Impacto de los proyectos del Instituto

Inclusión de efectos de sitio complejos en reglamentos de construcción, con base en el modelado en tres dimensiones.

Francisco J. Chávez-García

En sismología, se conoce como efectos de sitio a las modificaciones ocasionadas, en el movimiento sísmico, por las heterogeneidades geológicas o topográficas cercanas al sitio de interés. La importancia de los efectos de sitio se debe a que, frecuentemente, condicionan la distribución de daños durante los sismos importantes. En 1985, por ejemplo, no se colapsó ninguna estructura en la zona de lomas de la Ciudad de México, a pesar de los daños importantes que ocurrieron en la zona de lago, a escasos kilómetros. Recordemos que la distancia epicentral de este evento fue mayor de 300 km, por lo que el campo de ondas incidente en la zona de lago fue prácticamente el mismo que incidió en la zona de lomas. Las diferencias en el movimiento sísmico observado alcanzaron un factor de 40 para frecuencias cercanas a los dos segundos de periodo. Estas diferencias se debieron a la amplificación del movimiento sísmico causada por una delgada capa de arcilla muy blanda que rellena el antiguo lago en que se asienta la ciudad.

La caracterización de los efectos de sitio enfatiza corrientemente el efecto de amplificación que se produce cuando capas de sedimentos blandos se encuentran sobre sedimentos más resistentes. Esta amplificación del movimiento se modela corrientemente con una aproximación 1D (una dimensión), en la que se considera que las propiedades del medio varían en una sola dirección, y son constantes lateralmente. La sencillez de este enfoque ha permitido caracterizar los efectos de sitio en reglamentos de construcción, originalmente clasificando la geología superficial como sedimentos o roca. Sin embargo, desde hace ya más de 20 años, se sabe que la variación lateral de las propiedades físicas del subsuelo induce fenómenos adicionales (tales como la generación local de ondas superficiales) que no pueden reproducirse en modelos 1D. Estos fenómenos se traducen en una amplificación adicional del movimiento sísmico, así como en aumentos considerables en la duración del mismo. Por ejemplo, se sabe que en 1988, las irregularidades laterales de la estructura del subsuelo jugaron un papel importante en la distribución de daños en Kirovakan, Armenia. Por otra parte, Kawase explicó el llamado cinturón de daños, observado en Kobe durante el sismo de 1995, como resultado de la interferencia constructiva generada por el borde de la cuenca sedimentaria de Osaka.

A pesar de que se han señalado casos en los que los efectos de sitio 2D o 3D (dos o tres dimensiones) han contribuido de forma predominante a los daños observados, ha sido difícil entender y caracterizar los fenómenos físicos involucrados, para su aplicación general, debido a la gran cantidad de parámetros involucrados. Por ello, es importante avanzar en la caracterización de la respuesta sísmica en estas estructuras complejas. Una herramienta importante para ello es la simulación numérica de la propagación de ondas.

Aunque ya se utiliza corrientemente el modelado de propagación de ondas en estructuras 3D, la generación de resultados de aplicación general todavía está lejana. En la gran mayoría de los estudios al respecto, el objetivo ha sido caracterizar la respuesta sísmica de un sitio específico, buscando reproducir registros obtenidos para un sismo particular. Si bien estos estudios son importantes para validar las simulaciones 3D, caracterizar la fuente sísmica, o hacer predicciones para un evento particular, la especificidad de este tipo de cálculos hace difícil utilizar los resultados en aplicaciones más generales.

Durante la Reunión anual 2003 del Instituto de Ingeniería, se presentaron los resultados de la simulación numérica de la propagación de ondas en un pequeño valle aluvial ubicado en Nueva Zelanda. En dicho valle, durante 1995, operó una red temporal de sismógrafos que recolectó abundante información y permitió confrontar los resultados de un modelo de simulación 3D con las observaciones registradas.

Los datos usados para construir el modelo fueron muy escasos, como sucede en muchos otros estudios de efectos de sitio. Por esta razón, el principal objetivo no fue simular un sismo particular sino investigar hasta qué punto es posible reproducir la respuesta observada con muy poca información mediante el modelado 3D.

La aplicación general del modelado 3D requiere determinar cuáles son los parámetros más importantes por considerar. En el trabajo realizado en el IIUNAM, se partió de la hipótesis de que esos parámetros son el contraste de la impedancia y forma del valle. A pesar de que las limitaciones del modelo impiden una conclusión categórica, los resultados obtenidos muestran un buen acuerdo entre las simulaciones 3D y las observaciones, lo que sugiere que es posible caracterizar los efectos de sitio en estructuras complejas a partir de pocos parámetros. Ello abre el camino para que sean incluidos en reglamentos de construcción.

Pruebas experimentales en cinco tramos del
distribuidor vial de San Antonio

Abraham Roberto Sánchez Ramírez

Con el propósito de corroborar las hipótesis de diseño, detectar posibles discrepancias que afecten las condiciones de seguridad del distribuidor vial (DV) y, principalmente, definir si es necesario ajustar los criterios de diseño para futuras obras de este tipo, el Gobierno del Distrito Federal, a través del Comité Técnico que apoya el desarrollo del proyecto del DV, solicitó al IIUNAM que realizara diversas pruebas sobre la obra terminada, para determinar algunas propiedades básicas de su comportamiento estructural.

En atención a dicha solicitud, el Instituto de Ingeniería elaboró tres tipos de pruebas:
- De vibración ambiental en tres tramos seleccionados,
- De tracción en una columna esbelta
- De cargas estática y dinámicas en un tramo de 35 m de longitud.

Los tramos del DV estudiados se caracterizan por estar estructurados mediante vigas apoyadas sobre columnas de sección circular; la unión entre las vigas con voladizos y las columnas fue concebida para formar un marco rígido. En el proyecto estructural estas vigas fueron identificadas como TA y las trabes centrales como TC. En ambos casos, se trata de elementos de concreto pretensados, cuya sección transversal es de tipo cajón. Las columnas, por su parte, son de sección oblonga y se apoyan sobre zapatas, mismas que pueden o no estar desplantadas sobre pilas (fig 1).

Fig 1 Vista general de la estructura.

Las pruebas se aplicaron en los tramos ubicados entre los ejes A1 a A16, A13 a A16 y A23 a A26. El primero se eligió debido a que las columnas sobre las que se encuentran apoyadas las vigas TC y TA son de alturas variables. El segundo se seleccionó porque fue estructurado mediante vigas TC y TA apoyadas sobre columnas cimentadas en zapatas aisladas con y sin pilas. El último tramo se escogió debido a que su estructuración también está resuelta mediante vigas TC y TA apoyadas en columnas pero la cimentación está resuelta exclusivamente mediante zapatas aisladas.

En la prueba de vibración ambiental se midieron las aceleraciones generadas en los tramos seleccionados de la estructura por la actividad normal en su entorno, identificando las principales frecuencias de vibración en las direcciones vertical (V), trasversal (T) y longitudinal (L). Se emplearon servoacelerómetros de alta resolución que fueron colocados en diferentes puntos de observación en la estructura (fig 2). Las señales de estos sensores fueron capturadas con un sistema de adquisición automático de datos de ganancia ajustable para lograr registrar digitalmente las señales de pequeña amplitud de aproximadamente 10-5 g.

Fig 2 Colocación de sensores sobre un tramo del distribuidor vial

Con la prueba de tracción en una columna esbelta se generó la vibración libre de la estructura utilizando un dispositivo mecánico desarrollado en el Instituto de Ingeniería y con un juego de poleas se aplicaron, de manera progresiva, fuerzas de tracción del orden de 5 t (fig 3). Una vez alcanzada la carga deseada, ésta se liberó para que la estructura vibrara libremente.

Fig 3 Esquema de la prueba de tracción

Las pruebas de cargas estáticas y dinámicas se realizaron con carga vehiculares de magnitudes extremas. Para ello se emplearon cinco camiones de tipo T3-S3, sin remolque, que son los de mayor peso que circulan en el país. Cuatro de ellos se cargaron con pesos entre 55 y 60 t, y uno con 22 t y se colocaron en las posiciones más desfavorables sobre el puente, aumentando progresivamente el número de camiones hasta alcanzar una carga máxima de 227 t (fig 4). La carga se colocó tanto en forma simétrica sobre los dos carriles, como asimétricamente, es decir, toda la carga sobre un solo carril. La carga máxima aplicada fue mayor que la prescrita para el diseño de la estructura según las normas empleadas para el proyecto; para considerar la condición extrema que es concebible pudiera llegar a presentarse.

Fig 4 Posiciones de los camiones para las pruebas estáticas.

La configuración deformada de la estructura (fig 5) se definió con base en transductores de desplazamiento del tipo LVDT y con ayuda de equipo topográfico de alta resolución.

Fig 5 Configuración deformada de la estructura con la carga excéntrica.

Con la interpretación de las pruebas de carga, se puede afirmar que cuando se aplicó la carga máxima de camiones en los dos carriles de circulación, la deflexión máxima a la mitad de la longitud de la viga fue inferior a la permitida por las normas de diseño; además, esta deflexión se recuperó totalmente al remover la carga.

También se estudió el paso de camiones a distintas velocidades y, sobre todo, el paso de éstos sobre el tope colocado para producir impacto, lo que generó vibraciones en el puente. Sin embargo, el análisis muestra que los incrementos de las deformaciones por el efecto de impacto están dentro de los límites permisibles por las normas de diseño y son congruentes con los encontrados en otros puentes de distintas partes del mundo.

El estudio fue patrocinado por el Gobierno del Distrito Federal y elaborado por David Murià Vila, Abraham Roberto Sánchez Ramírez, Roberto Gómez Martínez, Gerardo Rodríguez Gutiérrez, Miguel Ángel Mendoza García, José Alberto Escobar Sánchez, José Enrique Blanco, Carlos Humberto Huerta Carpizo y Roberto Carlos Mendoza, de la Subdirección de Estructuras del IIUNAM.

Roberto Meli Piralla, investigador del IIUNAM y miembro del Comité Técnico del Proyecto del Distribuidor Vial, aportó sus valiosos comentarios a esta investigación.

Por último, Concepción Hernández Rivera, Fernando Ramírez, David Muñoz Vizuet, Ricardo Vera, José Rosales Enriquez, Ponciano Trinidad, Alberto Fuentes González, Raúl Hernández y Salomón Trinidad, apoyaron de manera eficiente, en la preparación del material y el equipo, así como en la ejecución de las pruebas de campo. Verónica María Correa Giraldo, Fernando Ramírez y Ricardo Taborda Ríos, colaboraron en el procesamiento de la información.