H.7 — Evaluación geotécnica de efectos sísmicos

H.7.1.1 — Efecto de la litología y tipos de suelos

• (a) La caracterización básica del perfil litológico se establece en términos de los valores de velocidad de onda de corte (Vs) con la profundidad y su variación horizontal, hasta el nivel de de roca (rechazo en el ensayo SPT), o suelos duros (Vs > 500 m/s) mediante ensayos geofísicos en el terreno. Adicionalmente, de manera complementaria para efectos de caracterización de la variación espacial, o para evaluar los rangos de valores de las propiedades relevantes, se pueden utilizar correlaciones debidamente soportadas con otros parámetros geotécnicos. Estas correlaciones no pueden reemplazar las mediciones directas en el terreno.
• (b) Para los diferentes materiales presentes en el perfil se debe determinar la variación de la rigidez (G) y del amortiguamiento (βs) con el nivel de deformaciones y de esfuerzos (degradación de propiedades dinámicas). La determinación de la variación de la rigidez dinámica se puede hacer mediante ensayos dinámicos de laboratorio siempre y cuando se cuente con muestras representativas de alta calidad. En este caso los ensayos deben cubrir el rango de interés de deformaciones y esfuerzos, en función del número de ciclos de carga, para el problema que se esté estudiando, y se deben normalizar adecuadamente para poder relacionarlos con los valores de rigidez en el terreno, preferiblemente mediante la determinación en el laboratorio, sobre las mismas muestras, de la velocidad de onda de corte a bajas deformaciones. Se debe justificar adecuadamente la normalización que se haga de la variación de la rigidez dinámica con la deformación.
• (c) La variación de la rigidez y el amortiguamiento con la deformación también se debe estimar con base en referencias debidamente sustentadas de correlaciones o modelos reportados en la literatura técnica internacional. Estos resultados se deben comparar con los obtenidos de los ensayos dinámicos de laboratorio.
• (d) Se debe dar consideración explícita a la verificación de la resistencia dinámica de cada material, incluyendo cuando sea aplicable, la evaluación del potencial de licuación de los suelos granulares y suelos de grano fino de baja plasticidad, y la degradación progresiva de la resistencia dinámica de los suelos finos con el número de ciclos de carga equivalente. También deben calcularse los asentamientos producidos por el sismo (deformación volumétrica por densificación), empleando criterios o metodologías actualizadas y reconocidas internacionalmente.

H.7.1.2 — Efecto del tipo de solicitación

Para la evaluación de la respuesta del terreno ante la propagación del sismo se debe tener presente que cada fuente sismogénica que produce sismos de diferente magnitud y distancia con respecto al lo cual genera escenarios de respuesta dinámica del subsuelo significativamente diferentes, aún si los niveles de aceleración máxima del terreno son similares para las diferentes fuentes. Por lo tanto para evaluación geotécnica de efectos sísmicos los análisis de respuesta dinámica deben utilizar por lo menos tres historias de movimiento en función del tiempo representativas de cada una de las diferentes fuentes sismogénicas que sean relevantes para el sitio de estudio y que sean compatibles con los niveles de amenaza sísmica para el sitio de acuerdo con el Estudio Nacional de Amenaza Sísmica vigente o estudios posteriores aplicables.

Para el caso de fuentes sismogénicas cercanas (menores de 25 Km de distancia epicentral) con potencial de generación de eventos superficiales (profundidad focal menor de 20 Km), debe considerarse el aporte de la componente vertical de la señal sísmica en el análisis de respuesta del terreno. Generalmente, la aceleración vertical puede variar entre el 50% y el 100% del valor de la aceleración horizontal, según sea cada caso particular. En caso de existir información instrumentada con las redes de acelerómetros locales o regionales, es posible definir para el proyecto ubicado en la localidad estudiada, una relación más ajustada entre los valores de las dos componentes de aceleración.

Las historias de movimiento que se utilicen deben ser representativas de las condiciones en roca, preferiblemente de registros reales sin modificar debidamente sustentados. En caso de que se utilicen historias sintéticas de movimiento o historias reales modificadas estas deben ser debidamente sustentadas para garantizar su representatividad y que sean razonables desde el punto de vista sismológico. En todos los casos se debe asegurar que los espectros de aceleración, velocidad y desplazamientos de las señales que se utilicen sean compatibles y representativos de las condiciones de estudio y que estas historias no incluyan efectos previos de respuesta local o topográfica o cualquier otro tipo de anomalía que pueda posteriormente verse reflejada en resultados de respuesta no representativos.

H.7.1.3 — Efecto de topografía y del tipo de ondas en la respuesta

• (a) Componente de ondas de corte que se propaga verticalmente (SH) — Este es el tipo de ondas son las predominantes en los casos donde la superficie del terreno y la estratigrafía de todo el perfil geotécnico es horizontal o con pendientes menores de 10%, o donde los efectos topográficos no son relevantes. Para la evaluación de la respuesta sísmica se pueden emplear modelos numéricos unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D) de propagación de ondas.
• (b) Combinación de ondas superficiales y de corte, y efecto de las longitudes de onda de la excitación en relación con la respuesta y la estratigrafía — Estos efectos solo se pueden estudiar mediante modelos de respuesta dinámica bidimensional (2D) o tridimensional (3D) y son relevantes cuando las condiciones del terreno son irregulares. En caso de que se tengan condiciones estratigráficas de suelos y topografía no uniforme ni plana, se debe considerar el efecto topográfico tanto de la variación de la superficie del terreno, como de la profundidad del contacto con la roca subyacente, para determinar zonas del terreno donde se genere amplificación o atenuación local de las ondas sísmicas. Estos efectos son relevantes si la pendiente del terreno o del contacto con la roca subyacente son mayores a 10% en el área de influencia del proyecto. Para tener en cuenta estos efectos se deben realizar análisis de respuesta dinámica con modelos numéricos 2D o 3D según sea la situación particular.
• (c) Empleo de la instrumentación sísmica para validar los modelos numéricos de respuesta dinámica 1D, 2D o 3D. En las zonas donde se cuente con redes locales o regionales de acelerómetros, los registros existentes que resulten representativos de la respuesta del sitio objeto de estudio, deberán utilizarse para hacer análisis de sensibilidad del comportamiento dinámico de los materiales del subsuelo o para establecer análisis comparativos con los modelos teóricos de la respuesta sísmica asociada a efectos topográficos.
• (d) En el rango elástico se puede registrar un fenómeno de triple resonancia. En primer término, efecto roca-suelo debido a similitudes entre los periodos predominantes de vibración de los movimientos incidentes de los sismos y los movimientos de los depósitos de suelos. En segundo término, efecto suelo-suelo ocasionado por el confinamiento de las ondas en una artesa, causado a su vez por la diferencia entre la impedancia del suelo contenido y la roca de base; el resultado inmediato es una mayor duración del sismo sentido en el depósito de suelos, en relación con el movimiento originario en roca. En tercer término, un efecto suelo-estructura cuando coinciden sus períodos predominantes de vibración y el período fundamental de la estructura. Cabe anotar que como el comportamiento de la estructura y el suelo es usualmente no-lineal para el sismo de diseño, este fenómeno puede no ser relevante para este sismo. Si bien en el caso de los sismos el comportamiento no lineal del suelo y de la estructura cambia los periodos, en el caso de resonancia por vibraciones ambientales se pueden presentar relativamente fácil y llegar a sobrepasar los límites que puede tolerar un residente y causar eventual fatiga de la estructura por su constante repetición.
• (e) La evaluación de la amplificación resulta importante para aceleraciones originarias en roca inferiores a un valor límite que es del orden de 0.4g. Para aceleraciones superiores a la antedicha se presenta el fenómeno contrario, ó sea una de amplificación. El análisis detallado del fenómeno debe hacerse obligatoriamente para las edificaciones clasificadas como grupos de uso III, IV (Artículo A.2.9.3.6 del Reglamento) para las demás categorías es opcional. Los métodos para efectuar este análisis deben estar adecuadamente sustentados dentro de la dinámica de suelos y la ingeniería sísmica. Se permite el uso de modelos unidimensionales, y cuando la información sobre los depósitos de suelos lo permita, se pueden emplear modelos más sofisticados. Su uso debe reemplazar progresivamente los métodos aproximados; se recomienda cuando la información disponible lo justifique y sea compatible con la complejidad del proyecto. Al respecto deben consultarse los requisitos del Capítulo A2 del Reglamento.

H.7.4.1 — Licuación de flujo

Se define como un estado de movimiento catastrófico donde el esfuerzo cortante estático es superior a la resistencia correlativa del suelo en su condición licuada. Cuando sobreviene el movimiento sísmico, este actúa como un disparador y en adelante las grandes deformaciones generadas son el producto del estado de esfuerzos estáticos.

H.7.4.2 — Movilidad cíclica

En contraste con el anterior, el fenómeno denominado movilidad cíclica tiene lugar cuando el estado de esfuerzos estáticos es inferior a la resistencia del suelo licuado; durante el movimiento sísmico el estado de esfuerzos aumenta en forma escalonada hasta que se alcanza la resistencia del suelo y sobreviene la falla. Los términos licuación horizontal, corrimiento lateral y oscilación del terreno son casos especiales de movilidad cíclica observados en la práctica.

H.7.4.3 — Volcanes de arena

Es un fenómeno que frecuentemente acompaña la ocurrencia de la licuación; durante el movimiento sísmico, o inmediatamente después, el exceso de presión de poros es disipado, normalmente hacia arriba como la dirección más fácil y en puntos localizados, o a lo largo de grietas, se producen erupciones de arena en estado líquido que conforman pequeños volcanes.

H.7.4.4 — Susceptibilidad a la licuación

Teniendo en cuenta que no todos los suelos son licuables es preciso conformar una lista de características del suelo mismo y de su circunstancia, que conducen a que sean susceptibles a la licuación:

• (a) La edad geológica es determinante: suelos del Holoceno son más susceptibles que los del Pleistoceno y la licuación de depósitos de edades anteriores no es común.
• (b) El depósito de suelo debe estar saturado, o cerca de la saturación, para que ocurra la licuación.
• (c) Depósitos fluviales, coluviales, granulares, eólicos, cuando saturados, son susceptibles de licuación.
• (d) Asimismo pueden clasificarse como licuables los depósitos de abanicos aluviales, planicies aluviales, playas, terrazas y estuarios.
• (e) Son muy susceptibles a la licuación las arenas finas y arenas limosas, relativamente uniformes, con densidad suelta y media. Generalmente se producen grandes deformaciones del terreno y de las estructuras apoyadas, y pueden formar volcanes de arena en superficie con los correspondientes cambios volumétricos severos.
• (f) Los depósitos bien gradados con tamaños hasta de gravas, gravas arenosas y gravas areno-limosas, son menos susceptibles a licuación, pero de todas formas deben verificarse. Estos materiales también pueden generar cambios volumétricos del terreno.
• (g) Los limos, limos arcillosos y arcillas limosas, de baja plasticidad y con la humedad natural cercana al límite líquido, también son susceptibles de presentar licuación o falla cíclica. Generalmente se produce la degradación progresiva de la resistencia dinámica de los suelos finos con el número de ciclos de carga equivalente, llevándolos a la falla o generando grandes asentamientos del terreno y de las estructuras apoyadas en él.
• (h) Suelos con partículas redondeadas, son más susceptibles que suelos con partículas angulares. Suelos con partículas micáceas, propios de suelos volcánicos, son más susceptibles.
• (i) Cuando el depósito está en condición seca o con bajo grado de saturación, se genera un proceso de densificación con las consecuentes deformaciones permanentes del terreno y estructuras apoyadas en él.

H.7.4.5 — Métodos de evaluación del potencial de licuación

Para la evaluación del potencial de licuación y de las deformaciones permanentes, se deben emplear técnicas de laboratorio y/o ensayos de campo, que correspondan a metodologías determinísticas o probabilísticas actualizadas reconocidas internacionalmente.

El Estudio Geotécnico deberá describir la susceptibilidad y consecuencias potenciales de licuación y pérdida de resistencia del suelo (incluyendo estimativos de asentamiento diferencial, corrimiento lateral, cargas laterales sobre las cimentaciones, reducción de la capacidad de soporte de las cimentaciones, incremento en la presión lateral sobre estructuras de retención y flotación de estructuras enterradas), y deberá discutir las medidas para la mitigación (numeral H.7.5).

Las medidas de mitigación deberán ser tenidas en consideración en el diseño de la estructura y pueden incluir, pero no son limitadas a, estabilización o densificación del terreno, selección de tipos de cimentaciones a profundidades apropiadas, selección de sistemas estructurales que se acomoden a los desplazamientos y fuerzas anticipadas, o alguna combinación de estas medidas. También deben evaluarse las implicaciones de las medidas de mitigación para garantizar el funcionamiento del proyecto y su entorno luego del sismo. En general, debe buscarse que las estructuras no queden ubicadas sobre suelos susceptibles a licuación.

El potencial de licuación del suelo, la pérdida de resistencia y las deformaciones permanentes, deberán ser evaluadas para las aceleraciones máximas del terreno (Amax), las magnitudes (Mw) esperadas de los posibles escenarios de eventos sísmicos, número de ciclos de carga, la resistencia a la penetración del suelo (ensayos SPT, cono estático, piezocono, becker, Vs, etc), y demás características consistentes con los movimientos sísmicos del terreno y el método empleado. Se permite determinar la Amax basado en un estudio de microzonificación sísmica de la ciudad o en un estudio específico de respuesta de sitio que tenga en cuenta efectos de amplificación (numerales A.1.9 y H.7.2). En suelos finos, por su comportamiento particular, podrá verificarse mediante relaciones que incluyan el IP, Wn / LL, y demás parámetros sugeridos por las metodologías modernas sobre el tema.

H.7.4.6 — Métodos de mejoramiento de los depósitos de suelos suceptibles a la licuación

En correspondencia con los factores que aumentan la vulnerabilidad del suelo ante los esfuerzos cíclicos se indican algunos métodos para densificar el terreno y/o mejorar su resistencia. Estos son:

• (a) Drenajes — Drenajes y sub drenajes de grava, gravilla, drenajes tipo "Mecha” (Wick) y pozos para mantener baja la presión del agua y disipar eventuales excesos.
• (b) Vibro-densificación — Es una densificación por vibración que opera por medio de una licuación moderada que produce densificación del depósito.
• (c) Vibro-compactación — Vibración bajo agua que produce la densificación de material; las aberturas son rellenadas luego con material compactado.
• (d) Vibro-reemplazo — Huecos perforados a golpes, son luego rellenados con grava arena y piedra, con o sin agentes cementantes.
• (e) Pilotes de compactación — Procede mediante el hincado con vibración de pilotes de desplazamiento.
• (f) Compactación dinámica — Mediante una repetida aplicación del impacto de un gran peso dejado caer desde cierta altura con una guía preparada para el efecto.
• (g) Inyecciones de compactación — Inyecciones de una mezcla gruesa y viscosa de material que produce el desplazamiento y la compactación del depósito.
• (h) Estribos de sobrecarga — Que consiste en aumentar la resistencia a la licuación aumentando, con sobrecarga, la presión afectiva de confinamiento.
• (i) Pilotes Radicales — A veces llamados banderillas, con diámetro reducido, perforados e inyectados, pueden reducir el potencial de licuación.
• (j) Inyección de elementos químicos — Inyección a presión de elementos químicos cementantes del depósito arenoso grueso.
• (k) Jet grouting — Que excava, mezcla y rellena materiales adicionales, incluso cementantes mediante chorros de agua a alta presión.
• (l) Pilotes y pantallas pre excavadas — La colocación de pilotes y pantallas -a presión o sin ella- rellenos en cemento, cal, o asfalto reducen el potencial de licuación.
• (m) Vitrificación in-situ — Consiste en la fundición del suelo mediante chorros de fuego que transforman el material en roca.
• (n) Explosiones y voladuras — Con un patrón determinado y a una profundidad relacionada con la magnitud del problema, pueden inducir licuación limitada y producir la densificación del material en profundidad.