−

−

1 vC V eS S

rz( )

Donde ∆w Incremento sísmico de la presión de agua de poro. ρ Masa unitaria del suelo ν Relación de Poisson Cs Velocidad de la Onda Cortante de cuerpo r Coeficiente de atenuación de la onda s Resistencia unitaria a la cortante. Para una ONDA PLANA DE CUERPO IRROTACIONAL, en condiciones isotrópicas y considerando el agua incompresible, se tiene que el incremento de presión aplicada es igual a la presión sísmica del agua.

Λω ρ π= ( ) sen( / )C V z Hd d 2 Donde Cd Velocidad de la Onda de cuerpo Irrotacional Z Espesor del estrato Para una ONDA PLANA DE CUERPO DE CORTANTE en condiciones isotópicas, se tiene que Λω = 0 . Para el análisis de los desplazamientos verticales totales, Zeevaert, propone el cálculo de las presiones in situ, utilizando para ello, los módulos de deformación unitaria tanto a compresión como de respuesta, los cuales son datos obtenidos para el suelo analizado con base en el ensayo de la Cámara Holandesa. No obstante, a manera de ejercicio y con el fín de obtener una idea de la manera como el incremento de la presión de poros afecta el suelo, se efectuó el cálculo de las presiones de poros inducidas por cada una de las ondas durante el sismo estudiado. Por

otro lado como no se conocen los datos del módulo de deformación unitaria del suelo, se consideró la acción de este incremento en la presión de poros desde el punto de vista de variaciones del asentamiento o levantamiento que experimenta el suelo. Es importante aclarar que se consideró el incremento de la presión durante la onda de compresión, ya que con la onda de tracción la presión de poros se reduce. Se determinó importante verificar la variación de la presión de poros en zona de sondeo 6, durante un fenómeno sísmico; para esto, se consideró unas condiciones isotrópicas del suelo, situación que no es del todo real; sin embargo, se utilizó con el fín de obtener una idea respecto a éstas. Como resultado de esta verificación, se observó como el incremento de la presión de poros resulta bastante mayor que el esfuerzo total, para una profundidad dada del suelo. Esta variación de los esfuerzos efectivos, antes y durante el sismo, se traducen en una deformación del suelo establecida como un levantamiento, esto permite establecer como el suelo existente mas que sufrir un asentamiento experimenta un levantamiento brusco, los que generan la avería y/o el colapso de cualquier estructura que se localice en la superficie. Para el caso analizado, el levantamiento registrado fue de 23 cm aproximadamente, el cual resulta bastante elevado. Lo anterior, permite establecer como el suelo experimenta un cambio volumétrico considerable, que se traduce en el levantamiento de la superficie del terreno. 3. CONCLUSIONES Con este estudio se determinó, por medio de los sondeos una estratigrafía por sectores; debido a lo amplio de la cabecera municipal. La hipótesis utilizada para la ubicación de los sondeos, con la cual se pretendía encontrar la

presencia de agua y que se basa en la dirección aproximada de los flujos de agua, de acuerdo a las condiciones morfológicas, el nivel de daños de las viviendas y estructuras por sectores, realmente fue la más adecuada; teniendo en cuenta que de los 20 sondeos ejecutados, se detectó la presencia de agua en 13 de ellos a profundidades variables, entre 1.60 m hasta 8..50 m. Producto del trabajo de campo y de los análisis de laboratorio, se observaron una serie de estratos de arena, cuya compacidad relativa varía de un sondeo a otro con la profundidad; siendo de particular interés las arenas definidas como sueltas y saturadas. La presencia conjunta de estas arenas sueltas con un nivel freático, permiten establecer para esta zona la hipótesis de un fenómeno de licuación, el cual fue uno de los agentes que ayudó a que el Municipio de Circasia fuera notablemente afectado por el sismo del 25 de enero de 1999. De acuerdo con los resultados obtenidos en el cálculo del potencial de licuación para los estratos definidos como importantes, se evidencian tres zonas 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 licuación verdaderamente afectó el casco urbano del municipio de Circasia. La disipación de la presión de poros en este evento estuvo relacionado con los diferentes drenajes que posee la zona, los cuales incisan el terreno, llegando a cortar los estratos de arenas potencialmente licuables, generando de esta manera zonas de drenaje rápido para estos estratos. En cuanto a los efectos que generan las ondas sísmicas sobre la presión de poros, se tiene su incremento, el cual se traduce en una variación súbita de los esfuerzos efectivos y en una importante variación volumétrica.

La deformación del suelo relacionada con esta variación en los esfuerzos efectivos, corresponde a un levantamiento, el cual es del orden, en este caso de 23 cm; no obstante, se considera muy importante la determinación de cada uno de los parámetros del módulo de deformación, con el fín de obtener un valor exacto de las deformaciones verticales ¨in situ¨. Es importante aclarar que el valor obtenido, permite obtener una idea de las deformaciones que experimenta el suelo durante un sismo, ya que para la determinación exacta del fenómeno, se requeriría de numerosas pruebas dinámicas a los suelos de la zona.

4. RECOMENDACIONES Considerando estas condiciones, se procedió a la recomendación de drenes verticales, con el fin de disipar las presiones de poros generadas durante un sismo, para la cual se estudiaron diferentes alternativas para su construcción, estableciendo como solución más adecuada, la encontrada por Marco Polo en la Plaza Tiang Meng (Ref 19) en la cual se tenia la utilización del Bambú o para nuestro caso Guadua; ya que, se trata de un material propio de la región, evitando así el uso de PVC u otro tipo de material mas costoso, con cual se proporciona una solución económica y viable para el casco urbano del Municipio.

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