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INFLUENCIAE ALAS CONDICIONES LOCALES 'DEL SUELO ÉkN''MOVIMIENTOS DEL TERRENO ;,* EN, DAÑOSaA EDIFICIOSDURANTE SISMOS

HARRY BOLTON SEED OCTAVA CONFERENCIA NABOR CARRILLO

Presentada en la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos en la XIII Reunión Nacional, Mazatlán, Sinaloa, México México, Noviembre 22, 1986

HARRY BOLTON SEED 1;._. : i . 13 13' 16 r Or TECA yEEpW flEOW{RDO Sa

Copyright, México, 1990 SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. Valle de Bravo No. 19, Col. Vergel de Coyoacán 14340 México, D.F., MEXICO Los derechos de autor fueron generosamente cedidos a la SMMS por el Profesor H. Bolton Seed. Presidente del Comité Organizador: Juan Jacobo Schmitter Traducción de la versión en Español: Por personal de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes bajo la dirección de Alfonso Rico Rodríguez. Revisión y corrección de estilo: Raúl Esquivel Díaz DibujoyMontaje:PersonaldelaSubdirecciónGeneralde Conducciones y Captaciones SARH y Everardo Fuentes de la Rosa Mecanografía: Yolanda Briseño Almaraz Edición: Juan Jacobo Schmitter y Francisco González Valencia

Impreso en México. Prohibida su repoducción por cualquier medio sin previa autorización por escrito de la SMMS.

Lasopinionesydatospresentadossondelaexclusiva responsabilidaddelautor.La SMMS noasume ninguna responsabilidad por las opiniones y declaraciones contenidas en esta publicación.

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TRIBUTO A HARRY BOLTON SEED. Miguel P. Romo Organista VII

PRESENTACION DEL CONFERENCISTA Juan J. Schmitter IX

CURRICULUM VITAE DEL CONFERENCISTA XI

CONFERENCIA "Influencia de las Condiciones Locales del Suelo en MovimientQs delTerreno y en Dar?os a Edificios Durante Sismos" 1

SESION DE PREGUNTAS Y RESPUESTAS 17 3

BASES DE LA CONFERENCIA NABOR CARRILLO 18 8

V TRIBUTO A HARRY BOLTON SEED por Miguel P. Romo Organista

Harry Bolton Seed nació en Bolton Inglaterra, el 22 de agosto de 1922. Estudió en el King's College de la Universidad de Londres, donde obtuvolalicenciatura en IngenieríaCivilen 1944 yel doctorado en Ingeniería Estructural en 1947. Después de dos años como catedrático asociado en King's College, Seed viajó a Estados Unidos para estudiar Mecánica de Suelos en laUniversidad de Harvard bajo el tutelaje de Karl Terzaghi y , donde recibió el grado de Maestro en 1948 y fue instructor durante el siguiente año. En 1950, el profesor Seed se unió al personal académico de la Universidad de California, Berkeley, donde permaneció el resto de su carrera como educador e investigador en Ingeniería Geotécnica. El diseñóelprogramadeIngenieríaGeotécnica enBerkeley que posteriormente se considero como uno de los más completos y mejores del mundo. El profesor Seed tuvo un enorme impacto en cada área en que trabajó en su actividad como investigador. Su trabajo pionero sobre la mecánica de cimentaciones piloteadas constituye todavía la base de métodos modernos de interacción suelo -pilote. Sus investigaciones sobresuelocompactado ylainfluenciadelosmétodosde compactación en la estructura del suelo y sus propiedades mecánicas proporcionan la base del conocimiento actual en este tema. Sus contribuciones en métodos analíticos para el diseño de pavimentos fueron de primer nivel. En 1960introdujo elnuevo campo de Ingeniería Geotécnica de Sismos, y mundialmente se le reconoce como el"padre" de este campo. Sus trabajos pioneros incluyen el desarrollo de métodos para el análisis de la respuesta sísmica de sitios, para el análisis de interacción dinámicasuelo -estructura,paralaevaluación dela sismicidad y para la estimación de la susceptibilidad a la licuación de depósitos de suelos granulares saturados. Los resultados de estas investigaciones condujeron a una revisión total de los conceptos y métodos para el diseño sismo resistente de presas de tierra, plantas nucleoeléctricas,obrasportuariasy cimentacionesdeedificios, así como a la revisión de Reglamentos de Construcción. Este trabajo, basado en principios científicos sólidos,ha recibido una amplia aceptación entodoelmundo y seguramenteinfluirálas investigaciones futuras durante muchas generaciones.

VII La labor de Harry Seed como educador, académico y siervo de su profesión es insuperable. El fue el epítome de un académico modelo dedicado al avance de la ciencia y la práctica de la ingeniería. Dedicó mucho tiempo a las actividades de servicio público. Siempre fue un brillante conferencista y reconocido por muchos años como el mejor catedráticoy educadorde suespecialidad.Guióa50 candidatosalgradodedoctoraunexitosotérminodesus investigaciones doctorales; muchos de ellos son reconocidos en el campo de la Ingeniería Geotécnica. Sus trabajos escritos (más de 300 artículos e informes técnicos) son excepcionalmente lúcidos (y visionarios) y proporcionan un testigo elocuente y perenne de su trabajo. Se mantuvo en plena actividad hasta poco antes de su muerte en abril de 1989.

Elprofesor Seedrecibiómuchos honoresy premiospor sus contribuciones.LaSociedadAmericanadeIngenierosCiviles (American Society of Civil Engineers) le otorgó más premios que a cualquier otro ingeniero en la historia de la Sociedad. Además el Presidente Reagan le otorgó la Medalla Nacional de Ciencia en 1987. Era miembro delaAcademia Nacional deIngenieríaydela Academia Nacional de Ciencias, Miembro Honorario de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, del Instituto de Investigación en Ingeniería Sísmica y de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. En 1988 recibió el primer Doctorado Honoris Causa otorgado por la EscuelaNacionaldePuentesy CaminosenParís.Juntocon CasagrandeyPecksonlosúnicosquehandictadolastres conferencias internacionales más importantes en Mecánica de Suelos: La Terzaghi, la Rankine y la Nabor Carrillo. El Dr. Seed fue verdaderamente un gigante de su generación y todos los que tuvimos la fortuna de trabajar con él nos enriquecimos enormemente. Todos los que lo conocimos bien lo recordaremos como una persona generosa y compasiva; con arrojo, con visión incisivay con un amplio espectro de intereses en el mundo que lo rodeaba. Ningún problemaera demasiado pequeñoparaser analizadoy resuelto; a cada persona le daba su tiempo y su consideración. Harry Seed fue verdaderamente un profesor en el sentido más alto de la palabra.

VIII PRESENTACION DEL CONFERENCISTA por Juan J. Schmitter

Siempre hay muchos problemas técnicos en un país en desarrollo como México, donde la Mecánica de Suelos puede y debe participar de manera relevante para una mejor comprensión de los mismos y aplicar a la solución más eficiente.

Conferencias-reconocidasinternacionalmente, comola Carrillo, ofrecen ventanas a experiencias que se han tenidon todo el mundo que ayudan a identificar soluciones más eficientepara problemas no resueltos, interactuando con la experiencia local. La Octava Conferencia Nabor Carrillo, que será presentada eldía de hoy por el Profesor Harry Bolton Seed, nos permitirá mirar a través de una de esas "ventanas" para observar "La influencia de las Condiciones Locales del Suelo en Movimientos del Terreno y en Daños a Edificios Durante Sismos ",la cual ha despertado tanto interés debido a la dura prueba de conocimiento que la Naturaleza presentó en la Ciudad de México en septiembre de 1985.

Nuestrodistinguidohuésped, queaceptóparticiparenesta Conferencia hace más de un año, nos dijo: "Es para mi un gran honor y estoy encantado de aceptar ", expresando también sus más sinceras condolencias al pueblo de México, por su pena.

HARRY BOLTON SEED es Profesor deIngenieríaCivilenla UniversidaddeCalifornia,Berkeley,y DirectordelCentro de Investigación de Ingeniería Sísmica. Obtuvo el grado de B. Sc. en el King's College, de la Universidad de Londres, en 1944; el grado de S.M. en la Universidad de Harvard, en 1947 y el grado de Ph. D. en el King's College, de la Universidad de Londres, en 1948. Su experiencia académica se inició en 1945 en el King'sCollege como "conferencista asistente" y continuó como "instructor" en la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Harvard, de 1948 a 1949. Después en la Universidad de California, Berkeley, como Profesor Asistente(1950- 1955); Profesor Asociado (1955 -1960) y Profesor desde 1960 hasta la fecha.

IX Su experiencia como ingeniero es muy rica, cubriendo campos de interés en Mecánicade Suelos, Diseño S ísmico, Diseño General, Tímeles para autopistas y caminos subterráneos, Grandes Proyectos para generar electricidad y Presas de Tierra.

Como se puede ver enlasección "Honores y Premios" de su Currículum,presentó laConferenciaTerzaghien1967,la ConferenciaRankine en1979,yahora,laConferencia Nabor Carrillo.

X Curriculum Vitae

H. BOLTON SEED

Título: Professor of , , Berkeley Director, Engineering Research Center

Educación: B.Sc., King's College, London University, 1944 S.M., Harvard University, 1947 Ph. D., King's College, London University, 1948

Experiencia Académica: Assistant Lecturer', King's College, London University, 1945 -47. Instructor, Harvard University Graduate School of Engineering, 1948 -49. AssistantProfessor (1950 -55), AssociateProfessor(1955 -60), Professor (1960- present), University of California, Berkeley. Chairman, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley, 1965 -71.

Experiencia como Ingeniero:

FoundationEngineer,Thomas WorcesterInc.,ConsultingEngineers, Boston, 1949 -1950. Desde 1953, Consultor en problemas demecánica de suelos y de diseño sísmico para:

World Bank U.S. Army Corps of Engineers U.S. Bureau of Reclamation U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survey U.S. Nuclear Regulatory Commission U.S. Navy U.S. Veterans Administration

XI National Aeronautics and Space Administration Oakridge National Laboratory State of California Department of Water Resources San Francisco Bay Conservation and Development Commission Bechtel Corporation, Consulting Engineers Kaiser Engineers, Consulting Engineers Stone and Webster, Consulting Engineers John A. Blume and Associates, Consulting Structural Engineers Agbabian- Jacobsen and Associates Woodward -Clyde Consultants Dames and Moore, Consulting Soil Engineers Shannon and Wilson, Consulting Soil Engineers Law Engineering Co., Consulting Soil Engineers Compañía Shell de Venezuela, etc.

Consultor durante varios años en problemas de diseño para: Executive Office of the President of the World Bank U.S. Nuclear Regulatory Commission U.S. Bureau of Reclamation U.S. Army Corps of Engineers U.S. Federal Energy Regulatory Commission State of California Department of Water Resources Bechtel Corporation Woodward -Clyde Consultants Los Angeles Department of Water and Power Tippetts- Abbott- McCarthy -Statton, New York East Bay Municipal Utility District Alaska Power Authority Pacific Gas and Electric Company, San Francisco Terrasol Inc., France Hidroservice, Brazil Hydronor S.A., Argentina SNC - Acres - Til, Canada Electrolima, Peru B. C. Hydro, Canada Taipower, Taiwan

Consultor en Proyectos de Túneles, Caminos subterráneos y Autopistas: En los últimos 15 años en los siguientes proyectos: 1. San Francisco Bay Area Rapid Transit System. 2. Los Angeles Subway Project. 3. San Francisco Ocean Outfall - underground aqueduct extending 4 miles XII into Pacific Ocean. 4. Saudi Arabia - Bahrain Causeway - Presidente del Grupo Técnico Revisor. 5. West Seattle Freeway Project. 6. Dumbarton Bridge Project, San Francisco Bay. 7. Undergroundtransit systems for Massachusetts Department of Public Works. 8. State of California Division of Highways - Consultor permanente.

Consultor en Grandes Proyectos para Generar Electricidad:

Pilgrim NPS Perkins NPS Diablo Canyon NPS Cherokee NPS Shoreham NPS Pacific Palisades NPS North Anna NPS Seabrook NPS San Onofre NPS Boardman NPS Vogtle NPS Calvert Cliffs NPS Hope Creek NPS Blue Hills NPS Beaver Valley NPS Central Cliffs NPS San Joachin NPS Braidwood NPS South Texas NPS Palos Verdes NPS Rud -e -Karun NPS, Iran Hatch NPS Sizewell NPS, England Humboldt Bay NPS etc.

Consultor en Presas de Tierra:

Consultor en los siguientes proyectos durante los últimos 20 años: Oroville Dam, California Auburn Dam, California Perris Dam, California San Pablo Dam, California Estates Reservoir Dam, California Upper San Leandro Darn, California Isabella Dam, California Cedar Springs Dam, California Los Angeles Dam, California Upper San Fernando Dam, California Gastaic Dam, California Jackson Lake, Wyoming Pleasant Valley Dam, California Pinopolis Dam, South Carolina XIII Dartmouth Dam, Australia Porto Primavera Dam, Brazil Tseng -wen Dam, Taiwan Boruca Dam, Costa Rica Alicura Dam, Argentina Guri Dam, venezuela San Luis Dam, California New Don Pedro Dam, California Henshaw Dam, California Borde Seco Dam, Venezuela Pichi Picun Dam, Argentina Watana Dam, Alaska Terror Lake Dam, Alaska Tablachaca Dam, Peru Yuracmayo Dam, Peru Lake Arrowhead Dam, California El Capitan Dam, California Chatsworth Dam, California Silver Lake Dam, California Mentone Dam, California Prado Dam, California Richard B. Russell Dam, Georgia Fort Peck Dam, Montana Sardis Dam, Mississipi Butler Creek Creek Dam, California Warm Springs Dam, California Chabot Dam, California Santee North Dam, South Carolina Sesquile Dam, Colombia Tarbela Dam, Pakistan Pueblo Viejo Dam, Guatemala Chico IV Project, Philippines Revelstoke Dam, Canada La honda Dam, Venezuela Eaton Wash Dam, California Camanche Dam, California Thermalito Dam, California Arcadia Dam, Oklahoma Piedra del Aguila Dam, Argentina Michi Huao Dam, Argentina Devil Canyon Dam, Alaska La Vueltosa Dam, Venezuela Salado Dam, Ecuador Ganges Barrage Project, Bangladesh

XIV Miembro de las siguientes Sociedades Técnicas: American Society of Civil Engineers Division Transportation Research Board Member, Department of Soils, Geology and Foundations Earthquake Engineering Research Institute U.S. Committee on Large Dams Member, Committee on Earthquake Effects on Dams Structural Engineers Association of Northern California Member, Committee on Soil Structure Interaction Sociedad Mexicana de Mecanica de Suelos, Socio Honorario (1986)

Honores y Premios: 1958 Middlebrooks Award, American Society of Civil Engineers 1959 Member, U.S. Delegation of Soil and Foundation Engineers to USSR. 1960 Croes Medal, American Society of Civil Engineers 1961 ThomasFitch Rowland Award, American Society of Civil Engineers 1962 Croes Medal, American Society of Civil Engineers 1962 Research Prize, American Society of Civil Engineers 1964 Middlebrooks Award, American Society of Civil Engineers 1966 First Horace A., McCrary Lecturer, Mass. Inst. of Technology 1966 Middlebrooks Award, American Society of Civil Engineers 1967 Terzaghi Lecturer, American Society of Civil Engineers 1968 Norman Medal, American Society of Civil Engineers 1968 Wellington Prize, American Society of Civil Engineers 1970 Elected Member, National Academy of Engineering 1970 Henry M. Shaw Lecturer, North Carolina State University 1971 Middlebrooks Award, American Society of Civil Engineers 1972 Croes Medal, American Society of Civil Engineers 1973 Karl Terzaghi Award, American Society of Civil Engineers 1973 Terzaghi Memorial Lecturer, Bogazici University, Turkey 1976 Distinguished Teaching Award, University of California 1976 VicentBendixResearch Award, American Societyfor Engineering Education 1977 Norman Medal, American Society of Civil Engineers 1978 Elected Fellow of Kings College, London University 1979 Rankine Lecturer, Institution of Civil Engineers, Great Britain 1980 T. K.Hsieh Awart, British Royal Society and Institution of Civil Engineers, Great Britain 1980 Northern Testing Services Distinguished Lecturer, Montana 1981 Martin W. Kapp Memorial Lecturer,Metropolitan Section, ASCE XV 1981 James H. Haley Memorial Lecturer, Boston Society of Civil Engineers, ASCE 1983 Distinguished Engineering Achievement Award, Institute for the Advancement of Engineering 1983 Lamme Award, American Society for Engineering Education 1985 ElectedHonoraryMember, AmericanSocietyofCivil Engineers 1985 Distinguished Civil Engineering Lecturer, University of Nevada 1985 Awarded Kevin Nash Glold Medal, International Society for and Foundation Engineering 1986 Faculty Research Lecturer, University of California, Berkeley 1986 Elected Member, National Academy of Sciences 1986 Charles Schwab Memorial Lecturer, American Iron & Steel Institute 1986 Nabor Carrillo Lecturer, Mexican Society for Soil Mechanics

Resumen de Servicios a Sociedades Profesionales +LCientíficas, asi como a Organizaciones d Investigaci6n: Chairman, Publications Committee, Geotechnical Division, ASCE, 1957 -62 Member, U.S. Delegation of Soil and Foundation Engineers to USSR (JointHighwayResearch Board -AmericanSocietyofCivil Engineers), 1959 Member, Executive Committee, Department of Soils, Geology and Foundations, Highway Research Board, 1960 -69 Secretary,ExecutiveCommittee,GeotechnicalDivision,ASCE, 1962 -67 Member, U.S. Delegation to U.S.- Japan Science Conference on Soil Dynamics, 1964 Member, Geologic Hazards Advisory Committee, Resources Agency, State of California, 1964 -68 Member, Research Committee, Geotechnical Division, ASCE, 1965- 72 Member, Committee on the Alaska Earthquake, National Academy of Aciences, 1965 -70 Member, CommitteeforEarthquakeEngineering Research,and Chairman, Soil Dynamics Panel, National Academy of Engineering, 1966 -68 Consultant, Presidential Commission for Investigation of the 1967 Caracas Earthquake of Venezuela, 1967 -70 Member, U.S. Delegation to Panel on Aseismic Design and Testing of Nuclear Facilities, International Atomic Energy Agency, 1967 Chairman, Committee on Embankment Dams and Slopes, Geotechnical Division, ASCE, 1968 -74 Member, Earthquake Committee on International Commission on Large Dams, 1969 -81 XVI Chairman, U.S.- Japan Science Conference on Soil Behavior and Groun Motions During , 1969 Member, Advisory Panel to Joint Legislative Committee on Seismic Safety, State of California, 1969 -74 Chairman, Advisory Committee on Geological -Seismological Factors Pertaining to the Safety of Nuclear Desalting Plants, Secretary of the Interior, 1970 -73 Member, Panel on Strong Motions During Earthquakes, National Academy of Sciences, 1972 -74 Chairman, U.S. Navy Panel on Seismic Safety of Naval Installations, 1972 -75 Chairman, Committee on SoilStructureInteraction,Structural Engineers Association of Northern California, 1972 -76 Consultant, Advisory Committee on Reactor Safeguards, Nuclear Regulatory Commission, 1972 -85 Member,Seismic CriteriaReview Board,San FranciscoBay Conservation and Development Commission, 1973 -78 Chairman,StateofCaliforniaStrongMotionInstrumentation Program, 1973 -79 Member, Committee on Seismic Hazards to Dams, U.S. Committee on Large Dams, 1973 -present Member, State of California Seismic Safety Commission, 1974 -80 Chairman,SiteEffectsCommittee,AppliedTechnology Council Program todevelop nationallyapplicable seismicbuilding code provisions, 1974 -77 Member, Ad -Hoc Committee on Dynamic Soil- Structure Interaation, American Society of Civil Engineers Secretary, U.S. National Society for International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1976 -85 Member, Panel to Investigate the Cause of Teton Dam Failure, U.S. Department of the Interior, 1976 -77 Chairman, Committee on Earthquakes, U.S. Committee on Large Dams, 1977 -82 Member, Presidential Panel on Safety of Federal Dams, 1977 -80 Member,ExecutiveCommittee,InternationalSocietyforSoil Mechanics and Foundation Engineering, 1977- present Member, U.S.- USSR TaskForceon Building for Extreme Climates or Unusual Geologic Conditions, Department of the Army, 1978 -80 Member, Policy Board for U.C. Davis- NASA /AMES NSF Centrifuge Facility for Research in Geotechnical Engineering, 1979 -present Member, Advisory Committee forEarthquake Hazard Reduction Program, National Science Foundation, 1980 -83 Chairman, Organizing Committee, International Conferenceon Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1981 present Member,SubcommitteeonGeotechnicalEngineeringResearch Committee on Earthquake Engineering Research, National Research Council, 1981 -82

XVII Member, U.S. Advisory Panel on Aswan Dam, National Science Foundation, 1982 Member, Committee on Safety Criteria for Dams, National Research Council, 1984- present Chairman, Interim Committee, Universities Council on Geotechnical Engineering Research.

Publicaciones:

Autor de más de 260 publicaciones en mecánica desuelos y problemas de diseño sísmico.

XVIII VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Octava Conferencia Nabor Carrillo, 1986

" Influencia rae las Condiciones Locales del Suelo en Movimientos del Terreno y en Daños a Edificios Durante Sismos "

Por

H. Bolton Seed

1. INTRODUCCION

El estudio en general de los movimientos del terreno debidos a sismos, de la manera en la cual éstos se propagan a través del suelo, de las descripciones de sus características en términos cuantitativos y de los métodos para incorporar esta información en los proyectos de ingeniería, ha avanzado rápidamente en los últimos 35 años. En la actualida , lamayoría delos sismólogos ydelosingenieros especialistasestándeacuerdoenquelascaracterísticasdel movimiento sísmico en un sitio dado durante un evento particular dependen de numerosos factores, incluyendo entre otros: 1. El mecanismo de origen del sismo. 2. La magnitud del sismo. 3. La distancia del sitio ala fuente principal de liberación de energía. 4. Las características geológicas de las formaciones rocosas a través de las cuales las ondas sísmicas deberán propagarse desde el foco hasta el área general del sitio 5. Las condiciones locales del suelo subyacente al sitio particular. 6. Los posibles efectos de enfoque o de superposición de ondas -1- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

De hecho, la energía se liberaré a partirde una fuente de deslizamiento súbito en la corteza terrestre, probablemente 3 una profundidad de muchos kilómetros por abajo dela superficie del terreno y se propagará en forma de ondas sísmicas, como se ilustra en la Fig. 1, hacia una zona de mucha importancia como puede ser una ciudad, una estructura crítica(presa o planta de energía), cualquier otra forma de asentamientos humanos cuya seguridad sea motivo de gran preocupación. Las ondas al propagarse atravesarán muchas fronteras y dislocaciones en la estructura geológica; serón reflejadas y refractadas y finalmente se aproximarán a la zona de especial interés, porejemplo una granciudad, quepresenta características generalmente similares, pero sin embargo, con cierto grado de heterogeneidad de un punto a otro. La energía que las ondas retengandependerá de la capacidad de absorción de energía

(características de amortiguamiento) de las formaciones rocosas a través de las cuales se propaguen y debido a esto los movimientos desarrollados en las formaciones rocosas por debajo de la ciudad en entredicho variarán de acuerdo con la región geológica involucrada.

Al alcanzar la zona de la ciudad, los movimientos son nuevamente modificados al pasar de las formaciones subyacentes de roca a los diferentes depósitos de suelo(variables tanto en tipo como en profundidad) que subyacen a cualquier zona particular de la ciudad, de tal manera que los movimientos que llegan a la superficie del terreno tienen diversas características en diferentes partes de cualquier ciudad, como se muestra en la Fig. 2. En consecuencia,debe esperarse que el daño causado por el movimiento sísmico variaré significativamente dentro de los límites de cualquier ciudad en particular. En años recientes,lo anterior ha quedado demostrado phr los registros de movimientos sísmicos-en diferentes lugares de ciudades -2- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO) H. B. Seed

Ciudad

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I \\ Los movimientosse modifican I i t al seguir diferentestrayectorias I ¡ desde la fuente hasta las cercanías i l delaciudadI I i I I

Fuente de liberación de energía

FIG. I Transmisión de las ondas sísmicas desde la fuente hasta el area general del sitio

3 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Ciudad

- ,'///%//////.

FIG.2 Ondas sísmicas aproximándose ala superficiedel terreno

4 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILO H. B. Seed

importantes, de manera que se ha obtenido una clara evidencia que demuestra estos efectos. Uno de los primeros grupos de registros se refiere a un leve sismo ocurrido en San Francisco en el año de 1957( Magn.51 /4), del cualse obtuvieron registros en diferentes lugares de la ciudad como se muestra en la Fig. 3. En la Fig. 4 se muestran los valores delas fuerzas que los movimientos ahí registrados producirían en un edificio típico de 10 pisos de la ciudad de San Francisco; dichos valores ilustran claramente los grandes cambios de las fuerzas inducidas en edificios similares de. la misma ciudad durante el mismo sismo. En este caso, se encontró que el efecto para un edificio de 10 pisos varía con las condiciones locales de suelo en un 500%, aproximadamente. En ninguna otra parte se han observado tan dramáticamente tales efectos, como en la ciudad de México durante el sismo del 19 de septiembre de 1985. En este sismo los movimientos del terreno registrados en diferentes partes dela ciudad mostraron grandes variaciones de sus características, como se muestran en la Fig. 5. La fuerza cortante en la base de un edificio típico de 20 pisos en la ciudad de México, determinada a partir de estos registros tendría la forma que se muestra enlaFig.6,reafirmandolasgrandes variaciones en las fuerzas alas cuales estuvieron sujetos estos edificios en diferentes zonas. Desafortunadamente, en este caso las diferencias estuvieron asociadas a grandes variaciones en los danos a edificios. A la luz de estas experiencias ahora generalmente se reconoce que las condiciones locales de suelo pueden tener efectos importantes en las características de los movimientos del terreno y en la extensión de losdaños aedificios y que nuestra aparentehabilidad para pronosticar estas variaciones con un nivel de aproximación adecuado para muchos proyectosdeingeniería,está ganandouna amplia -5- 0.24 0.24 0.24 , u, 0.18 EO la E 0.18 o o o 0.12 0.12 o 0,12

o 20.08 0.05 .5 0.00 o o 0 O . i 1.5 1.0 15 z 0 0.5 1.5 20 0 0.5 ID 1.5 20 0 0.5 1.0 152.000.5 1.0 15 2.0 00.5 1.0 20 0.5 2.0 Periodo, seo Periodo' seg. Priodo,sg. Periodol seg. 0.5 os Pl

0.4 0.4 Pl 0. z 0. 0.5 0.3 O o 5 C 0.2 o 02 o z k- 0 1:11 711, t'o

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.15 0.0.18 0.12g ..... 0.10g 0.100 so 0.10 -10.10 E g 0.05g -o 0.05 - 005 o o O CiO CallesPine Calles de Guerrero y Mason y Market. Edificioestatal Calles Farrisor 0. Edificio Ed i tici o o Alexander Southern Pacific Ca yMair Arena 30 L Areno arcil osa 3C IZZs-Arenaarcillosa e areno y I imoiso lArcilla blanda Arena lArcilla riedianame e duro Arena -I C 130 ArCTIIO dura ¡Arcillo !blanda 90 Escola ¡Arena grava 805 m 120 L

FIG.3 Condiciones del subsuelo y caracteristicas de los movimientos del terreno registrados durante el sismo de SanFrancisco, 1957 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

SISMO DE SAN FRANCISCO, 1957 Edificio de10 pisos Peso= 6500 t Periodo fund. =1.2 seg.

Basado enlos movimientos d registrados

30 60 90 120 Espesor del subsuelo, m Ú FIG. 4Influencia del espesor del subsuelo enelvalor de la máxima fuerza cortante en labase para un edificio de10 pisos en el sismo de San Francisco de 1957

7 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

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aceptación. Sin embargo; es importante reconocer que éste es un avance comparativamente reciente y que ha sido en los últimos años cuando los ingenieros han llegado a apreciar en todo lo que vale la gran importancia de las condiciones locales de suelo en diseños a prueba de sismos. Por consiguiente, en esta conferencia me gustaría presentar una reseña histórica de la forma como se alcanzó este nuevo nivel de conocimientos y añadir algunas perspectivas que puedan permitir a nuestra profesión un mejor tratamiento de estos efectos en nuestro objetivo común de mitigar los riesgos originados por los sismos. VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

2.EVIDENCIA HISTORICA DE LOS EFECTOS DE LAS CONDICIONES LOCALES DEL SUBSUELO EN LOS DAÑOS A EDIFICIOS.

2.1Primeras informaciones acerca de los efetos de sitio durante sismos.

El hecho de que las condiciones locales del suelo juegan un papel importante en la determinación dela intensidad del movimiento sísmico, ha sido reconocido por sismúlogos e ingenieros desde hace muchos años. MacMurdo (1824), al describir los efectos del sismo ocurrido en 1819 cerca del Runn of Cutch,India,señaló:"Los edificiossituadossobrerocanoFuerontanafectadosporel terremoto como aquéllos cuya cimentacion"no alcanzo el fondo del suelo ". Uno de los primeros estudios generales sobre el tema (en inglés), fue presentado por el distinguido sismólogo e ingeniero John Milne (1886), quien resumió los primeros descubrimientos cualitativos como sigue: "Que la naturaleza del terreno sobre el cual se sitúa un edificio esta íntimamente relacionada con la severidad de la sacudida que éste recibe es un hecho que ha sido frecuentemente demostrado... "En el gran sismo de Jamaica ocurrido en 1692, las partes de Port Royal que permanecieron en pie fueron las situadas sobre una cimentación compacta de piedra caliza; mientras que las que se contruyeron sobre arena y grava quedaron destruidas... De acuerdo a las observaciones hechas en Lisboa por el Sr. Charpe en 1737, los efectos destructivos de este sismo se limitaron a los estratos VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

terciarios y fueron más violentos en la arcilla azul,sobre la cual

la parte más baja de la ciudad está constuida. Ninguno de los

edificios que se construyeron sobre piedra caliza,' secundaria o

sobre basalto resultó dañado.

"En los grandes sismos de Messina, aquellas partes de la ciudad

situadas sobre aluvión, cerca del mar, fueron destruidas, mientras que las partes altas situadas sobre granito, no sufrieron mucho

daño. Observaciones similares se realizaron en Calabria, donde las

zonas constituidas por grava, arena y arcilla se volvieron casi

irreconocibles debido al movimiento, mientras quelas colinas

aledañas de pizarras y granito fueron poco afectadas. Durante el

sismo de San Francisco de 1868, la mayor destrucción se registró

sobre aluviones y rellenos artificiales.

"En Talacahuano, en 1835, las únicas construcciones queno

sufrieron daños fueron las situadas sobre terreno rocoso; todas

las demás apoyadas en suelo arenoso fueron destruidas... "Humboldt observó que las Cordilleras, compuestas de gneis y

esquisto micáceo, y sus estribaciones, se sacudían :más que las

llanuras. 'Algunos escritores han afirmado que los movimientos de tipo

ondulatorio(del sismo de Calabria ocurrido en /783), que se

propagaron a travésde los estratosrecientes en dirección

poniente -oriente, se intensificaron cuando alcanzaron la zona en

contacto con el granito, como si se produjera una reacción cuando el movimiento ondulatorio de los estratos blandos era detenido repentinamente por las rocas más sólidas. Al referirse Dolomieu

a este sismo mencionó que el efecto usual fue el de separar de los flancos de los montes Apeninos todas aquellas masas de arena y

arcilla que o bien no tenían una base suficiente en relación a su -12- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. 13. Seed

volumen, o estaban únicamente sostenidas por fricción lateral... "Al referirse a la pregunta de que si los edificios situados sobre materiales sueltos se dañaron más o menos que los situados sobre roca sólida,Mallet en su descripción delsismo de Nápoles ocurrido en1857,señaló: "Tuvimos en este sismo, pueblos tales como Saponara y Viggiano, situados sobre piedra caliza sólida, que Fuerontotalmentederrumbadosytuvimosotrostalescomo Montemarro,en su mayor parte sobre arcillas blandas, totalmente en pie. Contamos con ejemplos de inmunidad casi total en lugares sobre Ilanciras de arcilla profunda como es el caso de Viscolione y en lugares sobre piedra caliza sólida, tales como Castelluccio, o situadosenilas cimas de las monta?as como Petina"... "El profesor D.S. Martin, al escribir sobre el sismo deNueva Inglaterraocurrido en1874,señalaque en Long!standel movimiento se sintió donde se encuentra gneiss entre acarreos, generalmente los sacudimientos se sintieron más Fuerte y más Frecuentemente sobre terrenos rocosos que sobre terrenos blandos. "...uningenierocivil,alnarrar elsismo de Nueva Zelanda ocurridoen1855,cuando todoslos edificiosde tabiquede Wellington fueron derribados, mencionó que el movimiento Fue más violento en los flancos de las colinas de aquellos lugares y menos intenso en el centro de las llanuras aluviales... "...en el catastrófico sismo de18SS,cuando Fue devastada una gran parte de Tokio, fue de hecho, señalado por muchos, que los disturbios Fueron más severos en terrenos bajos y en los valles, mientras que en las colinas el sacudimiento Fue comparativamente débil... "En Hakodate, que es una ciudad situada en forma parecida a Gibraltar, construida parcialmente sobrela ladera de una alta - 13 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

montaña rocosa y en parte sobre una llanura a nivel, de la cual

emerge la montaña, la regla es similar a la que rige en Tokio, es

decir, el terreno bajo de la llanura es sacudido más severamente

que el terreno alto. En Yokohama, 25 km al suroeste de Tokio, la regla se invierte, como quedo demostrado muy claramente por el sismo de febrero de 1880, cuando casi todas las casas sobre terrenos altos perdieron sus chimeneas, mientras que en los

terrenos bajos hubo apenas daños;los únicoslugares de los

terrenos bajos que sufrieron daños fueron aquéllos que se ubicaban

cerca del pie de las colinas.

"La evidencia en relación con el valor relativo del terreno duro en comparación con elterreno blando, para la cimentación de un

edificio, esconfusa. Algunas veces el terreno más duro ha

resultado ser la mejor cimentación y en otras el más blando, y el predominio de uno sobre el otro depende, sin duda, de una gran

variedad de circunstancias locales..."

Resulta evidente que en esa época no existía un claro conocimiento de la naturaleza de los efectos del terreno, y a esto había que añadir el hecho de que algunos de los efectos registrados abarcaban fallas del terreno (licuación) e inestabilidaddetaludes, que podrían presentarse a niveles relativamente bajos de sacudimiento, pero que sin embargo, podrían inducir consecuencias catastróficas, mientras que otros entrañaban formaciones estables que tenían niveles bastante diferentes de intensidad del movimiento.

Es importante distinguir entre estas diversas condiciones para el desarrollo y entendimiento de los efectos locales en los movimientos del terreno y en los daños a edificios. Así, en algunos casos, una fuerte inestabilidad del suelo puede desarrollarse, causando grandes

movimientos permanentes de la superficie del terreno y la distorsión

-14 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

asociada delas estructuras apoyadas en ella.Por ejemplo,los depósitos de suelos granulares sueltos pueden compactarse por las vibraciones del terreno inducidas por el sismo, produciendo grandes asentamientos y movimientos diferencialesdelasuperficiedel terreno. Una isla cercana a Valdivia, Chile, por ejemplo, quedó parcialmente sumergida como resultado de los efectos combinados de movimientos tectónicos del terreno y asentamientos de la superficie debidos a la compactación, durante el sismo ocurrido en Chile en el año de1960, en tanto que partes deNiigata,Japón quedaron inundadas cuando ocurrió el asentamiento de terrenos adyacentes a un río durante el sismo de Niigata ocurrido en 1964. En loscasosen queelsuelo está formado por materiales granulares saturados sueltos,latendenciaa compactarse puede producir presiones hidrostáticas excesivas de suficiente magnitud paracausarlalicuacióndelsuelo,causando asentamientosy desplomes de las estructuras. La licuación de los depósitos saturados de arena suelta dio como resultado daños importantes en miles de edificios en Niigata,Japón durante el sismo ocurrido en 1964 (Ohsaki, 1966). Asimismo, la combinación de los esfuerzos dinámicos y de las presiones de poro inducidas en depósitos de arcilla blanda y arenas puedeoriginargrandes deslizamientostalescomolosquese presentaron en la zona de Turnagain Heights en Anchorage, Alaska, en el sismo del 27 de marzo de 1964 (Seed y Wilson, 1967). La línea costera en esta área estaba delimitada por riscos de hasta 20 m de altura, con taludes de aproximadamente 1 a 1 1/2 descendiendo hacia la bahía. El deslizamiento inducido por el sismo abarcó casi tres kilómetros alo largo de la costa y penetró tierra adentro en una distancia promedio de aproximadamente 300 m. El área total de la - 15 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed zona de deslizamiento fue en ese entonces de aproximadamente 53 h.

Dentro dela zona de deslizamientola superficie original del terreno fue completamente devastada por los desplazamientos, que agrietaron el terreno formando un sistema complejo de crestas y depresiones. En las zonas deprimidas el terreno bajó un promedio de 11 m durante el deslizamiento. Las casas en la zona, algunas de las cuales se movieron lateralmente hasta 150 o 180 m a medida que el deslizamiento avanzaba, fueron completamente destruidas: Los grandes deslizamientos de este tipo han sido la causa de múchos daños y pérdida de vidas al ocurrir sismos.

Aun cuando estos tipos de inestabilidad del suelo pueden causar daños catastróficos a los edificios, las condiciones del suelo que los producen son frecuentemente de alcance limitado y pueden ser por lo general evitadas odesviadas mediante investigaciones y diseños apropiados dela cimentación; además este tema ha sido tratado ampliamente en años recientes. Por otro lado, la respuesta dinámica de las estructuras ante las vibraciones del terreno producidas por sismos, que también depende en gran medida de las condiciones del suelo en el sitio del edificio, no puede evitarse y puede así mismo ser la causa de serios daños o de un colapso; este tema parece que no ha recibido laatención que merece. Por lo tanto, la siguiente exposición se limitaré ala consideración de los efectos de las condiciones geológicas y del suelo en la intensidad del movimiento del terreno en condiciones que no incluyan efectos de la inestabilidad del suelo o de otras deformaciones de carácter permanente.

2.2.Estudios pioneros de los efectos del terreno sin inestabilidad del

suelo

Uno de los estudios más antiguos de los efectoslocales del suelo - 16 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

en la intensidad del movimiento del terreno y en los daños a edificios fueel presentado por Wood (1908),refiriéndosealosefectos perjudicialesobservadosenlaregión deSan Francisco como resultado del sismo de San Francisco del año de 1906. Después del estudio del daño causado por este evento, Wood concluyó: "Esta investigación ha demostrado claramente que la magnitud de los daños producidos por, el sismo del 18 de abril en diferentes partesdelaciudadycondadodeSan Franciscodependió principalmente de la naturaleza geológica del terreno". Al abundar sobre esta observación, Reid (1910), expresó las variaciones en los efectos de sitio en San Francisco en términos cuantitativos, y propuso "coeficientes de cimentación para diferentes tipos de terreno" como sigue:

Tipo de terreno Coeficiente de cimentación

Roca sólida 1.0 Arenisca 1.0a 2.4 Arena 2.4 a 4.4 Rellenos artificiales 4.4 a 11.6

La importancia práctica de estos valores no es del todo clara, pero por lo menos algo se había logrado al cuantificar los efectos locales del suelo en función de las intensidades del movimientodebidos al sismo. Muchos estudios adicionales fueron realizados en los siguientes 50 años. Dignos de mencionar entre éstos son los trabajos de Hisada y Nakagawa (1958), Kanai (1947 y 1951), Kawasumi (1953), Omote (1949), Omote y Miyamura (1951), todos ellos en Japón y de - 17 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

Freeman (1932) y Duke (1957) en los Estados Unidos. Kanai, por ejemplo, presentó la relación entre el espesor del aluvión y el daño a edificios de tabique en la ciudad de Tokio durante el sismo de Kanto ocurrido en 1923, como se muestra en la Fig. 7, mientras que Duke recopiló 36 sismos, enumerados en la Tabla 1, para los que se había establecido una relación entre los daños a edificios y las condiciones del terreno. Así, en 1957 se contaba con un número apreciable de evidencias que ilustraban la importancia del problema. Otra evidencia dramática fue proporcionada por el patrón de daños por el sismo de 1957 ocurrido en la ciudad de N/léxico, que se ilustra en la Fig. 8 y por los registros obtenidosen San Francisco quese comentaron anteriormente. Losingenierosempezaron acomprendermás a fondola importanciadelproblema,pero únicamente en contadospaíses (especialmente en Chile, Japón y México), hubo alguna consideración hacia las condiciones locales del suelo en los requerimientos del reglamento de construcción para diseño antisísmico. La profesión parece haber empezado ladécada delossesentas con un vago entendimiento de que el problema debía tomarse en cuenta pero con poco entusiasmo para enfrentar las acciones tendientes a aumentar los requerimientos establecidos por los reglamentos de construcción en zonas con condiciones del suelo particularmente peligrosas. En parte,estodehechoreflejabalasincertidumbresdebidasa contradicciones aparentes en los efectos registrados, problema que afortunadamente ha sido resuelto como consecuencia de los eventos ocurridos en los 12 años posteriores.

- 18 - 6050 num 40 0O0 30 H0om 20 I00 0 FIG. 7 Relación entre el espesor endel Tokio aluvión durante y el sismo6 de Kanto de 1923 12 - 18 Espesor del aluvión, m el daño a24 edificios ( Datos 30 de Kanai y Yoshizawa) de tabique 36 42 48 54 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed.

TABLA 1.Treinta y seis sismos para los que se ha presentado una relación entre los daños a los edificios y las condiciones del terreno (según Duke, 1957)

AÑO LUGAR CITA BIBLIOGRAF ICA

1692 Port Royal, Jamaica 1727 Lisboa, Portugal 2 1755 Lisboa, Portugal 3 1780. Messina, Italía 2 1783 Calabria, Italia 2,3 1835 Talacahuano, Chile 1855 Tokió, Japón 1855 Nueva Zelada 2 1861 Mendoza, Argentina 4 1868 San Francisco, California 2,5 1880 Yokohama, Japón 1880 Manila, Islas Filipinas 1886 Charleston, Carolina del Sur 6 1891 Mino -Owari (Nobi), Japón 7' 1897 Assam, India 3 1906 Valparaíso, Chile 4 1906 San Francisco, California 5 1907 Kingston, Jamaica 4 1911 Alemania 8 1913 Freiburg, Alemania 9 1923 Tokio, Japón 10 1933 Long Beach, California 1 1 1935 Oberschwaben, Alemania 12 1943 Tottori, Japón 13 1944 Tonankai, Japón 14,15 1945 Provincia de Mikawa, Japón 13 1946 Distrito Nankaido, Japón 13,16 1948 Fukui, Japón 17,18 1949 Seattle, Washington 19 1949 Imaichi, Japón 2 0 1950 Assam, India 2 1 1952 Hokkaido, Japón ?2 1952 Kern County, California 2 3 1954 Eureka, California 2 4 1955 Quetta, Pakistán 2 5 1957 Oaxaca, México 2 6 20 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed.

o C Ó a

1 V11VAnw V1l V V0V8300w VrV8

ONVO 130 OVOISN3INI

- 21- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed.

2.3 Estudios detallados de la relación entre el daño aedificios Llas condiciones del subsuelo, 1960 - 1975.

Enelperiodo1960- 1975,laocurrenciadevariossismos importantes dio excelentes oportunidades para estudiar la relación entre las condiciones locales del subsuelo, el daño a edificios y las intensidades del movimiento debidas al sismo.Entre ellos cabe mencionar los siguientes:

1. Sismo de Skopje, Yugoslavia, 1963

N Como resultado del temblor de Skopje ocurrido en Yugoslavia en 1963, se obtuvieron importantes pruebas de los efectos de las condiciones locales del subsuelo en eldaño aedificios y enla intensidaddelmovimientodebidoalsismo.Dañosgraves ocurrieron en edificios de tabique, de uno a seis pisos de altura, en una parte de la ciudad donde él espesor del suelo variabade 6 a 45 m aproximadamente, en tanto que en otra parte de la ciudad, en edificios similares, donde los espesores del suelo variaron de 60 a 120 m, fueron ligeros. La relación entre la intensidad del daño para estas estructuras rígidas de periodo corto y el espesor del suelo se muestra en la Fig. 9. La importancia de esta relación no quedódeltodoclarasinohastasieteañosdespués aproximadamente, pero el desarrollo de una clara relación de este tipo constituyó un considerable avance en la búsqueda de un mejor entendimiento de estos efectos.

2. Sismo de Caracas, Venezuela, 1967

Problablemente la investigación m3s detallada de la relación entre

_ VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

a) v v oY! NO Ov V O w ;,7_ d v.- v d. W... W

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O -O V11V Af11N V11V VOV»30o01 3A31

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-23- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

eldaño aedificios debidoalmovimiento delterreno ylas condiciones locales del suelo es la realizada para Caracas, como resultado el sismo dcurrido en esa ciudad en 1967. Aunque la magnitud del sismo fue únicamente del orden de 6.4 y su epicentro estuvolocalizado aproximadamente a21 km de Caracas,el movimiento causó el colapso de cuatro edificios de departamentos de 10 a 12 pisos de altura con la consiguiente pérdida de más de 200 vidas. Muchos otros edificios sufrieron daño estructural y daño arquitectónico severo. Un estudio detallado, de la relación entre el daño estructural de edificios y el espesor de los suelos subyacentes fue realizado por ingenieros venezolanos (Seed y Alonso, 1974), con los resultados que se muestran en la Fig.10. Para edificios de tres a cinco pisos, el daño fue muchas veces mayor donde los espesores del suelo variaban de 30 a 50 m que donde se tenían espesores del suelo mayores de 100 m. Para edificios de cinco a nueve pisos de altura, la intensidad del daño estructural fué ligeramente mayor para espesores del suelo de 50 a 70 m que para otros espesores, pero para edificios de más de 10 pisos de altura, la intensidad del daño estructural fue varios cientos de veces mayor donde los espesores delsuelo excedían de160 m quepara espesores menores de 140 m.Es obvio que una vez más el espesor y las propiedadesdelosdepósitossubyacentesdesueloafectaron grandemente las características de los movimientos del terreno y el daño resultante a edificios, incluso en la misma ciudad y para el mismo sismo, aunque las características de los edificios también determinan claramente en forma importante los tipos de daños. De hecho, resulta evidente de estos datos que las estructuras ligeras sufrieronelmáximo daño cuandoestabanconstruidassobre

- 24 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

100

90

N>14 80 , i

i

1 « 70

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I

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I

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50 1 2 , I

40 I I

N=10a14 30 i ---0\ 0 N=3 a 5 20 e i i

= I N=5p9_ /A N=5a9 10 ` , 0;..6-., I 1 . ; N=3a 5

D 50 : 100 150 200 i 250 300 ! 351 Espesor del suelo, metros

i 0.4 0.6. 0.8 1.0 11.2 IA

Periodo fundamental del depósito de suelo, segundos

FIG. '10 Relación entre la Intensidad del daño estructural y el periodo fundamental calculado, de lot depósitos ,de suelo (según Seed y Alonso, 1974 ) VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

depósitosde pocoespesor, mientrasque los edificios altos

sufrieron el máximo daño cuando se construyeron sobre depósitos

profundos. En contraste, las estructuras altas sufrieron poco daño

cuando sedesplantaban sobresuelos depocoespesor y las

estructuras bajas resintieron 'daños insignificantescuando se

ubicaban sobre depósitos profundos.

Un análisis amplio acerca de ..,estas observaciones, que incluyó

estudios analíticos de la respuesta del suelo en el valle de Caracas

(Seed, Whitman, et al.',.-1972) llevó a la conclusión de que los

efectos estuvieron probablemente relacionados con el fenómeno de

resonancia entre los depósitos'dél suelo y los edificios. De ahí que, las estructuras bajas con un periodo natural de 0.4 a 0.5 s

aproximadamente, sufrieran el máximo dañocuando estaban

construidas sobredepósitos del suelo quetenían unperiodo fundamental del orden de 0.5 s, mientras que los edificios muy

altos, con periodos naturales comprendidos entre 1.2 y 1.6 s

resistieron más el daño cuando se construyeron sobre depósitos del

suelo con periodos fundamentales del mismo orden de magnitud.

Los estudios analíticos realizados por Finn, et al. (1971) han mostrado también un gran incremento en la respuesta cuando el

periodo fundamental de una estructura es similar al que presenta

el depósito subyacente de suelo.

El conocimiento de estas diferentes relaciones para distintos tipos

de edificios sentó las bases para la revaluación de los patrones de

daño a edificios a causa de otros sismos y' finalmente condujo al

desarrollo de una imagen consistente de la respuesta del terreno y

de los patrones de daño, en función de las condiciones del suelo, lo

cual promovió la modificación de los reglamentos de diseño

sísmico en los Estados Unidos para tornar en consideración estos

- 26 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

efectos.

Aunque ha recibido considerablementemenos publicidad, un segundo estudio de gran importancia, resultó también del sismo de

Caracas ocurrido en 1967. Dicho estudio está relacionado con el

comportamiento de edificiosa lo largo de la costa norte de

Venezuela, . donde un gran número de estructuras muy altas se construyeron sobre roca o formaciones de poco espesor de suelo que buzan casi verticalmente hacía el mar de Caribe, dando como

resultado la inexistencia de playas y dejando únicamente una franja

angosta para la construcción de edificios. Estas estructuras no

sufrieron dalo significativo debido al movimiento producido por el

sismo. Sin embargo; esporádicamente a lo largo de esta misma

costa, se presentan abanicos aluviales tales como los que se

muestran en la Fig.11. El abanico ahí mostrado se conoce como

Carabelleda. A lo largo de la línea costera de Carabelleda el espesor del aluvión es de aproximadamente 85 m y. estructuras

similares alas construidas sobre roca en zonas adyacentes se

edificaron también en este tramo del litoral. Estas estructuras sufrieron daños mayores, Confirmándose nuevamente que para

estructuras altas le construcción sobre una capa de suelo de gran

espesor produce una respuesta sísmica más fuerte queen

construcciones sobre depósitos de suelo de poco espesor, como se

aprecia en la Fig. 12.

3. Sismo de Gediz, Turquía, 1970

El sismo de Gediz en Turquía ocurrido en 1970 tuvo una magnitud

de 7 y causó daños considerables en la zona epicentral (intensidad

IX en la escalamodificada de Mercalli). Sin embargo, la

- 27 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

FIG. 11 CARABELLEDA, VENEZUELA

- 28 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO. H. B.Seed

Muy alta

Alta

Mo iera da

Leve

o 30 60 90 120 Espesor del suelo, metros

o 0.5 0.3 1.2 Periodo aproximado del suelo, segundos

Fig 12 Relación entre las condiciones del suelo y la intensidad del daño en edificios de varios pisos, a lo largo de la costa, durante el sismo de Caracas de 1967

- 29 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

característica distintiva de este sismo fue el daño que causé a la fábrica de automóviles Tofas en Bursa, situada aproximadamente a 130 km del epicentro. Las leyes de atenuación indicaríanque la aceleración máxima en roca en la zona de Bursa fue de 0.02 g aproximadamente; no obstante, el movimiento causó el colapso de varios edificios en lafábrica,la cual había sido diseñada de acuerdo conelreglamento deldiseño sísmico paralazona utilizando un coeficiente para fuerza lateral de 0.05. Lasinvestigaciones(Tezcanetal.,1977)mostrarontres características especiales de las condiciones del sitio y de sus características de respuesta: -La fábrica fue construida sobre un depósito de arcilla de unos 30 m de espesor, subyacido por 90 m aproximadamente de arena y el depósitoteníaunperiodofundamentaldevibraciónde1;25 segundos. -Un registro de una réplica del sismo principal (Tezcan e Ipek, 1973), que tuvo un epicentro cercano alprincipal, produjo el espectro de respuesta que se muestra en la Fig. 13, que indica una aceleración espectral muy alta para un periodo de 1.25 s.Esta es una forma de espectro muy rara y está indudablemente asociada con las condiciones especiales del suelo en el sitio. - La fábrica incluía estructuras con característicasdiferentes que tenían periodos naturales de 0.2 2,0.6 4, 0.86,1.25, 2.14 y 3.80, pero fueron las estructuras con un periodo natural de 1.25 las que se colapsaron durante el sismo. Una vez más se concluyó de estas observaciones que la causa de las Fallas de las estructuras fue la alta respuesta inducida en ellas, por la semejanza entre los periodos del depósito del suelo y los de lasestructuras,reforzandoasíalconceptoderesonancia - 30 - ..

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1 .: VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

suelo /estructura como una de las causas principales del daño

estructural por sismos. 4. Sismo de San Fernando,California,1971 El sismo de San Fernando ocurrido en California en el .año de

1971, tuvo su epicentro aproximadamente a 56 km al norte de Los

Angeles y a unos 8 km al norte de la ciudad de San Fernando. El

sismo causó graves daños en el área de San Fernando, incluido el

colapso de algunas partes del Hospital Olive View y del Hospital de

Veteranos con la pérdida de 84 vidas aproximadamente,

presentándose un gran deslizamiento en la presa Lower San

Fernando y daños importantes en muchas otras estructuras. Muchas

casas en la ciudad de San Fernando resultaron dañadas

severamente, por lo cual se consideraron inseguras para

habitarlas. Ya que todas las casas eran estructuras de un piso de

calidad generalmente similar, el grado de daño en las viviendas da

una buenaindicación delas variaciones en la intensidad del

movimiento en diferentes partes de la ciudad.

Después del sismo, se revisaron los datos de sondeos disponibles,

y se realizaron muchos sondeos adicionales para obtener

información sobre el espesor del suelo en diferentes partes de la

ciudad. Ya que todos los suelos son generalmente de naturaleza semejante, es decir suelos sin cohesión razonablemente

compactos, el espesor del suelo es la única variable significativa

para distinguir las condiciones de un lugar a otro de la ciudad.

Desafortunadamente, el desplante de la capa de suelo no es fácil de

distinguir y por esto los espesores de la capa de suelo pudieron determinarse aproximadamente con base en apreciaciones. Para esto, se confió en evaluaciones de ingeniería geológica, pero aun

así los espesores determinados sólo pueden condiderarse

- 32 - VIII CONFERENCIA.NABOR CARRILLO H.B. Seed

aproximados. Con este criterio se obtuvo un mapa de curvas de nivel que muestra las zonas de diferentes espesores aproximados del suelo: 4 a 18 m; 18 a 36 m; y más de 36 m, el cual se muestra en la Fig.14. En la Fig. 15 se presenta el mapa correspondiente de isosistaspreparadoporJohnsenyDuke(1973),enforma independiente,elcualdistinguelaszonasdelaciudadque experimentaron intensidades sísmicas de 9 y 10, 7 y 8, 5 y 6. La semejanza general entre la zonificación de las dos figuras es evidente, indicando que las zonas con mayor espesor de suelo estuvieron generalmente asociadasconniveles más bajosde intensidad del movimiento (según se determinó principalmente por los daños presentados en estructuras rígidas de poca altura. Esto también concuerda con los patrones de daño de Tokio, Skopje y Caracas, anteriormente descritos. Otrasconstanciasdelarelaciónentrelascondicionesdel sueloy el daño estructural en la zona de San Fernando son las siguientes: a) Relación entre el daño a viviendas y la profundidad del suelo. La Fig. 16 muestra una gráfica con la localización de las casas muy dañadas y que fueron declaradas inseguras para habitarse (Steinbrugge y Schader,1973), sobrepuestaaunagráfica de diferentes zonas de espesor aproximado delsuelo. Un índice apropiado delaintensidaddelmovimiento, determinada esta última por el daño a casas habitación, es el número de edificios inseguros por milla cuadrada. Una evaluación de esta figura muestra la siguiente relación:

- 33 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

E to M A

E m

-34- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

- 35- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

HOSPITAL.. OLIVE VIEW ,° HOSPITAL ° VETERANS ADMINISTRATION"

LIMITE DE LA CIUDAD DE LOS ANGELES I /

LIMITE DE LA ICIUDADDE LOS

Si ANGELES

I

LIMITE DE LA CIUDAD / E SAM ,ESPIANDO.

Ubicación de edificaciones Inseguros

Espesor Area N..de cosos doy]; Cosos inseguras del suelo. m M l ll os2 ficados como inseguros por millo 2

0-18 1.1.2 64 57 1--1 18-36 4.48 128 28 >36 2.22 25 II

FIG 16Relación entre el daño a casas por el movimiento y el espesor aproximado del suelo en la región de daños severos( Modificado de Steinbrugge y Schader, 1973 )

- 36 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Espesor de suelo, Area, No. de casas No. de casas m millas' inseguras inseguras por milla" 0 - 18 1.12 64 57 18 - 36 4.20 113 27

> 36 2.50 140 16

La Fig. 17 contiene una gráfica de la intensidad de estos daños en función del espesor del suelo. Los resultados concuerdan bien con los obtenidos para estructuras de baja altura en otros sismos. b)Un métodoalternativoparaevaluarelniveldedaños ocasionados en las casas en San Fernando es el del porcentaje estimado de construcciones consideradas pérdidas como resultado del sismo (Steinbrugge y Schraeder,1973). En laFig.18 se muestra el promedio de las pérdidas por daños. en cuatro zonas de San Fernandoyloscorrespondientesintervalosdevariación aproximados del espesor del suelo en tres de las zonas. La cuarta zona se excluye debido a que la ruptura superficial de la falla geológica fue la principal causa del daño en esta zona. En las otras tres, la relación entre el nivel de daños y el espesor del suelo fue la siguiente:

Espesor del suelo, m Casas dañadas, %

3a30 10 24a90 ti5

75 <

- 37 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

60

° 40 o

E 0

o U

N E z

0 6 12 18 24 30 36 42 Espesor del suelo, m FIG. 17 Relación entre laintensidaddel daño a casas yel espesor aproximado del suelo en Sán Fernando. Sismo de San Fernando, 1971.

-- 38 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

HOSPITAL "OLIVE VIEW HOSPITAL VETERANS ADMINISTRATION"

LIMITE DE LA CIUDAD DE LDS ANGELES

1

AUTOPISTA FOOTHILL * ' ;^\\\\. \;,,..1 . \; LIMITE CD. DE / LOSANGELES \ » " ; , \ : ! -,\'. \ 1 ' '.(\\ '. t\\ lr`,:i ` tt \\\\ ..\\,\\. \\4\.\l\\\ \\' <:X \ ' '. C ,.'t\ \\ \\\ró\\ `\ `\\ X.\?`\\t.\\\k\\v+ v, .;01X .N\* \ \\\\O \''.''S;\'' :;a \ " `"`\`.e

LAGO LONA' VAN NORMAN

"LOWER PRESA DÉ LA'CWDÁD-: SAN FERNANDO" : /:. ".: DE SAN FERNANDO::.'.'.

Promedio de pérdida de vivienda 10 % Espesores del suelo generalmente de 3 a 30 m

Promedio de pérdida de vivienda,:: 5 % Espesores del suelo generalmente de 24 a 90 m

Promedio de pérdida de vivienda < 4% Espesores del suelo generalmente > 75 m

Daño inducido por movimientosde la falla

FIG 18Relación entre el daño a viviendas debido al movimiento y el espesor del suelo en San Fernando durante el sismo del 9 de febrero de 1971( Steinbrugge y Schader,1973)

?Q _ VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

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12

24 Suelo

36

í7z, 48 77/77i43-oJ='iaz-

Daño importante Escaso o ningún daffo 60 - O PI Poso inferior

FIG.19 Condiciones delsuelo daño o puentes cerca del rfo Santa Clara

- 40 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILL.O H. B. Seed

1S óulploH louoload cJ

'1S p4oQVIH Sd 0 '1S a1RoS Sd

'1S Cod Id

'1S Jai louoload Sd

'1S aospalg Id

'15 pio;xoa Id

pnig sxooualg Id

1S IleuioAId

'pnig Ill4iood Cd

uuoD 'NId '!a 'NId paOpUDUJaj uoSSd uuop IM'N Sd 9/OIZ '»oauOl000ml1A paopuoulaj uoSSd

w 'olans lep rosads3 -41 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Nuevamente elpatrón para estas estructuras de un solo piso

muestra unareducción en la intensidaddelos dañosy por consiguiente supuestamente en laintensidad del movimiento al

incrementarse.el espesor de la capa de suelo.

c) Una característica especial de este sismo fue el gran daño que

sufrieron los puentes carreteros, la mayoría de los cuales eran

estructuras de periodo relativamente corto, en la zona cercana al

epicentro. En las Figs. 19 y 20 se muestra una comparación de

daños sufridos por los puentes carreteros en función del espesor

del suelo a lo largo de dos carreteras importantes en esta zona.

Cerca del río Santa Clara, tres de cada cinco puentes cimentados

sobre suelo de poco espesor' sufrieron daños mayores, pero ninguno

de los cinco puentes cimentados sobre terreno aluvial de mayor

espesor (cerca de 45 m) sufrió daños. Como se ilustra en la Fig.

20, a lo largo de la carretera 210 que atraviesa Sylmar, había una marcada correlación entre puentes severamente dañados y escaso

espesor del suelo y entre puentes no dañados y mayor espesor del

suelo.

d) Un perfil de suelo especialmente interesante a lo largo de un tramo de la carretera 5 se muestra en la Fig. 21. Este tramo de

carretera, de unos 730 m de longitud tiene un cambio brusco en el

espesor del suelo de unos 12 hasta 84 m cerca de su punto medio.

En la zona de poco espesor, dos hospitales y un puente carretero

sufrieron darlos. importantes; en la zona de suelo de mayor espesor,

siete puentes carreteros e incluso uña misión, construida hace

aproximadamente 200 años, no sufrieron daño alguno. Esto indica una diferencia sorprendente entre las intensidades menores que parecen haberse desarrollado en los depósitos de suelo de mayor

espesor en comparación con las de los depósitos de suelo de poco 42- Profundidad bajo la superficie del 1sCO N O CO af .p terreno, m N G7 Bifurcación carr. 5/405 oAO 0o -4m isO Presa Lower San Fernando 3NoUO 5-0.Á Ñ0 II HospitalCentroCruce Holy Médico sobre Cross canal Indian East Hills canyon P 1 MisiónPaso inferior de San Fernando San Fernando Mission Blvd Rinaldi st. o EntronqueBiturcoción Mission carr. 5/118 PiP I Fox Chatsworth Dr. St. :11°

pi 't01 ir

, it ier' , .1:110,,, 1

17140`7' ' * h1/4 444fit

Pk4:4". .4iftetY= " - A,'" 40.....;- . Ly.4 ,P . +41 ,,,.,PI .; ^ 1 r All.. ' . - .;1": ` i`', . t ... " . "II , . 4..r i. Iirrf.,- 7,..,,,...... - '4-.41' v 1".» ".' C .:..;14,4, '' : .% 1...... , ... !-4, ,._ze,. ,...,,; . .., ---'7,. ,. ... ., .! 47-'7 ,PN: ,1 ' tir fr..- rr, - 4...,.., '-...... i.. ... ,. .c.," 4'..:*-s: , ,..,.." .-.%. ' ., tz.: - r - \ t " .., t if:4 ':t t .., . ,...

, ' .+4!), '.1,4.- ..L ' ,,,' -

- 1210

o 1 150 300 1 450 600 oE 30 0- Distancia, m c o 60 x 30m SZ4 r%ri GravalPYqitivn7 arenosa o. 90.. FIG. 23 Relación entre el espesor del suelo y de Chatkalsk, URSS, 1946 ( segSn Dedova ) la intensidad del movimiento,en el sismo VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

espesor.

e) Finalmente, vale la pena señalar que los daños máximos que

afectaron a los edificios en este sismo ocurrieron en los hospitales

Olive View y de los Veteranos. Ambas estructuras de 4 pisos están apoyadas en depósitos poco profundos cerca de las montañas de San Gabriel (Véase Fig. 22). El daño a las casas también fue el más alto en esta zona. Este patrón de daños es prácticamente idéntico al reportado en otro sismo, incluyendo el terremoto de Chatkalsk en la URSS en 1946.

(Véase Fig. 23).

2.4. Interacción de respuesta

Aun cuando en algunos ,casos los datos no se han establecido de

manera cuantitativa, las descripciones precedentes de las relaciones

entre los niveles de daños de edificios y el espesor de los suelos

proporcionan un patrón notablemente consistente que implica:

1. En estructuras bajas de periodo relativamente corto, máximos daños y máxima intensidad sísmica en depósitos de suelo de poco

espesor (periodo corto) e intensidad y daños mínimos en depósitos de

suelos profundos (periodo largo).

2. En estructurasaltas de periodo largo,daños máximos e

intensidades sísmicas máximas en depósitos de gran espesor (periodo

largo) y daños mínimos en depósitos de poco espesor (periodo corto) .

Este patrón general sugiere que la intensidad de daño estructural

se relaciona(entre otros factores) con elperiodo natural de la

"estructura y el periodo fundamental del depósito del suelo subyacente. Cuandoestos periodos son similares, puede desarrollarse un efecto de resonancia y la respuesta del edificio puede ser muy elevada;

- 46 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

cuando estos periodos son muy diferentes,no existe una fuerte

interacción entre el suelo y la estructura y por logeneral la

respuesta estructural es'en general relativamente baja. Este tipo de comportamiento puede denominarse interacción de

respuesta. Se presenta cuando el periodo fundamental de un depósito

de suelo ocasiona que los movimientos del. terreno tengan un periodo

predominante similar al de la estructura apoyada en la superficie del

terreno y la experiencia y los casos estudiados demuestran que esto

puede conducir a daños considerables en edificios debido a excitación

sísmica. Este comportamiento sugiere que las fuerzas y los efectos

dañinos de un movimiento sísmico inducidos en diferentes tipos de

estructuras sehacen. maximos cuando hay semejanza entre los

periodos naturales tanto de la estructura como del terreno en que

descansa. Dicho resultado es de esperarse racionalmente según los principios de la dinámica. Sin embargo, desde un punto de vista meramente pragmático, poco importa si este resultado se acepta como una observación empírica útil o como una esperanza racional. Lo esencial es que parece concordar con los patrones de daños observados en numerosos sismos y que está de acuerdo con las evaluaciones estadísticas de las características observadas de los

movimientos del terreno en diferentes tipos de depósitos de suelo. De

conformidad con lo anterior, este efecto se adoptó como un principio

guía cuando los efectos del suelo se incorporaron en las disposiciones de diseño a prueba de sismos del reglamento de construcción de California y del Uniform Building Code de los Estados Unidos en 1976. En California, por ejemplo, el Comitó Sismológico de la Asociación de Ingenieros Estructurales (1974} recomendo que los requerimientos de su reglamento y los del Uniform Building Code .. -47- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

(1976)semodificaranparaincluirunfactordeinteracción suelo /estructura S, de tal manera que la fuerza lateral de diseño de una estructura se determinará mediante la expresión:

V = KCSWZ (1) donde:

K, es un factor determinado por el tipo de estructura 0.067 C= (2) T T, es el periodo del edificio S, es el factor de interaccion suelo /estructura que es funcion de la relacion entre el periodo T del edificio y el periodo Ts del sitio y Z, es un factor sísmico de zona

Se propuso que el valor de S debería variar entre 1 y 1.5 de acuerdo con la relación T /Ts, como se ilustra en la Fig. 24 Esta disposición se ha seguido durante los últimos 10 años. Es evidente que la incorporación de este factor mejora el criterio de diseño siempre que tanto el periodo del edificio como el del sitio tengan valores comparables. Este factor se espera que pueda hacer más uniformes los patrones de daños en relación con las condiciones del sitio y que por lo tanto ayude a eliminar algunas de las fallas desastrosas originadas por sismos recientes. La aplicación de este enfoque claramente desprecia todoslos efectosanalíticosdelainteracciónsuelo -estructurayseha - 48 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

1.6

1.5

Cf) o 1.4 u

N d o 1.3 d c -o u . o 1.2 c 4/ t- o

I.0 1 I 1 I J 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 T/ Ts

FIG. 24Variocion del factor de interacción suelo- estructura enel Uniform Building Code de los Estados Unidos, de 1976

- 49 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed pretendido utilizarlo como una medida provisional hasta que sea posible aclarar otros aspectos del problema. Sin embargo, ha sido muy útil como una medida práctica y eficaz durante un periodo considerable.

- 50 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

.3.OBSERVACIONES DIRECTAS DE LA INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES LOCALES DEL SUELO EN LOS MOVIMIENTOS DEL TERRENO DEBIDOS A SISMO.

3.1 Características de los movimientos superficiales del terreno.

Desde su incorporación en .1932 en los Estados Unidos y en 1952 en Japón,elregistro instrumental de movimientos delterreno debidosasismo haaportado graninformación acercadelas características de los movimientos del terreno para los diferentes tipos de condiciones del suelo. Los registros de sismos proporcionan medios convenientes para determinar algunas de las características principales de los movimientos del terreno tales como: 1. La aceleración máxima del terreno. 2. La velocidad máxima del terreno. 3. El desplazamiento máximo del terreno. 4. La duración del movimiento fuerte, y 5. La forma del espectro de respuesta de aceleración, y la relación de estos parámetros con la magnitud del sismo, distancia al origen y condiciones locales del suelo. Lainfluenciadeesteúltimofactorsobrealgunasdelas características más importantes delos movimientos delterreno registrados, se resume más adelante.

3.1.1 Aceleraciones pico

En la Fig. 25 (modificada de Seed et al., 1976) se muestran los -51 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0.6 / Roc! 0. 5 4/i Condiciones/ desuelo/ Vterlfgido// 0.4 / / Suelossincohesión, egran espesor / `' ...... /,'' ...... // '',Arcillasblandasa / . semirrigidasy arenas

0. I '/ 0 0 0. I 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 07

Aceleración máxima en roca, g

FI G. 25 Relaciones aproximadas entre lasaceleraciones máximas

en roca y otras condicionesl oca l e sen el s iti o

-J::.; - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

resultados de un estudio detallado de los valores relativos de las aceleracionespicodesarrolladasenuna mismaáreagenera! referidos a cuatro tipos diferentes de depósitos del subsuelo: -Rocas. -Depósitos de suelo rígido que contengan suelos sin h sir: arcillas rígidas hasta de 60 ni de espesor. Depósitos potentes de suelos sin cohesión, con espesores mayores que unos 75 m, y -Depósitos formados por arcillas de blandas a semirrígidas arenas. Puede observarse queapartedelosdepósitosquecontienen arcillas blandas y semirrígidas, los valores de le aceleración pico sobre los diferentes tipos de suelo no difierenapreciablemente entre sí,sobre todo para niveles de aceleración comprendidos entre 0.1 y 0.4 g. Aun para niveles altos de aceleración sobre roca,delorden de 0.7g,lasaceleraciones en depósitos de cualquier espesor quenocontenganarcillasblandas a semirrígidas, se puede esperar que sean solamente 25% menores que las observadas en roca.Variaciones de este orden de magnitud pudieran no ser importantes en la práctica de ingeniería y para algunos propósitos pudiera de hecho suponerse que los valores de la aceleración pico en rocas y en suelos rígidos de cualquier espesor son aproximadamente los mismos. De hecho, si los datos para todas las condiciones de cimentación, excepto para aquéllas que contenganarcillas blandasy semirrígidas, se grafican conjuntamente, podrá no ser posible establecer la diferencia entre los niveles de aceleración para roca y para diferentes condiciones enelsitio.Esto sehahecho frecuentemente, lleg?ndose ale conclusión de que no existe una - 53 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

influencia importante de las condiciones del suelo en los valores de

la aceleración pico. Como se muestra en laFig. 25, esto es

generalmente así, aun cuando en detalle pudiera percibirse

fácilmentealguna diferencia. Además, debenotarse que estos resultados se aplican generalmente a grupos muy variados de suelos

y pudieran no ser aplicables a tipos de suelo más específicos. Así, por ejemplo, pudiera parecer de la Fig. 25, que para suelos

rígidos superficiales, los valores de la aceleraciónpico son probablemente muy similares a aquéllos que sepresentanen formacionesrocosasadyacentes. Sin embargo,unestudio más detallado de los depósitos de suelo rígidos muy superficiales, indica que en todos los niveles de aceleración, las aceleraciones pico en tales depósitos son probablemente más altas que las de la roca, cómo se puede apreciar de los datos de la Fig. 26 (según Muzzi y Vallini, 1977). La incorporación de tales subconjuntos de datos dentro de grupos mayores, algunas veces oculta los efectos de las condiciones especiales del suelo y conduce a conclusiones erróneas. También debe notarse que las variaciones mayores pueden ocurrir entrelas aceleraciones pico registradas en condiciones de suelo diferentes para niveles de aceleración en roca menores que 0.1 g aproximadamente. Esto por supuesto, ha sido claramente demostrado en los depósitos de arcilla de la ciudad de México y requiere pocos

comentarios por el momento.

3.1.2 Velocidad máxima del terreno

En la misma forma en que los datos de la aceleración pico pueden

graficarse para determinar las curvas de atenuación de la

- 54 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0.5 I I Variación de aceleraciones calcu_ ladas para sobrecargas de suelo de 15 m

0.4

0.3

-: z o

0.2 Y //

0.1 / S. Rocco: Roca Forgaria- Cornino: Suelos rígidos de aproximada_ mente 15m Estaciones localizadas aproximadamente a cada 600 m

0.I 0.2 0.3 0.4 Aceleración máxima en roca (. S. Rocco), g FIG. 26Amplificación de las aceleraciones pico del terreno por un estrato de suelo rígido, poco profundo

--rJ 5. -. VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

aceleración, los valores de la velocidad pico determinados de los acelerogramas registrados pueden dibujarse de la misma manera para determinar las curvas de atenuación de velocidad. Un estudio detallado de tales curvas hecho por Sadigh (1979), ha arrojado los resultados mostrados en laFig. 27 para sismos con magnitudes M 5.5 y velocidades registradas en suelo y roca. En este caso, puede observarse que las condiciones de suelo locales llegan a tener un efectoimportante sobrelavelocidadpico desarrollada, con valores de velocidad en depósitos de suelos generalmente iguales al doble de los registrados en roca. De la lectura de los valores medios de la aceleración pico (ama) yde losvaloresmedios delavelocidad máxima (vmax) a separaciones iguales de las curvas de atenuación correspondientes, es posibledeterminarlosvaloresrepresentativosde larelación max/amaxparadiferentes condiciones geológicas del sitio. Aunque se ha encontrado que ,estos valores varían significativante con la distancia al foco, tales estudios han demostrado que para distancias menores que aproximadamente 50 km de la zona de liberación de energía, los valores promedio representativos de dicha relación son aproximadamente los siguientes:

Condiciones geológicas vmax/amax

Roca 55 cmjs /g Suelos rígidos (< 60 m de espesor) 110 cm /s /g Suelos rígidos de gran espesor ( > 60 m ) 135 cmjsjg

La importancia delarelación vmax' fue primeramente amax señalada por Newmark et al. (1973) y los valores de esta relación - 56 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

100 I 111111 I 11111111. (11111: M6.5 ' Valoresmedios - 30

Sitioscon suelos 10 E v Sitioscon - 0 v - roca - 3

>Ó 0.3

0.I I 1 11111 I 111111 I I11111 3 10 30 100 300 10C0

Distancia a la zona de liberación de energía, km.

FIG. 27 Atenuación de la velocidad pico del terreno con la distancia, para sitios con roca y suelo( según Sadigh,1979)

- 57 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

determinados en estudios más recientes (Seed yet al., 1976) coinciden extremadamente bien con los valores encontrados en esa époco.

3.1.3 Espectros de respuesta

De las diversas características de los movimientos del terreno debidos a sismo, ninguna es tan susceptible a las condiciones de suelo locales, como la geometría del espectro de respuesta. Ya que ésta es la característica más significativa de un movimiento sísmico, es principalmente a través de la influencia sobre este parámetro del movimiento del terreno que las condiciones locales del suelo ejercen su notable influencia sobre los movimientos sísmicos del terreno y por consiguiente, sobre los daños potenciales a los edificios. Se han hecho estudios de las geometrías características de los espectros de respuesta de aceleración (Seed, Ugas y Lysmer, 1974) para grupos de registros de acelerógrafos obtenidos para las cuatro diferentes condiciones del subsuelo previamente mencionadas:

(1) Sitios sobre roca.

( 2 ) Sitios sobre suelo rígido (menos de 60 m de espesor).

( 3 ) Sitios sobre suelo sin cohesión de gran espesor (más de 75 m),

Y (4) Sitios sobre depósitos de arcilla blanda a semirrígida.

Mientras que un gran número de movimientos puede encontrarse para suelos de los grupos (1)a (3) descritos anteriormente, son relativamente pocos los registros de movimiento intenso disponibles

- 58 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

para depósitos de arcilla blanda a semirrígida y además los pocos registros disponibles muestran grandes variaciones en sus características.Porconsiguiente,paratalesdepósitosdeben esperarse grandes variaciones en la geometría espectral media. Con esta limitación se muestran en la Fig. 28 los resultados de un estudio de las curvas espectrales medias para un amortiguamiento del5%yparalascuatrodiferentescondicionesdelsubsuelo mencionadas anteriormente. Resulta evidente que existen grandes diferencias en las geometrías en función de las condiciones del suelo, sobre todo para periodos mayores de aproximadamente 0.5 s; arriba de este valor, las amplificaciones espectrales son mucho más altas para depósitosde suelosin cohesión de gran espesor y para depósitos de arcilla blanda a semirrígida que para condiciones de sitios sobre suelo rígido o roca. En otras palabras, los depósitos potentes de suelos blandos contribuyen con una proporción significativamente mayor de componentes de periodo más largo en los movimientos superficiales del terreno; estos efectos aparentemente se incrementan al aumentar el espesor y lo blando del suelo. La omisión deestos efectos .piraperiodos mayores que0.5seg. aproximadamente, puede conducir a discrepancias importantes en la evaluación de las aceleraciones espectrales o en el establecimiento

de los criterios de diseño. Puede notarse que estas geometrías no son . significativamente diferentes a las ,propuestas por Mohraz etal.

(1976)o por Hayashi etal. ( 1971) con base en movimientos registrados en Japón. Como se señaló previamente, se requiere de cuidado especial para determinar las curvas espectrales representativas para depósitos arcillosos y los espectros reales pueden diferir ampliamente de la geometría típica mostrada en la Fig. 28. Así, por ejemplo, la Fig. - 59 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO Ñ. B. Seed

oualia; lap owixpw upiooaalaod iwpadsa u9iowaiaot/

- 60 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

o; O i °°y C u ñ'ú O o ó a;v° .r a V o 0 0` fV yg y V'i Ó ._ - a 5 -`Q arnÉ d ót EEc 0 ,a c d o c0 ó H E mw M a o a CaúN a0 a -_ -OaOC C 'yO._"cN )) aÑ _Óy.1! O F a N 7? _N 9O O aa Ou a¡n Ty X a o 0H 2 a oX N_ Ó W y °- ÚO a-W y a a

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-61 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

29muestralosespectros normalizadosparalosmovimientos registrados en tres sitios diferentes sobre depósitos arcillosos; tambiénsemuestranenestascurvaslosperiodosnaturales calculados de los depósitos, con base en el espesor del suelo y en el módulo de resistencia al cortante, determinados a partir del análisis de la respuesta del terreno. Puede observarse que en cada caso se presenta unpicopronunciadoenlacurvadelespectro,en correspondencia con el periodo natural del depósito y que generalmente el factor de amplificación espectral pico para estos espectros es de 4.5 aproximadamente, valor considerablemente mayor quelos valores promediopara laserie total de los15 sitios. El reconocimiento de estos dos hechos puede por sísoloproporcionar una mejor base para dedw_ir la forma de la curva espectral probable para un sitio sobre arcillas que cualquier otro método basadoen el análisisestadísticoderegistrosdisponiblespara sitios sobre arcillas de blandas a semirrígidas y arenas.

3.2 Variaciones delos movimientos delterreno con el espesor de.los depósitos de suelos.

Un aspecto importante de los efectos locales de la geología y del suelo que ha recibido mucho menos atención de lo que realmente merece, es la influencia de éstos sobre la variación del movimiento del terreno con la profundidad en los suelos cercanos a la superficie. Esto es evidentemente importante. en elcomportamiento _delas estructuras que están empotradas en el terreno ya que la mayoría de los edificios grandes están ahora construidos de esta manera. El empotramientoproporcionaunasoluciónconvenienteypráctica - 62 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

para reducir los asentamientos en suelos arcillosos compresibles, por lo que es frecuentemente utilizado con este propósito. La importancia del empotramiento en relación con las condiciones locales del suelo radica en el hecho de que los suelos no forman un medio infinitamente continuo dentro del cual las ondas producidas porelsismo puedenpropagarse,sinounmedio quetermina necesariamente en una frontera muy importante: la superficie del terreno natural. Ningún depósito del suelo, sin importar qué tan profundo o extenso pueda ser, puede evitar este aspecto fundamental de la superficie terrestre y las implicaciones con él asociadas. Debido a esta discontinuidad fundamental, en todas las formaciones de suelo y roca las ondas que se propagan a través del subsuelo se reflejan en la superficie del terreno y estas reflexiones producen necesariamentemodificacionesmuyimportantes delas características del movimiento del terreno en suelos cercanos a la superficie, sobre los cuales muchos edificios se asientan (Seed y Lysmer, 1980). Puede demostrarse facilmente, por ejemplo, que la mayor parte de la energía que alcanza la superficie de un depósito de suelo será el resultado de ondas de propagación casi vertical, las cuales parafines prácticos pueden ser tratadas como ondas de propagación vertical, mientras que para formaciones rocosas,la energía puede ser elresultado de una combinación de ondas de propagación casi vertical y de ondas de superficie. En cualquier caso lapresenciadeunafuertediscontinuidadrepresentadaporla superficie del terreno, impone limitaciones predecibles y observables sobre la forma en como las amplitudes horizontales y la frecuencia de los movimientos sísmicos varían con la profundidadcerca de la superficie del terreno.

- 63 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

3.2.1. Consideraciones teóricas

Los efectos potenciales de la superficie libre del terreno sobre la gama de frecuencias ylaamplitud delas ondas a profudidades diversas en un depósito uniforme, se muestran en las Figuras 30 y 31. Ambas figuras presentan la variación dela amplitud conla profundidadadimensional z,'?, en un semiespacioperfecto, donde Xs= v,/., f,esla longitud de las ondas de cortante parala /s frecuencia f[Hz], considerada. La Fig. 30 corresponde al caso de las ondas de cortante quese propagan verticalmente para las cuales la amplitud horizontal es:

r = I COs 2 7 mientras que la Fig. 31 se refiere al caso de las ondas Rayleigh de propagación horizontal. Es obvio que los dos tipos de campos de onda son muy diferentes. Resulta interesante, sin embargo, que tanto el campo de ondas de cortante como el campo de ondas Rayleigh produzcan desplazamientos horizontales decrecientes monotánicamente dentro deun espesor aproximado dado por:

i 1 -x a A 4 s 5 s

, vs s a (4) 4f 5f

- 64 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

4E .4' / ° /-. s / / m in \ . / \ / / n / oE / \ \ / \o ó / 1 1 ó \ J / \ / ía \ ó / 1 / 'a' \ cE/ 1 I 1 /

1 I I Ip in O N le O N ti O 0 O _ - j CV oX/= poplpunjo/dop uólaoloa -b5 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

y que todoslos desplazamientos horizontales desaparecen a esta profundidad. Un fenómeno similar ocurre para ondas inclinadas de cortante y para sistemas de suelos estratificados, donde vs en la ecuación (12), puede reemplazarse por la velocidad promedio de la onda de cortante y arriba de la profundidad z. Como puede observarse en lacurva punteada mostrada en la Fig. 30 la existencia de amortiguamiento del material no cambia la esenciade estas observaciones.

Se pueden deducir dos conclusiones importantes de estos análisis:

a) Cualquier movimiento horizontal calculado ( u observado )a la profundidad z debe ser deficiente en componentes de la frecuencia

v v s s f - to - 4z 5z .(5)

es decir, su espectro de respuesta tendrá una caída aproximadamente en la frecuencia f, expresada por la ecuación (5), la cual es

incidentalmenteiguala la frecuencia naturalbásicafija de la

columna de suelo arriba de la profundidad z. De este modo, el único

nivel en el cual un espectro regular puede presentarse es el de la

superficie libre y el especificar un movimiento de control con un

espectroregular a cualquierotra profundidadpuede, como la

experiencialo ha demostrado, conducir a valores completamente

irreales de los movimientos del terreno. Esta superficie libre puede ser la superficie real del terreno o un afloramiento rocoso real o

imaginario; decualquier forma, nopuede existir un espectro uniforme para un depósito de suelo, ya sea que los movimientos se deban a ondas de cuerpo de propagación casi vertical o a ondas

-66 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Rayleigh de propagación horizontal. b) En un depósito con propiedadesuniformes,los movimientos sísmicos disminuirán con la profundidad abajo de la superficie del terreno por lo menos hasta una profundidad definida por:

v vs s z y a . (6) 4f Sf max . max donde f es la frecuencia más alta presente en el movimiento. máx Esto se deriva directamente de la ecuación (3), la cual muestra que todosloscomponentesdisminuyendeamplituddentrodela profundidad arriba mencionada. A causa de las variaciones en las característicasdelsueloconlaprofundidad,estareducción predecible usualmente se extiende a profundidades mayores que las indicadas por laecuación(6).Para un sitiotípico sobre suelos con vs = 300 m/s en zona sísmica, y suponiendo que fmáx-20 Hz, la fórmula arriba mencionada muestra que una reducción importante en el movimiento de campo 'libre pudiera presentarse dentro de los 3 m superiores en elsitio,o aun más abajo silafrecuencia predominante es menor. Por lo tanto, aun un empotramiento relativamente superficial puede afectarenformasignificativalarespuestasísmicadelas estructuras en sitios sobre suelos blandos. Tanto el empotramiento como la reducción en la amplitud del movimiento sísmico con la profundidad, deben incluirse en un análisis racional de interacción suelo -estructura. La sustitución de valores realistas de vs y f en la ecuación (4) mostrará que z es comúnmente mayor que 10 m para sitios sobre - 67 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed suelo y mayor que 20 m para sitiosrocosos. De ahí que las estructuras convencionales resientan únicamente la parte superior (z /Xs < 0.2) de los movimientos mostrados en las Figuras 30 y 31. Dentro de esta profundidad "superficial ",son muy similares los movimientoshorizontalesproducidosporcualquierexcitación sísmica conel mismo movimiento de controlhorizontalenla superficie. Por consiguiente, puede esperarse que dentro del grado de interés para los ingenieros, los movimientos horizontales producidos en puntos por abajo de la superficie del terreno durante los sismos, serán relativamente independientes del tipo de campo de ondas que produzca el movimiento. Las observaciones arriba mencionadas se hicieron para movimientos en un semiespacio uniforme. Para sistemas multicapa cuya rigidez generalmente aumenta con la profundidad, los cálculos han demostrado que es aun más evidente la semejanza entre los movimientos producidos a poca profundidad por diferentes tipos de campos de onda. Un ejemplo interesante de estos efectos en un depósito de suelos con espesor de 180 m sobre un semiespacio rígido, se muestra en los resultados analíticos presentados en las Figuras 32, 33 y 34. Paraestudiarlarespuestaadiferentesprofundidadesen este depósito, se hicieron análisis aplicando la teoría de la onda de corte de propagación vertical a 15 registros diferentes de excitación. En ocho de los análisis los registros existentes obtenidos en depósitos potentesdesuelosecambiarondeescalaparaobteneruna aceleración pico de 0.20 g y se consideraron desarrollados en la superficiedelterrena.Luegosedeterminóladistribuciónde aceleración con las características de espesor y frecuencia de los movimientos desarrollados aprofundidades de 12y 23 m, mediante - 68 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Aceleración pico, g

0.08 0.12 0.16 0.20 o0 0.04 1 I I 1 Deconvolución Propagación ascendente '

E60

có

a- 0

m o .0ó 090 vo c w .0

120

150 FIG. 32 Variación de la aceleración pico media con la profundidad, obtenida por análisis de deconvolución y de propagaciónde ondas,ascendente.

- 69 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

6 lou+aadse uópoue¡aad

- 70 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

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15 'lcJ43ed4e u9lan.1e1e3d

-71 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

análisis de deconvolución. Para el mismo depósito de suelo, se realizó un segundo estudio, en el cual siete registros representativos de movimiento en roca se utilizaron como excitación base y los movimientos base se cambiaron en cada caso de escala para producir una aceleración pico de 0.20 g en la superficie del terreno. Sorprendentementehubopocadiferenciaenladistribución calculada de los movimientos, ya sea que la excitación fuera aplicada en la superficie del terreno o que fuera aplicada en la base del depósito de suelo. Los resultados de los dos grupos de estudios se analizaron estadísticamente para determinar la distribución de la aceleración media separadamente por análisis de deconvolución y por análisis de entrada en la base. Los resultados de este análisis se muestran en la Fig. 32. En general, los resultados son notablemente similares, todos muestran una caída notable de la aceleración pico dentro de los 30 m superiores. Los espectros de respuesta para los movimientos desarrollados a profundidades de 12 y 23 m también se calcularon y analizaron estadísticamente parados grupos diferentes.En laFig 33 se muestran los análisis de deconvolución para los espectros al 84 porciento de los movimientos superficiales, y de los movimientos a 12y 23 m de profundidad.. Puede observarse que mientrasel espectro de los movimientos de la superficie es del tipo de banda ancha, el espectro de los movimientos a una profundidad de 12 m contiene una supresión notable de las frecuencias correspondientes a un periodo de 0.18s aproximadamente, mientras que para los movimientos a profundidad de 23 'm muestran una supresión notable defrecuenciascorrespondientesa 'unperiodode0.3s aproximadamente.Los periodos naturales de basefijade este - 72 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO . H. B. Seed

depósito para espesores de12y 23 m de suelo,fueron aproximadamente 0.18 y 0.3 segundos, respectivamente. Resultados similaressemuestranenlaFig.34 paralosanálisisde excitación en la base. De este modo puede observarse que el efecto de supresión de frecuencia, predecible comd con la ecuación (3), depende principalmente dela geometría y de las características físicas del depósito y depende sólo en forma ligera del tipo de movimientos de onda de que se trate. En un depósito de 180 m de profundidad que se extiende a grandes distancias en todas direcciones no se debe-esperar que se presente unacontribuciónimportantedelasondasdesuperficiepara movimientosenelintervalodefrecuenciade 1 a20Hz, correspondientealtipodemovimientosestudiadosenesta investigación;debidoaesto,elusodeondasdecortantede propagación vertical como campo de onda primario es el indicado. Sin embargo, elefecto dela discontinuidad representada por la superficie del terreno sobre las amplitudes y las características de frecuencia delos movimientos adiferentes profundidades queda claramente ilustrado por esté ejemplo.

3.2.2. Datos de campo

Se cuenta a la fecha con datos de campo suficientes para confirmar las predicciones teóricas antes mencionadas. a) Variación.de la aceleración picó con la profundidad.

Los mejores datos para mostrar la variación de las aceleraciones -73 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

pico con la profundidad son aquéllos que se obtienen de arreglos verticales de los intrumentos, los cuales en años recientes, se han instaladoenvarioslugarespararegistrarlosmovimientos producidos por un sismo. Uno de los arreglos más exitosos ha sido el colocado por elU.S.Geological Survey cerca de Menlo Park, California (Joyner etal.1976). En laFig.. 35 se muestran los detalles de las ubicaciones de los instrumentos a profundidades de 0, 12, 40 y 186 m en función del perfil de suelos y en la Fig. 36 se presentan las propiedades geofísicas del depósito en elcual se instalaron. Algunos registros de sismos pequeños se obtuvieron de los instrumentos en este arreglo durante el periodo comprendido entre 1972 y 1977. En la Fig. 37 se ha dibujado un registro típico. Es claramente visible el marcado decremento en la amplitud de los movimientos registrados con la profundidad. Un arreglo similar ha estado operando en Narimasu, Japón durante varios años (Chang et al., 1986), pero con instrumentos situados a profunidades de 1, 5, 8, 22 y 55 m. Se muestra en la Fig. 38 un grupo típico de registros de este arreglo y se grafica en la Fig. 39 la reducción observada de la aceleración pico con la profundidad. En el Laboratorio Sismológico de la Universidad de California se han observado decrementos similares de la amplitud del movimiento conla profundidad en cuatro sismos registrados en un arreglo similar instalado en Richmond, California. Resulta interesante comparar los datos dela Fig. 39 con el excelente grupo de datos obtenidos de los registros captados en sótanos de edificios en Tokio durante el sismo de Tokio- Higashi-

Matsuyama ocurrido el 1 de julio de 1968 (Ohsaki y Hagiwara, 1970). Los valores registrados dela aceleración máxima para diferentes profundidades de sótanos se muestran en laFig.40. - 74 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Superficie ^ odo de la Bahía Ilm 12m 0 40m

Aluvioñ

184 m Lecho deroca/// ( Formacion,F`anciscana

FIG. 35. Estratigraffa( según Joyner et aI.,1976)

Velocidad de lo onda de cortante, m/s 0 100 200 .300 400 500

0 --'%. 1 ! 1 1

50

100

150

200

FIG.36Velocidad de la onda de cortante vs profundidad (según Joyner et al.,1976)

- 75 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

10 20 30 40 00 60

Tiempo , segundos

FIG. 37Variación de los movimientos del terreno con la profundidaden un arreglode I U. S.O.S.durante el sismo de BEAR VALLEY (CALIFORNIA 1del 9 de abril de 1072(según Joyner it. al.. 1076 1

76 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed ale

0.10

0.05

0 -0.05

-0.10

0.15 0. a. 10. 15. 20. 25 30. 35. 40. 45. 50.

0.10 OH -5m INS)

0..06".141111''

-0.10 O. 5. l0. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50.

e 0.10

u ^ OH -Be INS) 0 O -__^.flr441' m u < -0.10 ' ' O. a. 10. lb. 20. 25. 35. 46. 50.

0.10

- OH- 22mINS)

0

-OJO 0. 26. 30. 3 5. D. 48. 60.

0.10

ON - 85m INS/

I . . I 1 10. 15-I 20. 25 30. 3s. 4a 4b. 50. Tiempo, segundos FIG. 38 Componentes N -S de los htstogromos de ocelerociones registrodos en el arreglo "Down hole"en Narimasu (según Chonget.ol., 1986 1

- 77 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Aceleración pico, g

FIG. 39Variación de la aceleración pico con la profundidad datos del arreglo de acelerografos Downhole en Narimasu (según Chong et 01.,19861

- 78 - VIIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

Aunque se observa una dispersión considerable en los datos, las aceleraciones pico a profundidades de 21 m, son comunmente del orden del 25% de aquéllas registradas en la superficie del terreno. Podría argumentarse que estos resultados están influidos por los efectos de la interacción suelo -estructura, pero tales efectos son probablemente pequeños y podrían tender a disminuir la variación de la aceleración pico con la profundidad en vez de amplificar el efecto. En cualquier caso, es sorprendente lasimilitud general de los movimientos registrados con los que se muestran en la Fig. 39. Del sismo de San Fernando, California ocurrido en 1971, ( Seed y Lysmer, 1980 ) se puede además obtener otra fuente de datos de los registrosobtenidosen paresdeedificioscontiguos;cadapar comprende una edificación construida en la superficie del terreno y la otra a una profundidad cercana a los 4.5 m abajo de la superficie del terreno. Los registros para ocho pares de edificios se enumeran en la Tabla 2. Puede observar-se que en siete de los ocho casos anotados, la aceleración máxima registrada en el edificio con sótano fue bastante menor que la del edificio construido sobre la superficie del terreno. Si bien alguna variación de los movimientos puede atribuirse a las diferentes ubicacionesespaciales deestosedificios,un estudio estadístico de estos datos muestran claramente que el decremento considerable en la aceleración con la profundidad no es un fenómeno ocasionalsinoquesigueunpatrónatribuible alosefectos determinísticos. Finalmente, para movimientos muy fuertes, un excelente grupo de registros se obtuvo en la planta eléctrica de Humboldt Bay durante el sismo de Ferndale en 1975 (Valera et al., 1977). Uno de estos registros se obtuvo en un lugar de la súperficie del terreno en campo libre y otro en la base de una estructura de cajón desplantada a una - 79 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Aceleraciónmdxima, g

0.02 0.04 0. 6 0.08 0.10 0.12

Arena limosa y arcillo _ limosa N= 0 a 15 « 15 NM Arcilla Famosa y arena N:..20 24.5

31 _Grava y grava arenosa 1 I Magnitud del sismo z 6.4 Distancia alepicentro 45 Km \\11 Profundidad focal 48 Km \ \ 1 Arena con gravas y 62 arcilla arenosa

Ve; 1830 m/s

!Valor estimado , 245 d I 1 l

FIG. 40 Variación de la aceleración máxima registrada con lo profundidad para un edificio durante el sismo de Tokio - Higashi -Matsuyama, ocurrido elIs de julio de 1986

- 80 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

TABLA 2. Cambios en la , aceleración máxima entre elnivel del terreno y el piso del sótano

Aceleración máxima Cambio de la aceleración dela super- Superficie Sótano ficie delte- Ubicación delterne- rreno alni- no. vel del sóta- no, en por - centa je.

OrionBlvd.No. 8244 0.26 VanowenBlvd.No. 15107 0.12 -54

Blvd.Ventura No. 14724 0.26

Blvd.Ventura No. 15250 . 0.23 -12

EdificioHollywoodStorage = 0.22 0.15 -32 Sunset Blvd. No. 6430 0.19 Sunset Blvd. No. 6466 0.12 -37 Century Park East No. 1880 0.13 Century Park East No. 1800 0.10 -23 South Figueroa No. 222 0.15 South Figueroa No. 234 0.20 -20 South Figueroa No. 445 0.14 West Six No. 3407 0.18 S. Normandie No. 616 0.12 -33 Wilshire No. 3470 0.14 -22 Wilshire No. 3550 0.17 - 6

=81 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

profundidad de 24 m. Todos los registros se muestran en la Fig.

41. La aceleración máxima promedio en la superficie del terreno fue de 0.30 g, mientras que el promedio a una profundidad de 24 m fue de 0.13 g. Evidentemente, esta diferencia debe tomarse en cuenta,

si los efectos de la interacción suelo- estructura en la respuesta del

edificio se han de analizar de manera constructiva.

Se cuenta con otros datos para demostrar efectos similares a los que se discutieron anteriormente, pero se estima que los casos

presentados proporcionan evidencia suficiente de que las variaciones en el movimiento del terreno con la profundidad no son aleatorias, sino que disminuyen determinísticamente para fines de ingeniería, excepto para terrenos con variaciones poco usuales en las características del suelo con la profundidad.

b) Variación de las características de Frecuencia con la profundidad

Las consideraciones analíticas no muestran únicamente una

variación de las aceleraciones horizontales máximas con la

profundidad, sino también una variación determinística del contenido

de frecuencias y por consiguiente, de la forma de la curva espectral a

diferentes profundidades bajo la superficie del terreno. Específicamente, puede esperarse que a cualquier profundidad z bajo

la superficie del terreno, lasfrecuencias del ordende

f = /4z [ Hz ] serón anuladas debido a los efectos de reflexión en s la superficie del terreno.

La evidencia que corrobora este efecto se da por los datos obtenidos del arreglo de acelerógrafos de Menlo Park para los movimientos

registrados que se muestran en la Fig. 37.Los espectros de respuesta de aceleración de los movimientos registrados en este

- 82 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Compononto ironsversol Compo tronsversol 03 os

0.2- 0.2

0.1 0.1

o

e -02- `o

1 1 1 1 1 1 Components longitsdinol Components longitudinal

I I I I 1 I I I

0.1-

0 -al- -a2 -

I I t I I t t I + os 1 1 t 1 h t t t 1 2 4 e e 10 12 14 10 le20 , o 2 4 6 6 10 12 14leIS 20 Tismpot alpendes Tlempo , seguedos

_y l

25 - Arcillo semirlelde a rígida Areno semldense Anna denso Arcillo muy r(plde

Componente transversal Arena densa Iw 0.2

0.1 125 - 0

-0.1 150 - p-02

COapOMnte lonaitudinol 175

200- Arena densa

225-

2 4 0 8 10 12 14 lele 20 Tiempo, 'epunde*

FIG. 41 Registros del movimiento del terreno en la plantanucleoeléctrica HUMBOLDT BAf (según - Valero et.ol. 1977 ) - 83 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

eventose grafican enlaFig.42 mientras quelosespectros normalizados,obtenidosde larelaciónentrelasordenadas espectrales para cualquier periodo y la ordenada espectral de los movimientos en la superficie a esa frecuencia, se muestran en la Fig. 43. Puede observarse que al utilizar esta técnica, el espectro normalizado de la superficie viene a constituir un espectro de banda ancha y losespectros a otrasprofunidadescambian proporcionalmentedeescala.Tambiénpodríaparecerquelos espectros normalizados para movimientos a una profundidad de 12 m muestran una marcada anulación de frecuencias (evidenciada por un quiebreenelespectro)para un periodo de0.5seg.elcual corresponde al valor de 4zf vs para este depósito. En forma similar, los espectros normalizados para una profundidad de 40 m muestran anulación de frecuencias correspondientes a un periodo de 0.75 segundos, el cual corresponde al valor de 4z /vs para el mismo depósito en este sitio. El valor determinístico del efecto de supresión de frecuencia queda claramente evidenciado por estos datos. También se obtienen resultados similares a partir de un análisis deespectrosparalosmovimientosregistradosenlaplanta nucleoeléctrica Humboldt Bay(Fig.41).Los espectros de los registrostransversales ylongitudinalesde losmovimientos horizontalesdelterreno enlasuperficie delterreno yauna profundidad de 24 m se muestran en las' Figuras 44 y 45 y los espectros normalizados para los mismos movimientos se muestran en las Figuras 46 y 47. Se observa de nuevo una marcada anulación de frecuencias tanto para el movimiento transversal como para el longitudinal para un periodo de 0.5 seg. aproximadamente, que es muy cercano al valor calculado de 4z /vs para el depósito del suelo en este sitio. La gran similitud de ..los espectros normalizados para los -84- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

16 Sismo de Bear Valley 4/IX/72 14 ML=4,7 12 A =123 km 10 - Espectros para movimientos en la superficie - del terreno ( Inst.(, ) Velocidad de la onda de cortante, m/s 100 200 300 400 0 C- r I I o 0.5 1.0 1.5 2.0 Lodo Periodo, segundos 6 de la Espectro para movimientos Bahía 10 a una profundidad de 12m eo ( I nst.O2 1 2- E 1;20 0 I I n"---:-.. 0 0.5 ID 1.5 2.0 c Periodo, segundos v Aluvidn ó 30 4.Espectro para movimientos a una profundidad de 40 m (Inst.O 2 40 .0 0 0 Q5 1.0 1.5 2.0 Periodo, segundos

50

FIG.42Espectros para movimientos registrados en el sismo de Bear Valley de 1972

- 85 - 0.8 1.0 0.20.4 O 0 100 200 300 4000 IA o o BahiadeLodo la r r r N Q8 rrurunuluua D = 12 m columnamentalPeriodo de funda_de la E 20 10 Ñ° 0.006 4 dadunasueI2m74: Idepro$undl_ o para 0.5s 30 Aluvión o 0.80.6 Prefundided D = 40 m profundidadmentallocolumnaPeriodo para de una lafunda_de de sue_ 40 o 02 04 0 A 40mA.-. 0.75 s FIG. 43 sismoAceleraciones de Bear espectrales Valley, relativas para diferentes profundidades, 1972. Periodo,5 segundos VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

L2 Movimiento en direc- ción transversal en LO la superficie del te- 0.9 rreno

0.6 't:04

o bÓ4 I 2 4 2040 Arcillo semirr(glda o rígida Frecuencia,cps0 7.5 óQ6 I I I I Movimiento en direc_ riOA eión transversal en Xas%lo boss de lo estruc- tura o uno profundi- Arena densa 0.2 dad de 26 m

30 I I 1 . 0.4 2 4 10 20 40 3$ Frecuencia,eps

F is.44 Espectros para los movimientos transversales registrados en Humboldt Boy en el sismo Ferndale de 1975

Movimiento en di.. rección longitudinal en la superficie del terreno

o Arcilló semirríglda a rígida 1,1.5 0.4 I 2 4 10 20 40 75 Frecuencia - cps sem enea 6 . I Arena densa Movimiento en di- 15 Arena 1TT:'airIbr. iá4 rección longitudinal .a en la base de la 02 = 23 Areno densa estructura a una profundidad de

I 2 4 10 20 40 26 m

F18. 45 Espectros de los movimientos longitudinales registrados en Humboldt Bay en el sismo Ferndale de 1975

-87- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Movimientos de la superficie del te_ rreno

°n0.4

0.2

o ÓA I 2 4 10 20 40 Are111a semirr(glda a rígida Frecuencia, cps i ID Arena Arena densa Frecuencia funda- 15 mental de la co_ lumna de suelo - arriba de 26m de Areno densa profundidad z 1.5 o 2 aps

38 0.2Dirección transversal a uno roí ndid.d = 26 m o 0. Frecuencia,cps FIG. 46 Aceleraciones espectrales relativas a diferentes profundidades en Humboldt Bay 1 sismo de firndale de 1975, dirección tronversal) 1.0 Movimientos de la superficie del terreno

o Ar cilia semirr(gida a rígida I a Frecuencia, cps 7.5 1.0 r r I I 1 ' Arena Arena densa Frecuencia fundamental de 15 [20.8- columna del suelo arriba de - -Arcata 711117 nr. r. 26mm31.5 a 2c .s 23 IS06 Arena densa 30 ,¡,OA

38 0.2- Dirección longitudinal a - o unaprofundlilad der26 m a4 I 2 4 10 20 40 Frecuencia, cps

FIG. 47 Aceleraciones espectrales relativas a diferentes profundidp des en Humboldt BayI sismo de Ferndale de 1975, direcclon longitudinal)

- 88 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

movimientoslongitudinal y transversal sé aprecia más claramente enla Fig. 48, donde los espectros se grafican conjuntamente y muestran característicascasiidénticas,ilustrando denuevola naturaleza determinística de este efecto. Hays et al.(1979) y Gazetas y Bianchini (1979) han presentado recientemente datos que muestran efectos similares para movimientos registrados a profundidades por abajo de la superficie del terreno. En laFig.49 se muestra más evidencia de las importantes reduccionesenlosvaloresespectralesparalosmovimientos desarrollados a profundidades cada vez mayores bajo la superficie del terreno, para el grupo de registros de sismos presentados en la Fig. 38. El efecto de la profundidad de empotramiento sobre las amplitudes espectrales, aun para una profundidad de un sótano bajo,la superficiedelterreno,se muestra porlosresultadosque se presentan en la Fig. 50 paraestructuras comparables, durante el sismo de San Fernando ocurrido en 1971 (Chang et al., 1986) Este efecto se muestra también en la Fig. 51 donde se comparan los movimientos entre un lote de estacionamiento y un sótano, durante los dos sismos que afectaron al edificio Hollywood Storageen Los Angeles. Lasreduccionessignificativas en lascaracterísticasdel movimiento para profundidades crecientes de empotramiento en los depósitos del suelo, pueden tener una influencia importante en la respuesta y en los daños inducidos por el sismo.

- 89 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

Espectros normalizados a 26 m de profundidad que correspondenal espectro de banda ancha en la superficie del terreno. Plantanucieoeléctrica de Humboldt bay, sismo de Ferndale ocurrido el 7 de junio de 197 5

1.0

0.8

0.6 o o N

Al 0.4 ó H

0.2

0

0 .4 I 2 4 10 20 40 Frecuencia, cps FIG. 48Comparación de los espectros normalizados a 26 m de profundidad para movimientos transversales .y longitudinales

- 90 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0.6 0.6 -1m(EW) -Im(NS) 0:5 0.5

0.4 0.4

0.3 , 0.3

0.2,- Q2

0.1 0.1

oat o 10 100 0.1 1 10 100 0.4 0.4 -5m(EW) -5m(NS) 0.3 0.3

0.2 0.2

OJ 0.1

0, o

'e 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 0.3 a0.3 - 8m (EW) -8ml NS) M 0.2 e

a°u 0.1 1 10 100 10 100 0.2 - 22m(EW) -22m(NS) 0.I 0.1

0 o

0.1 1 10 100 0.1 10 100 0.2 0.2 - 55m(EW) - 55m(NS)

0.1 0.1

0 0 0.1 1 10 100 0.1 I 10 100 Frecuencia, cps Frecuencia, cps FIG. 49Espectros de respuesta de movimientos reqlstrados. Datos de acelerdgrafos en arreglo down hole de Norimasu (amortiguamiento = 0.05 )( segun Chang et al.,1986 )

- 9 1 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0.8

______Sin sótano( registro en la superficie del terreno ) 0.7

0.6

`00.4 úo 0 ú 0.3

02

0.1

0.0 0.01 0.1 1.0 10.

Periodo, segundos

FIG.50 Comparación de los espectros de respuesta de movimientos registrados en la base de edificios adyacentescony sin sótano durante el sismo de Son Fernando ocurrido en 197 I ( segun Chang et al, 19 86 )

- 92 - ()pupa lap ouo40s la ua sopoi4sibei sopumul!Aow mod osandsoi op so.i400dso( 99600soi op 43up 6U1N3 poiodwo upbas ) OtUIMUIDU.0130433 Op womApo OU131.184 un ua A aboio4s poomA 'tom ig 91d 1L61 op OpUDUJej YES op ows!s sopun6as 'opoi Jed ( q ) Z G61 ap u.13)4 op op o pt100 lap oums ) 01 I co ro £00 01 sopunbas 'opojiad FO £0.0 £0.0o 1031416A : aWouOdwo3 01.0 o90 2 O OZ.°O;1'0 Oon r 0 Oo 010SO0 o3 (j)Cr) 906'0 O OTO£ 1.0 Ea_o ORO SZ'OGO'O 0 oiuopuonkiouso op %g 0113G1'0 oluopuontiwotuo0tUillUJDUOI3149) op %g op o4o, 013111Po. lap PoD4PS - 14u1uothu0 3 306N 8090 opLumwou(0possa op awl . omppo lap QUO 495 - SOZ '0 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

c) Variaciones espaciales horizontalesde los movimientos del

terreno

En años recientes se ha prestado gran atención a las variaciones espaciales horizontales de los movimientos del terreno debidas a la heterogeneidad de los suelos y formaciones rocosas a través de los cuales las ondas del sismo deben propagarse, o a las variaciones temporales (cambios de fase) en los movimientos de la superficie a causa de los efectos de transmisión de onda. Debido a esto, algunos arregloshorizontales deinstrumentos seestán instalandopara determinar la importancia de estas variaciones.

Se muestra en la Fig. 52, un grupo típicode registros de estaciones instrumentales espaciadas a intervalos de aproximadamente 60 m en un sitio cercano a El Centro, para el sismo de Imperial Valley ocurrido en 1979. En la Fig. 53 (Smith etal. 1982), se muestran las relaciones entre los espectros de respuesta, determinados como la suma de los movimientos registrados en todos los aparatos, y el promedio de los espectros individuales de respuesta para dos componentes horizontales. Puede observarse que promediando los movimientos para un grupo de más de cinco instrumentos,se llega a notables reducciones en las amplitudesespectrales parafrecuencias arriba de 5 Hz aproximadamente. Debido a esto, los edificios con una losa rígida de cimentación que promediará efectivamentelos movimientos que pudiesen desarrollarse en cualquier instante en puntos por abajo de la losa, tendrán respuestas más bajas para frecuencias altas, que las obtenidas de los registros de un solo instrumento en campo libre.

Este efecto pro m ediador de la losa de cimentación fue primeramente observadopor Newmark yaún cuando notenga -94- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Canal 3, Norte-Sur

( I 1 1 1 1 1 I 1 1 1 I 1 1 1( 750

Estación I

-750

Estación 2

750

Estación 3

-750 750

Estación 4

-750

750

Estación 5

-75

I 4 1 I 4 I I 1 1 I I I 0I0 5.0 10.0 15.0 Tiempo, segundos

FIG 52 Historias de aceleración del canal 3 (componente norte -sur) arreglo diferencial de instrumentos en El Centro, Calif. para el sismo de Imperial Valley de 1979 ( segúnSmith et al., 1982 )

- 95 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

1.2d

°o 0 .oo0Cb o Q80 . CO 0 o 40.60 0 0.04

0.20 o Canal 2Tiempo de arribo sincronizado para o Canal 3estaciones 1-3 0.00 1 10 100 I 10 100 Frecuencia, Hz Frecuencia, Hz

1.20

1.00 ó «u 0.80 0o 0.60 .ó o Canal 2 Ti 0.40 Tiempo de crono_ metro sincronizado o Canal 3 estacionesI -5 0.20

0.00 I 1 mil I 1 1 I I 1 1

1 10 100 I 10 100 Frecuencia, Hz Frecuencia, Hz

FIG. 53Relación entre la suma de los espectros de respuesta de todo el arreglo yel promedio de los espectros de respuesta individuales para las componentes horl_ zontales (canales 2 y 3), arreglo diferencial de El Centro, Calif. (según Smith_ et 01.0982 ).

- 96 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

probablemente implicaciones importantes en edificios ordinarios, puede tener una importancia considerable en estructuras tales como plantas de energía que contengan equipo fuertemente afectable por movimientos de alta frecuencia. Basados en una revisión de las variaciones espaciales de varios arreglos de las características del movimiento del terreno, Chang y colaboradores (1986), concluyeron. "Tal parece que la falta de coherencia de los movimientos de la superficie del terreno en campo libre pudiera poducir que una cimentación amplia esté sujeta a movimientos promedio debidos al efectopromediador delalosa oaefectosdeinteracción cinemática, que provienen de los movimientos de campo libre. La información limitada de que se dispone indica que los efectos para unacimentación de 50 m deanchoy condicionesdesuelo razonablemente uniformes, podría traducirse en una reducción de las aceleraciones espectrales horizontales de aproximadamente 20% para frecuencias entre 10 y 20 Hz; de aproximadamente el 5% para frecuencias entre 5 y 10 Hz y de un porcentaje mínimo para frecuencias inferiores a unos 5 Hz.El efecto aumenta con la frecuencia y el tamaño de la cimentación y parece ser menor para movimientos verticales que para movimientos horizontales" Este parece ser hasta ahora, el estudio más completo del efecto de prorated de la losa de cimentación, con que se cuenta a la fecha.

- 97 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

4. INTERACCION SUELO -ESTRUCTURA Y SUS EFECTOS EN LA RESPUESTA ESTRUCTURAL Y EN LOS DAÑOS A EDIFICIOS

4.1 Efectos generales del sitio En la Fig 54 se han dibujado esquemáticamente las ondas sísmicas propagándose a través de roca y aproximándose a un depósito de suelo. A medida que los movimientos sísmicos se propagan a través del terreno hacia las estructuras ubicadas en la superficie, ocurren varios efectos diferentes, como los siguientes: 4.1.1 Efectos de la respuesta del suelo El depósito de suelo bajo cualquier sitio de una construcción responde alaexcitación desarrollada enlas formaciones rocosas subyacentes. En consecuencia, los movimientos de la roca se modifican y los movimientos que se producen en la superficiedelterrenopuedentenercaracterísticasmuy diferentes a los desarrollados sobre afloramientos de roca cercanos. Así, en la Fig. 54, los movimientos de campo libre en el punto B serán significativamente distintos a los de campo libre en el punto A sobre la formación rocosa. La diferencia en las características del movimiento entre A y B, depende del espesor y de la naturaleza de los suelos y posiblemente de la configuración superficial de la roca o de la formación parecida alarocaquesubyacealossuelos.Sehandiscutido previamente los datos empíricos concernientes a la naturaleza de estas modificaciones en las características del movimiento del terreno.Nótese que estas modificaciones en las características del movimiento del terreno pueden ocurrir haya o no estructuras en la superficie del terreno, y por tanto, no tienen nada que ver con losverdaderos efectos dela interacción suelo -estructura y son debidas solamente alos - 98 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0 O 7 N

C o u 2 á o .9 a a

\ ó o \ a a

0 9 Cr uo b E

a 0

C1Js- to o

- 99- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed efectos del sitio.

4.1.2 Efectos de la interacción suelo- estructura Conforme llegan los movimientos a la superficie del terreno, generan movimientos en cualquier estructura suprayacente. Para hacer esto, deben vencer la resistencia inercial de la estructura iniciándose asi un efecto complejo de interacción entre el suelo y la estructura. La interacción suelo -estructura puede implicar tres aspectos diferentes:

a) Prorrateo debido a la losa de cimentación Las ondas que llegan a diferentes puntos de la base de una estructura necesariamente siguen diferentes caminosa través de las formaciones geológicas y del suelo, como se ilustra en la Fig. 55. De este modo, hay probabilidades de quehayavariacionestemporalesyespacialesenlos movimientos,segunsediscutiópreviamente.Sila estructura tiene como base una losa rígidade concreto, este elemento forzosamente tendrá un solo movimiento y por tanto,losmovimientos variables de punto a punto en su cara inferior se sumarán y se desarrollará un movimiento uniforme Cínico en la parte superior de la losa. Ya que las amplitudes máximas de los movimientos en los puntos de la base de la losa no ocurrirán simultáneamente, se deduce que las amplitudes de los movimientos en la parte superior de la losa serán algo menores que las amplitudes máximas que se habrían desarrollado en el suelo en la cara inferior de la losa si no hubiera existido el edificio, es decir en campo libre. Este efecto "compensador" de movimientos en la losa de cimentación fue observado primero por Yamahara - 100 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

. 1íl fI y Ií' í Illl yII yI I //// ////

FIG. 55Efecto compensador de la losa de cementación

L449*7tAC Y//, 71K%R.75C,//4J'//.%/.C47C .7.6r

FIG. 56 In teracclón Marcial que Incluye presiones y deformaciones en el contacto entre estructura y suelo.

- 101 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

(1970)y más tarde por Ambraseys (1975) , Scanlon (1976) y Newmark et al. (1977) y es uno delosefectos de lainteracción suelo -estructura.La magnitud delefecto dependerá del área de la losa de cimentación y del grado de heterogeneidad de los movimientos de campo libre. No es probable que sea muy significativo, excepto en estructuras de bajo periodo con grandes dimensiones laterales. b)Interacción inercial A medida que los movimientos se transmiten a la base de un edificio, habrá una resistencia inercial que se opone al movimientodelrestodeledificioyestaresistencia inercial persistirá durante todoel tiempo que durela excitación sísmica. Ocasionará cambios en las presiones de contacto entre la losa de cimentación y el terreno, causará la deformación del terreno y provocará deformaciones en el edificio como se ilustra en la Fig. 56. Este es el aspecto mascomplejoy masampliamenteestudiadodela interacción suelo- estructura y se discutirá ampliamente en las páginas siguientes. c)Interacción cinemática Si el edificio está empotrado a una profundidad significativa dentro del terreno, estará sujeto a los movimientos de éste en su base y en las pardedeslaterales delaporción empotrada del edificio; dichos moviminetos variarán con la profundidadbajolasuperficiedelterreno.Segúnse discutióanteriormente,mientras más profundoseael empotra miento,menoresseránlasaceleraciones desarrolladas en la base y menor será la respuesta de la - 102 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

estructura. A los efectos del empotramiento en la

estructura total se le ha llamado "interacción cinemática"

y son muy significativos para las estructuras empotradas

profundamente. Lo anterior queda claramente ilustrado por los datos presentados en las Figs. 37 a 41. Es posible tener cambios en la respuesta estructural del orden del 50%,como consecuencia de una profundidad de

empotramiento del orden de 22 m yaunpara empotramientos menores de unos 4.5 m, la magnitud de la

respuesta de una estructura puede disminuir del orden del 20 por ciento en comparación con la respuesta de una

estructura apoyada sobre la superficie del terreno (Seed y Lysmer, 1980).

En algunos casos, los efectos combinados de respuesta del

terreno, interacción inercial, porrateo en la losade cimentación einteracción cinemática han sido descritos

como la"interacción suelo- estructura ".Sin embargo, es mejor separar los efectos de la respuesta del terreno de

los otros efectos porque el primero ocurriría estando el

edificio presente o no. Por lo tanto, este efecto no tiene

nada que ver -con la estructura o con sus propiedades; es

decir, con la interacción suelo -estructura. Conviene entonces separar claramente elefecto de respuesta del

suelo de los efectos de interacción suelo -estructura.

Los otros efectos -interacción inercial, prorrateo en la base

e interacción cinemática, están relacionados con la

interacción suelo-estructura. Es obvio que si el área de la losa de cimentación es pequeña, los movimientos

- 103 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

diferenciales del terrenobajo la losaserántambién pequeños y el primer efecto puede despreciarse. También resulta evidente que para edificios desplantados a poca

profundidad la interacción cinemática será también pequeña

aunque en algunos casos un empotra miento de aproximadamente 4.5 m puede reducir los movimientos del terreno hasta en un 25 por ciento (véase la Tabla 2), lo

cual puede ser significativo en muchos casos.

Para ciertas combinaciones de las condiciones, la

naturalezadel efecto de prorrateo en la base y los efectos

de interacción cinemática asi como su magnitud probable, pueden estimarse con un grado razonablemente alto de

precisión a partirde datos de observaciones. Sin embargo, no hay un método fácil para estimar los efectos

de la interacción inercial sin tener que hacer un análisis

para determinar su naturaleza y magnitud. Por lo tanto, los resultados de algunos cálculos de los efectos de la

interacción inercial se describen en los siguientes

apartados.

4.2. Efectos de la interacción inercial entre estructuras y suelos.

4.2.1 Efectos generales. No es posible diferenciar por observaciones de campo los

efectos separados de la interacción inercial en la respuesta del

edificio, pero pueden fácilmente evaluarse mediante

procedimientos analíticos. Se han realizado los estudios

analíticos sobre esteasunto,en diferentesinvestigaciones durante más de 40 años. Un método conveniente para evaluar

- 104 - Edificio Edificio B B' -a A i Movimiento de la superficie del terreno DepOiito de suelo 1 I I I I I I I I I Deposito1 de suelo I I I ffk.W W//..)W.,1Y /tP ///r'// I I I I I ///= `///. Y/ /. Yll$ !/ I //A*//A!//.W.-!//ry//PI I 11;tlI /,y//W/4.41//.`///. Y// I it Movimiento en roca Movimiento en roca (o )FIG. 57 Sistema acopiadoEvaluación de los efectosiii de interacción inercia) empleando los sistemas (b ) SistemaI1 desacoplado acoplados y desocopiados VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed la magnitud del efecto es analizar el sistema suelo- estructura en condiciones de acoplamiento y desacoplamiento, como se ilustra en la Fig. 57. En el análisis con acoplamiento, a la estructura y a su cimentación se les permite interactuary responder con deformaciones apropiadas en lafrontera en contacto, ante un movimiento horizontal aplicado en la base del sistema combinado; este movimiento de la base induce en el suelo ondas de cortante que se propagan verticalmente y movimientos resultantes en la estructura. En el análisis del sistema desacoplado, se aplican los mismos movimientos en la base del depósito de suelo y se calcula la respuestadelterrenoencampolibre.Elmovimiento así determinado en el punto A del sistema desacoplado será el mismo que enelpunto Bdel campo libredelsistema acoplado. Sin embargo, en elanálisisdel sistema desacoplado,el movimiento del terreno en campo libre se emplea comoexcitaciónbaseparalamisma estructura descansando sobre una base rígida.En este análisis, por lo tanto,no hay deformación enlafrontera en contacto,ni oportunidad para la interacción entre la estructura y el suelo para modificar sus respuestas.

De lo anterior se deduce que: a) El efecto delaestructura sobre elsuelo debido ala interaccióninercialpuedeevaluarsecomparandolos movimientos del terreno desarrollado en los puntos A y B del campo libre con aquéllos' desarrollados en el punto- B' en el análisis del sistema acoplado y, b) El efecto de la deformabilidad del suelo en la respuesta de

- 106 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

la estructura puede evaluarse comparando la respuesta de la

estructura (es decir, su periodo fundamental de vibración, el

cortante en la base, etc.) en el análisis con acoplamiento con

la determinada en el análisis con desacoplamiento.

Tales análisis pueden realizarse fácilmente por el método del

elemento finito, aunquetambiénse hanempleadootros

procedimientos de análisis.

Los resultados de los análisis de este tipo dependen mucho de

la masa y de la rigidez de la estructura, que consideren.De este modo, silos análisis se realizan para una estructura masiva y rígida, como una planta nucleoeléctrica, con una presión de contacto promedio' en la base de 45t /m2 y un periodo de aproximadamente 0.25 segundos, la colocación de

esa estructura masiva sobre un depósito de suelo ejercerá una

influencia considerable sobre los movimientos que se hubieran

desarrollado de no haber estado ahí. Esto queda ilustrado por

los resultados analíticos que se muestran en la Fig. 58, los cuales acusan cambios notables en la aceleración máxima del terreno en lasuperficie, en la vecindad de la estructura, variando desde un valor pico de cerca de 0.24g en el campo

libre hasta del orden de0.12gen la cercanías a la estructura. Esto representa una muy grande influencia de la estructura

sobre la respuesta del terreno.

Por otra parte, la Fig. 59 muestra los resultados de un estudio

analítico similar de las aceleraciones máximas del terreno

desarrolladas cerca y debajo de un edificio de 10 pisos sobre

un depósito de suelo en San Francisco. En este caso, la

presencia de la estructura no fue claramente suficientepara tener una influencia apreciable en los movimientos del t'erreno

que se hubieran desarrollado si la estructura no hubiera

-107 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0.30

0.35 A lo largo P de AA o _E 0.20 so - 6 --"' r------`c0.15 0 A lo ú o largo de BB ó0.10 mu 4 0.05

o I I I I I I I I I 120 96 72 48 24 Distancia desde el eje de la estructura, m

I2

24

36

48

60

FIG. 58Influencia de una estructura rígida y masiva sobrelos movimientos del terreno adyacente

- 108 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed estado ahí. En otras palabras, los efectos de la interacción suelo -estructura fueron en este caso despreciables por pequeños.

Para edificios convencionales hasta de 20 pisos de alto,el

último caso presentado parece ser típico de los efectos de la interacción suelo -estructura. Son muy típicos los resultados presentados en la Fig. 60 que muestran la respuesta de una estructura de 10 pisos construida sobre un depósito de arena con un espesor de 30 m. Una comparación del espectro de respuesta para los movimientos desarrollados en la base de la estructura con los originados en campo libre, muestra que

existe una pequeña reducción ( cercana al 10% ) en las aceleraciones espectrales de la base de la estructura debido a losefectos deinteracción yque, en correspondencia, las deformaciones del suelo tienen un efecto pequeño sobre la respuesta de la estructura. En este caso, el periodo natural de la estructura para una condición de base rígida fue de 1.33 s y para la condición de base deformable fue de 1.45 s. En correspondencia la máxima fuerza cortante de la base calculada por un análisis de acoplamiento, tomando en cuenta la interacción suelo- estructura fue de17 t, en tanto que determinada porun análisis de desacoplamiento fue de aproximadamente 18.8 t, con una diferencia de cerca de 1.0% nuevamente.

Este último resultado parece. ser típicode muchos estudios realizados para investigar tales efectos en estructuras convencionales. Por ejemplo, las relaciones dela fuerza cortante en la base para una estructura de 10 pisos calculada con análisis de, acoplamiento y desacoplamiento para diferentes

- 109 - 0.15 `o cEóE 0.10 Distribución de la aceleración -o Qó0ó 0.05 Distribucióna lo largo de deAA la aceleración o o 60 DistanciaI desde el a lo largo de 120QB eje, m 180 36m f.- -1136m Periodo fundamental= 1.2 seg. - - -- arcilla Arena_ blanda 12t/m2bólbbr A_ B B m arcillaarcilla semirrigida rígida FIG. arena y 59grava Análisis tridimensional de una estructura con simetría axial y su suelo de cimentación --I 0.089 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

o -u V

c0 vo o .eO O C o O tn e Ñ Q t4 o IDJ joadsa YO DJY Y3y éo É OT 1"4 T. o YP O In O E tn vo ÉÑYO.111111111111111111111 ó a a =1111111111111111111 ,11,,,111111111111111111111111 11 1 1 1 1 1111 1 1.;;;;;:;; r1;;;;;;;;,, 1111111111111111111 E

O to t9 8 Ñ O 1DJpad4a up aDJapay VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Edificio Edificio

-0--u Movimiento de la super_ ficie del terreno

Depósito de suelo Depósito de suelo

wwwwfwgzsmacalmvagoarmaysrmsr Jlgcwr.,r. -.1-*4'Movimiento de laroco de la roca (a) Sistema acoplado (b) Sistema no acoplado

1.2 I 1 1 I o I.0 o -----l------o 0 0.8 0

0.6

Q4

Estructuro de 10 pisos Q2- periodo fundamental = L4 seq según Finn et al. o según este estudio 0 1 1 1 1 0 0.5 1.0 1.5 2p 2,5 Periodo fundamental del depósito de suelo,.seg.

FIG. 61 Influencia del desacoplamiento del sistema suelo- estructura enla fuerza cortante en la base para un edificio de 10 pisos

- 112 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

'condiciones del suelo y diferentes movimientos sísmicos, se resumen en laFig.61. Los resultados mostrados en esta figura incluyen cuatro análisis hechos por Finn et al. (1971) y cinco realizados por el autor. Puede verse que los valores de la relación varian de 0.75 a cerca de 1.1y que el valor promedio es aproximadamente 0.9, indicando que en promedio, la interacción suelo- estructura reducirá la fuerza cortante en la base de una estructura en cerca del 40 por ciento con una pequeiia reducción asociada en ordenadas espectrales para los movimientos en la base de la estructura en comparación con las correspondientes a movimientos en el campo libre. Muchos otrosinvestigadores han llegadoauna conclusión similar. De entremuchosestudiospueden citarselos siguientes ejemplos típicos:

a) Estudios de Merritt y Housner (1954).

MerrittyHousnerhicieronestudiossimilaresalos descritos anteriormente y calcularonlarelación dela máxima fuerza cortante de la base inducida en edificios de cinco y de 15 pisos, en sistemas acoplado y desacoplado, paracuatrodiferentesmovimientossísmicos. Los resultados de estos estudios se muestran en las Figs. 62 y 63. Los valores corresponden a una amplia gama de condiciones del suelo, pero para los casos prácticos, los valores de la relacióh de la fuerza cortante en la base varíanentre0.75y 1.10. Estos mismosautores calcularon la relación entre periodos del edificio sobreuna cimentación flexible y sobre una cimentación rígida para unampliointervalodevariaciónderigidecesdela cimentación.Las relaciones calculadas se muestran en la - 113 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

I I I I I I I I I I 1 I 'óc o 1.00- c El Centro ~ m /91''/ /" -' i /' E / /' _. E5 / i /, _ / ó0.80 ,/ / _ 0 -Taft/l 2 /1 Intervalo práctico - e 9Íympia 1949 /- / _ O 0.60- / --I E / ó - ,/ - E , / ,, EyCentro 1940 0.4 0- , - V/ uo -Z -

0.20 I I I I I 1 I I I I 1 I 1.0 4.0 10 100 400

ó Flexibilidad del edificio k o Flexibilidad de la cimentación h2k

FIG. 62 Efecto de. la flexibilidad de la cimentación en la fuerza cortante máxima en la base de un edificio modelo de cinco

pisos( según MerrittyHousner, 1954)

-114- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

1 I 1.20 _ El Centre1940 .-- _ -- -,....- / -__ 1.00 ,Z . _.=,_------/El Centro .49 .'' _ TaftI -,- ./ / o 0.80 E / / / Intervalo O práctico E /01ympla 1949 0.60 .'/

.0.40 _

I 1 1 I I I 1 I 1 1 I I 1.0 4.0 10 100 400

Flexibilidad del edificio Flexibilidad de la cimentación h2 k

FIG. 63Efecto de lá flexibilidad de la cimentación en la fuerza cortante máxima en la base en un edificio modelo de quince pisos( según Merritt y Housner, 1954 )

- 115 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

I I I

2.20

1.80

1.40

5, 10 y 15Pisos

1.00

I piso-----A9

I I I 1 1 I I I I l I I I I I 1.0 4.0 10 40 100 400

Flexibilidad del edificio _ kO Flexibilidad de la cimentación hrk

FIG. 64 Efecto de laflexibilidad de la cimentación en el periodo fundamental de vibración en edificios modelo de 1,5, 10 y 15

pisos( según Merritt y Housner, 1954

-116- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Fig. 64 para estructuras de 1, 5, 10 y 15 pisos. Nótese de nuevo que el efecto de compresibilidad de la cimentación enlavariedad práctica de suelos que normalmente se encuentran, incSementa elperiodo deledificio en aproximadamente 5 a 10 % para edificios de cinco a 15 pisos y en 5 a 20 % para estructuras de un piso

b) Estudio de Bielak(1971)

En un estudio amplio de los efectos de interacción suelo - estructura, Bielak (1971), calculó el periodo fundamental de un edificiotípico de10 pisos como si 'se hubiera construidosobreunsemiespacioelásticoderigidez variable, y obtuvo los siguientes resultados.

Velocidad de la Periodo Fundamental; onda de balanceo y traslación Tipo de material cortante en el horizontal,`, seg. semiespacio, m /s.

Roca sólida 1500 1.33 Roca intemperizada 600 1.34

Arena densa ' 300 1.36 Arcilla blanda 120 1.50 Arcilla blanda 90 1.62

De nuevo se encontró que los efectos de la compresibilidad sobreuna característicadinámicade laestructura eran menores al 10% para arcillas con vs > 120 m /s, lo -117- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

cual puede generalmente considerarse, como valor

representativo de la inmensa mayoría de los sitios

potenciales de construcción.

c) Estudio del Comité de Investigación,.Asociación de Ingenieros en Estructuras del Norte de California

A menudo se ha discutido que la deformación del suelo bajo un edificio que se balancea hacia atrás y hacia delante durante un sismo, produce un aumento significativo del

periodo fundamental y un incremento importante delas

deformaciones de la estructura en comparación con las que

se tendría sieledificio estuviera construido sobre una cimentación rígida Ciertamente esto no es válido para el

periodo fundamental de una estructura (veánse los estudios

previos de Merritt y Housner y los de Bielak) ' y tampoco

parece serlo en relación con los desplazamientos.

El Comité de Investigación de la Asociación de Ingenieros

en Estructuras del Norte de California (SEAONC) realizó en 1970 un estudio detallado del edificio "Charaima" que sufrio graves daños durante el sismo de Caracas de 1967.

El Estudioincluyó el cálculode los desplazamientos

máximos en varios niveles del edificio durante la excitación sísmica, primero bajola suposición de que el edificio

descansaba sobre una base rígida ydespuéspara la condición de la cimentación real, consistente en pilotes hincados a través de arenas y arcillas blandas hasta una profundidad de 15ni aproximadamente. Los resultados comparativos se muestran en la Fig.65.Seencontró que

- 118 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

II I I 1 I l Modelo de marco aislado

10_ Edificio Charaima (II pisos) sismo de. Caracas, 1967

9

8

7 Cimentación rígida

6

o á, 5 Imantación flexible

4

3

2

o 1 1 1 l --I I o 2.5 5.0 7.5 Desplazamiento máximo, cm FIG. 65 Influencia de las deformaciones de la cimentación en los desplazamientos laterales deun edificio de11. pisos( según el comité de investigación de SEAONC, 1969 )

-119- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

los efectos de compresibilidad de la cimentación en los desplazamientos calculados fueron de casi 5 por ciento. d) Estudio de Sarrazin, Whitman y Roesset (1972). Otro estudio muy completo delosefectos dela interaccióninercialenlarespuestaestructuralfue realizado por Sarrazin et al. (1972). Del estudio se concluyó que :

"El fenómeno(deinteracción inercial)generalmente es favorable o resultó insignificante en los casos reales.Sin embargo, para algunas condiciones especiales puede haber una amplificación en las respuestas estructurales. Esta amplificación nunca es mayor del 20 por ciento"

e)Anteproyecto de Reglamento del Consejo de Tecnología

Aplicada para Diseño Sísmico (1978).

En 1978, el Consejo de Tecnología Aplicada emprendió una iniciativatrascendentalenlosEstadosUnidospara desarrollar un Reglamento Nacional de Construcciones para el diseño sísmico de edificios.En este código se prestó especial atención ala cuestión de los efectos de interacción inercial y estuvo, indudablemente, influido en gran medida por todos los estudios presentados en párrafos anteriores como por el trabajo sobresaliente de Veletsos (1977), sobre este tema. Las recomendaciones finales reconocen que los;. efectos de la interacción inercial causan un incremento enelperiododelaestructuray una reducción en los movimientos de la base, pero este último - 120 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

efecto se toma en cuenta considerando quelos

movimientos en la base no cambian y que el amortiguamiento efectivo de la estructura se incrementa.

De esta manera, se logra el mismo efecto total.

En efecto,, el anteproyecto del Código recomienda por tanto

una reducción en la fuerza cortante de la base debida a los

efectos de interacción inercial; la magnitud deesta

reducción queda determinada por la ecuación:

0.4 T2/3 AV= (0.05) 07. 1 (7) V T2r3

donde V, Cortante en la base sin tomar en cuenta la interacción

inercial

AV, Reduccióndela fuerza cortante en la base, debida a

interacción inercial

T,Periodo natural del edificio, para base fija

T, Periodo natural del edificio, considerando la

deformabilidad del suelo

Amortiguamiento efectivo de la estructura, considerando

los efectos de interacción inercial.

- 121 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

El periodo efectivo delaestructura, T se determina con la expresión:

Ii2 rh h T=T1 +25 a' i+1.12- (8) v¿T1 r s l

w donde a = y Ao h w = 0.7w, Peso efectivo del edificio asociado con el primer modo de vibración = 0.7h, Altura efectiva del edificio asociada con el primer modo de vibración w, Peso del edificio h, Altura del ,edificio T, Periodo natural del edificio, para base fija

Ao v2 r, Radio efectivo de la base del edificio = Ao, Area de la base del edificio vs, Velocidad de la onda de cortante del suelo sobre el que se desplanta el edificio. El amortiguamiento efectivo de la estructura se determina con la ecuación:

0.05 F= go + J (T/T)

- 122 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

0.25 I I I 1 1 I 1 i 1 Valor deAv >0.20 //' ------Valor deAv < 0.10 ' `o ,e o0.20- /' m _ / E

0.15- / // // jo a ' // / . ó0.10- i ,.' - E / o - / _ / iy o / / - / i - . - ó i . ''' _ // / . . ii0.05

i _---

o 1 1 I I I I I I 10 1.2 1.4 1.6 1.8 20 T/ T o TI/ Ti

FIG. 66 Factor de amortiguamiento de la cimentación ( según el Consejo de Tecnología Aplicada, 1978)

- 123 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

donde: 130, Factor de amortiguamiento de la cimentación sin tomar en cuentalosefectos de interaccióninercial determinados con las curvas de la Fig. 66

Elefecto neto de estos resultados es reducirlafuerza cortante en la base en los casos en que se considerala interacción inercial.Para un edificio típico de 10 pisos que tenga una altura de 36 m, dimensiones de la base de 30 x 30 rn y peso de 600 kg /m2 por piso, el periodo natural con base fija puede variar entre T= 0.7 para una construcción típica con muros de cortante, y T = 1.1si tiene una estructura de marcos a flexión.Los cambios de fuerza cortante de la base para tal estructura de acuerdo con las disposiciones del Código serían los siguientes:

PeriodoVelocidad de Reducción de del la onda Periodo Amortiguamiento lafuerza edificio transversalefectivo efectivo cortante en la T,seg. vs, m/s T, seg. base. A V /V,%

0.7 300 0.72 0.055 4

1.1 300 1.12 0.05 1 0.7 150 0.79 0.068 13 1.1 150 1.16 0.058 6

Estos resultados típicos concuerdan, por lo general, con los presentados en invertigaciones anteriores en que los efectos de interacción resultan pequeños ya que normalmente producen una

- 124 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

reducción en la fuerza cortante en la base del orden de 0 al 15%paralamayoríadelascondicionesdelsuelo y configuraciones del edificio.Las disposiciones del Código, establecen sin embargo la posible reducción dela fuerza cortante en la base debido a la interacción inercial, del 30 por ciento

4.2.2 Algunos efectos especiales de la interacción inercial. Podría parecer que la discusión anterior indica que los efectos de la interacción inercial en la respuesta del edificio y en los daños potenciales son generalmente pequeños, del orden del 20% conrelaciónaloscalculadosparacondicionesde desacoplamiento.Sin embargo, hay dos casos especiales para los cuales lo anterior puede no ser aplicable: a) Edificos construidos sobre suelos extremadamente blandos. Debido a que hay un límite para la consistencia dela mayoría de las arcillas sobre las que pueden construirse losedificios,esextremadamenteraroencontrar estructuras grandes (de mas de uno o dos pisos de altura) construidas directamente sobre arcillas en las cuales haya un espesor significativo del suelo con una resistencia al corte menor de 1.75t/m2 o con una velocidad de onda - transversal menor de 120 m /s. Para tales arcillas,la influencia de la compresibilidaddel suelo en el periodo natural de una estructura no es muy grande, es decir del orden del 10% como lo demostró Bielak (1969) para un edificio de 10 pisos.

Sin embargo, en algunos casos especiales tal como es el caso del subsuelo de la ciudad de México, la resistencia de - 125 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

o Nti

O ti a+ - o m to to o+ af

c o O - u

-O

I I I I o o an o n o N N o s;o,punóes 'opuipe lop opoped

- 126 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

la arcilla puede exceder de 1.75 t /m` pero la velocidad de la onda transversal puede ser mucho menor de 120 m /s; de hecho, paralaarcilla dela ciudadde México,la velocidad de las ondas de cortante se aproxima mas a los 60 m /s.Aunque una reducción en la velocidad de onda transversal de 600 a 120 m/s incrementará el periodo de un edificio de 10 pisos en solo aproximadamente el 10 %, una reducción de 120 m/s a 60 m/s aumentará el periodo natural de vibración en cerca del 40% corno lo ilustran los siguientesresultadosparaunedificiode 10pisos construido sobre una capa de 30.5 m de espesor de arcilla (Rollins, 1987).

Condiciones del subsuelo Periodo fundamental,seg.

Roca T = 1.33 Arcilla con vs = 600 m/s T = 1.33 Arcilla con s = 300 m/s T = 1.35 Arcilla con s = 120 m/s T = 1.42 Arcilla con vs =60 m/s T = 1.98

Estos resultados se muestran gráficamente en la Fig. 67 junto con los obtenidos por Bielak (1971) .Es evidente que el periodo fundamental de un edificio de 10 pisos varía muy poco para una amplia gama de rigideces de la cimentación de1520a120 m/s pero cambia drásticamente con reducciones en la rigidez por debajo de 120 m /s.

Este cambio importante en el periodo fundamental de los edificios sobre arcillas blandas, tales como la arcilla de la - 127 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed 0 a M + OO Ti '47 iv v o yO O IL d N N h , . , .. O -O dCO d10 dV: N O ICU $3 dt uóDJOfuV E ó « .;p o N t N >4- 1-

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II a Nf N - O 1a4311dt uppOJI09V

O

Q dd á ID .1 jadt UO13DJ13d - 128 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

ciudad de México, que es una consecuencia directa de la interacción inercial, puede tener una gran influencia en la respuesta de un edificio.

La Fig. 68 presentalos resultados de un análisis de interacción suelo- estructura para un edificio de 10 pisos desplantado en la arcilla de la ciudad de México(vs =60 m /s) ysujetoaltipodemovimientos sísmicos desarrollados en formaciones rocosas durante el terremoto del 19 de septiembre de 1985. La figura muestra los espectros de respuesta para los movimientos generados en campo libre y en la base de la estructura. Como podria esperarse,. los efectos de la interacción inercial provocan que las amplitudes espectrales para los movimientos en la base dela estructura sean algo menores que las correspondientes a los movimientos de campo libre. Sin embargo, los cálculos de la fuerza cortante de la base y de los periodos del edificio para análisis con acoplamiento y desacoplamiento muestran los siguientes resultados:

Análisis con acoplamiento: Periodo fundamental 1.98 seg.Aceleración espectral 0.57g. Máxima fuerza cortante en la base = 85.5 t /m. Análisis con desacopla- Periodo fundamental = 1.33 miento: seg.Aceleraciónespectral 0.26g. Máxima fuerza cortante enlabase ~54 t /m. - 129 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

EdifL clo Movimiento de la superficie del terreno

Depósito de suelo Depósito de suelo

Y /M1J/A A MA A ...RAY/TxA TY / /0 /.(q Movimiento de la roca Movimiento de la roca (a) Sistema acoplado (b) Sistema no acoplado

1.8 1 I I I e Estructura de 10 pisos* 1.6 o Estructura de10 pisos Estructura de4 pisos ( Supresión importante del movimiento) p Estructura de 10 pisos 1.4 ( Cambio importante en el periodo del edificio debido al acoplamiento)

1.2

o 1.0----.------o o 0.8 o 0.6

0.4

0.2 * ( Fin et al., 1972 )

0 1 1 1 1 0 0.3 1.0 1.5 2.0 2.5 c o Periodo fundamental del depósito de suelo,seq. ú o FIG. 69Influencia del desacoplamiento del sistema suelo - estructura o: en la fuerza cortante en la base de un edificio de 10 pisos

- 130 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Asi, aunque el espectro para los movimientos de campo libre(empleados paraelanálisis con desacoplamiento) generalmente tiene ordenadas mayores que las del espectro obtenidoapartirdelanálisiscon acoplamiento(ver Fig. 68),la fuerza cortante máxima en la base para el análisis con acoplamiento es mucho mayor queladel análisis con desacoplamiento.Esto se debe al gran cambio en el periodo natural, de T = 1.33 s para un análisis ,con base fija a T = 1.98 s para un análisis (de acoplamiento) con la base deformable.En este caso, la relación entre la fuerza cortante máxima en la base para un análisis con acoplamiento y la de un análisis con desacoplamiento es igual aproximadamente a1.6. Esta relación tan alta de fuerzascortantesdelabase con acoplamientoy desacoplamientose hadibujado enlaFig. 69para mostrar su relación con los valores más convencionales presentados previamente en la Fig. 61.Es claro que esto tiene muchas implicaciones significativas para el diseño sísmico de edificios en la ciudad de México.

En general, la aplicación de un procedimiento mucho más simple de análisis con desacoplamiento para determinar la fuerza máxima cortante enlabase de una estructura, proporcionará un valor ligeramente conservador para las condiciones realesde acoplamiento. Enlaciudadde México,sin embargoelusodeunanálisiscon desacoplamiento,mássimple,conducirá a una subestimación de la fuerza cortante real en la base de cerca del 60 %. Esta es una diferencia importante y podría tener un efecto significativo enelpotencialde dañoa - 131 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

-9

0 - 0 0 5 O m tD v, ry o co ID K N O v. á ó 0 0 aD pDJj*adc uypDJalad óJaoadsOuóDJaIaad «a a - n C 0 0

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O m t0 N O lDJOjOdd 0 u cid0 pDJOIY3d

- 132 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

estructuras.

Esinteresanteobservarquesielanálisiscon desacoplamiento se hiciera con el periodo real del sistema edificio /suelo (1.98 s) y además se aplicara el espectro de campo libre,la aceleración espectral correspondiente al periodo del primer modo natural sería igual a 0.84g y el valor correspondiente de la máxima fuerza cortante en la base sería de aproximadamente 126 t /m. En este caso la fuerzacortanterealenlabase(determinadapor un análisis con acoplamiento)se sobrestimaría en un 45% aproximadamente.Así, el uso de un valor apropiado para el periodo efectivo del sistema edificio /suelo conduciría a un cálculo conservador de la fuerza cortante en vez de un valor subestimado.

Si el periodo efectivo del edificio se determina empleando la ecuación propuesta por el anteproyecto de Reglamento de Diseño para Estados Unidos propuesto por el Consejo de Tecnología Aplicada .(Ec.8), se encuentra que el periodo efectivo es de cerca de 1.7 s y la aceleración espectral correspondientedelespectrodelcampolibreesde aproximadamente 90 t /m, lo cual concuerda muy bien con el valor del análisis con acoplamiento de 85 t /m. Así, el uso de un periodo "efectivo' puede proporcionar de hecho un método simple y razonable para determinar los valores de la fuerza cortante en la base sin necesidad de un análisis con acoplamiento. En todo caso, laaplicación,de un periodo estructura /suelo que considere la deformabilidad del suelo en las evaluaciones de la fuerza cortante en la base parece - 133 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

ser un criterio deseable para evitar errores serios en

dichas evaluaciones.

b) Edificios con periodos naturales similares a los periodos

predominantes de los movimientos del terreno

Otra situación especial, se tiene cuando el periodo natural de una estructura construida sobre elterreno es aproximadamente el mismo que el del periodo predominante de los movimientos superficiales del terreno en campo

libre. Los resultados de un análisis con acoplamiento para tal condición, se muestran en la Fig. 70. En todos los

casos de análisis con acoplamiento, las ondas se propagan a

través del suelo y dentro de la estructura y la presencia de

una estructura sobre la superficie del terrenopuede considerarse, en cierta forma, equivalente a cambiar la

ubicación de la superficie del terreno en la zona donde se

encuentra la estructura. Entonces, los efectos de reflexión de la onda que normalmente ocurren en la superficie del

terreno, según sedescribióanteriormente, ocurren en

realidad en laparte superior de la estructura y esto modificará los movimientos en la base de la estructura de

una manera análoga a la que ocurre bajo la superficie del terreno en campo libre; es decir, puede esperarse que a cualquier profundidad habrá una anulación delas

aceleraciones espectrales para periodos cercanos al periodo

naturalcon base fija del suelo suprayacente o deotro

sistema.

- 134 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

En el caso de una estructura que se apoya sobre suelos, podría esperarse que las reflexiones de las ondas en la parte superior de la estructura redujeran las aceleraciones espectrales enla base delaestructura para periodos cercanos al periodo natural de la estructura con base fija. Este efecto se destaca en el análisis de interacción suelo - estructura mostrado en la Fig. 70 (Rollins, 1987).

El espectro de movimiento de campo libre tiene un pico pronunciado para un periodo de aproximadamente 0.35 s y los movimientos en la parte superior de la estructura, la cual tiene un periodo natural de0.35 s se amplifican enormemente para este periodo. Sin embargo, Ios movimientos calculados en labase dela estructura no muestran este pico pronunciado, quizás como resultado del fenómeno de reflexión de ondas y así como lafuerza cortanteenlabase determinada porunanálisiscon acoplamiento del sistemasuelo- estructura es sorprendentemente baja, con un valor de 8.8t.El valor correspondiente de la máxima fuerza cortante en la, base, determinada por un análisis con desacoplamiento, es de 19.3t,resultandouna relaciónde valoresde fuerza cortanteenlabaseconacoplamientoysinél,de aproximadamente 0.46. Este valor es mucho más bajo que el comúnmente determinado para estos análisis, como se mostró enlaFig.69,dondelarelación dibujada se compara con los resultados de algunos estudios similares de sistemas suelo -estructura.

Elefectodesupresióndefrecuenciasdescrito - 135 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

anteriormente es extremadamente importante para muchas estructuras, ya que de hecho, dichas estructuras pueden autoprotegerse de los efectos de los movimientos en su

base, los cuales podrían ser enormemente destructivos. Sin

embargo, esto parece ser significativo sólo en casos donde

el espectro derespuesta paralos movimientos de la superficie del terreno tienen un pico pronunciado para el

mismo periodo que el fundamental de la estructura.

En otros casos, el efecto de anulación de amplitud espectral

actúa dentro de un intervalo donde las ordenadas espectrales

son pequeñas por lo que no ocurren cambios importantes. Por otro lado, es importante notar que desde un punto de

vista de comportamiento estructural, el fenómeno puede ser

extremadamente útil yaque la estructura se ayuda a

sí misma en loscasos en que probablemente más se

necesita.

4.2.3. Resumen de los efectos de la interacción inercial

Con base en el repaso anterior, parece razonable concluir

que para lasestructuras convencionales, la interacción

inercial tiene los siguientes efectos sobre la respuesta del

edificio:

a) En general, la interacción inercial . tiendea provocar una leve reducción en la intensidad de los movimientos del

terreno en la base. de la estructura, en comparación con.la

intensidad delos movimientos desarrollados en campo

libre. Sin embargo, puede incrementar la intensidad

- 136 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

levemente para algunos periodos. Así, para la mayoría de lasestructuraselefectoserápequeño,delorden de aproximadamente +10% A -20 %. Sin embargo, en ciertos casos especiales donde se tienen estructuras bajas sobre suelos rígidos, puede disminuir el factor de amplificación espectral máxima, hasta en un 50 por ciento.

b) Para la mayoría de los suelos (es decir, para los que tienen velocidades de onda de cortante variables entre100 y 750m /s),la interacción inercial sólo tiene un pequeño efecto en el periodo natural de vibración de una estructura convencional,incrementandotípicamenteelperiodoen órdenes demagnitud que fluctúan decero a aproximadamente 10% o sea en aproximadamente 0.15 seg. paralossuelos más blandos.Sin embargo, cuandola. velocidad de la onda de cortante en el suelo es inferior a los 100 m /s, hay un marcado incremento en el periodo fundamental de vibración,hasta de un 50%, cuandola velocidad de la onda de cortante desciende a valores del orden de 60 m /s.

c) Los efectos combinados de los cambios en los movimientos de la base y la variación del periodo del edificio debido a la interacción inercial, para la mayoría de las estructuras consisten en modificar la fuerza cortante en la base en cantidades que fluctúan de +10% a -20% aproximadamente. Sin embargo, en casos especiales, los efectos combinados pueden incrementar la fuerza cortante en la base hasta en un 60% o reducirla en aproximadamente un 50% y es importante identificar las raras situaciones donde pueden - 137 VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

ocurrir esas modificaciones grandes.

d) Las estructuras relativamente bajas pueden provocar una gran anulación de movimientos de campo libre en la base de la estructura debido alos efectos dela interacción inercial. Esto ocurrirá cuando el periodo de la estructura sea aproximadamente igualal periodo paraelcual se presenta un pico importante en el espectro de respuesta de campo libre.

e) Para edificios altos (de 10 pisos o más), aun si el periodo del edificio es muy semejante al periodo donde existe un pico pronunciado en el espectro de respuesta de aceleración de campo libre, la magnitud de la anulación del movimiento parece ser mucho menor que la que puede ocurrir para estructuras bajas y puede variar de leve a moderada.

f)Losefectosde interaccióninercialson deespecial importancia enlaciudad de México debido alabaja Velocidad de las ondas de cortante en la arcilla que subyace la mayor parte de la ciudad (aproximadamente 60 m /s). Por esto, los periodos naturales dé los edificios bajo una fuerte excitación sísmica son significativamente más largos que, los de estructuras iguales sobre terreno firme. Así, los periodos estructurales para los edificios en las partes de la ciudad apoyadas sobre arcilla blanda, pueden ser del orden de 0.2N segundos, donde N es el número de pisos, en tanto que será de aproximadamente 0.125N en aquellas zonas de la ciudad subyacidas por suelos más rígidos.

- 138 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

g) En los sismos que han afectado a la ciudad de México en los últimos 80 anos, los efectos combinados de la interacción inercial sobre la fuerza cortante en la base generada en estructuras hasta de unos 12 pisos, construidas en la zona del antiguolecho lacustre,es probable que hayan incrementado dicha fuerza cortante enla base en aproximadamente 60% respecto a los valores calculados medianteanálisisdesistemasdesacoplados,losque ignoran los efectos de la interacción inercial.

N) Para evaluar la respuesta de un edificio ante una excitación sísmica,esimportanteemplearelperiodonatural verdadero delsistema edificio cimentación en vezdel periodo natural de base fija del edificio solo.

- 139 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

5. USO DE PROCEDIMIENTOS ANALITICOS PARA EVALUAR LOS EFECTOS DE RESPUESTA DEL SITIO

Cuando la influencia de las condiciones locales del sitio en los movimientos del terreno por sismo comenzó a considerarse como un factor importante en laingeniería sísmica, hace aproximadamente20años,elnúmeroderegistrosde movimientos del terreno disponibles para evaluar estos efectos era muy bajo,por loque se recurrióa procedimientos analíticos para evaluar sus posibles efectos (Seed eIdriss, 1969; Schnabel et.al1972). Sin embargo,dichos procedimientos no fueron ampliamente utilizados en la práctica de ingeniería, debido a los contados casos disponibles para validar su confiabilidad.Con el paso del tiempo (5 o 6 años aproximadamente)seincrementóelnúmero deregistros símicos disponibles y fue posible aclarar la influencia de las condiciones locales del suelo en una forma general por medio de estudios empíricos de grupos de registros para sitios con condiciones similares del subsuelo. De este modo, la necesidad deprocedimientosanalíticosaminoróyestoshansido raramente utilizados en los últimos 10 años.

En años recientes, sin embargo, parece que ha aumentado el consenso general de que el análisis de la respuesta del terreno puede serútilparalaevaluación delosefectos delas condiciones locales del suelo en un sitio específico.Así por ejemplo, en un seminario reciente (1986)sobrela interacción suelo- estructura, patrocinado por la Comisión de

Regulación Nuclear de los Estados Unidos ( U.S. Nuclear Regulatory Authority) se concluyó que el análisis de respuesta - 140 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed i del terreno puede resultar útilenla determinación dela respuesta de una estructura empotrada, incluyendo los efectos de interacción cinemática y en ningún otro lugar ha sido la utilidad del análisis de respuesta del terreno tan ampliamente demostrada como en la evaluación de las variaciones de la respuesta del terreno durante el sismo del 19 de septiembre de 1985 en la ciudad de México.

Durante el sismo se obtuvieron registros del movimiento del terreno en tres lugares de la ciudad de México subyacidos por arcillas del lecho lacustre: en el local de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT)y en dos sitios de la Central de Abastos ( C A O y C A F), y en ellos el espesor de laarcilla es de alrededor de 37, 47 y 57 metros, respectivamente, como se muestra en la Fig. 71.El espectro promedio para los tres sitios, asi como el espectro promedio para los movimientos sobre formaciones rocosas en la zona de la Ciudad Universitaria, se presentan en la Fig.72. Las variaciones, generalmente predecibles y notables, entre los movimientos de un sitio y otro, son evidentes.

Se presentan en las Figs. 73, 74 y 75 los resultados de los cálculos preliminares realizados por elProf. Romo de la Universidad Nacional Autónoma de México y por elautor (1986) parapredeciranalíticamente losmovimientos superficiales a partir de:

a) El conocimiento de las características del movimiento en la roca.

- 141 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

26 30 34 38

sa G

Aeropuerto

Taeubayo

CAO d CAF CentraldeAbasto

Ciudad Universitaria °-7ulyshualeo

Zona de grandes daños Ubicación de acelerógrafos O para movimiento fuerte Acotaciones en m n

FIG. 71 Plano de la Ciudad de México que muestra el espesar del suelo y la localización de las estaciones instrumentadas VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

1.0

0.9 5 % de amortiguamiento

0.8

Sitio SCT ( Profundidad de la 0.7 capa dura, D 37 m )

0.6 Sitio CAF (D 47m) N 0.5 Sitio CAO (D:Z.58m) m u 4 0.3 /--\ / 0.2 \ / \ //-41\_.,-//. / Roca/ y\\\\ - suelo duro 0.1 '

0 l O 2 3 4 5 Periodo, segundos

FIG. 72 Espectrosderespuesta de aceleración para diferentes sitiosde laCiudad de México VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

1.0 Espectro promedio paro movimientos registrados (5% de amor_ tiguamiento) Espectro calculado con base en. el espectro promedio de movimi_ 0.9 entos en la UNAM - - - - Espectro calculado con base en registros modificados de escala 0.8 de movimientos en roca

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3 ;¡i 0.2

0.1

0 0 2 3 4 5 6 Periodo, segundos

FIG.73 Comparación de espectros para movimientos registrados y calculados en el sitio dela SCT (según Romo y Seed, 1986)

- 144 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. H. Seed

0.5 Espectro promedio para movimientos registrados( 5% de amortiguamiento) Espectro calculado con base en el espectro 0.4 promedio para movimientos en la UNAM

o 0.3 u n

0.2 ú o

u a 0.1

0 1 0 2 3 4 5 6 Periodo, segundos FIG. 74 Comparación de espectros para movimientos registrados y calculados en el sitio CAO (según Romo y Seed, 1986)

0.5 Espectro promedio paro movimientos registrados (5% de amortiguamiento ) - - --Espectro calculado, con base en el espectro promedio para movimientos en la UNAM 0.4

0 1 0 2 3 4 5 6 Periodo, segundos

FIG. 75Comparación de espectros para movimientos registrados y calculados enel sitio CAF ( según Romo y Seed, 1986 ) -i45- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.,Seed

b) Una estimación preliminar de las propiedades dinámicas de las arcillas, y

c) El perfil general del subsuelo en cada sitio.

Es obvio quelas principales características delos movimientos registrados en cada sitio si la naturaleza de los movimientos en la roca hubiera podido preverse apropiadamente y se hubieran podido tomarencuentadebidamenteotrasincertidumbres.Sieste procedimiento -se hubiera seguido, la comunidad de ingenieros hubiera contado con una mejor estimación de los movimientos que podrían esperarse durante un sismo importante y algunos de los daños que ocurrieron podrían haberse prevenido.

Estetipoderesultadoparece ser particularmente válidopara arcillas y esde esperarse que tantolos datos extremadamente valiosos obtenidos enlaciudad de México duranteel sismo de septiembre de 1985, como su significado en relación con los efectos de las condiciones locales dé suelo, no pasen inadvertidos y sin tomar acciones apropiadas en el resto del mundo.

Los análisis de respuesta del terreno para ondas de propagación casi vertical no son la panacea para la solución de todos los problemas de movimientos del terreno, pero como toda herramienta de ingeniería, tienen un lugar en las técnicas a nuestra disposición. A pesar de que estos análisis pueden ser demasiados simplificados en comparación conlosanálisisrequeridos para estudiarlospatrones de onda extremadamente complejos que pueden desarrollarse durantelos sismos, consideran, sin embargo, muchas de las caracterísiticas esencialesdelproblemaderespuestadelterrenoyseguirán - 145 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

proporcionando un valioso complemento a los datos disponibles de la observación especialmente para sitios sobre arcilla.De hecho en muchos casosserán deseables para destacardetallesdelas características de respuesta del terreno que pueden ser omitidos por las técnicasde promedio estadístico utilizadas para generalizar movimientos registrados de diferentes fuentes.

Un excelente ejemplo de loanterior lo proporciona el espectro de respuesta del movimiento sísmico registrado en Bursa,Turquía, durante una réplica del sismo de Gediz en 1970 (Tezcan e Ipek,

1973). Elespectro, que se muestra en la Fig. 13, es totalmente diferente a cualquiera otra forma espectral promedio generada por técnicas deanálisisestadístico ynoobstante_esfácilmente predecible por procedimientos de análisis de respuesta del terreno.

Enefecto,existelanecesidadtantodeenfoquesempíricos (estadística) como analíticos para evaluar las curvas espectrales para un sitioespecífico,los primeros para garantizar quelos movimientos delterreno utilizado para eldiseño concuerden en general con el patrón establecido que se ha observado en sismos reales y para que los resultados analíticos que definitivamente no concuerdan con el comportamiento conocido no sean adoptados corno base para el diseño, los segundos para proporcionar una visión de los efectos especiales en el sitio que pueden quedar encubiertos por los procedimientos de análisis estadístico y para proporcionar un ajuste mas refinado de las características generales obtenidas por datos de la observación. Si se emplean juntos en la forma antes descrita y en combinación con un buen juicio ingenieril basado en la observación de movimientos del terreno y en el comportamiento de edificios durante los sismos, será posible evaluar las características del moirrüento - 147 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

6. TRATAMIENTO DE LOS EFECTOS LOCALES DEL SITIO EN LOS REGLAMENTOS DE CONSTRUCCION MODERNOS.

Los primeros esfuerzos para tomar en cuenta los efectos locales del suelo en la evaluación del nivel esperado de excitación sísmica fueron del tipo propuesto por Wood, después del sismo de 1906 en San Francisco, donde se asignaron diferentes coeficientes a diferentes tipos de suelos, como se discutió en el capítulo 2.

La ingeniería sísmica ha avanzado notablemente a partir de aquéllos días y ahora se reconoce generalmente que la descripción de mayor utilidad y más simple de un movimiento del terreno por sismo es el espectro de respuesta de aceleración.De este modo, en la mayoría de los reglamentos modernos de construcción,elefecto de las condiciones locales del suelo en la respuesta del terreno se toma en cuenta mediante la especificación de espectros diferentes para las distintas condiciones del subsuelo que pueden encontrarse en una zona determinada. Alternativamente, los espectros se modifican y se expresan como coeficientes de diseño de fuerza lateral que varían con el periodo de la estructura.

Posiblemente el primer reglamento que estableció coeficientes de fuerza lateral para el diseño a prueba de sismos, variables con las condiciones locales del suelo, fue el código chileno de 1932. Al parecer otros países no aceptaron tal requerimiento sino hasta 1950 cuando varios deellosadoptaron coeficientes de fuerzalateral dependientes del suelo, como sigue (Ohsaki, 1969):

1953 TurquíaCoeficientes defuerza lateral variables en función - 149 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

de las siguientes condiciones del suelo: 1.- Roca. 2.- Arcilla dura. 3.- Otros suelos. 1954Japón Coeficientes de fuerza lateral variables según la naturaleza del terreno como sigue: 1.- Suelo duro y roca. 2.- Depósitos principalmente diluviales. 3.- Depósitos principalmente aluviales. 4.- Suelos blandos.

1955Argelia Coeficientes de fuerza lateral variables que depen- den de las siguientes condiciones del terreno: 1.- Roca. 2.- Suelo.

1955Grecia Coeficientes de fuerza lateral variables que depen- den de las siguientes condiciones del suelo: 1.- Depósitos duros y homogéneos dearcilla - magra. 2.- Suelos sueltos y quebradizos. 3.- Zonas pantanosas y lechos lacustres drenados. 4.- Suelos sueltos y heterogéneos.

En México, después del temblor de 1957, se reconoció sin lugar a dudas' quediferentesnivelesdeintensidadsísmicasehabían desarrollado en las distintas condiciones del suelo en la ciudad de México y se estableció una zonificación que divide a la ciudad en tres zonas: - 150 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

(1) Formaciones duras y rocosas. (2) Zona de transición. (3) Depósitos lacustres arcillosos.

En el reglamento revisado en 1976, los espectros de diseño para estas tres zonas de la ciudad de México se establecieron como se muestra en la Fig. 76.

En los Estados Unidos, no fue sino hasta 1976 que se modificaron los reglamentos para tomar en cuenta las condiciones locales de los suelos y desde entonces varios procedimientos diferentes se han empleado con ese propósito.En la primera etapa, los efectos de las condicioneslocalesdelsueloenloscriteriosdedisehopor resistencia sísmica se tomaron en cuenta mediante el concepto de "Interacción de respuesta" y los criterios de diseño se incrementaban por un factor de resonancia suelo /estructura que variaba entre 1.0 y

1.5 en función de la relación TjTs,donde T es el periodo natural del edificio y Ts es el periodo característico (fundamental) del depósito de suelo subyacente. La variación de S con respecto a TjTs se muestra en laFig.24. Este es todavía el método oficial para considerar los efectos del subsuelo.

En 1978, el Consejo de Tecnología Aplicada emprendió un estudio para desarrollar "Recomendaciones preliminares para el desarrollo de reglamentos sísmicos para la construcción.Se pretendía que estas recomendaciones proporcionaran una base a nivel nacional para los reglamentos de diseho antisísmico en los Estados Unidos. El documento resultante recomienda que el factor S en el código actual sea reemplazado por una serie de espectros específicos de sitio y las formas espectrales desarrolladas por Seed y et al.(1974) fueron - 151 - 0.3 .. 0.2 Zona III (lecho de arcilla) cr «óao Zona I I (Trans.) Zona I (Roca) FIG. 76 Espectros de diseño para diferentes zonas del subsuelo de la Ciudad de México 2 Periodo, segundos 3 4 ( 9L61 'DpoalldV Dióolouoa1 op 0'£ otasuo3 I. 5' Z unbas) u0laanJjsuw op OjUiWDIbaJ la DJDd sOpDpuaWOoaJ QZ sopunbas 5'I 'o poi Jed 01 sOpD21IDWJOU toJ430ds3 5'0 LL '914 0 oe Z mO. v om (Qj oleos op odlj) oplbu olans A DaoJ op sauoplpuo3 ovens op odl j ) O (Colons op odlj) solpaw D sopuolg op soplóp sDIIWJD O Uo1sa403 uls Josadsa uDJ6 sDIIIoJD (® A op solan$ 'SD UaJd VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

adoptadas y modificadas para este propósito, obteniéndose el espectro mostrado en la Fig. 77.

En una etapa posterior, se sugirió (Donovan et al., 1978) que los espectros específicos de sitio mostrados en laFig.77 podrían efectivamente cambiarse por coeficientes de fuerza lateral de diseño definidos por la ecuación: Z .I. S. V = 1.25 4 W . (10) R T' w donde: Z, Factor de zona sísmica que fluct.ua desde cero (regiones asísmicas) hasta 0.4. I, Coeficiente de importancia con valores de 1.0 o 1.25. Rw, Coeficiente numérico dependiente delsistema

estructural varía entre 4 y 12 . T, Periodo fundamental de la estructura. W, Carga muerta sísmica total de la estructura.

S, Coeficiente de sitio, con valores S1, S 2, S3,descritos a continuación:

Tipo de suelo Descripción de la condición del suelo Factor S

Un perfil de suelo con cualquiera de las S1 siguientes características.

(a) Material tipo rocoso caracterizado por una velocidad de onda de corte ma- yor de 750 m/s o por otro medio ade-

- 154 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

cuado de clasificación, o

(b)Condición de suelo rígido o denso donde el espesor delacapa de suelo es menor de 60 m. 1.0

Tipo de suelo Descripción de la condición del suelo Factor S S2 Un perfil de suelo con condiciones de suelo denso o rígido, donde elespe - sor de la capa de suelo excede los 60 m. 1.2

~3 Un perfil de suelo que contiene10 m o mas de arcilla blanda a firme o arenas sueltas 1.5

Sin embargo, los espectros de diseño también se especifican para utilizarse en casos donde el ingeniero de diseño preferiría emplear procedimientosdeanálisisdinámicoenlugar de métodos seudoestáticos, más convencionales.De este modo, se tiene una combinación de las primeras ideas de Wood et al, con la práctica moderna que usa el espectro de respuesta para fines de diseño.

A partir del sismo de la ciudad de México de 1985, se propuso que una cuarta categoría de suelos se incluyera en las recomendaciones del Reglamento de los Estados Unidos y esta propuesta se encuentra actualmente sometida a profundo análisis. En esa etapa se tendrían cuatro condiciones de suelo reconocidas para cada una de las cuatro diferenteszonas sísmicasylosespectrosdediseñoparala - 155 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

0.50 1.00 1.59 2.00 2,50 3.00 Periodo natural no amortiguado, segundos

FIG. 78Formas de los espectros de respuesta para zona sísmico 4 ( incluyendoel espectro tentativo S4 1 Amortiguamiento = 5.0 %

- 156 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

intensidad más alta de la zona 4 tendrían la geometría mostrada en laFig. 78. En la Tabla 3 se presentan las condiciones de suelo respectivas ylos coeficientes de sitio relativos para usarse en análisisseudoestáticos para diferentes condiciones del subsuelo.

Todos estos procedimientos toman en cuenta los efectos locales del sitio en la respuesta del edificio y, si se aplican apropiadamente, pueden contribuir en forma importante a la mitigación de los efectos potencialmentecatastróficosdelosmovimientos sísmicosdel terreno.

Tabla3.Coeficientesdesitioparalasrecomendacionesal reglamento de Construcción de SEAOC.

Tipo Descripción Factor S

Un perfil de suelo con:

(a) Material semejante a roca caracterizado por una velocidad de onda de cortante mayor que 75 m/s o definida por otro medio ade- cuado de clasificación, o

(b) Suelo rígido o denso donde el espesor de la capa de suelo es menor de 60 ni 1.0

S-. Un perfil de suelo con condiciones de suelo rígido o duro, donde el espesor delacapa - 157 - VIII CONFERENCIA NABOR ,CARRILLO H. B. Seed

de suelo excede 60 m o un perfil formado en un estrato delgado de arcilla blanda hasta de 6 m de espesor suprayacente al material semejante a roca. 1.2

S3 Un perfil de suelo con 12 m o más de es - pesor que contiene más de 6 m de arcilla blanda a semirrígida pero no más de12 m de arcilla blanda 1.5

S4 Un perfil de suelo que contiene más de 12 m de arcillablanda. Alternativamente,los suelos que caen dentro de esta categoría - pueden tener un espectro de diseño deter- minado por un estudio especial de geotác nica que tome en cuenta las condiciones es- pecíficas del suelo. 2.0

El factor de sitio se establecerá a partir de datos geotécnicos verificados convenientemente. En lugares donde las propiedades del suelo no sean conocidas detalladamente, para determinar el tipo de perfil de suelo se usará elperfil de suelo S3a menos que el responsable de construcción determine que el tipo de suelos S4 puede existir en el sitio, en cuyo caso se utilizará S4 .

Es importante hacer notar,sin embargo, queeldesarrollo del espectro de respuesta no lineal para relaciones de alta ductilidad, del - 158 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

orden de 4,puede efectivamente encubrirlosefectos delsitio especifico en la respuesta del edificio (Whitman, 1986). Hay amplia evidencia de campo que indica que los efectos de sitio si influyen el la respuesta del edificio y en el daño potencial y de este modo las técnicas de análisis que encubren completamente estos efectos en el proceso de diseño bien pueden conducir a la obtención de resultados erróneos en relación con la importancia de los efectos de sitio, con consecuencias potencialmente desastrosas.

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7. CONCLUSIONES

En esta conferencia he tratado de mirar retrospectivamenteel desarrollodelasideasconcernientesalainfluenciadelas condicioneslocalesdelsuelo enlos movimientos sísmicos del terreno y en los daños a los edificios, asi como de los conceptos que hansidoydebenconsiderarseparalaaplicacióndeestos conocimientos en la práctica de la ingeniería.

He tratado de mostrar que los cuatro efectos primarios que deben considerarse en la determinación de la forma en que las condiciones locales del suelo afectan las fuerzas que se desarrollan en las estructuras durante los sismos, son:

a) Efectos de respuesta del suelo. b) Efectos de interacción inercial. c) Efectos de interacción cinemática, y d) Efectos de prorrateo de la losa de cimentación.

Cada uno de estos factores puede afectar las fuerzas desarrolladas en la estructura porla excitación sísmica y aun cuando hay casos francamente especiales que se apartan de la norma, parece ser que losdiferentesefectos puedeninfluirenlasfuerzasinducidas, dependiendo de las condiciones locales del suelo, en los siguientes porcentajes generales:

Efecto de respuestas del suelo 10 a 500 por ciento Efectos de interacción inercial + 10 a - 20 por ciento Efectos de interacción cinemática 10 a50 por ciento - 160 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

Efectos de prorrateo de la losa de cimentación 5 a 20 por ciento

Considerando que la buena ingeniería implica la inversión de tiempo y de esfuerzo en los factores más importantes, resulta claro que la respuesta local del terreno es el factor dominante en la práctica del diseño en cuanto a la influencia de las condiciones del suelo en la respuesta de la estructura al movimiento. sísmico. Si este problema se maneja debidamente entonces eltrabajo dedicado a los otros factores puede producir resultados valiosos.Sin embargo, no es buena ingeniería invertir tiempo y dinero en estudios detallados de un factor secundario e ignorar los efectos de algún otro factor que realmente determinan el comportamiento ingenieril; o lamentar las limitaciones de un procedimiento idealizado de ingeniería que puede producir resultados con una aproximación del 25% sobre la base de que no reproducen completamente la física del problema y por lo tanto no son todavia adecuados para aplicaciones en ingeniería.

Personalmente creo quela ingeniería sísmica es un campo que favorece los enfoques empíricos y prácticos con base científica que sean compatibles con la experiencia de campo, ya sea que concuerden o no completamente con todo el pensamiento científico actual. Todo el campo es tan complejo que pueden pasar decenas de años antes de que comprendamos todas sus ramificaciones, pero es al mismo tiempo un campo donde el reconocimiento de unos cuantosprincipios,simples pero fundamentalespuede transformar desastres potencialesen enormes salvamentos de vidas y propiedades; de hecho, la tragedia potencial puede tornarse en triunfo. Tuve el privilegio de escuchar a Nabor Carrillo hablar sobre ingeniería y otros asuntos en dos ocasiones en los albores de mi carrera. Quedé sumamente

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impresionado por su habilidad única para combinar la ciencia de la ingeniería con la sabiduría práctica y por su filosofía general acerca del papel de la ingeniería y de la ciencia tanto en la vida como en la creatividad ingenieril. Estoy seguro de que el estaba bien consciente de las ideas que he tratado de expresar,tal vez no tan adecuadamente, en los párrafos precedentes. Unicamente espero que esta conferenciasea untributo a la obra ejemplar y a las importantes contribuciones de este gran líder internacional y que al igual que sus trabajos, contribuyan de alguna manera al bienestar de la humanidad.

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8. RECONOCIMIENTOS

La preparación de este informe y los estudios de investigación que en él se describen fueron patrocinados por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. El autor agradece profundamente este apoyo asi como la amable invitación de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos para presentar el texto principal del informe en la Octava Conferencia Nabor Carrillo durante la Reunión Anual de la Sociedad en Mazatlán, México, en noviembre de 1986.

Doy también gracias a mis colegas, profesores James K. Mitchell y John Lysmer, por sus juiciosos comentarios y por sus muchas sugerencias útiles en relación altexto,asi como muchos otros colegas e ingenieros que contribuyeron a la información presentada.

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RESPUESTAS DEL PROFESOR HARRY BOLTON SEED A PREGUNTAS QUE LE FUERON PLANTEADAS DURANTE LA OCTAVA CONFERENCIA NABOR CARRILLO.

PREGUNTA: Ing. Jaime Martinez Mier

En su opinión, actualmente:

1. Cuál procedimiento para la determinación del módulo de corte G de suelos blandos considera usted el mejor? 2. Cuál es la medición más adecuada: la realizada in eitu o en el laboratorio?

RESPUESTA

Actualmente,para la mayoriá de los sitios, el mejor procedimiento para la determinación del módulo de corte del suelo, es el de medir lavelocidad delaonda de cortante directamente insitu.Esto proporciona un parámetro grueso para una zona extensa y evita complicaciones relacionadas con factores tales como la selección de m uestras representativas ylosefectos delaalteración delas muestras.

En el Valle de México, la arcilla es razonablemente uniforme y se pueden desarrollar buenas correlaciones entrelaresistencia de penetración del cono y la velocidad de ondas de cortante. El trabajo que el Dr. Romo y el Ing. Jaime están realizando sobre este tema es - 173 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

extremadamente valioso y en corto tiempo eliminará probablemente la necesidad de medir las velocidades de las ondas de cortante en las arcillas de la ciudad de México.

Pero si estamos hablarldo en general de otras zonas de México o .de otras zonas del mundo, entonces el procedimiento más seguro, en mi opinión, es medir in situ la velocidad de la onda de cortante de cada estrato del suelo y usarla directamente para definir un módulo de cortante de baja deformación del suelo.

Es necesario,despuésde obtener elmódulo decorte de baja deformación, convertir ese valor a un módulo de cortante para alta deformación para muchos propósitos de análisis sísmico, pero en muchos casos, también esto es tal vez lo más fácil de hacer con base en los datos disponibles.

El Dr. Romo demostró cómo el módulo de cortante de la arcilla de la ciudad de México se atenúa al incrementar la deformación. Sus curvas para la arcilla de la ciudad de México son muy buenas y la experiencia indica que proporcionan resultados confiables. Curvas similares,desarrolladasparasuelosarenosos,parecenser aplicables con un buen grado de exactitud a la mayoría de las zonas del mundo. Así, los procedimientos para determinar la atenuación del. módulo con la deformación en muchos suelos son generalmente en el sitio.Paraaplicarlos,esnecesarioobtenerunbuenvalor representativo a baja deformación y la mayoría de las veces, este se obtiene midiendo la velocidad de la onda de cortante.

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PREGUNTA: Ing. Abraham Ellstein

En un artículo reciente de usted y de Romo, se determina el espectro de respuesta de aceleración para la ciudad de México usando una versión cambiada adecuadamente de escala del sismo de Pasadena. Podría usted comentarnos algo al respecto?

RESPUESTA:

En realidad hemos analizado la respuesta de diferentes sitios en la ciudad de México utilizando tanto movimientos del terreno como espectrosderespuestaquerepresentanlosmovimientos determinados en la Universidad Nacional Autónoma de México para el sismo de1985,usando una versión cambiada de escala del registro obtenido en Pasadena, California para el sismo del Condado de Kern de1952y hace pocas semanas, empleando una versión cambiada de escaladelsismodeElCentrode 1940. Parahaceresto satisfactoriamenteesnecesariointroducirloscontenidosde frecuencia adecuados dentro de las versiones cambiadas de escala de los registros de estos sismos. Estamos aprendiendo más y más acerca de los contenidos de frecuencia de movimientos producidos por sismos en rocas y en suelo duro y es necesario profundizar esta comprensión aún más. Para determinar analíticamente ,los movimientos en sitios de la ciudad de México subyacidos por arcilla durante el sismo de1985,empezamos por conocer los movimientos enlaUniversidad Nacional Autónoma de México. Pero parael siguientesismo,losmovimientosenla UNAM puedentener contenidosdefrecuencia significativamente diferentesalosdel - 175 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed

sismo ocurrido en 1985 y necesitamos ser capaces de tomar en cuenta tal posibilidad al evaluar la respuesta del terreno. No creo que esto sea difícil de llevar a cabo dado el estado actual del conocimiento delos movimientos delterreno y de las técnicas analíticas.

Con respecto al empleo de los espectros de respuesta de velocidad, en el articulo que el Dr. Romo y yo presentamos en la ciudad de México hace cuatro semanas, únicamente tratamos de demostrar que la predicción del espectro de respuesta de aceleración es una meta alcanzable. No discutimos entonces sobre la forma de utilizar los espectros. Personalmente creo que el daño a los edificios dúctiles está más estrechamente relacionado con las velocidades espectrales que con las aceleraciones espectrales. De este modo, al llevar los resultados del análisis de la respuesta del terreno a la práctica de diseño, es más conveniente trabajar con velocidades espectrales. Elegimos el uso de espectros de respuesta de aceleración porque creemos que la mayoría de los ingenieros están actualmente más familiarizados con estos últimos que con los espectros de respuesta de velocidad.

PREGUNTA: Ing. Dámaso Roldán

Algunos edificios con cimentaciones compensadas por debajo del agua freática se sumergieron en forma repentina aproximadamente 2 m durante el sismo de septiembre de 1985. No hubo un abultamiento significativo del terreno en la zona alrededor del edificio. Tornando en cuenta que el suelo comprimido fue principalmente arcilla,

- 176 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

Como puede explicar usted lo que sucedió?

RESPUESTA:

Creo que la mayoría de los asentamientos que tuvieron lugar en la ciudad de México en el sismo pasado, especialmente donde no hubo,

movimientos significativos del suelo fuera del edificio,

probablemente se debieron a la redistribución de esfuerzos dentro del sistema de cimentación pilotes /suelo. Antes del sismo, la carga en los pilotes era tomada probablemente por la parte inferior del pilote, principalmente,debido a lafricción superficial negativa;luego, durante el sismo hubo movimiento y algún grado de remoldeo del

Suelo lateralmentea lo largo de los pilotes, que produjeron una redistribución de esfuerzos a lo largo de los pilotes y un incremento en la presión de contacto entre la base deledificio y el suelo directamente bajo el mismo. Originalmente, la presión de contacto, en la base probablemente era muy baja, y posteriormente después de que los pilotes perdieron alguna resistencia, la presión aumentó bastante. Dicha redistribución de presión aplicada al suelo de alta compresibilidad de la ciudad de México, ocasionó muchos de los grandes asentamientos que fueron observados durante el sismo de 1985. Pienso que este mecanismo podría explicar asentamientos hasta de 0.5 o 0.8 m. No estoy seguro que también corresponda a 2 m de asentamiento, a menos que hubiera algún espacio entre la base del edificio y el suelo subyacente. No conozcoen este momento la explicación para asentamientos de esta magnitud.

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PREGUNTA: Dr. Boris Simpser

Podría usted detallar sobre la clase de efectos que a su juicio tienen las ondas suaperficiales tales como las de Love y Rayleigh sobre los movimientos del terreno en campo libre durante los simos en suelos como el de la ciudad de México y en otros suelos?

RESPUESTA:

Muchos ingenieros y científicos creen que las ondas de Rayleigh tienen efectos significativos sobreel comportamiento delsuele) durante lossismos. Concuerdo con este concepto, especialmente en relaciónconlainfluenciadelasondasdeRayleighenlas características y en el contenido de frecuencia de los movimientos desarrollados en rocay en sitios de suelo duro.Sin embargo, también creo que para depósitos tales como la arcilla de la ciudad de México, los movimientos de campo libre pueden calcularse desde un punto devista práctico como si todos los movimientos se debieran a ondas de cuerpo inclinadas. Desde un punto de vista científico, sin embargo, necesitamosinvestigar más ampliamente estas ondas. Sospecho que cuando todos los efectos de ondas en los depósitos de arcilla de la ciudad de México sean completamente analizados, se encontrará que las ondas locales de Rayleigh no desempeian un papel importante en la generación de los movimientos severos del terreno que afectaron significativamente el comportamiento de los edificios. En un estudio reciente de la respuesta sísmica de una Planta Nuclear en los Estados Unidos, se analizó la respuesta de la planta suponiendo primero queel campo deondas que producíalos movimientos - 178 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed sísmicos estaba compuesto únicamente de ondas de cortante de propagación vertical y segundo, suponiendo que el campo de ondas estaba compuesto exclusivamente por ondas de Rayleigh. La respuesta calculada de la planta no fue muy diferente cualquiera que fuera el campo de ondas usado en el análisis. De este modo, bien puede ser que,aun cuandolasondas de Rayleigh esten presentes en los movimientos del terreno, no afecten la respuesta estructural y la del depósito del suelo tanto como podría uno creer. Ellasbien puedentener unainfluenciasignificativasobrelos comportamientos de tuberías y de otras instalaciones y sobre la respuestadeestructuras muy largasyestosefectos merecen considerarse en el diseño.

PREGUNTA: Ing. Marcos Mazari

Usted ha mencionado básicamente las ondas de corte con propagación ascendente. ¿No es posible que el gran incremento en el factor de amplitud desde la base hasta la superficie se deba a la geometría finita horizontal del sitio?

RESPUETA:

No creo que la geometría finita horizontal de un sitio tenga una influencia significativa en la amplificación de los movimientos del terreno en la mayoría de los casos.

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PREGUNTA: Ing. Arturo Bello

GPodríaustedexplicarlateoríaque empleó para obtenerlos espectros de aceleración para un sitio, basándose en el espectro correspondienteaotrossitios? Cómo sugeriría combinar los componentes norte /sur y este /oeste para obtener elespectro de aceleración total para un sitio?

RESPUESTA:

Para contestar primero a la segunda parte de lapregunta, es usual suponer quelas dos componentes horizontales de un movimiento sísmicoseranaproximadamenteiguales yluegocombinarlas determinando la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados, para fines de diseño. Conrelacióna lasbasesparaemplearunespectrodelos movimientos en un sitio a fin de calcular los movimientos en otro sitio,estasfuerondesarrolladasporelDr. Romoconun procedimiento adecuadoquehademostrado suefectividadpara evaluar la respuesta del terreno en la ciudad de México durante el sismo de 1985. El procedimiento se describe con detalle en el siguiente informe:

PLUSH: Un programa de computadora para el análisis probabilístico de elementos finitos de la interacción sísmica suelo- estructura (A computer Program for Probabilistic Finite Element Analysisof Seismic Soil- Structure Interaction) ".Romo, M.P.,Chen J.H., Lysmer,.1., ySeed,H. B.,informeNo.UCB/ EERC -77 /O1, -180- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

Universidad de California, Berkeley, septiembre, 1980.

El procedimiento esta basado en técnicas de análisis probabilístico. Es importante realizar esto en todo estudio de movimientos sísmicos del terreno con el objeto de que los factores usualmente tratados como variables aleatorias, tales como el mecanismo de origen y la geologíaenlatrayectoria,puedantornarseencuenta apropiadamente. Creo queelDr. Romo en su ponencia de esta mañana, Sugirió que las ondas sísmicas y los mecanismos de origen del sismo de1985 nopueden representar elsismo que mas comunmente genera movimientos sísmicos en la ciudad de México. En tal caso, los edificios afectados y los efectos de amplificación del suelo en la ciudad de México en septiembre de 1985, no pueden Ser representativos generales de movimientos en sismos futuros, o en sismos pasados.Debemos tomar en cuenta apropiadamente tales posibilidades en los procedimientos de análisis.

PREGUNTA: Ing. Gabriel Moreno Pecero

Se ha comentado sobrelainfluencia de los suelos en el efecto sísmico sobre las estructuras apoyadas en ellos. Se han enfatizado dos factores:

a) Tipo de suelo b) Espesor del suelo

Qué experiencia y estudios teóricos tenemos para el caso del efecto sísmico en estructuras apoyadas en la zona de contacto entre dos - 181 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H.B. Seed tipos de suelo, por ejemplo arena y arcilla, especialmente si el contacto entre los suelos esta inclinado un cierto ángulo beta?

RESPUESTA:

Este es un problema muy difícil para el cual aparentemente no tenemos una solución simple actualmente. La respuesta sísmica de un edificioapoyadoencondicionesdecimentacióncompletamente diferentes alo ancho de su base será un problema formidable de evaluar.Lasdiferentescondicionesdelsubsuelo probablemente inducirán severos efectos de torsión en la base del edificio. Desde un punto de vista práctico, donde estas condiciones existan, bien podría ser mejor considerar una relocalización del edificio para obtener condiciones de suelo mas uniformes, que tratar de considerar una gran discontinuidad en las condiciones de la cimentación mediante procedimientos analíticos.

PREGUNTA: Dr. Rafael Morales y Monroy

1. ¿ Ha estudiado usted una cierta correlación entre las rigideces del suelo y de la estructura? 2. ¿Puede decirnos algo acerca de esto? 3. ¿Podríamosencontrar alguna influencia dela rigidez(suelo y estructura) sobre la interacción inercia!?

RESPUESTA:

Creo que los datos de campo concernientesal fenómeno que he - 182 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

descrito como "interacción de la respuesta" muestran que tanto la rigidez de un depósito de suelo como la rigidez de la estructura tienen una influencia importante en la respuesta del edificio ante la excitaciónsísmica.Conclusionessimilarespueden demostrarse analíticamente, pero debe recordarse que los resultados generales no son aplicables en todos los casos a causa del gran número de factores involucrados. La experiencia indica, sin embargo, lo deseable que es un enfoque conservador de tales problemas de interacción suelo - estructura.

PREGUNTA: Ing. Luis B. Rodríguez:

En relación con sismos ocurridos en el pasado en algunas ciudades de Japón, Turquia y California, podría usted decirnos si todos ellos presentaron un periodo predominante similar de suelo o no.

RESPUESTA:

Los depósitos de suelo tienen periodos variables dependiendo de su espesor yrigidezylarespuesta varíaconlafrecuenciade excitación. Asi, podemos ver diferentes periodos predominantes para depósitos de suelo en diferentes partes del mundo y aun en una sola ciudad (por ejemplo la ciudad de México) para cualquier sismo dado.

PREGUNTA: Ing. Francisco González Valencia

¿Las propiedades del suelo cambian después de un sismo? En caso - 183 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B. Seed

afirmativo,Cómo habremos de tomar esto en cuenta cuando usemos (por ejemplo) el método simplificado de Makdisi -Seed?

RESPUESTA:

Inevitablemente las propiedades de los depósitos naturales se afectan en algun grado por una fuerte excitación sísmica. Sin embargo, creo que estos efectos son pequeños comparados con las incertidumbres asociadas a otros aspectos de las evaluaciones de la respuesta del terreno y pueden considerarse para fines prácticos, como un efecto de segundo orden.

PREGUNTA: Ing. Manuel J. Mendoza:

1. Es siempre posible definir el límite entre suelo y roca, para usar la ecuación del periodo natural Ts = f (D, vs) ? 2. Usted mostró una figura con velocidades tan bajas como 1a 2 cm /s para una distancia de 300 kmEs utilizable para la ciudad de México con acciones sísmicas generadas enla costadel Pacifico? Le agradeceré sus comentarios al respecto.

RESPUESTA:

No siempre es fácil establecer un límite apropiado entre suelo y roca, p.uesto que en algunos casos hay una transición gradual entre ellos.Cuando esto es asi,es necesario investigar varias posibilidadesutilizando procedimientos simples o seguir un método - 184- VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

mas complejo de análisis que pueda tomar en cuenta la transición gradual de las propiedades. Los depósitos de arcilla de la ciudad de México son tan especiales que cualquier valor obtenido con base en condiciones generales del suelo probablemente no proporcionara estimaciones significativas de movimientos delterreno para lasarcillas.Sin embargo, posiblemente tales gráficas generalizadas sean útiles para predecir los movimientos en la zona de transición y en zonas de terreno firme de la ciudad de México.

PREGUNTA: Ing. Isidro Monter Girón

Lo felicito por su brillante exposición acerca de todas las variables que deben estudiarse para conocer los efectos que un sismo puede producir en una estructura. Pero, No cree usted que sería mejor, en lugar de predecir los movim ientos que el sismo inducirá al edificio y con ello los esfuerzos que este estará soportando, tratar de conocer directamente, por medio de un modelo adecuado, en el laboratorio, con el tipo exacto de suelo donde será cimentado, la respuesta directa a las aceleraciones producidas por un sismo de magnitud 8.1, con una amplitud y un periodo de ondas iguales a los del suelo?

RESPUESTA:

Por supuesto, siempre existe la opción de utilizar un modelo físico para evaluar la respuesta a la excitación en la base en lugar de emplear un modelo analítico.Sin embargo,elmodelado físico reqUiere consideraciones de factorestales como larelación de - 185 - VIII CONFERENCIA NABOR CARRILLO H. B.Seed

escala, alteración de las muestras, tamaño finitodel modelo, condiciones de frontera, propiedades a escala,etc. para obtener resultados significativos y no permitefácilmente estudios de variación de parámetros. Creo queel modelado analítico, empleando propiedades in -situ, se realiza más fácilmente, en los tiempos actuales.Los modelos físicos,sin embargo han proporcionado importantes conocimientosde los problemas de respuesta del terreno y pueden ser extremadamente útiles en este aspecto.

Necesitamos utilizar todas,las técnicas a nuestro alcance para evaluar apropiadamente el tipo de efectos de amplificación observados en la ciudad de México durante el sismo de septiembre de

1985. Creo que uno de los principales resultados del sismo de la ciudad de México de septiembre de 1985 fue el de demostrar que si

los ingenierosgeotécnicos y desuelos pudieran indicar a los

ingenieros estructuristas la naturaleza- de los movimientos que pueden desarrollarse en sitios específicos, estos últimos podrían ciertamente diseñar construcciones que resistirían con seguridad dichos movimientos. Esta es una lección realmente importante. En

estos términoscreo que la responsabilidad querecaeen los

ingenieros geotécnicos es la de proporcionar a sus colegas

estructuristas la información que estos requieren para hacer bien su

trabajo. Tengo la esperanza de que, a la luz de los tópicos que hemos

tocado esta mañana, y con la' experiencia que ustedes tuvieron en septiembre de 1985, la comunidad de ingeniería geotécnica será

capaz de realizar un mejor trabajo de predicción de los efectos -de respuesta del terreno y de este modo lograr la meta de un mundo

libre de daños.

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DISTINCION AL PROFESOR SEED, ENTREGADA POR EL ING. RAUL LOPEZ ROLDAN:

Ayer,la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, celebró su Asamblea General, en la cual la Mesa Directiva lo designó a usted MiembroHonorario;estofueaprobadounánimementeporla Asamblea, con aplausos. Por lo tanto, entrego a usted el diploma respectivo.

PROFESOR SEED:

Estoyabrumadoporsusinnumerablesatencionesdurantemi participación en esta Reunión y me siento gratamente honrado por mi elección como Miembro Honorario delaSociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. Muchas Gracias.

- 187 - Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C.

FECHA DE DEVOLUCION

El lector se obliga a devolver este libro antes del vencimiento de préstamo señalado por el último sello. TA710 A.-2318 .A1 AUTOR C6517 SEED, Harry Bolton 1986Ej.4 TITULOInfluencia de las condiciones locales del suelo...

FECHA DE VENCIMIENTO NOMBRE DEL LECTOR