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Manual de Mecnica de Suelos.

Instrumentacin y Monitoreo Ssmico

del Comportamiento de Obras Hidrulicas


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I

Manual de Mecnica de Suelos. Instrumentacin y Monitoreo Ssmico


Contenido

Prlogo V

Captulo 1. Introduccin 1.1

1.1 Ingeniera ssmica 1.6

1.2 Ingeniera ssmica geotcnica 1.7

1.2.1 Asentamientos inducidos por sismos 1.7

1.2.2 Licuacin de arenas 1.7

1.2.3 Estabilidad de taludes 1.8

1.2.4 Estabilidad de estructuras de retencin durante sismos 1.8

1.2.5 Capacidad de carga de cimentaciones sometidas a sismos intensos 1.8

1.2.6 Amplificacin y resonancia por sismos 1.8

1.3 Dinmica de suelos 1.91.4 La observacin ssmica de obras hidrulicas 1.9

1.5 Propsito del manual 1.9

Captulo 2. Conceptos bsicos 2.12.1 Vibraciones mecnicas 2.1

2.2 Respuesta de un sistema de un grado de libertad amortiguado 2.2

2.2.1 Vibracin libre de un SE1GLA 2.3

2.2.1.1 Decremento logartmico 2.3

2.2.2 Vibracin forzada de un SE1GLA 2.4

2.3 Fundamentos de propagacin de ondas 2.5

2.3.1 Ondas longitudinales 2.5

2.3.2 Ondas transversales 2.5

2.3.3 Ondas superficiales 2.6

2.3.4 Reflexin de ondas 2.6

2.3.5 Refraccin de ondas 2.6

2.3.6 Ondas en medios estratificados 2.6

2.3.6.1 Reflexin de una onda en una superficie 2.6

2.3.6.2 Reflexin y refraccin de una onda en una frontera entre dos medios 2.7

2.4 Definicin de trminos 2.7

2.4.1 Trminos generales 2.7

2.4.2 Trminos relacionados con ondas ssmicas 2.8

2.4.3 Trminos relacionados con sismicidad 2.9

2.4.4 Trminos relacionados con instrumentos ssmicos 2.10

2.4.5 Trminos relacionados con dinmica de suelos 2.10


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II



Captulo 3. Sismos: Gnesis, medicin y distribucin 3.13.1 La estructura interna de la Tierra 3.2

3.2 Tectnica de placas 3.3

3.2.1 Fronteras entre placas 3.3

3.3 Generacin de sismos 3.4

3.3.1 Sismogramas 3.5

3.3.2 Magnitud de un sismo 3.53.3.3 Intensidad de un sismo 3.6

3.3.3.1 Intensidad ssmica en ingeniera 3.8

3.3.4 Localizacin de epicentros 3.8

3.3.5 Atenuacin de ondas ssmicas 3.9

3.4 Sismicidad mundial 3.9

3.5 Sismicidad de Mxico 3.9

3.6 Riesgo ssmico 3.10

Captulo 4. Instrumentacin ssmica 4.14.1 Sismometra 4.1

4.2 Sistema pendular inercial 4.2

4.3 Caractersticas importantes de los acelergrafos 4.3

4.4 Acelergrafos modernos 4.4

4.5 Recomendaciones generales para la instalacin de estaciones acelerogrficas 4.5

4.5.1 Acelergrafo 4.5

4.5.2 Cimentacin 4.6

4.5.2.1 Construccin de la cimentacin 4.7

4.5.3 Caseta 4.7

4.5.3.1 Torre metlica y accesorios 4.7

4.6 Arreglo acelerogrfico para una obra hidrulica 4.7

4.7 Instrumentacin ssmica en Mxico 4.8

4.8 Base Mexicana de Datos de Sismos Fuertes 4.9

4.8.1 Expansin de la red 4.10

4.8.2 Redes acelerogrficas en ciudades 4.10

Captulo 5. Procesamiento de acelerogramas 5.15.1 Parmetros para la caracterizacin de acelerogramas 5.2

5.1.1 Prametros en el dominio del tiempo 5.2

5.1.1.1 Parmetro de amplitud 5.2

5.1.1.2 Parmetros de duracin 5.4

5.1.2 Parmetros en el dominio de la frecuencia 5.4

5.1.2.1 Serie de Fourier 5.5

5.1.2.2 Transformada de Fourier 5.5

5.1.2.3 Propiedades de la transformada de Fourier 5.6

5.1.2.4 Espectro de potencia 5.7

5.1.2.5 Espectro de respuesta 5.7

5.1.2.6 Formas espectrales normalizadas 5.9


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III



5.1.2.7 Parmetros espectrales

Captulo 6 Propiedades dinmicas de los suelos 6.16.1 Efecto de la velocidad de aplicacin de la carga 6.2

6.2 Efecto de la carga repetida 6.2

6.3 Ensayos de laboratorio 6.3

6.3.1 Ensayo con elementos bender 6.3

6.3.2 Ensayo con columna resonante 6.46.3.3 Ensayo triaxial cclico 6.5

6.3.4 Ensayo de corte simple cclico 6.6

6.3.5 Ensayo de torsin cclica 6.6

6.3.6 Ensayo en mesa vibradora 6.6

6.3.7 Centrifuga 6.7

6.4 Ensayos de campo 6.7

6.4.1 Ensayos de ondas de superficie 6.7

6.4.2 Ensayo de refraccin ssmica 6.8

6.4.3 Ensayos up-hole y down-hole 6.9

6.4.4 Ensayo Cross-hole 6.10

Referencias


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V



El objetivo del presente manual es proveer una herramien-ta bsica y didctica, de uso gil para los profesionalesque en su prctica enfrentan problemas relacionadoscon la instrumentacin y monitoreo ssmico de obras hi-drulicas.

Entre los fenmenos naturales que producen irreme-diables prdidas de vidas humanas y cuantiosos daos

materiales se encuentran los sismos. Las zonas ssmi-camente activas que se localizan en los bordes de lasplacas tectnicas de la litosfera, forman una extensa redque abarca a todo el planeta Tierra.

Mxico est sujeto a la ocurrencia de sismos severos,razn por la cual uno de los problemas de importancianacionales el relacionado con los sismos y sus efectossobre el comportamiento de las obras de ingeniera civil.Para la ingeniera civil los sismos representan un riesgoimportante que debe tomarse en cuenta en el diseo detoda obra. En muchos proyectos el riesgo de falla por

sismo suele dominar otras consideraciones de diseo.Los retos que enfrenta la ingeniera civil son cada vez

ms importantes, el diseo y construccin de grandes eimportantes obras hidrulicas. La meta de la ingenieracivil es que toda obra sea resistente a los sismos.

Un macrosismo es un fenmeno sobrecogedor, conenerga descomunal, inevitable, de efectos rpidos y queuna vez desencadenado, sus consecuencias son fatalese impredecibles. Un sismo es un ajuste peridico que elplaneta efecta durante su evolucin, es la vibracin dela Tierra producida por la liberacin de la energa acumu-lada a lo largo de una falla. Un macrosismo se cuenta en-

tre las fuerzas ms destructivas del planeta. No se puedeevitar que ocurran los sismos, tampoco se puede prede-cir con certeza su fecha de ocurrencia y localizacin. Loque si podemos hacer es aplicar el conocimiento adqui-rido para minimizar los daos y reducir el riesgo ssmico.

El inters de la ingeniera en los grandes sismos, radicaen la necesidad de disear y construir estructuras crticastales como presas, reactores nucleares, puentes y edifi-cios de gran altura para resistir los efectos de un sismo.El anlisis de la respuesta ssmica de tales estructuras sebasa en el registro y la interpretacin de la historia de

aceleraciones durante la ocurrencia de un sismo.Uno de los retos que se enfrentaron para realizar el

presente manual fue sintetizar la creciente informacindisponible sobre la instrumentacin ssmica y sus apli-caciones. Se consider conveniente incluir la palabra eningls de cada trmino (al citarse por primera vez en el

Prlogo


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VI



texto) para que el presente manual facilite al usuario lalectura y comprensin de la literatura especializada, ascomo de los manuales de instrucciones de los fabrican-tes de equipo.

El presente manual est estructurado en seis captulosy referencias bibliogrficas.

El captulo 1 est dedicado a destacar la importan-

cia de la observacin ssmica de las obras hidrulicas. Elcaptulo 2 concentra la definicin de los conceptos b-sicos y trminos, empleados en el manual con objeto defacilitar la consulta de los temas. El captulo 3 explica lagnesis, medicin y distribucin de los sismos tanto enel mbito mundial como en el nacional. El captulo 4 estdedicado a la instrumentacin ssmica, en particular a losacelergrafos digitales, se destaca la importancia de laBase Mexicana de Datos de Sismos Fuertes, en tantoque el capitulo 5 al procesamiento de los acelerogramas,la piedra angular de la medicin de los movimientos ss-

micos. Se describen los parmetros para la caracteriza-cin de dichos acelerogramas. Finalmente el capitulo 6est dedicado a la medicin de las propiedades dinmi-cas de los suelos.

Universidad Nacional Autnoma de MxicoFacultad de Ingeniera


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1.1


del Comportamiento de Obras Hidrulicas 1.1

Entre los fenmenos naturales que producen irreme-diables prdidas de vidas humanas y cuantiosos daosmateriales, se encuentran los sismos. Las zonas ssmi-camente activas, que se localizan en los bordes de lasplacas tectnicas de la litsfera, forman una extensa redque abarca todo el planeta Tierra (Figura 1.1). A la fechano se tienen los conocimientos suficientes para predecir

cundo y en qu lugar ocurrir un terremoto o sismo degran magnitud, y todo parece indicar que esa meta eslejana de alcanzar. Sin embargo, se puede afirmar quese tienen los conocimientos para prevenir o limitar losdaos que los sismos pueden producir.

Los retos que enfrenta la ingeniera civil son cada vezms importantes: el diseo y construccin de grandesobras hidrulicas, edificaciones de gran altura, hospita-les, escuelas, puentes y centrales nucleares. La meta dela ingeniera civil es que toda obra sea sismorresistente.

Un sismo se produce por la ruptura sbita del equili-

brio elstico de una regin del interior de la Tierra. Laruptura ocurre en una superficie de contacto compleja, apartir de la cual se propagan las ondas ssmicas que origi-nan el movimiento de la superficie del terreno.

Los sismos en muchas ocasiones han devastado elpaisaje de alguna regin del planeta, por ejemplo, en

China, a lo largo del siglo XX, ocurrieron diez grandessismos que causaron la prdida de ms de un milln devidas humanas y arrasaron con ms de una docena deciudades. En Kobe, Japn, el sismo de Great Hanshin,ocurrido el 16 de enero de 1995, produjo una prdidade ms de 5,100 vidas humanas, hubo 36,896 heridos,200,000 edificios se daaron o destruyeron, las prdi-

das materiales se estimaron en aproximadamente 200billones de dlares. Los sismos ocurren en cualquier lu-gar del mundo: Chile (1985), Mxico (1985), Armenia(1988), San Francisco (1989) y Northridge (1994) enCalifornia, EUA.

La Tabla 1.1 muestra los grandes sismos histricos(M 8), donde se puede observar que el 22 de mayode 1960 ocurri el sismo de Chile con magnitud de9.5, la mayor registrada hasta la fecha. La Tabla 1.2presenta los sismos del siglo XXI; aqu destacan los deSumatra (2004), Chile (2010), y Honshu, Ja-

pn (2011). La Tabla 1.3 lista los grandes sismosocurridos en Mxico hasta el siglo XX, entre los que so-bresalen los sismos de Jalisco (1932) y de Michoacn(1985). Finalmente, la Tabla 1.4 muestra los sismosocurridos en Mxico en lo que va del siglo XXI.

Captulo 1Introduccin


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1.2



Tabla 1.1 Grandes sismos histricos con M 8

Ao Fecha Magnitud Lugar

1960 22/Mayo 9.5 Chile

1964 28/Marzo 9.2 Baha del Principe Guillermo, Alaska

2004 26/Diciembre 9.1 Sumatra-Islas Andaman

2011 11/Marzo 9 Cerca de la costa Este de Honshu, Japn

1952 4/Noviembre 9 Kamchatka, Rusia

1868 13/Agosto 9 Arica, Chile

1700 26/Enero 9 Zona de subduccin de Cascadia (Canad y EUA)

2010 27/Febrero 8.8 Cerca de la Costa de Bio-Bio, Chile

1906 31/Enero 8.8 Frente a las costas de Esmeraldas, Ecuador

1965 4/Febrero 8.7 Islas Rata, Alaska

1755 1/Noviembre 8.7 Lisboa, Portugal

1730 8/Julio 8.7 Valparaso, Chile

2012 11/Abril 8.6 Costa Oeste Norte de Sumatra

2005 28/Marzo 8.6 Norte de Sumatra, Indonesia

1957 9/Marzo 8.6 Islas Andean, Alaska

1950 15/Agosto 8.6 Assam, Tbet

2007 12/Septiembre 8.5 Sur de Sumatra, Indonesia

1963 13/Octubre 8.5 Islas Kuriles

1938 1/Febrero 8.5 Mara de Banda, Indonesia

1923 3/Febrero 8.5 Kamchatka, Rusia

1922 11/Noviembre 8.5 Frontera Chile-Argentina1896 15/Junio 8.5 Sanriku, Japn

1687 20/Octubre 8.5 Lima, Per

2001 23/Junio 8.4 Cerca de la costa de Per

1933 2/Marzo 8.4 Sanriku, Japn

1917 26/Junio 8.4 Tonga

1905 9/Julio 8.4 Mongolia

2006 15/Noviembre 8.3 Islas Kuriles

2003 25/Septiembre 8.3 Hokkaido, Japn

1994 4/Octubre 8.3 Islas Kuriles

1977 19/Agosto 8.3 Sur de Sumbawa, Indonesia1958 6/Noviembre 8.3 Islas Kuriles

1924 14/Abril 8.3 Mindanao, Filipinas

1903 11/Agosto 8.3 Isla Kythera, Sur de Grecia


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1.3



Tabla 1.1 Grandes sismos histricos con M 8 (continuacin)


1897 12/Junio 8.3 Assam, India

1877 10/Mayo 8.3 Tarapac, Chile

1843 8/Febrero 8.3 Islas Leeward

2012 11/Abril 8.2 Fuera de la costa este del norte de Sumatra1996 17/Febrero 8.2 Irian Jaya, Indonesia

1994 9/Junio 8.2 Bolivia

1969 11/Agosto 8.2 Islas Kuriles

1968 16/Mayo 8.2 Costa este de Honshu, Japn

1959 4/Mayo 8.2 Cerca de la costa este de Kamchatka

1948 24/Enero 8.2 Panay, Filipinas

1943 4/Junio 8.2 Illapel, Salamanca, Chile

1942 24/Agosto 8.2 Fuera de la costa central de Per

1941 25/Noviembre 8.2 Loma Cabo San Vicente, Azores

1940 24/Mayo 8.2 Callao, Per1938 10/Noviembre 8.2 Islas Shumagin, Alaska

1919 30/Abril 8.2 Tonga

1918 7/Septiembre 8.2 Islas Kuriles

1908 12/Diciembre 8.2 Fuera de la costa central de Per

1906 17/Agosto 8.2 Valparaso, Chile

1835 20/Febrero 8.2 Concepcin, Chile

1821 10/Julio 8.2 Camana, Per

2009 29/Septiembre 8.1 Islas Samoa

2007 13/Enero 8.1 Este de Islas Kuriles

2007 1/Abril 8.1 Islas Salomn

2004 23/Diciembre 8.1 Norte de Isla Macquarie

1998 25/Marzo 8.1 Islas Ballen

1989 23/Mayo 8.1 Isla Macquarie

1979 12/Diciembre 8.1 Cerca de la costa de Ecuador

1977 22/Junio 8.1 Tonga

1974 3/Octubre 8.1 Cerca de la costa central de Per

1971 10/Enero 8.1 Papa, Indonesia

1966 17/Octubre 8.1 Cerca de la costa de Per

1957 4/Diciembre 8.1 Gobi-Altay, Mongolia

1952 4/Marzo 8.1 Hokkaido, Japn

1949 22/Agosto 8.1 Islas Reina Carlota, B.C. Canad

1946 20/Diciembre 8.1 Nankaido, Japn

1946 1/Abril 8.1 Isla Unimak, Alaska


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1.4



Tabla 1.1 Grandes sismos histricos con M8 (continuacin)


1944 7/Diciembre 8.1 Tonankai, Japn

1934 15/Enero 8.1 Bihar, India

1932 3/Junio 8.1 Jalisco, Mxico

1911 15/Junio 8.1 Islas Ryuku, Japn2007 15/Agosto 8 Cerca de la costa central de Per

2006 3/Mayo 8 Tonga

2000 16/Noviembre 8 Nueva Irlanda, Papa, Nueva Guinea

1995 9/Octubre 8 Cerca de las costas de Jalisco, Mxico

1995 30/Julio 8 Cerca de la costa del norte de Chile

1986 7/Mayo 8 Islas Andreanof, Islas Aleutianas, Alaska

1985 19/Septiembre 8 Michoacn, Mxico

1985 3/Marzo 8 Fuera de la Costa Valparaiso, Chile

1976 16/Agosto 8 Mindanao, Filipinas

1970 31/Julio 8 Colombia

1946 4/Agosto 8 Saman, Repblica Dominicana

1945 27/Noviembre 8 Costa Makrn, Pakistn

1939 30/Abril 8 Islas Salomn

1931 10/Agosto 8 Xianjiang, China

1928 17/Junio 8 Oaxaca, Mxico

1920 20/Septiembre 8 Islas Loyalty

1920 5/Junio 8 Taiwn

1918 15/Agosto 8 Mar de Clebes

1917 1/Mayo 8 Islas Kermadec, Nueva Zelanda

1915 1/Mayo 8 Islas Kuriles

1914 26/Mayo 8 Oeste de Nueva Guinea

1907 21/Octubre 8 Qaratog, Tayikistn

1903 4/Enero 8 Tonga

1902 11/Junio 8 Mar de Okhotsk

1899 10/Septiembre 8 Baha Yakutat, Alaska

1891 27/Octubre 8 Mino-Owari, Japn

1855 23/Enero 8 Wellington, Nueva Zelanda

1787 2/Mayo 8 Puerto Rico

1668 17/Agosto 8 Anatolia, Turqua

1556 23/Enero 8 Shensi, China

Fuente: USGS.gov


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1.5



Tabla 1.2 Grandes sismo con M 7, siglo XXI


2004 26/Diciembre 9.1 Fuera de la costa oeste norte de Sumatra

2011 3/Noviembre 9 Cerca de la costa este de Honshu, Japn

2010 27/Febrero 8.8 Fuera de la costa de Maule, Chile

2012 11/Abril 8.6 Fuera de la costa oeste norte de Sumatra

2005 28/Marzo 8.6 Norte de Sumatra, Indonesia

2007 9/Diciembre 8.5 Sur de Sumatra, Indonesia

2001 23/Junio 8.4 Cerca de la costa de Per

2006 15/Noviembre 8.3 Islas Kuriles

2003 25/Septiembre 8.3 Hokkaido, Japn

2009 29/Septiembre 8.1 Islas Samoa

2007 15/Agosto 8 Cerca de la costa central de Per

2000 16/Noviembre 8 Nueva Irlanda, Papa, Nueva Guinea

2008 5/Diciembre 7.9 Este de Sichuan, China

2002 11/Marzo 7.9 Alaska Central

2000 6/Abril 7.9 Sur de Sumatra, Indonesia2001 26/Enero 7.7 Guyarat, India

2005 10/Agosto 7.6 Pakistn

2009 30/Septiembre 7.5 Sur de Sumatra, Indonesia

2010 1/Diciembre 7 Hait

Tabla 1.3 Grandes sismos en Mxico hasta el siglo XX


1985 19/Septiembre 8.1 Michoacn

1932 6/Marzo 8.1 Jalisco1957 28/Julio 7.9 Guerrero

1932 18/Junio 7.8 Colima

1931 15/Enero 7.8 Oaxaca

1907 15/Abril 7.7 Guerrero

1911 7/Junio 7.7 Guerrero

1999 30/Septiembre 7.5 Oaxaca

1887 3/Marzo 7.4 Sonora

1965 23/Agosto 7.3 Oaxaca

1962 19/Mayo 7.1 Guerrero

1968 2/Agosto 7.1 Oaxaca1999 15/Junio 7 Puebla

1962 11/Mayo 7 Guerrero

1964 6/Julio 6.9 Guerrero

1959 26/Agosto 6.8 Veracruz

1979 15/Octubre 6.4 Valle de Mexicali


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1.6



Gran parte de Mxico est sujeta a la ocurrencia desismos severos, razn por la cual uno de los proble-mas de importancia nacional es el relacionado con lossismos y sus efectos sobre el comportamiento de las

obras de ingeniera civil. Los sismos representan para laingeniera civil un riesgo importante que debe tomarse encuenta en el diseo de toda obra.

En muchos proyectos, el riesgo de falla por sismosuele dominar otras consideraciones de diseo.

1.1 Ingeniera ssmica

Los orgenes de la ingeniera ssmica se remontan a Ja-pn desde el siglo XIX, esto como consecuencia de los

sismos de Edo (1855) y Mino-Awari (1891); en losEstados Unidos de Norteamrica, el sismo de San Fran-cisco (1906); y en Italia, el sismo de Messina (1908).

La ingeniera ssmica (earthquake engineering) tratacon los efectos de los sismos sobre los seres humanos y

Tabla 1.4 Sismos en Mxico en el siglo XXI


2003 22/Enero 7.6 Costas de Colima

2012 20/Marzo 7.4 Oaxaca

2010 4/Abril 7.2 Baja California

2012 12/Abril 6.9 Santa Isabel, Baja California2009 3/Agosto 6.9 Golfo de California

2011 7/Abril 6.6 Veracruz

2006 4/Enero 6.6 Golfo de California

2012 11/Abril 6.5 Michoacn

2011 11/Diciembre 6.5 Guerrero

2008 12/Febrero 6.5 Oaxaca

2012 2/Abril 6 Cuajinicuilapa, Guerrero

2009 30/Diciembre 5.9 Baja California

2006 11/Agosto 5.9 MIchoacn

2002 22/Febrero 5.7 Mexicali2004 15/Junio 5.1 Costas de Baja California

2002 10/Diciembre 4.8 Mexicali, Baja California

2003 11/Septiembre 3.7 Mexicali, Baja California

Las Tablas 1.2, 1.3 y 1.4 se obtuvieron de la Fuente: USGS.gov

las construcciones, as como con los mtodos para redu-cir tales efectos.

La naturaleza de un sismo intenso, los factores quepueden crear un desastre ssmico (Figura 1.2) y la

importancia de prevenir tal desastre, son aspectos devital importancia.

En general, los sismos pueden daar las obras de inge-niera civil de tres diferentes maneras:y Provocando el fallamiento del terreno

y Produciendo efectos que pueden afectar un obrao estructura

y Sacudiendo el terreno sobre el que estn desplan-tadas las obras

Los factores que han impulsado el desarrollo de la in-geniera ssmica son:y La necesidad de disear y construir obras civiles

crticas en zonas ssmicasy El aumento de estaciones ssmicasy El desarrollo de mejores instrumentos, con un

rango dinmico, en frecuencia y amplitud quepermite el registro de sismos intensos


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1.7



y La disponibilidad de un sistema de tiempo abso-luto, que permite la correlacin entre registros dediversas estaciones (UT)

Ahora bien, la sismologa (seismology), el estudiocientfico de los sismos, ha contribuido grandementecon el quehacer de la ingeniera ssmica. Las interaccio-nes entre la sismologa y la ingeniera ssmica continan

hasta la fecha y se robustecen cada vez ms.Las Figuras 1.1 a 1.6 ilustran los daos que los sismospueden provocar en las obras de ingeniera civil. Las Fi-guras 1.7 a 1.11 muestran algunos daos que los sismoshan provocado en la ciudad de Mxico.

1.2 Ingeniera ssmica

geotcnica

La Ingeniera ssmica geotcnica (Geotechnicalearthquake engineering) se ocupa del diseo y construc-cin de estructuras geotcnicas resistentes a la accinde los sismos.

La ingeniera ssmica geotcnica requiere los conoci-mientos de la geologa, la sismologa, la ingeniera ssmi-ca y la dinmica de suelos.

El punto de partida de la ingeniera ssmica geotcnicaes determinar el sismo de diseo (design earthquake).Con base en el sismo de diseo, se efectan, entre otras,las siguientes investigaciones:

y Asentamientos inducidos por sismosy Licuacin de arenasy Anlisis de la estabilidad de taludesy Anlisis de la estabilidad de estructuras de reten-

ciny Diseo de cimentaciones sometidas a sismos

fuertesy Efectos de sitio, amplificacin y resonancia de las

estructuras

1.2.1 Asentamientos inducidos por

sismos

La accin de los sismos puede causar asentamientosconsiderables en depsitos de suelos granulares secos.

Durante el sismo de San Fernando, Estados Unidos,ocurrido el 9 de febrero de 1971, se tuvieron asenta-mientos de edificios, los cuales variaron de 10 a 15 cm(Seed y Silver, 1972).

Daos severos de grandes estructuras en Skopje,Repblica de Macedonia durante el sismo de 1963,fueron atribuidos a los asentamientos diferenciales

causados por la densificacin de lentes de arena sueltabajo las cimentaciones (Seed y Silver, 1972).Las Figuras 1.12 y 1.13 muestran edificios que su-

frieron asentamientos durante el sismo de Kobe, Japndel 17 de enero de 1995. Las Figuras 1.14 y 1.15 ilus-tran asentamientos sbitos de edificios en la ciudad deMxico durante el sismo del 19 de septiembre de 1985.

1.2.2 Licuacin de arenas

Probablemente uno de los efectos ms costosos y

espectaculares que se puede encontrar en ingeniera ss-mica geotcnica se debe al fenmeno de la licuacin dearenas. Las condiciones bajo las cuales los suelos (comoparte de la cimentacin o como material de construccin)pierden una parte significativa de su resistencia, lo queconduce a fallas inducidas por sismos, constituyen uncampo frtil de investigacin y de gran utilidad para laprctica profesional de la ingeniera civil.

El fenmeno de licuacin de arenas es causado por eldesarrollo de grandes presiones en el agua que ocupa losporos del suelo. Estas grandes presiones de poro son in-

ducidas cuando se aplican a la masa de suelo esfuerzoso deformaciones de cortante, en condiciones tales queno se permite su disipacin inmediata, es decir, prctica-mente a volumen constante. La forma de aplicacin delos esfuerzos cortantes puede ser monotnica, cclica oaleatoria.

Los factores que influyen en la ocurrencia de lalicuacin de arenas, se describen con detalle por Daz-Rodrguez (2005).

La Figura 1.16 presenta los daos causados por lalicuacin de arenas en Niigata, Japn, durante el sismoocurrido el 16 de junio de 1964 (M = 7.4). En la Figura1.17 se muestra el asentamiento de un edificio debido alicuacin, ocurrido en Adapazri, Turqua, el 17 de agostode 1999 (M = 7.4).


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1.9



roca hacia arriba y pasa a un material tal como arcilla, seamplificar el movimiento. Si la onda ssmica se propagade roca hacia un depsito estratificado, el comporta-miento es ms complejo y difcil de predecir debido a lasmltiples reflexiones y refracciones.

Un aspecto muy importante relacionado con elsubsuelo es su tendencia natural a oscilar ante una

perturbacin de tipo ssmico; una manera de medir estatendencia es a travs del periodo natural de vibracin ensegundos. Si la llegada a una localidad de las ondas deesfuerzo provocadas por un sismo presentan un perio-do dominante muy cercano al natural de vibracin delsuelo, y si adems en ese lugar hay estructuras cuyoperiodo natural de vibracin sea cercano al periodo devibracin del suelo, el movimiento experimenta unaretroalimentacin en forma creciente que origina os-cilaciones a valores muy grandes, y da como resultadoel fenmeno que se conoce como resonancia,o sea, un

movimiento excesivo.

1.3 Dinmica de suelos

La dinmica de suelos (soil dynamics) trata sobre laspropiedades y el comportamiento de los suelos someti-dos a carga dinmicas, cclicas o aleatorias.

En general, la dinmica de suelos tiene un vasto cam-po de aplicacin en los problemas de la ingeniera civil,las principales reas de aplicacin son:

y Propiedades dinmicas de los suelosy Efecto de explosionesy Densificacin mediante vibraciones o impactoy Licuacin de suelos granularesy Vibraciones inducidas por trnsito de vehculosy Efecto de las condiciones locales del sitioy Diseo de cimentaciones para maquinaria

1.4 La observacin ssmica

de obras hidrulicas

Puede afirmarse que el mtodo observacional es ca-racterstico de la ingeniera moderna, y sta como talrequiere la observacin y el registro del comportamientode las obras, as como el control de las variables y

factores relevantes; exige adems, el anlisis e interpre-tacin de las mediciones.

El objetivo de la instrumentacin ssmica es obtenerinformacin oportuna y confiable del comportamientode las obras hidrulicas durante la ocurrencia de sismosintensos, mediante la colocacin de instrumentos demedicin, as como el registro de todo evento ssmico

con su correspondiente interpretacin.La instrumentacin ssmica permite conocer las condi-ciones de seguridad de la obra en el momento de ocurrirun evento ssmico. Asimismo ha coadyuvado a mejorarnuestro conocimiento sobre la naturaleza de los sismosy sus efectos sobre las obras de ingeniera civil. Por lomismo, todo estudio importante se debe basar en elconocimiento del movimiento del terreno durante unsismo destructivo.

La importancia de registrar con exactitud y precisinlos movimientos del terreno producidos por un terre-

moto es necesaria para el estudio de la propagacin yatenuacin de las ondas ssmicas, la localizacin de losepicentros, la determinacin de la magnitud, entre otros.

Por tanto, la instrumentacin ssmica es un objeti-vo de gran inters, tanto para la sismologa como parala ingeniera ssmica. El comportamiento ssmico deuna estructura proporciona informacin vital para laevaluacin crtica de las teoras, los cdigos y lasprcticas usadas en el diseo ssmico.

1.5 Propsito del manualEl propsito de este manual es proporcionar una orien-tacin a los ingenieros responsables del monitoreo yanlisis del comportamiento de las obras hidrulicas.Cada sistema de instrumentacin es nico, por tanto, esnecesario hacer uso del juicio en ingeniera para aplicarcon xito las recomendaciones que aqu se expresan.


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Manual de Mecnica de Suelos. Instrumentacin y Monitoreo Ssmicodel Comportamiento de Obras Hidrulicas

Figura 1.1 Placas tectnicas de la corteza terrestre


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Figura 1.2 Colapso de la autopista Hanshin, en Kobe, Japn, durante el sismo del 17 de enero de 1995,M = 6.69 (Fotografa de la Kobe Collection NISEE, University of California, Berkeley)


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Figura 1.3 Colapso del puente Showa debido a licuacin, en Niigata, Japn, durante el sismo del 16 dejunio de 1964, M = 7.4 (Fotografa de la Godden Colection NISEE, University of California, Berkeley)

Figura 1.4 Colapso de la rampa de acceso al transbordador Higashi-Kobe, durante el sismo del 17 deenero de 1995 (Fotografa de la Kobe Collection NISEE, University of California, Berkeley)


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Figura 1.5 Daos en el muelle No.2 Hyogo, durante el sismo del 17 de enero de 1995 (Fotografa dela Kobe Collection NISEE, Universwity of California, Berkeley

Figura 1.6 Desplazamientos laterales de las paredes del muelle Port Island, Kobe, Japn (Fotografa dela Kobe Collection NISEE, University of California, Berkeley)


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Figura 1.7 Cada del ngel de la columna de la Independencia en ciudad de Mxico, sismo del 28 dejulio de 1957


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Figura 1.9 Colapso de edificios en la ciudad de Mxico, sismo del 19 de septiembre de 1985


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Figura 1.10 Colapso de edificio en la ciudad de Mxico, debido a falla de cimentacin por capacidad decarga, sismo del 19 de septiembre de 1985

Figura 1.11 Vas del tren suburbano de la ciudad de Mxico, sismo del 20 de marzo de 2012 (Fuente:U.S. Geological Survey Photographic Library)


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del Com ortamiento de Obras Hidrulicas

Figura 1.13 Asentamiento de edificios, en Kobe, Japn durante el sismo del 17 de enero de 1995,M = 6.69 (Fotografa de la Kobe Collection NISEE, University of California, Berkeley)

Figura 1.15 Asentamiento sbito de edificioen la ciudad de Mxico, durante el sismo del19 de septiembre de 1985

Figura 1.14 Asentamiento sbito de edificioen la ciudad de Mxico, durante el sismo del19 de septiembre de 1985


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Figura 1.18 Grietas en el terreno debido a licuacin, en el distrito de riego No. 14, Mexicali, BajaCalifornia, durante el sismo del 15 de octubre de 1979 (M = 6.4)


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Figura 1.19 Via de tren doblada debido a licuacin, en el distrito de riego No. 14, Mexicali, BajaCalifornia, durante el sismo del 15 de octubre de 1979(M = 6.4)

Figura 1.20 Daos debidos a la licuacin, en el canal Nuevo Delta, en el distrito de riego No. 14,Mexicali, Baja California, durante el sismo del 15 de octubre de 1979 (M = 6.4)


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Figura 1.22 Daos causados al almacenamiento Lower Van Norman(Fotografa de la Steinbrugge Collection NISEE, University of California, Berkeley)

Figura 1.23 Daos causados a la cara de concreto de la Presa Upper Van Norman(Fuente: U.S. Geological Survey Photographic Library)


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Figura 1.24 Deslizamiento en el almacenamiento Lower Van Norman (Fuente: U.S. Geological SurveyPhotographic Library)

Figura 1.25 Deslizamiento en el almacenamiento Lower Van Norman (Fuente: U.S. Geological SurveyPhotographic Library)


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Figura 1.26 Falla del talud de aguas arriba de la Presa Niteko, Kobe Japn durante el sismo del 17 deenero de 1995, M = 6.69 (Fotografa de la Kobe Geotechnical Collection NISEE, University of

California, Berkeley)

Figura 1.27 Falla de la cresta de la Presa Niteko, Kobe, Japn, durante el sismo del 17 de enero de1995, M = 6.69 (Fotografa de la Kobe Geotechnical Collection NISEE, University of California,

Berkeley)


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2.1

Manual de Mecnica de Suelos, Instrumentacin y Monitoreo Ssmico

del Comportamiento de Obras Hidrulicas2.1

Este captulo tiene como objetivo definir los conceptosy la terminologa usada en el presente manual. Se con-sider conveniente incluir la traduccin en ingls de lasdenominaciones de los conceptos (al citarse por primeravez) para facilitar al usuario la lectura y comprensin dela literatura en dicho idioma.

2.1 Vibraciones mecnicas

Una vibracin mecnica es un fenmeno dinmico, suamplitud vara con el tiempo. Una vibracin es una os-cilacin en torno a una posicin de equilibrio. La Figura2.1 muestra un metrnomo, instrumento consistenteen un pndulo cuya frecuencia (nmero de oscilacionesen una unidad de tiempo) se puede regular entre 40 y208 ciclos por minuto. Otro ejemplo muy simple de estaclase de movimiento son las vibraciones hacia abajo y

hacia arriba de una masa suspendida de un resorte o deun pndulo del reloj de pared, que repite su oscilacina intervalos regulares, lo cual nos permite medir conprecisin el tiempo.

Las vibraciones mecnicas se pueden dividir en tres ti-pos: armnicas, peridicas y no-peridicas o transitorias.

Las vibraciones pueden ser determinsticas, si se conocesu amplitud con respecto al tiempo. Sin embargo, exis-ten otros fenmenos fsicos que no tienen una descrip-cin determinstica con respecto al tiempo, como son lasvibraciones producidas por la ocurrencia de un sismo,estas vibraciones son aleatorias (random).

Uno de los sistemas mecnicos ms simples que tiene

movimiento peridico es el que se muestra en la Figura2.2, el cual consiste en una masa, m, que se muevehorizontalmente sobre una superficie sin friccin.La masa est unida a un resorte sin masa con unaconstante k. Ntese el origen de coordenadas para me-dir los desplazamientos u(t) del sistema.

La vibracin (Figura 2.3) del sistema elemental esuna oscilacin armnica (se llaman funciones armni-cas a las funciones trigonomtricas seno y coseno), elmovimiento se repite para un tiempo definido, llamadoperiodo de vibracin,T. La expresin de esta funcin es

f(q) = sen q, tambin se conoce como funcin arm-nica simple.

Como la definicin de sen q = vertical/diagonal, ladiagonal puede tomar diferentes valores, a los que sellama amplitud, A. Por tanto, se puede escribir:

Captulo 2Conceptos bsicos


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2.2



() =Las unidades del periodo, T, son segundos, que es

el tiempo que tarda en completar un giro de 360. Alnmero de giros que se completan en 1 s, se le llama

frecuencia, f, y se expresa en Hz (hertz). La velocidadangular w, se define como:

Entonces, una oscilacin sinusoidal se puede escribircomo:

f(t)=A senwt

Una vibracin sinusoidal est caracterizada por una

amplitud A, y por una frecuencia angular w (rads).La relacin entre la frecuencia angular y el periodo seexpresa mediante:

La Figura 2.4 muestra la grfica de la expresinf(t) = 15 sen (12.566 t); en donde:

A = 15; w = 12.566 rads ;(f=2 Hz; T=0.5 s)

ngulo de fase.Considere dos movimientos vibrato-rios denotados por:

f1(t)=A sen wt

f2(t)=A sen (wt +f)

Los dos movimientos tienen la misma frecuenciaangularwy la misma amplitud A, pero difieren en un n-gulo f, denominado ngulo de fase(phase angle), lo que

significa un corrimiento de la funcin (f2) con respectoa la funcin (f

1), como se puede apreciar en la Figura

2.5. El corrimiento puede ser hacia la izquierda o hacia laderecha, segn el signo de f. Ntese que un corrimientof= 90 de la funcin seno es la funcin coseno.

2.2 Respuesta de un

sistema de un grado de

libertad amortiguado

La vibracin de un cuerpo est gobernada por su inercia,

su rigidez y su amortiguamiento. El sistema ms simplepara estudiar vibraciones con amortiguamiento es elsistema elemental de un grado de libertad amortiguado(SE1GLA), el cual se ilustra en la Figura 2.6.

El SE1GLA consta de tres elementos:y La masa, m, representa la cantidad de materia. La

masa interviene en los sistemas dinmicos a travsde la segunda ley de Newton:

y

La elasticidad, representada por un resorte, res-ponsable de proporcionar la fuerza restauradora, esdecir, aquella fuerza encargada de regresar o restau-rar el sistema a su posicin de equilibrio. La fuerzarestauradora interviene en los sistemas dinmicosmediante la expresin:

y El amortiguamiento, representado por un amor-tiguador, es responsable de disipar la energa. El

tipo de amortiguamiento ms comn utilizado ensistemas elementales es de tipo viscoso, el cual tienela expresin:

En donde:

() =

() =() =

=

() =()

=2

( ) =

2()

() =()

() =()


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2.4



1. Se miden dos ordenadas: u1= 2.4 mm y u

2= 1.3 mm,

separadas un periodo.

2. Se obtiene d:

3. Se calcula z:

El amortiguamiento del sistema es 9.76%.

2.2.2 Vibracin forzada de un SE1GLA

Para el caso de un SE1GLA sometido a una fuerzaarmnica F(t)=F cos (t), la solucin particular u

p(t) se

expresa:

() =

1

(2 2) + (2 )cos (t )

Los detalles de la deduccin de esta expresin sepueden consultar en Daz-Rodrguez (2005). En donde:

F = amplitud de la fuerza forzadora= frecuencia angular forzadoraq = ngulo de fase

Se define como factor de amplificacin dinmica a larelacin:

Donde uest

es el desplazamiento provocado por lafuerza F, que acta estticamente:

Por tanto:

y

La Figura 2.11 muestra la variacin del factorde amplificacin dinmico H() con la relacinde frecuencias, r = /w

n, para varios valores del

amortiguamiento z.Se pueden apreciar las siguientes caractersticas:

1. Para un sistema no amortiguado (z=0),H()ghcuando /w

ng1.

2. Para/wn pequeas, menores de 0.5, H() es

ligeramente superior a 1.3. Para /w

n comprendidas entre 0.5 y 1.40, el

factor de amplificacin dinmica alcanza sus valoresmximos, dependiendo del amortiguamiento.

4. Para /wn grandes, mayores de 1.40, el factor

de amplificacin dinmica decrece, es decir, si/w

nghH()g0 , la inercia del sistema domina

la respuesta.

La Figura 2.12 muestra la variacin del ngulo de fasecon la relacin de frecuencias y el amortiguamiento. Sepueden apreciar las siguientes caractersticas:1. Para un sistema con z = 0, el ngulo de fase es cero

para 0 < r < 1 y 180 para r >1, esto implica que laexcitacin y la respuesta estn en fase para 0 < r < 1y fuera de fase para r > 1.

2. Para z > 0 y 0 < r < 1, el ngulo de fase est0 0 y r > 1, el ngulo de fase est90 < q < 180, lo que implica que la respuesta seadelanta a la excitacin.

() = 11

n22 + 2

2

=1

(1 r2)2 + (2 )2

() =up mx

uest

= tan12

1 n2 = tan

1 2 1 r2

= 0.6132 = 0.0976

=

1

2

=

2.4

1.3= ln 1.846 = 0.613


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2.5



2.3 Fundamentos de la

propagacin de ondas

Una perturbacin en el interior de un medio elstico,homogneo e istropo se propaga mediante dostipos de ondas: las ondas longitudinales P y las ondas

transversales S (ondas de cuerpo). En la superficie de unsemiespacio elstico se propaga un tercer tipo de ondas,las ondas superficiales, que comprenden las de Love ylas de Rayleigh.

La propagacin de ondas, en forma muy simple, sepuede visualizar cuando se arroja una piedra a un lago(Figura 2.13). En este caso, el frente de onda soncrculos concntricos que viajan alejndose del centro.

2.3.1 Ondas longitudinales

Dos ejemplos muy simples de esta clase de movimientoson las ondas que se propagan en una columna de aireo en un resorte, el resorte se comprime y se extiende alo largo de la direccin del movimiento. La Figura 2.14ilustra la propagacin de las ondas longitudinales, eldesplazamiento de las partculas se realiza a lo largo dela misma lnea de propagacin de la onda.

Cuando la perturbacin se propaga en el interior deun medio elstico, homogneo e istropo, mediante lacompresin o dilatacin de ste, pero sin que ocurradistorsin, se originan trenes de ondas longitudinales,

cuya expresin matemtica es:

En esta ecuacin, e es la deformacin volumtricaunitaria, ntese que no se tienen rotaciones, por estarazn la ecuacin representa la propagacin de ondasplanas, no distorsionales o irrotacionales, denominadastambin ondas P (primarias) o compresionales.

En donde:

es la velocidad de propagacin de la onda longitudinal,la cual depende de las propiedades del medio, r,ly G .

2.3.2 Ondas transversales

Un ejemplo muy sencillo es el movimiento producido enuna cuerda atada en un extremo y por el otro extremo

se agita hacia abajo y hacia arriba, lo que produce unaperturbacin llamada pulso, como se ilustra en la Figura2.14. En las ondas transversales, el desplazamientoes perpendicular a la direccin de propagacin delmovimiento ondulatorio.

Si la perturbacin ocurre en el interior de un medioelstico, homogneo e istropo, las ondas se propaganen dicho medio distorsionndolo, pero manteniendosu volumen constante, se originan trenes de ondastransversales cuyas expresiones son:

En donde:

es la velocidad de propagacin de la onda transversal,la cual depende de las propiedades del medio, r, y G,y w

x,w

y,w

zson las rotaciones. El trmino eno aparece,

por esta razn se llaman ondas equivolumtricas,

ondas distorsionales, ondas S (de cortante) u ondassecundarias.

La Figura 2.16 ilustra la propagacin de ondastransversales en una barra.

22 =22

22

=22

22

=22

22

= 22

2 = + 2

2 =


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2.6



2.3.3 Ondas superficiales

Un tercer tipo de ondas son las ondas superficiales. Elmovimiento de las partculas provocado por estas ondasest restringido a la superficie del medio de propagacin.Se dividen en ondas de Love y ondas de Rayleigh.

Las ondas de Love se parecen a las ondas S, su

movimiento es horizontal, paralelo a la superficie delterreno, no presentan movimiento vertical, como seilustra en la Figura 2.17.

Las ondas de Rayleigh tienen movimiento tantovertical como horizontal en un plano vertical, como semuestra en la Figura 2.18.

2.3.4 Reflexin de ondas

El hecho de que la velocidad de propagacin de unaonda dependa de las propiedades del medio da lugar a

los fenmenos de reflexin y refraccin, que ocurrencuando una onda cruza la superficie de separacin de dosmedios, en los cuales la onda se propaga con diferentesvelocidades. Una parte de la onda incidente se refleja,otra parte es parcialmente absorbida y otra se transmite.La parte de la onda que es transmitida sufre un cambiode direccin.

La reflexin de las ondas obedece a las mismas leyesgenerales de la mecnica que rige los fenmenos derebote. La onda reflejada es una nueva onda que setransmite en el medio en el cual se estaba propagando.

Las dos leyes bsicas de la reflexin (Figura 2.19) seenuncian como sigue:

y El ngulo de incidencia (ai) es igual al ngulo de

reflexin (ar).

y La onda incidente, la onda reflejada y la normala la superficie se encuentran en el mismo plano.

2.3.5 Refraccin de ondas

Una onda se propaga en lnea recta a velocidad constanteen un medio uniforme. Si cambia el medio, la velocidad

tambin cambia y la onda viajar en lnea recta a lo largode una nueva trayectoria. El ngulo a

i que se forma

entre la direccin de la onda y la normal a la superficie seconoce como ngulo de incidencia. Al ngulo q

rformado

entre la direccin de la onda refractada y la normal se lellama ngulo de refraccin. La onda refractadaes la onda

que se transmite al segundo medio.Las tres leyes bsicas de la refraccin (Figura 2.19) se

enuncian como sigue:y El ngulo de refraccin (q

r) es diferente al ngulo de

incidencia (ai).

y La onda incidente, la onda refractada y la normal a lasuperficie se encuentran en el mismo plano.

y La relacin entre el seno del ngulo de incidencia,ai,y el seno del ngulo de refraccin, q, es constante(ley de Snell):

=12 =

2.3.6 Ondas en medios estratificados

Un semiespacio elstico es una primera aproximacin

para modelar un medio de propagacin. Para mejorarla correlacin entre la teora de propagacin de ondas ylos fenmenos observados, es necesario considerar unsemiespacio estratificado como medio de propagacin.

En general, cuando una onda viaja en un medioelstico y encuentra una frontera de otro medio elstico,parte de la energa de la onda incidente es reflejada yotra parte de la energa es transmitida al segundo medio.

Para medios estratificados se utilizar la siguientenomenclatura:a

1= ngulo de incidencia de onda P

a2= ngulo de reflexin de onda P

a3= ngulo de refraccin de onda P

b1= ngulo de incidencia de onda S

b2

= ngulo de reflexin de onda S

b3= ngulo de refraccin de onda S

2.3.6.1 Reflexin de una onda en una superficie

Considere que la superficie libre de un medio elstico,

homogneo e istropo es un plano (z = 0) y que untren de ondas planas se propaga en la direccin AO enel plano xz, el cual hace un ngulo a

i, con la normal a la

superficie libre (frontera).


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2.8



Factor(factor). Agente capaz de inducir o modificarun efecto fsico, qumico o biolgico.

Fenmeno (phenomenon). Manifestacin deactividad que se produce en la naturaleza.

Histresis (hysteresis). Fenmeno por el cual el estadode un material o proceso depende de la historia previa.

Instrumento de medicin (measuring instrument).

Aparato diseado para comparar unidades fsicasmediante el proceso de medicin. Como unidades demedicin se usan los estndares o patrones.

Linealidad (linearity). Desviacin de la curva decalibracin con respecto a una recta. Una linealidadde 1% FS significa una desviacin de 1% de la escalacompleta.

Parmetro (parameter). Variable o constantearbitraria que interviene en una expresin matemtica.

Precisin(precision). Grado de finura de una medicin.La precisin de un instrumento o de una observacin

es una medida de la resolucin del instrumento uobservacin. La precisin no debe confundirse con laexactitud. Una precisin de 0.5% significa que el valormedido se encuentra dentro del 0.5% del valor real yque el error no es mayor de 0.5%.

Proceso (process). Secuencia temporalmenteordenada de acontecimientos, tal que cada miembro dela secuencia toma parte en la determinacin siguiente.

Ruido (noise). Perturbacin aleatoria en toda seal oproceso.

Sensibilidad (sensitivity). Cociente del incremento

de la respuesta de un instrumento de medida entre elincremento correspondiente de la seal de entrada.Valor mnimo que es capaz de medir un instrumento. Porconsiguiente, un instrumento muy sensible produce ungran movimiento del ndice para un pequeo cambio enla cantidad medida.

Seal (signal). Serie de ondas y pulsos elctricos querepresentan informacin.

Valor(value). Determinacin o medicin cuantitativaparticular.

Variable (variable). Smbolo que se utiliza para

definir la variacin de un fenmeno o simplemente unacorrespondencia funcional. Cualquier cantidad fsica queest sujeta a cambio.

2.4.2 Trminos relacionados con ondas

ssmicas

Amplitud (amplitude). Valor de la ordenada mximarespecto a un origen.

ngulo de fase(phase). ngulo de retraso o adelanto

de una onda armnica con respecto a la referencia.Armnico. Componente sinusoidal de una ondaperidica cuya frecuencia es un mltiplo entero de lafrecuencia fundamental.

Atenuacin(attenuation). Decrecimiento en amplitudy cambio en el contenido de frecuencias de las ondasssmicas con la distancia.

Epicentro (epicenter). Punto de la superficie de laTierra bajo el cual se origina un movimiento ssmico y enel que, por tanto, es mayor su intensidad.

Frecuencia(frequency). La frecuencia, f, es el nmero

de ciclos en una unidad de tiempo. En el SI la unidad esel hertz (1 hertz = 1 Hz = 1 ciclo/s).Frecuencia angular (angular frequency). En radianes

por unidad de tiempo.Frecuencia fundamental (fundamental frequency).

Frecuencia de oscilacin ms baja de un sistemamecnico.

Frecuencia natural(natural frequency). Frecuencia envibracin libre de un sistema.

Frente de onda (wavefront). Es el lugar geomtricode todos los puntos adyacentes, en los cuales la fase de

vibracin de una cantidad fsica asociada con la onda esla misma.

Onda (wave). Campo variable en el espacio y en eltiempo.

Onda longitudinal (longitudinal wave). Onda cuyamagnitud fsica caracterstica se encuentra en la direccinde la propagacin.

Onda ssmica (seismic wave). Onda producida por unmovimiento ssmico, que se propaga a travs del interiorde la Tierra.

Onda superficial (surface wave). Vibraciones

transmitidas en la superficie de la Tierra.Onda transversal (transverse wave). Onda cuya

magnitud fsica caracterstica se encuentra perpendiculara la direccin de propagacin.

Oscilacin (oscillation). Movimiento alternativo de uncuerpo que se separa de su posicin de equilibrio.


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2.9



Periodo (period). El requerido para realizar unaoscilacin completa. Valor que, sumado a cualquier otrovalor de la variable independiente, no altera el valor de lafuncin, es decir, f(x) = f(t + T) para cualquier t, siendo

T el periodo.Perturbacin (disturbance). Modificacin en un

sistema fsico debida a la accin de fuerzas externas.

Vibracin mecnica (mechanical vibration). Unavibracin mecnica es un fenmeno dinmico, suamplitud vara con el tiempo. Una vibracin es unaoscilacin en torno a una posicin de equilibrio.

2.4.3 Trminos relacionados con

sismicidad

Aceleracin pico del terreno (peak ground acceleration).La mxima amplitud en un registro de aceleracin.

Astensfera (asthenosphere). Capa inferiorsemiplstica, de las dos que componen la tectsfera.Atenuacin (attenuation). Relacin a la cual el

movimiento ssmico decrece con la distancia.Borde de placa (edge of plate). Margen o lmite

entre dos placas generalmente situado en los fondosocenicos.

Brecha ssmica(seismic gap). La porcin de una fallao de una zona sismognica que ha permanecido sinmovimiento durante un largo tiempo.

Cabalgamiento (thrust fault). Proceso estructural a

partir del cual un conjunto de rocas es empujado porencima de otro, a lo largo de una falla, como resultadode la compresin de una placa.

Colisin entre placas continentales (collision ofcontinental plates). Colisin de dos placas continentalesdurante la cual se forma, a lo largo de ambos continentes,plegamientos montaosos con intrusiones granticas queproducen montaas de tipo alpino como el Himalaya.

Corteza (rind). Capa externa de la Tierra que incluyea la rgida litsfera. Se distinguen dos tipos de corteza:corteza continental (compuesta de material grantico)

y corteza ocenica (compuesta de material basltico).La corteza y la parte superior del manto constituyen lalitsfera.

Dorsal(underwater ocean ridge). Cadena montaosasubmarina. Trmino general aplicado a una zona de

expansin centro-ocenica que incluye una largacordillera o montaa.

Dorsal ocenica(oceanic ridge). Relieve alargado queaparece en el fondo del ocano y que constituye una delas lneas estructurales bsicas de la corteza terrestre.

Epicentro (epicentre). La proyeccin en la superficiede la Tierra del hipocentro.

Falla(fault). Fractura en una masa rocosa, a lo largode la cual se producen deslizamientos. Fractura o grupode fracturas a lo largo de las cuales se ha producido unmovimiento en la litsfera.

Falla transformante (transform fault). Falla queafecta los bordes activos de las placas tectnicas de lacorteza terrestre. Fallas secundarias y largas que sonperpendiculares a las dorsales centro-ocenicas (La fallade San Andrs).

Fosa tectnica (graben). Valle formado por elhundimiento de un bloque fallado.

Hipocentro (hypocentre). Localizacin de radiacininicial de las ondas ssmicas (i.e., localizacin del iniciode la ruptura dinmica).

Intensidad (intensity). Medida de los efectos de unsismo.

Litsfera (lithosphere). La delgada y rgida capaexterior o corteza de la Tierra que est fracturada ensiete grandes placas y numerosas placas pequeas. Lacomponen la parte superior del manto y las cortezascontinentales y ocenicas.

Magnitud(magnitude). Medida nica del tamao de

un sismo. Medida nica de la energa liberada por unsismo.

Manto (mantle). Capa muy caliente pero slida situadaentre el ncleo y la litsfera superior. Se subdivide enuna capa potente, el manto inferior, y una capa msdelgada, el manto superior.

Momento ssmico (seismic moment). El momentogenerado durante un evento ssmico.

Ncleo (core). Regin central de la Tierra dividida enun ncleo interno y un ncleo externo. El ncleo internoes una esfera slida de aleacin hierro-nquel, con un

radio de 1 600 km. El ncleo externo es una mezclacaliente semilquida de unos 2 250 km de espesor.

Rplica (aftershock). Sismos menores que siguen auno de magnitud grande o moderada.


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Figura 2.3 Funcin armnica seno

Figura 2.4 Grfica de la funcin f(t) = 15 sen (12.56 t)


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3.1


del Comportamiento de Obras Hidrulicas 3.1

Captulo 3Sismos: gnesis, medicin y

distribucin

Las obras hidrulicas estn sujetas a vibraciones de dis-tintas fuentes: el viento, las corrientes fluviales, las ex-plosiones y los sismos. Un macrosismo es un fenmenosobrecogedor con energa descomunal, inevitable, deefectos rpidos y que una vez desencadenado, sus con-secuencias son fatales e impredecibles.

No podemos evitar que ocurran los sismos, tampoco

podemos predecir con certeza su fecha de ocurrencia ylocalizacin. Lo que si podemos hacer es aplicar el cono-cimiento adquirido para minimizar los daos y reducir elriesgo ssmico.

Actualmente se registran miles de sismos distribuidosen todo el planeta. Pocos son captados por los sereshumanos; la inmensa mayora son de poca intensidad yslo se registran en las estaciones sismolgicas. Otros,muy severos, dejan su huella en el relieve terrestre y enla memoria de los habitantes.

La toma de decisiones racionales de la ingeniera en

reas ssmicas requiere de la descripcin cuantitativa dela sismicidad.

Se llama sismicidad a la actividad ssmica en un lu-gar determinado. Se define como la frecuencia porunidad de rea de la ocurrencia de sismos en unaregin. Se conoce como sismicidad local al proceso de

ocurrencia de sismos generados en una zona determi-nada.

Los observatorios sismolgicos rutinariamentelocalizan el epicentro de los sismos, determinan su mag-nitud, informan de los daos causados, y publican lainformacin en boletines y/o la almacenan en bases dedatos.

Actualmente se entiende el origen de los sismos y seaceptan como procesos ambientales naturales. Un sismoes un ajuste peridico que el planeta efecta durante suevolucin.

El sismo de Tangshan, China, ocurrido en 1976, caus255,000 muertes. La ciudad de Tangshan fue devasta-da como si hubiese explotado una bomba atmica. Losenormes daos se debieron a que las edificaciones nose disearon adecuadamente, el nivel de destruccin nohubiese ocurrido si la ciudad de Tangshan se hubiese di-seado con los cdigos ssmicos recientes.

El propsito de este captulo es proporcionar un en-tendimiento bsico sobre los sismos, su gnesis, ladefinicin de los trminos y conceptos ms comnmen-te utilizados, explicar cmo se mide el tamao de unsismo y, finalmente, presentar una introduccin a lasismicidad de Mxico.


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exhibe una amplitud del movimiento diez veces ms queun sismo de magnitud 5, y cien veces ms que un sismode magnitud 4. Segn Yeats et al. (1997), el incrementode la energa liberada es de aproximadamente 30 vecespor cada unidad.

Segn Richter (1958), la magnitud y la energa liberadaestn relacionadas mediante

Log10

E = 11.4 + 1.5M [4.2]

En donde E es la energa liberada en ergios.

Desde luego que la definicin de Richter es arbitraria,ya que los movimientos a cualquier distancia conside-rable del epicentro pueden estar fuertemente influidospor la geologa local y otros factores. Sin embargo, dichadefinicin se ha utilizado extensivamente.

La definicin de Richter no es vlida para distancias

epicentrales mayores de 600 km, debido a que la ampli-tud de las ondas de cuerpo decae ms rpidamente quela amplitud de las ondas superficiales; adems, no todaslas estaciones tienen sismgrafos Wood-Anderson, portanto, es necesario una definicin diferente. Gutenbergy Richter (1956) propusieron la siguiente expresin:

Ms=log a + 1.66 log D+ 2.0 [4.3]

Donde a es el desplazamiento mximo del terreno enmicras y D es la distancia epicentral medida en grados(360 corresponde a toda la circunferencia de la Tierra).Ntese que la magnitud se basa en la medicin del des-plazamiento del terreno y no en la amplitud de la trazaen un sismgrafo particular.

Guterberg en 1945 propuso la magnitud de ondas decuerpo medida con instrumentos de periodo corto y res-puesta pico cercana a 1 Hz, mediante la expresin:

Donde a es la amplitud del movimiento del terrenoen micras, T es el periodo de la onda, y Q es una funcinemprica que es funcin de la profundidad focal h, y dela distancia epicentral D.

Una forma moderna de estimar la energa liberadaest relacionada con el momento ssmico (M

o), el cual

se expresa como:

Mo= A d G [4.5]

Donde: Mo es el momento ssmico en dina-cm o en

Newton-m, A es el rea de ruptura, d es el desplaza-miento promedio de dicha rea y G es el mdulo de rigi-dez de la roca.

Hanks y Kanamori (1979) desarrollaron una escala demagnitud basada en el momento ssmico, definida como:

Donde MO es el momento ssmico expresado en

dinas-cm.La Figura 3.14 ofrece un ejemplo del clculo aproxi-

mado de la magnitud Richter (ML) de un sismo, utilizan-

do un nomograma.

3.3.3 Intensidad de un sismo

La intensidad est basada en la observacin y cuanti-ficacin de los daos causados por un sismo en un de-terminado sitio. Por tanto, la intensidad de un sismo serefiere a un lugar especfico o sitio; es una medida de losefectos causados en el hombre, en sus construcciones yen general en el sitio.

La intensidad es una medida de la capacidad de des-

truccin ssmica local, por tanto, a un sismo se asociauna sola magnitud, mientras que su intensidad vara desitio a sitio. Las escalas de intensidad como la de Mercallimodificada (Tabla 3.1) son subjetivas, sin embargo, enno pocas ocasiones constituyen un elemento importan-te de juicio en reas donde no se tienen instalados ins-trumentos para sismos intensos y suministran el nicomedio para interpretar la informacin histrica.

La intensidad es una medida cualitativa (por ejemplo:intensidad Mercalli modificada) o cuantitativa de la gra-vedad de un movimiento ssmico en un emplazamiento

especfico, La intensidad cuantitativa puede medirse pordiversos parmetros, entre los cuales son especialmen-te importantes para los fines de la ingeniera ssmica: lamxima aceleracin o la mxima velocidad del terrenoen el sitio que interesa, o an mejor las ordenadas delespectro de respuesta (Captulo 5).

= log + (,)

= 23log0 6.0

[4.4]

[4.6]


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Figura 3.1 Estructura de la Tierra segn su composicin.

Figura 3.2 Fenmeno de conveccin, (a) recipiente lleno de cera, sobre una estufa,

(b) corrientes convectivas (Pipkin et al; 2008)


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Figura 3.8 Falla de San Andrs (Fuente: http://www.kalipedia.com/

ciencias-tierra-universo)


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Figura 3.9 Parmetros de falla

Figura 3.10 Hipocentro y epicentro de un sismo y parmetros asociados


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Figura 3.18 Placas tectnicas que afectan a Mxico


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inters, aun en presencia de alto ruido ssmico. Loanterior permite aplicar filtros digitales despus delregistro de datos.

y Facilidad de almacenamiento. Una vez que el regis-tro de un sismo se tiene en formato digital, se puedecopiar sin prdida de fidelidad, lo que no pasa conformato analgico que se degrada cada vez que es

copiado.La Figura 4.15a muestra el acelermetro Basalt,

un acelergrafo triaxial digital de alto rango dinmico(155 dB), con un escala completa de 2g o 4g. Tiene unconvertidor Delta Sigma de 24-bit por canal, con sistemade almacenamiento en tarjetas tipo flash, intervalos depre y post eventos variables, velocidad de muestreo ajus-table, sistema de activacin con diferentes criterios, refe-rencia de tiempo tipo GPS y con opciones de monitoreoremoto para el control y transferencia de informacin.

La Figura 4.15b ilustra el acelergrafo Granite, un

registrador multicanal con capacidad de 36 canales conun rango dinmico de 130 dB. Con una rango de fre-cuencias de DC a 80 Hz @ 200 muestras por segundo(sps).

La Figura 4.15c representa el acelergrafo Dolomite,un registrador que funciona como un sistema central deregistro (Central Recording System), con capacidad has-ta de 36 canales, con un rango dinmico de 127 dB.Posee un rango de frecuencias de DC a 80 Hz @ 200sps. Por encargo se puede tener hasta 2,000 sps.

La Figura 4.16a muestra el acelermetro modelo

130-SMHR de 24-bit, con amplio rango dinmico (ma-yor de 135 dB), bajo nivel de ruido, disponible en 3, 6y 9 canales.

La Figura 4.16b ilustra el acelergrafo de ultra-alta re-solucin modelo 130-GSN, de diseo modular porttil,funciones avanzadas de calibracin, correccin de datostelemtricos va Ethernet o series PPP. Velocidades demuestreo desde 1000 sps hasta 0.1 sps.

4.5 Recomendaciones

generales para la

instalacin de estaciones

acelerogrficas

Es fundamental contar con una infraestructura de me-dicin y observacin ptima que permita, a partir delos registros ssmicos obtenidos, precisar su rea deocurrencia y las intensidades a las que se someten lasobras de ingeniera civil.

Las estaciones para el registro ssmico del comporta-miento de obras hidrulicas deben asegurar que las ca-ractersticas de la instrumentacin moderna (e.g, altorango dinmico, bajo nivel de ruido) sern utilizadas asu mximo potencial. A continuacin se dan recomenda-

ciones generales para la instalacin de acelermetros, nose pretenden cubrir todos los detalles, para tal fin se re-comienda consultar a Bycroft (1978); McJunkin (1979);Crouse et al. (191984); Luco, Anderson y Georgevich(1990) y Trnkoczy (1998).

La distribucin, localizacin y caractersticas de las es-taciones acelerogrficas (EA) se definen para una obrahidrulica particular. Se recomienda realizar estudios en-focados a la adecuada eleccin del tipo de base y casetade proteccin, que considere las propiedades mecnicasdel terreno en donde sern desplantadas las EA, para mi-

nimizar los efectos de interaccin suelo-estructura (ISE).En general, son varios los factores que se deben tomar

en cuenta para una ptima colocacin de la instrumen-tacin ssmica:

y Tipo de equipo instalado

y Climay Condiciones geolgicasy Materiales de construcciny Acceso a la estacin

y Seguridad del equipo

4.5.1 Acelergrafo

Se recomienda la instalacin de acelergrafos digita-les de tres componentes para movimientos intensos,con sensores del tipo de balance de fuerzas (force


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4.7



y Proporcionar al equipo condiciones ambienta-les adecuadas para su buen funcionamiento (i.e.,temperatura).

y Proporcionar el espacio suficiente que permita el f-cil acceso y las actividades de toma de datos y man-tenimiento (i.e., con dimensiones mnimas de 2 m x2 m x 2 m).

yMitigar el ruido generado por el viento, los huma-nos, los animales y otras fuentes.

y Asegurar el suministro de corriente elctrica

y Proteccin contra descargas elctricas atmosfricas

y Propocionar un sistema de tierra adecuado paragarantizar la proteccin y el funcionamiento delequipo electrnico.

La losa de cimentacin del acelergrafo debe ser in-dependiente de la losa de cimentacin de la caseta, paralo cual se debe dejar una junta en todo el permetro de

5 cm entre las dos losas. En el interior de la caseta sealberga el acelergrafo, una computadora, un sistema dealimentacin (no break) y el receptor de los enlaces detelecomunicaciones que transmiten la seal en tiemporeal desde cada uno de los acelergrafos esclavos. LaFigura 4.21 muestra un ejemplo de caseta, ntese lanecesidad de un buen drenaje.

4.5.3.1 Torre metlica y accesorios

En las inmediaciones de la base de concreto, se coloca

otra, de 40 x 40 cm, la cual se utiliza para apoyar unatorre metlica triangular de 6 a 9 m de altura. En la par-te superior de la torre se colocan las celdas solares y elsistema de recepcin satelital (GPS) para el control deltiempo.

La celdas solares deben tener una potencia pico de 75W, un voltaje de salida en circuito abierto de 20.7 V yuna corriente en corto circuito de 4.97 A.

4.6 Arreglo acelerogrfico

para una obra hidrulica

Un arreglo (arrey) acelerogrfico es un grupo de ins-trumentos de registro ssmico distribuidos en un readeterminada y que funcionan sobre una base de tiempo

de concreto se ahoga un marco de acero que sirvepara sujetar la caja metlica.

y Anclar el acelergrafo al centro de la losa.

y Evitar colocar el acelergrafo en un pedestal eleva-do, se recomienda un pedestal de 10 cm de altura.

y Proteger el acelergrafo con una caja de acero em-

potrada en la base de concreto armado, como semuestra en la Figura 4.18. La caja est integradapor un cuerpo superior o tapa, un cuerpo inferior obase, una placa de control trmico o sombrilla y uncubre candado. En su interior se tienen dos compar-timentos, uno con espacio suficiente para albergarel acelergrafo y otro para resguardar las bateras, elregulador de voltaje y en general el cableado propiode la instrumentacin.

4.5.2.1 Construccin de la cimentacin

La losa de cimentacin de las estaciones acelerogrfi-cas pueden estar desplantadas sobre afloramientos deroca, en suelo, o en el cuerpo de la cortina de una obrahidrulica.

y Estacin acelerogrfica en rocaLa losa de cimentacin se debe desplantar sobreroca sana, se perforan cuatro barrenos de 3.8 cmde dimetro y 50 cm de profundidad en los que seinsertan varillas de acero de 3/8 que a su vez seligan a la parrilla de acero de la losa de cimentacin

(Figura 4.19).y Estacin acelerogrfica en suelo

En el caso de la estacin sobre suelo, se realiza unaexcavacin perimetral de 1 m de profundidad por15 cm de ancho y en su interior se coloca una mallade acero de refuerzo para posteriormente realizar elcolado de concreto directamente sin colocar cimbra,de tal forma que la masa de suelo quede rodeada ysujeta por ste (Figura 4.20).

4.5.3 CasetaPara albergar el equipo de registro ssmico de un puestocentral de registro (PCR), deber construirse una casetacon los requisitos generales:


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4.9



y En 1973 se instala el Sistema de Informacin SismoTelemtrica de Mxico (SISMEX), con el propsitode registrar en tiempo real, la actividad ssmica enel Valle de Mxico y estados aledaos. En la dcadade los setenta, se utiliz equipo digital dotado conregistro en cinta magntica.

y En 1984 se instala la Red de Guerrero.

y En 1991 se instala la Red del Valle de Mxico.

y En 1985 se instala la Red de la ciudad de Mxico.En los aos ochenta se considera la era del registrossmico digital de alta resolucin, el cual cuenta consistemas de almacenamiento en tarjetas tipo flash,intervalos de pre y post eventos variables, velocidadde muestreo variable, sistemas de activacin con di-ferentes criterios, referencia de tiempo tipo GPS.

y En 1985 se ubica un arreglo de 20 instrumentos

ssmicos en el estado de Guerrero.

y En 1985 se registra un sismo de gran magni-tud tanto en una regin muy cercana al epicen-tro, as como en la ciudad de Mxico; las es-taciones Caleta de campos y La Villita (9 km)presentaron aceleraciones del orden de 160 cm/s2,en la ciudad de Mxico se alcanz un valor pico de168 cm/s2 en la estacin SCT. En terreno firme,estacin CU se obtuvieron 35 cm/s2 .

4.8 Base Mexicana de

Datos de Sismos Fuertes

Con el objetivo principal de reunir, estandarizar y distri-buir la informacin ssmica producida por instrumentosinstalados en pozo profundo, campo libre y estructuras,en Mxico y asociada al registro de sismos fuertes, conel apoyo de la Sociedad Mexicana de Ingeniera Ssmica,surgi el grupo de la Base Mexicana de Datos de Sismos

Fuertes (MNDSF) integrado por:1. Centro de Instrumentacin y Registro Ssmico

(CIRES)2. Centro de Investigacin Cientfica y Estudios

Superiores de Ensenada (CICESE)

3. Fundacin ICA

4. Gerencia de Ingeniera Experimental y Control de laCFE (GIEC-CFE)

5. Instituto de Ingeniera (II-UNAM)6. Instituto de Geofsica (IG-UNAM)7. Red Interuniversitaria de Instrumentacin Ssmica

(RIIS)

La estructura general de la BMDSF est asociada yrelacionada por medio de cuatro bases de datos que con-tienen informacin de:

y Redes acelerogrficas

y Sismos que generaron registroy Acelerogramas registrados

y Banco de datos con las series tiempo-aceleracin

El formato para los acelerogramas mexicanos es elArchivo Estndar de Aceleracin ASA2.0 La Figura4.22 muestra un diagrama de la arquitectura de la base

mexicana de sismos fuertes y la Figura 4.23 presenta laestructura de la BMDSF.

Una breve descripcin consiste de:y Ttulo. Identificacin de la institucin responsable, su

nombre y direccin.y Nombre del archivo. Nombre del archivo, formato, fe-

cha y hora de su creacin y una referencia al catlogogeneral.

y Estacin de registro e instrumento.Incluye una des-cripcin de la estacin, nombre, cdigo, direccin ylocalizacin (coordenadas), altitud, tipo de suelo y la

institucin a cargo de su operacin. Con relacin alinstrumento, se especifica: modelo, nmero de serie,nmero de canales, orientacin, velocidad de mues-treo, rango de la escala completa, frecuencia natural,amortiguamiento, intervalo de muestreo, umbral dedisparo de cada canal, memoria de preevento y depostevento.

y Datos del sismo. Incluye fecha y tiempo de origen(GMT) del evento, magnitud, localizacin epicentral,profundidad focal y datos de la fuente.

y Datos acerca del acelerograma. Tiempo de la primera

muestra (GMT) y su precisin, duracin del registro,nmero de muestras, mxima aceleracin (en gals),factor de decimacin y especificacin del formato dedatos FORTRAN usado para los valores numricos.

y Comentarios. Algunos comentarios sobre la calidad,


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Figura 4.5 Esquema bsico de un sismgrafo.


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Figura 4.12 Distorsin armnica


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Figura 4.13 Caracterstica Entrada-Salida de un instrumento

Figura 4.14 Rango dinmico


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Figura 4.20 Cimentacin para estacin acelerogrfica en suelo


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Figura 4.22 Arquitectura de la Base Mexicana de Datos de Sismos Fuertes (SMIS, 2000)


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Figura 4.24 Cobertura de la red acelerogrfica actual (Alcntara et al, 2000)


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5.3



usado para caracterizar a un acelerograma particular. LaAHM es el valor absoluto de la aceleracin horizontalmxima para una componente. Como los acelergrafostriaxiales registran la aceleracin en dos direcciones per-pendiculares, se puede obtener la aceleracin horizontalmxima con la suma vectorial de las dos componenteshorizontales.

En la dcada de los sesenta se dispona de un nmerolimitado de registros de sismos de moderados a gran-des, con amplitudes mximas del orden de 0.3 g a 0.5 g.Actualmente la situacin ha cambiado, en el terremo-to del Imperial Valley, California, del 15 de octubre de1979 (M = 6.5), se registr una aceleracin mximade 1.7 g en la componente vertical del registro en laPresa Pacoima (Figura 5.7) y de 1.2 g en la componentehorizontal.

Se ha observado que cerca de la fuente de sismospequeos se registran altas aceleraciones. Por ejemplo,

el sismo de Bear Valley, California, del 4 de septiembrede 1972 (M = 4.7), la aceleracin pico fue de 0.6 g. Es-tas observaciones muestran que la aceleracin pico pors sola es un parmetro engaoso para medir la escala delmovimiento del terreno en las aplicaciones de laingeniera.

La parte superior de la Figura 5.5 muestra la histo-ria de aceleracin (acelerograma) del sismo El Centrode 1940. En dicha figura se nota un crculo que mues-tra la mxima aceleracin ocurrida, A

mx= -0.319 g =

-312 cm/s2. Este es un parmetro de amplitud de ace-

leracin. Por medio de integracin numrica se obtienela historia de velocidad (Figura 5.5b). En esta figuracon un crculo, se indica la mxima velocidad ocurrida,V

mx = -33.12 cm/s. Este parmetro se conoce como

parmetro de amplitud de velocidad. Nuevamentemediante integracin numrica se obtiene la Figura5.5c, la cual muestra el mximo de desplazamiento,D

mx= -21.33 cm. As que:

y Amx

= 312 cm/s2

y Vmx

= 33.12 cm/s

y

Dmx = 21.33 cmLa parte superior de la Figura 5.6 muestra la compo-

nente S81E del acelerograma del sismo de San Fernan-do ocurrido el 9 de febrero de 1971. En dicha figura serepresenta la historia de velocidades y la dedesplazamientos. As que:

y Amx

= 140.2 cm/s2

y Vmx

= 16.1 cm/s

y Dmx

= 7.1 cm

La parte superior de la Figura 5.7 muestra la com-ponente S09W del acelerograma del sismo de San Fer-nando ocurrido el 9 de febrero de 1971. En dicha figu-

ra se muestra la historia de velocidades y la historia dedesplazamientos. As que:

y Amx

= 129.0 cm/s2

y Vmx

= 22.3 cm/s

y Dmx

= -.8.4 cm

La parte superior de la Figura 5.8 muestra la com-ponente vertical del acelerograma del sismo de SanFernando, ocurrido el 9 de febrero de 1971. En dichafigura se muestra la historia de velocidades y la historiade desplazamientos. As que:

y Amx= -99.9 cm/s2

y Vmx

= -7.9 cm/s

y Dmx

= 2.6 cm

Las tres componentes (N-S, E-O y V) de la aceleracin(acelerograma no-corregido) del terreno, para el sismoMorgan Hill del 24 de abril de 1984, se muestran en laFigura 5.9, donde se observa que la aceleracin hori-zontal alcanz 0.293 g, con una aceleracin vertical de0.426 g.

La componente N-S (acelerograma corregido) de

la aceleracin del terreno, para el sismo Morgan Hilldel 24 de abril de 1984, se muestra en la Figura 5.10,donde se observa que la aceleracin horizontal alcanz0.2804 g. En la misma figura se aprecian la velocidady desplazamiento mximos de 36.6 cm/s y -5.24 cm,respectivamente.

La componente vertical (acelerograma corregido)de la aceleracin del terreno, para el sismo Morgan Hilldel 24 de abril de 1984, se muestra en la Figura 5.11,donde se observa que la aceleracin maxima alcanz0.409.2 g. En la misma figura se aprecian la velocidad

y desplazamiento mximos de 14.5 cm/s y 1.65 cm,respectivamente.


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5.4



5.1.1.2 Parmetros de duracin

La duracin del acelerograma tiene una gran influenciasobre el dao que puede causar el sismo que lo origin.Muchos procesos fsicos, tales como la degradacin dela rigidez o de la resistencia al esfuerzo cortante de lossuelos, dependen del nmero de ciclos de esfuerzo apli-

cados, el nmero de ciclos de esfuerzo depende de laduracin del sismo. Un movimiento de corta duracinpuede no producir dao en los suelos, aun si la amplitudes grande. Un movimiento de moderada amplitud, perode larga duracin puede producir suficiente nmero deinversin de esfuerzos y producir un dao considerable.

Hay varias maneras de medir la duracin de un sismo(Bommer y Martnez-Pereira 1999). La duracin de unsis

Documents

CONAGUA - INSTRUMENTACION SISMICA.pdf