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Modelado numerico 2D de la respuesta sismica para las ciudades de Barquisimeto y Cabudare con fines de microzonificacion sismica.

2D MODELLING OF THE SEISMIC RESPONSE FOR BARQUISIMETO AND CABUDARE CITIES FOR MICROZONATION STUDIES

INTRODUCCION

La evaluacion de la respuesta sismica del suelo puede ser realizada a traves de diferentes metodos experimentales, p.e. la medicion de microtremores para el calculo de las razones espectrales de las componentes horizontal y vertical, mejor conocida como razon H/V (Nakamura, 1989), que supone que la razon de la componente horizontal y vertical del movimiento esta relacionada con la funcion de transferencia de la onda S.

Metodos alternativos para la determinacion de la repuesta sismica del suelo, lo constituyen los metodos deterministicos que emplean programas computacionales para modelar la onda sismica. En este sentido se han propuestos muchas tecnicas para el calculo de los sismogramas sinteticos basados en el modelado 2D y 3D de la onda sismica, una de estas tecnicas fue desarrollada por Fah, quien combino un metodo analitico conocido como suma modal (Panza, 1985; Panza and Suhaldoc, 1987; Panza et al, 2000), con diferencias finitas (Fah, 1992; Fah, et al, 1993). La propagacion de la onda de la fuente hasta el inicio de la cuenca sedimentaria se calcula con el metodo de suma modal para un modelo de estructura formado por capas planas (1D). El esquema de diferencias finitas (2D), es usado para simular la propagacion de la onda en la cuenca. Esta tecnica se denomina metodo hibrido y es particularmente adecuada para estimar el movimiento del suelo en cuencas sedimentarias complejas, ya que permite tomar en cuenta la fuente y la trayectoria de las ondas sismicas.

El metodo hibrido ha sido aplicado a diversas ciudades, Roma (Fah, et al. 1993), Thessaloniki, Grecia (Triantafyllidis et al., 2004), Santiago de Cuba (Alvarez et al., 2004), Beijing (Ding, et al., 2004) con fines de microzonificacion sismica, ya que permite la comparacion de los sismogramas sinteticos en el basamento rocoso y la cuenca sedimentaria, y de esa manera obtener las razones 2D/1D de diferentes parametros del movimiento del suelo como aceleraciones, velocidades y desplazamientos maximos y las razones de espectro de frecuencia, entre otros.

En este estudio se presentan los resultados del modelado numerico de la onda sismica superficial utilizando el metodo hibrido que se realizo en las ciudades de Barquisimeto y Cabudare a lo largo de cuatro perfiles con el objetivo de determinar la respuesta del suelo a una frecuencia maxima de 5 Hz con fines de microzonificacion sismica.

REGION DE ESTUDIO

Las ciudades de Barquisimeto y Cabudare en el estado Lara estan ubicadas en la region centro occidental de Venezuela: Barquisimeto, capital del estado, se encuentra ubicada en una terraza aluvial del valle del rio Turbio, al norte de la Falla de Bocono, mientras que Cabudare, se ubica al sureste de la ciudad de Barquisimeto. La FIGURA 1 muestra la localizacion de los cuatro perfiles.

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SISMOS ESCENARIOS

La region de estudio se encuentra ubicada en una zona de gran actividad sismica evidenciada tanto por datos instrumentales como por datos historicos. A partir de la sismicidad registrada en la region y de los mecanismos focales conocidos se realizo la escogencia de los eventos sismicos escenarios, basado en la cercania de los eventos a la region de estudio y de su alineacion con los perfiles seleccionados. De esta manera se seleccionaron dos eventos cuyos mecanismos focales corresponden a los sismos del Tocuyo 1950/08/03 y San Pablo 1975/04/05, estos mecanismos se obtuvieron de las soluciones CMT de Harvard (TABLA 1 y FIGURA 2).

[FIGURA 2 OMITIR]

MODELOS DE ESTRUCTURA REGIONAL

El modelo de corteza empleado es un modelo simplificado del obtenido por Bezada (2005). En el trabajo de Bezada se analizaron secciones sismicas a lo largo de un perfil que se extiende desde unos 150 km costa afuera del estado Falcon hasta el norte de Barquisimeto. Para la estimacion de las densidades se considero el estudio gravimetrico de Orihuela y Cuevas (1993). Las velocidades de onda S fueron estimadas a partir de relaciones empiricas (Brocher, 2005) y las atenuaciones utilizadas fueron las definidas por Alvarez et al, (2004). El modelo de corteza se muestra en la FIGURA 3.

[FIGURA 3 OMITIR]

MODELOS DE ESTRUCTURA LOCAL

Los modelos de estructura local empleados para el calculo de los sismogramas 2D por diferencias finitas se obtuvieron a partir del modelado gravimetrico realizado por Reinoza et al, (2008). En el modelo de estructura local fueron considerados dos tipos de sedimentos: - la terraza aluvial de Barquisimeto (noroeste de la region) con densidad p=1,7 g/[cm.sup.3] velocidad de onda P de 1,5 km/s, y - la cuenca de Cabudare (al sureste) con densidad p=1,8 g/[cm.sup.3], velocidad de onda P de 1,7 km/s. En la TABLA 2 se muestran todos los parametros del modelo de estructura local, necesarios para el modelado de la onda sismica. Las evaluaciones sismicas realizadas posterior a la realizacion de los modelados (Reinoza et al., 2011; Morales et al., 2012) indican valores promedio de la velocidad de onda P de 1,6 - 1,8 km/s y 1,5 - 1,9 km/s para la terraza y la cuenca, respectivamente, y valores promedio de la velocidad de onda S de 0,7 - 1,0 km/s y 0,55 - 0,9 km/s para la terraza y la cuenca, respectivamente. Aunque estos resultados sugieren que las velocidades sismicas en la terraza de Barquisimeto son ligeramente superiores a las de la cuenca de Cabudare, no representa un cambio considerable para la propagacion de las ondas sismicas. En la FIGURA 4 se muestra la estructura local de los perfiles.

[FIGURA 4 OMITIR]

RESULTADOS

Perfil 1

En la FIGURA 5 se muestran los sismogramas sinteticos a lo largo del perfil 1 con direccion NO-SE para las tres componentes de la aceleracion transversal (arriba), radial (centro) y vertical (abajo), utilizando como sismo escenario un evento de magnitud 6,0 Mw ubicado al noroeste (FIGURA 2), con los parametros focales indicados en la TABLA 1. Los numeros sobre las trazas indican los valores maximos de aceleracion; se observa que la maxima aceleracion se alcanza para la componente radial (29,4 cm/[s.sup.2] a 8 km del borde NO) en la terraza de Barquisimeto. La maxima aceleracion en la componente vertical en el centro de la terraza es de 12,4 cm/[s.sup.2] a 6 km del inicio del perfil, la maxima aceleracion de la componente transversal se mide en la cuenca de Cabudare al SE del perfil con un valor de 23,8 cm/[s.sup.2] a 14 km del inicio del perfil.

Los sismogramas sinteticos son utilizados para calcular otros parametros del movimiento del suelo comunmente utilizados en la ingenieria sismica y que se correlacionan con los danos estructurales. En la FIGURA 6, se presentan los graficos de maximo valor del espectro de aceleracion y los periodos asociados en funcion de la distancia a la fuente, para las componentes transversal (FIGURAS 6a, 6b), radial (6c, 6d) y vertical (6e, 6f). Se observa que en la componente transversal (ondas SH) las maximas aceleraciones se alcanzan en la cuenca de Cabudare a unos 43 a 44 km del epicentro (13-14 km del inicio del perfil) (FIGURA 6b) y periodos entre 0,4 y 0,5 s (2,5 - 2,0 Hz) (FIGURA 6a); las otras componentes tambien alcanzan valores maximos a la misma distancia. Valores de la aceleracion altos se alcanzan tambien en la parte mas profunda del perfil de la terraza de Barquisimeto (5-6 km del inicio del perfil).

Las caracteristicas de las senales sismicas que interesa conocer y que estan relacionadas con danos en las edificaciones son: la amplitud, la duracion y el contenido de frecuencias. El contenido de frecuencias se aprecia mejor observando la transformada de Fourier que muestra el contenido de frecuencia de la senal. Para estudiar los efectos 2D debido a la presencia de la cuenca sedimentaria es mejor utilizar los espectros de respuesta relativos. En la FIGURA 7 se muestran los espectros de respuesta relativos; estos espectros son funciones definidas por:

RSR([Florin]) = [RS.sub.2D]([Florin])/[RS.sub.1D]([Florin)) (1)

donde, [RS.sub.2D] es el espectro de respuesta para las senales calculadas en el medio donde se incluye la estructura local y [RS.sub.1D] corresponde al espectro de respuesta para el basamento; ambos, calculados para un medio con amortiguamiento de 5%.

Este procedimiento permite remover los efectos de la fuente y de la estructura regional. Por otro lado, permite identificar en un area determinada, las bandas de frecuencia y los lugares donde ocurren los efectos de amplificacion o deamplificacion (Fah et al., 1993) y son la base para la microzonificacion sismica (Alvarez et al, 2004).

[FIGURA 5 OMITIR]

En la FIGURA 7 se muestra el espectro de respuesta relativo para las componentes: vertical (FIGURA 7a), radial (7b) y transversal (7c) en funcion de la distancia a la fuente, ademas se muestra el modelo local (7d). Se observa que para la componente vertical, frecuencias entre 2,0 y 2,5 Hz son amplificadas hasta por un factor de 6 en el centro de la terraza de Barquisimeto (entre los 5 y 6 km) y hasta un factor de 5 en el centro y bordes de la cuenca de Cabudare ubicada mas hacia el SE del perfil (entre los 12 a 14 km).

Las componentes horizontales muestran amplificaciones de factor 2 para frecuencias entre 0,5 y 1,2 Hz para las componentes transversal y radial (FIGURAS 7b y 7c).

[FIGURA 6 OMITIR]

Perfil 2

En la FIGURA 8 se muestran los sismogramas sinteticos a lo largo del perfil 2 con direccion NO-SE (FIGURA 1) para las tres componentes de la aceleracion transversal (arriba), radial (centro) y vertical (abajo); utilizando como sismo escenario el mismo del perfil 1. Se observa que la maxima aceleracion se alcanza entre 3-4 km del borde NO de la terraza para las tres componentes del movimiento siendo la maxima aceleracion alcanzada en la componente radial (29,8 cm/[s.sup.2] radial, 20,0 cm/[s.sup.2] transversal y 10,3 cm/[s.sup.2] vertical).

En la FIGURA 9, se presentan los graficos de maximo valor del espectro de aceleracion y periodos asociados en funcion de la distancia a la fuente, para las componentes: transversal (FIGURAS 9a, 9b), radial (9c, 9d) y vertical (9e, 9f). Se observa que para las tres componentes del movimiento las aceleraciones maximas se alcanzan en borde NO de la cuenca, entre 3-4 km del borde y para periodos entre 0,3 y 0,5 s (2 y 3,3 Hz).

En la FIGURA 10 se muestra el espectro de respuesta relativo para las componentes vertical (FIGURA 10a), radial (FIGURA 10b) y transversal (FIGURA 10c) de la aceleracion en funcion de la distancia a la fuente para el perfil 2. Se observa que para la componente vertical, frecuencias entre 2,0 y 2,5 Hz son amplificadas hasta por un factor de 5 en el extremo SE (entre los 15 y 16 km del inicio del perfil) y hasta un factor de 4 en la parte mas profunda (entre 12 y 14 km del inicio del perfil) al igual que en el borde NO, a 4 km del inicio del perfil. Las componentes horizontales muestran amplificaciones de factor 2 para frecuencias entre 0,4 y 0,5 Hz.

[FIGURA 7 OMITIR]

Perfil 3

En la FIGURA 11 se muestran los sismogramas sinteticos a lo largo del perfil 3 con direccion SO-NE (FIGURA 1) para las tres componentes de la aceleracion transversal (arriba), radial (centro) y vertical (abajo), utilizando como sismo escenario un evento de magnitud 7,0 Mw ubicado al suroeste (FIGURA 2), con los parametros focales indicados en la TABLA 1. Los sismogramas sinteticos muestran las mayores aceleraciones a unos 4 a 5 km del borde SO siendo mayor el valor de la componente radial (201,8 cm/[s.sup.2] radial; 101,2 cm/[s.sup.2] transversal y 59 cm/[s.sup.2] vertical). Tambien se aprecia como se incrementa la duracion de la senal hacia la zona mas profunda de la cuenca.

La FIGURA 12 muestra los graficos de maximo valor del espectro de aceleracion y periodo asociado para las tres componentes del movimiento: transversal (FIGURAS 12a, 12b), radial (12c, 12d), y vertical (12e, 12 f) en funcion de la distancia a la fuente. Se observan tres picos de para un periodo de 0,5 s entre los 9 y 12 km del inicio del perfil en la componente transversal.

La FIGURA 13 muestra la razon del espectro de respuesta a lo largo del perfil 3, se observa que hacia la parte mas profunda de la cuenca se alcanzan amplificaciones de hasta un factor de 4 en la componente vertical (FIGURA

13 a) y de hasta un factor de 2 en las componentes radial (FIGURA 13b) y transversal (FIGURA 13c).

[FIGURA 8 OMITIR]

[FIGURA 9 OMITIR]

Perfil 4

En la FIGURA 14 se muestran los sismogramas sinteticos para las tres componentes de la aceleracion transversal (arriba), radial (centro) y vertical (abajo) a lo largo del perfil 4, utilizando como sismo escenario el mismo evento del perfil 3. Se observa que los valores mas grandes de la aceleracion se alcanzan en distintos lugares para las diferentes componentes de la aceleracion. Asi, para las componentes vertical y radial los valores maximos se alcanzan entre los 4 y 5 km del inicio del perfil, estos valores son: 101,6 cm/ [s.sup.2] para la componente transversal, 152,5 cm/[s.sup.2] para la radial y 86,2 cm/[s.sup.2] para la vertical. Por otra parte, el valor mas grande se encuentra en la componente radial de aceleracion a 500 m, aproximadamente del inicio del perfil.

La FIGURA 15 muestra los graficos de valor maximo del espectro de aceleracion y periodos asociados para las tres componentes del movimiento: transversal (FIGURAS 15a, 15b), radial (15c , 15d), y vertical (15e, 15f), en funcion de la distancia a la fuente. Se observa que las mayores amplificaciones en la componente vertical ocurren entre los 6 y 8 km del inicio del perfil para periodos entre 0,6 y 0,8 s.

La razon del espectro de respuesta 2D/1D a lo largo del perfil 4 se aprecia en la FIGURA 16, donde se observan amplificaciones de hasta un factor 6 entre los 7 y 9 km del borde SO del perfil 4 en la componente vertical (FIGURA 16a) y de hasta un factor de 2 en las componentes horizontales entre los 4 y 6 km (16b y 16c).

ANALISIS DE RESULTADOS

De acuerdo a Fah (1992), los tres principales efectos causados por la presencia de sedimentos son: 1) La excitacion de ondas superficiales en los bordes de la cuenca sedimentaria, 2) efectos de resonancia debido a la topografia del basamento y 3) la generacion de ondas superficiales locales muy dispersivas con un pico de energia alrededor de los 2 Hz.

El primer conjunto de efectos se refiere la generacion de ondas superficiales locales por multiples reflexiones de las ondas SH y P-SV, al inicio de la cuenca sedimentaria que progresivamente se va haciendo mas profunda. En el caso de las ondas P-SV adicionalmente ocurren conversiones de fase de S a P en la interfase sedimentosroca y en la superficie libre. Estas multiples reflexiones de las senales sismicas, despues de una corta propagacion, generan ondas superficiales locales; este efecto parece dominar el campo de ondas en el interior de la cuenca sedimentaria en los perfiles 1 y 2 (FIGURAS 5 y 8). En los graficos de maximo valor del espectro de aceleracion, se observan las mayores amplificaciones en los bordes de la cuencas mas cercanos a la fuente sismica, en el perfil 2 (FIGURA 9) donde la profundidad de los sedimentos se va haciendo mayor, progresivamente, de NO al SE. De la misma manera se puede explicar el incremento de las amplitudes y duracion de la senal que se observa en las tres componentes de la aceleracion en los perfiles 3 y 4. (FIGURAS 11 y 14).

En el afloramiento de la roca del perfil 1 (10-12 km del inicio del perfil) se aprecian senales que muestran menores amplitudes, duracion y contenido frecuencial que en las subcuencas (FIGURAS 5, 6, 7); esto ocurre para las tres componentes del movimiento. Ondas superficiales locales son excitadas en la cuenca de Cabudare con grandes amplitudes en la componente transversal. De acuerdo a Fah (1992), estas ondas superficiales estan formadas principalmente por ondas S atrapadas en la cuenca que interfieren constructivamente para frecuencias alrededor de 2 Hz.

Dentro de la cuenca sedimentaria se observan efectos de resonancia, los cuales ocurren en los sectores de la cuenca con suaves variaciones en la geometria del basamento rocoso. La resonancia es debida a la superposicion de las ondas superficiales con las reflexiones dentro de la cuenca. Estos efectos 2D son mejor visualizados en las razones espectrales 2D/1D (FIGURAS. 7, 10, 13 y 16). Asi, en el perfil 1 se presentan efectos resonantes en el centro de las subcuencas; se observan amplificaciones de hasta un factor 6 para frecuencias de 2 Hz en la componente vertical y de factor 2 para frecuencias de 1 Hz en las componentes horizontales (FIGURA 7). Asimismo, en los perfiles 3 y 4, se alcanzan amplificaciones de hasta un factor 5 en la zona mas profunda de la cuenca para frecuencias entre 1 y 1,5 Hz en las componentes verticales del movimiento (FIGURAS 13 y 16). Los estudios de Ambrasseys and Simpson (1996) y Ambrasseys and Douglas (2000) apoyan estas observaciones. Estos autores concluyen que, a altas frecuencias y distancias cortas, la componente vertical del espectro puede tener una dependencia mas fuerte de las condiciones del suelo que para las componentes horizontales. Estas altas amplificaciones alcanzadas por la componente vertical podrian indicar la importancia de considerar las componentes verticales tanto como las horizontales.

El uso de dos sismos escenarios diferentes para los perfiles 1, 2 y 3, 4 hace que los resultados del modelado 2D deban ser analizados de forma independiente. Sin embargo, las razones 2D/1D de parametros simples como las aceleraciones, intensidad de Arias (IA) o funciones como los espectros de respuesta son perfectamente compatibles y constituyen en elemento clave para microzonificacion sismica.

CONCLUSIONES

Con la finalidad de estimar la respuesta sismica de la ciudad de Barquisimeto se realizo el modelado numerico de las ondas sismicas para cuatro perfiles ubicados en las ciudades de Barquisimeto y Cabudare aplicando el metodo hibrido. Los resultados obtenidos se analizaron en terminos de los efectos sobre la amplitud, duracion y contenido de frecuencias de las ondas sismicas, asociados a la presencia de la cuenca sedimentaria.

Los sismogramas sinteticos muestran que la terraza de Barquisimeto tuvo una respuesta de sitio alrededor de las frecuencias 2,0 a 2,5 Hz con amplificaciones relativas que alcanzan un factor de 6 para la componente vertical; en la cuenca de Cabudare se alcanzan amplificaciones de hasta un factor de 5 para las mismas frecuencias. En las componentes horizontales se alcanzan amplificaciones de hasta un factor de 2 para frecuencias entre 0,5 - 1,2 Hz. Estos resultados muestran que la componente vertical puede tener una dependencia mas fuerte de las condiciones del suelo que las componentes horizontales y destaca la importancia de considerar las componentes verticales tanto como las horizontales.

Se observaron efectos de amplificacion y duracion de las senales sismicas en los bordes de las cuencas sedimentarias, cercanos a la fuente sismica. Estos efectos de amplificacion pueden ser explicados debido a las multiples reflexiones de las ondas sismicas, las cuales generan ondas superficiales locales en los bordes de la cuenca sedimentaria. Se alcanzaron las mayores aceleraciones en la cuenca de Cabudare debido, quizas, a que la magnitud del sismo escenario fue mayor para estos perfiles.

[FIGURA 10 OMITIR]

[FIGURA 11 OMITIR]

[FIGURA 12 OMITIR]

[FIGURA 13 OMITIR]

[FIGURA 14 OMITIR]

[FIGURA 15 OMITIR]

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AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se realizo gracias al financiamiento obtenido del Proyecto UNESCO/IGCP 487 e ICTP Network NET-58, "Seismic Microzonation of Latin American Cities" (SMLAC).

REFERENCIAS

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Ambrasseys, N.N., and Simpson, K.A. 1996. Prediction of Vertical Response Spectra in Europe, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 25: 401-412.

Ambrasseys, N.N., and Douglas, J. 2000. Reappraisal of the Effect of Vertical Ground Motion on response,

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Bezada, M. 2005. Modelado bidimensional de la corteza en la zona de colision Caribe-Suramerica, Region Occidental de Venezuela (Estados Lara y Falcon). Trabajo Especial de Grado, Inedito. Universidad Simon Bolivar, 175p.

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Ding, Z., Chen, T., and Panza, G.F. 2004. Estimation of Site Effects in Beijing City. Pure and Applied Geophysics, 161 (5-6): 1107-1123.

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Fah, D., Iodice, C., Suhaldoc, P., and Panza, G.F. 1993. A new method for the realistic estimation of seismic ground motion in megacities, the case of Rome. Earthquake Spectra, 9: 643-668.

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Reinoza, C., Morales, C., Rocabado, V., Garcia, K., Sanchez, C., Abreu, R., y Schmitz, M. 2011. Espesores de sedimentos a partir de interpretacion integrada de datos geofisicos: ciudades de Barquisimeto y Cabudare, Venezuela. Revista de la Facultad de Ingenieria U.C.V, 26 (2): 77-86.

Trabajo recibido: mayo 11 de 2012

Trabajo aceptado: octubre 31 de 2014

Leonardo Alvarado (1); Leonardo Alvarez (2); Michael Schmitz (1); Herbert Rendon (1)

(1) Fundacion Venezolana de Investigaciones Sismologicas (FUNVISIS), Venezuela

(2) Centro Nacional de Investigaciones Sismologicas (CENAIS), Cuba
TABLA 1. Parametros focales de los sismos
escenarios (CMT, Harvard).

Sismo        Mag     Lat     Lon       Ac
             (Mw)    (N)     (O)    [grados]

El Tocuyo    7.0    9.74    69.83     230
1950/08/03

San Pablo    6.0    10.27   69.60     112
1975/04/05

Sismo          Buz        Des        Prof
             [grados]   [grados]   [grados]

El Tocuyo       62        190         16
1950/08/03

San Pablo       39        168         30
1975/04/05

TABLA 2. Parametros del modelo de estructura local donde
se indican: Densidad (p), Velocidades de ondas P y S
(Vp, Vs) y atenuaciones de las ondas P y S (Qp, Qs).

Material             Densidad      Velocidad   Velocidad
                      [rho]         Ondas P     Ondas S
                  (g/[cm.sup.3])   Vp (km/s)   Vs (km/s)

Terraza aluvial        1,7            1,5        0,75
Barquisimeto

Cuenca de              1,8            1,7        0,85
Cabudare

Roca                   2,35          3,40        1,70

Material          Atenuacion   Atenuacion
                   Ondas P      Ondas S
                      Qp           Qs

Terraza aluvial      100           50
Barquisimeto

Cuenca de            100           50
Cabudare

Roca                 600          300
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Author:Alvarado, Leonardo; Alvarez, Leonardo; Schmitz, Michael; Rendon, Herbert
Publication:Boletin de Geologia
Date:Jan 1, 2015
Words:4343
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