DE LA CIUDAD DE BARCELONA

Capítulo 5 APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA 5. APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA 5.1. Introducción La inte...
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Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

5. APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

5.1. Introducción La interacción suelo-estructura es el efecto combinado de respuesta entre el suelo y la estructura, es decir, la respuesta dinámica del suelo influye en el movimiento de la estructura y la estructura influye en el movimiento del suelo. Si las frecuencias predominantes de la estructura y del suelo donde está cimentada son similares, los efectos de amplificación de la señal sísmica se multiplican. Las amplificaciones a largos períodos afectan a las estructuras de gran altura y a los puentes. Este es uno de los motivos por el que es necesario realizar mapas de frecuencias predominantes del suelo. Los estudios de microzonificación sísmica tratan de obtener las frecuencias (períodos) predominantes y las amplificaciones del movimiento del suelo cuando se produce una sacudida sísmica. Barcelona es un ejemplo típico de ciudad moderna, con un importante desarrollo económico, social y urbanístico que se inicia en la transición entre los siglos XIX y XX con importantes impulsos en los sesenta, finales del siglo XX e inicios del XXI. Por otra parte, la sismicidad baja y moderada de Catalunya y la nula memoria histórica sísmica de la ciudad, unida a la inexistencia de códigos sísmicos durante la mayor parte de este período expansivo así como a los requerimientos existentes en las diferentes normativas sísmicas vigentes desde el año 1974, han producido que el entorno edificado de la ciudad exhiba una elevada vulnerabilidad sísmica. Barcelona se sitúa a los pies de Collserola, entre los deltas del Besòs y del Llobregat. Pequeños terremotos ocurridos en Cataluña recientemente han sido sentidos en Barcelona. La percepción de la población ha permitido constatar cómo las zonas de suelos neógenos del frente de mar y de las zonas de los deltas amplifican el movimiento. Para aplicar los conceptos, métodos y técnicas descritos en este estudio, se han seleccionado dos zonas representativas de suelos duros y blandos de la ciudad y se ha aplicado el método lineal equivalente 1D y la técnica de Nakamura. La existencia de estudios previos de zonificación sísmica en la ciudad [3] y [4] ha permitido constatar la estabilidad y robustez de este tipo de estudio.

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La técnica de Nakamura se ha aplicado a tres puntos: la escuela de ingenieros de caminos de Barcelona, en el campus norte de la Universidad Politécnica de Catalunya, el parque Cervantes, situado al final de la Diagonal, en la confluencia entre la Ronda de Dalt y la Conexión entre la Diagonal y la autopista A2 y un punto al inicio de la calle Aragón. Los dos primeros puntos se sitúan sobre suelos duros y en concreto el de la escuela de caminos ha permitido observar la influencia en las medidas de la cercanía de los edificios. El punto de la calle Aragón se sitúa sobre suelo relativamente blando. El programa EERA se ha aplicado a columnas geotécnicas aproximadas a partir del estudio de [3]. Para aplicar la técnica de Nakamura se han efectuado registros de ruido ambiental en los tres puntos numerados y se ha desarrollado un programa Matlab para su análisis evaluando el movimiento de partícula y los cocientes espectrales. También se han medido los períodos predominantes del edificio D2. Este capítulo presenta y analiza los resultados obtenidos. 5.2. Geología de la ciudad Este apartado presenta la caracterización de los materiales que constituyen la ciudad de Barcelona diferenciándolos en función de su edad geológica y de su tipología (fig. 5.1).

N

Figura 5.1. Caracterización geológica de la ciudad de Barcelona a escala 1: 25.000.

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5.3. Columnas litológicas Para realizar el test de aplicación mediante el análisis equivalente lineal unidimensional, se han escogido sondeos representativos de las zonas de estudio utilizados en un estudio previo de zonación sísmica de la ciudad de Barcelona [3]. Los tipos de materiales y localizaciones son: para los suelos de edad Pleistocena los sondeos No. 20, 22, 23 y 36 y para los suelos de edad Holocena los sondeos No. 25, 26, 27 y 47 (fig. 5.2 y tabla 5.1).

Figura 5.2. Situación geológica de la ciudad de Barcelona y localización de los sondeos estudiados [3]. Los sondeos estudiados se han resaltado en color rojo.

HOLOCENO

PLEISTOCENO

Edad

Localización

No.

Referencia

Josep Tarradelles

20

Jolsa, 1989b

Plaça Ferran Casablandas

22

Jolsa, 1989d

Plaça del Sol

23

Losan, 1982a

Esteve Terrades

36

Geotecnia, 1992

CL-Bac de Roda-1

25

Geotecnia, 1988

CL-Bac de Roda-2

26

Geotecnia, 1988

Pallars

27

Sondesa, 1984a

47

Geotecnia, 1989d

CLT6-1

Tabla 5.1. Localización de los sondeos, numeración y referencia [3].

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Para cada sondeo interesa caracterizar la potencia de cada estrato, su densidad, velocidad sísmica de las ondas de cizalla y tipo de material. Cabe destacar que el programa EERA es poco sensible al tipo de material y en cambio tiene mayor importancia la velocidad de la onda sísmica de cizalla. Tal y como se ha comentado existen estudios previos han evaluado la influencia de varios parámetros del suelo en la respuesta frente a un movimiento sísmico como son, por ejemplo, el tipo de suelo y su edad, la potencia de las capas sedimentarias, los elementos topográficos, la existencia de los acuíferos y las frecuencias dominantes de las sacudidas, entre otros, mostrándose que los parámetros geológicos y geotécnicos están relacionados con la velocidad de las ondas sísmicas de corte (S) [2]. En este sentido se han utilizado las velocidades sísmicas de corte estimadas para los materiales de la ciudad de Barcelona en un estudio previo [3]. Los materiales paleozoicos tienen una velocidad sísmica estimada de 2000 m/s, a los materiales Terciarios se les asigna una velocidad de 1200 m/s y todos los materiales Cuaternarios (Pleistoceno y Holoceno) muestran velocidades inferiores a 300 m/s. La incertidumbre principal de estos estudios se basa en la información geotécnica porque está limitada a cierta profundidad y los datos necesarios anteriormente comentados se obtienen a partir de correlaciones [3]. 5.4. Análisis EERA En este apartado se presentan los resultados obtenidos mediante el análisis equivalente lineal y unidimensional realizado mediante la aplicación EERA. Dichos resultados se han organizado en figuras que incluyen el módulo de corte máximo Gmax en MPa, el perfil de velocidades símicas de corte en m/s, el peso específico total en kN/m3 y la razón de amplificación. Se muestran las figuras que definen las razones de amplificación, tanto en función de la frecuencia como del período. Se presentan los resultados obtenidos en un sondeo de la zona de edad Pleistocena (formada por arcillas y gravas) y en un sondeo de la zona de edad Holocena (formada por arenas y limos). El resto de figuras de los sondeos de cada zona dados en la tabla 5.1 también se recogen, ordenados en función de la edad del material, y se presentan en el ANEXO III. La figura 5.3 (b) muestra el perfil de velocidad de cizalla para el sondeo No. 20 que es representativo de la zona con materiales Pleistocenos. En la figura 5.4 (b) se muestra el perfil típico correspondiente a la zona con materiales Holocenos. Se observa con claridad cómo las velocidades de las ondas de cizalla son más bajas en el sondeo correspondiente a la zona con materiales Holocenos. Velocidades inferiores o del orden de 300 m/s persisten hasta profundidades cercanas a los cincuenta metros. Velocidades del orden de 1300 m/s no se dan hasta profundidades superiores a 100 m. En el caso del Pleistoceno, velocidades de 1500 m/s se alcanzan ya a los 40 m de profundidad. La amplificación máxima obtenida para el sondeo No. 20 toma el valor de 3.74 que corresponde a una frecuencia de 4.4 Hz y un período de 0.23 s. En el sondeo No. 25 la amplificación máxima es de 4.17 que corresponde a una frecuencia de 1.8 Hz y un período de 0.55 s. Por lo tanto, se observa claramente un desplazamiento del fenómeno de amplificación hacia períodos más largos en terrenos blandos. El mismo fenómeno se observa en los resultados del ANEXO III. En las zonas Pleistocenas se obtienen amplificaciones de 0.8, 5 y 6 respectivamente, a períodos de 0.1, 0.2 y 0.3 segundos. Las diferencias observadas son debidas a diferencias en las columnas estratigráficas. Por otra parte, las amplificaciones típicas obtenidas en suelos Holocenos son 4.9, 4.7 y 4.5 respectivamente para períodos de 0.55, 0.54 y 0.62. De nuevo, las diferencias observadas son debidas a las diferencias en las características y espesores de las capas. El ANEXO II se dedica a explicar el funcionamiento del programa EERA que es un programa claro y de manejo sencillo y amigable.

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Velocidad ondas de corte (m/s)

Gmax (MPa) 0

2000

4000

6000

8000 0

0

500

1000

1500

2000

0 20

40

40

Profundidad (m)

Profundidad (m)

20

60 80

60 80

100

100

120

120

(a)

(b)

Peso Específico 3

(kN/m ) 0

10

20

30

0

4 Razón Amplificación

20

Profundidad (m)

40

60

3 2 1 0

80

0

5

10

15

20

25

Frecuencia (Hz)

100

120

(c)

(d) 4,00

Razón Amplificación

3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,01

0,1

1

10

Periodo T (s)

(e) Figura 5.3.

Para el sondeo No. 20 (Pleistoceno) se muestran (a) los perfiles de módulo de corte máximo Gmax, (b) los perfiles de velocidades sísmicas de corte, (c) la variación de la densidad en profundidad, (d) Los niveles de amplificación en función de la frecuencia (Hz) y (e) los niveles de amplificación en función del período (s).

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Velocidad ondas de corte (m/s)

Gmax (MPa) 0

1000

2000

3000

4000

5000 0

0

500

1000

1500

0

50

Profundidad (m)

Profundidad (m)

50

100 150 200

100 150 200

250

250

300

300

(a)

(b)

Peso Específico 3

(kN/m ) 0

10

20

30

0

5

Razón Amplificación

50

Profundidad (m)

100

4

3

2

150

1 200

0 0

5

10

15

20

25

Frecuencia (Hz)

250

300

(c)

(d) 4,50 4,00

Razón Amplificación

3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,01

0,1

1

10

Periodo T (s)

(e) Figura 5.4.

Para el sondeo No. 25 (Holoceno) se muestran (a) los perfiles de módulo de corte máximo Gmax, (b) los perfiles de velocidades sísmicas de corte, (c) la variación de la densidad en profundidad, (d) Los niveles de amplificación en función de la frecuencia (Hz) y (e) los niveles de amplificación en función del período (s).

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5.5. Análisis Nakamura El análisis de los registros fuertes obtenidos cuando se produce un terremoto es el método más claro y eficiente para estimar los efectos debidos a las condiciones geológicas locales. Sin embargo, la dificultad de este método radica en que sólo determinados territorios padecen grandes terremotos, lo que deriva en una ausencia de información en el resto. Por otra parte, lo realmente interesante es predecir el efecto local esperado para así poder predecir el daño. Una alternativa es la aplicación de la técnica de Nakamura. Dicha técnica debería aproximar razonablemente bien el primer pico de amplificación de las funciones de transferencia calculadas mediante el análisis numérico. Sin embargo, la aplicabilidad de estos métodos para estimar los efectos debidos a las condiciones geológicas locales es controvertida y requiere mejorar el conocimiento de la composición del campo de ondas de los microtemblores a períodos cortos y comprobar la aplicabilidad de la razón H/V mediante comparaciones empíricas [111]. Se acepta que la técnica de Nakamura predice bien los períodos predominantes pero falla en la estima de los factores de amplificación. En este sentido se realizó en la ciudad de Barcelona un estudio en el año 2001 [4] mediante el uso de los microtemblores y la aplicación de la técnica de Nakamura que permitió conocer los períodos predominantes del suelo. En dicho trabajo se mostró que en los materiales de edad Cuaternaria (y conocidos como Triciclo) los períodos predominantes variaban en un rango entre 0.1 s y 2.0 s. Los materiales Cuaternarios de edad Holocena mostraban gran variabilidad: en el río Besòs los períodos variaban en el rango de 0.50 s a 0.83 s en una ribera y en la otra la variabilidad era de 1.0 y 2.1 s; en cambio los períodos obtenidos en el delta del Llobregat eran más homogéneos y alrededor de 0.72 s. Los materiales de edad Paleozoica (evaluados en el afloramiento de roca que existe en el Tibidabo) mostraban períodos predominantes alrededor de 0.06 s. Las conclusiones de este estudio muestran que el grado de meteorización de la roca influye en la razón espectral H/V: las curvas son planas si la roca es sana y presentan un pico en el caso de presentar alteración. La variabilidad de períodos predominantes en la zona del río Besòs se debe a su reciente formación (hace unos dos mil años) y el grado de construcción presente en la zona (puertos y urbanizaciones) lo que provoca diferentes grados de consolidación del terreno. En cambio el delta del Llobregat no ha tenido procesos de erosión y sedimentación importantes, y esto se refleja en la mayor homogeneidad de los períodos predominantes. Como se ha comentado en la introducción, se han realizado registros de ruido ambiental mediante un sensor que mide las tres componentes del movimiento (Z, NS y EW) en varias zonas: el parque Cervantes, la calle Aragón y la zona de aparcamientos situada detrás del edificio D2 de la escuela de caminos (UPC). El parque Cervantes está situado por encima de la Avenida Diagonal y en la zona formada por material de edad Pleistocena y la calle Aragón se sitúa sobre material de edad Holocena. Los datos obtenidos son series temporales y las componentes Z, NS y EW. Durante el inicio de este registro se necesita orientar el sensor en dirección NS y calibrarlo. También se debe cuidar no realizar ningún movimiento, porque su registro ensucia la señal. Asimismo se ha observado el efecto de saturación del sensor, el cual presenta una alta sensibilidad y, si la señal que se registra es muy energética, lo satura y entonces los registros no son válidos. Otros efectos observados son la influencia en las componentes registradas del viento, del movimiento de otras estructuras, por ejemplo un pórtico bajo el cual se resguardan motocicletas y la deformación inducida por las personas en el suelo. Por ejemplo, el viento soplaba en dirección NS y esta componente era claramente superior a las otras dos. En consecuencia es importante controlar cuidadosamente las circumstancias y condiciones de medida, analizar su influencia en los resultados y, si es necesario, repetir las mediciones. En general, para realizar registros válidos se requiere conocer la influencia de los peatones, los árboles, los vehículos, etc. durante el registro. Por este motivo se ha determinado la distancia mínima sensor-objeto a partir de la cual no se detectan variaciones considerables de la señal.

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Una vez obtenidos los datos característicos de cada una de las zonas a analizar se han calculado dos componentes adicionales combinación de las componentes NS y EW: la componente hcuadrática y la componente h-aritmética. La componente h-cuadrática es la raíz cuadrada de la suma de las componentes NS y EW elevadas al cuadrado respectivamente. La componente haritmética es la suma de las componentes NS y EW. Estas componentes se calculan para observar si los resultados se ajustan aproximadamente en dichas componentes y por tanto, validarlos. En el ANEXO IV se muestra un diagrama de flujo del programa, su explicación y un listado del mismo. A continuación, se muestran los principales resultados obtenidos en los casos en los que se ha aplicado el análisis de ruido. En concreto, se analiza el movimiento de la partícula del suelo, la sensibilidad de la técnica de Nakamura mediante la influencia de un edificio en los resultados y los períodos predominantes observados en suelo Pleistoceno y Holoceno. 5.5.1.

Movimiento de partícula

Para obtener el movimiento de partícula en cada una de las zonas, se ha graficado la componente EW versus la componente NS, utilizando tanto los datos de campo como los datos filtrados. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 5.5. Se observa que el rango de velocidades alcanzado en la zona Pleistocena es superior al de la zona Holocena. Además, existe una tendencia clara del movimiento de partícula en dirección EW cuando se analizan los datos de campo en la zona Pleistocena (fig. 5.5a). Sin embargo, esta tendencia se pierde al analizar los datos filtrados (fig. 5.5a). El movimiento de partícula no presenta esta direccionalidad en el caso de la zona Holocena ni en los datos de campo ni en los datos filtrados (fig. 5.5b). Como se ha comentado en la introducción, el parque Cervantes se sitúa al final de la Diagonal, en una zona donde convergen también otras vías de comunicación, la Ronda de Dalt y la DiagonalA2. Por lo tanto, parece lógico que los registros de ruido ambiental se observe cierta direccionalidad. El movimiento preferencial de la partícula en dirección EW de la zona Pleistocena coincide aproximadamente con la dirección de la avenida Diagonal y por lo tanto esta direccionalidad del movimiento de partícula se debe probablemente a la influencia de esta vía tan importante de comunicación en la ciudad, con importante densidad de tráfico. Sin embargo, cuando se filtran los datos se pierde la parte de la señal que generaba dicha direccionalidad. La situación en la zona Holocena es diferente debido a que en la calle Aragón existe mayor confluencia de calles en varias direcciones y esto hace que no se pueda observar este movimiento preferente.

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-6

6

-5

CERVANTES: datos de campo

x 10

2

x 10

ARAGON: datos de campo

movimiento de particula

4 1

NS(m/s)

NS (m/s)

2 0

0

-2 -1

movimiento de particula

-4 -6 -6

-4 -6

6

-2

0 EW (m/s)

2

4

-2 -2

6 x 10

-5

CERVANTES: datos filtrados

x 10

-1

-6

2

movimiento de particula

x 10

0 EW (m/s)

1

2 -5

x 10

ARAGON: datos filtrados

4 1

NS (m/s)

NS(m/s)

2 0

0

-2 -1 movimiento de particula

-4 -6 -6

-4

-2

0 EW (m/s)

2

4

6 -6

x 10

-2 -2

-1

0 EW

(m/s)

1

2 -5

x 10

N

N

(a)

(b)

Figura 5.5. Movimiento de la partícula en la zona de edad (a) Pleistocena y (b) Holocena. Se presentan los resultados obtenidos (datos de campo y datos filtrados) y la localización de los registros de ruido ambiental en la ciudad de Barcelona.

5.5.2.

Influencia del edificio

Para evaluar la sensibilidad de la técnica de Nakamura se ha aplicado la razón H/V dentro de un edificio y a diferentes distancias de éste. Esto ha permitido observar la influencia de la cercanía de un edificio sobre la señal registrada. Se han realizado medidas en la cuarta planta del edificio D2 y la zona del aparcamiento de la escuela de caminos a diferentes distancias 8.2 metros y 17.6 metros del edificio, respectivamente (fig. 5.6). Interesa realizar la medición dentro del edificio en la parte superior porque no se busca obtener una función de transferencia sino evaluar la

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sensibilidad de la técnica de Nakamura y es en la parte superior del edificio donde se pueden presentar mayores movimientos.

Figura 5.6. Esquema de las medidas realizadas en el edificio y el aparcamiento: (A) Edificio en planta, componentes longitudinal (CL) y transversal (CT). (B)Edificio en alzado (1) Interior del D2, cuarta planta (2) Exterior del D2, a 8.2 metros y sobre el suelo (3) Exterior del D2, a 17.6 metros y sobre el suelo. Ver explicación en el texto.

Los resultados obtenidos para cada una de las tres mediciones realizadas se presentan en la figura 5.7. La figura 5.7 (a) se presenta el movimiento de partícula obtenido para el interior del edificio D2, para los datos de campo y los datos filtrados. Se observa que ambas figuras son similares y que el movimiento se centra en una zona relativamente acotada. En la figura 5.7 (b) se muestra un comportamiento similar al observado en la figura 5.5 (a), es decir, parece que empieza a destacarse cierta dirección preferente en los datos de campo. Este comportamiento se atenúa en los datos filtrados. Finalmente, en la figura 5.7 (c) también se observa esta direccionalidad y además se acentúa un poco más. En las figuras 5.8, 5.9 y 5.10 se presentan: (a) los registros de amplitud vs. tiempo y los espectros de amplitudes de Fourier obtenidos y (b) las ratios espectrales resultado de aplicar la técnica de Nakamura, en escala habitual y en escala logarítmica. Finalmente, en la figura 5.11 se presentan los espectros de amplitudes de Fourier de las componentes más significativas para cada uno de los registros realizados. En la figura 5.8 (a) puede observarse que las componentes más energéticas son la NS y la EW. El resto de las componentes también presentan esta tendencia. En cambio, la componente Z presenta un registro casi plano. También puede observarse que los espectros de amplitudes de Fourier presentan picos destacados en todas las componentes. En concreto, la componente NS presenta dos picos importantes. El primero se produce a una frecuencia entre 4 y 5 Hz, mientras que el segundo pico se da entorno a unos 6 Hz. En la componente EW estos picos se desplazan un poco hacia la derecha, es decir, el primer pico se produce cercano a los 5 Hz y el segundo pico cercano a los 7 Hz. En este caso, el primer pico es menor que el correspondiente a la componente NS mientras que el segundo pico aumenta respecto a la componente NS. Este comportamiento también se observa en el resto de las componentes. Por lo tanto, se están observando dos frecuencias de vibración en el edificio, una corresponde a la dimensión longitudinal del mismo y otra a la dimensión transversal.

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Capítulo 5

(a)

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(b)

(c) Parking 2 (HP 0.5 Hz): datos de campo

-5

2

-6

D2: datos de campo

x 10

x 10 3

1.5

movimiento de particula

2

1 NS (m/s)

NS (m/s)

0.5 0 -0.5

1 0 -1

-1

-2

-1.5

-3

movimiento de particula

-2 -2

-1.5

-1

-0.5

0 EW

0.5

1

(m/s)

-2

1.5 2 -5 x 10

0 EW (m/s)

2 -6

x 10

Parking 2 (HP 0.5 Hz): datos filtrados -5

2

-6

D2: datos filtrados

x 10

x 10 3

1.5 1 NS (m/s)

NS (m/s)

0.5 0

1 0

-0.5

-1

-1

-2

-1.5 -2 -2

movimiento de particula

2

-3

movimiento de particula

-1.5

-1

-0.5

0 EW

(m/s)

0.5

1

1.5

2 -5

x 10

-2

0 EW

(m/s)

2 -6

x 10

Figura 5.7. Movimiento de partícula en: (a) interior del edificio, (b) en el aparcamiento, a 8.2 m del edificio y (c) en el aparcamiento, a 17.6 m del edificio.

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D2: datos filtrados x 10

-5

1

10

-4

Componente Z 10 -5

0

-1

-5 20 0 x 10

40

60

80

100

10

120

-6

10

1

10

0

10

-4

1

Componente NS 0

-1

-5 20 0 x 10

40

60

80

100

10

120

Componente EW 0

-5 20 0 x 10

40

60

80

100

120

0

10

10

10 Componente H-quadratica

-1 1

10 0x 10 -5 20

40

60

80

100

120

10 Componente H-aritmetica

-1

10 20

40

60 80 tiempo (s)

100

0

10

-4

120

1

-5

10

1

-5

-6

10 10 -4

0

0

-6

10 -6 0 10 -4 10

-1 1

-5

10

1

Mod-FFT (m)

Amplitud (m/s)

(a)

10

0

10

1

-5

-6

10

0

10

1

frecuencia (Hz)

D2: Ratios espec trales 2

100

10 NS-Z spectral ratio

NS/V ratio

NS/V ratio

80 60 40

1

10

20 0

2

4

6

8

10 0 10

10

10 EW-Z s pectral ratio

80

EW/V ratio

EW/V ratio

(b)

1

10

2

100

60 40 20

1

10

0

2

4

6

8

10 0 10

10

1

10

2

100

10 HQ-Z spectral ratio

NS/V ratio

HQ/V ratio

80 60 40 20

1

10

0

2

4

6

8

10 0 10 2 10

10

100

1

10

HA-Z spec tral ratio

HA/V ratio

SA/V ratio

80 60 40 20

101

0

2

4

6

8

10

10 0 10

1

10

frec uencia (Hz)

Figura 5.8. Interior del edificio D2. Para cada componente se muestran: (a) Registros de la amplitud versus tiempo, a la izquierda y espectros de amplitudes de Fourier, a la derecha. (b) Ratios espectrales versus frecuencia en escala normal, a la izquierda, y en escala logarítmica, a la derecha.

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Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

x 10

Parking 1: datos filtrados

-6

10

-5

Componente Z

2

10 -6

0 -2 -6 0 x 10

20

40

60

80

10

100

-7

10

10

0

10

-5

1

Componente NS

2 0

10

-6

-2 -6 0 x 10

40

60

80

10

100

Componente EW

2 0 -2 -6 0 x 10

20

40

60

80

-7

10

Mod-FFT (m)

Amplitud (m/s)

(a)

20

10

10

0

10

-5

-6

10 -7 0 10 -5 10

100

1

10

1

2 0

10

-2

Componente H-quadratica 10 0x 10 -6

20

40

60

80

100

-6

-7

10 10 -5

0

10

1

2 0

10

-2

Componente H-aritmetica 10 0

20

40 60 tiempo (s)

80

100

-6

-7

10

0

10

1

frecuencia (Hz)

Parking 1: Ratios espectrales 2

100 NS /V rati o

10 NS-Z spectral ratio

80

NS /V 1 rati 10 o

60 40 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

100

10 EW-Z spectral ratio

80

(b)

10 0 10

EW 60 /V rati 40 o 20

EW /V 1 rati 10 o 0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

100 HQ /V rati o

10 0 10 10

80

NS /V 1 rati 10 o

HQ-Z spectral ratio

60 40 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

100 HA /V rati o

10 0 10 10

HA-Z spectral ratio

80

SA/ V 1 rati 10 o

60 40 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

10 0 10 frecuencia (Hz)

Figura 5.9. Aparcamiento, a 8.2 metros del edificio D2. Para cada componente se muestran: (a) Registros de la amplitud versus tiempo, a la izquierda y espectros de amplitudes de Fourier, a la derecha. (b) Ratios espectrales versus frecuencia en escala normal, a la izquierda, y en escala logarítmica, a la derecha.

97

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

Parking 2 (HP 0.5 Hz): datos filtrados x 10

-6

10

-5

Componente Z

2

10 -6

0 -2 -6 0 x 10

20

40

60

80

10

100

-7

10

10

0

10

-5

1

2 0

10

-2

Componente NS -6 0 x 10

40

60

80 Componente EW

2

10

100

0 -2

10

10

10 -6 0 x 10

20

40

60

80

-7

10

Mod-FFT (m)

Amplitud (m/s)

(a)

20

-6

100 10

0

10

-5

1

-6

-7

10 -5

0

10

1

Componente H-quadratica

2 0

10

-6

-2 10 0x 10 -6

20

40

60

80

100

-7

10 10 -5

0

10

1

Componente H-aritmetica

2 0

10

-6

-2 10 0

20

40

60 tiempo (s)

80

100

-7

10

0

10

1

frecuencia (Hz)

Parking 2 (HP 0.5 Hz): Ratios espectrales 2

100 NS /V rati o

10

80

NS /V 1 rati 10 o

60 NS-Z spectral ratio

40 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

100

10

80

(b)

10 0 10

EW-Z spectral ratio

EW 60 /V rati 40 o 20

EW /V 1 rati 10 o 0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

100 HQ /V rati o

10 0 10 10

80

HQ-Z spectral ratio

NS /V 1 rati 10 o

60 40 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

100 HA /V rati o

10 0 10 10

80

HA-Z spectral ratio

SA/ V 1 rati 10 o

60 40 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

10 0 10 frecuencia (Hz)

Figura 5.10.

Aparcamiento, a 17.6 metros del edificio D2. Para cada componente se muestran: (a) Registros de la amplitud versus tiempo, a la izquierda y espectros de amplitudes de Fourier, a la derecha. (b) Ratios espectrales versus frecuencia en escala normal, a la izquierda, y en escala logarítmica, a la derecha. Se ha aplicado un filtro a la señal que deja pasar las frecuencias superiores a 0.5 Hz, eliminándose así parte de la señal.

98

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA 10

D2: espectros de amplitud

-4

NS fft (m)

NS espectro de amplitudes 10

10

-5

-6

10

0

10

1

frecuencia (Hz)

(a) 10

-4

EW espectro de amplitudes

EW fft (m)

10

10

-5

-6

10

0

10

1

frecuencia (Hz)

10

Parking 1: espectros de amplitud

-5

NS espectro de amplitudes

NS fft (m)

10

10

-6

-7

10

0

frecuencia (Hz)

(b) 10

-5

EW espectro de amplitudes

EW fft (m)

10

10

-6

-7

10

0

frecuencia (Hz)

10

NS fft (m)

10

Parking 2 (HP 0.5 Hz): espectros de amplitud

-5

-6

NS espectro de amplitudes

10

-7

10

0

frecuencia (Hz)

(c) 10

EW fft (m)

10

-5

-6

EW espectro de amplitudes 10

-7

10

0

frecuencia (Hz)

Figura 5.11. Espectro de amplitudes de Fourier de las componentes más destacadas para (a) edificio D2 (b) aparcamiento a 8.2 metros del edificio y (c) aparcamiento a 17.6 metros del edificio. Para cada caso se presentan las componentes NS y EW.

99

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

En la figura 5.8 (b) se presentan las ratios espectrales obtenidas tras la aplicación de la técnica de Nakamura. De nuevo, en la ratio NS-Z puede observarse claramente que los picos se concentran en el rango frecuencia de 4 a 5 Hz, otro pico importante aparece aproximadamente a los 3 Hz. La ratio EW-Z presenta un desplazamiento de picos hacia la derecha, produciéndose un pico importante a los 7 Hz. El resto de las ratios calculadas presentan un comportamiento similar. En los registros realizados en el exterior del edificio (figs. 5.9 y 5.10) se han realizado las siguientes observaciones. Cada una de las componentes tiene energías similares entre sí, es decir no hay una componente más energética que las otras, como en el caso del edificio. En el caso de las ratios espectrales obtenidas en la primera medición realizada en el aparcamiento en la figura 5.9 (b) se observa una señal con muchos picos y este comportamiento se reproduce en todas las componentes. Por lo tanto, se está observando la influencia del edificio. Los resultados obtenidos en la figura 5.10 (b), cuando se aumenta la distancia al edificio, son de alguna manera más limpios, es decir se comienza a destacar un pico con una frecuencia entorno a los 4.6 Hz. Por lo tanto, la influencia del edificio es mucho menor. La figura 5.11 presenta los espectros de amplitud de Fourier ampliados, para las componentes NS y EW de las tres mediciones realizadas. En las figuras 5.8(b), 5.9(b) y 5.10(b) se han presentado los resultados obtenidos al aplicar la técnica de Nakamura dentro del edificio y en su exterior, en el aparcamiento (a 8.2 m y a 17.6 m del edificio respectivamente). La figura 5.8(b) muestra las ratios espectrales obtenidas en el interior del edificio. Se observa que la ratio más destacada se produce a una frecuencia que se sitúa alrededor de los 0.15 segundos, y de forma más notable para las componentes norte-sur, hcuadrática y h-aritmética. También se ha observado en el registro realizado a 8.2 metros, que el edificio influye de manera muy notable en los resultados obtenidos al aplicar la técnica de Nakamura en el aparcamiento (fig. 5.9(b)) porque la señal es muy irregular, es decir, no presenta claramente ningún pico mucho más destacado que otro y en ninguna de las componentes. Sin embargo, en el registro efectuado a mayor distancia del edificio (fig. 5.10(b)) se destaca la ratio espectral que corresponde a la componente norte-sur, de forma más clara que el resto de las ratios, y a una frecuencia alrededor de los 5 Hz. Esta frecuencia es la que caracteriza aproximadamente el material Pleistoceno obtenido mediante el análisis numérico previo. Por lo tanto, se ha observado que a medida que los registros se efectúan a mayor distancia del edificio su influencia es menor y va destacándose la frecuencia predominante del suelo que constituye el aparcamiento. En este apartado se ha observado claramente la influencia de los edificios en las señales registradas y pone de manifiesto el fenómeno conocido como interacción suelo-estructura. 5.5.3.

Períodos predominantes

La aplicación de la técnica de Nakamura ha permitido obtener las frecuencias predominantes de los suelos de las zonas analizadas, Pleistoceno y Holoceno. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 5.12 y 5.13, respectivamente. Finalmente en la figura 5.14 presentan las ratios espectrales de la componente NS obtenidas para cada zona. En las figuras 5.12 (b) y 5.13 (b) se puede observar, de nuevo, la influencia de los edificios en las ratios espectrales de señales registradas dentro de una ciudad y la diferencia con las ratios espectrales obtenidas para señales registradas en zonas más aisladas (caso del parque Cervantes). También se ha observado que los suelos analizados tienen frecuencias predominantes características y claramente diferentes. En concreto, los suelos duros presentan frecuencias predominantes que se sitúan entorno a los 5 Hz (fig. 5.14) y que los suelos más blandos presentan frecuencias predominantes entorno a 1 Hz. Los resultados indican que estas frecuencias fundamentales del suelo son consistentes con las frecuencias del primer pico de amplificación de las funciones de transferencia obtenidas mediante el análisis 1D. Sin embargo, el comportamiento obtenido para suelos duros se ajusta más claramente a los resultados obtenidos mediante el análisis numérico.

100

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

x 10

CERVANTES: datos filtrados

-5

1

10

-4

Componente Z 0 10 -1

-5 0 x 10

50

100

150

200

250

-6

10

1

10

-1

-4

10

0

10

1

Componente NS 0 10 -1

50

100

150

200

250

10

Mod-FFT (m)

Amplitud (m/s)

(a)

-5 0 x 10

1 Componente EW 0

-6

10

10

-5 0 x 10

50

100

150

200

250 10

10

0

10

1

-6

-1 1

-1

-4

10 -4

-1

10

0

10

1

Componente H-quadratica 0 10

-6

-1 1

0x 10 -5

50

100

150

200

250 10

10 -4

-1

10

0

10

1

Componente H-aritmetica 0 10

-6

-1 0

50

100 150 tiempo (s)

200

250

10

-1

0

10 frec.cHz)

10

1

CERVANTES: Ratios espectrales 2

100

10 NS-Z spectral ratio

80

N S/ 60 V 40 rat io 20

N S/ 1 V 10 rat io 0

2

4

6

8

10

10 -1 10

0

10

1

10

2

100

10

80 E W / 60 V 40 rat io 20

E W/ 1 V 10 rat io

EW-Z spectral ratio

0

(b)

2

4

6

8

10

0

10

1

10

2

100 80 H Q/ 60 V 40 rat io 20

10 -1 10 10

HQ-Z spectral ratio

2

4

6

8

10

100

N S/ 1 V 10 rat io 0 10 -1 10 102

0

10

1

10

HA-Z spectral ratio

80 H A/ 60 V 40 rat io 20

SA /V 1 rat 10 io 0

2

4

6

8

10

10 -1 10

0

10

1

10

frecuencia (Hz)

Figura 5.12. Zona de edad Pleistocena, para cada componente se muestran: (a) Registros de la amplitud versus tiempo, a la izquierda y espectros de amplitudes de Fourier, a la derecha. (b) Ratios espectrales versus frecuencia en escala normal, a la izquierda, y en escala logarítmica, a la derecha.

101

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

ARAGON: datos filtrados x 10

-5

1

10

0 10

-4

-6

Componente Z -1

-5 0 x 10

50

100

150

200

250

10

1

10

0 10

-1

-4

10

0

10

1

-6

Componente NS -1

-5 0 x 10

50

100

150

200

250

1

10

Mod-FFT (m)

Amplitud (m/s)

(a)

0 Componente EW

10

10

-5 0 x 10

50

100

150

200

250 10

0 10

10

0

10

1

-6

-1 1

-1

-4

10 -4

-1

10

0

10

1

-6

Componente H-quadratica -1 1

0x 10 -5

50

100

150

200

250 10

0 10

10 -4

-1

10

0

10

1

-6

Componente H-aritmetica -1 0

50

100 150 tiempo (s)

200

250

10

-1

0

10 frecuencia (Hz)

10

1

ARAGON: Ratios espectrales 2

100

10

80

NS-Z spectral ratio

N S/ 60 V 40 rat 20 i 2

4

6

8

10

0

10

1

10

2

100

(b)

N S/ 1 V 10 rat i 0 10 -1 10 10

80 E W / 60 V 40 rat io 20

EW-Z spectral ratio

2

4

6

8

10

100 80 H Q/ 60 V 40 rat io 20

HQ-Z spectral ratio

2

4

6

8

10

100 80 H A/ 60 V 40 rat io 20

HA-Z spectral ratio

2

4

6

8

10

E W/ 1 V 10 rat io 0 10 -1 10 2 10 N S/ 1 V 10 rat i 0 10 -1 10 2 10 S A/ 101 V rat i 0 10 -1 10

0

10

0

10

0

10

1

10

1

10

1

10

frecuencia (Hz)

Figura 5.13. Zona de edad Holocena, para cada componente se muestran: (a) Registros de la amplitud versus tiempo, a la izquierda y espectros de amplitudes de Fourier, a la derecha. (b) Ratios espectrales versus frecuencia en escala normal, a la izquierda, y en escala logarítmica, a la derecha.

102

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

CERVANTES: Ratios espectrales 200 NS-Z spectral ratio

180 160 140 NS/V ratio

120 100 80 60 40 20 1

2

3

4

5

6

7

8

(a) 10

NS/V ratio

10

10

10

2

1

0

-1

10

-1

0

10 frecuencia (Hz)

10

1

ARAGON: Ratios espectrales 20 18 16 14 NS/V ratio

NS-Z spectral ratio

12 10 8 6 4 2 1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(b) 10

1

NS/V ratio 10

0

10

0

frecuencia (Hz)

Figura 5.14. Ratios espectrales obtenidas en (a) Parque Cervantes y (b) Calle Aragón. Escala habitual y escala logarítmica.

103

Capítulo 5

APLICACIÓN A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE BARCELONA

5.6. Resumen y conclusión En este capítulo se han presentado los resultados obtenidos tras la aplicación de un método numérico, el análisis 1D, y un método empírico, la técnica de Nakamura, a suelos de diferentes características geotécnicas de la ciudad de Barcelona. Las conclusiones obtenidas son las siguientes: 1.

El análisis numérico equivalente unidimensional realizado en las dos zonas de la ciudad de Barcelona ha permitido obtener las frecuencias predominantes del suelo así como sus niveles de amplificación. Se ha observado que las frecuencias predominantes en la zona de edad más antigua (Pleistoceno) se sitúan alrededor de los 5 Hz. Las razones de amplificación de esta zona son inferiores al valor límite de 4. Este comportamiento es claramente diferente al constituído por materiales de edad más reciente (Holoceno), cuyas frecuencias predominantes se sitúan alrededor de los 2 Hz. Este tipo de material presenta razones de amplificación superiores.

2.

Se ha observado la direccionalidad del movimiento vibratorio mediante la graficación de la componente EW versus la componente NS de los registros de ruido ambiental realizados en varias zonas de Barcelona. Esto ha permido identificar la fuente principal de ruido ambiental.

3.

La aplicación de la técnica de Nakamura ha permitido obtener las frecuencias fundamentales del suelo que constituye las dos zonas estudiadas. En la zona de edad más antigua las frecuencias fundamentales obtenidas se sitúan alrededor de los 5 Hz mientras que en la otra zona estudiada las frecuencias fundamentales se sitúan entorno a 1 Hz. Los resultados obtenidos al aplicar la técnica de Nakamura en zonas relativamente aisladas y zonas con edificios han permitido observar la influencia de éstos en las ratios espectrales.

4.

Por lo tanto, los dos métodos utlizados, han permitido distinguir dos tipos de materiales, los que están situados en la parte superior de la ciudad, más antiguos y caracterizados por frecuencias fundamentales más altas y los situados en la zona de costa de frecuencias bajas.

5.

La técnica de Nakamura es un método sencillo para obtener la frecuencia fundamental del suelo y se debe utilizar como guía de la frecuencia del primer pico de amplificación de las funciones de transferencia obtenidas mediante el análisis numérico. Así, tras la aplicación del análisis numérico y del análisis empírico, se obtienen frecuencias fundamentales del suelo comparables. Con todo la zona Pleistocena ofrece resultados más consistentes. Sin embargo, la técnica de Nakamura ofrece una información sólo cualitativa a través de la frecuencia fundamental del suelo mientras que el análisis numérico unidimensional permite obtener la razón de amplificación asociada a la frecuencia fundamental.

6.

La respuesta sísmica de los suelos puede aproximarse adecuadamente mediante los análisis numéricos unidimensionales en zonas caracterizadas por una geología relativamente sencilla. Asimismo, el método de Nakamura es un excelente estimador de los períodos predominantes de los suelos. Aún así ambas técnicas presentan limitaciones importantes. El análisis numérico se basa principalmente en la caracterización de las columnas litológicas representativas de la zona estudiada mediante, principalmente, la velocidad de las ondas sísmicas de corte. Sin embargo, esta velocidad se obtiene a partir de correlaciones empíricas con el valor N del ensayo de penetración estándar. La información, además, está limitada a la pofundidad de sondeo y supone una alteración en el estado tensodeformacional del terreno. En el caso de la técnica de Nakamura, las circunstancias y condiciones de las medidas realizadas (edificios, vehículos, peatones y viento) pueden influir en los resultados obtenidos y en consecuencia se deben controlar adecuadamente.

104