curso intern. diseno de presas en regiones sismicas ( peru, 04-2012)
TRANSCRIPT
-
INTERNATIONAL COMMITTEE ON LARGE DAMS
(ICOLD)
UNIVERSIDAD AGRARIA LA MOLINA (UNALM)
COMIT PERUANO DE GRANDES PRESAS
(COPEGP)
CURSO INTERNACIONAL
DISEO DE PRESAS EN REGIONES SSMICAS
CURSO DE POSTGRADO
Prof., Dr. (Cienc. Tecn.), miembro del ICOLD:
YURY LYAPICHEV (RUSIA)
BOLETN INFORMATIVO INICIAL
16 AL 21 DE ABRIL DEL 2012
-
1
CURSO INTERNACIONAL DISEO DE PRESAS EN REGIONES SSMICAS
1.0 ANTECEDENTES
Dentro de los programas de difusin de aspectos tcnicos relacionados con el diseo de presas, el Comit
Peruano de Grandes Presas (COPEGP) con el patrocinio de la Universidad Agraria La Molina (UNALM)
y la Comisin Internacional de Grandes Presas (ICOLD), ha gestionado la venida al Per del Profesor
Ruso, Yuri Lyapichev, Especialista Ruso en el diseo de presas.
El Profesor Lyapichev es un conocido diseador de presas con amplia experiencia en el tema de diseos
ssmicos, habiendo formado parte de los Comits Ssmico y de Clculos Numricos para el Diseo de
Presas del ICOLD.
El curso ser dictado por el Especialista en espaol, con 36 horas de dictado de clases incluyendo
aspectos prcticos. Se realizar entre el 16 y 21 de abril del 2012 en el horario de 4:00 a 10:00 p.m. y
comprender la entrega de documentacin bibliogrfica y un diploma de asistencia extendido por el
COPEGP.
Podrn asistir Profesionales Peruanos interesados en el tema, habiendo sido invitados a este curso, los
Miembros de los Comits de Grandes de Presas de Amrica Latina.
Los temas a ser tratados sern los siguientes:
Tema 1 Evaluacin de los Parmetros de Clculo de las Cargas Ssmicas.
Tema 2 Recomendaciones del ICOLD para los Clculos Numricos de
Grandes Presas por accin de las Cargas Ssmicas.
Tema 3 Clculos de la SismoResistencia de las Presa de Tierra y Enrocado.
Tema 4 Medidas Antissmicas en las Presas de Tierra y Enrocado.
Tema 5 Clculos de la SismoResistencia de las Presas de Concreto.
Tema 6 Medidas Antissmicas en las Presas de Concreto.
2.0 OBJETIVO DEL CURSO
Introduccin y/o actualizacin de los participantes en los fundamentos del diseo sismoresistente de las
grandes presas, orientado a su seguridad en presencia de sismos.
El curso abordar los siguientes problemas:
Fundamentos de los mtodos para la determinacin de los parmetros de clculo de las cargas ssmicas en
los diseos de presas.
Fundamentos de los mtodos de clculos numricos para la estabilidad, estados esfuerzodeformacin y
resistencia de las presas ante las cargas ssmicas.
Procedimientos de evaluacin de los resultados de los clculos numricos para la elaboracin de las
medidas antissmicas en las presas.
3. CONTENIDO DEL CURSO
Tema 1 Evaluacin de los Parmetros de Clculo de las Cargas Ssmicas para Presas
Aspectos generales sobre los terremotos. Tipos de ondas ssmicas, escalas de intensidades ssmicas.
Sismicidad local y mapas de sismicidad. Macro y microzonificacin ssmica (estudios geolgicos y
ssmicos) de los sitios de emplazamientos de las presas (segn Captulo 1).
Efectos del terremoto sobre la presa y embalse. Seleccin de terremotos y combinaciones de cargas
ssmicas para presas. Clculo de bordo libre para presas teniendo en cuenta los efectos ssmicos. La
sismicidad inducida por del embalse, su origin e interpretacin (segn Captulo 2).
-
2
Seleccin de los parmetres para establecer las cargas ssmicas en el diseo de grandes presas (segn el
Boletn 72 del ICOLD, 1989). Dos niveles de las cargas ssmicas: terremoto mximo probable (TMP o
MCE en ingls) y el terremoto de proyecto (TP u OBE) y sus definiciones. Factores que influyen a la
seleccin de los parmetres ssmicos (segn Captulo 3).
Mtodos normativos rusos (SNiP-1981 y 2003) para los clculos y diseo de las presas de tierra y
enrocado y de concreto por la accin de las cargas ssmicas (segn Captulos 5 y 6).
Tema 2 Recomendaciones del ICOLD para los Clculos Numricos de Grandes Presas por la
accin de las Cargas Estticas y Ssmicas
Fiabilidad y aplicabilidad de los clculos numricos de las grandes presas (segn los Boletines 94 y 122
del ICOLD, 1994 y 2002 y Captulo 14).
Clasificacin, evaluacin y seleccin de los modelos matemticos de los materiales de las grandes para
los clculos numricos (segn Captulos 8 y 11).
Seguridad ssmica de las grandes presas (segn el Congreso del ICOLD, Cuestin 83, Montreal, Canad,
2003 y Captulo 15).
- Caractersticas del diseo de presas sismo-resistences. Comportamiento de las grandes presas durante
terrimotos (con los ejemplos de grandes presas de tierra y enrocado) (segn el Boletin 120 de ICOLD,
2001 y Captulo 10).
Tema 3 Anlisis y Diseo Sismo-Resistente de las Presas de Tierra y Enrocado
- Clasificacin de estas presas para fines de anlisis ssmico. Criterios de diseo y seleccin de mtodos
de anlisis. Propiedades dinmicas de las materiales de estas presas y sus comportamiento durante cargas
cclicas, incluso licuacin de los suelos incoherentes. Los anlisis simplificados, detallados y completos
de estas presas (segn Captulo 7).
- Clculos de frecuencias, modos de oscilaciones naturales y cargas ssmicas en las presas de tierra y
enrocado por la teora lineal-espectral y el esquema de la viga cortante teniendo en cuenta influencia de la
compresibilidad de cimiento (segn Captulos 5 y 6).
Seleccin de los modelos matemticos de los materiales de las presas de tierra y enrocado para los
clculos numricos (segn Captulo 8).
Programas de clculos numricos para el anlisis de estabilidad y estado esfuerzodeformacin de las
presas de tierra y enrocado por la accin de las cargas ssmicas (Programas ADINA, FLAC, ABAQUS,
PLAXIS).
Tema 4 Medidas Antissmicas en las Presas de Tierra y Enrocado
- Comportamiento de las presas de tierra y enrocado por la accin ssmica (segn Captulo 10).
Evaluacin de la sismoresistencia de las presas de tierra y enrocado (con pantalla de concreto CFRD,
con ncleo de arcilla y diafragma del concreto asfltico) (segn Captulo 15).
Ejemplos de las medidas antissmicas en las grandes presas de tierra y enrocado en las regiones de alta
sismicidad del mundo (segn Captulo 9)
-
3
Tema 5 Anlisis y Diseo Sismo-Resistente de las Presas de Concreto Convencional y
Compactado con Rodillo (RCC)
Clasificacin de estas presas para fines de anlisis ssmico. Criterios de diseo y seleccin de mtodos de
anlisis. Interaccin presaembalsecimiento. Anlisis hidrodinmico del embalse. Anlisis de
estabilidad, esfuerzos y deformaciones. Particularidades de anlisis simplificado de presas de gravedad,
arco y contafuertes (segn Captulo 11).
Simulacin del comportamiento y evaluacin seguridad sismica de las presas de concreto (segn Cap. 12)
Mtodo pseudo-esttica o pseudo-dinmico de clculo de la estabilidad y el estado esfuerzodeformacin
de estas presas por la accin de las cargas ssmicas. Evaluacin de la seguridad y mecanismo de la falla
ssmica de estas presas (segn Captulo 13, programas CADAM, RS-DAM).
Tema 6 Medidas antissmicas en presas de concreto convencional y compactado con rodillo (RCC)
Comportamiento de las grandes presas de concreto durante terrimotos. (segn Captulos 4 y 6).
Medidas antissmicas en las grandes presas de concreto convencional y RCC (segn Captulos 11 y 13).
Ejemplos del diseo y construccin de presas de concreto en regiones de alta sismicidad del mundo
(segn Captulo 15).
Talleres Prcticos en los que se analizar lo siguiente:
Ejemplos de los clculos de las frecuencias, modos de las oscilaciones naturales y cargas ssmicas en las
presas de tierra y enrocado por la teora lineal-espectral y el esquema de la viga cortante teniendo en
cuenta la influencia de la compresibilidad del cimiento (2 horas).
Ejemplos de los clculos pseudoestticos de estabilidad de taludes de las presas de enrocado por la
accin de las cargas estticas y ssmicas teniendo en cuenta la reduccin de la resistencia de enrocado a
desplazamiento con el aumento de la presin vertical en la presa (2 horas).
Ejemplos de los clculos numricos de estabilidad y estado esfuerzodeformacin de las presas de tierra y
enrocado por la accin de las cargas estticas y ssmicas (programas ADINA, FLAC, ABAQUS,
PLAXIS) (4 horas).
Ejemplos de los clculos numricos de estabilidad y estado esfuerzodeformacin de las presas de
concreto y RCC por la accin de las cargas estticas y ssmicas (programas ADINA, ABAQUS,
MSC.Marc) (2 horas).
Ejemplos de anlisis pseudoesttico y pseudodinmico de estabilidad y estado esfuerzodeformacin
de las presas de concreto y RCC por la accin de las cargas ssmicas (programa CADAM) (2 horas).
Anlisis dinmico de estabilidad y estado esfuerzodeformacin de las presas de RCC por la accin de las
cargas ssmicas (programas ADINA, ABAQUS) (2 horas).
Nuevas soluciones estructurales y tecnolgicas para los proyectos de altas presas en Rusia y otros pases
con alta sismicidad (2 horas).
-
4
Definiciones sismicas Para los propsitos de esta Norma, en lo sucesivo norma, se aplicarn las siguientes definiciones:
Acciones ssmicas: Aciones accidentales debidas a la ocurrencia de un sismo, tales como la propagacin
de ondas, inestabilidad del terreno, desplazamiento de fallas, tsunamis, etc.
Acelergrafo: Instrumento especficamente diseado para registrar la historia de las aceleraciones
debidas a movimientos fuertes del terreno.
Acelergrama: Registro de la variacin temporal de las aceleraciones en un punto y en una direccin.
Acelergramas de diseo: Familia de acelerogramas cuyo espectro promedio de respuesta,
correspondiente al amortiguamiento seleccionado, es equivalente al espectro de respuesta elstica
asociado a los movimientos de diseo.
Acelermetro: Sismmetro para medir aceleraciones del suelo en funcin del tiempo
Amortiguamiento: Capacidad de los materiales y sistemas de disipar energa.
Anlisis dinmico: Anlisis realizado basado en un espectro de diseo tomando en cuenta el perodo de
la estructura y obteniendo la respuesta mediante la combinacin de las respuestas de las formas modales.
Anlisis esttico: Mtodo para estimar el efecto del sismo sobre una estructura. Se basa en representar la
accin del sismo con fuerzas horizontales que actan en los centros de masa de los sistemas de piso.
Anlisis modal: Anlisis de sistemas elsticos-lineales que se efecta desacoplando las ecuaciones
dinmicas de la estructura, sobre la base de las propiedades de ortogonalidad de los modos de oscilacin.
La respuesta final se expresa como combinacin de los valores correspondientes a cada modo.
Anlisis no lineal: Anlisis de estructuras con relaciones fuerza-desplazamiento no lineales. Dado que el
principio de superposicin de fuerza y efectos no es aplicable, no es posible utilizar un anlisis modal.
Anlisis paso a paso: Anlisis dinmico en el que se calcula paso a paso la respuesta de la estructura
ante sismos pueden ser eventos reales o simulados.
Atenuacin: Reduccin en la intensidad de una seal ssmica con la distancia como consecuencia de
cambios de geometra y de las caractersticas fsicas del medio (absorcin)
Basamento rocoso: Roca continua consolidada y/o cementada generalmente del Plioceno o anterior, o
roca metamrfica, o roca gnea, que subyace los depsitos de suelo u otros depsitos superficiales no
consolidados.
Capacidad de disipacin de energa: Propiedad de disipar energa en el rango de deformaciones no
elsticas; se relaciona directamente con la ductilidad.
Cedencia: Condicin caracterizada por la plastificacin de por lo menos la regin ms solicitada del
sistema resistente a sismos, tal como la formacin de la primera rtula plstica en un componente
importante del mismo.
Desplazamiento relativo: Diferencia entre el desplazamiento de un nivel dado y el del inmediato
inferior.
Ductilidad: Capacidad que poseen los componentes de un sistema estructural de hacer incursiones
alternantes en el dominio inelstico, sin perdida apreciable en su capacidad resistente (vase: Factor de
Ductilidad)
Demanda de ductilidad: Cociente entre el valor mximo del desplazamiento alcanzado por un sistema
durante su repuesta y el desplazamiento cedente.
Ductilidad disponible: Demanda de ductilidad que puede aceptar un sistema, asociada a una pequea
probabilidad de ruina.
Ductilidad ltima: Demanda de ductilidad asociada a una elevada probabilidad de ruina.
Epicentro: Punto de la superficie de la tierra directamente encima del hipocentro de un terremoto.
Espectro: Respuesta mxima de osciladores de un grado de libertad y de un mismo amortiguamiento,
sometidos a una historia de aceleraciones dada, expresada en funcin del perodo. En los espectros de
diseo se incorpora el valor de reduccin de respuesta correspondiente al sistema resistente a sismos
adoptado.
Espectro de diseo: Espectros asociados a los mismos de diseo, en los cuales se ha incorporado el
factor de reduccin de respuesta correspondiente al sistema resistente a sismos.
Estructura irregular: La que presenta discontinuidades significativas en su configuracin o en su
-
5
resistencia a las fuerzas horizontales. Las caractersticas de irregularidad pueden presentarse en la
distribucin tanto vertical como en planta de masas, rigideces o resistencias.
Estructura regular: La que no presenta discontinuidades significativas en su configuracin vertical o en
planta o en su estructura resistente a las fuerzas horizontales.
Excentricidad: Distancia horizontal, en un nivel, desde el centro de rigidez al centro de masa.
Excentricidad accidental: Valor adicional a la excentricidad esttica que toma en cuenta los efectos
debido a irregularidades en la distribucin de las masas y de las rigideces, as como los efectos de la
excitacin rotacional del terreno.
Excentricidad dinmica: Cociente entre el momento torsor proveniente de un anlisis dinmico con tres
grados de libertad por nivel, calculado respecto al centro de rigidez, y la fuerza cortante en ese nivel.
Excentricidad esttica: Menor distancia entre la lnea de accin de la fuerza cortante y el centro de
rigidez.
Factor de ampliacin dinmica: Cociente entre la excentricidad dinmica y la excentricidad esttica. Es
la amplificacin que experimenta el sistema durante la excitacin ssmica, en virtud de sus
caractersticas dinmicas.
Factor de ductilidad: Valor que describe la ductilidad global esperada del sistema resistente a sismos, el
cual cuantifica la relacin entre los desplazamientos mximos reales y los desplazamientos calculados
suponiendo un comportamiento linealmente elstico de la estructura.
Intensidad: Medida cualitativa o cuantitativa del rigor del movimiento ssmico del terreno en un lugar
especfico, en trminos de una escala tal como la de Intensidades de Mercalli Modificada, la de
Intensidades M.S.K. la de Intensidades de Rossi-Forel, la Intensidad de Arias, la Aceleracin Pico.
Magnitud: Escalar utilizado para medir el tamao de un sismo independientemente de la distancia de la
estacin al hipocentro: esta' relacionada a la cantidad de energa liberada en la regin focal. La escala
ms utilizada es la de Richter.
Movimientos de diseo: Movimientos del terreno seleccionados en forma tal que su probabilidad de
excedencia sea razonablemente baja durante la vida til de la estructura y estn caracterizados por sus
espectros de repuesta
Nivel de ductilidad: Conjunto de prescripciones normativas asociados a un determinado factor de
ductilidad que se aplica en el diseo de los miembros del sistema resistente a sismo.
Peligro o Amenaza Ssmica: Probabilidad de exceder un nivel de ocurrencia de un evento ssmico con
cierta intensidad, en un sitio especfico y en un tiempo determinado.
Periodo de retorno: Tiempo medio entre ocurrencias de eventos ssmicos de igual magnitud en una zona
sismogeneradora dada.
Probabilidad de excedencia: Probabilidad de que un nivel especfico del movimiento del terreno, o un
nivel de efectos econmicos o sociales causados por el sismo, sea excedida en un lugar o regin durante
un lapso de tiempo determinado.
Respuesta ssmica: Describe la respuesta dinmica de una estructura dada, a acciones de tipo ssmico.
Riesgo ssmico: Probabilidad de exceder un nivel de consecuencias socioeconmicas en un sitio
especfico, dentro de un tiempo determinado en una zona bajo peligro ssmico y ante la presencia de
elementos vulnerables. El riesgo no depende del peligro o amenaza sino de la vulnerabilidad que
presentan los elementos sometidos al riesgo.
Rotula plstica: Zona de cedencia que se forma en un componente del sistema resistente a sismos, en la
cual pueden ocurrir incrementos importantes en las rotaciones inelsticas alternantes, sin modificaciones
significativas del momento actuante, el que es igual al de agotamiento.
Reparacin: Intentar devolver a una estructura daada por un sismo su resistencia original.
Reforzamiento: Aumentar racionalmente la resistencia y/o rigidez de una estructura daada no por
un sismo para mejorar su comportamiento ante futuros sismos.
Vulnerabilidad: Grado de predisposicin de estructuras u obras a ser afectadas o susceptibles de sufrir
daos y colapsos debido a la accin ssmica.
Zona ssmica: Area geogrfica en la cual se admite que la mxima intensidad esperada de las acciones
ssmicas, en un perodo de tiempo prefijado, es similar en todos sus puntos.
-
6
Capitulo 1. Aspectos generales sobre los terremotos y acciones ssmicas
1. Inroduccion
La magnitud de un terremoto es una medida de la energa que libera.
M= lg(A/A*) = lgA lgA* (1.1)
donde: M la magnitud de un terremoto es una media de la energa que libera; A la amplitud mxima de desplazamiento de las particulas de roca, determinada de acuerdo con los sismogramos, mkm;
A* - la amplitud de desplazamiento de roca bajo cierto sismo muy dbil, elegido en calidad de etalon o
standart, mkm.
1M = 105 joules; Mmax=8,5=10
20 joules
La magnitud de energa (en ergos) se determina por la formula:
lgE = 2 + 1,8M (1.2)
o lgE =11,8 + 1,5M (2a) (segun Newmark, Rosenblueth, 1971)
La intensidad de un terremoto es una medida de su poder destructor en cierto sitio. Por tanto, un sismo
tendr una sola magnitud, mientras que sus intensidades variarn de un sitio a otro.
Las escalas ms usuales de intensidad son subjetivas y traducen, mediante nmeros, una serie de
sensaciones, impresiones e interpretaciones personales del sismo. La escala subjetiva ms empleada es la
de Mercalli Modificada (MM), con 12 grados, el primero de los cuales corresponde a movimientos
imperceptibles sin el auxilio de instrumentos.
Se llama foco o centro de un terremoto el sitio donde se produce la perturbacin que da origen al
movimiento. Su determinacin se hace en la mayora de los casos estudiando la porcin inicial de los
registros ssmicos, por lo que el foco que se reporta corresponde casi siempre al sitio donde se inicia la
perturbacin, aun cuando el terremoto se origine sucesivamente en varios puntos.
El epifoco o epicentro es la proyeccin vertical del foco
en la superficie terrestre.
Estacin es un lugar de observacin, o donde interesa
conocer los efectos del terremoto.
Las distancias focal y epifocal son las que median
respectivamente del foco y del epifoco a la estacin
(Fig. 1.1).
Fig. 1.1. Ilustracin de las definiciones
2. Caracteristicas de los terremotos, intensidad y sismicidad La intensidad de un terremoto en la superficie de la tierra se valora en grados y es una media de su poder
destructor en cierto sitio.
Las escalas ms usuales de intensidad son subjetivas y traducen, mediante numeros, una seria de
sensaciones, impresiones e interpretaciones personales del sismo. En la actualidad existen algunas escalas
de intensidad ssmica: la escala de Mercalli modificada con 12 grados; la escala MSK-64 (o ms ltima,
MSK-86) costituida de 12 grados y recomendado por la UNESCO para su empleo a todas los paises.
Relaciones entre la intensidad I0, aceleracin A, velocidad V y desplazamiento D0 en la escala de MSK-86
se dan en la tabla 1.1.
Tabla 1.1
I0 A, cm/seg2
V, cm/seg D0, cm
6 41 90 (60) 6,1 12 (9) 4,4 6,9 (5,5)
7 91 200 (140) 13 25 (18) 7,0 12 (9,0)
8 201 400 (300) 26 50 (36) 13 18 (15)
9 401 800 (600) 51 100 (70) 19 27 (23)
10 670 1340 (1000) 94 166 (117) 28 38 (33)
11 1670 2140 (1600) 150 266 (187) 39 50 (44)
-
7
Para la escala de MSK-86 en Rusia se puedo determinar la intesidad I0 por la formula I0 = 1,5M - 3,5 lg R
1/2 +3,0 (1.3)
donde: R la distancia focal entre la estacin de sismgrafos y el foco del terremoto, km;
R = (h2 + r
2)1/2
, donde h la profundidad del foco, km; r la distancia epicentral, km.
Para la escala de Marcali modificada:
IM = lgV/lg2 (1.4)
donde V en cm/seg.
IM = 1,44M 2,45 lnR + 7,8 (1.5) (segun Rosenblueth, 1965)
donde V = 16 e2 R
-1,7 (1.5a)
La aceleracin ssmica A (en mm/seg2) se expera a travs de la amplitud a de oscilacin de las ondas
ssmicas, su periodo T y la intensidad I de un terremoto.
A = a 4I P2/T (1.6)
Conociendo la aceleracin ssmica y comprando a ella con la aceleracin de caida libre (g), se determina
el coeficiente de sismicidad:
K = A/g (1.7),
que separado muestra el grado de amenza del terremoto.
En Rusia utilizamos las expresiones siguentas para determinar la aceleracin ssmica mxima Amax:
lg Amax = 0,28M 0,8 lgR + 1,7 (7), donde Amax160 cm/seg2
lg Amax = 0,8M 2,3 lgR + 0,8 (8), donde Amax
-
8
Factor de la Intensidad de Terremoto segn las escalas de Mercalli y Richter. Tabla 1.4
Escala de Mercalli Scale es escala de la Intensidad. Escala de Richter es escala de la Magnitud
Intensidad Mximo en Epicentrode Terremoto. Tabla 1.5
Segn Escala
de Richter
Segn Escala de Mercalli
Modificada, MM
Intensidad Mximo en Epicentro
2 y menor III Registrado solo de los instrumentos
3 III-IV Puertas en los edificios estn alabeadas
4 V La mayor parte del gente tiene miendo,
dao pequeo
5 VI-VII Todos estan asustados y corriendos de
los edificios, dao de minor a moderato
6 VII-VIII Todos estan corriendos de los edificios,
dao de moderato a grave
7 IX-X Dao grave
8 y mayor X-XII Daos graves y totales
Zona Intensidad de Terremoto segn Escalas de: Factor de Intensidad
() Mercalli Richter
A > 8 > 7 0.75
B 6 - 8 5 - 6 0.50
C 4 - 6 4 - 5 0.30
D < 4 3 0.10
-
9
Destruccin total, grandes masas de roca desplazadas, objetos lanzados al aire.
8,4 a 9 CatastrficoXII.-
Pocas estructuras quedan en pi fisuras grandes en el terreno.7,9 a 8,4 Muy
desastrosoXI.-
Destruccin de la mayora de las edificaciones, derrumbe de puentes, daos serios en presas y embarcaderos.
7,3 a 7,9 DesastrosoX.-
Dao considerable en estructuras especialmenteconstruidas, completo colapso de edificaciones y casas, daos generales en los cimientos presas y diques.
6,7 a 7,3 RuinosoIX.-
Colapso parcial de estructuras, daos considerables en edificios ordinarios.
6,1 a 6,7 Destructivo
VIII.-
Dificultad para mantenerse en pi, objetos colgantesse caen, se puede producir pequeos derrumbes y deslizamientos.
5,5 a 6,1 Muy fuerteVII.-
Percibido por todos, caminar inestable, rboles ymateriales se agitan por el efecto del sismo.
4,9 a 5,5 FuerteVI.-
Sentido en el exterior, se despiertan las personas.4,3 a 4,9 Algo fuerteV.-
Sentido por personas en movimiento, algunas personas dormidas se despiertan.
3,7 a 4,3 ModeradoIV.-
Percibido en reas densamente pobladas por una partede la poblacin.
3,1 a 3,7 LigeroIII.-
Percibido slo por personas en reposo.2,5 a 3,1 Muy dbilII.-
Sismo dbil slo registrado por sismgrafos.Hasta 2,5
InstrumentalI .-
Observaciones:Escala de RichterMercalli
Fig. 1.2. Dependencia entre el tiempo de llegada de Fig. 1.3. Tipos de ondas sismicas: a) longitudinal;
P y S-ondas y distancia a foco del terremoto b) cortantes; c) de Releigh; d) de Lyave
-
10
Velocidades de ondas sismicas (elasticas) en suelos y rocas. Tabla 1.5 Nombre de los suelos Densidad seca,
s
Velocidad de las ondas elsticas, km/s
ondas longitudinales, VL ondas transversales, VS Suelos falsos granulosos ( t erraplen) no
saturados de agua arriba
1 , 3 - 1 , 8
0 , 1 - 0 ,4
0 , 0 7 - 0 ,15
Arenas con fragmentos de grava 1 , 6 - 1 , 9 0 ,2- 0 ,5 0 , 1 0 - 0 , 2 5
Arenas: - secas (con poca humedad)
- de humedad media
- saturadas de agua
1 ,4- 1 , 7
1 , 6 - 1 , 9
1 , 7 - 2,2
0 ,15- 0 , 9
0 ,25- 1 , 3
0 , 3 - 1 , 6
0 , 1 3 - 0 , 5
0 , 1 6 - 0 , 6
0 ,2- 0 , 3
Tierras arenosas
Tierras arcillosas
Arcillas: - hmedas, plsticas
- densas, semiduras y duras
- en forma de loes
1, 6 -2, 0
1 , 6 -2, 1
1,6-2,2
1 , 9 -2, 6
1,2-2, 0
0 , 3 - 1 ,2
0 , 3 - 1 ,4
0 ,5-2,5
1, 8 - 3 ,2
0 , 3 - 1 , 6
0 ,12- 0 , 6
0 ,14- 0 , 7
0 ,15- 1 ,2
0 , 9 -2, 0
0 ,15- 0 , 7
Grava gruesa de canto rodado, ripio de grava
con agregados areno-arcillosos
Grava gruesa lavada
Piedras para escolleras
1, 8 -2, 0
2, 0 -2,4
1 , 9 -2,2
0 ,5- 1 ,5
1 ,5-2, 7
0 , 6 - 1 , 6
0 , 3 - 0 , 9
0 , 3 - 0 , 3
0 ,35- 1 , 0
Semirocosos:
Margas, esquistos arcillosos
Tobas, gneises, rocas fuertemente erosionadas
1 ,8-2, 7
1,3-2,3
1,4-3,5
1,8-3,5
0 , 6 -2,5
0,4-1,3
Rocosos:
- Areniscas granulosas erosionadas
- Areniscas densas
Conglomerados, lutitas, limolitas densos
Calizas, dolomitas, mrmoles
Granitos, gneises, basaltos, diabasas:
- fisurados
- no fisurados
1,7-2,2
2,0-2,6
1,6-2,9
2,0-2,8
2,4-3,0
2,7-3,3
1,0-3,0
2,0-4,3
2,5-4,5
2,5-4,5
3,0-5,0
4,0-6,5
0,6-1,7
1,1-2,5
1,5-2,8
1,5-2,8
1,7-3,0
2,5-4,0
Los sismos que interesan a la ingeniera pueden deberse a varias causas:
1. Deslizamiento a lo largo de fallas geolgicas. 2.Cambios de fase de las rocas.
3. Actividad volcnica y 4. Explosiones.
Suelen llamarse tectnicos los terremotoes debidos a las dos primeras causas. Por la frecuencia con que
ocurren, la energa que liberan y la extensin del rea que afectan, son los ms importantes en ingeniera
ssmica. De estos, los de mayor inters prctico son los generados por deslizamientos en fallas geolgicas,
ya que producen la mayor parte de los daos en obras civiles.
Cualquiera que sea su origen, los terremotoes generan ondas que pueden clasificarse, segn la forma
como se trasmiten a travs de la tierra, en dos grupos principales: ondas de cuerpo y ondas superficiales.
Las primeras producen desplazamientos en la direccin de propagacin de las ondas (ondas P) y en dos
direcciones mutuamente perpendiculares, normales a la direccin de propagacin (ondas S). Las
superficiales viajan a lo largo de los planos de frontera entre dos medios.
En un medio con relacin de Poisson de 0.25, las ondas P tienen una velocidad 1.7 veces mayor que las ondas S , la cual es del orden de 3.5 km/seg en la corteza terrestre.
Ya que la velocidad de propagacin de los diversos tipos de ondas son diferentes, los registros de los
terremotoes (sismogramas y acelerogramas) en un sitio determinado muestran ms o menos d e f i n i d o e l arribo de los distintos tipos de ellas. La contribucin de las ondas superficiales a la aceleracin del terreno es pequea y, por tanto, el efecto
principal sobre las estructuras se debe, sobre todo, a las ondas de cuerpo.
Debido a que los movimientos ssmicos son irregulares y cada uno es diferente de los otros, aun en un
mismo sitio, es importante establecer las caractersticas que son comunes a ciertos grupos de terremotoes
y basar el diseo ssmico en tales generalizaciones. Con este fin se han clasificado los sismos en cuatro
grupos (Newmark y Rosenblueth, 1971):
-
11
a) Prcticamente una simple sacudida. La aceleracin, velocidad y desplazamiento de un movimiento
ssmico de este grupo se muestran en la Fig. 1.4. Dicho movimiento solo ocurre a distancias cortas del
epicentro, en suelo firme y para terremotoes superficiales (con foco a menos de 30 km de profundidad).
Cuando estas condiciones no se satisfacen, las reflexiones mltiples de las ondas ssmicas cambian la
naturaleza del movimiento. Como ejemplos de terremotoes destructivos de este tipo, se pueden citar los
de Agadir, 1960; Libia y Skopje, 1963, y San Salvador, 1965 (Rosenblueth y Prince, 1965). Estos sismos
se asociaron con magnitudes moderadas (de 5.4 a 6.2), foco superficial (menos de 30 km) y efectos que
indicaban un movimiento con mayor intensidad en una direccin.
. Fig.1.4.Sismo de Puerto Hueneme, de 18.3.1957; Fig. 1.5. Sismo de El Centro, Cal., de 18.5.1940; componente N-S (Newmark y Rosenblueth, 1971) componente E-W (Housner y Hudson, 1958)
b) Movimientos extremadamente irregulares de duracin moderada (algunas decenas de segundos).
Los movimientos de este grupo estn asociados con distancias focales moderadas (del orden de las
centenas de kilmetros) y ocurren en suelo firme. Un ejemplo clsico es el terremoto de El Centro,
California, de 1940 (Fig. 1.5). La mayor parte de los terremotoes intensos originados a lo largo del
cinturn circumpacfico son de este tipo.
c) Terremotoes de larga duracin con periodos de vibracin dominantes. Esta clase de movimientos
resulta del filtrado de terremotoes del tipo b a travs de capas de suelos blandos, con la concurrencia de
ondas reflejadas y refractadas. Sus registros son de mayor duracin que los del tipo b.
d) Movimientos que producen grandes deformaciones permanentes en el suelo. Los sismos de este grupo
pueden causar deslizamientos o licuacin del suelo. Como ejemplos clsicos se pueden citar los efectos
del terremoto de Anchorage, Alaska, 1964, y los de Niigata, Japn, en el mismo ao. No es conveniente
disear estructuras para soportar dichos movimientos, por lo que se recomienda establecer el sitio y las
condiciones en las cuales pueden ocurrir esos efectos y elegir entre construir en otro lugar o tratar el suelo
antes de la construccin para que el fenmeno, al menos loealmente, sea muy poco probable.
3. Espectros de respuestas
Si se dispone del registro (acelerograma) de un sismo en un sitio determinado se pueden obtener los
espectros de respuesta de sistemas lineales con diferentes porcentajes de amortiguamiento.
Sin embargo, en la prctica es frecuente que se carezca de registros instrumentales de los terremotoes
ocurridos en el lugar de inters. Lo normal ser que en el lugar donde se proyecte construir una presa de
tierra y enrocamiento no se disponga de un slo registro ssmico.
-
12
A fin de resolver ese problema, varios autores han propuesto criterios para obtener las envolventes de los
espectros de respuesta elstica lineal para distintos grados de amortiguamiento a partir de los mximos
valores absolutos de aceleracin, velocidad y desplazamiento del terreno durante un terremoto (Esteva y
Rosenblueth, 1964; Newmark y Hall, 1969; Newmark y Rosenblueth, 1971). Estos criterios se limitan a
sismos intensos de duracin limitada registrados en terreno firme (del tipo de los conglomerados
compactos), aunque, debido a la falta de mejor informacin, suelen aceptarse tambin para el diseo de
estructuras cimentadas sobre roca, es decir, para terremotoes del tipo 2.
Sean a, v y d los mximos valores absolutos de aceleracin, velocidad y desplazamiento del terreno,
respectivamente. De acuerdo con el criterio de Blume y Newmark (1961), el espectro para
amortiguamiento pequeo (na mayor de 2 por ciento) queda acotado de manera que la aceleracin
espectral mxima, A, es 4a; la velocidad espectral mxima, V, es 3v, y el desplazamiento espectral
mximo, D, es 2d. Con la informacin anterior, ms el hecho de que A a cuando el periodo natural, T,
tiende a cero y de que Dd cuando T crece indefinidamente, se pueden dibujar los espectros de respuesta
a escala logartmica en cuatro direcciones. Para amortiguamientos del orden de 0.05 a 0.10 del crtico, los
factores que acotan el espectro son 2, 1.5 y 1, respectivamente, y para amortiguamientos de 0.20 a 0.25
del crtico resultan prcticamente iguales a la unidad. El criterio de Esteva y Rosenblueth (1964) consiste
en suponer que las tres lneas definidas por los valores a, v y d en el mencionado trazo logartmico
coinciden con el espectro para un amortiguamiento de 0.25 del crtico. Los valores espectrales para otros
porcentajes de amortiguamiento se estiman como sigue (Newmark y Rosenblueth, 1971):
(1.11)
donde s = 0.02e0.74M
+ 0.3R (s en seg, R en km) es la duracin de un sismo "equivalente" con intensidad
uniforme por unidad de tiempo y el valor del amortiguamiento (como fraccin del amortiguamiento
crtico). Este criterio se complementa con el hecho de que cuando T tiende a cero, la aceleracin espectral
tiende a la aceleracin del terreno, independientemente del amortiguamiento.
En la Fig. 1.6a se comparan los espectros para el terremoto de El Centro, 1940, obtenidos con los dos
criterios descritos. El criterio de Newmark y Hall (1969) se ilustra en la Fig. 6b para un caso hipottico
presentado por Esteva (1970a).
Dos aspectos muy importantes de la construccin de espectros de respuesta ssmica son:
para tener un criterio que permita construir espectros en terrenos cohesivos de compresibilidad media o
elevada, se requieren estudios especiales (Esteva, 1970a). En terrenos granulares poco densos, disminuye
la importancia de los problemas de amplificacin del movimiento y aumenta la de los problemas de
licuacin y de asentamientos diferenciales causados por compactacin
para la construccin de espectros reducidos que tomen en cuenta la absorcin de energa por
comportamiento inelstico de estructuras dctiles, se pueden utilizar espectros elsticos, como los que
aparecen en las Fig. 6a y 6b, en combinacin con los criterios de Newmark y Rosenblueth (1971), Esteva
(1970a) y Newmark (1970). En la Fig.1.6b se presenta un espectro reducido por comportamiento
inelstico segn Esteva (1970a).
-
13
a) b)
Fig. 1.6. Espectros elsticos construidos con los criterios: a) de Blume, Newmark (1961) y Esteva, Rosenblueth
(1964) y b) de Newmark y Hall, 1969 (estudiado por Esteva, 1970a)
4. Sismicidad
Si para el sitio en que se proyecta construir una presa se contara con registros instrumentales o, al menos,
con informacin estadstica sobre datos relativamente burdos como la intensidad o la mxima aceleracin
del suelo durante los sismos ocurridos en el sitio, se podran utilizar mtodos estadsticos tradicionales
para definir las caractersticas de futuros terremotoes en ese lugar y, por tanto, la solicitacin ssmica de
diseo de la presa. Por lo general se carece de tales datos y, por tanto, debe recurrirse a modelos
matemticos muy idealizados para estimar la probabilidad de ocurrencia de terremotoes en distintas zonas
a partir de la escasa informacin geolgica y ssmica existente. Esos modelos permiten elaborar mapas de
sismicidad regional que proporcionan parmetros de diseo ssmico (Esteva, 1970a).
4.1. Sismicidad local. La actividad ssmica de una zona de la corteza terrestre puede describirse mediante
un modelo matemtico que proporcione las probabilidades de ocurrencia de terremotoes de magnitudes
dadas, originados en dicha zona Estas distribuciones de probabilidades definen la sismicidad local. Por
similitud con otros fenmenos se establece la hiptesis de que la ocurrencia de sismos es un proceso
generalizado de Poisson, en el sentido de que el nmero medio de terremotoes en un intervalo de
magnitudes dado, liberados por unidad de tiempo en cualquier volumen de la corteza terrestre, no vara en
el tiempo, y que la probabilidad de que un terremoto en ese intervalo de magnitudes ocurra durante un
lapso y en un volumen de la corteza dados, es independiente de todos los terremotoes previos ocurridos
en el mundo (Newmark y Rosenblueth, 1971).
Sea NM(t) la variable aleatoria que representa el nmero de terremotoes de magnitud por lo menos igual a
M que se generan en una zona de la corteza terrestre durante el intervalo de tiempo t. Las hiptesis del
prrafo anterior establecen que NM(t) tiene distribucin de Poisson, o sea que la probabilidad de que NM(t)
adquiera el valor n es
(1.12)
donde (M) es el nmero medio de terremotoes que se originan en esa zona (volumen) de la corteza
terrestre por unidad de tiempo y cuya magnitud excede a M.
Con la hiptesis de que la sismicidad local es constante en esa zona de la corteza terrestre, se conviene en
representarla mediante la ecuacin
(1.13)
Es decir, se adoptan los parmetros y para definir la sismicidad local de una zona de la corteza
terrestre de volumen V.
-
14
Atendiendo a su sismicidad, la corteza terrestre se ha dividido en tres macrozonas, definidas por reas que
corresponden al cinturn circumpacfico, al cinturn alpino y a la zona de baja sismicidad (Fig. 1.7).
4.2. Mapas de sismicidad. Supngase que Y es el valor de cualquiera de las variables aleatorias
significativas para el diseo ssmico de una presa, el cual se basar en el valor y de Y asociado al periodo
de recurrencia obtenido del proceso de optimacin de la utilidad de la presa. En lo que sigue, a y se le
llamar intensidad, que podr ser la aceleracin mxima del terreno, la velocidad mxima del terreno, etc.
Con la sismicidad local de las zonas de la corteza que tengan significacin en el sitio de inters y con las
correlaciones entre magnitud, intensidad y distancia se pueden obtener las curvas intensidad vs periodos
de recurrencia para ese sitio de la superficie de la tierra. En efecto, supngase que A (Fig. 1.1) es el sitio
de inters y B representa una zona a distancia R de A donde pueden generarse terremotoes que afecten a
las estructuras construidas en A. Si M(y, R) es una magnitud tal que a la distancia R la intensidad excede a
y, y si Ny(t) (variable aleatoria) es el nmero de terremotoes generados en B que sacuden al sitio A con
intensidad mayor que y durante el tiempo, t, se concluye que
Fig. 1.7. Las tres macrozonas grandes ssmicas del mundo
es decir, que Ny(t) es un proceso de Poisson de parmetro
donde B y B son los parmetros que definen la sismicidad local de la zona B (ec. 1.12) y M(y,R) se
determina con la correlacin entre magnitud, intensidad y distancia presentadas en la sec 3.
Si se toma en cuenta la contribucin de todas las zonas ssmicas que afectan a A, se obtiene:
(1.14) El objeto del subndice c que se aade a es hacer notar que las intensidades de la ec. (1.14) no son las
reales, sino las calculadas en funcin de magnitud y distancia. Debido a la dispersin estadstica que se
observa, es necesario multiplicar el segundo miembro de la ec. (1.14) por un factor >1 cuyos valores
aparecen en Esteva (1970b). La aplicacin de la ec. (1.14) conduce a una expresin de la forma
-
15
por lo que
Aplicando lo anterior a un grupo numeroso de puntos incluidos en uno del pais de America Latina or
Rusia y con siderando la sismicidad local de las zonas de la mapa sismica, se obtuvo para cada uno de
ellos los valores de la intensidad asociados a varios periodos de recurrencia (el recproco de v(y)).
En esa forma Esteva (1970a) ha construido mapas de sismicidad regional de Mexico para periodos de
recurrencia de 50, 100 y 500 aos, y para la aceleracin y velocidad mximas del terreno como medidas
de intensidad. Mapas de sismicidad regional han elaborado en muchas paises con sismicidad alta.
Si en la elaboracin de mapas de sismicidad regional se toman en cuenta los detalles geolgicos
superficiales del sitio (propiedades y espesores de las formaciones superficiales), aquellos reciben el
nombre de mapas de micro-regionalizacin ssmica.
Rusia, en general, es muy ssmica en sus regiones del Cucaso y Asia (Siberia y Extremo Orient) asi
como las repblicas ex-sovieticas (Tadzhikistn, Uzbekistn, Kirguizia y Turkmenia). Tres mapas (A, B y
C, Figs. 1.1 y 1.2) de las sismicidades mximas bsicas (A: con periodo de retorno T=500 aos) y
mximas posibles (C: con T=10000 o 5000 aos) en Rusia y las repblicas antemencionados que se
acompaan (Fig. 1.1 y 1.2) corresponden al de la Norma Sismorresistente ltima (2003) SNiP-33-03
Obras Hidrotcnicas en las regiones ssmicas, que corresponde a las recomendaciones de la Comisin
Internacional de Presas Grandes (ICOLD).
La intensidad de un terremoto se suele expresar comparando la aceleracin que produce con la de la
gravedad g. El mtodo habitual para calcular el efecto de un sismo en una presa es el llamado pseudo-
esttico, que consiste en suponerlo equivalente a una fuerza de masa actuando en el centro de gravedad de
la presa con aceleracin KS g, siendo KS el coeficiente definidor de la intensidad del terremoto en la obra
hidrotcnica (la frmula (1) en el capitulo 3). Esa fuerza acta en una determinada direccin y en ambos
sentidos, puesto que es oscilatoria. Es obvio que las componentes ms desfavorables son hacia arriba
(porque resta peso estabilizador) y hacia agua abajo (porque se suma al empuje hidrosttico). La Norma
Sismorresistente - SNiP-33-03 seala un valor de Ks entre 0,05 y 0,10 en las zonas de sismicidad media,
que corresponden a los grados 7 a 8 de la escala de Richter (o los grados 6 a 7 de la escala modificada de
Mercalli). En las zonas de baja sismicidad no se precisa comprobacin especial, y en las de alta
sismicidad habr de hacerse un estudio especial, de acuerdo con el estudio ssmico concreto y las
caractersticas de la presa y el lugar.
Fig.1.1.Mapa C de intensidades de terremotos mximos posibles (T=10000 aos) en Rusia y los paises de ex-URSS
-
16
Fig. 1.2. Mapa A de intensidades de terremotos mximos bsicos (T=500 aos) en Rusia y los paises de ex-URSS
5. Los estudios geolgicos y ssmicos del sitio y embalse para el diseo de presas
El diseo ssmico de las presas de tierra y de concreto ha progresado en las ltima dcadas, debido al
avance de los programas de computacin. De los mtodos pseudo-estticos, se han pasado a los mtodos
de elementos finitos, no obstante, el buen juicio y la experiencia, aunado a una adecuada investigacin de
campo, es lo que puede permitir xito en el diseo y construccin de las presas.
Hay problemas an sin solucin, tales como: la seleccin del sismo de diseo, la determinacin de las
presiones de poro originadas por el sismo, las deformaciones obtenidas de los datos combinados del
anlisis de respuesta y ensayos de laboratorio.
Para el ptimo diseo de una presa de tierra es necesario realizar los siguientes estudios:
Estudios Geolgicos Regionales
Con estos estudios, debe determinarse el sistema de fallas as como de las principales unidades
estratigrficas, a fin de establecer una correlacin con los sitios que se van a estudiar. Esta correlaciones
deben hacerse no solamente desde el punto de vista de geologa pura, sino desde un punto de vista de
geologa aplicada, esto quiere decir que si en un estudio geolgico regional, se menciona una formacin
geolgica, deben indicarse las caractersticas fsicas de la misma y los problemas que puedan suscitarse
en la construccin de estructuras sobre dicha formacin.
Al estudiar el sistema regional de fallas, es necesario determinar si son las ms importantes de la regin, o
si son fallas secundarias, si han ocasionado movimientos ssmicos en la zona o si se han encontrado
indicios de actividad en alguna de ellas, para lo cual en algunos casos habr que realizar alguna
exploracin adicional. Deber determinarse el tipo de falla, desplazamiento, inclinacin de la misma y
tasa de acumulacin de esfuerzos. (Ref. 4).
Para la realizacin de estos estudios, habr que recurrir a los levantamiento geolgicos realizados por los
Ministerios de Energa o de Minas, hacer reconocimientos areos y terrestres y hacer estudios sobre
aerofotografas y fotos satlites.
Estudios geolgicos del embalse de almacenamiento
Una vez llenado un embalse, las condiciones generales del sitio variarn, por los tanto, debern estudiarse
todos aquellos problemas que puedan derivarse del almacenamiento de un volumen importante de agua en
-
17
la regin. Por lo tanto, los estudios geolgicos que se realicen, debern considerar los problemas que se
puedan presentar, por la presencia de dicha agua, entre los cuales es importante destacar, los originados
en laderas inestables, durante el descenso de las aguas, por cuanto stas son propensas a deslizarse dentro
del embalse, en especial, cuando ocurra un sismo, con lo cual, adems reducirse el volumen de agua
almacenada, pudiera poner en peligro la estabilidad de la presa, debido a la formacin de olas que rebosen
la cresta de la presa..
Es necesario determinar la influencia que puedan tener la principales fallas que atraviesan el embalse, en
la construccin de las obras, investigar si alguna de ellas pueda tener alguna actividad y cul sera el
comportamiento en caso de ocurrir un sismo. Se ha comprobado que algunos embalses construidos sobre
fallas, producen un desequilibrio isosttico que se traduce en microsismos, lo cual es necesario tomar en
cuenta al disear las obras.
Estudio de las caractersticas ssmicas de la regin
En el estudio de presas, se hace imperativo tomar en cuenta la actividad ssmica de la regin, a fin de
adecuar el diseo de la presa y estructuras complementarias, a los problemas ssmicos que puedan
presentarse. Para ello es necesario determinar el grado de sismicidad del rea.
La investigacin debe ser muy detallada, para lo cual, en algunos casos, habr que hacer exploraciones a
travs de las fallas que se observen en la roca de fundacin. Asimismo, deben estudiarse los suelos y
rocas que conforman las fundaciones, en especial los suelos susceptibles a densificacin o licuacin.
Al elegir la seccin de la presa, debern extremarse los cuidados en la escogencia de los materiales de
construccin, y se debe ser conservador en la seleccin de la seccin de la presa y debe preverse un
riguroso tratamiento de fundaciones.
La magnitud y grado de exploracin que se realice, depender del tamao, localizacin y usos del
embalse. Una presa alta con un embalse grande, ser potencialmente ms peligroso que uno pequeo,
asimismo, ser ms peligrosa un presa ubicada aguas arriba de una poblacin, que otra localizada en
zonas deshabitadas o lejanas a centros poblados.
La recopilacin de la informacin relativa a los sismos ocurridos, es de mucha importancia para
determinar la peligrosidad del rea, por cuanto la probabilidad de sismos en una zona, es
aproximadamente proporcional a la densidad de sismos ocurridos en el rea (Ref. 5). Es muy importante
estimar, de los registros histricos, las aceleraciones que puedan producirse en el sitio de presa.
La mejor informacin sismolgica sera la referente a la frecuencia y severidad de sismos futuros, pero
como ello no es posible, especialmente la relativa a intensidad y magnitud, los diseos habr que hacerlos
considerando las condiciones ms adversas. El estudio del sistema regional de fallas, efectuado durante el
estudio geolgico regional, asociado a aquellas fallas que han tenido actividad en tiempos histricos, es
de mucha importancia.
El hecho de que hayan zonas ssmicas y fallas geolgicas activas, no es motivo suficiente para rechazar
un sitio de presa. Existen casos histricos de embalses construidos en zonas ssmicas e inclusive, cruzada
por fallas activas, en las cuales se produjeron sismos con desplazamiento de los sistemas de falla, que
tuvieron un comportamiento adecuado durante la ocurrencia del sismo.
Finalmente, en las zonas ssmicas debe preverse la instalacin de un buen sistema de instrumentacin, no
solo en el terrapln de la presa, sino en el rea del embalse y zonas circunvecinas, a fin de observar el
comportamiento de las obras en caso de que ocurra un sismo. Esta instrumentacin debe incluir controles
geodsicos, para medir los desplazamiento del sistema de fallas y de acelergrafos para medir la
magnitud y aceleraciones.
Estudio detallado del sitio de presa
Las investigaciones que se realicen en el sitio de presa, son realizadas con la finalidad de determinar los
tipos y distribucin de suelos y rocas que existen en la fundacin y los estribos, y determinar sus
propiedades, desde el punto de ingeniera, en especial el esfuerzo de corte, la compresibilidad y la
permeabilidad. Se debe estudiar la susceptibilidad de las fundaciones y los estribos, a sufrir
deformaciones importantes durante la ocurrencia de un sismo, as como tambin estudiar las fundaciones
blandas, por cuanto estas pueden sufrir deformaciones importantes durante un movimiento ssmico; debe
-
18
estudiarse tambin la presencia de limos y arenas saturadas porque stas pueden ser afectadas por el
fenmeno de licuacin durante la ocurrencia de un sismo.
Previamente a la exploracin del subsuelo, debe hacerse un estudio geolgico detallado de superficie, el
cual debe correlacionarse con la exploracin detallada del subsuelo mediante perforaciones. Los mtodos
de exploracin que se utilicen, el nmero y espaciamiento de los sondeos, y la profundidad de los mismos
depender de la altura de la presa y de la complejidad de las fundacin. Se debern realizar algunos
ensayos de laboratorio en muestras inalteradas de materiales representativos, con la finalidad de
determinar el tipo y propiedades generales de las fundaciones; en algunos casos conviene emplear
mtodos geofsicos, para completar la exploracin.(Ref. 4 y 5).
La ejecucin de ensayos de resistencia al corte, bien sea mediante el mtodo de corte directo mediante
ensayos triaxiales, son de mucha importancia para determinar los parmetros de resistencia de las
fundacin, estos ensayos deben complementarse con la ejecucin de ensayos de corte cclicos, con la
finalidad de investigar la resistencia dinmica y en esta forma determinar la licuacin potencial de los
suelos en caso de ocurrir un sismo.
Referencias
1. Ferrer Diego, Cluff Loyd "Observaciones de Ingeniera de Suelos e Ingeniera Geolgica del Sismo de
Caracas" - Boletn N 35 Se la Sociedad Venezolana de Mecnica del Suelo e Ingeniera de Fundaciones
Junio 1.970
2. FUNVISIS - "Sismicidad Instrumental 1.967-1996" - Junio 1.997
3. Romo Miguel, Magaa Roberto - "Metodologa en el Diseo Ssmico de Presas de Tierra"- IX
Congreso Panamericano de Suelos - Santiago de Chile 1991
4. Ferrer Fernndez Diego - "Estudios Geotcnicos para Obras de Embalse" - Revista Latinoamericana de
Geotcnia - Julio-Septiembre 1.976
5. E.T. Haws y otros - " Dams Natural and Induced Erthquakes and the Enviroment" - Dams and
Erthquakes The Institution of Civil Engineers, 1981 - London.
-
19
Capitulo 2. Effectos de los sismos sobre presa y embalse y seleccin de cargas ssmicas
2.1. Efectos del terremoto sobre la presa y embalse
Un movimiento ssmico produce dos efectos en la presa:
La oscilacin del terreno de apoyo se transmite a la base y estribos de la presa y produce en ella unas
tensiones suplementarias.
Los desplazamientos de la presa por este motivo, actan sobre el agua del embalse lo que, por reaccin,
da lugar a un empuje suplementario sobre el paramento.
Aparte de estos efectos, el terremoto podra provocar directamente una onda en el mismo embalse, con el
consiguiente impacto sobre la presa e, incluso, eventual desbordamiento sobre ella. Sin embargo, este
efecto no suele considerarse, salvo en zonas donde se presuma como probable, y entonces es necesario
hacer un estudio particular. Otro efecto posible, aunque remoto, es que el terremoto provoque un desliza-
miento de estratos en las laderas del embalse, lo que podra dar lugar tambin a una ola peligrosa.
Estos accidentes son muy extremos, y slo son a considerar en los casos en que se sospeche su peligro,
como en terrenos fallados o con desprendimientos precedentes. Los terrenos con fallas activas que
atraviesan el embalse pueden dar lugar a descensos parciales de zonas, con las consiguientes ondas y
riesgo de desbordamiento, sobre todo si el descenso se produce en la presa.
Aparte de estos fenmenos naturales, la misma presa puede provocar micro-terremotos o incluso
movimientos ms sensibles, porque el agua del embalse, con su peso, altera el estado de cargas del
terreno. Esto se ha observado en embalses de cierta entidad, por encima de 100 m de profundidad y cierta
extensin. Algunos de los efectos citados pueden darse sin haber un terremoto. Los terremotos, como ya
se apunt pueden tambin provocar deslizamientos en laderas que antes eran estables.
El coeficiente KS en las zonas de sismicidad media se aplicar ntegramente a la componente horizontal, y
un 50 % de KS a la vertical.
Segn esto, en una presa de altura h y base mh (suma de taludes m) las componentes horizontales Hse y
verticales Vse debidas al terremoto sern:
Hse = KS h2m/2 Vse = 0,5KS h
2m/2 (2.1)
Estas componentes, tomadas en los sentidos ms desfavorables, equivalen a:
Una disminucin del peso especfico en 0,5KS (un 2,5 al 5 % en zonas de sismicidad media). El peso
especfico equivalente ser (l-0,5 KS) , donde 2,4 t/m3
(para concreto) y 1,7-1,9 t/m3 (para suelos).
Una fuerza horizontal similar a un aumento del empuje hidrosttico y aplicada en el mismo punto (un
tercio de la altura). El empuje hidrosttico equivalente ser 0.5h2(1+ KS m). Obsrvese que el aumento es
importante, pues es del 5 al 10 % del peso de la presa, esto es, del 10 al 20 % del hidrosttico (para =
2,4 t/m3 y m= 0,85, que ser necesario con sesmo).
Es decir, que una presa de concreto de 2,4 de densidad va a resistir como si fuera de slo 2,28 a 2,16,
francamente bajo; pero al propio tiempo, estar sometida a un empuje adicional del 10 al 20%. Se
comprende que ambos efectos simultneos se traducen en un aumento notable de las dimensiones.
En las presas de gravedad los movimientos ssmicos sacuden la estructura sin que, en general, haya
peligro de resonancia, dada su gran rigidez. En cambio, en otros tipos ms delgados, como las bvedas o
contrafuertes, y en algunas de materiales sueltos, por su constitucin, el periodo propio de vibracin de la
presa puede ser prximo a la frecuencia del sesmo, y puede haber resonancia, con el consiguiente
refuerzo de las tensiones. Por eso, la instruccin prescribe para esas presas y para las de gravedad de ms
de 100 m de altura en zonas de alta sismicidad el empleo del mtodo dinmico, que tiene en cuenta la
forma real de oscilacin de la estructura. En las presas de materiales sueltos se pueden producir tambin
otros efectos que afectan a la consolidacin de los materiales.
Las frecuencias de los sesmos varan entre limites muy amplios: desde oscilaciones muy rpidas, con
frecuencias auditivas, hasta periodos largos. En los casos extremos, debido a la escasa amplitud o a la
lentitud, los sesmos tienen poca influencia en las presas; los ms peligrosos suelen ser los de periodo
alrededor de un segundo.
Las sobrepresiones dinmicas producidas por la reaccin del embalse fueron estudiadas por Westergaard.
En un paramento vertical puede aplicarse con suficiente aproximacin su frmula simplificada:
-
20
Pw = C KS (hy)1/2
(2.2)
donde KS - el coeficiente de aceleracin respecto a la gravedad, h- la altura de la presa en metros, e y - la
profundidad en metros bajo el nivel del embalse en la que se produce la presin p en t/m2, y
C = 0.817 [1-0.72 (h/304.8T)0.5
]1/2
(2.3)
donde T es el periodo de la oscilacin natural del orden de un segundo, si no se conoce directamente. C
varia relativamente poco: 0,984 para h = 200 m, 0,851 para 100 m, y 0,820 para 30 m.
La ley de variacin de Pw con la profundidad es parablica. Su integral, que es el empuje total, es:
Ew = 2 Ch2 KS / 3 (2.4)
Y su momento respecto al pie del paramento
(M)Ew = 4/15 Ch3/ KS (2.5)
El punto de aplicacin de Ew est a una altura 2/3h sobre el pie de la presa, poco ms alto que el del
empuje hidrosttico. La magnitud de este efecto es importante, aunque un poco menor que el directo
sobre la presa. Si el paramento es inclinado respecto a la direccin del sesmo, la sobrepresin vendr
multiplicada por el coseno del ngulo de esa direccin con la normal al paramento.
2.2. Seleccin de terremotos (sismos) y combinaciones de cargas ssmicas para presas
Los terremotos o sismos que se deben emplear en el diseo de presas, se pueden determinar mediante dos
procedimientos: determinista y probabilista. En el anlisis determinista del riesgo ssmico se identifican
las fuentes ssmicas, se asigna la magnitud de los sismos seleccionados, se determina la distancia entre las
fuentes y el sitio de la presa, y se define el movimiento del terreno en el sitio empleando leyes de
atenuacin. El movimiento del terreno por lo tanto, se define en trminos de espectros de respuesta que se
pueden determinar con varios mtodos. En el anlisis probabilista del riesgo ssmico, el movimiento del
terreno se suministra en funcin de los valores de probabilidad de excedencia para una determinada vida
de la presa, definida por medio del periodo de retorno. En el anlisis determinista se asigna el sismo de la
mayor magnitud que se juzgue probable, con lo cual es posible definir el sismo ms peligroso, llamado
Sismo Mximo Creble.
Sin embargo, el sismo mximo de diseo no necesariamente es el mximo creble. En la actualidad, es
comn deducir el sismo mximo de diseo con base en consideraciones probabilsticas, ya que los
estudios probabilistas son ms econmicos que los deterministas. Es decir, se proporciona el sismo
mximo de diseo en funcin de probabilidades de excedencia. Este hecho ofrece ventajas adicionales, ya
que otras condiciones de carga en presas, como las avenidas, tambin se asignan bajo esquemas basados
en la probabilidad de excedencia. En este sentido, han surgido dudas acerca del uso de periodos de
retorno para los sismos mximos de diseo, ya que son muy inferiores a los considerados para la
estimacin de avenidas, que son del orden de 10,000 aos.
Las cargas ssmicas inusuales y extremas se definen en funcin de los sismos y la combinacin de
acciones estticas. Para el diseo de una presa, se pueden definir varias combinaciones de acciones
inusuales o normales. Las condiciones de sitio y de operacin que se tenga en cada presa son las que
determinan finalmente estas combinaciones. Por ejemplo, las cargas inusuales pueden ser
correspondientes al Nivel de Aguas Mximo Extraordinario (NAME) o al embalse vacio o ambos
dependiendo de las etapas de operacin. Las cargas normales pueden ser del Nivel de Aguas Mximo
Normal (NAMO) en presas de almacenamiento pero tambin pueden ser del embalse vacio. Adems
deben preverse en el diseo las condiciones de la sedimentacin, ya que pueden variar durante la vida til
de la presa.
El nivel de servicio (con sismo o terremoto base de operacin) est relacionado fundamentalmente con el
funcionamiento de la presa. Para este nivel corresponden las acciones ssmicas que pueden provocar
movimientos importantes en el sitio de la presa, a nivel de terreno rocoso, sin que esta presente problemas
de operacin. Con el nivel de prevencin la falla (con sismo o terremoto mximo de diseo) se definen las
acciones ssmicas con que se disearn las presas. En este caso, el diseo permitir que las presas puedan
sufrir daos estructurales importantes o prdidas econmicas cuantiosas, pero sin consecuencias
catastrficas tales como la ruptura total o la evacuacin descontrolada del embalse.
-
21
Las etapas de diseo comenzaran con el nivel de servicio y terminarn con la verificacin de la seguridad
de la estructura considerando el nivel de prevencin de falla. Para ambos terremotos se definir la
aceleracin y velocidad mximas del terreno y el espectro de diseo. Si los anlisis se llevan a cabo
utilizando un mtodo paso a paso, tambin ser necesario definir los acelerogramas que provengan de los
espectros de diseo. Se recomienda generar por lo menos tres acelerogramas.
Si el sitio de la presa se encuentra instrumentado y se cuenta con el registro de algunos terremotos, estos
podrn emplearse para la generacin de acelerogramas sintticas. Debern realizarse estudios ssmicos
para determinar las caractersticas del terremoto mximo de diseo con el fin de definir un correcto
escalamiento de la fuente ssmica. Este ejercicio deber suministrar historias de aceleracin, velocidad y
desplazamiento para terreno rocoso, as como los espectros de respuesta y diseo. Adicionalmente, para
las presas de tierra y enrocado, se deber proveer de una magnitud en la escala Richter y duracin del
terremoto aun cuando no se definan los acelerogramas.
Por la extensin que cubre el contacto presa-cimiento (o cimentacin), la variacin espacial de las
aceleraciones a lo largo del contacto ha sido un tema de gran inters. Se sabe que dicha variacin depende
de varios factores: geometra del embalse, tipos de ondas, ngulos de incidencia y contenidos de
frecuencia de los sismos. En campo libre de un sitio se puede determinar tericamente que las
aceleraciones en los empotramientos y a nivel de la cresta son mayores que aquellas registradas en la
base. Obviamente, este tipo de anlisis est relacionado con el modelo de interaccin presacimiento. En
el caso de modelos de subestructuras, se considera apropiado incluir estos efectos. El estado del arte
muestra que se requieren ms estudios para demostrar que los efectos de variacin espacial tengan
relevancia significativa en el diseo de estructuras, particularmente en el caso del sismo mximo de
diseo en zonas de alta sismicidad, donde los efectos no lineales son importantes.
Cuando una presa esta apoyada sobre el depsito del cauce y el empotramiento, se debe considerar que el
rea de contacto presa-empotramiento es mucho mayor que el del contacto presa-cauce. Por ello, en un
anlisis tridimensional, es conveniente definir en forma diferente, los parmetros ssmicos en el
empotramiento y en la roca basa del cauce. Dichos parmetros no toman en cuenta la presencia del
depsito de suelo o efecto del sitio. En un anlisis bidimensional, se pueden emplear, los parmetros
ssmicos que incluyen el efecto del sitio y que se especifican en el contacto presa-cauce. Sin embargo, por
la importancia que tiene la cimiento en el comportamiento global de la presa, los anlisis bidimensionales,
ya sean estticos o dinmicos, deben consideran la cimiento y la presa como un solo modelo, para el que,
las excitaciones ssmicas de entrada, son a nivel de la roca basa. En consecuencia, solo es necesario
especificar los parmetros sismolgicos sin el efecto del sitio para los anlisis bidimensionales. Otra
razn por la cual se debe incluir el cimiento en el modelo de la presa es la inhomogneidad. Finalmente
en un anlisis unidimensional que determina la amplificacin dinmica de la presa, es factible emplear los
parmetros ssmicos en la base de la presa.
Cuando los cimientos son rocosos, los parmetros ssmicos del sitio se definirn a nivel de la base roca.
Cuando los cimientos no son rocosos se deber tomar en cuenta la presencia del depsito de suelo y se
deber efectuar un estudio detallado sobre las condiciones ssmicas locales definiendo, adems de los
parmetros ssmicos mencionados, la capacidad de carga ssmica, las deformaciones inducidas, as como
la variacin espacial de las excitaciones ssmicas. Los parmetros ssmicos de podrn definirse dos
manera. Si en el anlisis se incluye explcitamente el terreno blando, dichos parmetros debern definirse
al nivel de la base roca. Cuando los parmetros ssmicos quedan especificados en la superficie del
depsito de suelo, se proceder a realizar un anlisis de convolucin para determinar los parmetros en la
base roca. Si el estudio est acotado al cuerpo de la presa, los parmetros ssmicos se debern suministrar
a nivel de la base de la presa, mismos que debern ser afectados previamente por el efecto del depsito
del cimiento. Por la importancia que tiene el cimiento sobre la distribucin de esfuerzos en la presa se
recomienda la primera consideracin. En algunos casos, en los que se efecta un anlisis unidimensional
de amplificacin dinmica de la presa, se podrn emplear los parmetros ssmicos con el efecto del sitio.
Dichos parmetros se especificarn en la base de la presa.
Se definirn dos condiciones de carga. La primera se denomina carga ssmica inusual, que es la resultante
de una combinacin de cargas inusuales y el terremoto correspondiente al nivel de servicio. La segunda se
-
22
llama carga ssmica extrema, que es la resultante de una combinacin de cargas normales y el terremoto
correspondiente al nivel de prevencin de falla. Las condiciones de carga normales, a las que operan con
mayor frecuencia las presas, no siempre corresponden al NAMO. Por citar un ejemplo, la condicin ms
crtica del talud aguas arriba de las presas de tierra y enrocado, aun sin el efecto de vaciado rpido, no
siempre resultara ser el nivel ms alto del embalse. Las combinaciones de carga ssmicas debern tomar
en cuenta estos escenarios.
Se debern considerar todas las combinaciones de carga normales e inusuales posibles tomando la
precaucin delimitar aquellas en que sea pequea la probabilidad de que las cargas se presenten, de
manera simultanea, con los terremotos. Aparte de los dos niveles de diseos mencionados y las posibles
combinaciones de carga definidas, se analizarn los peligros naturales particulares del sitio que estn
relacionados con los aspectos de la sismicidad inducida, deslizamiento y fallas en el embalse, fallas
activas en el can, tsunami y oleajes ssmicos.
Los efectos hidrodinmicos del embalse se tendrn que considerar para las presas de concreto como se
detalla en el captulo 5. En las presas de tierra y enrocado no se considerarn los efectos hidrodinmicos
del embalse con excepcin de las presa de enrocado con pantalla de concreto. En estas se aplicar el
modelo de la masa virtual. No se tomara en cuenta la influencia de los terremotos ni la del oleaje
generado por los mismos, sobre las presiones de filtracin o subpresin. Los efectos dinmicos de los
sedimentos no se considerarn salvo en las presas altas con sedimentos de gran espesor.
Con excepcin de las presas construidas en los caones angostos donde la longitud de la presa es menor
que tres veces su altura, las presas se podrn analizar bidimensionalmente tomando una longitud unitaria.
Los efectos tridimensionales sern importantes en las presas con pantalla de concreto si se desea conocer
el comportamiento de la pantalla de concreto, independientemente de la forma del can. Los anlisis
tridimensionales tambin sern necesarios en presas de arco.
2.3. Clculo de bordo libre para presas
Uno de los efectos ms devastadores que genera un sismo es la prdida del bordo libre, por la evacuacin
sbita del embalse que se puede derivar de ello, la que podra traer consecuencias catastrficas a la zona
aguas abajo. El efecto es particularmente significativo en presas de tierra y enrocado, debido a que estas
presas tienen poca resistencia a la erosin y socavacin que se presentara con el probable
desbordamiento.
La cota de la cresta de una presa se calcular tomando el valor mximo del clculo de dos elevaciones
estimadas con base en el NAMO y NAME, respectivamente. Esto es,
Ecresta = max (Ecresta,NAME, Ecresta,NAMO) (2.6)
donde: Ecresta es la elevacin de la cresta que se usar en el diseo
Ecresta,NAME es la elevacin de la cresta estimada con base en el NAME
Ecresta,NAMO es la elevacin de la cresta estimada con base en el NAMO
Las elevaciones Ecresta,NAME y Ecresta,NAMO se calcularn de acuerdo con
Ecresta,NAME = ENAME + dNAME (2.7a)
Ecresta,NAMO = ENAMO + dNAMO (2.7b)
donde: ENAME, ENAMO son las elevaciones correspondientes al NAME y NAMO
dNAME, dNAMO son el bordo libre correspondientes al NAME y NAMO
El bordo libre para cada condicin del nivel de agua ser el valor mximo de la estimacin del bordo
libre debido efectos no ssmicos y el correspondiente a las acciones ssmicas. Esto es,
d = max (dns,ds) (2.8)
donde: d es el bordo libre
dns es el bordo libre por efectos no ssmicos
ds es el bordo libre por efectos ssmicos
El bordo libre por efectos no ssmicos estar formado por las componentes:
-
23
dns =dv +do +da +dr (2.9)
donde: da es el asentamiento de la presa y cimiento ante cargas no ssmicas
do es el ascenso del oleaje por acciones del viento
dr es la reserva de seguridad ante cargas no ssmicas
dv es la sobre elevacin del embalse por el viento
El bordo libre por efectos ssmicos se calcular con base en cuatro componentes:
ds = da + dos + das + drs (2.10)
donde: das es el asentamiento de la presa y cimiento ante cargas ssmicas
dos es el ascenso del oleaje por acciones ssmicas
drs es la reserva de seguridad ante cargas ssmicas
El asentamiento calculado ante cargas no ssmicas se acumular para el clculo del bordo libre debido a
efectos ssmicos.
El clculo del bordo libre por efectos ssmicos se realizar tomando en cuenta dos niveles de intensidad
ssmica que son el Terremoto de Diseo (TD) y Terremoto de Falla (TF). Para efectuar el clculo del
bordo libre, expresado en la ecuacin 2.10, el bordo libre correspondiente al primer terremoto (TD) se
combinar con el bordo libre no ssmico calculado con base en el NAME, y el bordo libre obtenido del
segundo terremoto (TF) se acoplar con el bordo libre estimado con el NAMO. En la tabla 2.1 se
muestran estas dos combinaciones.
Tabla 2.1. Combinaciones de carga para el clculo de bordos libres
Clculo del bordo libre para la condicin
NAME NAMO
Nivel del agua NAME NAMO
Terremoto Terremoto de diseo Terremoto de falla
Los bordos libres debern ser suficientemente grandes para evitar desbordamiento ante eventos de
oleaje ssmico. Se recomienda los siguientes bordos libres mnimos en funcin de la altura de la presa.
Tabla 2.2. Bordos libres mnimos
Altura de la presa (m) Bordo libre mnimo (m)
< 50 m 1.0
50 altura 100 m 2.0
> 100 m 2.5
Segn Normas rusas SNIP-81 (captulo 5) en las etapas preliminares del proyecto la altura del oleaje
ssmico (en metros), que surge en el embalse de la profundidad ms que 100 metros en caso de que se
formen de las deformaciones sismo-tectnicas durante los terremotos con las intensidades J = 69 grados,
que se toma en cuenta para el clculo del bordo libre de la presa sobre el nivel NAME, se debe determinar
por la frmula:
h = dos = 0,4 + 0,76 (J 6) (2.11)
2.4. El fenmeno de la sismicidad inducida por del embalse
El peso del agua del embalse altera el estado de cargas del terreno, y cuando la altura mxima de agua
sobrepasa los 100 m esa alteracinn puede provocar sesmos que en algunos casos de fuertes alturas han
llegado a intensidades de 6 a 6,5. El epicentro suele estar poco profundo. La onda de mxima intensidad
suele venir precedida por otras menores y crecientes en amplitud y frecuencia. Aunque estos sesmos
pueden iniciarse desde el primer llenado, el mximo suele aparecer algn tiempo despus y viene influido
por la velocidad del llenado del embalse, lo que parece lgico.
Parece bastante evidente, aunque no es seguro, que los sesmos slo se inducen cuando hay fallas activas
en el embalse o en su proximidad. De temerse estos efectos, conviene contar con el anlisis de un
-
24
sismlogo. Estos sesmos son debidos ms al embalse que a la presa, y parecen ser independientes del
volumen de aquel, y slo depender de la altura, a partir de unos 100 m, como ya se dijo.
Orgenes del fenmeno
La sismicidad inducida es un fenmeno que se constato durante el llenado de algunas grandes presas a lo
largo: Charvak (Uzbekistan, Plotnikova, 1986), Nurek (Tajikistan, Simpson, 1988; Scholz, 2002);
Sriramsagar (India, Rastogi, 1986), Osmansagar (India, Rastogi, 1986), Bhatsa (India, Rastogi, 1986),
Thien (India, Bhattacharya, 1986), Koyna (India, Simpson, 1988; Rastogi, 2003); Kotmale (Sri Lanka,
Fernando, 1986), Oroville (U.S.A., Gupta, 1986), Zhelin (China, Yuanzhang, 1986), Takase (Japon,
Okamoto, 1986), Nagawado, Ogohci, Kuzuryu, Iwaya, Kawamata, Tsuruta, Ikaria y Makio (Japon,
Ohtake, 1986). No obstante es un fenmeno que no solamente est ligado al llenado de presas, sino que
tambin se ha relacionado con otras actividades humanas como la perforacin de pozos mineros y la
excavacin de canteras en superficie (Chouhan, 1986).
El fenmeno de la sismicidad inducida aparece durante el llenado del embalse, con una coincidencia
temporal entre dicho llenado y la generacin de los primeros terremotos. No obstante, existe una tipologa
muy variada del fenmeno, ya que hay embalses en el que la aparicin de sismos ha sido una reaccin
prcticamente inmediata (apenas unos das) al llenado del embalse, mientras que en otros casos el retardo
en la generacin de sismos en relacin al llenado del embalse ha sido de varios aos (Simpson, 1986;
Scholz, 2002). Las magnitudes mximas de los sismos producidos tambin varan de forma importante de
unos embalses a otros, con un mximo de 6.3 en la escala Richter para la presa de Koyna, pasando por
magnitudes mximas de 5.3, 5.8 y 5.7 para presas Aswan, Kariba y Oroville, respectivamente y sismos de
4.1 y 4.6 para presas de Manic-3 y Monticello. Finalmente, otras presas han dado lugar a sismos mximos
de menor magnitud como es el caso de presa Monticello (magnitud mxima de 2.8) (Simpson, 1986).
El fenmeno de la sismicidad inducida aparece durante el llenado del embalse, con una coincidencia
temporal entre dicho llenado y la generacin de los primeros terremotos. No obstante, existe una tipolgia
muy variada del fenmeno, ya que hay embalses en el que la aparicin de sismos ha sido una reaccin
prcticamente inmediata (apenas unos das) al llenado del embalse, mientras que en otros casos el retardo
en la generacin de sismos en relacin al llenado del embalse ha sido de varios aos (Simpson, 1986;
Scholz, 2002). Las magnitudes mximas de los sismos producidos tambin varan de forma importante de
unos embalses a otros, con un mximo de 6.3 en la escala Richter para la presa de Koyna, pasando por
magnitudes mximas de 5.3, 5.8 y 5.7 para las presas de Aswan, Kariba y Oroville, respectivamente, y
sismos de 4.1 y 4.6 para las presas de Manic-3 y Monticello. Finalmente, otras presas han dado lugar a
sismos mximos de menor magnitud como es el caso de la presa de Monticello (magnitud mxima de 2.8)
(Simpson, 1986).
(A) (B) Figura 2.1. Sismicidad inducida en relacin con la altura de la presa:
-
25
(A). En abscisas se representa la altura de la presa en metros y en ordenadas el nmero de presas de esta altura en
las que se han observado fenmenos de sismicidad inducida.
(B) Nmero de embalses con fenmenos de sismicidad inducida en relacin al volumen de los mismos (en Hm3).
No existe una relacin clara entre altura de agua en el embalse y magnitud de los terremotos (Fig. 2.1.A),
por lo que en muchos casos puede suponerse que una columna de agua relativamente pequea podra
haber dado lugar a la sismicidad inducida, y lo mismo ocurre con el volumen embalsado (Fig. 2.1.B). Los
casos estudiados van desde un entorno de 50-75 m de altura de columna de agua para la presa de Koyna
(Simpson, 1986), a 25 metros para la presa de Monticello, en torno a 80 metros para la presa de Aswan,
en torno a 100 metros para la de Kariba, y alturas de agua considerablemente mayores para las presas de
Nurek y Oroville (ms de 200 metros de columna de agua). No obstante, hay que resaltar que en estos dos
ltimos casos los sismos inducidos empezaron a producirse mucho antes de que se alcanzar la mxima
altura de agua en el llenado del embalse (Simpson, 1986).
Interpretacin
Desde el punto de vista de la mecnica de rocas y la geologa estructural, la sismicidad inducida es un
fenmeno relativamente sencillo de explicar, teniendo en cuenta que la corteza continental est sometida
a un estado de esfuerzos que la sita al borde de la ruptura. En estas condiciones cualquier perturbacin
sobre el campo de esfuerzos puede dar lugar a modificaciones de este en relacin con la envolvente de
Mohr para determinadas fallas situadas en las proximidades de la perturbacin. Entre los elementos
perturbadores del campo de esfuerzos ms frecuentes estn las presas (por modificaciones del esfuerzo
vertical y por aumento de la presin de fluidos) y las canteras o explotaciones mineras a cielo abierto (por
modificacin del esfuerzo vertical, Simpson, 1997). Para la explicacin de los modelos que rigen el
comportamiento de la corteza continental en el caso de la sismicidad inducida adoptaremos el convenio
de nomenclatura expresado en la Figura 18, considerando que la falla geolgica es el plao inclinado.
Fig.2.2. Convenios utilizados para expresar Fig.2.3. Los cuatro casos posibles de generacin de sismos inducidos
el campo de esfuerzos en relacin a las por perturbaciones del campo de esfuerzos segn Simpson (1997)
fallas y la aplicacin del criterio de fractura
de Mohr-Coulomb
Simpson (1997) distingue cuatro posibles tipos de sismicidad inducida en relacin con la perturbacin de
los campos de esfuerzos (Fig. 2.3). En todos los casos se supone que la perturbacin del esfuerzo se
produce de manera que el crculo de Mohr de esfuerzos llega a tocar a la envolvente de Mohr para la falla,
de acuerdo con el criterio clsico de fractura de Mohr-Coulomb:
a) El primero de los casos de ruptura supone una disminucin del esfuerzo vertical (carga producida por
la masa de roca que tiene por encima) manteniendo constante el esfuerzo horizontal (tectnico). Esta
situacin puede darse en el caso de la instalacin de canteras por encima de la posible zona de ruptura de
la falla. El crculo de Mohr (Fig. 2.3.A) se hace mayor por disminucin del esfuerzo mnimo, que en este
caso coincide con el vertical.
-
26
b) El segundo de los casos de ruptura (Fig.2.3.B) supone el aumento del esfuerzo vertical, que coincide
con el esfuerzo mximo, por la instalacin de un embalse en el que no hay filtraciones (embalse seco),
y por tanto nicamente produce un aumento de la carga vertical, pero no un aumento de presin de
fluidos. Este aumento de carga vertical puede producir tambin la interseccin del crculo de Mohr de
esfuerzos con la envolvente de la falla geolgica y generar la ruptura, y por tanto, movimientos ssmicos.
c) El tercer caso de ruptura (Fig. 2.3.C) contempla el aumento de la presin de fluidos sobre la falla
debido a la instalacin de un embalse sobre ella. En este caso existira comunicacin entre el agua que
llena el vaso y la del acufero infrayacente, de modo que habra transmisin de la presin de fluidos entre
ambos lquidos. La presin se transmitira hasta la falla, y el esfuerzo normal sobre esta disminuira en
funcin de la presin de fluidos aadida. En el diagrama de Mohr esta situacin se traduce en el
desplazamiento del crculo de Mohr hacia la izquierda, de modo que puede llegar a tocar la envolvente de
Mohr y producirse por tanto el movimiento de la falla. En este caso el efecto es el mismo cualquiera que
sea el tipo de falla sobre el que la presin de fluidos est actuando (es decir, 1 y 3 pueden ser
indistintamente el esfuerzo vertical o el esfuerzo horizontal).
d) El cuarto caso de sismicidad inducida es aquel en el que se unen el efecto de la presin de fluidos que
hemos comentado en el caso anterior y adems un aumento en la carga vertical debido al peso del agua
del embalse. Estos dos efectos combinados hacen que aumente el dimetro del crculo de Mohr
correspondiente al estado de esfuerzos (Fig. 2.3.D), y adems que se desplace hacia la izquierda el
extremo correspondiente al esfuerzo principal menor, de modo que puede llegar a tocar a la envolvente de
Mohr y por tanto producirse la ruptura.
En los cuatro casos descritos hay que tener en cuenta que la escala de la carga ejercida por un embalse es
considerablemente menor que la carga litosttica o los esfuerzos tectnicos a una profundidad de por
ejemplo 5 km, (a esa profundidad la carga vertical ejercida por la roca suprayacente estara en torno a
1500 kg/cm2, mientras que la presin de fluidos ejercida por la carga del agua en un embalse de 100 m de
altura, en caso de no existir perdidas de carga con la profundidad, podra ser como mximo de 10
kg/cm2). Sin embargo, la sismicidad inducida existe como fenmeno, y su explicacin es que la corteza
continental se encuentra sometida a un estado de esfuerzos tal que la sita al borde de la ruptura, y
cualquier perturbacin en ese estado de esfuerzos o en las condiciones de la falla (cambios en la
envolvente de Mohr) son suficientes para facilitar el movimiento de esta.
Conclusiones sobre la sis