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Determinación del Espectro de Diseño de Respuesta de Aceleraciones Absolutas y Desplazamientos Relativos -Avenida Boyacá con Avenida José Celestino Mutis - Etapa de FactibilidadVersión 1 - Mayo 09 de 2007 pág. 1-1

1. GENERALIDADES

1.1 DESCRIPCiÓN GENERAL DEL PROYECTO

Código de Obra N° 115: El proyecto contempla el diseño de la intersección adesnivel en la Avenida José Celestino Mutis por Avenida Boyacá, incluyendorampas y vías de acceso, para resolver el conflicto vehicular que sepresentará en este sitio con la construcción del tramo faltante de la AvenidaJosé Celestino Mutis (AC 63) entre la Avenida de la Constitución (AK 70) Y laAvenida Boyacá (AK 72).

1.2 OBJETIVOS

• Realizar un estudio y análisis de la información de amenaza sísmicaexistente para definir los eventos máximos posibles y los eventos dediseño a considerar para evaluar la amenaza sísmica en el sitio.

• Realizar la caracterización de las propiedades geotécnicas requeridaspara el estudio de respuesta dinámica del sitio, con base en los datosde exploración del subsuelo y ensayos de caracterizaciónsuministrados por la firma Restrepo y Uribe Ltda., los datos deensayos triaxiales cíclicos suministrados por la Universidad Javeriana,y los datos del ensayo Down Hole realizado por la firma Ulloa DiezLtda.

• Realizar los análisis de respuesta dinámica teniendo en cuenta losperfiles de suelos para cada uno de los acelerogramas obtenidos alnivel de la base del depósito.

• Proveer los espectros de respuesta de di~eño considerados a nivel dela superficie del terreno como insumo para los análisis y diseñosestructurales.


• Dar conclusiones y recomendaciones aplicables para el estudio derespuesta dinámica estructural.

1.3 METODOLOGIA

Para lograr los objetivos propuestos, se desarrolló la siguiente metodologíapara definir los movimientos del terreno:

1.3.1 Recopilación y Análisis de la Información

Evaluación de los estudios de amenaza sísmica y respuesta local relevantespara el sitio del proyecto.

Se consideró la siguiente información pertinente:

• Asesoría geotécnica y sismológica para la evaluación de la amenazasísmica del proyecto Parque Central Salitre Etapa IV. (Rodríguez J. A,Enero de 2005).

• Asesoría geotécnica y sismológica para la evaluación de la amenazasísmica del proyecto Salitre Tecnurbana, Carrera 52 con Diagonal22A (Rodríguez J. A., Febrero de 2005).

• Asesoría geotécnica y sismológica para la evaluación de la amenazasísmica del proyecto CAICU (Calle 43A con Carrera 68A Bis).(Rodríguez J. A, Mayo de 2006).

• Asesoría geotécnica y sismológica para la evaluación de la amenazasísmica del Centro Comercial ABC Salitre (Diagonal 22 B No. 63 - 30).(JEoprobe Ltda., Septiembre de 2006).

• Asesoría geotécnica y sismológica para la evaluación de la amenazasísmica de la Troncal de Transmilenio Calle 26 con Avenida Boyacá.(JEoprobe Ltda., Septiembre, 2006).

• Asesoría geotécnica y sismológica para la evaluación de la amenazasísmica del Proyecto Mokawa, Calle 26 entre Carreras 69B y 69C(Rodríguez, J. A, Octubre, 2006).

En el capítulo 5 se presentan las referencias completas del estudio.


1.3.2 Exploración del subsuelo

El estudio de suelos para el proyecto fue realizado por Restrepo y UribeLtda., en febrero de 2007. Para la exploración del subsuelo se realizó unsondeo hasta 50 m de profundidad. La información de este sondeo fuecomplementada con el ensayo de penetración estándar SPT.

Se obtuvieron gran cantidad de muestras inalteradas con tubo Shelby sobrelas cuales la firma Laboratorio Ensayos Suelos realizó ensayos decompresión inconfinada, y muestras alteradas tomadas con la cucharapartida del equipo SPT sobre las cuales se realizaron ensayos declasificación, humedad y peso unitario.

Como parte del trabajo de Restrepo y Uribe se contrató con la firma deAlejandro Ulloa el ensayo Down Hale en el sondeo realizado que llega a 50m de profundidad, con el propósito de determinar los perfiles de velocidadesde ondas de corte correspondientes al sitio del proyecto. Adicionalmente eneste sondeo, se tomaron muestras inalteradas con tubo Shelby sobre las quese realizaron ensayos de laboratorio para determinar las propiedadesdinámicas, de resistencia y deformabilidad de los materiales para el estudiode respuesta dinámica.

1.3.3 Definición de la Amenaza

Se definieron los parámetros básicos de sismos de diseño en roca para lasfuentes sismogénicas principales que puedan llegar a amenazar a la ciudada saber: sistema de fallas frontal de la cordillera oriental, sismos de campocercano y sismos lejanos provenientes de la zona de subducción, Benioff ode los sistemas de fallas del occidente del país, teniendo en cuenta 14 de los37 sismos aprobados por la DPAE para ser utilizados como alternativos a lossismos empleados en la Microzonificación Sísmica de Bogota según elDecreto 193 de 2006, adicionalmente se tuvo en cuenta el sismo de Méxicoutilizado en el estudio de Microzonificación Sísmica de Bogotá.

1.3.4 Análisis de Respuesta

Inicialmente se hizo una caracterización geotécnica con base en resultadosde la exploración y ensayos de campo y laboratorio existentes y resultadosde otros estudios en Bogotá para definir parámetros de análisis y diseño


incluyendo valores más probables y rangos de variación del perfil completode suelos en el sitio.

Con base en el ensayo geofísico, caracterización geotécnica del suelo en elsitio y datos de otros estudios realizados en la ciudad, se hizo unacaracterización de las propiedades dinámicas del subsuelo del sitio delproyecto.

Para el análisis de respuesta sísmica del terreno se hicieron análisis depropagación unidimensional de ondas de corte SH con el programa EERA,Equivalent-linear Earthquake site Response Analysis (J. P. Bardet, 2000).

1.3.5 Elaboración del Documento Final

Como resultado final de las labores descritas anteriormente, se elaboró eldocumento final que se presenta en este informe.

1.4 PRESENTACiÓN DEL INFORME

La estructura de este documento es la siguiente:

Introducción

Capítulo 1: Generalidades.

Capítulo 2: Amenaza sísmica.

Capítulo 3: Análisis de respuesta.

Capítulo 4: Conclusiones y recomendaciones.


2. AMENAZA SISMICA

En éste capítulo se definen los sismos que se utilizaron como base para losanálisis de respuesta dinámica para el sitio ubicado en la Avenida Boyacácon Avenida José Celestino Mutis, en la ciudad de Bogotá D.C.

2.1 ANTECEDENTES

La determinación de la amenaza sísmica para un sitio define los niveles demovimiento probable para un período de retorno determinado. Ladeterminación del nivel de amenaza para el territorio colombiano según lanorma vigente, Ley 400 de 1997, se basa en el Estudio General de AmenazaSísmica de Colombia (Ingeominas, 1996). Los resultados de estos estudiosde amenaza probabilísticos muestran que el nivel de aceleración máximo enBogotá para un período de retorno de 475 años adoptado en la Ley 400 de1998 es de 0.19 g, sin tener en cuenta respuestas locales.

Para la determinación de la amenaza sísmica de Bogotá, se cuenta ademáscon 10sresultados del estudio de Microzonificación Sísmica de Santa Fe deBogotá (Ingeominas - Uniandes, 1997). En este estudio se han establecidode manera clara tres fuentes sismogénicas principales que son responsablesde la amenaza para la ciudad de Bogotá: zona de Subducción, sistema defallas Frontal de la Cordillera Oriental y fallas locales en el área cercana a laciudad (Ver Tabla N° 2.1).

En el Estudio de Microzonificación Sísmica de Bogotá se establecieron tressismos para los análisis de respuesta que fueron la base de los resultadoscon los que se hizo la microzonificación. En dicho estudio no se hace unadiscusión de los períodos de retorno a los que corresponden los sismos,pero asociándolos con el resto de información disponible se deduce quecorresponden a sismos que pueden representar los eventos máximosposibles en las fuentes con respecto a la ciudad. Cada uno de estos sismosse seleccionó buscando que fuera represen.tativo de las tres fuentessismogénicas establecidas. Sin embargo como resultado de investigacionesrecientes llevadas a cabo por Ingeominas se han determinado 37 sismosrepresentativos de la amenaza sísmica de Bogotá, los cuales han sido

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aprobados por la DPAE y según el decreto 193 de Junio de 2006 se permitela utilización de estos sismos como alternativos a los tres sismos utilizadosen el estudio de microzonificación sísmica.

Se utilizaron para los análisis de respuesta dinámica de este estudio 14 delos 37 sismos alternativos aprobados por la DPAE. Adicionalmente se utilizoel sismo de México empleado en la Microzonificación Sísmica de Bogota.Debido al número de sismos empleado, se tiene una gama suficientementerepresentativa de los sismos que se pueden esperar para los análisis derespuesta del sitio. A continuación se discuten las fuentes consideradas.

2.2 DEFINICiÓN DE FUENTES SISMOGÉNICAS

Se han definido tres fuentes probables de ocurrencia de sismos que puedenllegar a afectar directamente la estructura estudiada. Estas son:

2.2.1 Sismo Lejano de Subducción

Estos corresponden a los eventos producidos en la zona de subducción,Benioff o en los sistemas importantes de fallas activas del sur y occidentecolombianos.

Los sismos que ocurren en la zona de subducción tienen profundidades.. focales del o.rden de 60 km y una distancia epicentral mínima con respecto a

Bogotá de alrededor de 400 a 450 km. (Microzonificación Sísmica de SantaFe de Bogotá, 1997). Por su gran distancia y teniendo en cuenta los sismosque se han producido en esta zona, se consideran relevantes aquelloseventos con magnitud de 8.0. Por ser tan grande la distancia entre estafuente sismogénica y el área de estudio, de acuerdo con la experienciamundial recogida en las ecuaciones de atenuación disponibles para este tipode fuentes (Krinitski, 1988) se prevén aceleraciones máximas inferiores a0.05 g. Sin embargo, este tipo de eventos pueden tener una duración larga ycontenido de energía significativo en el rango de bajas frecuencias.

Tabla N° 2.1 FUENTES SISMOGÉNICAS (Ingeominas-Uniandes, 1997)

CLASIFICACiÓNDISTANCIA MAGNITUD Amax

FUENTE(km) M (gales) (g)

Lejana Subducción 400 8.0 37.30 0.038f--- _ .. --

Regional Frontal de la Cordillera 60 7.0-7.5 196.20 0.200Oriental

Cercana Local en el área de la ciudad 15-20 6.0 245.25 0.250

~ ~n:\muto de Oesa~rfJHo UrbanuÍ'I \.a.: -~fn!¡O de O')cumer.!aciuo- "~_.


2.2.2 Sismo Regional

Estos sismos corresponden a los posibles eventos originados en la fallaFrontal de la cordillera oriental o en los sistemas de fallas transversalesasociadas a ésta.

los sismos que ocurren en esta zona tienen una distancia epicentral mínimacon respecto a Bogotá de alrededor de 60 km. Además se consideranrelevantes aquellos eventos con magnitudes entre 7.0 y 7.5, quecorresponden al rango de magnitud máxima probable para estas fallas. Estetipo de sismos puede dar lugar a niveles máximos de aceleración del ordende 0.1 a 0.2 g en Bogotá a nivel de roca.

2.2.3 Sismos Cercanos

Estos corresponden a los eventos originados en la proximidad de la ciudad.las dimensiones de las fallas locales implican que difícilmente la magnitudde un sismo originado por estas fuentes superaría una magnitud de 6.0.Además su profundidad sería superficial, en el orden de O a 20 Km.

Por ser estos eventos de relativa baja magnitud y superficiales, la atenuacióndel movimiento es rápida. Sin embargo, localmente cerca a la fuente puedendar lugar a niveles de aceleración superiores a 0.2 g.

2.3 SELECCiÓN DE SISMOS PARA ANÁLISIS

De acuerdo con las fuentes sismogénicas, y con base en los 37 sismosaprobados por la DPAE como alternativos, según el Decreto 193, a los 3sismos empleados en el estudio de microzonificación sísmica de Bogotá, seha seleccionado un grupo de catorce (14) eventos sísmicos con susrespectivos acelerogramas que son relevantes para representar la amenazasísmica del sitio estudiado.

Estos sismos corresponden a registros reales de eventos similares a los quese han identificado como los eventos máximos posibles en las fuentes.Adicionalmente se ha seleccionado el sismo de México empleado en laMicrozonificación Sísmica de Bogotá, para completar un total de quince (15)sismos empleados para este estudio.

En la Tabla 2.2 se pueden ver las características de cada uno de los eventosconsiderados, con su respectiva aceleración máxima y la clasificación de


acuerdo con la definición de fuentes planteada. En la Figura 2.1.a a 2.1.f seobservan los registros de aceleración de campo cercano, en la Figura 2.2a a2.2e se observan los registros de aceleración de campo intermedio, y en laFigura 2.3a a 2.3d se presentan los registros de aceleración de campolejano.

Tabla N° 2.2 - Sismos SeleccionadosFuente Nombre Sismo Datos at Ms Mw MI mb EstaciónCercana OROVILLE normalizado a 0.25g, original 0.1g 621 0,02 5,6 6 5,7 5,7 OROV. SSCercana COYOTE LAKE normalizado a 0.25g, original 0.12g 2703 0,02 5,7 5,8 5,8 5,3 GILROY-1Cercana MAMMOTH normalizado a 0.25g, original 0.1g 2261 0,02 5,7 4,9 LONGVALUCercana COALlNGA normalizado a 0.25g, original 0.13g 3011 0,02 5,8 4,4 6 6 SULPHUR.BHCercana UMBRIA normalizado a 0.25g, original 0.2g 2610 0,01 5,4 5,7 5,4 5,1 PIETRALUNGCercana LA URIBE normalizado a 0.25g, original 0.09g 4086 0,01 SANTA

Intermedia LOMA PRIETA normalizado a 0.2g, original 0.07g 2000 0,02 7,1 6,9 7,1 6,2 YERBABUENAIntermedia 4091 0,01 MT.BALDYIntermedia NORTHRIDGE normalizado a 0.2g 4091 0,01 6,8 6,7 6,6 DEERCANYONIntermedia 3851 0,02 NEWPORTIntermedia KOBE normalizado a O.2g,original 0.08g 4001 0,02 6,8 6,9 6,9 6 OKAYAMA

Lejana 4096 0,02 CU01Lejana

MEXICO normalizado a 0.038g 3010 0,02 8,1 6,7 6,4 CUIPLejana 3010 0,02 CUMVLejana 3800 0,03 8 MICRO

Para obtener el espectro de respuesta de un sistema amortiguado de ungrado de libertad ante la excitación de cada uno de los sismos de análisis seutilizo el. programa EERA: Este programa considera la respuesta de unsistema de un grado de libertad ante una excitación de tipo armónico enprimer lugar. Considerando el equilibrio dinámico de este sistema ante estetipo de excitación y al expresar la ecuación de equilibrio en el dominio de lafrecuencia se obtiene la solución para el desplazamiento, el cual contieneuna parte debida a la respuesta forzada y otra a la respuesta establecida,considerando el desplazamiento estático, se obtiene el factor de respuestade deformación Rd mostrado a continuación (Anil K. Chopra. Dynamics ofStructures: theory and application to Earthquake Engineering, pago76):

Donde:

uO=amplitud de desplazamiento de la señal armónica

DeterminacióndelEspectrodeDiseñodeRespuestadeAceleracionesAbsolutasy DesplazamientosRelativos-AvenidaBoyacáconAvenidaJoséCelestinoMutis-EtapadeFactibilidadVersión1 - Marzo09 de2007 pág.2-5

Ust=desplazamiento estático

oon=frecuencia de oscilación natural del sistema

j3=relación de amortiguamiento

Al expresar el desplazamiento establecido en función del ángulo de fase ~, eldesplazamiento estático UstY el factor de respuesta de deformación Rd seobtiene (Anil K. Chopra. Dynamics of Structures: theory and application toEarthquake Engineering, pago 76):

Al derivar dos veces esta expresión se obtiene la siguiente ecuación (Anil K.Chopra. Dynamics of Structures: theory and application to EarthquakeEngineering, pago 80):

"(t)u = -Rasen(OJI _ rjJ)

Po 1m

Donde el factor de respuesta de aceleración Ra se relaciona con Rd comosigue:

Para obtener el espectro de respuesta de un sistema amortiguado de ungrado de libertad ante un registro sísmico, se descompone la señal en susdiferentes armónicos expresándola como una serie de Fourier, y como seconoce la solución para una señal armónica, entonces se puede conocer lasolución para cada una de las señales armónicas que componen el registrosísmico. Entonces la respuesta de un sistema lineal ante una fuerzaperiódica puede ser determinada al combinar las respuestas de cada una delas señales armónicas que componen la serie de Fourier (Anil K. Chopra.Dynamics of Structures: theory and application to Earthquake Engineering,pago 114).

En la Figura 2.4a a 2.4c se observa el espectro de respuestacorrespondiente a una relación de amortiguamiento del 5% para los eventos


sísmicos seleccionados. Los espectros de respuesta mostrados secalcularon para una condición en la cual la roca base esta aflorando.

Los espectros de la Figura 2.4a muestran que los sismos realesconsiderados de fuente cercana tienen características similares. Esto es,aceleraciones espectrales máximas entre 0.8g y 1.4g para períodos entre 0.1y 0.5 segundos, con descenso a partir de 0.2 a 0.4 segundos.

Estas condiciones son características de los sismos fuertes, cercanos quepueden afectar la ciudad a nivel de roca en campo libre. Los espectros de laFigura 2.4b muestran igualmente que los sismos reales considerados defuente intermedia tienen características similares.

Esto es, aceleraciones espectrales máximas entre 0.6g y 0.85g paraperiodos entre 0.2 y 0.65 segundos, con descenso a partir de 0.3 a 0.6segundos. Por otra parte los sismos de fuente lejana seleccionados, como sepuede ver en la Figura 2.4c tienen características sustancialmentediferentes a las de los otros sismos seleccionados.


Figura 2.1a - ORO\llllE. modificado a 025g, fo.iN=6

0,3

0.2

:§ 0,1e-o

~.e -0,1

'"-0,2

-0.3

Mm~~~~~~~10 1p 1~

tiempo (seg)

Figura 2.1c M.AM.1()TH (1980/05/26), modificado a 025g. M=S]

·0.3 ------ -- --._-------~---

Figura 2.1 b COYOTE LAKE. modificado a 0.259, f'.hN=5.8

tiempo ("9)

0.3

: I 0.2

:§ 0.1e-o'ü~.O; -0.1;;,

Figura 2.1d COAltNGA- SULPHUR.BH, modificado a 0.25g,M.v=4.4

T-----------'-·----,·----·--,_: . ----+---_....: ..__ ~! i

! l!-UI+----r---.;.--.;-----'---~------L.--------', .

tiempo (seg)

Figura 2 1e· UPv'BRIA modificado a 0259, "'1.Y=5.7

0.3

0.2

:§ 0.1e-o'ü~.e -0.1

'"-0.2

-0.3

70

------- ----------i+IA~.-----,----I--- -.---o--~

10 15 20 25

·0.2 • ----

-03 L-.---- :__~: ~__tiempo ("9)

--- _.- ---;---

tiempo (seg)

Figura 2.11- LA URtBE, modificado a 025g

0,3

3p

0.2 ----~----

.0.3 .L... ~~ _

tiempo (seg)

Figuras 2.1 - Acelerogramas de los sismos utilizados de fuente cercana


Figura 22a -LOMA PRIETA(YERBABUENA). modificado a 02g,M.v=6.9

0,15 .,---,----,---,----,----_---_

0,1 -f----'----h

§ 0.05~ __ "wO-'l-~~.

25 30 3~ J¡I-t- I1i

-0,15+---1---+-+---.---;--+------0.2 t------1-'----~,----

-0,25 .1.-------'------------'---I~

tiempo (509)

Figura 2.2c - NORTHRIDGE (DEER C.ANYON). modificado a 0.29.M.v=6.7

02.-------~---------_.

0,15 t----------;...---- -----------10,1 +-----:-.-...".Hllt·.:¡-,---~ --------j

§ 0,05 +---;-~Ih-'-

°

tiempo (5Og)

-----====--- ---- ---

Figura 22b - NORTHRIDGE (MT. BAlDY), modificado a O.2g,M.v=67

0,250.2

0,15

§ 0,1c: 0,05<>Ü:!" -0,05"ii'-' -0,1<t

-0,15

-0.2-0,25

tiempo (se9)

Figura 2.2d - NORTHRIDGE (NEI'JPORD, modificado a O.2g,M.v=6.7

0,25

0.20,15

§ 0,1 , !c: 0.05

I<> !.¡¡:! -0,05 [•."ii'-' -0,1<t

-0,15

-0,2-0,25

tiempo (509)

Figura 2.2e - KOBE (OKAYMv'A), modificado a 0.29, M.v=6.9

0.25 ,-----------------.-~

0,2

0,15 +----.,.--1"1,-------------+--------------1§ 0,1c:~ 0,05

:!""ii"<t

-0,05

-0,15 .!- .c:_'-- __ .,--_--'-_--j __ -'-- _

-0,2 .L.._--'- -'--_-'-_-'---'-- ---'

tiempo (se9)

Figuras 2.2 - Acelerogramas de los sismos utilizados de fuenteintermedia.


Figura 2.3a - ~CO (Mero), M<8

tiempo (.og)

0,050,040,03

.§ 0,02

i " 0,01-ou:!

-0,01"a;-0,02u

<t-0,03

-0,04

-0,05

Figura 2.3c· ~XlCO CU01, M=8.1, modificado a 0.038g

tiempo (se9)

I

0,04

0,03

0.02§<o()

ü~ -0,01

~ -0.02~-0,03

-0,04

!, -0,05

Figura 23b - MEXlCO(CUM\/), Ms=8.1, modificado a 0038g

tiempo (seg)

Figura 2.3d - MEXlCO(CUIP), Ms=8.1, modificado a 0.038g

0.04 -

0,03

0.02.§0.01

"-o Ou:! -0.01

"a; -0.02u<t -0,03

-0.04

-0,05

---------.

---'---- ----~L-_~ _

tiempo (se9)i _

Figuras 2.3 - Acelerogramas de los sismos utilizados de fuente lejana.

\.


1,6 '--1

.~ --~--.---~-.--~--~---~

1,2 ------' ---+~\of___-+-----------'---.L-.-:.---~-,----+-----'--~-t-~---!.....-....-r--- jIi¡

~_+~~--fT~~~~---~~-r~---~~~~---~~~----T~

-el-; 0,8en

. ~--_. __ ._-.- .~.

-----~! -~ ..__ .~---.

oo 0,5 1,5

Periodo (seg)------------------------~

-- COYOTE LAKE -+- MAMMOTH (1980/05/26). - •.....OROVILLE

~LAURIBE'__ COALlNGA - SULPHURBH -o- UMBRIA

Figura 2.4a - Espectros de respuesta de los sismos seleccionados defuente cercana, calculados para una relación de amortiguamiento del

5%.

2


0,9~------~------------~--~~~--~-'-------------'--~~

0,3

o 0,5 1,5

Periodo (seg)

__ LOMA PRIETA (YERBABUENA) --o--- NORTHRIDGE (MT. BALDY)

--ó- NORTHRIDGE (NEWPORT) -- KOBE (OKAYAMA)

--o--- NORTHRIDGE (DEER CANYON)I

Figura 2.4b - Espectros de respuesta de los sismos seleccionados defuente intermedia, calculados para una relación de amortiguamiento del

5%.

2


0,12

-el~ 0,08 ~ ~lL!~~ __-+~_~~~~~ __)~~ \~~ -+ L- ~

(/J

0,04

oo 2

Periodo (seg)

3

-.- MexicoCU01 --- MexicoCUIP --+- MexicoCUMV -+- MexicoMICRO I

Figura 2.4c - Espectros de respuesta de los sismos seleccionados defuente lejana, calculados para una relación de amortiguamiento del 5%.

4

1. generalidades · para el análisis de respuesta sísmica del terreno se hicieron análisis de...

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