Autor: Emiro Chica

La exploración sísmica y específicamente el método MASW tiene como objetivo el análisis del arribo del tren de ondas superficiales, para obtener un modelo de velocidades que representa la geología y estructura del subsuelo somero e inferir sus propiedades elásticas y por lo tanto su caracteri-zación geotécnica con el fin de asociarlas al tipo de suelo presente y su disposición en el subsuelo.

Las fuentes de energía superficiales convierten aproximada-mente el 70% de su energía en ondas superficiales (Rayleigh, Love, Stoneley), las cuales se atenúan con la profundidad y se propagan dispersivamente cuando hay variación de la velocidad en los medios de propagación, es por eso que las grandes longitudes de onda (bajas frecuencias) permiten caracterizar grandes profundidades y las pequeñas longitudes de onda (altas frecuencias) permiten caracterizar las profundidades superficiales.

Éste consiste en registrar en superficie mediante un arreglo lineal de receptores, las ondas superficiales (ondas Rayleigh y Love principalmente) generadas en este caso por un golpe de martillo. De los registros digitales se genera un espectro de frecuencia-velocidad de fase, del cual se extrae la
curva de dispersión de la velocidad de fase, en su modo fundamental y de los modos superiores en los casos donde se presenten; posteriormente de esta curva mediante un proceso de inversión, se estiman las velocidades de la onda de corte (Vs) en intervalos de profundidad, obteniéndose una caracterización del perfil de las capas del subsuelo.

De este perfil se calcula, de acuerdo con el International Bulding Code la velocidad promedio de corte para los primeros 30 m (Vs30m), lo que nos permite clasificar el perfil del suelo de acuerdo con la tabla A.2.4-1 del Título A de la NSR-10.

Procedimiento

• Registro en superficie mediante un arreglo lineal de receptores, las ondas superficiales (ondas Rayleigh principalmente) generadas por un golpe de martillo.
• Generación de un espectro de frecuencia-velocidad de fase.
• Extracción de una curva de dispersión de la velocidad de fase, en su modo fundamental y de los modos superiores en los casos donde se presenten.
• Inversión de la curva de dispersión.
• Estimación de las velocidades de la onda de corte (Vs) en intervalos de profundidad, obteniéndose una caracterización del perfil de las capas del subsuelo.
• Cálculo de la velocidad promedio de corte para los primeros 30 m (Vs30m).
• Clasificación del perfil del suelo de acuerdo con la tabla A.2.4-1 del Título A de la NSR-10

Correlación de velocidad Vs y Vp

Posteriormente de la curva de dispersión asociada a los espectros de dispersión, mediante un proceso de inversión, se estiman las velocidades de la onda de corte (Vs) y presión (Vp) en intervalos de profundidad, obteniéndose una caracterización del perfil de las capas del subsuelo.

La relación de las velocidades de compresión (Vp) y de corte (Vs) permite obtener varios parámetros elásticos, tales como densidad, módulo de Poisson, módulo cortante, módulo de Young y módulo Bulk; igualmente permite estimar la Resistencia de Penetración Estándar (N) similar a la Prueba de Penetración Estándar (SPT).

Procedimiento

Una parte significante de los daños causados por terremotos están asociados a la amplificación de las ondas sísmicas, debido a la respuesta del sitio; el análisis de respuesta del sitio es por lo tanto parte fundamental de la evaluación del riesgo sísmico. Entre los métodos usados para tal fin la Relación Espectral H/V de vibraciones ambientales es probablemente uno de enfoques más comunes.

También conocido como Método Nakamura, éste consiste en la estimación de la relación entre el espectro de amplitudes de Fourier, de los componentes horizontal (H) y vertical (V) de las vibraciones producidas por el ruido ambiente, grabadas en un punto específico. Esta relación H/V permite determinar el período fundamental del suelo (T0).

En geología y otras disciplinas relacionadas, el ruido sísmico es un nombre genérico para una vibración relativamente persistente del suelo, debido a una multitud de causas, que es un componente no interpretable o no deseado de las señales registradas por los sismómetros.

Físicamente, el ruido sísmico consiste principalmente en ondas superficiales. Las ondas de baja frecuencia (por debajo de 1 Hz) generalmente se llaman microsismos; las ondas de alta frecuencia (más de 1 Hz) se llaman microtremores. Sus causas incluyen actividades humanas
cercanas (como tráfico o maquinaria pesada), vientos y otros fenómenos atmosféricos y las olas del océano.

El ruido sísmico es relevante para cualquier disciplina que dependa de la sismología, como la geología, la exploración petrolera, la hidrología y la ingeniería de terremotos, y el monitoreo de la salud estructural.

El ruido sísmico es una molestia para actividades que son sensibles a las vibraciones, pero por otro lado, tiene algunos usos prácticos, por ejemplo, para determinar las propiedades dinámicas de baja tensión de las estructuras de ingeniería civil, como puentes, edificios y presas; o para determinar las propiedades elásticas del suelo y el subsuelo a fin de dibujar mapas de microzonación sísmica que muestren pronósticos de la respuesta del suelo a los terremotos.

Las investigaciones sobre el origen del ruido sísmico indica que la parte de baja frecuencia del espectro (por debajo de 1 Hz) se debe a causas naturales, principalmente olas oceánicas. En particular, el pico entre 0.1 y 0.3 Hz está claramente asociado con la interacción de las olas de agua de frecuencias casi iguales pero direcciones opuestas. A alta frecuencia (más de 1 Hz), el ruido sísmico se produce principalmente por actividades humanas, como el tráfico vehicular y el trabajo industrial, pero también hay fuentes naturales, como ríos. Alrededor de 1 Hz, el viento y otros
fenómenos atmosféricos también son una fuente importante de vibraciones del suelo.

Procedimiento

El cálculo de la relación H / V sigue estos pasos:

• Grabación del ruido ambiental en los 3 componentes en períodos largos de tiempo.
• Descomposición de la señal en ventanas de tiempo y eliminación de señales estacionarias y ruidos transitorios.
• Cálculo y suavizado del espectro de amplitud de la transformada de Fourier para cada ventana seleccionada en los tres componentes.
• Cálculo promedio de los componentes horizontales para cada ventana seleccionada.
• Cálculo de la relación H/V para cada ventana.
• Cálculo del promedio de las relaciones H/V de las ventanas individuales, que representará la curva H/V definitiva. Determinación del período fundamental del suelo (T0)

De acuerdo con el Título A de la NSR10, A.2.4 – EFECTOS LOCALES, se prescriben los factores de amplificación del espectro por efectos del sitio, para períodos cortos e intermedios (F_a y F_v), los cuales dependen del perfil del suelo. La norma define cinco tipos de suelos, clasificados de acuerdo con los parámetros característicos de los 30 m superiores del perfil, según la tabla A.2.4-1.

Los parámetros definidos por la norma son:

• Velocidad media de la onda cortante.
• Número medio de golpes del ensayo de penetración estándar.
• Resistencia media al corte.
• Índice de plasticidad.
• Contenido de agua.

La norma es clara en A.2.4.3 PARÁMETROS EMPLEADOS EN LA DEFINICIÓN DEL TIPO DE PERFIL DEL SUELO, “…los parámetros que se utilizan para definir el tipo de perfil de suelo con base en los 30 m superiores del mismo y considerando ensayos realizados en muestras tomadas al menos cada 1.50 m de espesor del suelo. Estos parámetros son (a) la velocidad media de la onda de cortante, v_s, en m/s, (b) el número medio de golpes del ensayo de penetración estándar, N, en golpes/píe a lo largo de todo el perfil, o, (c) cuando se trate de considerar por separado los estratos no cohesivos y los cohesivos del perfil, para los estratos de suelos no cohesivos se determinará el número medio de golpes del ensayo de penetración estándar, N_ch, en golpes/píe, y para los cohesivos la resistencia media al corte obtenida del ensayo para determinar su resistencia no drenada, s_u, en kPa. Además se emplean el Índice de Plasticidad (IP), y el contenido de agua en porcentaje, w.” (negrilla y subrayado fuera del texto).

Los parámetros número medio de golpes del ensayo de penetración estándar, resistencia media al corte, índice de plasticidad y contenido de agua, son obtenidos por medio de campañas geotécnicas, realizando perforaciones y tomando muestras directas del subsuelo.

El parámetro de velocidad medio de la onda de cortante, se obtiene por medio de ensayos geofísicos indirectos, que de acuerdo con los parámetros de adquisición puede tener profundidades de estudio mayores a 50 m.

Hay que tener en cuenta que para estructuras de pocos pisos, raramente se realizan perforaciones hasta los 30 m; la NSR10 en el título H, el capítulo H.3 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL SUBSUELO, establece el número mínimo de sondeos y la profundidad mínima de acuerdo con la categoría de la estructura, la cual va desde 6 m hasta 30 m.

Es contradictorio que en el Título A establezca para definir el perfil del suelo, mediante parámetros en los 30 m superiores del subsuelo, mientras que en el título H se establezcan profundidades mínimas menores a 30 m. Por supuesto hay un ahorro en dinero y esfuerzo con perforaciones pequeñas para cumplir con los requerimientos mínimos del título H; la clasificación del perfil del suelo mediante esta práctica, presenta inconvenientes, en la seguridad y en lo económico, ya que se subestima el valor medio de los parámetros usados para tal fin, resultando en costos constructivos mayores de la estructura, ya que ésta puede estar sobredimensionada; por el lado de la seguridad, está la incertidumbre de una clasificación sobre estimada.

Comparando los costos de una estructura diseñada para un perfil de suelo determinado y para el perfil del suelo superior, puede tener un sobrecosto entre el 6% y el 12% (Influencia del tipo de perfil del suelo en los costos para una estructura aporticada en la ciudad de Cartagena de acuerdo a la NSR10, Antonio Jose Rangel Mora Mauricio Javier Villafañe Mattos, Universidad de Cartagena, consultada de:

Algunos métodos geofísicos como el Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) y Relación Espectral Horizontal/Vertical (SRHV), permiten en forma indirecta establecer el perfil del suelo de acuerdo con la tabla A.2.4-1 de la NSR10, con una profundidad de estudio de por lo menos 30 m, complementando la campaña geotécnica establecida en el el título H.

Entre la ventajas de los métodos geofísicos, tenemos:

• Estimación del período fundamental del suelo
• Determinación de la velocidad de onda de corte en un perfil 1D (profundidad – Vs)
• Cálculo de la velocidad media de la onda de corte en los primeros 30 m (Vs30m), según la ecuación A.2.4-1 de la NSR10
• Definición del tipo de perfil del suelo según NSR10, tabla A.2.4-1
• Correlación de Vs con el número de golpes asociado al SPT
• Ensayo no invasivo, rápido y económico
• Resultados rápidos, ahorrando tiempo y dinero

El método de refracción sísmica hace uso de las ondas refractadas por los diferentes estratos del subsuelo para construir una imagen del mismo. En diferentes sitos de un tendido sísmico, son realizados varios golpes con el objetivo de generar una fuente sísmica u onda, que se refracta, refleja, transmite y dispersa en el subsuelo.

Cuando se activa una fuente sísmica, las ondas refractadas viajan por la zona de contacto entre los estratos geológicos, y ya que en general son zonas de mayor velocidad que las capas suprayacentes, las ondas refractadas son las primeras que emergen y son registradas en superficie, detectadas mediante el primer arribo del tren de ondas sísmico. Los datos se adquieren con un sismógrafo (convertidor análogo – digital) y geófonos verticales de onda P (onda de compresión), con frecuencia natural de 4,5 Hz usados en estudios de refracción y micro tremores.

Dentro de la exploración geofísica somera, el método de Refracción Sísmica específicamente tiene como objetivo el análisis del primer arribo de ondas P, para obtener como resultado un modelo de velocidades que representa la geología y estructura del subsuelo somero, lo que permite inferir sus propiedades elásticas y por lo tanto su caracterización geotécnica, con el fin de asociarlas a la estratigrafía de suelo presente y su disposición en el subsuelo.