Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin21 CAPTULO 4EFECTOS DE SITIO EN EL GRAN CONCEPCIN4.1 Introduccin Para llegar a entender los patrones del dao, en relacin con el pasado terremoto del 27F de 2010 deben ser considerados una amplia gama de factores, partiendo por el concepto de que no existe una causa nica y responsable del dao. Suponiendo una misma distancia epicentral y dejando de lado el devastador tsunami, los factores explicativos ms influyentes en la causa del dao son eltipoy calidad de la construccin, las condiciones locales del subsueloy su entorno topogrfico. Aunquenoesfcildiscernirelpapelquejuegacadauno,resultaevidentelaexistenciade condicioneslocalesdelsubsueloqueafectanlaintensidaddelossismosyqueunabuena exploracin geotcnica debiera aclarar. Es relevante mencionar que este terremoto, como ningn otrodelosquehanocurridoenChileduranteelsigloXX,produjoimportantes amplificaciones ssmicas y dej una gran cantidad de sitios afectados por el fenmeno de licuacin. 4.2 Efectos de sitio La ocurrencia de este fenmeno se presume bastamente en Concepcin y se deriva precisamente de las condiciones del subsuelo de la zona afectada.Se enfatiza el hecho de que la influencia de las condiciones geolgicas y topogrficas en un sismo incide fuertemente en el nivel del dao, en sunaturaleza,ensudistribucinyporendeenlasintensidadesssmicasquedeja asupaso.De estehechosederivanlosefectosdesitio(Leytonetal.,2012).LaFiguraA4.1delAnexo4.1 muestra las diferentes respuestas del terreno que pueden existir en un mismo terremoto. Un estudio completo delefecto de sitiorequiere considerar todos los aspectos geolgicos, como suscaractersticasdinmicas,espesordelascapas,resistenciayrigidezdelgeo-material,la profundidadqueseencuentra elsustento rocoso,entreotros,ademsde lascaractersticasdela sealssmica(composicin,direccindelaradiacinincidente,etc.).Sinembargo,dadala complejidaddelfenmeno,enmuchasocasioneslosestudiosserealizanasumiendo simplificaciones y considerando solamente alguno de los aspectos anteriormente mencionados. El objetivo del presente captulo es mostrar la ubicacin de las infraestructuras ms afectadas y las Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin22 zonas donde es ms susceptible la ocurrencia del efecto de sitio, especficamente la amplificacin de la onda ssmica. 4.3 Amplificacin de la onda ssmica Es importante recordar que el terremoto es una onda que nace del hipocentro, la cual se propagapor el suelo e ingresa a la estructura a travs de sus fundaciones. Por ello se observa que el patrn dedaoregistradodurantesismosdegranmagnitudpresentauna importantevariabilidaddeun lugar a otro, an en distancias relativamente cortas, siendo posible explicarlas mayoritariamente por las variaciones locales del tipo de suelo y la topografa. Este fenmeno de amplificacin local delasondasssmicas,asociadoprincipalmentealaspropiedadesgeotcnicasdelsubsueloyla profundidad del basamento rocoso, se suele denominar amplificacin de la onda ssmica. De este modo,eldaocausadoporsismosesfuertementedependientedelascondicioneslocalesdel terrenoy,porlotanto,lacaracterizacindelsubsueloesuntemadeconsiderableintersen ingeniera. La Figura 4.1 muestra de forma didctica los efectos del subsuelo en la onda ssmica. Figura 4.1 Efectos del subsuelo en la onda ssmica Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin23 Cabe sealar que toda estructura debe soportar una demanda de esfuerzos cuantificable, es decir, laclavedeldiseoesquelacapacidaddecualquierestructuradebesermayoroigualquela demandaalacualessometidayparaestoexistenlosterremotosdediseo(espectrosde respuesta).Esrelevantesaberqueparaunedificioemplazadosobreunsuelomuyblandoy flexible se requiere un terremoto de diseo mucho ms severo que para uno montado sobre roca (suelocompetente).Deellosedesprendedeformanaturalquelaexploracinylacorrecta caracterizacindelsuelobajounedificionuevoesuntemaesencial,yaqueestopermitesaber conmscertezalademandadelsismo,ylomsimportante,qutipodesuelodefundacinse debe considerar para el diseo. Se enfatiza el hecho de que un edificio en suelo blando va a tener un mayor dao ssmico que otro construido sobre otra superficie (Valenzuela, 2012). 4.3.1 El centro urbano de Concepcin En Concepcin se constat bastante dao en infraestructura en una proporcin mucho mayor que enotrasciudadesafectadas.Enconcordanciaconeldaoenedificioscatastradosenelcentro urbanodeConcepcin(captulotres),fueenestareadondeseregistrunodelosms importantesefectosdeamplificacindinmicadesuelosentornoalasfrecuenciasbajas (perodos altos, alrededor de los dos segundos), lo que indica que durante el terremoto vibr en su totalidad lacolumnade arenade100m aprox.queexiste entrelasuperficiedelsueloylaroca basal.RegistroscomolosdeConcepcinsehabanobservadoenelterremotodelaciudadde Mxicode1985,peronoseconsiderabanposiblesenChile.Lavibracindelatotalidaddelas columnas de suelo durante este terremoto produjo una importantediscordancia por ellado de la inseguridadssmicaentrelosperiodosdelospicosdelosespectrosderespuestamedidosenla ciudad de Concepcin y los espectros de diseo de la norma vigente (NCh433.Of96) al momento del terremoto. Esta es una de las razones ms importantes de las fallas observadas en numerosos edificiosaltosdelcentrourbanodeConcepcinyquedebesermejorestudiada.Otrohecho relevanteesqueinstrumentosubicadosenelGranConcepcinregistrarondesplazamientos ssmicos del suelo mayores a dos metros (Boroscheck et al., 2012). Enestaciudad,sedestacauncuadrantecomprendidoaproximadamenteporlasavenidas Chacabuco,Paicav,ArturoPratyLosCarrera,quesepuedeextenderhastaAv.Manuel Rodrguez.Estazonaesdondeseconstatlamayorcantidaddeedificioscondaoestructural Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin24 porelterremoto27F.Elcuadrantemencionadopertenecemayoritariamenteadepsitosde sedimentosfluvialesdecaucesantiguosabandonadosporelroBiobo.Lossedimentosdel Bioboestnconformadosprincipalmenteporarenasbaslticasdegranulometra mediaafinay limosasociadosalprocesodedepositacinfluvial,denominadosgeneralmentesueloblando. Estas caractersticas del subsueloysu profundidad al sustento rocoso (100 m aprox.) hacen que esta zona en particularsea muy vulnerable a los efectos de amplificacin dinmica (Valenzuela et al., 2013).Paraverificarsiexisteunarelacinentrelosedificiosseveramentedaados,lossuelosde fundacin y su respuesta ssmica (amplificacin de onda), SERNAGEOMIN elabor un mapa de microzonificacinssmicaysuperpusolasedificacionesseveramenteafectadasenlazonade inters. La Figura 4.2 muestra el trabajo elaborado por Ramrez y Falcn, 2010. Los puntos rojos (Figura 4.2) representan los edificios con dao severo, catastrados por laIlustre Municipalidad de Concepcin (IMC). En cuanto a la zonificacin ssmica, la zona I (de color ms plido) corresponde a un periodo predominante (T0) que vara entre 1,0 y 1,3 segundos, la zona II a un T0= 0,7 y 1 segundo, la zona III a un T0 = 0,5 y 0,7 segundos y para la zona IV el periodo (T0) vara entre 0,3 y 0,5 segundos. La zona Z/I no dispone de registros. Figura 4.2 Detalle del mapa de microzonificacinssmica del centro urbano de Concepcin Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin25 Se destaca del estudio que el 80% de los edificios catastrados por la IMC estaban ubicados en la zona I. Como se mencion, es en esta zona donde los edificios altos y flexibles estn expuestos a solicitacionesssmicasmayoresporlosefectosdelaamplificacindelaondassmica.Dicho esto, es clara la importancia que tiene una buena exploracin del suelo y el rol de las normas de diseo.Comoejemplo,seregistrarondosedificiosadyacentesalpuenteLlacolnquetuvieron comportamientosmuydismilesparaelterremoto27F.Elprimero,unedificiode15pisosde altura(AltoRo)queseconstruysobreunafundacinsuperficialutilizandounterremotode diseoconsuelotipoII(NCh433.Of96),sufrielcolapsoestructuraltotalensuslneas resistentes, provocando que el edificio finalmente se cayera. El segundo, un edificio de 21 pisos de altura que se construy sobre pilotes de fundacin utilizando un terremoto de diseo con suelo tipoIII(NCh433.Of96),loqueimplicaunterremotodediseomssevero,solorecibidaos severosysepudoreparar.Cabesealarquenohayevidenciadequelascondicionesdelsuelo fueran distintas en la ubicacin de las estructuras (estaban a 20 m de distancia aprox.) (Boroschek et al., 2012). Estos edificios se muestran en la Figura A 4.3 del Anexo 4.2. Por ltimo, Valenzuela et al., 2013, realizaron un estudio que, de manera ilustrativa, muestra dos perfiles estratigrficoscorrespondientesaledificioTorreLibertad(comunadeConcepcin)yal edificio Torre Prat (comuna de Talcahuano). La connotacin de estos sectores es la comparacin de dao ssmico, ocurrido en estas dos estructuras prcticamente gemelas. Se destaca del estudio quelademandassmicaparaelsectordeConcepcinposeeunaimportanteamplificacin dinmica,coincidiendoconelespectrodelterremoto27F.Llamalaatencinqueelsuelode Talcahuano, a pesar de ser ms blando geotcnicamente, tiene velocidades de ondas de corte Vs30 comparablesalasdelcentrourbanodeConcepcin.Quedademostradoentoncesquela amplificacin dinmica depende en gran medida de la profundidad del estrato de suelo. Ms an, dentrodelamismaunidadgeolgicaconVs30similares,seobservancomportamientosmuy distintos,loqueclaramente indicaquelavelocidaddeondasdecortenoeselnicoparmetro influyente para la clasificacin del suelo y que el espesor del estrato H juega un rol fundamental, ya que el suelo est amplificado para un periodo cercano a la razn T = 4H/Vs. Este es un hecho que la normativa vigente no considera. La Figura A 4.4 del Anexo 4.2 muestra una fotografa de enelevacindelasedificacionesmencionadas.LatablaA4.1delAnexo4.2muestrala modelacin estratigrfica de estas dos torres. Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin26 4.4 Caractersticas y efectos del fenmeno de licuacin Es importante destacar que se tom conciencia de este fenmeno en elao 1964 por su extensiva ocurrencia en los terremotos de Nigata y Alaska, por ende, los casos de licuacin en el terremoto de Valdivia de 1960 no fueron conceptualizados como tales. Pasado el terremoto de 1985 (MW = 7.8)nohuboreportesdecasosseriosdelicuacin,motivossuficientesparaqueantesdel terremotodel27FexistieraunacontroversiaacercadelarelevanciadeestefenmenoenChile (Verdugo et al., 2012a). El fenmeno de licuacin, se produce por la elevada presin de agua en los poros del suelo y si estallegaaigualarlafuerzadecontactoentrelosgranosquelocomponen,laresistenciadel suelosereduceacero,esdecir,sepierdetotalmentesucapacidaddesoporte,loquees incompatibleconlaestabilidaddecualquierestructura.Laocurrencia,gatilladaporunevento ssmico, es condicionada por varios factores, de los cuales los principales son el origen del suelo, ladistribucindeltamaodelosgranos,laprofundidaddelaguasubterrnea,laedaddel depsito, la amplitud y duracin de la vibracin, el peso del recubrimiento y la profundidad del suelo.Esrelevanteelhechoquelasreasquemspresentaronsitiosconlicuacincorrespondenala Regin del Biobo, con concentracin en Concepcin (Verdugo et al., 2012b). En los siguientes subcaptuloselfenmenodelicuacinseenmarca,sloenloscasosdemayorrelevanciapara Concepcin, en donde hay evidencia de prdida de resistencia del suelo, movimiento del terreno o asentamientos post-terremoto. En un intento de agrupar lossitios afectados por este fenmeno, se opt por clasificarlos segn las condiciones del terreno y/o estructuras afectadas. En la tabla A 4.2 del Anexo 4.3 se presentan todos los sitios donde se pudo evidenciarlicuacin en la Regin delBiobo,seproporcionaparacadaunodelossitiosinformacindelaubicacinyunabreve indicacin de las observaciones del terreno. 4.4.1 Licuacin en terrenos planos Elfenmeno,conestascaractersticas,seregistrenformamsmasivaenlascomunasde Hualpn, San Pedro de la Paz y Concepcin. Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin27 En Hualpn, en el Condominio Los Presidentes, el edificio Riesco (ubicado al suroeste del plano delCondominio)fueelnicoquepresentdaoestructuralseveroatribuidoaasentamientos diferencialesensufundacin,segnlasinvestigacionesrealizadasporLaAsociacinde Reconocimiento de Eventos Extremos de Geo-Ingeniera (GEER, por sus siglas en ingls 2010). EnConcepcinhubomsdeunsitioconproblemasdelicuacinconestascaractersticas (terrenosplanos).Amododeejemplo,esposiblecitarelcasodeLasLomasdeSanAndrs, dondeseedificarontotaloparcialmenteterrenosdequebradasyhumedales.Debidoal asentamiento y obviamente a las solicitaciones ssmicas, las edificaciones y calles sufrieron daos dediversaconsideracin(SERNAGEOMIN,2010).CercanoalaciudaddeConcepcin,las lneasfrreastambinsufrieronlosefectosdelicuacinyposteriorasentamientodealgunos sectores. En la comuna de San Pedro de la Paz, los sectores ms afectados por este fenmeno corresponden a zonas de humedales que haban sido rellenados y ocupados con fines habitacionales, las riberas delroBioboycuerposdeaguassuperficialescomolagunasyesteros,ubicadosenelborde costero(CceresyRamrez,2012).UnsectorconbastantedaofueeldeBayona,unconjunto residencialconstruidoenlascercanasdelao1990ubicadoenlatransicindelossuelos residuales del regazo de una colina y en la antigua locacin del humedal Los Bastros, donde en la calleAinohaelreemplazodelsuelosuperficialporarenacompactadanofuesuficientepara evitar el efecto de licuacin. Ms detalles acerca estos sucesos, se pueden ver en al Anexo 4.3 del presente trabajo. 4.4.2 Lateral spreading Elfenmenodelateralspreadingodesplazamientolateral,generadoporlicuacindeterrenos inclinados y comnmentealedaos a riberas de ros o lagos, es probablemente el fenmeno ms recurrenteobservadoapequeaygranescala eneste terremoto.En algunoscasossegeneraron grietasquealcanzaronvarioskilmetrosdeextensin,conaberturasyprofundidadesmtricas (Verdugoetal.,2012d).LoscasosmscrticossedetectaronenlascomunasdeTalcahuano, Concepcin y San Pedro de la Paz. Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin28 En la comuna de Talcahuano se observ este fenmeno en el Condominio Brisa del Sol, donde el conjunto de viviendas con menos de un ao de construccin (con respecto al 2010) emplazadas al extremo de un canal, sufrieron rotacin y un serio desplazamiento lateral. En el extremo del canal se gener un desplazamiento de cerca de dos metros, el cual dej a las viviendas sin soporte; en otras palabras, les fue removido el suelo de fundacin. Cabe sealar que el terreno es un depsito desuelosblandosysueltosconcaractersticasdehumedalyquelatcnicademejoradelsuelo funcionbienparalamayoradelterrenourbanizadoexceptoparaelbordedeestecanal.Las FigurasA4.11(a)yA4.11(b)delAnexo4.3evidencianlasignificativarotacindeunacasa, como el resultado del movimiento lateral de su suelo de fundacin y el desplazamiento del suelo en el extremo del canal. La comuna de Concepcin present los mayores efectos de lateral spreading, donde se destacan los sitios aledaos alas lagunas de la comuna (Tres Pascuales, Redonda, etc.) y laRibera Norte delroBiobo.EnlaFiguraA4.12delAnexo4.3sepuedenobservarlosefectosdeeste fenmeno en las cercanas de la laguna Tres Pascualas.En la ribera norte del ro Biobo es importante destacar el buen desempeo que tuvo el proyecto de urbanizacin, donde se us compactacin dinmica como una tcnica de mejora de suelo.El proyectodelconjuntodeviviendas,RiberaNorteBiobo,tuvocomocriterioprincipalqueno debieraocurrirlicuacindelsubsueloinclusobajosolicitacionesdeterremotosdemagnitud importante.ValelapenasealarqueelpaseocosterosituadoentrelaautopistayelroBiobo, dondeelsuelonotuvocompactacindinmica,sufriundesplazamientolateralconsiderable, destruyendo paseos peatonales, ciclovas, jardines, pequeas tiendas, etc. (Verdugo et al., 2010). Estos hechos se pueden ver en la Figura A 4.13 del Anexo 4.3. EnlacomunadeSanPedrodelaPazseobservaronpatronesdeagrietamientosrelevantesalo largo de la orilla sur del ro Biobo, junto al camino de Santa Juana. El desplazamiento lateral del terreno ocasion considerables daos en restaurantes, casas, piscinas, tuberas y jardines, los que se pueden observar en la Figura A 4.14 del Anexo 4.3. Se cree que la licuacin se produjo entre dosytresmetrosdesdelasuperficie,endepsitosdearenasueltaysaturadaaniveldelro (Mendoza et al., 2011). Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin29 4.4.3 Licuacin en puentes DeacuerdoalainformacinrecopiladaenConcepcin,existiunaconcentracindepuentes afectadosprincipalmenteporfallasenel terrenodefundacindelaestructuraodelosaccesos, ambos atribuibles a la licuacin del terreno natural. Es posible sealar que el puente Juan Pablo II fueelmsperjudicadoporestefenmeno.Estepuentetuvounimportanteasentamiento diferencialocurridoalolargodesustableros,tambinsufrielcorrimientolateral(lateral spreading)yfalladelapiladelestribodelariberanortedelroBiobo(ladoConcepcin) (Verdugoetal.,2012e).Enlossiguientescaptulossepresentaconmsprecisinloscasosde puentes principales de Concepcin. 4.4.4 Licuacin en puertos y muelles LoscasosdefallasmsrelevantesocurrieronentreTalcahuanoyLota(RegindelBiobo), especficamente en los muelles la poza (Talcahuano), Lo Rojas (Coronel), Lota Bajo (Lota) y en elPuertoComercialdeCoronel.Adems,partedelasobrastiposifncolectordeaguademar ubicadas enCoronel,tambinsufrieronlosefectosdelicuacin.Sedestacaque lalicuacindel terreno del borde costero indujo el movimiento de ste hacia el mar, en una falla detipo lateral spreading, arrastrando los pilotes que soportan la superestructura (Verdugo et al., 2012d). En la Figura A 4.15 del Anexo 4.3 se presenta parte de los daos observados en estas obras martimas. Otra falla importante de licuacin de obras construidas en el borde costero ocurri en una planta de alimentos marinos ubicada en la Baha de San Vicente, provincia de Concepcin. Ms detalles de los casos vistos hasta ahora sern discutidos en los siguientes captulos. 4.4.5 Licuacin en estructuras enterradas Una de las fallas ms directas que evidencian la prdida de resistencia de un suelo licuado y de su comportamientosemejantealdeunfluido,correspondeallevantamientodeestructuras enterradas. Esta situacin se constat en varias alcantarillas en Concepcin, en las cercanas de la LagunaTresPascualasyconmsrelevanciaenlaplantadeaguasresidualesdeSanPedrodel Valle,unconjuntoresidencialubicado casiencimadelhumedalLosBastros,sinembargo,solo Captulo 4: Efectos de Sitio en el Gran Concepcin30 unaspocascasassufrierondaosdelicuacin.Porotrolado,laplantadeaguasresiduales localizada en la Av. Laguna Grande tuvo un dao importante causado por el levantamiento de las estructuras enterradas. Dos tanques enterrados se elevaron de su posicin original y rotaron 1,2 m aprox., rompiendo la tubera de acero que los conectaba, como se puede observar en la Figura A 4.16 del Anexo 4.3. 4.5 Conclusiones Se evidencia que el rea Metropolitana del Gran Concepcin es mucho ms vulnerable frente a la amenaza ssmica con respecto a otras reas y regiones de Chile, por lo que antes de construir se deben reconocer muy bien las caractersticas del suelo para as optar por lamejor alternativa de construccin. Bajo estos hechos, la ingeniera chilena se destaca a nivel internacional. Con respecto a la amplificacin dinmica de los suelos de fundacin, existen terrenos que pueden duplicar y en ocasiones triplicar la seal ssmica en tramos de frecuencias bajas (periodos altos), produciendounamodificacinenlaamplitud,frecuenciayduracindelavibracin.Estos efectos incrementan el nivel de dao, especialmente en estructuras altas (mayores de 15 pisos). Las principales caractersticas de los depsitos, donde es factible que pasen estos efectos, son los de consistencia blanda y velocidades de ondas de corte bajas. Sin embargo, se resalta el hecho de que la profundidad al sustento rocoso (espesor del estrato H) juega un rol importantsimo que no est consideradopor lanormativavigente.Otro aspectoimportante esquelasedificaciones con cimentacionessuperficialestuvieronunpeordesempeoqueaquellasconcimientosprofundos (Mendoza et al., 2011). Encuantoalalicuacin,esinteresanteelhechodequedondehuboconcentracindedao estructuralnocorrelacionadeltodoconlaocurrenciadelicuacin.Lainfluenciadela profundidaddelnivelfreticoylacompactacindelosnivelessuperficialesdelsueloson factoresquecondicionanlaocurrenciadelicuacin,msalldelascaractersticasdesitio, representadas por la frecuencia natural de vibracin del suelo. Se resalta el hecho de que predecir elriesgodelicuacindeunazonaesmuycomplicado,porloqueseenfatizasiempreestardel lado seguro en cualquier proyecto de construccin.