Zonación sísmica del casco urbano de Lorca, elaborada con valores

7ª ASAMBLEA HISPANO-PORTUGUESA DE GEODESIA Y GEOFÍSICA DONOSTIA – SAN SEBASTIÁN 2012

Proceedings SE2-771

Zonación sísmica del casco urbano de Lorca, elaborada con valores de los parámetros Vs30 y C obtenidos por medio de microtremores de refracciónThe urban seismic zonation of Lorca, made with values of parameters Vs30 and C

obtained through refraction microtremors

J. J. Giner-Caturla1, P. J. Jauregui-Eslava1 , J. Delgado-Marchal1, J. Rosa-Herranz2, J. L. Soler-Llorens1

1 – Universidad de Alicante, Facultad de Ciencias, Alicante, España 2 – Universidad de Alicante, Dpto. Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal, Alicante, España

SUMMARYRecent publications of Special Plans at the Seismic Risk of the different autonomous communities and their legal consequences crystallize in future Municipal Action Plans against seismic risk, focus the attention of researchers in seismology and earthquake engineering to the possibilities to perform tasks of zonation and seismic microzonation urban scale. Moreover, the recent seismic event that has affected the people of Lorca, provides extensive data on the effects of an earthquake of medium magnitude, close to a population. As a result, a team of researchers from the UA has conducted a campaign of microtremor data collection in the urban area of Lorca, whose preliminary results, presented as the geographical distribution of Vs30 and C parameters respectively used by IBC and NCSR/02 regulations, constitute the purpose of this communication.

1. INTRODUCCIÓNAnte la obligación legal, de la disponibilidad por parte de los

ayuntamientos, de los correspondientes Planes de Actuación Municipal frente al Riesgo Sísmico, derivada de la publicación por parte de las Comunidades Autónomas españolas de los Planes Especiales para la Prevención del Riesgo Sísmico, surge la necesidad en determinados casos, de realizar tareas de zonación sísmica a escala urbana destinadas a la cuantificación del efecto local o efecto de sitio.

Ello implica, con vistas a la clasificación del sitio, el cálculo de los llamados coeficientes del terreno, C, o de la velocidad de cizalla promedio Vs30, definidas en las normas, NCSR/02, EUROCODE8 o, NEHRP, de ambito nacional europeo y norteamericano respectívamente, lo que requiere elconocimiento local de la distribución vertical de la velocidad de cizalla, hasta una profundidad de 30 m. Las dificultades que entraña este conocimiento son bién conocidas, bien porque los sondeos de reconocimiento rara vez alcanzan la profundidad citada, bien por que las estimaciones indirectas de la distribución vertical de la velocidad de cizalla, a partir de los datos de SPT, o ensayos de laboratorio, se caracterizan por un elevado grado de indeterminación. Desde nuestro punto de vista uno, de los mejores procedimientos para lograr una estimación correcta, son las medidas directas de las velocidades de fase en el interior de sondeos, técnica conocida como Downhole. Por desgracia, casi nunca se dispone de una malla de perforaciones de la profundidad y preparación necesarias para evaluar la evolución vertical y lateral de la velocidad Vs, siendo excesivo el coste y la sevidumbre derivada de la ejecución de perforaciones exprofeso. Debido a ello hoy en dia se tiende a utilizar métodos geofísicos de superficie capaces de adaptarse a las condiciones de ruido sísmico urbano y de generar con rapidez gran volumen de datos de manera no agresiva para los pavimentos y mobiliario.

En particular el grupo de métodos denominados de sísmica pasiva, o medida de microtremores resultan muy adecuados para su aplicación en la ciudad, dado que se fundamentan en la adquisición de los modos propios de vibración de la superficie del terreno sometido a la acción de ondas superficiales provocadas por los microtremores. Estos modos de vibración se relacionan con la propiedades físicas de la estratificación del subsuelo y su análisis puede conducir a la estimación de las columnas de la velocidad de cizalla.

La experiencia que describimos a continuación consiste en la aplicación de uno de estos métodos, Refraction-Microtremor o abreviámente Re-Mi (Louie, 2001) en el entorno urbano de Lorca con el objetivo de obtener una representación en planta de la distribución de los parámetros C y Vs30 en la ciudad.

2. METODOLOGÍAEl método empleado para la obtención de los modelos de

velocidad es el conocido como Re-Mi, este se enmarca entre las metodologías basadas en la inversión de ondas de superficie. Los parámetros de zonación empleados C y Vs30 se calculan a partir de estos modelos. Las fases a seguir en la metodología se resumen en tres:

2.1.- obtención de datos que conduzcan a la caracterización de la curva o tendencia de dispersión propia del lugar

2.2.- inversión de la curva de dispersión y obtención de modelos de las propiedades físicas del terreno

2.3.- Cálculo de los parámetros C y Vs302.1 Caracterización de la curva o tendencia de dispersión

Como antecedentes del método Re-Mi citaremos las técnicas denominadas SASW (Spectral Analysis of Surface Waves, Nazarian& Stoke., 1984) y MASW, (Multichannel Analysis of Surface Waves, Parket al., 1999), que tienen el común el uso de fuentes sísmicas asociadas a arrays de uno o varios sensores. El método Re-Mi combina la capacidad de trabajar en el entorno urbano de ambos métodos y la robustez del análisis de ondas de superficie del método MASW, con la facilidad de despliegue y rapidez en la adquisición de datos asociada al uso de un equipo de refracción sísmica. Un registrador multicanal conectado a un array o tendidolineal de nx geófonos de componente vertical, con frecuencias propias entre 4.5 y 12 Hz. permite la adquisición de un segmento espacio-temporal, t-x, del microtremor tal y como vemos en la figura 2.1.1. donde la longitud total del registro es de x=102 m. y la duración t= 32 s. muestreados a intervalos dt=0.02, para cada una de las nx=18 trazas. El espaciado entre los géofonos dx y la longitud del array definen, junto con la estructura de velocidades subyacente, los límites de las longitudes de onda disponibles para el análisis y el alcance de la investigación.

DONOSTIA – SAN SEBASTIÁN 2012 7ª ASAMBLEA HISPANO-PORTUGUESA DE GEODESIA Y GEOFÍSICA

Proceedings SE2-772

Figura 2.1.1 – Registro parcial de un segmento de microtremor

para 18 géofonos en el dominio espacio-tiempo. (An partial space-time 18 geophones microtremor recording )

Figura 2.1.2 – Registro completo de un segmento de microtremor

de 32 s. para 18 géofonos en el dominio espacio-tiempo. (An full space-time 18 geophones 32 s. microtremor recording )

Los onsets que se visualizan en el registro corresponden a diferentes tipos de ondas de volumen, aéreas y superficiales viajando a traves del tendido. El primer paso del método Re-Mi consiste en la separación de estos tipos de ondas mediante la aplicación al registro de una transformación matemática. Esta consiste en la transformada p- (Thorson and Claerbout, 1985),también conocida como beamforming, la cual procede a la aplicación al registro de una serie de integrales de línea numéricas a lo largo de multiples radiaciónes o haces de rectas. Cada haz se caracteriza por su intersección común con el eje de tiempos o tiempo de intercepción y dentro del haz cada recta se

individualiza por su pendiente p cuyo sentido físico es la inversa de la velocidad aparente o slownes. El eje de tiempos se discretiza a intervalos dt y el eje x utiliza el intervalo entre geófonos dx. Los parámetros iniciales para el análisis son los límites negativo y positivo de la lentitud [-pmax ,pmax] es decir las inversas de la velocidad mínima a elegir, y el intervalo con que se incremente la misma dp o bién el número de rectas contenido en cada haz que se toma normalmente como 2np, con np coincidiendo con nx, lo que equivale a analizar la propagación de la energía en ambas direcciones del tendido.

La suma de las amplitudes obtenidas en las interseciones de cada una de estas rectas con las trazas del registro, interpoladas en caso necesario, define un punto en la nueva representación p-de acuerdo con la integral numérica:

)1(),(),(1

00

nx

jpxidttjdxxAkdtldpppA

El resultado consiste en 2nx trazas conteniendo cada una de ellas la suma de las amplitudes correspondientes a una misma velocidad o lentitud para los diferentes tiempos de intercepción.

El siguiente paso consiste en la obtención de la densidad espectral de energía de cada traza, mediante la aplicación a cada una de ellas de una transformación de Fourier unidimensional. De esta manera el registro p- se convierte al dominio p-f, en el que los eventos dispersivos aparecen como picos de energía coherentes y son identificables permitiendo la extracción de las parejas lentitud-frecuencia o velocidad frecuencia.

En la figura 2.1.3 vemos el resultado de esta transformación una vez normalizada por el cociente con el valor medio de la energía transportada en cada banda de frecuencia. La normalización ayuda a identificar los diferentes modos, en particular el modo principal, definido por el límite inferior de la región de alta energía resaltada en la imagen, que presenta una característica disminución de la velocidad de fase al aumentar la frecuencia.

En la imagen aparecen artefactos de cálculo limitando la banda de frecuencias disponibles para el análisis, la región de frecuencias inferior a 2-4 Hz. para todas las lentitudes es un ejemplo de ello. La acumulación de alta energía que aparece abajo y a la derecha de la imagen se debe a la contaminación o aliasing espacial, en este caso limita el uso de frecuencias superiores a 26 Hz. para velocidades de fase de 220 m/s.

Figura 2.1.3 – Tranformada p-f normalizada de un segmento de

microtremor para 18 géofonos. (An 18 geophones p-fnormalizated transform of an microtremor recording )2.2- Inversión de la curva de dispersión

Una vez obtenida la curva representativa del modo principal de dispersión, se procede a la inversión de la misma, es decir su resolución en un modelo de velocidades en capas estratificadas horizontalmente, Re-Mi utiliza la aproximación de Yuehua Zeng (1992) del método de Saito (1979, 1988), consistente en un ajuste gráfico iterativo, a lo largo del cual se ensayan modelos capaces de reducir el RMS del ajuste entre la curva de dispersión


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observada y la proporcionada por el modelo de ensayo progresivamente (fig.2.2.1)

Figura 2.2.1 – Ajuste entre las curvas de dispersión observada y

calculada correspondiente a un RMS=8. (RMS=8; Observed and calculated curves fit )

Figura 2.2.2 – Modelos obtenidos por iteración, en linea

continua y automáticos,en trazos. ((iterative, continouos line and automatic models, dashed lines )

Otras aproximaciones, como la inversión automática por medio de algoritmos de vecindad con generación de soluciones múltiples, (Wathelet, 2005) son también utilizables (fig 2.2.2).2.3.- Cálculo de los parámetros C y Vs30

Los coeficientes C, y Vs30 se calculan a partir de losparámetros del modelo, espesor di y velocidad Vsi y su definición en las normas NCSR/02 y IBC2000, tablas 2.3.1. y 2.3.2 y formulas 2.

)2(30;

is

i

is

i

ii

V

dd

Vd

dCC

Tabla 2.3.1 Coeficiente del terreno C NCSR/02 (Terrain Coefficient C NCSR/02)

Tabla 2.3.2 IBC2000 Clasificación del sitio (IBC2000 Site class).

De ellos se deriva el valor de la amplificación S y de las aceleraciones de diseño para edificaciones de importancia normal y especial para las que se utilizan valores respectivos de 1 y 1.3 para el parámetro r, de acuerdo con la normativa vigente.

3. OBTENCIÓN DE DATOSCon objeto de cubrir los objetivos propuestos, es decir la

representación en planta de la distribución geográfica de los parámetros C, Vs30 y S, se programó la toma de datos de microtremores en 40 lugares en el interior del casco urbano de la ciudad. En cada uno de ellos se obtuvieron cuatro segmentos de microtremores con diferentes ganancias o amplificaciones. El dispositivo sísmico utilizado fué un registrador Seistronis Ras24 y 18 geófonos de componente vertical y frecuencia propia de 10 Hz.

La separación entre geófonos se adaptó a la geometría del tejido urbano siendo de cinco metros la típica, con excepciones de cuatro y seis metros en casos aislados. En la mayoría de los casos se buscaron emplazamientos directos sobre el terreno, parques y jardines, y solo en algunos casos se dispusieron los geófonos sobre asfalto o cemento. El acoplamiento mecánico de los geófonos al terreno se logró en estos casos mediante taladros o vasos de arena.

La selección inicial de los sitios trató de abarcar las diferentes litologías sobre las que se asienta el casco urbano. En la práctica la elección de cada sitio ha estado condicionada por el trazado viario y la existencia de parques y jardines donde se han ubicado con preferencia las medidas. La toma de datos tuvo lugar entre los meses de Febrero a Abril de 2012.

El ancho de banda de los registros obtenidos, fig.3.2, se encuentra limitado inferiormente por la respuesta propia de los geófonos y superiormente por el filtro anticontaminación del registrador entre 10 y 200 Hz, con una meseta de alta energía entre los 10 y 20-25 Hz. En la práctica el límite inferior de las frecuencias utilizables alcanza los 3-4 Hz, llegando el superior hasta los 40 Hz en algunos casos, toda vez que en los registros transformados la energía ha sido normalizada por bandas de frecuencia

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ! � � � � � � � " # $ % & ' ( ) # * + , '* * + , -* * * + , .* "


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Figura 3.1. Ubicación de las medidas de microtremores

(microtremors measurements positioning)

Figura 3.2 Densidad espectral de energía típica de los registros

obtenidos (typical power espectral density of obtined records)

4. INTERPRETACIÓN Y RESULTADOSEn cada emplazamiento se obtuvieron las transformdas p-f de

los cuatro registros correspondientes a las diferentes amplificaciones empleadas en él, siendo estas posteriormente apiladas con objeto de mejorar la relación señal/ruido. La inversión de las curvas de dispersión obtenidas a partir de las mismas ha sido realizada de manera interactiva, con el módulo Disper de Re-Mi (Louie; 2001) y contrastada eventualmente con el módulo Dinver de Geopsy (Wathelet; 2005). El rango típico de frecuencias manejables ha sido de 4 a 30 Hz, excepcionalmente de 2 a 40 Hz como parece lógico en función de las características de los registros. La profundidad de investigación estimada empíricamente ha sido de 30- 40 metros. En la tabla 4.1 se presentan los resultados obtenidos para los diferentes parámetros de zonificación.

Los residuos obtenidos por Disper han oscilado entre 3 y 14 con valor medio de 9. Se ha comprobado la estabilidad de los parámetros C y Vs 30, para diferentes modelos con similares residuos.

Punto X Y Z Vs30 C ADN ADE1 614585.3 4171313.6 328.5 479 1.38 0.18 0.242 615205.6 4171037.6 324.2 390 1.38 0.18 0.243 615085.9 4170218.1 324.5 321 1.55 0.23 0.304 615499.2 4170271.0 326.1 339 1.51 0.22 0.285 615731.4 4169930.3 321.1 336 1.45 0.20 0.266 614978.0 4169678.2 323.2 313 1.53 0.22 0.297 614692.2 4169604.0 326.9 365 1.49 0.21 0.278 615098.3 4169190.1 320.8 348 1.51 0.22 0.289 615378.8 4169807.1 324.9 340 1.46 0.20 0.2610 614542.2 4169284.3 324.6 376 1.46 0.20 0.2611 615270.4 4170503.7 325.3 297 1.6 0.24 0.3112 615667.0 4171087.3 325.3 426 1.44 0.20 0.2613 616032.1 4171236.7 327.5 396 1.47 0.21 0.2714 616309.1 4171450.2 328.5 373 1.50 0.21 0.2815 614790.5 4168671.5 318.7 339 1.53 0.22 0.2916 614508.8 4168750.8 321.1 345 1.46 0.20 0.2617 614183.2 4168819.6 331.0 371 1.50 0.21 0.2818 613949.6 4168938.0 340.0 408 1.43 0.19 0.2519 613694.7 4169120.2 351.4 474 1.37 0.18 0.2320 614110.2 4170019.3 363.3 479 1.33 0.17 0.2221 614211.2 4170372.5 350.3 392 1.37 0.18 0.2322 613868.5 4170597.5 423.6 428 1.35 0.17 0.2323 613716.7 4170733.0 432.2 493 1.33 0.17 0.2224 615817.6 4171179.4 326.3 492 1.36 0.18 0.2325 615841.8 4171467.2 331.9 397 1.28 0.16 0.2026 615756.1 4171726.8 337.3 514 1.39 0.18 0.2427 615636.9 4171862.7 339.8 423 1.45 0.20 0.2628 615247.2 4171792.9 348.1 552 1.35 0.17 0.2329 615057.1 4171701.5 340.7 570 1.34 0.17 0.2230 614665.8 4170799.3 348.6 479 1.42 0.19 0.2531 614633.0 4170758.1 346.3 472 1.40 0.19 0.2432 614679.0 4169966.0 330.3 365 1.55 0.23 0.3033 614889.6 4170555.0 329.2 380 1.47 0.21 0.2734 614739.2 4170242.8 329.5 395 1.46 0.20 0.2635 614403.0 4170390.3 338.0 484 1.40 0.19 0.2436 614407.0 4170279.0 344.5 501 1.33 0.17 0.2237 614851.7 4171250.3 328.4 423 1.35 0.17 0.2338 614551.8 4170998.7 389.5 452 1.34 0.17 0.2239 614902.6 4171112.8 329.9 404 1.37 0.18 0.2340 615097.4 4170516.8 301.0 301 1.63 0.25 0.33

Tabla 4.1 Resultados obtenidos para los parámetros C, Vs30,

ADN, ADE. (Results obtained for the parameters C, Vs30, ADN, ADE)

No se ha dispuesto de información geotécnica susceptible de ser utilizada como apoyo en la interpretación. Por esta razón nos hemos limitado a manejar los coeficientes C y Vs30, dada su estabilidad frente a los resultados de la inversión, a la espera de disponer de la información, que permita una explotación más completa de los datos en el sentido de modelizar la respuesta local y generar escenarios de daños para sismos de diferentes características. Los valores de Vs30 obtenidos resultan comparables a los detallados en la Monografía Técnica publicada por IGC (Goula, et al. Diciembre 2011). En resumen, Los coeficientes del terreno obtenidos se encuentran entre valores de 1.28 y 1.63, mientras que Vs30 está comprendido entre 297 y 570 m/s. Las aceleraciones de cálculo resultantes están entre 0.16 y 0.25g para edificios de importancia normal y 0.20 a 0.33g para edificios de importancia especial.

A partir de los datos contenidos en la tabla se han trazado los mapas de contornos para los diferentes parámetros que


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presentamos en las figuras 4.1 a 4.4, mientras que en las 4.5 y 4.6 superponemos el mapa inicial de daños publicado por IGN tras el episodio sísmico que afectó a la población de Lorca el 11 de Mayo de 2011 con los contornos de las aceleraciones de cálculo obtenidas.

Figura 4.1 Mapa de contornos del coeficiente del terreno C sobre

el área urbana de Lorca(Contour map of soil coefficient C over Lorca urban area)

Figura 4.2 Mapa de contornos de Vs30 sobre el área

urbana de Lorca(Vs30 Contour map over Lorca urban area)

Figura 4.3 Mapa de contornos de la aceleración de diseño,

para edificios de importancia normal, sobre el área urbana de Lorca (Contour map of normal importance buildings design aceleration, over Lorca urban area)


para edificios de importancia especial, sobre el área urbana de Lorca(Contour map of special importance buildings design aceleration, over Lorca urban area)


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para edificios de importancia normal, sobre mapa de daños en Lorca tras la serie de Mayo de 2011 (Contour map of normalimportance buildings design aceleration, over Lorca damaged building map after seismic series May of 2011)


para edificios de importancia especial, sobre mapa de daños en

Lorca tras la serie de Mayo de 2011 (Contour map of specialimportance buildings design aceleration, over Lorca damaged building map after seismic series May of 2011)5. CONCLUSIONES1.- Los valores del parámetro C obtenidos oscilan entre un mínimo de 1.28 y un máximo de 1.63 correspondientes a los terrenos tipos II y III de la Norma de Construcción Sismorresistente española (NCSR/02), mientras que los de Vs30 se encuentran comprendidos entre 290 y 570 metros/segundo correspondientes a los tipos de terreno D y C de las norteamericana, IBC2000 y NEHRP y a los terrenos C y B del Eurocódigo8.2.-Las velocidades de cizalla que resultan, hasta la profundidad de 30 -40 metros, descartan la presencia de un sustrato formado por roca compacta, correspondiendo más bien a suelos granulares de compacidad media, o bien suelos cohesivos duros, granulares densos o rocas fracturadas.3.- Los resultados obtenidos para la aceleración de cálculo para edificios de importancia normal se encuentran entre valores de 0.16g a 0. 25g y entre 0.20 g a 0.33 g para edificios de importancia especial. Las aceleraciones de diseño en el área de la antigua prisión, sería de 0.19 y 0.25 respectívamente, en todo caso inferiores al pico de aceleración, registrado por IGN en la misma.4.- Como cabía esperar, en el caso presente, la distribución de estos parámetros aparece condicionada por los aspectos geomorfológicos y tectónicos donde se inscribe el entorno urbano de Lorca. 5.-El posible efecto local sugerido por la distribución de los parámetros, no explica por si solo la entidad y distribución de los daños observados. 6.- El registro de microtremores y la inversión de ondas de superficie, es una herramienta no agresiva que puede complementar a otras técnicas con vistas a tareas de zonación a escala urbana. Los mapas de contorno, de los parámetros C, Vs30, Adn y Ade, facilitan la aplicación de la normativa cuando no se dispone de información geotécnica suficiente, o esta es muy superficial.

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