Comparación de tres metodologías de análisis sísmico de túnel NATM en suelos finos de Santiago

Introducción
Los análisis sísmicos de túneles han sido tradicionalmente abordados mediante expresiones analíticas para geometrías sencillas que no incluyen las secuencias constructivas ni historiales de esfuerzos (Wang, 1993; Penzien y Wu, 1998; Penzien, 2000). Últimamente, algunos softwares de análisis geotécnico han entregado herramientas para la resolución de problemas complejos, permitiendo incorporar las variaciones en los historiales de tensiones, métodos constructivos, secuencias de excavación y solicitaciones sísmicas a través de registros de aceleraciones.
Este artículo presenta un estudio comparativo de 3 métodos de análisis sísmico para un túnel NATM construido en suelos finos del noroeste de Santiago. Se describe la metodología, consideraciones particulares y los parámetros empleados en cada caso. Se indican las complejidades y los tiempos computacionales requeridos para el desarrollo de cada metodología. Finalmente, se presenta un análisis comparativo de los resultados obtenidos: esfuerzos sísmicos en revestimiento del túnel y cálculo de espesor de revestimiento.
Geometría del túnel y propiedades del suelo de fundación
La geometría del túnel se muestra en la Figura 1. La secuencia constructiva considera 3 secciones principales:side drift I, sección central, side drift II y 9 subsecciones que se enumeran en la misma figura. La metodología utilizada es acorde a los principios del método NATM (New Austrian Tunnelling Method) y simula las secuencias de excavación en tres etapas constructivas: bóveda, banco y contrabóveda; con desfase entre etapas y la aplicación de revestimiento estructural. Entre cada frente de avance de sidedrift, hay un desfase de 10 m, así también de la pared central. El nivel de riel del túnel se encuentra a una profundidad de 22 m del nivel de terreno y la clave del túnel se encuentra a 16 m de profundidad. La sección del túnel abarca un área aproximada de 190 m².

Figura 1: a) Geometría (dimensiones en cm) y b) secuencia constructiva
del túnel
Se considera un túnel construido en el sector de suelos finos del noroeste de Santiago, al cual se le han asignado las propiedades geotécnicas presentadas en la Tabla 1. El módulo de deformación ha sido considerado lineal aumentando en profundidad, también se han considerado distintos valores de cohesión y coeficiente de empuje en reposo in situ K₀ para dos distintos estratos de suelo.
Tabla 1: Propiedades de los materiales (ARCADIS, 2014)

Z: profundidad medida desde la superficie en m
D_j: profundidad sello fundación en m, B: dimensión menor de
estructura en m
Solicitación sísmica
Con el fin de simular la solicitación sísmica, se utilizan dos procedimientos: desangulación sísmica y análisis dinámico con registro de aceleraciones. Para la desangulación sísmica, la metodología empleada se basa en las recomendaciones del Manual de Carreteras (2014), que se sustentan en la propuesta de Kuesel (1969) para el diseño sísmico del metro de San Francisco. En este estudio se ha considerado una desangulación θ_s de 1.1·10^-3rad, obtenida de los valores tabulados en el Manual de Carreteras (2014) para un rango de compresión no confinada q_u entre 20 y 40 kPa, para zona sísmica con a_o= 0.4g.
El análisis dinámico se basó en uno de los registros de aceleraciones del terremoto de Chile, ocurrido el 27 de Febrero del 2010, que tuvo una magnitud momento M_w de 8.8. El sismo fue subductivo tipo thrust con epicentro marítimo frente a la localidad de Cobquecura, Región del Bío Bío (Saragoni y Ruíz, 2012). El registro de aceleraciones fue obtenido de la Red Nacional de Acelerógrafos de la Universidad de Chile (RENADIC). Corresponde a un registro de superficie con componente horizontal, obtenido en una estación ubicada en Maipú, sobre depósitos de ceniza volcánica denominados comúnmente como "Pumicita". Las principales características del registro de aceleraciones se indican en la Tabla 2.
Tabla 2: Principales características sísmicas registro aceleraciones
terremoto 2010, estación Maipú (Saragoni y Ruíz, 2012)

La Figura 2 presenta las componentes de aceleraciones, velocidades y desplazamientos del registro utilizado. El registro ha sido sometido a corrección de línea de base. La Figura 3 presenta los espectros de Fourier y pseudo-aceleración para un amortiguamiento del 5%.

Figura 2: Registros de aceleración, velocidad y desplazamiento en función del tiempo.
Sismo 27F2010, estación Maipú

Figura 3: Espectro de Fourier y espectro de respuesta de aceleraciones
(5% de amortiguamiento)

Pruebas de refracción sísmica

Imagen por: Geodatos

Vamos a empezar definiendo lo que son las líneas de refracción sísmica para poder dar una introducción sobre estas líneas.

Estas pruebas se usan para determinar perfiles de velocidades de compresión (llamadas Vp) a lo largo de una línea geofísica y se puede realizar para evaluar espesores de las diferentes partes de un suelo.

Como objetivo principal de estas líneas de refracción sísmica es para adquirir un modelo bidimensional con las diferentes capas del suelo y las velocidades de propagación de las ondas que son transmitidas (P), por lo tanto estás líneas son para deducir la velocidad con que viajan las ondas que vamos a determinar con un aparato, separados los sensores como se explica más adelante.

Actividades a realizar para que podamos identificar el valor de Vp:

• Tirar líneas de 24 geófonos (recondenado según el terreno o la actividad que se desea investigar), con una separación entre ellos que variará según la profundidad analizada.
• Tomar los registros de un martillo de 20 kg producidas en el impacto.
• Copiar los tiempos de llegadas de las ondas Vp (ondas de compresión).
• Hacer el modelo bidimensional con los datos de las velocidades de ondas de compresión, con los métodos de GRM y Delay Time.
• Incorporar las variaciones topográficas en las líneas.
• Aplicar un método iterativo de ajustes para los tiempos medidos y calculados.

Este método sísmico de refracción lo que hace principalmente es crear un impulso elástico que se origina a través de golpes en el suelo ya sea con vibraciones o explosivos.

El conjunto de estos datos consiste principalmente en los registros de tiempos versus la distancia.

¿Para que se utiliza esto en ingeniería civil?

Se utiliza para el estudio del subsuelo para poder determinar las condiciones de meteorización, fracturación y la alteración del mismo, para detección de fallas geológicas.

Aplicaciones:

• Determinar la profundidad a basamento en los proyectos constructivos como ser represas, hidroeléctricas.
• Competencia de la roca donde se asentaran las estructuras.
• Extrapolación lateral de perforaciones puntuales de suelos.
• Túneles.
• Estudios geotécnicos.
• Medida de velocidad de propagación.
• Canteras y explotaciones mineras.
• Estratigrafía del sub-suelo.
• Para determinar la profundidad del sustrato rocoso y morfología.
• Espesor de capa alterada de las rocas.
• Clasificar geométricamente las rocas.
• Encontrar el módulo de deformación estático.
• Determinar la excavabilidad.
• Evaluar depósitos de gravas, arcillas, arena, materiales de construcción.

Para poder conseguir estos datos se utilizan instrumentos como son el Zond ST2D, Reflex 2D Tomography y el software que ellos mismos traen para su instalación.

Explicación del uso:

Se disponen de un numero de sensores que miden el tiempo de propagación de la onda elástica en línea recta con unas distancias conocidas, esto a una distancia del otro extremo y en el punto de disparo de la onda con un martillo o algún otro artefacto adecuado, pues producen vibraciones a todo lo largo del terreno y que son detectadas por cada sensor provisto en el terreno y que se irán graficando en un monitor para su posterior estudio.

El equipo consta de los siguientes materiales:

• Sensores.
• Unidad de adquisición.
• Cables de conexión (entre sensores y unidad de conexión).
• Cable del Trigger (encargado del momento de inicio).

En la siguiente infografía muestro como se determina esta prueba de refracción sísmica y la distribución de los sensores:

Imagen por: IGC

Este método es bastante útil en áreas donde asumimos que hay rocas blandas o depósitos aluviales, o en el peor de los casos suelos blandos, entre los que podemos encontrar grandes variaciones de velocidades de las ondas P y S, pero lo más importante aquí es encontrar la velocidad de propagación de las ondas S para poder determinar las características elásticas del terreno.

Via:Ingeniería Real

Modos de vibración de un edificio

Los edificios, al igual que todos los cuerpos materiales, poseen distintas formas de vibrar ante cargas diámicas que, en la eventualidad de un terremoto, pueden afectar la misma en mayor o menor medida. Estas formas de vibrar se conocen como modos de vibración.

Figura 1. Modos de vibración de un edificio.
En la forma más básica, estas estructuras oscilan de un lado hacia otro. Esto es lo que se conoce como el modo fundamental o modo 1, tal como lo muestra la siguiente figura.

Licuación de Suelos

La foto muestra una impresionante falla de suelo ocurrida durante el terremoto de Niigata, donde edificios quedaron completamente inclinados y sin experimentar severos daños estructurales.
Existen dos fenómenos que se asocian con el término licuación y se relacionan con un aumento considerable de presiones de poros: Licuación Verdadera y Movilidad Cíclica.
Licuación Verdadera o Falla de Flujo:
Se refiere a una repentina pérdida de resistencia y en el que la masa de suelos fluye asemejándose a un fluido viscoso. El agente gatillante de esta falla puede o no ser de tipo dinámica.
Un ejemplo es lo sucedido con la Presa de San Fernando, en 1971, cuya falla se estima habría comenzado un minuto y medio después de ocurrido el sismo.

Falla en Presa San Fernando
Otro caso corresponde a la Mina de Oro Japonesa Mochikoshi, que experimentó la falla de uno de sus diques 24 horas después de ocurrido el sismo en el año 1978 (no es necesaria la acción permanente de la perturbación).
Movilidad Cíclica o Licuación
Corresponde a la disminución de la rigidez asociada al incremento de presión de poros durante una solicitación cíclica, y que conlleva a un aumento considerable de las deformaciones.
Uno de los pocos registros en vídeo que existían hasta hace un tiempo es la grabación durante el terremoto de Niigata, Japón (1964).