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Presentación de monografía

En esta investigación se hace un análisis de vibración ambiental, aplicando la técnica de cociente espectral horizontal/vertical (HVSR), al edificio del Instituto de Geología y Geofísica (IGG-CIGEO) de la UNAN-Managua.
by

Enrique Santana

on 14 April 2017

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE NICARAGUA, MANAGUA
UNAN-MANAGUA
RECINTO UNIVERSITARIO “RUBEN DARIO”
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS
DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN
INGENIERIA CIVIL
ANÁLISIS DE RESULTADOS
ANÁLISIS DE RESULTADOS
ANÁLISIS DE RESULTADOS
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Vibración ambiental en el
IGG-CIGEO/UNAN-Managua


ASPECTOS GENERALES
OBJETIVOS
PROCESAMIENTO DE SEÑALES
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Introducción
La ciudad de Managua se considera la más expuesta del país en cuanto a eventualidad sísmica y volcánica conjunta, en el distrito I de ella, se localiza la Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua (UNAN-Managua), cuya entidad atiende un gran número de personas diariamente. Dentro de esta Alma Mater, se encuentra el Instituto de Geología y Geofísica (IGG-CIGEO), un valioso centro de investigaciones sobre las ciencias de la tierra. Por ello, se hace necesaria la valoración del edificio ante un evento sísmico usando el método de vibración ambiental, para conocer cómo reaccionaría la edificación a un evento sísmico, conociendo su período fundamental y la amplificación del suelo y la estructura.
Descripción de sitio
Planteamiento del problema
Objetivo general
Analizar los parámetros dinámicos del edificio del Instituto de Geología y Geofísica (IGG-CIGEO) de la UNAN-Managua, aplicando la técnica de Cociente Espectral Horizontal/Vertical (HVSR).
Objetivos específicos
Determinar los períodos dominantes del suelo donde se realizaron los levantamientos, aplicando la técnica de Cociente Espectral Horizontal/Vertical (HVSR).
Equipo de medición
Sismógrafo digital de Sara GEOBOX 24 bit triaxial
Procesamiento y cálculo numérico
Obtención del período fundamental del suelo
Parámetros dinámicos de la estructura
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
ANEXOS
Presentan:
Denis Sandoval y Enrique Santana


Autores: Br. Denis Noel Sandoval Rostran.
Br. Joel Enrique Santana Peña.

Tutor: PhD. Edwin A. Obando.

Managua, Nicaragua
Noviembre, 2016

ANÁLISIS DE VIBRACIÓN AMBIENTAL EN EL EDIFICIO DEL INSTITUTO DE GEOLOGÍA Y GEOFÍSICA (IGG-CIGEO) DE LA UNAN-MANAGUA APLICANDO LA TÉCNICA DE COCIENTE ESPECTRAL HORIZONTAL/VERTICAL (HVSR).
El Instituto de Geología y Geofísica (IGG-CIGEO), nace como el Centro de Investigaciones de Geofísica (CIGEO) en octubre de 1990 en la UNAN-Managua, con el apoyo de la Agencia Sueca para el Desarrollo Científico con los países en Desarrollo (SAREC).
Las coordenadas del edificio son: 12°06’43.26” N y 86°16’13.97” O, limita al Este con el Colegio La Salle, al Oeste con la Universidad Iberoamericana (UNICIT), al Norte con la Mezquita de Managua y al Sur con la biblioteca central Salomón de la Selva.
Esta investigación trata primero de conocer el período fundamental del suelo y de estructura, realizando muchas mediciones con un sismógrafo; luego se pretende inferir y en el mejor de los casos, determinar si existen sitios de anomalía en el edificio que afecten su rigidez y vibración natural, también se propondrá un modelo de velocidad de ondas de corte a una profundidad menor a treinta metros. Se usará el software Geopsy v.2.9.0 para observar la interacción suelo-estructura, el software MatLab R2015a para obtener la vibración de la planta alta y el software DEEPSOIL v.6.0 para estimar el modelo de ondas de corte.
El Instituto de Geología y Geofísica se inauguró en el año 2010, teniendo actualmente poco más de cinco años de construcción. Cierto tiempo después de su edificación, se observaron grietas en varias paredes y del muro ubicado en el costado Sur del edificio, dicho muro actúa como empotre en una viga en voladizo, sufriendo los efectos, y cuyo voladizo serían los pasillos Este y Oeste del edificio.
Al realizar el análisis de vibración ambiental, se estarán buscando sitios o elementos que presenten anomalías en el edificio e inferir sobre lo que afectó y continúa afectando la estructura; y con ello proponer si la edificación necesitaría por ejemplo, algún reforzamiento estructural, más espesor del muro o distribución de las masas del edificio.
Estimar parámetros dinámicos de la estructura en su dirección longitudinal y transversal.
Analizar la posible correlación entre el período fundamental del suelo del sitio y el período fundamental del edificio.
Estimar modelos de velocidad de ondas de corte para el sitio de estudio hasta una profundidad de 30 m.
Calcular espectros elásticos de respuesta de sitio para los terremotos incluidos en DEEPSOIL, considerando los parámetros dinámicos del suelo.
Graba ruido sísmico y vibraciones artificiales.
Los datos se pueden guardar en formatos estándar
(por ejemplo, SAF, H-V y GSE).
Posee batería interna, con 20 horas de duración.
Temperatura de funcionamiento: -20/+60 °C.
Los levantamientos se realizaron en tres lugares distintos, los cuales son: 9 en la planta baja, 9 en la planta alta y 12 en los alrededores del edificio.
La nomenclatura usada fue “IGG1” hasta “IGG30”, donde IGG1 corresponde a la primera señal tomada. Cada registro se efectuó con duración de 20 minutos.
Cociente espectral H/V
Punto IGG27, tiene una relación H/V de 3.28, frecuencia de 0.84 Hz, y haciendo este punto el más distintivo de todos, con período de 1.19 seg.
Variabilidad de los períodos de suelo
1
Distribución total de los períodos en el suelo.
El punto IGG1 tiene período de 0.39 seg, los puntos IGG23 y P BAJA tienen períodos de 0.38 seg.

El punto IGG17 (color naranja), con período de 0.13 seg, se omitirá del análisis, por ser un dato atípico.
Suelo con períodos cortos
Suelo con períodos largos
Comportamiento homogéneo del suelo.
Poca dispersión de los datos.

Media aritmética: 0.42
Desviación estándar:

Período natural: 0.42 seg.
Los datos estan bastante separados.
El rango de períodos es de 1.02 seg.

Media aritmética: 0.54
Desviación estándar: 0.42

Período natural: 0.54 seg.

Obtención del período fundamental del suelo
2
Período fundamental del suelo
Cociente espectral del punto “P ALTA”
Promedio de los registros individuales.
Punto más representativo del edificio, porque la medición se hizo en el centro.
Amplitud de 1.63 y frecuencia de 5.04 Hz.
Promedio de los registros individuales.
Amplitud de 2.58 y frecuencia de 2.71 Hz.
En el eje de las abscisas se trabajó a escala logarítmica.
Cantidad de columnas estructurales en las dos direcciones NS y EW
Parámetros dinámicos de la estructura
Dirección
N S
La media aritmética es de 0.21. Período natural
La desviación estándar es 0.21 seg.
Dirección
E W
La media aritmética es de 0.36. Período natural
La desviación estándar es 0.36 seg.
Interacción Suelo-Estructura (ISE)
ISE
NS
EW
Interacción Suelo-Estructura (ISE)
Se encuentran dos pares de puntos que coinciden, el punto IGG15 coincide con el IGG23, y el punto IGG16 coincide con el IGG24. En esta componente, los períodos coinciden en la esquina sureste del edificio, siendo muy cercanos, con valores de 90% y 92% de similitud.
También coinciden los mismos pares de puntos. La similitud entre estos períodos es del 91% y 92%, por lo que en un sismo de gran magnitud, puede que la estructura se comporte en el rango inelástico y llegue a tener el mismo período del suelo, siendo el edificio más propenso en el área sureste.
Área de I S E
4
5
Modelos de velocidades de ondas de corte
Espectros elásticos de respuesta de sitio
3
Ajuste de función de transferencia teórica con la curva de cociente espectral H/V del sitio
Velocidad de ondas de corte de 336.44 m/s, lo que se clasifica como suelo Tipo III, moderadamente blando.
Modelo de velocidad inicial para el sitio de estudio, realizado con ayuda de MatLab
Modelo de velocidad para el sitio de estudio
El modelo alcanza una profundidad de 26 m aproximadamente, indicando que a tal profundidad se encuentra el basamento.
Según este modelo, el suelo debajo del edificio, es firme y somero.
Espectro de respuesta en superficie para el sitio de estudio
La respuesta del suelo es la curva de color anaranjado, esto es, el promedio.
Con aceleración espectral de 1.07 g y un período dominante de 0.42 seg.
Espectro de respuesta en roca para el sitio de estudio
Aceleración espectral de 0.58 g y un período dominante de 0.17 seg.
Función de amplificación del suelo
2.54
Cociente espectral H/V versus espectro en superficie
Los períodos no coinciden con el período dominante del espectro en superficie, sin embargo, el pico secundario del espectro de respuesta coincide con los períodos máximos de las curvas de cociente espectral, indicando cierto nivel de resonancia en la dirección NS.
Los períodos máximos coinciden.
Resonancia.
El suelo en que se encuentra cimentado el edificio presenta variabilidad de períodos cortos y períodos largos, según la adquisición de señales obtenidas. De este modo, el período fundamental es de 0.48 seg; considerando el punto IGG27 como el más representativo, con amplificaciones de 3.28 veces el movimiento horizontal con respecto al vertical, permitiendo identificar y estimar el período fundamental en que vibra el terreno en estudio.
Para determinar el período fundamental de la estructura se trabajó con un código en MatLab, siendo el período de 0.21 seg en la dirección NS y de 0.36 seg en la dirección EW, mostrándose de esta manera que el período del suelo es mayor al de la estructura. También se procedió a enumerar la cantidad de columnas en sus dos direcciones, encontrándose mayor cantidad de columnas en la dirección NS, lo que hace que la estructura tenga mayor rigidez en esa dirección.
Al analizar la interacción del suelo con la estructura, se encuentra que en la dirección NS hay dos pares de puntos que coinciden, con valores de 90% y 92% de similitud. Asimismo, en la dirección EW se encuentran dos pares de puntos que coinciden, con valores de 91% y 92% de similitud. En ambas direcciones, los períodos coinciden en el área sureste del edificio, lo que puede significar que en un movimiento sísmico se produzcan deformaciones considerables y daños moderados, producto de la resonancia.
Al realizar el modelo representativo de sitio, se trabajó con un modelo inicial, el cual se ajustó a la curva de cociente espectral H/V, obteniéndose el suelo firme a una profundidad de 26 m. Se calculó la velocidad de ondas de corte, siendo de 336.44 m/s, lo que se clasifica como suelo Tipo III, es decir, suelo moderadamente blando.
Basándose en el modelo de velocidad de ondas de corte y aplicando el método lineal equivalente aproximado, se crea un espectro de respuesta en superficie y un espectro de respuesta en roca, obteniendo aceleraciones espectrales de 1.07 g y 0.58 g, con períodos dominantes de 0.42 seg y 0.17 seg, respectivamente. También se definió la función de amplificación del suelo, con un factor de 2.54 veces la aceleración espectral de la superficie con respecto al basamento. Finalmente se comparó la curva de cociente espectral H/V en la dirección NS y EW con el espectro de respuesta en superficie, verificándose las coincidencias de los períodos, es decir, que la estructura podría entrar en resonancia.
Al realizar la recolección de datos, se recomienda el uso de varios equipos para la adquisición de señales (sismógrafo digital, acelerógrafo digital y geófonos), con el fin de obtener registros simultáneos en los diferentes puntos del sitio en estudio.
Se recomienda realizar el análisis estructural al edificio, considerando un análisis bidimensional o tridimensional, obteniendo así deformaciones, fuerzas internas y períodos de vibración, los cuales se pueden comparar con los períodos adquiridos en el método de cociente espectral H/V.
Se deben de trabajar los registros de ruido ambiental con otros métodos basados en la teoría de ondas superficiales, tales como: F-K, SPAC, MASW u otros métodos, con el fin de validar las mediciones y obtener resultados más aproximados.
Finalmente, se espera que esta investigación sirva de referencia para estudiantes, docentes y toda clase de investigadores que se mantengan en pro de la ingeniería sísmica, en particular a los interesados en el método de vibración ambiental y modelos de velocidad de ondas de corte; buscando de esta manera mejores diseños para futuras edificaciones, a través del conocimiento de métodos, técnicas, equipos y otros recursos valiosos en el ámbito sísmico.
MUCHAS GRACIAS!
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