FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN

FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS
VOLCÁNICAS.
IVONN YAMILE MORALES RAMIREZ
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTA
JUNIO 2011
1
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
IVONN YAMILE MORALES RAMIREZ
Trabajo de grado para optar el título de Ingeniero Civil
Director PhD. Carlos Eduardo Rodríguez Pineda, Ingeniero Civil
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTA
JUNIO 2011
2
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
FIRMA DEL DIRECTOR
FIRMA DEL EVALUADOR
BOGOTA, JUNIO DE 2011
3
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a los ingenieros Carlos Eduardo Rodríguez Pineda y Oscar Correa por su
orientación y colaboración en el proceso. A los laboratorios de la Universidad Nacional de
Manizales y de la Pontificia Universidad Javeriana por la elaboración de los ensayos.
Finalmente agradezco el apoyo de mis padres, hermanos, novio y amigos quienes son las
personas más importantes en mi vida.
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FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
CONTENIDO
1.
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 14
1.1
2.
3.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA, ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN . 14
OBJETIVOS .............................................................................................................................. 17
2.1
General ............................................................................................................... 17
2.2
Específicos .......................................................................................................... 17
MARCO TEORICO Y ESTADO DEL ARTE ............................................................................. 17
3.1
Respuesta dinámica de depósitos de suelos blandos. ................................. 17
3.1.1
Introducción ....................................................................................................... 17
3.1.2
Carga cíclica ....................................................................................................... 18
3.1.2.1
Amplitud ............................................................................................................. 18
3.1.2.1.1
Aceleración Pico ................................................................................................ 20
3.1.2.1.2
Velocidad Pico .................................................................................................... 21
3.1.2.1.3
Desplazamiento pico ......................................................................................... 22
3.1.2.2
Contenido Frecuencial ...................................................................................... 22
3.1.2.2.1
Espectro del movimiento de suelo.................................................................. 23
3.1.2.2.2
Espectro de energía .......................................................................................... 24
3.1.2.2.3
Espectro de respuesta ...................................................................................... 25
3.1.2.2.4
Periodo predominante ...................................................................................... 25
3.1.2.3
Duración ............................................................................................................. 26
3.1.3
Efecto de sitio .................................................................................................... 27
3.1.3.1
Efecto topográfico ............................................................................................. 27
3.1.3.2
Efecto Geológico ............................................................................................... 29
3.1.3.2.1
Amplificación geométrica (Impedancia): ....................................................... 29
3.1.3.2.2
Amplificación dinámica o resonancia: ............................................................ 30
3.1.4
Propiedades Dinámicas .................................................................................... 30
3.1.4.1
Módulo de rigidez al corte dinámico del suelo.............................................. 30
5
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CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.1.4.2
Coeficiente de amortiguamiento dinámico del suelo ................................... 31
3.1.5
Principales Factores que afectan propiedades dinámicas del suelo .......... 32
3.1.5.1
Efecto de la amplitud de deformación ........................................................... 32
3.1.5.2
Presión efectiva de confinamiento.................................................................. 34
3.1.5.3
Efecto de la historia de consolidación ............................................................ 35
3.1.5.4
Efecto del índice de plasticidad del suelo ...................................................... 36
3.1.5.5
Efecto de la relación de vacíos........................................................................ 38
3.1.6
Arcillas................................................................................................................. 39
3.1.6.1
Factores que afectan al módulo de corte y el amortiguamiento de arcillas39
3.1.6.2
Efectos de plasticidad en comportamiento cíclico de arcillas ..................... 42
3.1.6.3
Efectos de la densidad en el módulo de corte de la arcilla ........................ 43
3.1.6.4
Degradación del módulo de corte de arcillas ................................................ 44
3.1.6.5
Coeficiente de amortiguamiento de arcillas .................................................. 46
3.1.6.6
Curvas G y h de muestras inalteradas ........................................................... 47
3.1.7
Cenizas Volcánicas ............................................................................................ 49
3.1.7.1
Naturaleza de las partículas de cenizas volcánicas ...................................... 49
3.1.7.1.1 Clasificación de las cenizas volcánicas considerando el origen de los
fragmentos ............................................................................................................................. 50
3.1.7.1.2
Clasificación considerando el tamaño del clasto .......................................... 51
3.1.7.1.3
Formación........................................................................................................... 53
3.1.7.2
Depósitos de Ceniza Volcánica ........................................................................ 56
3.1.7.3
Reconocimiento de las cenizas volcánicas .................................................... 57
3.1.7.4
Caracterización geotécnica .............................................................................. 59
3.1.7.4.1
Propiedades Físico-Químicas ........................................................................... 60
3.1.7.4.2
Propiedades Mecánicas .................................................................................... 61
3.1.7.5
Caracterización Dinámica de cenizas volcánicas .......................................... 64
3.1.7.5.1
Curvas de degradación de módulo cortante para cenizas volcánicas ....... 65
3.1.7.5.2
Respuesta dinámica de depósitos de Ceniza Volcánica .............................. 74
3.2
Normativa de los ensayos ................................................................................ 77
3.2.1
Introducción ....................................................................................................... 77
6
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CENIZAS VOLCÁNICAS
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3.2.2
Cargas repetidas ............................................................................................... 78
3.2.3
Ensayo Bender Element ................................................................................... 82
3.2.3.1
Método de prueba estándar de laboratorio para la determinación de
velocidades de pulso ultrasónico y constantes elásticas de las rocas ASTM D2845-95.82
3.2.4
Ensayo Triaxial Cíclico ...................................................................................... 83
3.2.4.1
Método de prueba estándar para carga controlada del suelo con el uso del
Triaxial cíclico ASTM D5311-92 (Aprobada de nuevo en 2004). ................................... 84
3.2.5
Ensayo Columna Resonante ............................................................................ 85
3.2.5.1
Método estándar de ensayo para módulo de corte y amortiguación del suelo
Columna Resonante ASTM D4015-92. ............................................................................... 87
3.2.6
Trayectoria de esfuerzos .................................................................................. 88
3.2.6.1
Tiaxial Cíclico ..................................................................................................... 88
3.2.6.2
Columna Resonante .......................................................................................... 93
4.
CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE CENIZAS
VOLCÁNICAS DE MANIZALES ............................................................................................. 95
4.1
Introducción ....................................................................................................... 95
4.2
Metodología de los ensayos ............................................................................ 97
4.3
Parámetros de ensayo ...................................................................................... 97
4.4
Sismos de Diseño ............................................................................................ 102
4.5
Caracterización de las muestras de suelo ................................................... 105
4.6
Resultados de ensayos de laboratorio ......................................................... 106
4.6.1
Ensayos de Compresión triaxial cíclico ........................................................ 106
4.6.1.1
Muestra N°22, SH10 (1) ................................................................................ 106
4.6.1.2
Muestra N°22, SH 10 (2) ............................................................................... 107
4.6.1.3
Muestra N°12, SH 5 ........................................................................................ 109
4.6.1.4
Muestra N°25, SH 12 ...................................................................................... 110
4.6.2
Ensayos de Bender Element .......................................................................... 112
4.6.2.1
Muestra N°22, SH 10 (1) ............................................................................... 112
4.6.2.2
Muestra N°22 , SH10 (2) ............................................................................... 113
4.6.2.3
Muestra N°12, SH 5 ........................................................................................ 114
4.6.2.4
Muestra N°25, SH 12 ...................................................................................... 115
7
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.3
Ensayos Columna Resonante ........................................................................ 116
5.
ANALISIS DE RESULTADOS........................................................................... 120
5.1
Construcción curvas de degradación de módulo y comportamiento de
amortiguamiento................................................................................................................. 120
5.2
Comparación de los niveles de amplificación de onda con los obtenidos en la
microzonificación Sísmica de Manizales. ......................................................................... 120
6.
MODELACIÓN RESPUESTA DINÁMICA DE UN DEPÓSITO DE CENIZA
VOLCÁNICA .......................................................................................................................... 126
6.1
Respuesta dinámica de depósitos de ceniza volcánica mediante un software
de modelación unidimensional (EERA). ........................................................................... 126
6.1.1
Modelos de depósitos de ceniza volcánica .................................................. 127
6.1.2
Pasos de la modelación en EERA .................................................................. 127
6.1.2.1
Sismo (earthquake): sismo de entrada en el tiempo ................................ 127
6.1.2.2
Perfil: Perfil vertical de las capas de suelo .................................................. 129
En esta hoja se incluyen todas las características del material: .................................. 129
6.1.2.3
Mat (i) 1, 2, 3 ,4: Material de curvas (G / Gmax y la amortiguación frente a la
deformación de tipo de material i) ................................................................................... 132
6.1.2.4
Resultados de la iteración de cálculo principal ........................................... 134
6.1.2.5
La aceleración en el tiempo: aceleración / velocidad / desplazamiento . 135
6.1.2.6
Tiempo de esfuerzo deformación ................................................................. 136
6.1.2.7
Amplificación entre dos sub-capas ............................................................... 137
Espectro de amplitud de Fourier de la aceleración ........................................................ 137
6.1.2.8
Espectros de respuesta .................................................................................. 138
7.
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SISMICAS EN CENIZAS
VOLCÁNICAS DE MANIZALES ........................................................................................... 139
7.1
Comparación de los espectros de aceleración de la Microzonificación sísmica
de Manizales con los resultados obtenidos ..................................................................... 140
8.
CONCLUSIONES .............................................................................................. 143
9.
RECOMENDACIONES ...................................................................................... 145
10.
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 145
11.
ANEXOS ............................................................................................................ 149
8
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Paso de las ondas sísmicas en terrenos con distinta competencia. ....................... 14
Figura 2 Sismo 23/11/1979 Milán - Manizales .......................................................................... 16
Figura 3 Clasificación de problemas dinámicos ......................................................................... 19
Figura 4 Registros de Movimiento, aceleración, velocidad y desplazamientos históricos del
E-W componentes de Gilroy Nº1 (roca) y Gilroy Nº2 (suelo). Gilroy, California durante el
sismo de Loma Prieta de 1989. .................................................................................................... 20
Figura 5 Relaciones propuestas entre PHA y MMI. .................................................................. 21
Figura 6 Espectros de amplitud de Fourier para los componentes EW of Gilroy N º 1
(roca) un Gilroy N º 2 (suelo). Gilroy, California durante el sismo de Loma Prieta de 1989.
........................................................................................................................................................... 24
Figura 7 Dos espectros de amplitud de Fourier hipotéticos con el mismo período
predominante pero con contenidos diferentes frecuencia. La curva superior describe un
movimiento de banda ancha y la inferior un movimiento de banda estrecha. ..................... 26
Figura 8 Aceleraciones de pico normalizadas para un talud (medianas y barras de error) 28
Figura 9 Caracterización de irregularidades topográficas simples ......................................... 29
Figura 10 Curva de histéresis deformación de corte γ, tensión de corte τ y definición del
módulo de corte máximo Gmáx, tangente Gtan y secante Gsec. El esfuerzoτ se expresa en
kPa y la deformación γ es adimensional y se expresa en %. .................................................. 31
Figura 11 Curvas de reducción de módulo de corte y amortiguamiento con el nivel de
deformación de corte. .................................................................................................................... 33
Figura 12 Variación del módulo de corte en función del esfuerzo de confinamiento, del
índice de plasticidad y la deformación cíclica de corte (a) y (b). ............................................ 35
Figura 13 Esfuerzo límite de corte para la no linealidad afectada por el índice plástico. .... 36
Figura 14 Variación del módulo de corte en función del grado de sobreconsolidación del
suelo y del índice de plasticidad y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas en
relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la
rigidez. .............................................................................................................................................. 37
Figura 15 Variación de la razón de amortiguamiento en función del índice de plasticidad, el
grado de sobreconsolidación del suelo y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas
en relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la
rigidez. .............................................................................................................................................. 38
Figura 16 Lazos de histéresis medidos durante el primero y el décimo ciclo. ....................... 40
Figura 17 Efectos de la historia de consolidación en módulo de esfuerzo dependiente y el
coeficiente de amortiguamiento. .................................................................................................. 42
Figura 18 Efecto del OCR en el Gmax de la arcilla ....................................................................... 43
Figura 19 Variación de Gmax de la arcilla con la relación de vacios. ..................................... 44
9
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CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 20 Degradación observada ensayos. ............................................................................... 45
Figura 21 Coeficiente de amortiguamiento de la arcilla, arena y grava. ................................ 46
Figura 22 Efectos de la presión de confinamiento en el coeficiente de amortiguamiento de
la arcilla ............................................................................................................................................ 47
Figura 23 Fotos del barrido del microscopio electrónico de los materiales ensayados. ....... 50
Figura 24 Formación de los suelos derivados de cenizas volcánicas. ..................................... 54
Figura 25 Resultados del I.A. para materiales del Eje Cafetero. ............................................. 58
Figura 26 Perfil típico del subsuelo. ............................................................................................. 60
Figura 27 Resultado del ensayo de doble odómetro para muestra de relleno de 1.25
ton/m3............................................................................................................................................... 64
Figura 28 Curvas de degradación del módulo de corte (G), características para las cenizas
volcánicas del Eje Cafetero, presentadas.................................................................................... 65
Figura 29 Variación de G con la profundidad, resumen de valores típicos presentados para
el Eje Cafetero. ................................................................................................................................ 66
Figura 30 Degradación del Módulo de Corte vs. la Deformación de Corte en función del
Índice de Liquidez. .......................................................................................................................... 67
Figura 31 Amortiguamiento vs. Deformación de Corte en función del Índice de Liquidez. 67
Figura 32 Curvas de Degradación de Módulo obtenidas a partir de ensayos dinámicos
realizados. ........................................................................................................................................ 69
Figura 33 Parámetros para determinar los modelos de degradación de la rigidez en función
de IL .................................................................................................................................................. 70
Figura 34 Modelos de Repuesta Dinámica en función del Índice de Liquidez. ...................... 71
Figura 35 Curvas de Amortiguamiento Obtenidas a partir de los Ensayos ............................ 72
Figura 36
en función del Índice de Liquidez ....................................................................... 73
Figura 37 Modelos de Repuesta Dinámica Curvas de Amortiguamiento ................................ 74
Figura 38 Respuesta de las cenizas volcánicas de Armenia, (espesor variable; 0 ≤ e(m) ≥
7, considerando el sismo del 25 de enero de 1999, en donde se presentan las mayores
aceleraciones espectrales para un rango de periodos entre 0.1 y 0.5 seg............................ 76
Figura 39 Niveles de deformación típicos asociados con diferentes ensayos de laboratorio y
eventos de campo. ......................................................................................................................... 78
Figura 40 Tipos de carga. .............................................................................................................. 79
Figura 41 Curvas Esfuerzo-Deformación para carga cíclica...................................................... 80
Figura 42 Curvas de histéresis y curva esqueleto ...................................................................... 81
Figura 43 Reducción de la rigidez con el incremento del esfuerzo ......................................... 81
Figura 44 Medida de la velocidad de propagación de ondas por Bender Element. .............. 82
Figura 45 Cámara Triaxial Cíclica ................................................................................................. 84
Figura 46 Dispositivo tipo de un ensayo de columna resonante: (a) Vista superior del
sistema de carga, (b) Vista lateral del sistema de carga. ......................................................... 86
10
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 47 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen isotrópicamente
consolidado (TC-IC) ........................................................................................................................ 91
Figura 48 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen
anisotrópicamente consolidado (TC-AC) ..................................................................................... 92
Figura 49 Mapa de zonificación sísmica de Colombia ............................................................... 96
Figura 50 Número de ciclos equivalentes del esfuerzo uniforme, Neq para sismos de
diferente magnitud. ........................................................................................................................ 98
Figura 51 Factor de reducción para calcular la variación del esfuerzo de corte cíclico con
profundidad de superficies de tierra por debajo del nivel o ligeramente inclinadas. ........... 98
Figura 52 Esfuerzo Cortante τ vs. Esfuerzo Normal σ ............................................................. 100
Figura 53 Señales escaladas representativas de la amenaza sísmica homogénea a nivel de
roca. Fuente: (Calle, 2011) ......................................................................................................... 103
Figura 54 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras
N°22, SH 10 (1) y N°22, SH 10 (2)............................................................................................ 118
Figura 55 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras
N°25, SH 12 y N°12, SH 05 ....................................................................................................... 119
Figura 56 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (1) ............................................................. 122
Figura 57 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (2) ............................................................. 123
Figura 58 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°12, SH 05 .................................................................... 124
Figura 59 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°25, SH 12 .................................................................... 125
Figura 60 Hoja N°1 del programa EERA - Earthquake........................................................... 128
Figura 61 Hoja N°3 del programa EERA – Profile ................................................................... 129
Figura 62 Hoja N°3 del programa EERA – Mat 1 .................................................................... 132
Figura 63 Hoja N°4 del programa EERA – Mat 2 .................................................................... 132
Figura 64 Hoja N°5 del programa EERA – Mat 3 .................................................................... 133
Figura 65 Hoja N°6 del programa EERA – Mat 4 .................................................................... 133
Figura 66 Hoja N°7 del programa EERA – Iteration ............................................................... 134
Figura 67 Gráfica resultado del Programa EERA – Profundidad vs Aceleración máxima.. 134
Figura 68 Hoja N°8 del programa EERA –Aceleration ........................................................... 135
Figura 69 Hoja N°9 del programa EERA –Strain ..................................................................... 136
Figura 70 Hoja N°10 del programa EERA – Amplification ..................................................... 137
Figura 71 Hoja N°11 del programa EERA – Fourier ............................................................... 137
Figura 72 Hoja N°11 del programa EERA – Spectra .............................................................. 138
Figura 73 Velocidad de onda cortante del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales . 140
Figura 74 Espectros de aceleración en superficie Sismo Calima ........................................... 141
11
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 75 Espectros de aceleración en superficie Sismo Romeral Sintético ........................ 141
Figura 76 Aceleración espectral- Periodo – Sismos Benioff Calima y Romeral Sintético –
Suelo 1 y 2 y suelo de la MZSM .................................................................................................. 142
12
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Sismos históricos Caldas .................................................................................................. 16
Tabla 2 Duraciones típicas de terremotos en distancias epicentrales menores a 10 km. ... 27
Tabla 3 Relación entre el índice de plasticidad y el parámetro K ............................................ 39
Tabla 4 Parámetros de Yasuda-Yamaguchi, fórmulas empíricas............................................. 48
Tabla 5 Cenizas ............................................................................................................................... 51
Tabla 6 Lapilli .................................................................................................................................. 52
Tabla 7 Bloques ............................................................................................................................... 53
Tabla 8 Bombas .............................................................................................................................. 53
Tabla 9 Terminología relacionada con los depósitos de origen volcánico. ............................ 55
Tabla 10 Clasificación para el potencial de colapso. ................................................................. 63
Tabla 11 Ensayos para la caracterización dinámica .................................................................. 77
Tabla 12 Datos de entrada para la realización de los ensayos Triaxiales. ........................... 102
Tabla 13 Datos de entrada para la realización de los ensayos de Columna Resonante .... 102
Tabla 14 Señales originales representativas de sismos probables ........................................ 104
Tabla 15 Caracterización de las muestras de suelo ................................................................. 105
Tabla 16 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (1) ...................... 112
Tabla 17 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (2) ...................... 113
Tabla 18 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°12, SH 5 ............................... 114
Tabla 19 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°25, SH 12 ............................. 115
Tabla 20 Resultados de ensayos Columna Resonante ............................................................ 116
Tabla 21 Parámetros del Perfil de suelo Mat 1......................................................................... 130
Tabla 22 Parámetros del Perfil de suelo Mat 2......................................................................... 131
Tabla 23 Parámetros del Perfil de suelo Mat 3 ....................................................................... 131
Tabla 24 Parámetros del Perfil de suelo Mat 4......................................................................... 131
Tabla 25 Factores de amplificación de ondas sísmicas en cenizas volcánicas de Manizales.
......................................................................................................................................................... 139
Tabla 26 Parámetros del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales .............................. 140
Tabla 27 Comparación de las aceleraciones espectrales modeladas ................................... 143
13
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
1. INTRODUCCIÓN
1.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA, ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
Las zonas con presencia de cenizas volcánicas son propensas a movimientos sísmicos
debido a que la naturaleza y la distribución de los daños producidos por los sismos está
influenciada por la respuesta del terreno frente a cargas cíclicas, produciendo una
modificación de la señal sísmica (Aki, 1988). La modificación de esta señal sísmica debida
a la influencia de las condiciones geológicas y topográficas, se conoce como efecto de sitio
y consiste en la amplificación de dicha señal. Por esto se requiere un conocimiento
profundo del comportamiento mecánico de cenizas volcánicas bajo condiciones de carga
dinámica.
La presencia de terrenos, considerados geotécnicamente blandos como cenizas volcánicas,
próximos a la superficie del terreno produce un aumento considerable de daños generados
por sismos, al condicionar la amplificación de las ondas sísmicas en un rango de periodos
altos de vibración de los materiales, que coincide con el periodo de vibración de las
estructuras. La respuesta y la magnitud de esa amplificación de la señal están controladas
principalmente por las propiedades geotécnicas de los materiales geológicos,
especialmente por sus características dinámicas, así como el espesor de las capas y la
profundidad a la que se encuentra el sustrato rocoso. Cuando se produce una sacudida
sísmica se libera una gran energía de deformación almacenada. Esta energía se transmite
por el interior de la tierra en forma de ondas sísmicas que normalmente se atenúan con la
distancia al foco emisor y con el tiempo. Sin embargo, cuando las ondas atraviesan
determinados tipos de terrenos (cenizas volcánicas) el movimiento o la señal de entrada
se amplifican notablemente. La Figura 1 esquematiza un ejemplo del paso de las ondas
símicas en terrenos de distintas competencias (Tsige y García 2006).
Figura 1 Paso de las ondas sísmicas en terrenos con distinta competencia.
Fuente: (Tsige y García 2006).
14
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Este proceso llamado impedancia está en función de la frecuencia y de los parámetros
relativos a las características mecánicas y de composición del suelo, da idea del
comportamiento del suelo al incidir una onda, que no sólo produce un aumento de la
amplitud de las ondas sino también se prolonga la duración de sacudida sísmica y se
modifica su contenido frecuencial (Abascal, et al., 2000). Cuando la frecuencia de la fuerza
externa es igual a algunas de las frecuencias características del sistema, la amplitud
resultante puede ser tan grande que puede ocasionar el colapso de construcciones. En
este caso se dice que la fuerza externa ha entrado en resonancia con el sistema, donde la
amplitud de la oscilación es muy grande. Es decir que el sistema se aleja cada vez más en
el tiempo de su posición de equilibrio (Vilcapoma, 2005). Por otro lado los principales
efectos colaterales normalmente asociados con la respuesta sísmica, corresponden a las
zonas con potencial de licuefacción y zonas con posibilidades de amplificación topográfica
importante, esto indica que los efectos geométricos son importantes en la zona, dadas las
características topográficas superficiales. Las consecuencias más importantes en este tipo
de configuración son los desprendimientos de masas de suelo, fallas de taludes,
avalanchas, además de la natural amplificación de aceleraciones máximas por efectos
topográficos (CIMOC, CEDERI, 2005)
Análisis realizados a los registros de aceleraciones obtenidos en suelos blandos en el sismo
de Lomaprieta (Seed, et al., 1982) indican una máxima amplificación (en el orden de 3 a
6) para períodos largos.
Existen investigaciones sobre el comportamiento de cenizas por licuefacción en estado
suelto y compactado del material, mediante realización de ensayos triaxiales cíclicos
esenciales para evaluar la susceptibilidad de licuefacción y el comportamiento de los
suelos bajo cargas sísmicas (Jakka, et al., 2010).
Manizales se encuentra en una zona de amenaza sísmica de media a alta y en su historia
ha sufrido diversos sismos, (Tabla 1), información importante que justifica el estudio a
realizar con los suelos de Manizales. (Figura 2.)
15
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Tabla 1 Sismos históricos Caldas
Fuente: Microzonificación Sísmica de Manizales
Figura 2 Sismo 23/11/1979 Milán - Manizales
Fuente: Ingeominas
16
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
En la microzonificación sísmica de las amplificaciones reportadas, establecen que las
aceleraciones máximas a nivel de superficie difícilmente sobrepasarían un valor de 0.60g
por los altos efectos no lineales del suelo (CIMOC, CEDERI, 2005).
El subsuelo de ciudades como Manizales, Pereira y Armenia, ha sido estudiado desde el
punto de vista geológico y geotécnico, sin embargo la caracterización dinámica de estos
ha sido insuficiente, por lo que este trabajo busca aportar en el conocimiento de la
respuesta dinámica de depósitos en cenizas volcánicas.
Como punto de partida se plantea que los valores de amplificación adoptados en la
microzonificación sísmica de Manizales subestiman los valores de aceleración de diseño.
Con la investigación se desea determinar los niveles de amplificación de onda para realizar
una comparación con aquellos obtenidos en la microzonificación de Manizales.
2. OBJETIVOS
2.1
General
Establecer factores de amplificación de ondas sísmicas en cenizas volcánicas.
2.2
Específicos
1. Determinar un marco conceptual de comportamiento dinámico de cenizas
volcánicas.
2. Caracterizar el comportamiento dinámico de cenizas volcánicas de Manizales
mediante ensayos de laboratorio.
3. Determinar factores de amplificación de ondas de cenizas volcánicas al modelar la
respuesta dinámica de un depósito de ceniza volcánica.
3. MARCO TEORICO Y ESTADO DEL ARTE
3.1
Respuesta dinámica de depósitos de suelos blandos.
3.1.1
Introducción
La importancia del proceso de amplificación sísmica en suelos blandos o poco consolidados
y su estudio se realizan con el objetivo de reducir los daños estructurales asociados a este,
como la distribución de los daños sísmicos y su naturaleza influenciados principalmente
por la respuesta del suelo frente a cargas cíclicas, controlada por las propiedades del
suelo.
La presencia de depósitos blandos, cercanos a la superficie del terreno produce una
amplificación de la carga sísmica en un rango de periodos altos de vibración de los
17
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
materiales. La respuesta y la magnitud de esa amplificación de la señal están controladas
principalmente por las propiedades geológicas, especialmente por sus características
dinámicas, así como por las características topográficas del terreno.
Es necesario revisar los conceptos más importantes relacionados con la caracterización
sísmica de los suelos. La susceptibilidad de un depósito de suelo para amplificar el
movimiento depende de las propiedades dinámicas, entre éstas, la rigidez del suelo y el
amortiguamiento, propiedades claves para el estudio de la respuesta de sitio. Una
aproximación a la rigidez del suelo se obtiene a partir del módulo de corte G que se
calcula por medio de la velocidad de las ondas sísmicas y la razón de amortiguamiento, ξ,
muestra la capacidad que tiene el suelo para disipar la energía. Estos parámetros se
relacionan con otras propiedades del suelo como la densidad ρ, la relación de Poisson ν,
la presión de poros y la velocidad de onda (Rodriguez, 2007).
3.1.2
Carga cíclica
La carga cíclica describe las características del movimiento de tierra producido por los
sismos mediante tres parámetros importantes: amplitud, contenido frecuencial y duración.
La sacudida provocada por un sismo es una carga cíclica rápida que provoca en el suelo
un comportamiento tenso-deformación no lineal, provocando cambios en el estado de
esfuerzos de dicha masa de suelo la cual causa un incremento tanto dela deformación
como de la presión de poros. La disipación del incremento de presión de poros puede dar
origen a una deformación volumétrica por lo tanto a asentamientos, también a
ablandamientos y pérdida de resistencia al esfuerzo cortante (Rodriguez, 2007).
3.1.2.1 Amplitud
La forma más común de describir el movimiento de tierra es por medio del historial de
tiempos de carga, la longitud de tiempo en el que se alcanza un cierto nivel de fuerza o
esfuerzo en los suelos se define como el tiempo de carga. La rapidez de aplicación de la
carga es, sin duda una función de la caracterización del proceso dinámico. Varios eventos
importantes de la ingeniería se clasifican de acuerdo con el momento de la carga y
demostró en consecuencia en la coordenada horizontal de la Figura 3.
18
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 3 Clasificación de problemas dinámicos
Fuente: (Ishihara, 1996).
En el caso de las vibraciones y ondas, los eventos con un período más corto o mayor
frecuencia se consideran como procesos con un menor tiempo de carga, y a la inversa, un
periodo más largo el problema es considerado como el que tiene un mayor tiempo de
carga. En lo que sigue, el momento de la carga se definirá aproximadamente una cuarta
parte del período en el que es correspondida la carga.
Los problemas en la aplicación de la carga tienen una duración de más de decenas de
segundos que suelen ser citados como algo estático y aquellos con un menor tiempo de
aplicación de la carga son el blanco de los problemas de dinámica. La longitud o falta de
aplicación de carga podrá ser, alternativamente, expresado en términos de velocidad de
carga o tasa de esfuerzo y serán denominados colectivamente como la velocidad de efecto
o tipo de efecto (Ishihara, 1982).
La amplitud puede estar en función de la aceleración, velocidad o desplazamiento (Figura
4), donde se nota la diferencia de las frecuencias predominantes en la aceleración,
velocidad y desplazamiento históricos.
19
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 4 Registros de Movimiento, aceleración, velocidad y desplazamientos históricos del
E-W componentes de Gilroy Nº1 (roca) y Gilroy Nº2 (suelo). Gilroy, California durante el
sismo de Loma Prieta de 1989.
Fuente: (Kramer, 1996)
Las velocidades y los desplazamientos son obtenidos por la integración de las
aceleraciones históricas usando la regla trapezoidal. Nótese que en Gilroy Nº1 (roca)
experimentaron mayores aceleraciones y en Gilroy Nº2 (suelo) sitio experimentaron
mayores velocidades y desplazamientos.
3.1.2.1.1 Aceleración Pico
La medida más común de la amplitud de un movimiento particular de tierra es la
aceleración horizontal pico (PHA). El PHA de un componente de movimiento es
simplemente el valor de aceleración horizontal más grande o absoluta obtenido de los
acelerogramas del componente.
Las aceleraciones horizontales han sido usadas para describir los movimientos del suelo
debido a su relación natural con las fuerzas inerciales; de hecho, las mayores fuerzas
dinámica inducidas en cierto tipo de estructuras están estrechamente relacionados con el
PHA (Kramer, 1996). El PHA puede ser correlacionado con la intensidad del sismo según
20
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Aceleración cm/s2
estudios de Trifunac and Brady (1975), Murphy and O’Brien (1977) y Krinitzsky and Chang
(1987); referenciado por (Kramer, 1996). Sin embargo esta correlación está lejos de la
precisión, pero puede ser útil al momento de la estimación del PHA únicamente cuando se
conoce información de la intensidad. Un número de relaciones de aceleración-intensidad
se han propuesto, algunos de los cuales se muestran en la Figura 5, el uso de las
relaciones de atenuación de intensidad también permite la estimación de la variabilidad
espacial de la aceleración pico del mapa de isosistas de los terremotos históricos.
Equivalente intensidad modificada de Mercalli.
Figura 5 Relaciones propuestas entre PHA y MMI.
Fuente: (Después de Trifunac and Brady (1975), Usado con permiso de la Sociedad
Sismológica de América)
La aceleración vertical ha recibido menos atención en la ingeniería sísmica que la
aceleración horizontal, principalmente por los márgenes de seguridad de seguridad contra
la gravedad inducida por las fuerzas estáticas verticales en construcciones por lo general
proporciona una resistencia suficiente a las fuerzas dinámicas inducidas por la aceleración
vertical (PVA) a menudo se asume que es igual dos tercios de la PHA (Newmark y Hallm
1982); referenciado por (Kramer, 1996).
3.1.2.1.2 Velocidad Pico
La velocidad horizontal pico (PHV) es otro parámetro útil para la caracterización de la
amplitud de movimiento del suelo. Desde que la velocidad sea menos sensible a una
frecuencia alta los componentes del movimiento de tierra mostrado en la Figura 5, El PHV
es más probable a utilizar que el PHA para caracterizar la amplitud del movimiento del
suelo con precisión en frecuencias intermedias. Para estructuras o instalaciones que son
21
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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sensibles a la carga en este rango de frecuencia intermedia, el PVH puede proporcionar
una indicación mucho más precisa del potencial de daño que el PHA (Kramer, 1996).
3.1.2.1.3 Desplazamiento pico
El desplazamiento pico es generalmente asociado con componentes de bajas frecuencias
en un movimiento sísmico. Sin embargo es un parámetro difícil de determinar con
precisión debido a los errores de procesamiento en el filtrado e integración de los
acelerogramas. Como resultado, el desplazamiento pico es menos usado como medida del
movimiento del suelo que la aceleración máxima o pico de velocidad (Kramer, 1996).
3.1.2.2 Contenido Frecuencial
En lo que se denomina el proceso dinámico, la carga es aplicada repetidamente muchas
veces con cierta frecuencia. Por lo tanto la carga de repetición es otro atributo primario
que utilizan para clasificar los problemas dinámicos. Los eventos frecuentes en la práctica
de la ingeniería se clasifican en la Figura 3.
Los problemas asociados con la aplicación rápida de un solo impulso es representada por
el impacto, como el producido por el lanzamiento de bombas o explosiones. La duración
de la carga es corta como de 10-2 – 10-3 segundos que comúnmente se llama un impulso o
fuerza de impacto. La principal sacudida durante los sismos implica de 10 a 20 veces la
repetición de las cargas con diferentes amplitudes. Mientras que la carga sísmica es
irregular en el tiempo de la historia, el período de cada impulso se encuentra dentro del
rango entre 0,1 y 3,0 segundos, dando el tiempo correspondiente de la carga en el orden
de 0,02 a 1,0 segundos como consecuencia se indica en la Figura 3.
Los acontecimientos mencionados anteriormente y compilados según Ishihara (1996)
están relacionados principalmente con lo que se denomina vibración u onda de
propagación. Otro tipo de problema es el comportamiento del suelo al mismo tiempo
sometido a las cargas repetitivas inducidas por el tráfico o la propagación de ondas de
agua.
El comportamiento de los suelos como se manifiesta en las repeticiones de carga de se
refiere como el efecto de la repetición.
Sólo el más simple análisis es necesario para demostrar que la respuesta dinámica de los
edificios, puentes, taludes, o depósitos de suelo, es muy sensible a la frecuencia en que se
cargan. Un terremoto produce cargas complicadas con componentes de movimiento que
abarcan una amplia gama de frecuencias. El contenido frecuencial se describe cómo la
amplitud de un movimiento del suelo se altera entre frecuencias diferentes. Dado que el
contenido de frecuencia de un movimiento sísmico influirá fuertemente en los efectos de
ese movimiento, la caracterización del movimiento no puede ser completa sin la
consideración de su contenido frecuencial (Kramer, 1996).
El contenido frecuencial se caracteriza por: espectro del movimiento de suelo, espectro de
energía, espectro de respuesta y un periodo predominante.
22
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.1.2.2.1 Espectro del movimiento de suelo
Cualquier función periódica puede ser expresada usando el análisis de Fourier como la
sumatoria de una serie de simples términos armónicos de diferentes frecuencias de
amplitud y fase. Usando las series de Fourier de una función periódica
puede
escribirse como
De esta ecuación,
y
son la amplitud y el ángulo de fase, respectivamente, de las n
funciones armónicas de Fourier.
Un diagrama de la amplitud de Fourier versus la frecuencia (
versus
se conoce como
espectro de amplitud de Fourier. El espectro de amplitud de Fourier de un movimiento
fuerte se muestra cómo la amplitud del movimiento se altera con respecto a la frecuencia
(o periodo). Se expresa como el contenido de frecuencia de un movimiento muy claro.
El espectro de amplitud de Fourier puede ser estrecho o amplio. Un espectro estrecho
implica que el movimiento tiene una frecuencia dominante (o periodo), que puede
producir una suave y casi sinusoidal el tiempo históricamente. Un amplio espectro
corresponde a un movimiento que contiene una variedad de frecuencias que producen
más irregularidades, un historial de tiempo irregular.
Los espectros de amplitud de Fourier para los componentes EW of Gilroy N º 1 (roca) un
Gilroy N º 2 (suelo), California durante el sismo de Loma Prieta de 1989 se muestra en la
Figura 6. Las formas irregulares de los espectros son típicas de las observadas en los
movimientos de tierra individuales (Kramer, 1996).
23
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Amplitud de Fourier (g-s)
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Amplitud de Fourier (g-s)
Periodo (s)
Periodo (s)
Figura 6 Espectros de amplitud de Fourier para los componentes EW of Gilroy N º 1
(roca) un Gilroy N º 2 (suelo). Gilroy, California durante el sismo de Loma Prieta de 1989.
Fuente: (Kramer, 1996)
Las series de Fourier proporcionan una completa descripción del movimiento del suelo
desde que el movimiento pueda ser completamente recuperado por la inversa de la
transformada de Fourier.
3.1.2.2.2 Espectro de energía
La frecuencia contenida en un movimiento de suelo puede también ser descrita por un
espectro de energía o una función de densidad espectral de energía, que puede ser usada
para estimar las propiedades estáticas de un movimiento del suelo y para calcular la
respuesta estocástica mediante técnicas de vibración aleatoria (Clough y Penzien, 1975);
referenciado por (Kramer, 1996).
La relación más cercana entre la función de densidad espectral de energía y el espectro de
amplitud de Fourier se muestra en la siguiente ecuación.
24
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Donde
Con
es la intensidad media y
amplitud de Fourier y
es la intensidad total de la duración de un movimiento de
tierra que se da en el dominio del tiempo por el área bajo la historia de tiempo de la
aceleración al cuadrado.
La función de densidad espectral de energía es usada en la caracterización de sismos
como un proceso aleatorio. Esta función como tal describe un proceso aleatorio
estacionario (los parámetros estáticos no varían con el tiempo) (Kramer, 1996).
3.1.2.2.3 Espectro de respuesta
Este tercer tipo de espectro es usado para describir la máxima respuesta de un solo
grado de libertad (SDOF) de un sistema de movimiento de entrada particular, en función
de la frecuencia natural y el coeficiente de amortiguamiento del sistema (SDOF).
EL espectro de respuesta puede ser trazado individualmente a una escala aritmética o
puede relacionarse por la división de tres partes, la velocidad espectral en el eje vertical,
la frecuencia natural en el eje horizontal y la aceleración y desplazamientos en los ejes
inclinados.
3.1.2.2.4 Periodo predominante
El periodo predominante es un parámetro habitualmente representa el contenido
frecuencial de un movimiento de suelos (Tp). Está definido como el periodo de vibración
correspondiente al máximo valor del espectro de amplitud de Fourier. Para evitar una
influencia excesiva de los picos individuales del espectro de amplitud de Fourier, el período
predominante es a menudo obtenido a partir de un espectro suavizado. Mientras que el
periodo predominante proporciona alguna información sobre el contenido de frecuencia,
es fácil de ver (Figura 7) que los movimientos con una radical diferencia en los contenidos
de frecuencia pueden tener el mismo periodo predominante (Kramer, 1996).
25
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Amplitud de Fourier (g-s)
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Periodo (s)
Figura 7 Dos espectros de amplitud de Fourier hipotéticos con el mismo período
predominante pero con contenidos diferentes frecuencia. La curva superior describe un
movimiento de banda ancha y la inferior un movimiento de banda estrecha.
Fuente: (Kramer, 1996)
3.1.2.3 Duración
La duración de un fuerte movimiento del suelo puede tener una gran influencia en los
daños producidos por los sismos. Muchos de los procesos físicos, como la degradación de
la rigidez y la fuerza de ciertos tipos de estructuras y la acumulación de presión de poros
en arenas saturadas y sueltas, son sensibles a la cantidad de alteraciones de la carga o el
esfuerzo que se producen durante un sismo.
Un movimiento de corta duración no puede producir suficientes alteraciones de la carga de
respuesta a los daños que se acumulan en una estructura, aunque la amplitud del
movimiento sea alta. Por otra parte, un movimiento con una moderada amplitud y larga
duración puede producir suficiente retrocesos de carga para causar daño sustancial.
La duración de un movimiento fuerte está relacionada con el tiempo necesario para la
liberación de energía de deformación acumulada por la rotura a lo largo de la falla. Como
la longitud o área de la ruptura de la falla aumenta, el tiempo requerido para la rotura
aumenta. Como resultado, la duración de un movimiento fuerte incrementa con el
aumento de la magnitud del sismo (Kramer, 1996).
La duración de un movimiento fuerte ha sido estudiada para la interpretación de
acelerogramas de sismos de diferentes magnitudes. Usando un 0.05 g como límite de
aceleración, Chang and Krinitsky (1977) estimaron la duración soportada por suelos y roca
a una corta distancia epicentral (menos de 10 km), se muestra en la Tabla 2.
26
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Tabla 2 Duraciones típicas de terremotos en distancias epicentrales menores a 10 km.
Magnitud
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
Duración (segundos)
Roca
Suelos
4
8
6
12
8
16
11
23
16
32
22
45
31
62
43
86
Fuente: Chang and Krinitsky (1977).
Estimación de la duración:
La duración de un movimiento de tierra fuerte incrementa con el aumento de la magnitud
del sismo. Sin embargo la manera en que la duración del movimiento fuerte varia con la
distancia depende en cómo es definida. Desde que la aceleración de amplitud decrezca
con la distancia, la duración basada únicamente en los niveles de aceleración, como la
duración soportada, puede esperarse que decrezca con la distancia; a determinada
distancia todas las aceleraciones caerán por debajo del límite de aceleración y la duración
soporte será cero. La duración de soporte parece proporcionar la indicación más razonable
de la influencia de la duración en un daño potencial (Kramer, 1996). Las duraciones
basadas en los niveles de aceleración relativa incrementan con el aumento de la distancia
y pueden tener duraciones más largas incluso cuando la amplitud de aceleración sea muy
baja (Idriss, et al., 1978).
3.1.3
Efecto de sitio
La modificación de la señal sísmica debida a la influencia de las condiciones geológicas y
topográficas durante o después de un sismo, se conoce como efecto local. Esta
modificación consiste en la amplificación fuerte de la señal, una mayor duración del sismo
y la modificación de su contenido frecuencial.
La amplificación de movimiento del terreno debido al tipo de suelo y la posible resonancia
ante el periodo dominante del movimiento del terreno y el periodo fundamental de la
estructura incrementan las cargas sísmicas sobre la estructura y en consecuencia el
potencial de daño.
3.1.3.1 Efecto topográfico
Los efectos locales están causados por la interacción del campo de propagación de las
ondas sísmicas con las irregularidades del terreno. Las irregularidades del terreno se
pueden clasificar en superficiales y subsuperficiales. Las superficiales son aquéllas
27
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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relacionadas con la topografía del terreno e incluyen los efectos provocados por taludes,
valles, montañas, etc. Las irregularidades sub superficiales están relacionadas con los
distintos tipos de discontinuidades en el terreno y que incluirían fallas, disconformidades,
cuencas sedimentarias, etc.
Estos procesos están restringidos a unas geometrías geológicas típicas que se caracterizan
por sus dimensiones y parámetros mecánicos o dinámicos como las velocidades de las
ondas P o S, densidad, amortiguamiento, etc, distinguiéndose dos tipos: aquéllos que
están provocados por la topografía superficial y aquéllos provocados por depósitos de
suelos blandos en superficie (Rodriguez, 2007).
Existen evidencias in situ, instrumentales y teóricas de los efectos locales provocados por
la topografía. Durante terremotos destructivos, se ha comprobado que los edificios
localizados en la parte superior de montañas o laderas sufren daños estructurales mayores
que aquéllos situados en las zonas más bajas (Levret., 1986), (Brambati, 1980), (Siro,
1982), (Celebi, 1985) (Figura 8).
Relación pico a
pico de la cresta
de aceleración.
Elevación (m)
Figura 8 Aceleraciones de pico normalizadas para un talud (medianas y barras de error)
Fuente: (Jibson, 1987)
Según Aki (1988), los modelos numéricos y teóricos predicen amplificación del movimiento
en crestas y topografías convexas; en cambio se produce deamplificación en zonas de
superficie topográfica cóncava como por ejemplo valles. Por ejemplo, Aki estima los
efectos topográficos causados por irregularidades sencillas a partir de soluciones exactas.
Para una cuña triangular infinita sujeta a la propagación de ondas SH, la amplificación es
28
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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de 2 /υ siendo υ el ángulo interno de la cuña (Figura 9). Esta aproximación puede usarse
para modelar el movimiento del suelo en topografías sencillas tipo cresta- valle.
Cresta
Depresión
Figura 9 Caracterización de irregularidades topográficas simples
Fuente: (Aki, 1988)
El movimiento del suelo depende del ángulo de incidencia de las ondas sísmicas. Este
ángulo es mayor para campos de onda SV y provoca variaciones en el movimiento
superficial con la variación del ángulo del talud. También se producen interferencias
destructivas y no destructivas de las ondas sísmicas reflejadas a lo largo de la superficie
topográfica (Kawase, 1990).
3.1.3.2 Efecto Geológico
La amplificación del movimiento del suelo es la responsable del daño extenso en áreas
constituidas por depósitos de gran potencia de sedimentos blandos y poco compactados.
Dos mecanismos contribuyen a los efectos de amplificación de la señal en el suelo: la
amplificación geométrica y la amplificación dinámica:
3.1.3.2.1 Amplificación geométrica (Impedancia):
Corresponde a los efectos de amplificación debidos al contraste de impedancias entre dos
medios en contacto. Para sedimentos, el contraste de impedancias se expresa como:
donde el subíndice b indica el término inglés “bedrock” o substrato rocoso y s se refiere al
nivel sedimentario, ρ es la densidad y v es la velocidad de las ondas sísmicas.
El contraste de impedancias es mayor en materiales más jóvenes y menos consolidados y
esto provoca mayor nivel de amplificación de la señal sísmica. Asimismo, provoca el
29
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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atrapamiento de las ondas sísmicas dentro de un nivel con baja impedancia y esto provoca
la amplificación de las frecuencias características (Rodríguez, 2007).
3.1.3.2.2 Amplificación dinámica o resonancia:
Considera la diferencia entre la frecuencia de las ondas sísmicas y la frecuencia natural del
depósito sedimentario. Una estimación de la frecuencia natural del depósito es:
donde Vs es la velocidad de la onda sísmica S en m/s, H es el espesor del sedimento en m
y es la frecuencia natural del depósito sedimentario en Hz.
De esta manera, los procesos que contribuyen a la amplificación de la señal sísmica están
relacionados directamente con la velocidad de las ondas sísmicas de corte (secundarias, S)
en el depósito.
Cuando una onda elástica se propaga a través de un material, el flujo de energía
transmitida, que está definido por ρ Vs u2 donde ρ es la densidad del material Vs es la
velocidad de la onda S y u la velocidad de la partícula. Este flujo de energía permanece
constante y en consecuencia las amplitudes del movimiento del suelo en materiales con
baja velocidad de propagación de las ondas sísmicas son mayores, dado que la velocidad
de la partícula, u, y la velocidad de las ondas sísmicas S son inversamente proporcionales.
Como consecuencia, materiales como las arenas sueltas o las arcillas blandas amplifican el
movimiento del suelo significativamente (Aki, 1980).
3.1.4
Propiedades Dinámicas
Las características de deformación del suelo son altamente no lineales y esto se manifiesta
con el módulo de corte y el coeficiente de amortiguamiento que varían significativamente
con la amplitud de deformación de corte bajo cargas cíclicas.
3.1.4.1 Módulo de rigidez al corte dinámico del suelo
El módulo de rigidez de corte se define como la relación entre el esfuerzo y la deformación
de corte en un punto determinado de la curva de la Figura 10 y es una medida de la
dureza del material.
El módulo de rigidez al corte está en función del esfuerzo normal efectivo octaédrico, la
historia de vibración, el grado de saturación, la componente isotrópica del estado de
esfuerzos, la granulometría y mineralogía de vibración, la frecuencia de vibración, los
efectos secundarios del tiempo, la estructura del suelo y la temperatura (Hardin y Black,
1968), referenciado por (Rodriguez, 2007).
30
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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El módulo de corte se obtiene calculando la pendiente de la curva tensión- deformación y
en función de dónde se evalúa ésta pendiente se distingue entre el módulo de corte
tangente (Gtan), secante (Gsec) o máximo (Gmax). En la Figura 10 se ilustran estos módulos:
el módulo de corte máximo (Gmax), calculado como el valor de la pendiente de la recta
tangente en el punto inicial de la curva, el módulo de corte tangente (Gtan) que es el valor
de la pendiente en un punto de la curva y el módulo de corte secante (G sec) que se calcula
como la pendiente de la recta secante a la curva. El módulo de corte G está relacionado
con la relación de Poisson  y el módulo de Young E, parámetros dinámicos con una
menor influencia (Rodriguez, 2007).
Figura 10 Curva de histéresis deformación de corte γ, tensión de corte τ y definición del
módulo de corte máximo Gmáx, tangente Gtan y secante Gsec. El esfuerzoτ se expresa en
kPa y la deformación γ es adimensional y se expresa en %.
Fuente: (Rodriguez, 2007)
3.1.4.2 Coeficiente de amortiguamiento dinámico del suelo
El amortiguamiento existe en todo sistema físico real y permite disipar energía en un
sistema vibrante. Un material tiene amortiguamiento de naturaleza viscosa cuando la
energía disipada por ciclo se incrementa de acuerdo con la frecuencia de vibración
(método del decremento logarítmico).
Según Díaz (2005), un material tiene amortiguamiento de naturaleza histerética cuando la
energía disipada por ciclo es independiente de la frecuencia de vibración (método de la
curva de respuesta a la frecuencia), utilizando el ensayo de columna resonante.
La razón de amortiguamiento expresa la capacidad del material para disipar la energía. Se
calcula según:
31
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Donde
corresponde a la energía disipada,
es la deformación de corte y
es la energía de deformación máxima,
es el área del lazo del ciclo de histéresis.
Es habitual la representación normalizada del módulo de corte versus el módulo de corte
máximo, conocida como curva de reducción de módulo (Figura 10) donde se observa que
el módulo de corte disminuye a medida que aumenta el nivel de deformación. La razón de
amortiguamiento también depende del nivel de deformación siendo mayor a medida que
aumenta la deformación de corte (Rodriguez Segurado, 2007).
3.1.5
Principales Factores que afectan propiedades dinámicas del suelo
Los factores clave que influyen en las propiedades dinámicas del suelo son: efecto de la
amplitud de deformación, esfuerzo efectivo de confinamiento, efecto de la historia de
consolidación, efecto del índice se plasticidad del suelo y efecto de la relación de vacíos.
3.1.5.1 Efecto de la amplitud de deformación
El módulo de corte se reduce al aumentar la amplitud de la deformación angular . En la
Figura 11 se presentan las características de la curva de reducción del módulo en función
de la deformación angular. Se muestran dos puntos: el punto A que representa la
frontera entre las muy pequeñas y las pequeñas deformaciones, de este punto hacia la
izquierda el comportamiento predominante es lineal e independiente de la amplitud de
deformación.
El punto B representa la frontera entre las pequeñas y grandes deformaciones, este punto
se ha fijado arbitrariamente como el valor de la deformación angular, para la cual
G/Gmax=0.80 (Díaz, 2005).
También representa la frontera entre lo no-degradable y lo degradable.
32
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
G/Gmax
Muy
pequeñas
B
Pequeñas
Grandes
No Lineal
Lineal
Degradable
No-degradable


Razón amortiguamiento (%)
A
Deformación de corte (%)
Figura 11 Curvas de reducción de módulo de corte y amortiguamiento con el nivel de
deformación de corte.
Fuente:(Sun et al., 1988)(Rodríguez, 2005)
Según Ishihara (1982) el comportamiento del suelo varía en función del rango de
deformación de cizalla que existe en el terreno. Como ejemplo, para deformaciones de
corte del orden de 10-5 % el comportamiento es elástico puro, es decir, la deformación
producida en el suelo es recuperable. Se utilizan modelos elásticos y el parámetro más
adecuado para caracterizar el suelo es Gmax que, en este nivel de deformación, se calcula
como:
Donde  es la densidad natural del suelo (incluyendo partículas sólidas y agua) y  es la
velocidad de las ondas sísmicas de corte. Las unidades de Gmax son masa por longitud por
tiempo 2.
El uso de la velocidad de las ondas sísmicas S es uno de los medios más utilizados para
medir in situ Gmax, aunque este método presenta limitaciones. Por ejemplo, en zonas
donde las condiciones de esfuerzo son anisotrópicas la interpretación de la velocidad de
las ondas sísmicas debe realizarse con cuidado porque la anisotropía puede causar
variaciones en la velocidad de las ondas sísmicas de cizalla variando su dirección
(Rodriguez, 2007). En estos casos, Gmax se puede estimar a partir de los datos obtenidos
en ensayos de laboratorio.
33
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.1.5.2 Presión efectiva de confinamiento
La presión total efectiva vertical está definida como
, donde es el peso unitario
del suelo y z la profundidad desde la superficie. Por lo tanto la presión efectiva vertical
aumenta con la profundidad y el material está más confinado.
Un incremento del esfuerzo efectivo medio provoca un aumento del límite de deformación
elástica. En consecuencia, los suelos bajo tensiones de confinamiento altas se comportan
como materiales más rígidos que suelos idénticos bajo tensiones de confinamiento
menores (Figura 12) (Rodriguez, 2007).
Amplitud de deformación de corte cíclico
34
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Amplitud de deformación de corte cíclico
Figura 12 Variación del módulo de corte en función del esfuerzo de confinamiento, del
índice de plasticidad y la deformación cíclica de corte (a) y (b).
Fuente: (Ishibashi, 1992); referenciado por (Rodriguez, 2007).
3.1.5.3 Efecto de la historia de consolidación
El incremento del módulo debido a la historia de consolidación, es expresado a través de
la relación de preconsolidación (OCR) e incorporado en la expresión:
Donde el rango de variación del exponente m está comprendido entre 0.3 y 0.7 (Díaz,
2005).
Para deformaciones del orden entre 10-5 % y 10-3 % el comportamiento del suelo es
elastoplástico y se utiliza el módulo de corte secante (Gsec) y la razón de amortiguamiento.
Estos parámetros no varían con el número de ciclos de carga.
Para deformaciones superiores a 10-3 % las propiedades del suelo varían en función de la
deformación de corte y también del número de ciclos de carga, por lo que se ha de
considerar la velocidad de carga. El módulo de corte y la razón de amortiguamiento varían
en función de cómo varían las tensiones efectivas de confinamiento durante la historia de
deformaciones de corte aplicadas sobre el suelo (que puede no ser uniforme). Cuando
queda establecida esta ley de variaciones de las tensiones efectivas de confinamiento
puede establecerse los lazos histeréticos que son compatibles con esta ley (Vucetic y
Dobry, 1991).
35
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.1.5.4 Efecto del índice de plasticidad del suelo
Al recopilar datos de prueba disponibles, incluyendo Georgiannou (1991), Kim y Novak
(1981), y Vusetic (1994) propusieron una curva promedio como se muestra en la Figura
13 donde se correlaciona el esfuerzo límite de corte y el índice de plasticidad de los suelos
cohesivos. Se prevé entonces que el coeficiente de amortiguamiento comienza a aumentar
en cuanto la deformación de corte crece por encima del nivel del límite de deformación de
corte
Índice de Plasticidad Ip
Límite de deformación
de corte
Arcillas de alta
plasticidad
Rango
no-lineal
Rango lineal
Arcilla limosa
de moderada
plasticidad
Limo o arcilla de
baja plasticidad
Arena o grava
Amplitud de deformación de corte
Figura 13 Esfuerzo límite de corte para la no linealidad afectada por el índice plástico.
Fuentes: Georgiannou (1991), Kim y Novak(1981), y Vusetic (1994).
En el estudio deVucetic y Dobry(1991) la disminución del módulo de corte con el aumento
de la deformación es menor cuando el índice de plasticidad del material aumenta (Figura
14). Se ha mostrado que dicho módulo en arcillas de alta plasticidad es elástico a altas
deformaciones. Para suelos ligeramente consolidados (OCR>1) con alto índice de
plasticidad, Gmax aumenta. En cambio para suelos normalmente consolidados (OCR = 1) si
el índice de plasticidad crece, Gmax permanece más o menos constante. Esta característica
es muy importante ya que puede influir en la manera en que un depósito de suelo
amplificará o atenuará los movimientos provocados por un sismo; referenciado
por(Ishihara K. , 1996).
36
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Relación de reducción del módulo G/G0
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Límite nolinealidad
Límite para
degradación
OCR=1-15
Amplitud de deformación de corte cíclico
Figura 14 Variación del módulo de corte en función del grado de sobreconsolidación del
suelo y del índice de plasticidad y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas en
relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la
rigidez.
Fuente: Vucetic y Dobry (1991); referenciado por (Ishihara K. , 1996).
En este estudio también se mostró que, para índices de plasticidad elevados, la razón de
amortiguamiento disminuye con el aumento de la deformación (Figura 15).
Las dos Figura s 14 y 15 muestran cómo la curva de reducción de módulo se mueve hacia
arriba y la curva de amortiguación se mueve hacia abajo en el suelo y aumenta la
plasticidad. Cabe señalar que las listas también se aplican a la conducta de materiales
saturados cohesivos no plásticos, tales como arena y grava, para la cual la curva
correspondiente se indica mediante IP = 0. Los suelos no cohesivos comienzan a
comportarse en forma no lineal en el nivel más bajo del esfuerzo y por lo tanto el
coeficiente de amortiguamiento aumenta.
En el otro extremo están los suelos con alto índice de plasticidad. Exhiben comportamiento
lineal de todo el camino a un esfuerzo de 10-4 y posee en consecuencia el más bajo
coeficiente de amortiguamiento. Como se indica en las Figura s 14 y 15, hay una amplia
gama de esfuerzo límite en la que el módulo comienza a disminuir. La magnitud de la
deformación de corte sería un parámetro intrínseco de distinguir entre comportamientos
característicos de los suelos entre lineales y no lineales. Este aspecto fue abordado por
37
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Relación de reducción del módulo G/G0
Vucetic (1994), quien propuso que se tome el esfuerzo al que G / G0 = 0.99 y lo llaman
límite de deformación de corte.
Límite nolinealidad
Límite para
degradación
OCR=1-8
Amplitud de deformación de corte cíclico
Figura 15 Variación de la razón de amortiguamiento en función del índice de plasticidad, el
grado de sobreconsolidación del suelo y la deformación. Límite de esfuerzos de las arcillas
en relación con los índices de plasticidad respecto a la no linealidad y la degradación de la
rigidez.
Fuente: Vucetic y Dobry (1991); referenciado por (Ishihara K. , 1996).
3.1.5.5 Efecto de la relación de vacíos
En los ensayos realizados porVucetic y Dobry(Vucetic y Dobry, 1991) muestran que el
módulo de deformación de corte máximo puede expresarse según:
Según Hardin y Black(Hardin y Black, 1968) el factor de relación de vacíos puede usarse
de la forma:
Donde:
F(e): Factor de relación de vicíos o índice de poros del suelo,
OCR: Razón de sobreconsolidación del suelo,
Pa: Presión atmosférica,
m: Presión efectiva media (’m=σ’1+σ’2+σ’3/3)
38
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
n = varía entre 0.5 y 0.6
Parámetro k depende del índice de plasticidad del suelo (Tabla 3).
El factor de relación de vacíos según Hardin y Black (Hardin y Black, 1968)es aplicable
para arcillas con e < 1.5:
Luego el mismo investigador Hardin (1978) propuso la siguiente ecuación:
Jamiolkowski(1991) propuso la siguiente expresión:
INDICE DE PLASTICIDAD
0
20
40
60
80
>=100
FACTOR K
0.00
0.18
0.30
0.41
0.48
0.50
Tabla 3 Relación entre el índice de plasticidad y el parámetro K
Fuente: (Hardin, 1972).
3.1.6
Arcillas
Se requiere conocer el comportamiento de los suelos arcillosos baja cargas cíclicas debido
a que dentro de los problemas geotécnicos más importantes relacionados con la
ocurrencia de los sismos se encuentran que estos suelos son susceptibles a sufrir cambios
físicos permanentes debido a la propagación de ondas sísmicas y al efecto de las
propiedades de los suelos en la interacción dinámica suelo-estructura.
La respuesta dinámica de las arcillas depende generalmente del nivel de deformación
inducida en el suelo, se considera que ocurre bajo condiciones no drenadas, debido a que
la velocidad de aplicación de la carga no permite la disipación de la presión de poros
generada (Díaz, 2005).
3.1.6.1 Factores que afectan al módulo de corte y el amortiguamiento de arcillas
El módulo secante de corte de la arcilla (Figura 10) se ve afectado por:
39
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez






El contenido de la amplitud del esfuerzo,
El índice de densidad (cuando está saturado con agua),
Esfuerzo efectivo,
Sobreconsolidación,
Tiempo de consolidación,
Previo esfuerzo (Período de tiempo carga cíclica).
El módulo de corte de la arcilla no es muy afectado por la frecuencia de carga, se ve
afectada por la amplitud del esfuerzo.
Según investigaciones de Towhata (2007), similares a la arena, la relación de módulo de
corte y el amortiguamiento de la arcilla varían en función del número de ciclos de carga.
La Figura 16 compara los lazos de tensión-deformación que se observaron durante la
primera y la décima parte de los ciclos de carga. En contraste con la arena que se sometió
a cargas cíclicas drenadas y se convirtió más rígida con el número de ciclos, la arcilla se
convirtió más blanda con el número de ciclos. Esto parece ser debido a que:


El exceso de presión de poros y por lo tanto la disminución del esfuerzo efectivo,
disminuye el número de ciclos y la reducción de la resistencia a la fricción entre los
granos de arcilla.
La vinculación entre los granos fueron destruidas y se convirtió en arcilla blanda.
Figura 16 Lazos de histéresis medidos durante el primero y el décimo ciclo.
Fuente: (Idriss, et al. 1978).
Los efectos de las historias de consolidación normales o de sobre consolidación o la
aplicación a largo plazo de la presión de consolidación, fueron investigados por Kokusho et
al. (1982) para suelos arcillosos naturales inalterados con un índice de plasticidad de
medio a alto de Ip = 40-60. Los datos de prueba en esfuerzo de dependencia se resumen
en la Figura 17 donde puede verse que la función de cambio de módulo de corte y
amortiguamiento de esfuerzo no es influenciado significativamente por el hecho de que los
suelos han sido normalmente consolidados, sobre consolidadas o sometidos a presión de
confinamiento a largo plazo después del final de la consolidación primaria. Esta
40
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Relación módulo de corte G/G0
observación indica el hecho de que, no importa si una arcilla en un sitio determinado se
encuentra en un estado normalmente consolidado o en un estado de sobre consolidación,
el módulo y el coeficiente de amortiguamiento si aumenta o disminuye con la misma
proporción en un amplio rango de esfuerzo de corte. Esta conclusión se sugiere un
método simple que se puede utilizar para evaluar el módulo de corte dependiente el
esfuerzo de los depósitos in situ de arcillas. Si el módulo de corte a esfuerzos pequeños en
los depósitos in situ es conocido por medio de un procedimiento como la velocidad de
registro en el campo y si la curva de reducción de módulo se establece a través de las
pruebas de laboratorio en algunas de las muestras inalteradas representativas, entonces
es una tarea sencilla obtener valores de esfuerzo dependiente del módulo para un
depósito in situ de arcillas.
Amplitud de deformación de corte
41
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Coeficiente de Amortiguación
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Amplitud de deformación de corte
Figura 17 Efectos de la historia de consolidación en módulo de esfuerzo dependiente y el
coeficiente de amortiguamiento.
Fuente: (Kokusho et al. 1982)
3.1.6.2 Efectos de plasticidad en comportamiento cíclico de arcillas
La arcilla tiene un carácter tixotrópico. Su rigidez de corte y el incrementar de la fuerza
con el tiempo, debido a la cementación y al desarrollo de la unión con el tiempo entre las
partículas. Las arcillas con un mayor índice de plasticidad son más tixotrópicas que otros
materiales menos plásticos. Además, la unión puede ser destruida por las cargas
cíclicas con una amplitud de deformación relativamente grande. Consecuentemente, la
arcilla se vuelve más suave con el número de ciclos (este proceso de llama degradación).
El desarrollo de la unión es más importante cuando la arcilla esta sobre consolidada
(Towhata, 2007). Una fórmula empírica disponible para Gmax de arcilla es:
Donde P' es el esfuerzo medio efectivo principal (1+2+3)/3, Pa es la presión
atmosférica y el OCR designa la relación de sobre consolidación. Esta fórmula funciona con
cualquier sistema de unidades. Para el valor del parámetro k, ver Tabla 2 o Figura 18.
42
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Índice de Plasticidad Ip
Figura 18 Efecto del OCR en el Gmax de la arcilla
Fuente: (Hardin, 1978); referenciado por (Towhata, 2007).
3.1.6.3 Efectos de la densidad en el módulo de corte de la arcilla
Hardin y Black (Hardin y Black, 1968) estudiaron la variación del módulo de corte en
arcillas normalmente consolidadas con relación de vacíos. La figura 19 indica que varía el
Gmax en proporción a
y la raíz cuadrada de la presión de consolidación isotrópica
parámetro de 2.973 varía según el tipo de arcilla (caolinita, bentonita).
43
. Sin embargo, el
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Caolinita dispersa
Caolinita con agua corriente
Caolinita sal-floculada
Arcilla azul de Boston floculada
Arcilla azul de Boston dispersa
Módulo de corte G(MPa)
Gmax -Relación de vacíos
Relación de vacíos
Figura 19 Variación de Gmax de la arcilla con la relación de vacios.
Fuente: (Hardin y Black, 1968)
3.1.6.4 Degradación del módulo de corte de arcillas
De acuerdo a Dobry y Vucetic (1987) la degradación es un proceso en el que el módulo de
corte (rigidez) de la arcilla disminuye con el número de ciclos de carga. La disminución
del módulo de corte es importante para la estabilidad de la fundación de las estructuras en
costas que son objeto de miles de ciclos de carga de olas durante las tormentas fuertes.
La degradación es causada probablemente por: la acumulación de exceso de presión del
agua intersticial y la disminución del esfuerzo efectivo y finalmente por la ruptura de la
unión entre las partículas de arcilla.
Ingenieros prácticos pueden considerar la degradación de tal manera que:
en la que N es el número de ciclos, mientras que t se llama la degradación de los
parámetros.
44
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Módulo de corte G(MPa)
Según las investigaciones de Dobry y Vucetic (1987) se reportaron valores de en una
variedad de OCR (relación de sobre consolidación) y la amplitud de deformación. La Figura
20 indica que el módulo de corte es posible disminuirlo a 70 o a 80% del valor inicial,
cuando se repite una amplitud considerable del esfuerzo 100 veces o más. Los mayores
valores de t sugieren que el aumento de la presión de poro y la rotura de la unión son
importantes cuando la amplitud del esfuerzo es grande en arcilla jóvenes con valores
menores de reconocimiento óptico de caracteres; referenciado por (Towhata, 2007).
Módulo de corte G(MPa)
Número de ciclos, N
Número de ciclos, N
Figura 20 Degradación observada ensayos.
Fuente: (Dobry y Vucetic, 1987); referenciado por (Towhata, 2007)
45
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
La amplitud de deformación de corte cíclico en el que una marcada reducción en la rigidez
comienza que se produzca se sabe que dependerá de varios factores, tales como el
esfuerzo efectivo de confinamiento y el número de ciclos. Es generalmente conocido que
la reducción del módulo comienza a ocurrir en un nivel inferior de deformación de corte,
cuando el número ciclos especificados incrementa.
Dentro de la categoría de suelos cohesivos, la deformación de corte inicia el descenso del
módulo. Este aspecto ha sido estudiado por Vucetic y Dobry (1991) y Vucetic (1992)
quienes demostraron la importancia del índice de plasticidad Ip de los suelos. Como
resultado de un estudio y análisis sobre datos de numerosas pruebas, y Vucetic Dobry
(1991) propone las familias de curvas como se muestra en la Figuras 14 y 15 que son las
promedio de las relaciones que indica el efecto del índice de plasticidad del esfuerzo
dependiente del módulo y el amortiguamiento de los suelos cohesivos.
3.1.6.5 Coeficiente de amortiguamiento de arcillas
Coeficiente de amortiguamiento
El coeficiente de amortiguamiento parece ser el menos afectado por muchos factores que
el módulo de corte. El tipo de suelo, sin embargo, parece relativamente importante como
la Figura 21 revela que el coeficiente de amortiguamiento de la arcilla es más pequeño
que el de los materiales más gruesos. Esto es probablemente porque la arcilla es más
continua que la arena y la grava (Towhata, 2007).
Deformación de corte
Figura 21 Coeficiente de amortiguamiento de la arcilla, arena y grava.
Fuente: (Kokusho, 1982)
En la Figura 19 indica resultados de las pruebas en muestras inalteradas de arcilla en el
que el coeficiente de amortiguamiento no se ve afectado significativamente por el nivel de
46
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Coeficiente de amortiguamiento
esfuerzo efectivo. Lo que es peculiar en esta figura es que el esfuerzo efectivo más alto
causado ligeramente por el coeficiente de amortiguación, opuesta a lo que se encontró
para la arena (Kokusho, 1982).
Deformación de corte
Figura 22 Efectos de la presión de confinamiento en el coeficiente de amortiguamiento de
la arcilla
Fuente: (Kokusho, 1982)
Efectos del tiempo de consolidación en amortiguación de arcillas:
Marcuson y Wahls (1978) estudiaron el coeficiente de amortiguamiento en un rango de
pequeñas deformaciones (g = 0,0012-0,0048%). Ambas pruebas drenadas y sin drenar se
realizaron en muestras de caolinita, así como otras muestras de bentonita plástica. Se ha
demostrado por sus pruebas y ensayos que el coeficiente de amortiguamiento disminuye a
medida que el tiempo de consolidación se hace más largo. Esto puede sugerir que la unión
de las partículas se construye con el tiempo y que la arcilla se convierte en un material
más continuo.
3.1.6.6 Curvas G y h de muestras inalteradas
Muchos datos sobre las características de deformación dinámica no lineal de los suelos se
obtuvieron de pruebas drenadas en el laboratorio. Dado que los efectos de la edad y el
drenaje no son despreciables en terreno real, sin embargo, se han obtenido datos de no
linealidad en condiciones de prueba más reales. En este sentido, Yasuda y Yamaguchi
resumieron los datos obtenidos de los ensayos no drenados sobre muestras inalteradas y
propuso una regla empírica (Yasuda y Yamaguchi, 1985).
47
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
donde D50 es el tamaño medio de partícula de arena (mm) y el esfuerzo principal efectivo
P (kgf/cm2):
para una consolidación de
in-situ. Los parámetros de A1 a D2 fueron determinados
empíricamente, como se muestra en la Tabla 3.
Deformación
de corte
Tabla 4 Parámetros de Yasuda-Yamaguchi, fórmulas empíricas.
Fuente: (Yasuda y Yamaguchi, 1985)
Donde:







Gmax es el módulo de corte a una amplitud de deformación de 10-6 (= 0,0001%).
B2 B1 = D1 D2 =0 cuando D50 <0,007 mm.
La base de datos original del estudio de los dos autores fue obtenida de una
condición limitada de 0.2 ≤ P ≤ 3 kgf/cm2 (19,6 ≤ P ≤ 294 kPa) y 0.002 ≤ D50 ≤
1.0 mm.
Cuando D50 es desconocida en la práctica, la estimación aproximada puede ser la
siguiente: 0,4 mm para arena o grava gruesa, de 0,3 mm para arena media, 0.2
mm para arena fina, de 0,1 mm para la arena limosa, 0.04 mm para limo arenoso,
0,03 mm para arena arcillosa, 0.007 mm para cieno, y 0.005 mm para limo
arcilloso.
B1 + B2 log10 (D50) es positivo, lo que indica que el G/Gmax es mayor cuando
aumenta P’.
Del mismo modo, D1 + D2 log10 (D50) es negativo, lo que sugiere que el
coeficiente de amortiguamiento disminuye a medida que aumenta P'.
Se examina que G / Gmax disminuye al aumenta el coeficiente de amortiguamiento
de los materiales más gruesos (mayor D50).
48
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.1.7
Cenizas Volcánicas
La investigación consiste en la determinación de factores de amplificación de cenizas
volcánicas mediante la ejecución y análisis de ensayos con muestras de una zona de la
ciudad de Manizales. El objetivo es obtener información directa de las características
físicas, mecánicas y dinámicas del subsuelo del área de estudio muestras inalteradas de
suelo para la realización de ensayos de laboratorio, en especial los requeridos para
determinar el comportamiento dinámico del suelo (ensayo triaxial cíclico, ensayo de
columna resonante y ensayo de velocidad de onda de corte en laboratorio).
Las muestras obtenidas de la ciudad de Manizales una de la tres principales ciudades de la
región cafetera colombiana, se considera de alta actividad sísmica que caracteriza la zona.
De acuerdo con el marco tectónico de la zona resulta clara la posible ocurrencia de sismos
de diversas fuentes, bien sea fuentes locales muy cercanas a la ciudad, fuentes de tipo
regional ubicadas en la zona de influencia directa o fuentes lejanas con capacidad de
generar sismos de alta magnitud (CIMOC, CEDERI, 2005).
3.1.7.1 Naturaleza de las partículas de cenizas volcánicas
Los depósitos de origen volcánico desde su fuente se pueden clasificar de acuerdo con el
tipo de actividad volcánica que los generó. Se tienen dos grupos; uno el originado por la
actividad de carácter efusivo; como es el caso de las lavas, y el otro, el originado por la
actividad explosiva, también llamados materiales piroclásticos, materiales que llegan a
conformar depósitos sueltos y bajo ciertas condiciones otros consolidados. Los depósitos
de origen volcánico están conformados por fragmentos de diferentes tamaños y puede
encontrarse depositados de forma normal, inversa (tamaños más finos en la parte
inferior), o con una distribución granulométrica aleatoria (Redondo, 2003).
Según estudios de Jakka, et al., (2010) la naturaleza de las partículas, tales como la forma
y la superficie (características morfológicas) de las muestras ensayadas que fueron
estudiadas con técnicas de microscopio electrónico de barrido (SEM). El resultado son
micrografías SEM, fotos mostradas en la Figura 23. Las micrografías (Figura 23 (b, d))
muestran que la mayoría de las partículas finas de las cenizas son de forma esférica con
tamaños que varían. Algunas partículas más grandes se observan en las agrupaciones de
pequeñas partículas con superficies de vacíos. Se observa que las caras de las partículas
son suaves. Las micrografías (Figura 23(a, c)) indican una estructura altamente porosa.
La presencia de poros entre partículas de forma irregular también se puede observar en
estas microfotografías. Además, en las partículas de ceniza gruesa se observaron las
aglomeraciones de partículas más pequeñas. En contraste con los materiales de cenizas, la
micrografía SEM de arena Yamuna (Figura 23 (e)) muestra las partículas sólidas sin poros
entre partículas.
49
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 23 Fotos del barrido del microscopio electrónico de los materiales ensayados.
Fuente: Jakka, et al., (2010).
Según Fisher (1961) y Fisher & Schimincke (1984), los depósitos volcánicos son una
acumulación de materiales producto de la explosión y expulsión aérea, materiales entre los
que se encuentran fragmentos producto de la desintegración de la lava movediza, de
masas provenientes del intemperismo, y de la erosión que actúa sobre flujos de lava
solidificados y sobre detritos piroclásticos consolidados.
3.1.7.1.1 Clasificación de las cenizas volcánicas considerando el origen de los
fragmentos
Magmático
Según Sandoval (2002) las cenizas volcánicas son fragmentos que se solidifican una vez
evacuado el magma de la fuente emisora. También llamados piroclástos “Juveniles o
50
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Esenciales”, son partículas generadas por el enfriamiento rápido del magma que da origen
a la erupción, al salir expulsadas explosivamente del conducto volcánico.
No Magmático
Existen tres tipos; el Tipo I: Se solidificó del mismo magma de la erupción pero antes de
evacuar del emisor, Tipo II: Originado de las rocas del mismo volcán pero solidificadas en
eventos (emisiones) anteriores, llamados también “Accesorios o Cognatos” por Sandoval
(2002), y Tipo III: granos que se derivan de la corteza subyacente (basamento), pero no
relacionadas con la actividad (también llamado de eyección accidental), Xenolitos o
Accidentales.
De la anterior clasificación se distinguen dos tipos diferentes de estructura. Tanto para el
material magmático como el no magmático Tipo I, la fábrica es en parte o completamente
Vitrea. Para los Tipos II y III del material no magmático, la estructura es totalmente
cristalina (lítica), conformada por granos de diferentes materiales.
3.1.7.1.2 Clasificación considerando el tamaño del clasto
A continuación se agrupan y describen las diferentes denominaciones para los diferentes
tamaños, establecidas para los materiales no consolidados de origen volcánico de acuerdo
al estudio de Redondo (2003).
Cenizas
Es la partícula sólida más pequeña de origen piroclástico (Tabla 5).
Dependiendo del material que compone, la ceniza puede describirse como:



LÍTICA: Conformada predominantemente de piedra sólida.
VÍTREA: El compuesto predominante es el vidrio. Es el tipo más común de cenizas.
CRISTAL: Conformada predominantemente por cristales.
Tabla 5 Cenizas
TAMAÑO
(Diámetro Promedio)
Φ<4.0 mm
(Foxworthy & Hill, 1982)
FOTOGRAFÍA
Φ< 2.54 mm
(Bates & Jackson, 1987)
Φ<2 mm
(Miller, 1989)(U.S.G.S, 2001)
2.5 mm≤ Φ ≤ 4.5 mm
Polvo:Φ< 2.5 mm
(Celis, 1994) ;
Fuente: SEM (A.M. Sarna Wojcicki)
51
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
TAMAÑO
(Diámetro Promedio)
0.06 mm ≤ Φ ≤ 4 mm ;
Φ<0.06 mm (Watt, 1999);
FOTOGRAFÍA
Φ< 0.25 mm
(Schultz & Cleaves, 1995).
Fuente: (D.E. Wieprecht).
Lapilli
Material eyectado en estado sólido o fundido. Es el tipo más abundante de fragmento en
depósitos de carbonilla. Las formas especiales caracterizan gotas de lava basáltica que se
arroja en una condición muy fluida y se solidifica en el aire (Tabla 6).
Llamadas “pavesas” por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMMS, 2002);
referenciado por Redondo (2003).
Tabla 6 Lapilli
TAMAÑO
(Diámetro Promedio)
2 mm ≤ Φ ≤ 64mm
(Miller, 1989 ;Fisher & Schmincke,
1984)
FOTOGRAFÍA
2.5mm ≤Φ ≤ 63.5mm
(Bates & Jackson, 1987)
4mm≤ Φ ≤ 32 mm
(U.S.G.S., 2001 ;Celis, 1994 ;
(Watt, 1999)
0.42mm≤ Φ ≤ 20 mm
(SMMS, 2002)
Fuente: (de Volcán Kilauea en 1959)
(Bates y Jackson, 1987)
Bloques
Partículas eyectadas en estado sólido, se encuentran a pocos metros de la fuente y son
las más angulares.
Consisten en piezas sólidas de lava vieja, que fue parte del cono volcánico (Tabla 7).
52
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Tabla 7 Bloques
TAMAÑO
(Diámetro Promedio)
Φ ≥ 63.5mm
FOTOGRAFÍA
(Tilling, Heliker, and Wright, 1987)
Φ ≥ 64 mm
(Miller, 1989)
Φ  32 mm
(Celis, 1994)
Fuente: (C. Heliker, 1988)
Bombas
Su forma y textura vesicular indica que estaban liquidas o plásticas cuando fueron
expulsadas, y cambia de forma durante el transporte o al contacto con el terreno. La
mayoría de las bombas simplemente son irregulares y general-mente se forman trozos
sumamente vesiculares que se describen como carbonilla o escoria.
Tabla 8 Bombas
TAMAÑO
(Diámetro Promedio)
FOTOGRAFÍA
Φ ≥ 63.5mm
(Tilling, Heliker, and Wright, 1987 ; Bates
& Jackson, 1987)
Φ 32 mm
(Celis, 1994)
(watt, 1999)
Φ 2 mm
(U.S.G.S., 2001)
Fuente: ( Lockwood, volcán Mauna Kea en
Hawai)
3.1.7.1.3 Formación
El proceso de formación de los suelos de cenizas volcánicas se presenta en la Figura 2.
Éste proceso inicia con la generación de una nube de piroclastos durante la erupción
volcánica, conformada por partículas de diámetro inferior a 2 mm, conocidas como cenizas
volcánicas. En Colombia, las cenizas volcánicas que dieron origen a los suelos emanaron
durante las erupciones del complejo de volcanes Ruiz-Tolima en el Holoceno y Pleistoceno
53
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
(recientes 20.000 años) del período Cuaternario (Correa y García, 1999).
El tamaño medio del grano de fragmentos de roca y ceniza volcánica varía mucho entre
las distintas erupciones. Los fragmentos más grandes suelen caer al suelo o cerca del
volcán y fragmentos más pequeños y ligeros son progresivamente arrastrados lejos del
volcán por el viento. Las partículas de ceniza volcánica, más pequeñas (2 mm de
diámetro o menos), pueden viajar cientos de miles de kilómetros a sotavento de un volcán
en función de la velocidad del viento. El tamaño de las partículas de ceniza que caen al
suelo por lo general disminuye exponencialmente al aumentar la distancia de un volcán
(Figura 24) (U.S.G.S., 2001).
Figura 24 Formación de los suelos derivados de cenizas volcánicas.
Fuente: Correa y García (1999)
Los depósitos de materiales consolidados que se encuentran conformando los taludes, son
conocidos como rocas piroclásticas. En virtud de su génesis, composición química y
composición de tamaños, dentro de estos materiales existe una gran variedad
encontrando así las tobas, la brecha volcánica, la brecha de toba, el aglomerado volcánico
y el conglomerado volcánico. Materiales que junto con la más usadas de las terminologías
sobre los materiales de origen volcánico, se encuentran descritos en la Tabla 9 (Redondo,
2003).
54
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Tabla 9 Terminología relacionada con los depósitos de origen volcánico.
TERMINO
DESCRIPCIÓN
Material piroclástico vidrioso el cual ha sido endurecido por la soldadura conjunta de sus
partículas, bajo la acción de retención de calor.
Toba
Se describen también depósitos de la ceniza consolidados como Tobas (tuffs), o más
específicamente, dependiendo del constituyente predominante como: (a) Toba lítica. (b)
Toba vítrea., o (c) Toba cristalina.
Roca formada por material piroclástico. También se emplea como un término colectivo
para todas las rocas piroclásticas consolidadas.
Brecha
Volcánica
Depósitos consolidados o Rocas Piroclásticas conformadas por: Bloques, Lapilli y
Cenizas. Celis (1994), y Schultz & Cleaves (1955).
Brecha Toba
Depósitos consolidados que se encuentran embebidos en una matriz con tamaños
menores a 4 mm en diámetro. Schultz & Cleaves (1955).
Aglomerado
Volcánico
Depósitos Consolidados o rocas piroclásticas conformadas por fragmentos tamaño
Bombas, Lapilli y Cenizas, y que presentan una forma redondeada o subangular, mayores
a 4 mm en diámetro, envuelta en una matriz fina. Celis (1994), y Schultz & Cleaves
(1955).
Conglomerado
Volcánico
Material similar a la brecha volcánica pero los fragmentos son por acción del transporte
en el agua. Schultz & Cleaves (1955).
“Clasto de color claro, que puede flotar en el agua y las vesículas se cierran rápidamente
al llenarse de agua. Son el resultado del enfriamiento rápido de lava espumosa de la cual
los gases se escaparon. La carbonilla sumamente vesicular se llama piedra pómez. La
piedra pómez de magma “rhyolitic” es caracterizada por vesículas que se estiran fuera en
los tubos muy delgados largos, dando una apariencia de seda al fragmento.
Pumita
Otras definiciones son: “Roca volcánica espumosa, usualmente de composición Dacita o
Riolita, formada por la expansión de gas en la erupción de lava. Comúnmente se
muestran como terrones o fragmentos alargados del tamaño de un “guisante”, también
se puede presentar con abundantes partículas tamaño ceniza.” “Clasto de color claro,
vítreo, vesiculosa de composición ácida, y que se forma cuando los gases pasan a través
de la lava. (Watt Alec, 1999)”.
“Vidrio esponjoso lleno de diminutas burbujas, que presenta tonalidades gris clara a
blanca, (Bates & Jackson, 1987).
Clásto Pumita
Vidrio altamente vesicular. Los clástos son usualmente encontrados sobre grandes áreas
en la vecindad de la abertura del volcán, siendo depositados por flujo y/o caída del
viento. Fisher & Schmincke (1984), en Esposito & Guadagno (1998).
Reticulita
Pumita ligera como una pluma. Es la más ligera de las tefras. Puede ser transportada
muy lejos de la fuente eruptiva. No puede flotar porque las vesículas están
interconectadas y cuando caen sobre agua, llegan a ser fácilmente inundadas y
hundidas, (Tilling, Heliker, and Wright, 1987; en U.S.G.S., 2001).
55
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
TERMINO
DESCRIPCIÓN
Lavas cargadas de gas que durante el viaje en el aire se solidifican y enfrían,
cayendo como roca volcánica oscura, (Clynne et al. 1998).
Escoria
Vesícula
Ignimbrita
Clasto de color oscuro. La piedra pómez basáltica menos abundante consiste
típicamente sólo en hilos de vidrio delgados que marcan las intersecciones de
vesículas. Éstos forman la piedra más ligera (0.3 gm/cm3) ; conocido por
denominarse escoria del hilo-cordón o reticulate.
Una pequeña cavidad de aire
solidificación.
que se formó en una roca volcánica durante la
Roca volcánica silicea formada por partículas volcánicas de tamaño fino y abundancia
de vidrio, que son expulsadas en fumarolas del interior de la tierra y depositadas en
superficie en estratos gruesos y masivos, cubriendo grandes extensiones de
terrenos, (U.S.G.S., 2001).
Roca formada por depósitos muy dispersados y consolidados de flujos de ceniza y
nubes ardientes. El termino fue originalmente aplicado solamente a depósitos de
ceniza soldados, pero ahora incluye todos los depósitos.
Fuente: Referenciado por Redondo (2003).
3.1.7.2 Depósitos de Ceniza Volcánica
Los depósitos volcánicos pueden encontrarse alterados por efecto de la meteorización en
su parte más superficial, originando perfiles de suelos residuales en los que comúnmente
se encuentran una diversidad de fragmentos tamaño ceniza.
En general, se pueden definir los depósitos de origen volcánico como aquellas masas de
material litificado pero no completamente compacto y consolidado como lo son las rocas
ígneas extrusivas (por ejemplo; Basalto, Tobas, Ignimbritas, Andesitas), así como también
a los materiales sueltos producto de la meteorización de estas rocas. Estos depósitos se
caracterizan por su gran alterabilidad y mientras más finos, mayor será su superficie
específica y mayor la cinética de alteración. A continuación se presenta una clasificación
considerando el aspecto genético como parámetro principal según Redondo (2003).
Depósitos de caída
Estos depósitos generalmente están bien clasificados y se encuentran depositados en
capas superpuestas, las cuales independientemente del tamaño de los granos son
llamados: “Capas de Ceniza”, “Estratos de Ceniza”, o “Mantos de Ceniza”. En contraste se
definen los depósitos de “Ceniza Consolidados” como las Tobas (tuffs).
Se describen como depósitos de materiales no consolidados conformados por la caída de
piroclástos, los cuales se transportan en una nube originada por una explosión volcánica
que conforma una columna de varios kilómetros de altura, y que es transportada por el
viento a distancias de cientos a miles de kilómetros.
56
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Depósitos de flujo
Se describe como una masa sub aérea turbulenta, conformada por una mezcla de gas y
fragmentos de roca, muchos de los cuales son tamaño ceniza. Esta masa piroclástica tiene
normalmente alta temperatura y se mueve rápidamente deslizándose sobre los taludes a
gran velocidad sobre el nivel de la superficie. Dependiendo de la densidad, definen su área
de cobertura y el alcance del viaje, llegándose a depositar cerca de la fuente, en ocasiones
conformando costras sólidas de tobas cementadas o agrupaciones de fragmentos aislados,
posteriormente cubiertos de cenizas de caída.
Los depósitos de oleadas piroclásticas representan el movimiento de grandes volúmenes
de material efusivo con el comportamiento general de los flujos de lava. Estos actúan
como fluidos pesados controlados en su movimiento por la gravedad y la topografía del
terreno subyacente.
Lahar
Etimológicamente Lahar es una palabra de origen indonesio, y son variadas las
definiciones que se tiene para este tipo de depósitos. El concepto que se considera más
apropiado es aquel que lo define como una mezcla fría o caliente entre los escombros de
un volcán y el agua. También se refieren a un flujo torrencial de detritos volcánicos
saturados de agua que bajan de la ladera de un volcán en respuesta a la gravedad
(U.S.G.S. glosario). En Cevallos et al. (1994), se describe como depósitos fluvio-volcánicos
resultado de la escorrentía de materiales de tipo volcánico, que se ubican en las laderas
de las estructuras volcánicas; referenciado por Redondo (2003).
3.1.7.3 Reconocimiento de las cenizas volcánicas
A continuación se destacan aspectos relacionados al reconocimiento tanto en campo como
en laboratorio de los materiales de origen piroclástico, criterios que hasta el momento han
servido en primera instancia, para distanciar a los depósitos de cenizas volcánicas de los
conceptos convencionales que se tiene para los suelos sedimentarios. Es importante
destacar que la mayoría de criterios se valen de las propiedades índices para evaluar el
comportamiento de los materiales de origen volcánico (Redondo, 2003).
En laboratorio
Los cambios radicales que presentan estos materiales por efecto del secado y remoldeo
permiten que por medio de los ensayos de granulometría y propiedades índices a
diferentes condiciones de humedad se puedan reconocer en principio este tipo de
materiales.
Por medio del ensayo de Índice de Agregación (I.A.), propuesto por Tateishi (1967), en
Vásquez (1995), quien considera que cuando el valor de I.A. es mayor a dos (2), el suelo
57
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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es susceptible a cambiar sus propiedades después de la deshidratación o secado (Giraldo y
otros, 1986, González y Forero, 1981); referenciado por (Redondo, 2003).
De los datos del estudio de Redondo (2003) del Eje Cafetero relacionados en la Figura 25
se observa que en su mayoría superan el valor de 2 y puede decirse que el I.A. sirve como
criterio de identificación. El propósito del Índice de Agregación es determinar la tendencia
de un suelo a cambiar después de la deshidratación. Este parámetro se define como la
relación entre el valor del Equivalente de Arena obtenido de una muestra del suelo que se
ha secado al horno (normas: AASTHO T176 y MOPIE 35-62) y el valor del equivalente de
arena del mismo a su humedad natural, (en Vásquez, 1995). Si el I.A. > 2, indica un suelo
moderado al cambio y un valor de I.A. >12, un suelo altamente variable.
Histograma: Indice de Agregación
18
Frecuencia
16
No. datos: 26
14
12
10
8
6
4
2
0
0.54
2.472
4.404
6.336
Rangos para el I.A.
8.268
y mayo r...
Figura 25 Resultados del I.A. para materiales del Eje Cafetero.
Fuente: (Redondo, 2003).
En Terreno
Algunos autores describen como típica la coloración del material de origen piroclástico en
los diferentes sectores en los cuales han trabajado, obteniéndose entonces un amplio
espectro de coloración. Por ejemplo, Mejía (1995) propone una relación entre la coloración
y los valores del L.L., y expone que para los latosoles las coloraciones típicas van desde
café amarillento a café rojizo, dentro de un rango del L.L. entre 80% a 90%. El caso de
mayor interés para el presente estudio es el de los andosoles, para el que se tiene una
coloración que varía de café verdoso a café oscuro, pero ocasionalmente pueden
presentarse tonalidades amarillas blancuzcas, o blancos amarillentos con un L.L. mayor a
110% aproximadamente, de acuerdo con lo observado en los taludes del Eje Cafetero.
Sin embargo, para Correa y García (1999) los andosoles presentan colores café, verde,
amarillo y gris, con frecuentes trazas rojizas, además argumentan que el color
probablemente está relacionado con el contenido de óxidos y además es probable que
exista una relación entre el contenido de óxidos, la plasticidad y otras propiedades.
58
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Otra característica muy propia de las cenizas volcánicas, es el hecho de que el muestreo
se dificulta como consecuencia de la alta porosidad del material y las elevadas presiones
generadas en las paredes de los tubos metálicos durante su hincado, lo que conlleva a
recobros bajos, y desde luego la estructura del material en el proceso puede verse
afectada. Cabe anotar que las presiones sobre el tubo se incrementan con el tiempo de
almacenamiento (Mejía, 1995).
3.1.7.4 Caracterización geotécnica
Las cenizas volcánicas, de acuerdo con la clasificación unificada de suelos, clasifican como
limos y arcillas de alta compresibilidad (MH y CH). Estos suelos presentan una
cementación apreciable. En efecto, a pesar de que el mecanismo de deposición es eólica,
presentan relaciones de sobre consolidación que varían entre 3.0 y 7.0, además presentan
altas relaciones de vacíos que varían entre 1.0 y 4.5. Dada la alta relación de vacíos, las
cenizas volcánicas pueden sufrir colapso cuando se someten a esfuerzos de corte cíclicos
(Yamin, et al. 2000)
Según la Microzonificación sísmica de Manizales las cenizas volcánicas son superficiales e
intermedias con depósitos de profundidad variable hasta valores máximos en el orden de
50 m.
El subsuelo característico, para las zonas de mayor espesor de cenizas (del orden de 30 a
35 m) puede caracterizarse como se muestra en la Figura 26. Se presenta un perfil típico
de cenizas depositadas sobre conglomerados. Para las cenizas se encuentran índices de
plasticidad variando entre 0 y 110%, con humedades naturales entre 10 y 200%. Las
densidades húmedas medidas están entre 1.2 y 2.0 Ton/m3. Las rangos de velocidades de
ondas de cortante están entre 80 y 250 m/s y la resistencia a la compresión simple (qu)
basadas en compresiones inconfinadas del orden de 0.1 a 3 kg/cm2.
59
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Profundidad Descripción y
clasificación
(m)
Propiedades,
Cont. agua
Ip
Peso
unitario
Vs
qu
(Kg/cm2)
(m/s)
Limo de alta
plasticidad
(MH)
Limo de baja
plasticidad
(ML)
(MH)
(ML)
Conglomerado
Figura 26 Perfil típico del subsuelo.
Fuente: (Yamin, et al. 2000)
3.1.7.4.1 Propiedades Físico-Químicas
La mineralogía de los suelos de cenizas volcánicas tiene de gran influencia sobre sus
características y su comportamiento mecánico. Los minerales presentes en la fracción de
arcilla (alofana, imogolita y haloisita) derivados de la meteorización de las cenizas
volcánicas, en particular del vidrio volcánico, poseen propiedades (tamaño, forma, carga
eléctrica, energía superficial, etc.) que los hacen distinguibles de los minerales
comúnmente encontrados en suelos sedimentarios. La presencia de alofana, imogolita y
haloisita contribuye al desarrollo de las propiedades químicas y físicas únicas que estos
60
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
suelos exhiben. Entre estas propiedades las más reconocidas son: baja densidad, alta
plasticidad, alta capacidad de retención de agua, friabilidad y tendencia a agregarse. En
estado inalterado, los suelos derivados de cenizas volcánicas parecen estar formados por
agregaciones de tamaño arena o limo y presentan baja plasticidad o no son plásticos. Sin
embargo, cuando son remoldados su apariencia cambia a la de suelos finos con elevada
plasticidad y humedad (NZ Geotechnical Society, 2005); referenciado por Correa y García
(1999).
Los procesos de secado modifican algunas propiedades del suelo, en especial la
plasticidad. La alta plasticidad que estos suelos presentan en condición natural se reduce
cuando el suelo es expuesto a secado al aire o al horno. La variación de la plasticidad por
desecación depende de la humedad inicial, la temperatura y la duración de la desecación.
3.1.7.4.2 Propiedades Mecánicas
La historia de formación y los resultados experimentales indican que los suelos derivados
de cenizas volcánicas en Colombia son suelos cementados que evolucionan a partir de la
meteorización de cenizas volcánicas. Diferentes mecanismos químicos y físicos gobiernan
el acercamiento de las partículas y la formación de agregaciones.
Sobre estas se han recogido conceptos muy importantes como es el caso de la cohesión
aparente por efecto de la succión, los conceptos acerca del modo de falla de los
materiales y la capacidad portante relativamente elevada (Redondo, 2003)
Permeabilidad
La porosidad de las cenizas volcánicas es una característica genética intrínseca y le da la
posibilidad al material de almacenar gran cantidad de agua, aunque no presenta una alta
permeabilidad puesto que no todos los poros se encuentran interconectados. Para
determinar la permeabilidad se han empleado tanto métodos de campo (infiltración por
encima del nivel freático), ensayos para los cuales Correa y García (1999), reportan un
rango de 10-4 cm/sg para los materiales del Eje Cafetero y métodos indirectos como el
reportado por Sandoval (2002), quien empleando el ensayo de consolidación, se obtuvo
que la permeabilidad para las cenizas del Quindío se encuentra entre 1 x 10-5 a 1 x 10-7
cm/sg, datos estos que concuerdan con los conocidos para suelos sedimentarios como las
arenas finas, limos orgánicos e inorgánicos y las mezclas entre arenas, limos y arcillas.
Para el caso de suelos lateríticos y andosoles Townsend (1983); referenciado por
(Redondo, 2003), entrega un rango que varía entre 10-4 y 10-5 cm/seg.
Actividad de las cenizas
Según Correa y García (1999), no se ha establecido un método apropiado para estimar la
Actividad de estos materiales, debido a que criterios indirectos para evaluar este
parámetro dependen del I.P., y este parámetro para materiales de origen volcánico varia
con el presecado (tipo o procedimiento de secado), remoldeo, y profundidad de la
muestra, así como también con el porcentaje de arcillas obtenido en ensayos
granulométricos el que depende del dispersante empleado. Desde luego los resultados
61
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
están en función del grado de alteración por efecto de la meteorización o evolución que
presenta la ceniza volcánica.
Expansividad
En el estudio de Redondo (2003), un suelo es potencialmente expansivo si ante una
reducción de succión, ante una reducción tensional efectiva, o ante una combinación de
ambas, sufre deformaciones volumétricas de expansión de gran magnitud. Los suelos que
presentan este tipo de comportamiento generalmente son de muy alta plasticidad, como
las cenizas volcánicas.
Colapsabilidad
Se entiende por colapso la disminución de volumen súbito por efecto del reordenamiento
espontáneo de las partículas sólidas al saturarse parcial o totalmente la masa que las
contiene. Es la disminución de volumen en ausencia de cambios tensionales totales ante
disminuciones de succión, puesto que la resistencia adicional que proporciona la succión
se da como consecuencia de una estructura muy abierta del suelo, de gran índice de
poros. Luego la disminución o eventual eliminación de la succión impide el sostenimiento
de dicha estructura, estructura que pasa a perder gran parte de su porosidad, provocando
fuertes deformaciones.
Como los suelos colapsables son susceptibles a grandes disminuciones en su masa
volumétrica cuando llegan a su estado saturado y el colapso puede ser detonado por
solamente el aumento del agua, o por saturación y carga actuando conjuntamente
(Mitchell, 1976); referenciado por (Redondo, 2003).
En su gran mayoría los suelos colapsables son de origen eólico y se conocen con el
nombre de “loess”, también pueden serlo algunos suelos aluviales poco consolidados y
prácticamente secos, depósitos que dejan las inundaciones y que posteriormente no se
han vuelto a saturar.
Flórez y la Universidad Nacional de Colombia (2005) realizaron ensayos de doble
consolidación (colapso estructural) a diferentes densidades con el objetivo de establecer
la condición del potencial de colapso estructural y poder definir los esfuerzos críticos de
fluencia del material estudiado bajo condiciones de saturación repentina. Mediante este
ensayo, se pretende explicar el comportamiento de la matriz arcillosa en la columna de
relleno y de los depósitos volcánicos que los infrayacen para analizar su posible influencia
en el mecanismo de falla presente.
Los ensayos mecánicos efectuados, consistieron en la consolidación bajo condición de
saturación al inicio del incremento de carga y de consolidación unidimensional bajo
condiciones de humedad natural e inundada al alcanzar los valores de esfuerzo de
confinamiento preestablecidos. Este procedimiento se efectuó para determinar el potencial
de colapso de las muestras ante pérdida de succión por fenómenos de saturación
repentina
Para la clasificación del potencial de colapso se utilizó la definición dada en el Quarterly
Journal of Engineering Geology (1990); referenciado por Flórez (2005), en la cual,
establece que el potencial de colapso está definido como:
62
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Dónde:
=Cambio en la relación de vacíos
= Relación de vacíos inicial.
En la Tabla 10, se presenta la clasificación del potencial de colapso de acuerdo con
criterios de cambios en la relación de vacíos por saturación de la muestra a determinados
esfuerzos de confinamiento en función de la ecuación anterior.
Clasificación para el potencial de colapso (tomado de QJEG, 1990)
Tabla 10 Clasificación para el potencial de colapso.
Potencial de colapso PC (%) Nivel de severidad del problema
<1
No hay problema
1<PC<5
Problema moderado
5<PC<10
Problemático
10<PC<20
Problema severo
>20
Problema muy severo
Fuente: (QJEG, 1990); referenciado por Flórez, et al. (2005).
Para la evaluación del potencial de colapso se somete una muestra al ensayo de
consolidación unidimensional bajo condiciones de saturación al inicio del incremento de
cargas y efectuar las lecturas de deformación vertical hasta el momento que se cumple el
final de la consolidación primaria, momento en el que se da inicio al otro incremento de
carga de tal forma que se efectúe la curva de relación de vacíos respecto al logaritmo de
esfuerzos verticales efectivos en el intervalo de trabajo a la que el suelo se encuentra o se
someterá de acuerdo con las necesidades del estudio que se esté efectuando (Figura 27).
Por otro lado y de forma simultánea se efectúa el ensayo de consolidación bajo la
modalidad de realizar la prueba bajo condiciones de humedad natural y tan solo efectuar
el proceso de inundación (saturación) una vez sea alcanzado el esfuerzo de consolidación
requerido.
El proceso de llevar a cabo esta prueba de forma simultánea permite analizar los cambios
repentinos en la curva relación de vacíos respecto al esfuerzo vertical de confinamiento
por disminución de altura de la muestra ante cambios repentinos en las condiciones de
saturación por procesos de inundación repentina, lo que favorece la destrucción del
arreglo estructural de la muestra de suelo analizada, manifestado en importantes cambios
en la deformación vertical.
63
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Intervalo de esfuerzos para
los análisis de estabilidad
Figura 27 Resultado del ensayo de doble odómetro para muestra de relleno de 1.25 ton/m3.
Fuente: Flórez, et al. (2005).
En la Figura 27 se observa como entre 0.25 y 0.5 kg/cm2, la curva de “inundación
repentina”, converge hacia la curva de “saturación inicial”, lo que equivale decir, que en
este intervalo de esfuerzos se presenta fluencia de la estructura por la pérdida de las
presiones negativas debidas a la saturación de la muestra. En este sentido, es importante
mencionar que la variación de la relación de vacíos es notoria y es particularmente
problemática.
3.1.7.5 Caracterización Dinámica de cenizas volcánicas
En el estudio del comportamiento del suelo sometido a cargas cíclicas se puede distinguir
el comportamiento del suelo a la ruptura y antes de la ruptura. No todos los ensayos
permiten llevar el suelo a la ruptura; actualmente solo se puede aplicar grandes
deformaciones mediante algunos ensayos de laboratorio. Los ensayos in situ se limitan a
medir las características de deformabilidad en pequeñas deformaciones (exceptuando
algunas investigaciones con el presiómetro cíclico) (CIMOC, CEDERI, 2005).
Son muy pocos los autores que han estudiado el comportamiento geomecánico de las
cenizas volcánicas ante cargas sísmicas, así como de las respuestas dinámicas típicas que
presentan los depósitos ante un sismo. Se identifican los parámetros relevantes que
intervienen en la desestabilización, como describir el comportamiento de laderas en áreas
de depósitos volcánicos.
64
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.1.7.5.1 Curvas de degradación de módulo cortante para cenizas volcánicas
Estudios de Yamin et al. (2000), presentan el rango de comportamiento típico de la
cenizas volcánicas en relación con la degradación de la rigidez al cortante (G) en función
de la deformación por corte ( ) Figura 28, en donde se observa que G se mantiene
constante un amplio rango de , (1E-6 a 1E-4.5), antes de degradarse relativamente
rápido, y un resumen de los valores típicos obtenidos de la variación de las velocidades de
onda de cortante con la profundidad, Figura 29, en donde se observa la tendencia de G a
aumentar con la profundidad.
Figura 28 Curvas de degradación del módulo de corte (G), características para las cenizas
volcánicas del Eje Cafetero, presentadas.
Fuente: Yamin et al. (2000)
65
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 29 Variación de G con la profundidad, resumen de valores típicos presentados para
el Eje Cafetero.
Fuente: Yamin et al. (2000)
Las variables que afectan la respuesta de los depósitos de ceniza volcánica en el Eje
Cafetero son el contenido frecuencial de entrada a nivel de la roca, la profundidad de los
depósitos de ceniza, y la variabilidad tanto de las propiedades mecánicas como de los
parámetros dinámicos del suelo.
Considerando el índice de liquidez (I.L.) como un parámetro suficientemente
representativo del comportamiento del material, y teniendo humedades naturales
superiores al I.P., Caicedo & Turbay (1999), argumentan que solo se puede encontrar este
caso si el suelo presenta en su estado natural, un cierto grado de cementación que impida
el colapso bajo su propio peso, como es el caso de las cenizas volcánicas.
Caicedo & Turbay (1999), encontraron correlaciones para la degradación del módulo de
rigidez al corte (G/GMAX), y para el amortiguamiento ( ), las siguientes ecuaciones, y
tomando cinco magnitudes del I.L. que caracterizaban el material, obtuvieron las curvas
de las Figura s 30 y 31, como representativas para las cenizas volcánicas de Armenia.
66
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 30 Degradación del Módulo de Corte vs. la Deformación de Corte en función del
Índice de Liquidez.
Fuente: (Caicedo & Turbay, 1999).
Figura 31 Amortiguamiento vs. Deformación de Corte en función del Índice de Liquidez.
Fuente: (Caicedo & Turbay, 1999).
67
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
De acuerdo al estudio de Caicedo & Turbay (1999) el comportamiento del suelo de origen
volcánico de la ciudad de Armenia se rige con base en dos parámetros dominantes: el I.L.
y la relación de vacíos; parámetros que se encuentran directamente relacionados. A mayor
relación de vacíos es mayor el grado de cementación.
La formulación de las correlaciones no implica la totalidad del área muestreada; por lo que
no obtuvieron una correlación apropiada para el muestreo de toda la zona, luego la
confiabilidad de las correlaciones obtenidas quedan en entredicho.
“La curva de amortiguamiento en función de la deformación angular es mucho más
sensible que la del módulo de corte una vez se correlacionan con el índice de liquidez,
dado que la primera presenta valores de dispersión entre sí mucho mayores y una
variación del amortiguamiento representa una alteración sustancial al realizar la
modelación dinámica de las cenizas volcánicas.”
De acuerdo con Kramer (1996), para el módulo de amortiguamiento G/GMáx se tiene una
transición gradual entre el comportamiento para suelos grueso granulares no plásticos y
los fino granulares plásticos de origen sedimentario. Según Dobry & Vucetic (1987) la
forma de la curva de reducción del módulo está influenciada más por el índice de
plasticidad que por la relación de vacíos. De las curvas presentadas la deformación por
corte es mayor para suelos de alta plasticidad que para suelos de baja plasticidad,
característica que según Kramer (1996) puede influenciar fuertemente la manera en la
cual un depósito de suelo puede amplificar o atenuar los movimientos sísmicos.
Microzonificación Sísmica de Manizales (2005)
Tomando la estratigrafía definida en los estudios de la Microzonificación Sísmica de
Manizales en cada zona se pueden estimar los parámetros para el análisis dinámico:
Módulo Cortante Máximo, Gmáx:
Considerando las condiciones locales de la ciudad d Manizales y dada la realización de
ensayos in situ como down hole y cono sísmico, que dan un registro continuo de la
velocidad de onda de corte vs a la profundidad de exploración, los valores de Gmáx para
efectos de caracterizar los suelos se tomaron a partir de estos ensayos.
Curvas de degradación del módulo de Cortante:
Usualmente la curva de variación del módulo de cortante en función de la deformación
angular se representa en forma normalizada con respecto al Gmáx y depende del índice
de plasticidad. Sin embargo para los suelos estudiados, este tipo de relación no es
evidente. En efecto, en estos suelos, posiblemente debido a la cementación, el índice de
plasticidad no está asociado a la forma de la curva, como se indicó en estudios anteriores.
Es importante destacar que en este tipo de suelos la cementación puede jugar un papel
más importante que el índice de plasticidad. Según esto, para buscar una ley de variación
68
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
del módulo de cortante máximo se debe encontrar una variable que esté relacionada con
la cementación.
Interpretando el conjunto de resultados de ensayos de laboratorio realizados en el
estudio, correspondientes a los ensayos triaxiales cíclicos, de columna resonante,
velocidad de onda en laboratorio y presiómetro cíclico en los casos en que se realizó, se
graficaron las curvas de degradación del módulo de rigidez al corte en función de la
deformación angular, G/Gmáx contra . En la Figura 32 se muestran los valores puntuales
obtenidos en el laboratorio y se expone cómo varían con el índice de liquidez, IL.

Figura 32 Curvas de Degradación de Módulo obtenidas a partir de ensayos dinámicos
realizados.
Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)
Realizando una regresión lineal entre la deformación angular
correspondiente a una
relación de G/Gmáx igual a 0.5 y el índice de liquidez IL correspondiente (Figura 33), se
obtuvo la ecuación que relaciona
e IL , siendo esta
= 0.0006 + 0.0002 * IL.
Reemplazando la expresión calculada entre
e IL en la ecuación general para el módulo
decorte, se obtuvo la ley general de degradación de este parámetro para los suelos dela
zona de estudio, en función del IL:
69
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Figura 33 Parámetros para determinar los modelos de degradación de la rigidez en función
de IL
Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)
Con base en la ley obtenida para la degradación del módulo dinámico de corte en función
de la deformación angular, se definieron cinco valores de índice de liquidez entre los
cuales se caracterizaban los suelos de la ciudad de Manizales, obteniendo así las curvas
definitivas para la caracterización de la respuesta dinámica de este tipo de suelos. La
Figura 34 muestra las curvas definitivas enunciadas para los valores de índice de liquidez
seleccionados.
70
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 34 Modelos de Repuesta Dinámica en función del Índice de Liquidez.
Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)
Curvas de capacidad de amortiguamiento con la deformación cortante:
Al igual que en el caso de la curva de variación del módulo de cortante, el índice de
plasticidad no es una característica que define el comportamiento observado para el
amortiguamiento. Por esta razón la Figura 35 muestra las curvas de amortiguamiento en
función de la deformación angular, representada en la curva  vs. , en función de sus
correspondientes índices de liquidez.
71
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 35 Curvas de Amortiguamiento Obtenidas a partir de los Ensayos
Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)
Como el amortiguamiento varía con el módulo de rigidez al corte Gmáx, se procedió a
graficar el valor máximo del amortiguamiento
para cada ensayo en función del índice
de liquidez IL correspondiente, obteniendo la expresión para las dos variables:
tal como se muestra en la Figura 36. Sustituyendo la expresión de
obtuvo la ley de amortiguamiento para este tipo de suelos:
72
calculada se
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Figura 36
en función del Índice de Liquidez
Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)
De igual manera, se graficaron las curvas definitivas (Figura 37) para el amortiguamiento
en función de la deformación de corte, para los valores de índice de liquidez
seleccionados. A partir de estas curvas se puede concluir que a mayor índice de liquidez
hay mayor degradación del suelo cuando se le somete a cargas cíclicas.
73
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Figura 37 Modelos de Repuesta Dinámica Curvas de Amortiguamiento
Fuente: (CIMOC, CEDERI, 2005)
3.1.7.5.2 Respuesta dinámica de depósitos de Ceniza Volcánica
Del estudio de la Microzonificación sísmica de Manizales (2005) de depósitos de cenizas
volcánicas, corresponden a superficiales e intermedias con depósitos de profundidad
variable hasta valores máximos en el orden de 50 m.
La presencia de depósitos de suelo blando como las cenizas volcánicas, comprenden
estudios de las pendientes topográficas, investigaciones geofísicas, investigaciones
geotécnicas, estudios de efectos locales de sitio como lo son las amplificaciones, debido a
la heterogeneidad horizontal en la estratigrafía del suelo, por presencia de taludes o por
efectos topográficos superficiales.
Estos depósitos superficiales más blandos modifican la señal tanto en amplitud como en
contenido frecuencial y duración, básicamente en función del contraste que se presente
entre el depósito superior y los inferiores referidos. Esta variación de la señal sísmica
conforma el llamado efecto de sitio que desempeña en general un papel fundamental en
la magnitud de las fuerzas sísmicas. Predomina la posibilidad de resonancia entre el
74
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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depósito y la señal de entrada, obteniéndose como resultado grandes amplificaciones del
movimiento en especial en rangos específicos de frecuencias que dependen de las
características mismas del depósito y del movimiento de entrada.
Profundidad de los depósitos
Debido a que la profundidad de los depósitos de suelo blando se identifica como una de
las variables más importantes a la a hora de evaluar la respuesta dinámica de los
depósitos es necesaria la recopilación de la mayor cantidad posible de sondeos existentes
en la zona a trabajar. La información básica consiste en sondeos realizados para diferentes
estudios, solo interesa la profundidad máxima alcanzada en cada uno de los sondeos.
Depósitos de cenizas volcánicas
De acuerdo al estudio de Redondo (2003) existe una denominación para los diferentes
tamaños de materiales de origen volcánico, pero no así, una clasificación granulométrica
que lleve a tener un concepto claro a cerca del comportamiento de un depósito de origen
piroclástico. Al evaluar el material desde el punto de vista granulométrico los depósitos
volcánicos pueden ser tanto isotrópicos como anisotrópicos a nivel micro, pero a nivel
macro se consideran como anisotrópicos.
Se conocen diferentes tipos de depósitos volcánicos consolidados como lo son: las
pumitas, las ignimbritas, las tobas, las escorias y las cenizas entre otros, pero todos ellos
se pueden agrupar dentro de tres grupos principales, definidos considerando la forma de
su conformación. Se tiene dos grupos principales que son el aéreo; caso de las cenizas de
caída, y los sub aéreos o flujos piroclásticos, estos dos congénitos al evento eruptivo. Sin
embargo, se definió un tercero que puede o no ser congénito y que se conoce como lahar
mencionado anteriormente.
En general en Colombia a todos los depósitos de origen volcánicos se les denominan
“cenizas volcánicas”, dado que en la parte más superficial siempre se ha encontrado
granulométricamente dominante los tamaños limo y arena, que corresponde a la frontera
superior del tamaño ceniza propuesta por Borrero et al. (1994); referenciado por Redondo
(2003).
Comportamiento de los taludes conformados por depósitos de origen volcánico
Dentro de los fenómenos físicos propios de las cenizas volcánicas que se han considerado
por varios autores para evaluar la estabilidad de taludes, está el hecho de considerar los
suelos de origen volcánico como materiales en los que hace presencia el factor
cementante interparticular y el fenómeno de succión, características que permiten que
estos materiales se presten para dejar cortes verticales en taludes.
Respecto a la succión se ha establecido un rango de magnitud bastante amplio de
mediciones experimentales en diferentes partes del mundo, rango que se extiende de 74.5
kPa, magnitud mínima reportada para materiales del Glacis del Quindío por Sandoval
(2002), a 500 kPa obtenidos por Bommer et al. (2002) en materiales de El Salvador. Al
respecto se tiene que este parámetro depende de las condiciones de humedad;
referenciado por Redondo (2003).
75
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Parámetros propuestos por INGEOMINAS y otros para los depósitos volcánicos de
Armenia:
Al respecto del efecto telúrico en el estudio sobre el sismo de Armenia del 25 de enero de
1999, INGEOMINAS (1999), estudian con modelos dinámicos el comportamiento de
respuesta sísmica de los depósitos volcánicos cuando son recorridos por un tren de ondas
sísmicas definido, encontrándose que las zonas de cenizas (definidas así por sus
características geológicas, geofísicas y geotécnicas), de espesor variable; 0 m ≤ e ≥ 7 m,
presentan las mayores aceleraciones espectrales para un rango de periodos entre 0.1 y
0.5 (Figura 38), y que gran concentración de daños se localizó en sitios con cambios
topográficos pronunciados, en cañadas y en laderas; referenciado por Redondo (2003).
ç
Figura 38 Respuesta de las cenizas volcánicas de Armenia, (espesor variable; 0 ≤ e(m) ≥
7, considerando el sismo del 25 de enero de 1999, en donde se presentan las mayores
aceleraciones espectrales para un rango de periodos entre 0.1 y 0.5 seg.
Fuente: INGEOMINAS et al. (1999); referenciado por Redondo (2003).
76
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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3.2
Normativa de los ensayos
La caracterización del comportamiento dinámico de las cenizas se estudia mediante la
realización de ensayos de laboratorio sobre muestras inalteradas. Se realizaron los
ensayos relacionados en la Tabla 11.
Tabla 11 Ensayos para la caracterización dinámica
ENSAYO
NORMA
Triaxial
Cíclico
ASTM
D5311 - 92
Columna
Resonante
ASTM
D4015- 92
Corte en
Laboratorio
(“Bender
Element”)
ASTM
D2845 - 95
3.2.1
PARÁMETRO EVALUADO
GMAX = Modulo de Rigidez al corte.
= Amortiguación para altas
deformaciones por corte (γ)
Concavidad de curvas:
G/GMAX vs. γ
vs. γ
GMAX = ValorMáximo del Módulo de
Rigidez al corte.
Introducción
Para estudiar el comportamiento de los suelos principalmente en lo referente a la curva de
degradación del módulo de cortante en función de la deformación angular, se realizaron
diferentes tipos de ensayos sobre muestras de cenizas volcánicas de Manizales.
El número y tipo de ensayos realizados fueron los siguientes: 4 ensayos triaxiales cíclicos
con deformación controlada y medición de la velocidad de onda de corte (Bender Element)
y 4 ensayos de columna resonante.
El material a utilizar se obtiene de una región donde los suelos son de tipo volcánico,
suelos de alta complejidad al momento de realizar los ensayos de laboratorio.
Efectivamente, estos suelos se caracterizan por tener una alta relación de vacíos,
cementación no despreciable y frecuentemente se encuentran en estado parcialmente
saturado. La combinación de estos tres factores le otorga a este tipo de suelos,
características de alta sensibilidad y los convierte en material colapsable para condiciones
de carga específicas.
Muchas técnicas han sido usadas en el laboratorio para investigar las propiedades
dinámicas de los suelos. Algunas de las más comunes son el ensayo triaxial dinámico, el
ensayo de corte simple, el ensayo de columna resonante, el ensayo de corte torsional y el
ensayo de velocidad ultrasónica.
77
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Cada uno de estos ensayos ha sido diseñado para reproducir lo más ajustado posible, las
condiciones de frontera del suelo en el campo, así como las trayectorias de esfuerzos, las
amplitudes de carga y las frecuencias de carga asociadas de diferentes tipos de
eventos(Padilla, 2004).
La Figura 39 muestra el rango típico o la precisión de los mecanismos dinámicos con
respecto a la amplitud de deformación cortante.
Columna resonante
(muestras sólidas)
Cortante torsional/
Columna resonante
(muestras huecas)
Triaxial
Cíclico
Métodos
ultrasónicos
Corte simple
Cíclico
Características
típicas de
movimiento
Propiedad es de
diseño la máquina
de fundación
Movimiento
fuerte del
suelo por
un sismo
Próximo
explosión
nuclear
Magnitud de esfuerzo
Figura 39 Niveles de deformación típicos asociados con diferentes ensayos de laboratorio y
eventos de campo.
Fuente: (Padilla, 2004)
En el ANEXO A (Cd) se presenta la explicación de los cálculos de cada ensayo.
3.2.2
Cargas repetidas
El método de aplicación de la carga se clasifica generalmente en tres tipos, carga estática,
carga transitoria rápida, y la carga repetitiva como se ilustra en la Figura 40. En la prueba
de carga estática, la carga se aplica monótonamente con un tiempo hasta la falla enel
orden de varios segundos a unos pocos minutos o incluso más. Si la carga al caer se
ejecuta en un tiempo más corto, la carga se llama transitoria o rápida.
78
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Esfuerzo de corte
Con respecto a la carga repetitiva, hay dos tipos de aplicación de la carga lenta y la
repetición rápida de la carga. Las pruebas con cargas repetitivas aplicadas lentamente se
han llevado a cabo para aclarar el efecto de la carga cíclica en las características de
consolidación o de fluencia de suelos blandos. Los ensayos con aplicación de carga rápida
repetidas se han realizado para investigar la respuesta de la deformación de los suelos
cohesivos objeto de tamaño mediano a grandes deformaciones angulares. La mayoría de
las pruebas se han realizado con un período de 1 a 5 segundos.
Carga transitoria
rápida
Carga estática
lenta
Tiempo
Carga cíclica
o repetitiva
Figura 40 Tipos de carga.
Fuente: (Ishihara, 1996)
Cuando un suelo está sometido a cargas cíclicas en condiciones controladas, con un
esfuerzo de amplitud de deformación de corte, la degradación de la respuesta del suelo
implicará cambios en la curva de esfuerzo-deformación con la progresión de los ciclos,
como se ilustra en la Figura 41.
79
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Figura 41 Curvas Esfuerzo-Deformación para carga cíclica
Fuente: (Ishihara, 1996)
Así, si la histéresis de las curvas para un determinado número de repeticiones se unen y
dibujando en un diagrama, un conjunto de curvas se muestra en la Figura 42 se obtendrá
en el que se puso cada curva de histéresis y se establecen a lo largo de una curva
esqueleto que también es específica para el número de repeticiones que se trate. Por lo
tanto la degradación de la rigidez del suelo se refleja en la curva esqueleto para cambiar
su forma con la progresión de las cargas cíclicas. Si una curva esqueleto según lo definido
de un cierto número de ciclos se extrae y se vuelve a dibujar, se puede obtener una curva
de esfuerzo-deformación, como se muestra en la Figura 43, donde es posible definir el
módulo secante para una amplitud dada de cargas cíclicas. Así, el módulo secante es una
función del número de ciclos y la amplitud del esfuerzo de corte.
Como resultado de pruebas de laboratorio, Casagrande y Shannon (1948) y Casagrande, y
Wilson (1951) aclararon que el módulo, así como la resistencia de las arcillas fueron
mayores en condiciones de carga dinámica en comparación a las de condiciones lentas de
carga estática; referenciado por (Ishihara, 1996).
Como se señala en la Figura 43, el valor del módulo es altamente dependiente, ya sea con
carga rápida o carga lenta, en el nivel de esfuerzo cortante en la que se determina el
módulo. Por lo tanto, es de interés para ver si la dependencia del esfuerzo como del
módulo es diferente o no entre las condiciones de carga rápida y lenta.
80
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Curva esqueleto
Esfuerzo de corte
Figura 42 Curvas de histéresis y curva esqueleto
Fuente: (Ishihara, 1996)
Deformación de corte
Figura 43 Reducción de la rigidez con el incremento del esfuerzo
Fuente: (Ishihara, 1996)
81
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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3.2.3
Ensayo Bender Element
En el ensayo de Bender Element un dispositivo sacude a la muestra de suelo a altas
frecuencias en dirección horizontal generando una propagación de las ondas S de un
extremo hacia el otro extremo de una muestra de suelo (Figura 44). La velocidad de las
ondas S se determina mediante la distancia de viaje y el tiempo de viaje (Viggiani y
Atkinson, 1995).
Figura 44 Medida de la velocidad de propagación de ondas por Bender Element.
Fuente: (Towhata, 2007).
El tiempo de viaje se supone que es la diferencia de tiempo entre la emisión de ondas y
llegada de la onda. La llegada de la onda no puede ser claramente definida. La llegada de
las primeras sacudidas o la llegada del pico da tiempos diferentes. Esta incertidumbre se
debe a que el campo de la onda no es unidimensional sino que está sujeto a los efectos
más complicados de campo cercano (Brignoli et al. 1996).
Para la generación de la onda P, un dispositivo piezoeléctrico está disponible.
Conceptualmente, los módulos de corte a pequeñas deformaciones deben ser idénticos
tanto si se mide de forma dinámica o estática.
3.2.3.1 Método de prueba estándar de laboratorio para la determinación de
velocidades de pulso ultrasónico y constantes elásticas de las rocas ASTM
D2845-95.
Procedimiento
En este ensayo se coloca un excitador y un receptor piezoeléctricos en los extremos de la
muestra; el excitador y el receptor se colocan de tal manera que deformen en flexión una
pequeña lámina que se encuentra empotrada en la muestra. La deformación de las
láminas asegura que la onda que se aplica al suelo es una onda de cortante. De esta
forma es posible determinar la velocidad de la onda de manera directa, midiendo el
82
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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tiempo transcurrido entre el disparo y la recepción de la onda de cortante, conociendo la
longitud de la muestra.
Resultados
Los resultados de un ensayo típico de velocidad de onda en laboratorio incluyen
parámetros antes y después de consolidar la muestra de suelo respectivamente. En ellas
se observa que, debido a la pre consolidación del suelo, las velocidades antes y después
de consolidar la muestra son diferentes.
Debido a las características particulares de las cenizas volcánicas, la metodología
tradicional del Bender Element no conduce a resultados confiables ya que la onda se
disipa en la muestra y no se detecta la señal en el receptor.
3.2.4
Ensayo Triaxial Cíclico
El ensayo triaxial cíclico fue desarrollado por Seed y Lee (1996) y es una de las técnicas de
laboratorio más desarrolladas para el estudio de las características de los suelos sometidos
a cargas cíclicas y para estudiar sus características de deformabilidad. El objeto es
reproducir la condición de esfuerzos a que se haya sujeto un elemento de suelo durante
un sismo, atribuyendo el estado de deformaciones del suelo a la propagación de ondas de
cortante.
Este ensayo consiste en consolidar la muestra isotrópicamente; enseguida se cierra la
válvula de drenaje y se aplica un esfuerzo desviador σd/2. Esto asegura que el esfuerzo
normal a un plano, inclinado 45 grados con respecto al eje de la muestra, permanezca
constante y el esfuerzo cortante varíe entre + σd/2 y - σd/2. De esta forma se asegura que
el estado de esfuerzos en este plano es similar al que se produce durante un sismo en un
plano horizontal de un estrato de suelo. Puesto que el control de la presión de
confinamiento es una tarea delicada, el ensayo usualmente se realiza con confinamiento
constante. Si la muestra está saturada y el ensayo se realiza sin drenaje (volumen
constante), esta técnica conduce a resultados similares a los que se obtienen variando la
presión de confinamiento (Seed y Lee, 1996).
En la Figura 45 se muestra un esquema de una cámara triaxial cíclica moderna. En el
equipo se somete un espécimen de suelo a un esfuerzo de confinamiento σ3c, hasta lograr
su consolidación, y posteriormente aplicarle un esfuerzo axial cíclico de magnitud
conocida, σd, a una frecuencia determinada.
83
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Figura 45 Cámara Triaxial Cíclica
Fuente: (Rodríguez, 2005)
3.2.4.1 Método de prueba estándar para carga controlada del suelo con el uso del
Triaxial cíclico ASTM D5311-92 (Aprobada de nuevo en 2004).
Los ensayos triaxiales se realizan aplicando una solicitación cíclica a alguna variable
predeterminada (fuerza, deformación, esfuerzo). El ensayo se puede realizar entonces con
fuerza controlada, deformación controlada o esfuerzo controlado. En el caso de ensayos
destinados a la medida de las características de deformabilidad, las pruebas se realizan
con deformación controlada. El módulo E se obtiene como la relación entre el esfuerzo y la
deformación axial ε. Con base en estos resultados se obtiene el módulo de cortante G
(módulo secante) y la deformación de cortante correspondiente:
84
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Condiciones en la práctica
La muestra no se satura ni consolida y la relación de poisson
es igual a 0.5. El
porcentaje de amortiguamiento con respecto al crítico se puede obtener a partir del
desfase entre el esfuerzo y la deformación o calculando el área de la curva bajo el ciclo de
histéresis.
La amplificación local durante un sismo depende de la curva de degradación del módulo
de corte en función de la deformación angular, los ensayos triaxiales cíclicos para este
estudio se realizaron con deformación controlada.
Procedimiento
Se aplica a la muestra un esfuerzo de confinamiento σ3isotrópico correspondiente a la
profundidad de la muestra; enseguida se realizan 13 ciclos de deformaciones angulares
desde 10-3 hasta 0.015 manteniendo el drenaje cerrado. El equipo utilizado para este
ensayo consta de 4 sensores eléctricos que toman en tiempo real los datos de
deformación, esfuerzo y presión de poros en el transcurso del ensayo.
Resultados
Los resultados típicos de un ensayo triaxial cíclico incluyen los ciclos de histéresis de
esfuerzo cortante t contra deformación angular , la curva de degradación del módulo de
corte G contra la deformación angular
y la curva de amortiguamiento contra
deformación angular .
3.2.5
Ensayo Columna Resonante
Este ensayo de laboratorio se utiliza usualmente para determinar las propiedades del suelo
a deformaciones inferiores de 10-4 %. Consiste en someter muestras cilíndricas de suelo,
huecas o sólidas, a una carga harmónica torsional por medio de un sistema
electromagnético. Este sistema normalmente aplica una vibración forzada longitudinal o
torsional, variando la frecuencia de excitación hasta lograr la resonancia del espécimen
(Figura 46).
Tras la preparación de la muestra, se somete a una carga cíclica. Inicialmente la
frecuencia de carga tiene un valor bajo y se aumenta progresivamente hasta que la
amplitud de deformación alcanza un valor máximo. La frecuencia más baja para la cual la
respuesta de la muestra es máxima se conoce como frecuencia fundamental y depende de
la rigidez de la muestra, de su geometría y de las características del dispositivo de la
columna de resonancia.
85
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Acelerómetro
contrapeso
Anillo soporte
Unidad de
bobina
Imán
Soporte de
unidad de
bobina
(a)
Objetivo aproximado
Acelerómetro
LVDT
Objetivo aproximado
Sonda aproximada
Acelerómetro
Unidad de
bobina
Soporte
aproximado
Imán
Tapa
Superior
Anillo soporte
Nivelación
y tornillo
de fijación
Anillo de cierre
Fluido
Cilindro interno
Espécimen
(b)
Base pedestal
Piedra Porosa
Figura 46 Dispositivo tipo de un ensayo de columna resonante: (a) Vista superior del
sistema de carga, (b) Vista lateral del sistema de carga.
Fuente:(Rodríguez, 2007).
86
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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3.2.5.1 Método estándar de ensayo para módulo de corte y amortiguación del suelo
Columna Resonante ASTM D4015-92.
Procedimiento
El principio de este ensayo consiste en aplicar una vibración forzada a una muestra de
suelo y ajustar la frecuencia de excitación hasta llegar a la resonancia de la muestra. La
vibración aplicada puede ser longitudinal, transversal o de torsión. Las vibraciones
transversales se aplican generalmente con la ayuda de mesas vibratorias y las vibraciones
longitudinales o de torsión mediante aparatos de columna resonante.
La frecuencia de excitación es muy variada hasta que la resonancia se logra, la frecuencia
de resonancia del sistema depende de las características de los aparatos y de la
muestra. Para el caso en el que se fija la platina pasiva, el movimiento en el extremo
activo se utiliza para establecer la resonancia, que se define como la frecuencia más baja
que la fuerza de excitación sinusoidal (o momento) está en fase con la velocidad de la
platina activa.
En los aparatos de columna resonante la solicitación se aplica por medio de bobinas
eléctricas colocadas en un campo de imanes permanentes. La frecuencia de la corriente
eléctrica alterna se ajusta de tal manera que la muestra de suelo llegue a la frecuencia de
resonancia. La suspensión brusca de la excitación permite un retorno al equilibrio en
vibración libre, lo cual posibilita la medición del amortiguamiento del suelo. El
conocimiento de la frecuencia de resonancia de la muestra y del modo asociado
(generalmente el primero) permite calcular el módulo de cortante del suelo.
Este ensayo permite medir las características de los suelos para amplitudes de
deformación comprendidas entre aproximadamente 10-6 y 10-5 cuando se trata de ensayos
de torsión y menores deformaciones en el caso de ensayos en compresión. Cuando las
deformaciones son inferiores a 10-4, el suelo permanece en el dominio elástico y el ensayo
es no destructivo. De este modo se pueden reutilizar las muestras para realizar otro tipo
de ensayos o para variar las condiciones tales como presión de confinamiento,
consolidación, etc.
Resultados
Las principales variables que se miden durante el ensayo son: amplitud de la vibración en
función de la frecuencia para diferentes energías de excitación de las bobinas y curva de
decrecimiento de la vibración una vez se interrumpe la excitación. Cada energía de
excitación corresponde a un nivel de deformación, de esta forma al encontrar la frecuencia
de resonancia para cada excitación se obtiene el módulo de cortante G para un nivel de
deformación dado. Del mismo modo al interrumpir la excitación se puede calcular el
amortiguamiento a partir de la curva de decrecimiento de la vibración para cada nivel de
deformación.
87
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Con los parámetros de la geometría, la masa, el sistema, y módulos de corte longitudinal y
material (histéresis) de amortiguación se puede determinar el esfuerzo en un valor de la
deformación medida. La amplitud de la vibración suele ser variada para medir la variación
del módulo de elasticidad y la amortiguación en función del esfuerzo. Dado que la prueba
suele realizarse a niveles de esfuerzo bajos la muestra queda relativamente intacta.
Tamaño de la muestra
Las muestras deberán ser de sección transversal circular uniforme con los extremos
perpendiculares al eje de la muestra. Las muestras deberán tener un diámetro mínimo de
33 mm (1,3 pulg.). El contenido de partículas más grande dentro de la muestra deberá ser
menor que una décima parte del diámetro de la muestra, excepto, para los especímenes
con un diámetro de 70 mm (2,8 pulgadas) o más grande, el tamaño de partículas más
grande deberá ser inferior de la sexta parte del diámetro de la probeta.
La relación entre longitud y diámetro no deberá ser inferior a 2 ni mayor a 7, excepto
cuando un esfuerzo axial sea mayor que el esfuerzo lateral ambiente se aplica a la
muestra una relación de longitud y diámetro entre 2 y 3.
3.2.6
Trayectoria de esfuerzos
3.2.6.1 Tiaxial Cíclico
Según Seed et al (1996), a continuación se representa el estado de esfuerzos de un
espécimen sometido a consolidación isotrópica de magnitud σ3c.
σ3c.
Y
X
σ3c
.
σ3c
σ3c.
.
X
Y
45º
45º
Si posteriormente en condiciones no drenadas, se cambia el estado de esfuerzos de tal
forma que el esfuerzo axial se incremente en una cantidad igual a ½ σd y el esfuerzo
radial se incremente en una cantidad igual a ½ σd, el estado de esfuerzos resultante es el
siguiente.
88
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Polo
σ3c.+½ σd
Y
X
X
σ3c.
½ σd
σ3c.+½ σd
½ σd
σ3c.-½ σd
X.
σ3c.
Y
-½ σd
½ σd
σ3c.
X
Y
45º
σ3c.-½ σd
45º
Y
Se puede apreciar que la condición antes descrita produce esfuerzos cortantes,
magnitud ½ σd en planos con una inclinación de 45º con respecto a la horizontal.
, de
Este mismo estado de esfuerzos se logra si se incrementa el esfuerzo axial en una
cantidad igual a σd, y simultáneamente se decrementa la presión confinante en una
cantidad igual a ½ σd , se muestra en el siguiente esquema.
σ3c.+½ σd
σ3c.-½ σd
σ3c.
½ σd
σ3c.+σd
½ σd
= σ3c.
+
½ σd
Si a partir de la condición de consolidación isotrópica y en condiciones no drenadas, se
reduce el esfuerzo axial en una cantidad igual a σd y simultáneamente se incrementa la
presión confinante en una cantidad igual a ½ σd, el estado de esfuerzos correspondiente
produce esfuerzos cortantes de una magnitud igual a ½ σd, en planos con una inclinación
de 45º con respecto a la horizontal, en este caso el sentido de los esfuerzos cortantes
resulta ser contrario al sentido de la condición mostrada anteriormente, como se muestra
en los siguientes esquemas.
89
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
σ3c.
Y
X
σ3c
σ3c
.
.
σ3c.
X
Y
45º
45º
σ3c.-½ σd
Y
X
X
σ3c.
σ3c.+½ σd
½ σd
σ3c.+½ σd
½ σd
σ3c.
X.
Y
½ σd
-½ σd
σ3c.
Polo
X
Y
45º
σ3c.-½ σd
σ3c.+½ σd
45º
σ3c.-½ σd
σ3c.+σd
Y
½ σd
= σ3c.
+
½ σd
Si las condiciones de esfuerzos descritas se repiten cíclicamente, se producen esfuerzos
cortantes que cambian de sentido pero mantienen los esfuerzos normales constantes.
90
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
El ensayo triaxial cíclico descrito anteriormente es la condición deseable, pero es difícil de
realizar ya que requiere que tanto la carga axial como la presión de confinamiento varíen
en forma cíclica y sincronizada. Debido a esto, el ensayo triaxial cíclico se realiza
manteniendo la presión de confinamiento σ3c., constante y aplicando el esfuerzo axial
cíclicamente con magnitud +- σd como se indica en la Figura 47, esto se hace siempre y
cuando la muestra de suelo este saturada.
Figura 47 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen isotrópicamente
consolidado (TC-IC)
Fuente: (Rodríguez, 2005)
91
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
La Figura 48 muestra las condiciones de esfuerzo de un ensayo triaxial cíclico para un
espécimen aniso trópicamente consolidado (TC-AC). En este ensayo se consolida primero
a una presión isotrópico σ3c, y posteriormente se aplica un esfuerzo axial estático adicional
bajo condiciones drenadas para lograr el estado de esfuerzos de condición anisotrópica
(punto A en la Figura 47). La condición simula el estado de esfuerzos cortantes in situ a
los que estaba sometido el elemento de suelo antes de extraerse mediante muestreo. A
partir de la condición anisotrópica se aplica al espécimen un esfuerzo axial cíclico +- σd y
se obtiene un registro continuo de las variables.
Figura 48 Esquema de ensayo triaxial cíclico convencional para espécimen
anisotrópicamente consolidado (TC-AC)
Fuente: (Rodríguez, 2005)
92
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
3.2.6.2 Columna Resonante
Se somete el espécimen cilíndrico de suelo a un estado de vibración forzada longitudinal o
torsional, variando la frecuencia de exitación hasta lograr la resonancia del espécimen.
El módulo correspondiente se calcula con los datos de la frecuencia de resonancia, fn, la
geometría del espécimen y las características del equipo. A continuación se muestran dos
esquemas de las muestras de suelo para un ensayo de columna resonante.
Vibración
Longitudinal
Vibración
Torsional
Presión
Confinante
Vibración
Longitudinal
Vibración
Torsional
Presión
Confinante
93
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Para la condición isotrópica:
Ya que hay aplicación de esfuerzo cortante:
X.
Y
σc.
σc. +
Para la condición aniso-trópica:
+
σc.
σ1.
94
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4. CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE CENIZAS VOLCÁNICAS
DE MANIZALES
4.1 Introducción
Con el fin de determinar las propiedades dinámicas del suelo se realizó una evaluación del
comportamiento dinámico detallado del subsuelo mediante estudios del comportamiento
del módulo dinámico de cortante y amortiguamiento de muestras inalteradas
representativas de cenizas volcánicas de Manizales empleando ensayos triaxiales cíclicos,
columna resonante y bender element, partiendo de las siguientes condiciones iniciales:
Debido a que el ensayo de columna resonante es un ensayo no destructivo, se utilizaron 4
muestras en total, 2 con caracterización geotécnica y profundidad idéntica a un mismo
nivel de confinamiento y las otras 2 con caracterización geotécnica similar a diferente
profundidad y el mismo nivel de confinamiento.
Para el ensayo triaxial se tomaron 2 contenidos frecuenciales (0.5 y 2 Hz) que simulan
sismos de alta y baja frecuencia para cada nivel de confinamiento.
Por lo tanto se realizaron 4 ensayos de columna resonante y 4 ensayos de triaxial cíclico
con bender element.
Para determinar las amplitudes se tienen en cuenta los sismos de diseño, en el caso de la
zona del eje cafetero existen ya algunos registros de sismos recientes de magnitud
intermedia que sirven de base para la definición de los sismos de análisis para la ciudad.
Para las modelaciones se utilizaron los sismos Bienoff Calima y Romeral Sintético.
De acuerdo con el estudio de Microzonificación Sísmica de Manizales (CIMOC, CEDERI,
2005), la amenaza sísmica a nivel de roca para una localidad determinada es la
descripción completa de los sismos esperados, incluyendo la aceleración máxima en
diferentes puntos, el contenido frecuencial dominante, así como la duración de la señal y
de la fase intensa del sismo. Depende de la sismicidad regional y local, de las
características y condiciones geológicas y geomorfológicas del entorno.
Manizales se encuentra localizada en la zona de amenaza sísmica alta, dentro de la región
6 del mapa de valores de Aa que se presenta en la Figura 49, a la cual corresponde un
coeficiente de aceleración pico efectiva Aa = 0.25 g, obtenido para una probabilidad de
excedencia del 10% en 50 años, con un nivel de confianza del 90%, es decir, para un
período de retorno de 475 años (NSR-98).
95
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 49 Mapa de zonificación sísmica de Colombia
Fuente: (Figura 2.1AIS, 2009)
96
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.2 Metodología de los ensayos
Las muestras de suelo utilizadas se obtuvieron de las perforaciones en el parque Zen
(Palogrande) con equipos de Corpo Caldas. Estuvieron almacenadas en la Universidad
Nacional de Manizales, donde fueron ensayadas en el equipo de columna resonante.
Posteriormente las muestras fueron empacadas cuidadosamente con plásticos de
protección e introducidas en tubos de PVC para ser transportadas en avión hasta los
laboratorios de la Pontificia Universidad Javeriana de Bogotá y allí se les realizaron los
ensayos triaxiales con bender element.
Los ensayos se realizaron sin saturación ni consolidación, a un confinamiento de 100 KPa
para las primeras dos muestras y de 250 KPa para las otras dos muestras. Estos valores
de confinamiento se adoptaron de acuerdo a la capacidad del quipo de columna
resonante.
4.3 Parámetros de ensayo
El análisis de la respuesta del suelo puede ser utilizado para predecir los tiempos de
esfuerzo cortante a varias profundidades dentro de un depósito de suelo. Este análisis
produce un historial de tiempo con las características transitorias e irregulares de los
movimientos de un sismo real.
Seed et al. (1975) aplicó un procedimiento de ponderación de un conjunto de historias de
esfuerzos cortantes registrando movimientos fuertes para determinar el número ciclos de
esfuerzo uniforme Neq (con una amplitud de 65% del esfuerzo cortante cíclico máximo)
que produciría un aumento de la presión de poros equivalente a la de la evolución
temporal irregular (Figura 50). En todos los casos, el número equivalente de ciclos de
esfuerzo uniforme aumenta con el aumento de la magnitud del sismo (también la duración
del movimiento fuerte aumenta con el aumento de la magnitud del sismo); referenciado
por Kramer (1996).
La amplitud cíclica de esfuerzo cortante uniforme de un sitio a nivel (o ligeramente
inclinado) también puede estimarse a partir de un procedimiento simplificado:
donde
es la aceleración del suelo de superficie máxima, g es la aceleración de la
gravedad,
es el esfuerzo vertical total y
el valor de un factor de reducción del
esfuerzo (Figura 51) a la profundidad de interés. Este esfuerzo cíclico de corte uniforme,
se asume que debe aplicarse en el número equivalente de ciclos como se muestra en la
Figura
Independientemente de qué procedimiento de análisis de respuesta de suelo se utilice, la
carga inducida por un sismo se caracteriza por un nivel esfuerzo cíclico de corte uniforme
que se aplica para un número equivalente de ciclos.
97
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Número equivalente de ciclos a 0.65
Media + desviación estándar
Media
Media –
desviación
estándar
Magnitud de sismos M
Figura 50 Número de ciclos equivalentes del esfuerzo uniforme, Neq para sismos de
diferente magnitud.
Fuente: (Seed e Idriss, 1971); referenciado por Kramer (1996).
21.16
Valores
Promedio
Profundidad (pies)
37.07
Rango de
diferentes
propiedades del
suelo
44.12
Factor de reducción de esfuerzo
Figura 51 Factor de reducción para calcular la variación del esfuerzo de corte cíclico con
profundidad de superficies de tierra por debajo del nivel o ligeramente inclinadas.
Fuente: (Seed e Idriss, 1971); referenciado por Kramer (1996).
98
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Profundidad y factor de reducción del esfuerzo:
Esfuerzo vertical:
Esfuerzo cortante máximo:
99
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
σc+Δσ
σc
σc-Δσ
σc
σc
2
1
σc
3
τ
Trayectoria de esfuerzos
τmáx = Δσ /2
3
σc-Δσ
Δσ
2
σc+Δσ
σc
1 2 3
Figura 52 Esfuerzo Cortante τ vs. Esfuerzo Normal σ
100
σ
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez

Para una profundad de 11.3 m
Número equivalentes de ciclos:

Para una profundad de 6.45 m
Número equivalentes de ciclos:

Para una profundad de 13.45 m
Número equivalentes de ciclos:
La Tabla 12 y 13 presenta el resumen de los datos de entrada para la realización de los
ensayos dinámicos.
101
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Tabla 12 Datos de entrada para la realización de los ensayos Triaxiales.
PROFUNDIDAD
(m)
(pies)
ESPÉCIMEN
rd
σ'C FRECUENCIA
(kPa)
(Hz)
σ'v
(KN/m2)
INCREMENTOS
(kPa)
M#22 (1), SH10
11.3
37.073
0.87
100
0.5
180.8
78.648
M#22 (2), SH10
11.3
37.073
0.87
100
2
180.8
78.648
M#12, SH05
6.45
21.161
0.955
250
0.5
103.2
49.278
M#25, SH12
13.45
44.127
0.795
250
2
215.2
85.542
Tabla 13 Datos de entrada para la realización de los ensayos de Columna Resonante
ESPÉCIMEN
PERFIL
(m)
M#22 (1), SH10
11.3
M#22 (2), SH10
11.3
M#12, SH05
6.45
M#25, SH12
13.45
TORQUE
σ'C
(kPa)
T
(N-m)
3
5 -6 - 8- 12
0 - 50 - 75 - 100
100
3
0 - 50 - 75 - 100
5 -6 - 8- 12
100
0 - 50 - 75 - 100 3
150 - 200 - 250
6 -8 - 10 - 12
250
0 - 50 - 75 - 100 3
150 - 200 - 250
6 -8 - 10 - 12
250
Los datos de nivel de confinamiento para los ensayos se obtuvieron mediante pruebas en
el equipo de columna resonante empezando desde 0 y subiendo hasta el máximo nivel de
confinamiento de 250 Kpa que soportó una muestra de suelo de ceniza volcánica.
4.4 Sismos de Diseño
En la Tabla 14 se presenta una caracterización detallada de los sismos de análisis
establecidos en el estudio de microzonificación de la ciudad de Manizales, los cuales se
adoptan para la presente evaluación de efectos locales por sismo.
En la Figura 53 se presentan los acelerogramas considerados representativos de los
sismos probables, tanto en cuanto a frecuencias, como en cuanto a duraciones de la señal
y de su fase intensa, donde, ya se han escalado dichos acelerogramas al pico de
102
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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aceleración que representa una amenaza homogénea (con período de retorno de 475
años).
Figura 53 Señales escaladas representativas de la amenaza sísmica homogénea a nivel de
roca. Fuente: (Calle, 2011)
103
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
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Tabla 14 Señales originales representativas de sismos probables
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS SEÑALES SISMICAS DE ENTRADA
CARACTERÍSTICA
SISMO B
Bienoff
Calima
SISMO C
Romeral
Sintético
FUENTE SISMOGÉNICA
Zona de subducción de Bienoff
Ramal de falla de Romeral
TIPO DE FUENTE REPRESENTADA
profundo
campo cercano superficial
EVENTO DE LA SEÑAL ORIGINAL
MAGNITUD ML
PROFUNDIDAD (Km)
SITIO DE MEDICIÓN
DISTANCIA DE LA FUENTE (Km)
sismo de Calima, Valle (08/02/95)
6.6
102
estación Anserma 1
42
sismo de Armenia (25/01/99)
6.2
10
Bocatoma Nuevo Libaré (Pereira)
42
MATERIAL AL NIVEL DE MEDICIÓN
roca
Roca
TOPOGRAFÍA
ARCHIVO ORIGINAL
COMPONENTE
NUMERO DE DATOS
INTERVALO DE MUESTREO Dt (s)
MÉTODO DE PROCESAMIENTO
semiplana
bencal.ace
este-oeste
3856
0.02
registro original escalado
Semiplana
romsin.ace
norte-sur
3472
0.01
sismo sintético por funciones de Green
MÉTODO DE CORRECCIÓN
DURACIÓN DE LA FASE INTENSA (s)
ACELERACIÓN MAXIMA ORIGINAL
PICO DE ACELERACION DE LA SEÑAL TRATADA (g)
PICO DE ACELERACION ESCALADA (TR=475 años (g))
FACTOR PARA ESCALAR LA SEÑAL
corregido por línea base- julio de 2002
40 s
0,06 g
0.22244
0,15 g
0.67
corregido por línea base- julio de 2002
15 s
0,087 g
0.2
0,18 g
0.9
104
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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4.5 Caracterización de las muestras de suelo
Tabla 15 Caracterización de las muestras de suelo
CIUDAD:
LOCALIZACIÓN:
PERFORACIÓN:
MUESTRA N°:
TIPO / IDENTIFICACIÓN:
PROFUNDIDAD INICIAL (m):
PROFUNDIDAD FINAL:
PROFUNIDAD MEDIA:
CLASIFICACIÓN SUCS:
GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs):
HUMEDAD NATURAL:
LÍMITE LÍQUIDO:
LÍMITE PLÁSTICO:
ÍNDICE PLÁSTICO:
MANIZALES
UNIVERSIDAD NACIONAL - CAMPUS PALOGRANDE
PARQUE ZEN
22, SH 10(1) 22, SH 10(2) 12, SH 5 25, SH 12
SUELO 1
SUELO 2
SUELO 3 SUELO 4
SH10
SH10
SH05
SH12
11,00
11,00
6,60
13,90
11,60
11,60
6,30
13,00
11,30
11,30
6,45
13,45
SM
SM
SM
SM
2,56
2,56
2,60
2,66
142,30
142,30
36,90
111,90
162,00
162,00
53,00
132,00
111,00
111,00
31,00
86,00
51,00
51,00
22,00
46,00
% menor que tamiz 1" (25.4)
100,00
100,00
100,00
100,00
% menor que tamiz 3/4" (0)
100,00
100,00
100,00
100,00
% menor que tamiz 1/2" (0)
100,00
100,00
100,00
100,00
% menor que tamiz 3/8" (0)
100,00
100,00
100,00
100,00
% menor que tamiz 4 (4.75)
100,00
100,00
99,80
100,00
% menor que tamiz 10 (2)
96,90
96,90
99,30
99,30
% menor que tamiz 20 (0.85)
81,70
81,70
93,60
89,60
% menor que tamiz 40 (0.425)
65,20
65,20
81,00
66,80
% menor que tamiz 60 (0.25)
50,60
50,60
65,90
44,20
% menor que tamiz 140 (0.106)
32,70
32,70
51,10
21,60
% menor que tamiz 200 (0.075)
29,70
29,70
49,00
18,90
DIÁMETRO INICIAL (mm):
ALTURA INICIAL (mm):
MASA (g):
71,75
143,97
714,90
71,69
143,40
737,40
70,47
140,89
928,10
70,40
126,59
630,99
VOLUMEN INICIAL (cm3):
582,09
578,80
549,47
492,78
105
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6 Resultados de ensayos de laboratorio
4.6.1 Ensayos de Compresión triaxial cíclico
A continuación se presentan los resultados obtenidos de los ensayos triaxiales cíclicos. En
el ANEXO D se incluyen los ciclos de histéresis de esfuerzo cortante t contra deformación
angular de cada muestra ensayada.
4.6.1.1 Muestra N°22, SH10 (1)
I. DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL ESPÉCIMEN
ALTURA
DIMENSIONES MUESTRA
cm
14,26
ÁREAcm2
DIÁMETRO cm
Wm
w
e
7,13
3
VOLUMEN cm
PESOS Y HUMEDADES (I.N.V. E-122)
INICIAL
FINAL
(g)
720,00
711,00
1,245
1,217
3,54
CARACTERÍSTICAS
2,56
S (%)
39,93
Gs
569,36
LL (%)
Clasificación SUCS
LP %)
IP (%)
w n (%)
SECO
320,70
Wm
gt
106
PESO UNITARIO
INICIAL FINAL
(g)
720,00 711,00
3
(g/cm )
1,26
89.5
--125%
SECO
320,70
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.1.2 Muestra N°22, SH 10 (2)
I. DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL ESPÉCIMEN
DIMENSIONES MUESTRA
ALTURA
cm
14,286 ÁREA cm2
DIÁMETRO cm
7,21 VOLUMEN cm3
Wm
w
e
PESOS Y HUMEDADES (I.N.V. E-122)
INICIAL
FINAL
(g)
711,3
698,4
1,116
1,078
3,443
CARACTERÍSTICAS
40,83
583,27
2,56
Gs
LL (%)
LP (%)
IP (%)
SECO
336
Wm
gt
107
S (%)
Clasificación SUCS
w n (%)
PESO UNITARIO
INICIAL
(g)
711,30
(g/cm3 )
1,22
83.07
--112%
FINAL
698,4
SECO
336
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
108
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.1.3 Muestra N°12, SH 5
I. DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL ESPÉCIMEN
DIMENSIONES MUESTRA
ALTURA
cm
DIÁMETRO cm
CARACTERÍSTICAS
13,986 ÁREAcm2
39,04
7,05 VOLUMEN cm3 545,96
PESOS Y HUMEDADES (I.N.V. E-122)
INICIAL
FINAL
Wm
w
e
(g)
925,4
0,383
1,122
Gs
LL (%)
LP (%)
IP (%)
2,60
S (%)
Clasificación SUCS
w n (%)
88.37
--38%
SECO
922,8 668,8
0,379
Wm
gt
109
PESO UNITARIO
INICIAL FINAL
(g)
925,40 922,8
(g/cm3 )
1,69
SECO
668,8
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.1.4 Muestra N°25, SH 12
I. DIMENSIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL ESPÉCIMEN
DIMENSIONES MUESTRA
ALTURA
cm
DIÁMETRO cm
12,3 ÁREAcm2
6,15 VOLUMEN cm3
PESOS Y HUMEDADES (I.N.V. E-122)
INICIAL
FINAL
Wm
w
e
(g)
481,000
1,223
3,491
CARACTERÍSTICAS
29,71
365,38
Gs
LL (%)
LP (%)
IP (%)
2,66
S (%)
Clasificación SUCS
w n (%)
93.5
--122%
SECO
480,100 216,400
1,219
Wm
gt
110
PESO UNITARIO
INICIAL FINAL SECO
(g)
481,00 480,1 216,4
(g/cm3 )
1,32
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
111
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.2 Ensayos de Bender Element
4.6.2.1 Muestra N°22, SH 10 (1)
Tabla 16 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10
(1)
112
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.2.2 Muestra N°22 , SH10 (2)
Tabla 17 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°22, SH 10 (2)
113
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.2.3 Muestra N°12, SH 5
Tabla 18 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°12, SH 5
114
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.2.4 Muestra N°25, SH 12
Tabla 19 Resultados de ensayos Bender Element Muestra N°25, SH 12
115
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
4.6.3 Ensayos Columna Resonante
Tabla 20 Resultados de ensayos Columna Resonante
ESPÉCIMEN
(ENSAYO):
M#22 (1), SH10
M#22 (2), SH10
M#12, SH05
DEFORMACIÓN
MÓDULO AMORTIGUAMIENTO
FRECUENCIA
PRESIÓN
ALTURA DIÁMETRO DEFORMACIÓN
AMORTIGUAMIENTO
TORQUE
AXIAL
DE
(DECAIMIENTO
DE
CONFINAMIENTO
INICIAL
INICIAL
CORTANTE
(ANCHO DE BADA)
T
CONSOLIDACIÓN
CORTE
LIBRE)
RESONANCIA
sc
H
d
g
Doz
(N-m)
d
G
Doz
fn
(kpa)
(mm)
(mm)
(%)
(%)
(mm)
(Mpa)
(%)
(%)
0
3
0,00
143,97
71,75
0.0004
2,96
12,05
7,58
38
50
3
0,15
143,82
71,67
0.00035
4,64
7,04
4,96
47,5
75
3
0,14
143,83
71,68
0.00036
4,35
6,76
6,36
46
100
3
0,14
143,83
71,68
0.00035
4,74
7,14
5,5
48
100
5
0,14
143,83
71,68
0.00038
2,38
10,05
12,85
34
100
6
0,14
143,83
71,68
0.00053
2,97
10,3
13,1
38
0
3
0,00
143,40
71,69
0.00041
1,95
5,93
9,21
30,8
50
3
0,30
143,10
71,54
0.00032
2,63
5,42
6,18
35,6
75
3
0,15
143,25
71,61
0.00032
2,68
5,44
5,24
36
100
3
0,13
143,27
71,62
0.00031
2,68
5,37
5,76
36
100
5
0,13
143,27
71,62
0.00064
2,12
6,3
7,25
32
100
6
0,13
143,27
71,62
0.0009
1,74
7,27
8,91
29
100
8
0,13
143,27
71,62
0.0014
1,36
12,54
4,22
25,7
100
12
0,13
143,27
71,62
0.00195
0,95
13,29
13,02
21,4
0
3
0,00
140,89
70,47
0.00018
6.76
10.64
6.28
54.80
50
3
0,00
140,89
70,47
0.00021
6.45
9.20
6.21
53.50
75
3
0,00
140,89
70,47
0.00021
6.52
9.30
6.32
53.80
116
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
ESPÉCIMEN
(ENSAYO):
M#25, SH12
DEFORMACIÓN
MÓDULO AMORTIGUAMIENTO
FRECUENCIA
PRESIÓN
ALTURA DIÁMETRO DEFORMACIÓN
AMORTIGUAMIENTO
TORQUE
AXIAL
DE
(DECAIMIENTO
DE
CONFINAMIENTO
INICIAL
INICIAL
CORTANTE
(ANCHO DE BADA)
T
CONSOLIDACIÓN
CORTE
LIBRE)
RESONANCIA
sc
H
d
g
Doz
(N-m)
d
G
Doz
fn
(kpa)
(mm)
(mm)
(%)
(%)
(mm)
(Mpa)
(%)
(%)
100
3
0,00
140,89
70,47
0.00022
6.45
9.14
6.57
53.50
150
3
0,00
140,89
70,47
0.00022
6.52
8.72
5.97
53.80
200
3
0,00
140,89
70,47
0.00022
6.66
8.23
5.68
54.40
250
3
0,00
140,89
70,47
0.00023
6.59
8.34
5.95
54.10
250
6
0,01
140,88
70,46
0.00038
3.75
6.09
12.53
40.80
250
8
0,02
140,87
70,46
0.00055
2.99
6.41
14.52
36.40
250
10
0,02
140,87
70,46
0.00075
2.81
4.16
16.29
35.30
250
12
0,02
140,87
70,46
0.00094
2.45
7.36
18.60
33.00
0
3
0
126,59
70,40
0.00035
5.42
7.77
4.13
53.50
50
3
0,06
126,53
70,37
0.00036
5.78
7.56
3.80
55.20
75
3
0,08
126,51
70,36
0.00036
5.87
7.56
3.67
55.60
100
3
0,09
126,50
70,35
0.00035
5.95
7.48
3.74
56.00
150
3
0,1
126,49
70,35
0.00033
6.13
7.35
3.45
56.80
200
3
0,11
126,48
70,34
0.00035
6.13
7.38
3.45
56.80
250
3
0,1
126,49
70,35
0.00038
6.04
7.14
3.34
56.40
250
6
0,1
126,49
70,35
0.00074
4.45
10.14
4.67
48.40
250
8
0,1
126,49
70,35
0.00087
3.59
14.88
8.88
43.50
En las Figuras 54 y 55 se presentan las curvas de módulo de corte contra deformación angular y amortiguamiento contra
deformación angular, obtenidas de los resultados de los ensayos de columna resonante.
117
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 54 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras N°22, SH 10 (1) y N°22, SH 10 (2)
118
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 55 Curvas de Módulo de corte y amortiguamiento contra deformación . Muestras N°25, SH 12 y N°12, SH 05
119
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
5. ANALISIS DE RESULTADOS
En los resultados obtenidos de los ensayos triaxiales cíclicos realizados, se encontraron
inconsistencias por la alta degradación del material, debido a las propiedades que
caracterizan a las cenizas volcánicas explicadas anteriormente y a su baja rigidez lo que
generó un contraste de impedancias mayor y por lo tanto una amplificación mayor.
Teniendo en cuenta que el equipo de Columna Resonante está en una etapa de prueba
inicial ya que el equipo es nuevo, se consideró mayor incertidumbre en estos resultados
(ver apartado 4.4.3 resultados columna resonante).
5.1 Construcción curvas de degradación de módulo y comportamiento de
amortiguamiento.
El proceso de construcción de las curvas de degradación de módulo y amortiguamiento se
realizó mediante los resultados de los ensayos triaxiales de las 4 muestras, eliminando
algunos datos y generando la tendencia y forma de cada curva. Posterior a la construcción
de las curvas se realizó un ajuste de cada curva a la mejor tendencia por medio del
programa Matlab, en el ANEXO B se muestran las cuatro aproximaciones de cada curva de
acuerdo a las tendencias exponencial 1 y 2 y power 1 y 2 que se ajustaron mejor a la
forma de las curvas.
Finalmente solo se adoptaron las formas de las curvas más parecidas de cada muestra
para poder realizar las modelaciones dentro de los rangos de deformación obtenidos en
los ensayos y los utilizados por el programa EERA (ver apartado 6.1.2.3. Mat (i) 1, 2, 3 ,4:
Material de curvas).
5.2 Comparación de los niveles de amplificación de onda con los obtenidos en la
microzonificación Sísmica de Manizales.
Se realizó una comparación entre las curvas obtenidas en los ensayos triaxiales cíclicos y
columna resonante normalizadas con el valor máximo de módulo obtenido en los
resultados del bender element y las curvas de referencia de la microzonificación sísmica de
Manizales tanto de la degradación del módulo de corte y el amortiguamiento; también se
compara con las curvas obtenidas de los estudios de Yamin et al. (2000), en relación con
la degradación de la rigidez al cortante (G) en función de la deformación por corte ( ),
(Figuras 56, 57, 58 y 59).
En la Microzonificación Sísmica de Manizales (2005) las curvas de amortiguamiento y
degradación de módulo realizadas en función de la deformación angular, representada en
las Figuras 34 y 37, están en función de sus correspondientes índices de liquidez,
parámetros trabajados con base en correlaciones obtenidas de resultados de ensayo
triaxiales cíclicos, bender element y columna resonante.
120
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Las curvas de la Microzonificación se realizaron teniendo en cuenta
amortiguamiento varía con el módulo de rigidez al corte Gmáx con la expresión
que
el
Están graficados el valor máximo del amortiguamiento b máxima para cada ensayo en
función el índice de liquidez IL correspondiente, obteniendo la expresión para las dos
variables. Sustituyendo la expresión de b máxima calculada en la siguiente ecuación
se obtuvo la ley de amortiguamiento para este tipo de suelos:
De acuerdo a las graficas de comparación de las curvas, es notable que los resultados de
la columna resonante son los más aproximados tanto a los de la Micorzonificación sísmica
de Manizales como al estudio de Yamin et al. (2000).
Para los ensayos triaxiales los niveles de amortiguamiento son muy bajos comparado con
las referencias posiblemente por la estructuración del material, al igual que la baja rigidez.
Los resultados de bender element obtenidos se utilizaron para normalizar las curvas del
triaxial cíclico. Para normalizar las curvas de la columna resonante se tomaron de los
mismos datos el mayor, multiplicado por un factor de 1.6 que se adoptó por criterio.
121
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 56 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (1)
122
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 57 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°22, SH 10 (2)
123
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 58 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°12, SH 05
124
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 59 Comparación de curvas de referencia y ensayos realizados G|Gmax y
Amortiguamiento contra . Muestra N°25, SH 12
125
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6. MODELACIÓN RESPUESTA DINÁMICA DE UN DEPÓSITO DE CENIZA VOLCÁNICA
Las modelaciones se hicieron con base en los resultados de los ensayos triaxiales y bender
element. Debido a los resultados inconsistentes de los ensayos por la alta degradación del
material y su baja rigidez se generó un contraste de impedancias mayor y por lo tanto una
amplificación mayor.
Durante un sismo el comportamiento de un suelo no es lineal, los métodos lineales se
pueden adaptar de forma adecuada para predecir correctamente la respuesta real del
suelo. Asimismo se obtienen métodos que son programables computacionalmente de
manera sencilla y permiten analizar los cambios producidos en el suelo por un terremoto.
En este trabajo se utiliza el programa EERA.
La presente investigación incluye fundamentalmente la evaluación de la respuesta sísmica
de los depósitos de cenizas volcánicas de Manizales utilizando modelos unidimensionales
en los que se analiza principalmente la amplificación de las señales en el rango completo
de frecuencias, sin tener en cuenta efectos topográficos o heterogeneidades en los
depósitos sub superficiales.
La aproximación lineal de la respuesta del suelo es posible adaptando los parámetros
dinámicos al nivel de deformación existente en el terreno. Estos parámetros se obtienen a
partir de ensayos de laboratorio que a su vez usan cargas harmónicas. Se ha observado
que la deformación de corte provocada por un terremoto presenta una distribución mucho
más irregular que la provocada por un registro harmónico y por este motivo el nivel de
deformación en el terreno durante un terremoto se caracteriza por una deformación de
corte efectiva, que varía entre un 50 y un 70 % de la deformación de corte obtenida en el
laboratorio (normalmente se toma el 65 %) (Ishihara K. , 1996).
6.1 Respuesta dinámica de depósitos de ceniza volcánica mediante un software de
modelación unidimensional (EERA).
El análisis de respuesta dinámica se realiza a partir de un modelo unidimensional de una y
dos capas, el cual se corre en el programa de computador EERA. El programa se
desarrolla a partir de las siguientes hipótesis:
a. Los estratos de suelo se extienden uniformemente y hasta el infinito en dirección
horizontal y la capa inferior es el semi espacio infinito.
b. La respuesta principal del depósito de suelo es la producida por la propagación vertical
de ondas de cortante provenientes de la formación de roca subyacente.
c. Las propiedades no lineales del suelo se modelan a través de sistemas visco elásticos
lineales equivalentes. Cada estrato considerado es homogéneo e isotrópico y se
caracteriza por su densidad de masa, espesor, módulo de corte y factor de
amortiguamiento, así como por las características de degradación de estas últimas
propiedades con la deformación por cortante.
126
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.1 Modelos de depósitos de ceniza volcánica
Para la modelación, se realizaron 18 modelos de depósitos de ceniza volcánica con una
combinación de las muestras ensayadas a diferentes contenidos frecuenciales y niveles de
confinamiento que se presentan a continuación:
SUELO 1
1. Muestra N° 22, SH 10 (1)
5m
Espesor
16.4 pies
2. Muestra N° 22, SH 10 (1)
10 m
Espesor
32.81 pies
3. Muestra N° 22, SH 10 (1)
15 m
Espesor
49.21 pies
σ'C (kPa)
FRECUENCIA
(Hz)
σ'C (kPa)
FRECUENCIA
(Hz)
σ'C (kPa)
FRECUENCIA
(Hz)
100
0.5
100
0.5
100
0.5
SUELO 2
4. Muestra N° 22, SH 10 (2)
5m
Espesor
16.4 pies
FRECUENCIA
σ'C (kPa)
(Hz)
100
2
5. Muestra N° 22, SH 10 (2)
10 m
Espesor
32.81 pies
FRECUENCIA
σ'C (kPa)
(Hz)
100
2
6. Muestra N° 22, SH 10 (2)
15 m
Espesor
49.21 pies
FRECUENCIA
σ'C (kPa)
(Hz)
100
2
6.1.2 Pasos de la modelación en EERA
El programa consta de 9 hojas de cálculo y su contenido se presenta a continuación (como
ejemplo se tiene la modelación de un depósito de ceniza con: 15 m de Muestra N°22, SH
10 (2) y 10 m de Muestra N°12, SH 5. En el ANEXO C se muestran las 6 modelaciones
para cada sismo (Bienoff Calima y Romeral Sintético)
6.1.2.1 Sismo (earthquake): sismo de entrada en el tiempo
Se incluye el sismo a utilizar: Benioff Calima. Tomando como partida una aceleración
máxima de 0.25 g correspondiente a la zona de Manizales. El sismo tiene un T=0.01 s,
(Figura 60).
127
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Figura 60 Hoja N°1 del programa EERA - Earthquake
128
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.2 Perfil: Perfil vertical de las capas de suelo
En esta hoja se incluyen todas las características del material:
Figura 61 Hoja N°3 del programa EERA – Profile
129
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Características depósito de ceniza volcánica:




Número de la subcapa
Tipo de material del depósito
Espesor de la capa del material dividido en subcapas
Máximo módulo cortante:
Utilizando el (G) módulo de rigidez o de corte, psi (o Pa);
Con las velocidades de propagación de onda a la compresión y corte, Vp y Vs
respectivamente se calcula la relación de poisson (parámetros obtenidos del ensayo
bender element)
=coeficientede Poisson;



Peso unitario del suelo
Velocidad de onda de corte (obtenido del ensayo bender element)
El programa calcula el esfuerzo vertical efectivo.
En las Tablas 23 a 26 se presentan los parámetros de los 4 materiales.
Tabla 21 Parámetros del Perfil de suelo Mat 1
Mat 1 (N° 22, SH 10 (1)
E (Kpa)=
Vs (m/s)=
Vs (ft/s)=
Vp (m/s)=
n=
G (Kpa)=
Peso unitario
(kg/m3)=
130
97281.79333
292.125
958
213.8633333
0.25
38912.71733
1264.57
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Tabla 22 Parámetros del Perfil de suelo Mat 2
Mat 1 (N° 22, SH 10 (2)
E (Kpa)=
Vs (m/s)=
Vs (ft/s)=
Vp (m/s)=
n=
G (Kpa)=
Peso unitario
(kg/m3)=
97281.8
178.615
586.007
309.367
0.25
38913.0
1219.5
Tabla 23 Parámetros del Perfil de suelo Mat 3
Mat 3 (Muestra N° 12, SH 5)
E (Kpa)=
Vs (m/s)=
Vs (ft/s)=
Vp (m/s)=
n=
G (Kpa)=
Peso unitario
(kg/m3)=
202364.97
218.53
716.96
378.51
0.25
80945.35
1694.99
Tabla 24 Parámetros del Perfil de suelo Mat 4
Mat 4 (Muestra N° 25, SH 12)
E (Kpa)=
Vs (m/s)=
Vs (ft/s)=
Vp (m/s)=
n=
G (Kpa)=
Peso unitario
(kg/m3)=
63528.12
219.51
720.17
378.51
0.25
25479.83
1316.44
Los valores de Vs de laboratorio se utilizaron para la modelación del programa EERA, lo
que produjo un error en los resultados ya que tenían que utilizarse valores de Vs de
campo, pero por la falta de información se utilizaron datos de laboratorio; la diferencia de
estos datos es grande ya que los datos de campo demuestran una degradación más
razonable.
131
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.3 Mat (i) 1, 2, 3 ,4: Material de curvas (G / Gmax y la amortiguación frente a la
deformación de tipo de material i)
Material 1
Figura 62 Hoja N°3 del programa EERA – Mat 1
Material 2
Figura 63 Hoja N°4 del programa EERA – Mat 2
132
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Material 3
Figura 64 Hoja N°5 del programa EERA – Mat 3
Material 4
Figura 65 Hoja N°6 del programa EERA – Mat 4
133
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.4 Resultados de la iteración de cálculo principal
Figura 66 Hoja N°7 del programa EERA – Iteration
De los resultados finales se obtienen las gráficas de cada parámetro respecto a la
profundidad, como se muestra en la Figura 67
.
Figura 67 Gráfica resultado del Programa EERA – Profundidad vs Aceleración máxima
134
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.5 La aceleración en el tiempo: aceleración / velocidad / desplazamiento
Figura 68 Hoja N°8 del programa EERA –Aceleration
135
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.6 Tiempo de esfuerzo deformación
Figura 69 Hoja N°9 del programa EERA –Strain
136
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.7 Amplificación entre dos sub-capas
Figura 70 Hoja N°10 del programa EERA – Amplification
Espectro de amplitud de Fourier de la aceleración
Figura 71 Hoja N°11 del programa EERA – Fourier
137
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
6.1.2.8 Espectros de respuesta
Figura 72 Hoja N°11 del programa EERA – Spectra
138
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
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7. FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SISMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS DE MANIZALES
Tabla 25 Factores de amplificación de ondas sísmicas en cenizas volcánicas de Manizales.
MUESTRA
DE SUELO
N°
1
1
1
2
2
2
MZSM 5
MZSM 5
MZSM 5
1
1
1
2
2
2
MZSM 5
MZSM 5
MZSM 5
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SISMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS DE MANIZALES
ESPESOR
ACELERACIÓN ACELERACIÓN
MAX.
FACTOR
AMPLIFICACIÓN
DEPÓSITO
EN ROCA
MÁXIMA
ACELERACIÓN
ACELERACIÓN
MÁXIMA
(g)
(g)
ESPECTRAL
(m)
(pies)
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
16,4
32,8
49,2
16,4
32,8
49,2
16,4
32,8
49,2
16,4
32,8
49,2
16,4
32,8
49,2
16,4
32,8
49,2
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
SISMO CALIMA
0,943
0,692
0,386
0,773
0,578
0,378
0,69
0,221
0,2
3,772
2,768
1,544
3,092
2,312
1,512
2,760
0,884
0,800
5,591
2,915
1,207
4,88
2,449
1,554
3,295
0,811
0,729
11,81
11,8
5,11
11,8
10,193
9,41
18,02
1,2
1,5
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
SISMO ROMERAL
0,71
0,232
0,397
0,404
0,841
0,656
0,337
0,207
0,265
2,840
0,928
1,588
1,616
3,364
2,624
1,348
0,828
1,06
3,621
0,979
1,752
1,264
4,06
1,932
0,89
0,784
0,855
6,594
7,939
5,717
17,317
12,251
15,855
2,994
1,1
3,981
139
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
Ivónn Yamile Morales Ramírez
Teniendo en cuenta estos resultados se determinó que los factores de amplificación
aumentan en las muestras de suelo 1 y 2 si disminuye el espesor del depósito en ambos
sismos.
El factor Aceleración se determino dividiendo la aceleración máxima obtenida de las
modelaciones sobre la aceleración en roca adoptada para la ciudad de Manizales Aa=0.25
g. Estos factores disminuyen a medida que el espesor del depósito aumenta.
De la misma forma la amplificación máxima aumenta en las muestras de suelo 1 y 2 si el
espesor del depósito disminuye en los dos sismos de diseño.
7.1 Comparación de los espectros de aceleración de la Microzonificación sísmica de
Manizales con los resultados obtenidos
Con las características del material identificado en la Microzonificación sísmica de
Manizales se elaboraron 3 modelaciones con cada sismo Bienoff Calima y Romeral
sintético. En la Tabla 27 se muestran los parámetros del suelo (CIMOC, CEDERI, 2005).
Tabla 26 Parámetros del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales
Parámetros del Suelo Microzonificación sísmica de
Manizales
Peso unitario
(kg/m3)=
1300
Peso unitario
(lb/ft3)=
81,16
Vs (m/s)=
450
Vs (ft/s)=
137,16
Figura 73 Velocidad de onda cortante del Suelo Microzonificación sísmica de Manizales
140
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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La velocidad de onda cortante Vs explica las diferencias en los rangos de la respuesta
dinámica del material, por una parte los valores de Vs se utilizaron para normalizar las
curvas G/Go y amortiguamiento del laboratorio. Igualmente estos valores de laboratorio
se utilizaron para la modelación del programa EERA, lo que produjo un error en los
resultados ya que tenían que utilizarse valores de Vs de campo, pero por la falta de
información se utilizaron datos de laboratorio; la diferencia de estos datos es grande ya
que los datos de campo demuestran una degradación más razonable.
Se realizó la comparación de los espectros de aceleración registrados en la
Microzonificación sísmica de Manizales y los obtenidos en las modelaciones realizadas en
este trabajo. Se presentan en las Figuras 74 y 75 los registros de los sismos Calima y
Romeral Sintético de la Microzonificación.
Sismo
Bienoff
Calima
Aa= 0.20g
Figura 74 Espectros de aceleración en superficie Sismo Calima
Sismo
Romeral
Sintético
Aa= 0.20g
Figura 75 Espectros de aceleración en superficie Sismo Romeral Sintético
141
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS
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Los espectros de aceleración obtenidos en las modelaciones de los suelos N°22, SH10 (1) y N°22, SH10 (2) a 5m, 10 y 15m cada uno
a los dos sismos de diseño se muestra en la Figura 76. También se presentan los espectros de la Microzonificación a un Aa= 0.25.
Figura 76 Aceleración espectral- Periodo – Sismos Benioff Calima y Romeral Sintético – Suelo 1 y 2 y suelo de la MZSM
142
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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Se muestra en las gráficas que los espectros de aceleración son mayores con depósitos de
suelo de menor espesor.
Según Tabla 27, los resultados de los espectros de aceleración de la modelación del
material descrito en la Microzonificación Sísmica para cada sismo, se alejan notablemente
a los resultados de las modelaciones calculadas por el programa EERA, esto se debe a los
problemas que tienen las curvas de degradación utilizadas para modelar.
Tabla 27 Comparación de las aceleraciones espectrales modeladas
COMPARACIÓN ACELERACIÓN MÁXIMA ESPECTRAL
MZSM 5
3,295
0,811
0,729
MZSM 5
0,89
0,784
0,855
SUELO 1
5,591
2,915
1,207
SISMO CALIMA
DIFERENCIA (%)
SUELO 2
4,88
58,9
2,449
27,8
1,554
60,4
DIFERENCIA (%)
67,5
33,1
46,9
SUELO 1
3,621
0,979
1,752
SISMO ROMERAL
DIFERENCIA (%)
SUELO 2
1,264
24,6
4,06
80,1
1,932
48,8
DIFERENCIA (%)
70,4
19,3
44,3
8. CONCLUSIONES

Se calcularon factores de amplificación de ondas sísmicas en depósitos de cenizas
volcánicas con base en datos de los ensayos realizados.
Tanto los factores de aceleración como de amplificación aumentan en las muestras de
suelo 1 y 2 si disminuye el espesor del depósito en ambos sismos, pero con
particularidades de las muestras donde se disminuyen o aumentan los factores en 10
m de depósito.

Los resultados de las modelaciones de aceleraciones espectrales realizadas para
cada muestra a diferentes espesores superan notablemente a los resultados de los
espectros de aceleración máxima de la Microzonificación. Los espectros de
aceleración son mayores con depósitos de suelo de menor espesor.
Esto se debe a que los valores de Vs usados fueron menores y por la degradación de
las muestras al momento de hacer los ensayos lo que produce que los contrastes de
impedancia fueran mayores y la amplificación también.
El estudio del estado del arte de los efectos del suelo reconoce que los depósitos de
suelo que pueden amplificar el movimiento sísmico son los que tienen consistencia
143
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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blanda, grado de consolidación baja y caracterizados por velocidad de ondas de corte
sísmicas bajas, como en este caso las cenizas volcánicas. También es importante el
espesor de los depósitos y las características del perfil estratigráfico.

Se identificaron problemas de confiabilidad en la información utilizada para los
análisis de respuesta por la sensibilidad del material, los protocolos y métodos de
cálculo y los valores confiables para la normalización de la curvas.
Las curvas utilizadas para las modelaciones reducen mucho la rigidez del material de
suelo considerado en los análisis. Estas curvas de degradación de módulo cortante y
amortiguamiento en relación a la deformación cortante, obtenidas con los resultados
de los ensayos triaxiales cíclicos, se ajustaron a determinadas tendencias, las cuales
indicaron en la modelación el comportamiento dinámico de cada muestra.
Las causas de la amplificación del suelo se deben a la diferencia de impedancias entre
los medios en contacto y al efecto de resonancia debida a la similitud de frecuencias
entre el depósito sedimentario y a la del movimiento sísmico que parte de la roca.
Las limitaciones de la caracterización dinámica de las cenizas volcánicas para este
trabajo de grado fueron principalmente las muestras alteradas debido a la sensibilidad
del material, su remoldeo por maniobrar y trasladar las muestras y aun más el ensayar
las muestras inicialmente en el equipo de columna resonante donde fueron
degradadas por el ensayo y luego en el triaxial cíclico donde colapsaron internamente
dando resultados no consistentes.

Este proyecto de grado sobre la caracterización de la respuesta sísmica de las
cenizas volcánicas de Manizales, expone los resultados de los factores de
amplificación de onda sísmica en cenizas volcánicas que se han obtenido a partir
de la elaboración de ensayos de laboratorio y posteriormente modelaciones
unidimensionales de depósitos de cenizas volcánicas expuesto a dos sismos de alta
y baja intensidad.
Interesa resaltar el interés del estudio de la respuesta sísmica de las cenizas
volcánicas, ya que un conocimiento adecuado de los fenómenos de amplificación es
importante en la evaluación del riesgo sísmico.
Los datos obtenidos de los ensayos de columna resonante no se tuvieron en cuenta
debido a problemas de unidades y escala del equipo.

Finalmente los factores de amplificación utilizados para la Microzonificación sísmica
de Manizales parecen ser adecuados.
144
FACTORES DE AMPLIFICACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN
CENIZAS VOLCÁNICAS
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9. RECOMENDACIONES

Para próximas caracterizaciones de este tipo de materiales tan blandos como las
cenizas volcánicas, es importante tener en cuenta las limitaciones obtenidas y así
evitar errores que fácilmente pueden ocurrir.

La metodología de los ensayos podría realizarse si se utilizan diferentes muestras
de la misma perforación para realizar cada ensayo por separado. También es
importante la calidad del equipo de perforación ya que para este tipo de material la
sola extracción de la muestra ya altera el suelo.

Se podrían estudiar posibles efectos topográficos, interacciones suelo-estructura y
estimar el grado de daño estructural que producirían posibles efectos inducidos en
el depósito de suelo.

Se recomienda un análisis de sensibilidad que permita establecer la importancia de
las propiedades físicas y dinámicas del suelo en la respuesta sísmica.
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