Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor António Viana da Fonseca

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Ingeniero Civil / Es de particular interés para la ingeniería civil entender el comportamiento destructivo de los terremotos chilenos. Por lo tanto, el objetivo principal del presente estudio es analizar la demanda sísmica de diferentes tipos de sismos producidos en Chile, en base a la atenuación de alta frecuencia y la caracterización espectral. El análisis contempla espectros de Fourier y espectros de respuesta de aceleración. En los primeros se analizan parámetros característicos como frecuencias esquinas y pendientes de decaimiento para eventos de la categoría I, definidos como eventos con razón espectral H/V plana. En el segundo se da énfasis a los periodos de mayor amplitud que corresponden a la fuente sísmica y el suelo para eventos de la categoría II, definidos como eventos con razón espectral H/V de 1 peak. El estudio de los espectros de Fourier confirma la existencia de 3 estructuras tectónicas que alteran el contenido de frecuencia registrado en los acelerogramas, ordenado los eventos según su atenuación de alta frecuencia de la siguiente forma, eventos interplaca superiores, interplaca inferiores e intraplaca de profundidad intermedia. En el caso de los espectros de respuesta de aceleración, exhiben similar comportamiento, pudiendo observar la presencia del suelo o la fuente de forma independiente para eventos de pequeña y mediana magnitud, en contraposición, para grandes eventos generalmente se observa la presencia de 2 peaks en forma simultánea. Este hecho da pie a la formulación de un espectro de diseño elástico que contemple 2 peaks y que por tanto incluya la fuerte aceleración asociada a los periodos de la fuente sísmica, tratando de aportar en algún grado el desarrollo del actual código de diseño.

Las instalaciones subterráneas son parte importante de la actividad minera en cavernas y forman parte de diferentes etapas de proceso en la producción minera, operaciones con equipos de gran magnitud y peso, áreas de almacenamiento, sectores habitacionales de personas, etc. En Chile las instalaciones subterráneas están frecuentemente sometidas a actividad sísmica, registrándose tasas de daños menores que en instalaciones superficiales, es por esto que se hace importante conocer y comparar el comportamiento de las estructuras subterráneas respecto de las superficiales, con el fin de desarrollar los diseños acorde a las solicitaciones sísmicas en niveles inferiores del terreno. Este trabajo está orientado a determinar las diferencias que existen entre los fenómenos dinámicos que ocurren en superficie respecto de los subterráneos, haciendo un análisis teórico de propagación de ondas en suelos para luego trabajar con registros sísmicos, identificando los fenómenos de superficie y así calibrarlos en profundidad. Siguiendo la metodología de autores anteriores se analizó el efecto de las ondas Rayleigh en un registro de aceleraciones superficiales del terremoto de 1985, en particular la estación de la UTFSM (roca), midiendo sus efectos en las aceleraciones peak y espectros de respuesta. De los resultados se concluyó que para este registro, los efectos de las ondas Rayleigh tienen nula influencia en la aceleración peak y los espectros de respuesta superficiales. Esto implica que el registro está controlado por ondas de cuerpo al igual que un ambiente subterraneo. Luego se analizó la propagación de ondas de corte en un estrato semi-infinito para varios registros sísmicos y diferentes características del estrato. Analizando las aceleraciones en profundidad para estratos rocosos (1500 m/s velocidad onda de corte promedio), se observan atenuaciones del orden del 30% a los 60 metros de profundidad, manteniéndose constantes bajo esta profundidad. Este fenómeno es producido por las condiciones de borde del estrato, ya que el esfuerzo de corte es nulo en superficie. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran el comportamiento de un perfil de aceleraciones en profundidad, esto de manera teórica en base a modelos simplificados, por lo que más allá de entregar un valor concreto para diseño sísmico, se identifica un fenómeno a considerar en el diseño de cada proyecto. Por lo anterior es necesario un buen detallamiento y recopilación de antecedentes para el proyecto y así lograr un diseño acorde a las características y condiciones a las que se somete.

Ingeniero Civil / El objetivo de este trabajo de título es reproducir los acelerogramas observados en superficie sobre distintos tipos de suelo durante el terremoto de Tohoku de 2011. Primero, se implementa la metodología estocástica de falla finita propuesta por Otárola y Ruiz (2016) para generar registros de aceleración en el basamento rocoso de los sitios a partir del modelo de ruptura del terremoto propuesto por Kurahashi e Irikura (2011). Este método genera acelerogramas sintéticos en dos componentes horizontales ortogonales y en la vertical, considerando ondas sísmicas compresionales y de corte, polarizadas en la horizontal SH y en la vertical SV. Posteriormente, estas ondas sísmicas se propagan a través del suelo mediante el uso de funciones de transferencia que se deducen a partir del Método de Rigidez desarrollado por Kausel (1981). Los registros sintéticos de aceleración obtenidos en este trabajo capturan los impulsos asociados a las asperezas del modelo de ruptura. Además, se logran simular apropiadamente los espectros de respuesta observados en la base de las estaciones y se verifica la proporcionalidad de la amplificación respecto a su rigidez. Al incorporar el efecto de sitio a través de las funciones de transferencia, se verifica que las componentes horizontales se amplifican en las mismas frecuencias que el registro observado y con la misma amplitud. Sin embargo, aunque la componente vertical captura razonablemente la magnitud de las aceleraciones, no ajusta las frecuencias donde ocurren los peaks de energía. La metodología propuesta en este trabajo contempla fundamentos físicos de la propagación de ondas sísmicas, tanto en la corteza terrestre como en su superficie, logrando reproducir la evolución temporal del registro sísmico, lo que es fundamental en problemas como el análisis no lineal de estructuras.

En el presente trabajo se implementó un método alternativo de caracterización geotécnica, significativamente más rápido y económico que los normalmente utilizados para obtener perfiles de velocidad de onda de corte en profundidad. Esta metodología utiliza las particulares características de la propagación de ondas superficiales en medios estratificados. La propagación de ondas Rayleigh en semiespacios infinitos, elásticos, isótropos y homogéneos depende de las propiedades mecánicas del medio. Sin embargo, en medios estratificados, la geometría y propiedades elásticas de cada capa de suelos generan el fenómeno de dispersión. Como consecuencia, la velocidad de propagación de ondas ya no depende sólo de las propiedades mecánicas del medio, sino también de la longitud de la onda y por ende de su frecuencia. Esta relación se observa en las llamadas curvas de dispersión, que permiten, previo análisis espectral y proceso de inversión, obtener el perfil de velocidades de onda de corte en profundidad. En este trabajo se desarrollaron algoritmos para calcular curvas de dispersión experimentales con arreglos de varios sensores, incluyendo el análisis de señales. Adicionalmente, se formuló una solución para el problema inverso, definiendo una configuración de un estrato sobre un semiespacio, de tal manera de obtener la velocidad de propagación de ondas de corte promedio de los primeros 30 metros de profundidad. Los resultados presentan gran concordancia al ser comparados con los obtenidos por otros investigadores de este tema.

El objetivo de este trabajo de título es evaluar la aplicabilidad de los métodos simplificados de análisis, propuestos en la norma chilena de diseño de edificios con disipadores actualmente en estudio. Se desea saber si estas metodologías son prácticas de aplicar para predecir el comportamiento global de estructuras con disipadores, sometidas a sismos chilenos, y comprobar si las estimaciones que entregan son lo suficientemente precisas cuando se analiza una estructura real. Se eligieron tres estructuras altas de hormigón armado, una real y dos ficticias. Se construyó un modelo en ETABS® de las estructuras sismorresistentes y de los sistemas disipadores, representando la distribución espacial de las propiedades de masa, rigidez y amortiguamiento. Las estructuras y los disipadores se diseñaron con el método modal espectral, para ser luego verificadas con el método dinámico no-lineal, considerando la no-linealidad de los disipadores. Se observó que los diseños resultaron conservadores y que la capacidad de predicción del método estudiado es baja. Sin embargo, se constató que existen algunas limitaciones importantes del software utilizado que pudieran explicar, al menos en parte, la baja precisión de esta metodología. La más importante es la imposibilidad de ingresar los valores de amortiguamiento, según el cálculo establecido en la propuesta de norma, cuando se realizan análisis modales espectrales. Finalmente, se proponen algunos caminos para evaluar, en primer lugar, el efecto de la mencionada imposibilidad de definir uno a uno los amortiguamientos modales y, en segundo, la diferencia en los resultados obtenidos con el método modal espectral y no-lineal de respuesta en el tiempo, producto de la concentración del amortiguamiento en algunos puntos de la estructura.

Ingeniero Civil Matemático / El objetivo de esta memoria es implementar un sistema de procesamiento y análisis de señales sísmicas en el campo lejano para determinar, mediante una técnica de inversión linealizada, la distribución del desplazamiento sobre un plano de falla con dimensiones finitas como modelo de la fuente sísmica. Para este objetivo, son estudiados los fundamentos teóricos para la generación del campo de desplazamientos de las ondas de volumen de una fuente finita a distancias telesísmicas, de interpretación más sencilla en términos del proceso de ruptura en la fuente sísmica, y los fundamentos numéricos para plantear el problema de inversión de la variación espacial y temporal del desplazamiento sobre el plano de falla. En el Capítulo 2, se estudia la representación matemática de la fuente sísmica, desde la teoría de la elastodinámica lineal, en términos de la función de Green y el tensor de momento sísmico. En el Capítulo 3, es determinada la función de Green de la elastodinámica para un medio infinito, homogéneo e isotrópico, y con ello el patrón de radiación de las ondas P y S en el campo lejano. El Capítulo 4 corresponde a las correcciones realizadas a dichas expresiones para incorporar las características de heterogeneidad y superficie libre de la Tierra desde la teoría de rayos y se discute su rango de validez como aproximación. Además, son incluidos los efectos de la respuesta instrumental y de la atenuación intrínseca en la Tierra para altas frecuencias. Al final de este capítulo se obtiene la expresión analítica para la generación de sismogramas sintéticos en el campo lejano para una fuente puntual, la cual es utilizada en los principales métodos de inversión (Kikuchi & Kanamori 1991, Hartzell & Heaton 1983, Nábelek, 1984). El Capítulo 5 corresponde al estudio del modelo de fuente extendida de Haskell y el efecto de directividad. En el Capítulo 6, son estudiadas las parametrizaciones utilizadas en los métodos de Kikuchi & Kanamori (1991), Hartzell & Heaton (1983) y Nábelek (1984), y las condiciones de borde requeridas para otorgar estabilidad al problema inverso. En el Capítulo 7, es explicitada la parametrización del problema de inversión desarrollada en esta memoria, el cual es implementado como un sistema matricial para la componente vertical del campo de desplazamiento. Para evaluar su pertinencia, se realiza la inversión de la fuente sísmica para el terremoto del 14 de noviembre del 2007 en Tocopilla (Mw=7.7) y se comparan los resultados con los obtenidos por otros métodos independientes (ondas de campo cercano y lejano) en los trabajos de Peyrat et al. (2010) y Delouis et al. (2009). Los resultados de la inversión resultan ser consistentes con los resultados de los otros estudios, tanto en el patrón de la distribución del deslizamiento sobre el plano de falla y en su magnitud, como con la distribución de las réplicas. Finalmente, son propuestas diversas modificaciones al método desarrollado, como por ejemplo la modelación de otras formas de onda (ondas SH, PP, etc), y la incorporación de relaciones de causalidad en el desplazamiento de subfallas vecinas del modelo, las cuales son de fácil implementación en los sistemas de inversión matricial.