transmision de ondas sismicas

7/26/2019 Transmision de Ondas Sismicas

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS-MOQUEGUA CARRERA PROFESIONAL ING.

CIVIL.

TRANSMISIN DE ONDAS SSMICAS

PROCESOS DE ATENUACIN

Paralelamente, la amplitud de las ondas ssmicas se ve atenuada con la distanciarecorrida debido a la expansin geomtrica del frente de ondas, la absorcinanelstica del medio y el esparcimiento originado por sus heterogeneidades.

A distancias epicentrales superiores a 3! la atenuacin es ya prcticamenteindependiente de la longitud recorrida por"ue la mxima prdida de energa tiene lugaren la astenosfera. A su lado, la "ue se produce en el manto inferior es despreciablepor lo "ue la distancia via#ada en esa $ona no tiene importancia a efectos deatenuacin. %n cual"uier caso, la longitud y comple#idad del camino recorrido influyenen la duracin del movimiento "ue es uno de los factores decisivos para la valoracin

del impulso ssmico cuando se considera campo prximo.

&i el medio se supone elstico, homogneo e istropo, la energa radiada desde elfoco debe conservarse, por lo "ue al aumentar el frente de ondas las amplitudesregistradas son cada ve$ menores. Por tanto, la atenuacin por expansin geomtricadepende directamente de la distancia epicentral y la profundidad del foco. %stalongitud de camino recorrido condiciona la forma del frente de ondas. Para valorespe"ue'os ste es cilndrico, pero cuando el recorrido de la onda aumenta, el focopuede considerarse puntual y el frente de ondas esfrico o plano. (as amplitudes delas ondas internas variarn con el inverso de la distancia a la fuente. (a distanciaepicentral "ue se'ala el paso del modelo cilndrico al esfrico depende de laprofundidad del foco y de la estructura de la corte$a.

(a atenuacin por absorcin anelstica depende de las caractersticas fsicas delmedio y su influencia en la amplitud se expresa matemticamente por el factor)

e*+ -./0

%n el "ue + es el coeficiente de atenuacin y la distancia, + se define como

&iendo 1 la frecuencia, 2 la velocidad de propagacin del tren de ondas y el factorde calidad. %ste parmetro es una cantidad adimensional "ue vara con la frecuencia.i#amente expresa la relacin entre la energa total y la disipada en cada ciclo, en unvolumen de material sometido cclicamente a un esfuer$o)(a absorcin anelstica experimentada por las ondas puede ser utili$ada, por e#emplo,como un indicador de las posiciones de la litosfera -$ona de relativa ba#a absorcin ypor tanto elevado valor de 0 y de la astenosfera -alta absorcin y pe"ue'a0 en una determinada regin. Para una $ona de subduccin el valor de para las ondas P, p, toma valores prximos a / para la litosfera, entre 4 y 5 para la astenosfera yde / a 3 para la corte$a ocenica "ue se introduce ba#o la continental.Asimismo, la actividad volcnica se limita a la $ona &ur, a la "ue corresponde el reade ba#o valor de . (os volcanes se sit6an alrededor de /5 7m sobre el rea bu$antessmicamente activa.

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8uando el esparcimiento es muy grande comparado con la absorcin, 9como sucedeen la superficie lunar9, el registro se alarga y la coda se hace muy relevante. As, en elcaso extremo de los sismogramas lunares, la duracin de un lunamoto, 9 movimientossmico lunar9, originado artificialmente, se prolonga ms de una hora.

(a atenuacin de las ondas ssmicas puede evaluarse de diferentes formas seg6n labanda de frecuencias considerada. Para pe"ue'as frecuencias -aproximadamente,,/9 ,:5 ;$0, se utili$a la medida del decaimiento de ondas superficiales a lo largode una trayectoria "ue incluya una o varias estaciones de registro.(a medida para el rango de frecuencias comprendido entre ,:5 y 4 ;$, 9"ue es elms interesante en


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CIVIL.

(as leyes de atenuacin se obtienen mediante anlisis de regresin a partir de datosmacrossmicos o instrumentales existentes en la $ona de estudio. &on, por lo tanto,frmulas empricas sometidas a las limitaciones ya comentadas. Para el Per6 eshabitual utili$ar expresiones de la forma)

%stas frmulas fueron deducidas por 8asaverde y >argas -/?0 a partir deacelerogramas correspondientes a las componentes hori$ontales de /@ sismosperuanos, registrados en (ima y alrededores. representa la distancia y & lamagnitud de ondas superficiales.Actualmente se tiende a calcular la estimacin de atenuaciones de los parmetrosespectrales en funcin de la frecuencia. Be esta manera se puede predecir el espectro

en el rango de frecuencias adecuado al problema ingenieril "ue se desea tratar. %neste caso, la forma genrica del a#uste es)

&iendo C la amplitud del espectro de ourier o de respuesta, y la magnitud. (ossumandos terceros y cuarto de la parte derecha de la igualdad, -en los "ue contin6asiendo la distancia0. %n muchos casos se a'ade tambin un trmino "ue considera eltipo de suelo ba#o la estacin de registro. 8omo e#emplo de este mtodo, la igura .4representa las leyes de atenuacin deducidas para la aceleracin espectral y sueloblando y roca, para el rea de (os Angeles, obtenidas a partir de acelerogramas delterremoto de &. ernando de /?:/.

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LEYES DE ATENUACIN

(a fuente de mayor incertidumbre en los estudios de peligrosidad ssmica es la

determinacin de la ecuacin de atenuacin "ue se va a utili$ar. (a ecuacin o ley de

atenuacin es una expresin semiemprica "ue relaciona agnitud9Bistancia9


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INFLUENCIA DE LA DIRECTI%IDAD.

(a propagacin de la fractura sobre el plano de falla modifica el patrn de radiacin de

las ondas ssmicas. %ste fenmeno, "ue se conoce con el nombre de directividad o

focali$acin, condiciona la distribucin de la energa ssmica en el medio y por tanto

las caractersticas del movimiento del suelo en cada punto. &u efecto es originar

amplitud es mayores y frecuencias y duraciones ms cortas en el sentido de

propagacin de la ruptura, y movimientos del suelo ms pe"ue'os, de menor

frecuencia y con duracin ms larga en el sentido opuesto. (a igura .3 es"uemati$a

este fenmeno y su repercusin en los registros ssmicos. (os terremotos de %l 8entro

-/?E0 y del alley -/?:?0, ambos de magnitud @,5, ocurridos en 8alifornia en

la misma falla pero con sentido de ruptura Forte9&ur en el primer caso y &ur9Forte en

el segundo, pusieron de relieve la influencia de este fenmeno sobre las edificaciones.

(os efectos de los sismos de Cuatemala -/?:@0 y Antofagasta -/??50 tambin se

vieron fuertemente condicionados por el sentido de propagacin de la ruptura.

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INFLUENCIA DEL EMPLA&AMIENTO.

%l empla$amiento es el 6ltimo factor "ue condiciona las caractersticas del movimiento

del suelo en un lugar concreto. &i adems este movimiento es captado con un e"uipo

ssmico, el resultado obtenido -sismograma o acelerograma0 refle#ara necesariamente

las modificaciones introducidas por el sistema de deteccin y registro. %llo constituye

un nuevo problema "ue ser abordado en el tema siguiente para el caso de los

acelerogramas.

%l efecto del empla$amiento es bsicamente los resultados de tres factores. %l tipo de

indas incidentes, la topografa de la $ona y la condicin local, "ue comprende la

geologa del entorno inmediato y las caractersticas del suelo. %n muchas ocasiones,

el ingeniero centra su atencin casi exclusivamente en este 6ltimo problema, "ue es el

ob#etivo de los estudios geotcnicos locales y constituyen un dato bsico en los

traba#os de micro$onificacin ssmica. &in embargo en un anlisis completo de la

amena$a ssmica en un empla$amiento, los otros dos factores tienen tambin una

gran importancia.

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%l papel #ugado por el tipo de ondas ha sido estudiado considerando ondas P, &>, &;

y ayleigh y, sin ninguna duda, condiciona drsticamente el efecto de los otros dos

factores. Por e#emplo, una superficie plana libre duplica la amplitud de las ondas &;

polari$adas hori$ontalmente, cual"uiera "ue sea la direccin de incidencia. Por tanto,

no hay variaciones laterales para este tipo de ondas. &in embargo, para las ondas &>

el efecto es muy comple#o. Para incidencia en el ngulo crtico -Gc H arcsen IJK0 la

superficie plana amplifica extraordinariamente la componente hori$ontal del

despla$amiento en la superficie. %sta puede haber sido la causa del da'o

marcadamente locali$ado "ue origin el terremoto de Lhittier FarroMs de /?: -A7i,

/?0. &i se considera una monta'a -ridge0, Nard -/?40 hall "ue la amplificacin

terica del despla$amiento en la cresta es un /O superior a la correspondiente a la

superficie plana para las ondas P, un 3O para las ondas &> y un 3O para las &;.

(a influencia de la topografa ha sido estudiada terica y experimentalmente para

casos muy diferentes) superficie plana libre, depresiones con sedimentos, monta'as, y

ca'ones de secciones variadas -Celi et al., /?0. 8omo resultado de los traba#os

tericos se ha deducido la existencia de amplificaciones en la cumbre de una

monta'a, especialmente cuando la longitud de onda incidente es comparable a la

anchura de su base. %ste efecto puede verse multiplicado por un factor de /,5 cuando

la monta'a no est aislada sino "ue forma parte de una cadena de perfil sinusoidal

-Nard, /?4D Nard y uc7er, /?50. &in embargo, existen notables discrepancias entre

estos resultados, 9obtenidos con modelos de dos dimensiones9, y las observaciones

"ue muestran amplificaciones hasta tres veces mayores -uc7er y Qing, /?E0. (a

discrepancia puede deberse al efecto combinado de la repeticin de topografas ya

se'alada, con variaciones en la distribucin vertical de las velocidades.

ecientemente, Nenites y A7i -/??E0, utili$ando un mtodo basado en rayos

Caussianos e integrales de contorno, han demostrado "ue para una monta'a de forma

cosenoidal y gradiente vertical para I, la amplificacin en la cumbre es hasta tres

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veces superior a la prevista por los modelos 49B. Be esta manera, los resultados

tericos refle#an me#or las observaciones reales.

%n las laderas de las monta'as tambin se originan amplificaciones, pero son de

menor intensidad y generalmente van acompa'adas de variaciones rpidas de fase

"ue producen grandes movimientos diferenciales. Por su parte, el movimiento en la

$ona de la base experimenta modificaciones muy variadas seg6n el tipo de ondas

incidentes y su longitud. Para las depresiones topogrficas la amplificacin depende

fuertemente del ngulo de incidencia, siendo mxima en los bordes y negativa en el

centro. (a influencia de la forma es menor. Nenites y A7i -/??E0 han demostrado "ue si

se considera una depresin semicilndrica en un semi9espacio homogneo con I

aumentando con la profundidad, la amplificacin en los bordes crece. %n el caso de los

valles cubiertos de sedimentos, como los de xico B.. y Nogot, el movimiento se

ve marcadamente amplificado y prolongado en el interior. %l efecto aumenta cuando la

relacin entre el espesor de los sedimentos y la anchura del valle disminuye -Nard y

Nouchon, /?0. %stos modelos de dos dimensiones ocupan una posicin intermedia

entre los de una dimensin, "ue no consideran variaciones laterales y se limitan al

empla$amiento local -&eed et al., /?:0, y los de tres dimensiones, "ue consideran

simultneamente la estratigrafa, las variaciones geolgicas laterales y las

caractersticas de la fuente -Rhengpeng et al., /?D &nche$9&esma, /?3D (i et al.,

/??40. %stos modelos han puesto de relieve la fuerte influencia del acimut y el ngulo

de incidencia en la respuesta de la topografa. %llo plantea nuevamente la importancia

de los efectos de propagacin de la ruptura ya comentados.

Por 6ltimo, conviene recalcar "ue la mayora de los efectos de la topografa afectan

ms a las componentes hori$ontales "ue a las verticales, lo "ue debe ser tenido en

cuenta en el dise'o sismo rresistente. Besde el punto de vista de sus caractersticas

locales, los suelos se clasifican habitualmente en) roca, suelos intermedios y suelos

blandos -rifunac y Nrady, /?:50. (os estudios reali$ados con acelerogramas en los

%stados =nidos y Sapn indican "ue los suelos blandos tienen amplificaciones

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mayores "ue la roca para los perodos largos pero "ue la relacin tiende a invertirse

para los cortos perodos.

%l perodo para el "ue tiene lugar el cambio se llama periodo de cruce y en los pases

mencionados se sit6a en torno a ,4 s -rifunac, /?:@D &eed et al., /?:@0. (as

amplificaciones "ue tienen lugar por encima de este periodo son mayores "ue las "ue

ocurren para los periodos inferiores. (as aceleraciones pico son independientes de las

condiciones locales del empla$amiento pero la velocidad y el despla$amiento mximos

y la er por e#emplo, Aguilar, /??D ;uamn, /??/0, pretende

identificarlas caractersticas dinmicas de un terreno midiendo el periodo

predominante de las pe"ue'as trepidaciones a las "ue se ve sometido. %ste periodo

guarda relacin directa con las condiciones del empla$amiento, siendo ms corto "ue

,4 s cuando se consideran suelos terciarios o ms vie#os, y mayor "ue ,@ s para

suelos aluviales blandos. Por ello es fcilmente aceptable "ue se relacione tambin

con los da'os "ue puede sufrir la estructura situada en el empla$amiento. (a

aplicacin de esta tcnica encuentra dos inconvenientes de tipo terico. %l primero es

la imposibilidad de separaren los registros los efectos de la trayectoria seguida por las

ondas de los del empla$amiento. %l segundo es la dificultad de extrapolar a

movimientos fuertes las relaciones obtenidas con movimientos dbiles. especto del

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primero conviene tener presente "ue no existe cuando se aplica el anlisis de codas

ya "ue, por su propia naturale$a, estas ondas refle#an las propiedades estadsticas del

medio y no las de una trayectoria concreta. &in embargo,

(imitado a las altas frecuencias mientras "ue el anlisis de micro tremores puede

extenderse a largos perodos de origen natural. Parece, por tanto, "ue el empleo

combinado de ambas tcnicas puede ser particularmente provechoso. %n cuanto al

problema de la no linealidad del suelo, -"ue se manifiesta extremadamente en el caso

de la licuefaccin e impedira aplicar a movimientos fuertes las relaciones de

amplificacin obtenidas con dbiles0, hay "ue se'alar la existencia de estudios

sismolgicos "ue indican "ue esta aplicacin es muchas veces posible para los

efectos de primer orden excepto, "ui$s, para la aceleracin mxima -A7i, /?0. &in

embargo, traba#os ms recientes refuer$an la no linealidad del comportamiento de los

suelos. %n cual"uier caso, este tema contin6a siendo ob#eto de intenso debate. (a

variacin de la respuesta del suelo con la frecuencia puede producir el efecto de

resonancia, "ue se genera cuando el perodo predominante del movimiento coincide

con el periodo propio del suelo. ambin puede originar procesos de atenuacin de

la amplitud cuando la relacin entre estos periodos da lugar a interferencias

destructivas. 8omo es bien sabido, para el supuesto ms sencillo -incidencia vertical

de ondas & movindose en un medio elstico de constantes, "ue inciden sobre una

capa de espesor Hi rigide$ =i el periodo natural del suelo dado por.

Ttro factor decisivo para la respuesta del suelo es la ra$n de impedancias -producto

de la velocidad por la densidad0 entre las capas ms superficiales. (as

amplificaciones son mayor es cuando esta ra$n aumenta. (a respuesta ssmica del

empla$amiento tambin depende estrechamente de la frecuencia de las ondas y de

las condiciones geolgicas del entorno. %ste fenmeno ya fue puesto de

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elieve por A7i -/?@?0 mediante el estudio de la coda de terremotos locales. Be

acuerdo con sus resultados, la amplificacin a /,5 ;$ es mucho mayor para

sedimentos #venes "ue para granito y sedimentos vie#os. s tarde, su#iura -/?:0

compar el efecto local para ondas P, & y codas, y encontr una mayor estabilidad del

factor de amplificacin para stas 6ltimas. Be esta manera se confirm su utilidad para

el anlisis de empla$amientos. Asimismo, comprob "ue el incremento del factor de

calidad %stimado a travs de la coda, dependa de la frecuencia y del tipo desuelo del

empla$amiento. (a diferencia de amplitud en la coda entre las estaciones situadas en

sedimentos y las colocadas sobre granito variaba de 4 veces a ,:5 ;$, a menos de

/J/ a 4E ;$. %stas observaciones, "ue manifestaban la utilidad del anlisis de ondas

de coda para estudiar los efectos del empla$amiento, fueron definitivamente

confirmadas por Phillips y A7i -/?@0 con el anlisis de la coda de /4 sismogramas

registrados en /5 estaciones ssmicas de 8alifornia 8entral. Bichos autores

encontraron distinta variacin de la amplitud de las codas con la frecuencia en cuatro

tipos bien diferenciados de suelo. ayeda etal. -/??/0, &u et al. -/??40 y &u y

A7i-/??50 han ampliado y extendido esta clase de anlisis a otras $onas de 8alifornia.

Por su parte, Qao etal. -/??50 han comprobado "ue la respuesta de un

empla$amiento para las ondas & puede ser evaluada tambin utili$ando ondas de

coda.

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