Características de las fuentes sismogénicas principales en la región de estudio

Cabe destacar que los registros obtenidos de sismos pasados en Argentina no son suficientes para ser usados en el desarrollo de curvas de fragilidad para puentes. En general se dispone de muy poca información de esta clase, especialmente en regiones como la nuestra donde ocurren pocos terremotos fuertes y es difícil registrarlos por la baja densidad del instrumental de registro (^{Castano, 1992}). Por lo tanto, se recurrirá a movimientos del terreno registrados en otras regiones que tienen similares mecanismos de falla y potencial sísmico respecto del centro-oeste argentino.

Los grandes terremotos de la región de estudio se han caracterizado por estar asociados a fallas activas que se encuentran próximas a importantes centros urbanos. La sismicidad está relacionada con terremotos superficiales intraplaca o corticales que dan origen a sismos tipo impulsivos o de fuente cercana como los registrados para el terremoto de Mendoza de 1985 (M=5.9) y San Juan 1977 (M=7.4) (^{Frau y Saragoni, 2005}). Hay un predominio de fallas tipo inversas (^{Frau y Saragoni, 2005}), aunque también existen fallas de desplazamiento de rumbo, ambas constituyendo fuentes sísmicas potenciales (^{Castano, 1992}). Dichas fuentes potenciales de la actividad sísmica superficial se ubican en figura 2. Puede apreciarse el alineamiento de importantes fallas con los centros urbanos más densamente poblados. Nótese la situación de la ciudad de San Juan respecto de la falla “Precordillera Oriental” y la ciudad de Mendoza respecto de la falla “Cerro La Cal”.

Figura 2 Ubicación de fuentes sismogénicas potenciales del centro-oeste argentino (^{Castano, 1992}) 

En la tabla 1, se resumen las características fundamentales de dichas fuentes sísmicas potenciales. Se destacan por su ubicación, magnitud y recurrencia las fallas de La Punilla-La Bolsa (Ms=7.6, 900 años), el Tigre (Ms=7.8, 1250 años), Precordillera Oriental (Ms=7.5, 400 años), Cerro La Cal (Ms=7.0, 1300 años), Barrancas (Ms=7.0, 600 años) y Tupungato (Ms=7.0, 1000 años). Asimismo, las zonas identificadas como Sureste San Juan (Ms=6.0, 200 años) y Noreste Mendoza (Ms=6.0, 200 años).

Herramienta utilizada para la selección. Definición de espectros objetivos

Según ^{Huang et al. (2017)}, muchos estudios han resaltado la importancia de alcanzar un espectro objetivo en los procesos de selección y modificación de registros de movimientos del terreno, por ejemplo, el trabajo de ^{Bommer y Acevedo (2004)}. Se entiende por espectro objetivo, aquel al que deben aproximarse cada uno de los espectros de los registros seleccionados. Estos espectros objetivos se pueden obtener por medio de análisis de amenaza sísmica por la vía determinística, probabilística, o bien a partir de los brindados en los códigos de diseño sísmico. Este último, será el camino a seguir en este estudio.

Siguiendo a ^{Huang et al. (2017)}, hay diversos algoritmos de selección de movimientos del terreno disponibles en la literatura (^{Baker, 2010}; ^{Jayaram et al., 2011}; ^{Wang, 2011}). Una de las herramientas propuestas más versátiles lo constituye la aplicación web de la base de datos de movimientos del terreno del PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center’s) - Next Generation Attenuation (NGA). La misma permite seleccionar una serie de registros modificados (multiplicados por factores de escala) sobre la base de compatibilizar la forma espectral de cada uno de los registros respecto del espectro objetivo. En el proceso de selección, también se toman en consideración parámetros tales como la magnitud del sismo, tipo y distancia a la falla, características del sitio, duración y presencia de pulsos de velocidad en el caso de registros de fuente cercana (^{Wang et al., 2015}). Esta base de datos, que contiene 3551 registros en las tres componentes de 173 sismos intraplaca (^{Chiou y Youngs, 2008}), constituirá la fuente para seleccionar los acelerogramas en este estudio. En la figura 3 se ofrece una vista de esta especie de formulario electrónico correspondiente a la aplicación web del PEER - NGA (http://www.ngawest2.berkeley.edu). Mayores detalles sobre el uso de esta aplicación web pueden consultarse en el correspondiente Manual del Usuario (^{PEER, 2010a}).

Figura 3 Aplicación web de la base de datos del PEER-NGA 

Mediante la utilización de la herramienta presentada se obtendrán dos series de movimientos sísmicos. Cada serie se corresponde a dos niveles distintos de amenaza sísmica, expresados como la probabilidad de excedencia del movimiento sísmico durante la vida útil promedio de los puentes, considerada de 75 años según ^{AASHTO (2018)}. Ver tabla 2.

Estos dos niveles de amenaza sísmica también fueron tomados en consideración en otros estudios, de manera de proveer acelerogramas para ulteriores análisis estructurales. Por ejemplo, en el estudio llevado a cabo para el área de Seattle (^{SAC, 1997}). Asimismo, en el correspondiente a la zona central y sudeste de los Estados Unidos, Ciudades de Memphis, Carbondale y St. Louis (^{Wen y Wu, 2001}). También, en aquel realizado para un conjunto de localidades en Canadá, conforme al espectro de riesgo uniforme dado por el Código de diseño de edificaciones (^{Atkinson, 2009}). Igualmente, en el inherente a los movimientos específicos de sitio para Oakland, California (^{Baker et al., 2011})

Para cada una de las series de registros, se consideraron también las distintas clases de sitio fijadas en el Reglamento Argentino para Construcciones Sismorresistentes, Parte VI Puentes de Hormigón Armado (^{INPRES-CIRSOC 103, 2019}). Allí se establecen, para cada una de dichas clases, los rangos de la velocidad media de la onda de corte en los 30 metros superiores del terreno (V_s30), los cuales representan un indicador de la condición de sitio. Ver tabla 3.

El Reglamento anteriormente citado (^{INPRES-CIRSOC 103, 2019}), que está basado en las especificaciones AASHTO para el diseño sísmico de puentes (^{AASHTO, 2011}), ofrece los distintos parámetros del espectro de diseño conforme a las distintas clases de sitio y zonas de peligrosidad sísmica. Dicho espectro se corresponde con el denominado sismo de diseño, para un periodo de retorno de aproximadamente 1000 años.

Para la obtención de los espectros de diseño de las series 1 y 2, que constituyen los espectros objetivos para la búsqueda de registros, se empleará el criterio de aplicar factores de reducción y amplificación, respectivamente, sobre los espectros de diseño obtenidos según lo indicado en el párrafo anterior. En este sentido se tuvieron en consideración distintos estudios que se tomaron como referencia. Tal el caso de “Espectros sísmicos de riesgo uniforme para verificar desempeño estructural en países latinoamericanos” (Aguiar Falconi, 2003), en el que se presenta una propuesta para encontrar formas espectrales para los sismos denominados como frecuente, ocasional, raro y muy raro, según el comité VISION 2000. Así, por ejemplo, las ordenadas espectrales del sismo de 1000 años de recurrencia, muy raro, se obtienen de multiplicar por 1.3 las del de 500 años, raro. A su vez, en la normativa para la Rehabilitación Sísmica de Edificios de la Agencia Federal de Gestión de la Emergencia de los Estados Unidos (^{FEMA 356, 2000}) se establece que las ordenadas espectrales correspondientes a una amenaza sísmica con periodo de retorno de 500 años, sismo de diseño en edificaciones, equivalen a 2/3 de las correspondientes a 2500 años, sismo máximo considerado. Por ende, aplicando este criterio, los espectros para 2500 años pueden obtenerse de multiplicar por 1.5 las ordenadas espectrales del de 500 años. Por otro lado, en el Manual de Evaluación y Rehabilitación Sísmica de Puentes de la FHWA (^{Buckle et al., 2006}) se establecen para distintas ciudades de California relaciones entre las ordenadas espectrales que corresponden al periodo de retorno de 2500 años con respecto a las de 500 años, para periodo corto (0.2 s) y periodo largo (1 s). En ambos casos estas relaciones oscilan entre 1.2 y 1.7. Por su parte, en el trabajo sobre “Perfil de Riesgo de Desastres para Argentina”, elaborado por el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería -CIMNE- (^{Cardona et al., 2016}), en el apartado evaluación probabilista del riesgo sísmico, se brindan espectros de amenaza uniforme para diferentes periodos de retorno para algunas ciudades ubicadas en zonas la elevada y muy elevada peligrosidad sísmica del territorio nacional, entre ellas Mendoza y San Juan. Analizando los espectros para dichas ciudades, se obtuvo, en promedio, una relación de aproximadamente 1.57 entre las ordenadas espectrales correspondientes a los dos periodos de retorno, 2500 y 500 años. Tal relación se halla muy próxima a la establecida en ^{FEMA 356 (2000)} y está dentro del rango establecido en FHWA (Buckle et al., 2006). Finalmente, dada la mayor pertinencia, operando con resultados del estudio citado del CIMNE (^{Cardona et al., 2016}) se obtuvieron los coeficientes buscados: 1.24 para la relación promedio entre las ordenadas espectrales correspondientes a 1000 años de recurrencia respecto de las de 500 y 1.27 para la relación entre las ordenadas de 2500 años respecto de las de 1000. También puede apreciarse la proximidad entre el primer coeficiente, 1.24, respecto del derivado de la propuesta de Aguiar Falconí, 1.30.

Por último, considerando las zonas sísmicas 3 y 4 (elevada y muy elevada peligrosidad, respectivamente) conforme a lo establecido en la Parte I del Reglamento Argentino de Construcciones Sismorresistentes (^{INPRES CIRSOC 103, 2018}), con las cinco clases de sitio para cada una de ellas según ^{INPRES CIRSOC 103 (2019)}, se tienen diez espectros para cada uno de los dos niveles de amenaza sísmica. Lo que hace un total de veinte espectros objetivos para la búsqueda. En el mapa de la figura 4 se indica la zonificación sísmica de la república Argentina. A modo ilustrativo, en figuras 5 y 6 se ofrecen los espectros que corresponden a la zona sísmica 4, para las cinco clases de sitio y con niveles de amenaza sísmica de 500 y 2500 años respectivamente.

Figura 4 Zonificación sísmica de la República Argentina (^{INPRES CIRSOC 103, 2018}) 

Figura 5 Espectros elásticos para zona sísmica 4 y nivel de amenaza sísmica de 500 años de recurrencia 

Figura 6 Espectros elásticos para zona sísmica 4 y nivel de amenaza sísmica de 2500 años de recurrencia 

Criterios adoptados para la búsqueda de acelerogramas

Según se mencionó, además de los espectros objetivos, para orientar la búsqueda son requeridos parámetros sismológicos de entrada, tales como rangos de Magnitud y Distancia, entre otros. Respecto de ello, es importante destacar que dada la ausencia de un estudio de desagregación de la amenaza sísmica para la región de interés, mediante el cual se determinen las contribuciones predominantes de magnitud y distancia, se toman en consideración los resultados de estudios llevados a cabo en regiones tectónicas similares, con terremotos intraplaca o corticales. Tal el caso de los estudios para Canadá (^{Atkinson, 2009}) y Estados Unidos (Harmsen y Frenkel, 2001). Tanto en estos trabajos, como en el Manual de Rehabilitación Sísmica de Puentes FHWA (^{Buckle et al., 2006}) y en las disposiciones de FEMA (^{FEMA P-751, 2012}), se establece que sismos cercanos de pequeña a moderada magnitud dominan en el rango de periodos cortos del espectro, en tanto que sismos distantes y de gran magnitud prevalecen en el rango de periodos largos.

En el estudio de ^{Atkinson (2009)} para lugares del Este de Canadá, se toman en consideración Magnitudes momento de 6, con rangos de distancia entre 10 y 30 km, y de 7, con distancias entre 15 y 100 km. En tanto que para el oeste, una Magnitud de 6.5 con distancias entre 10 y 30 km y otra magnitud de 7.5, con distancias entre 15 y 100 km.

Asimismo, merece citarse el trabajo de ^{Rix y Fernandez (2004)}, en el cual se generaron sismos artificiales para la ciudad de Memphis, Tennessee. Allí se conformaron duplas de Magnitud momento (Mw) - Distancias (R), mediante la combinación de los siguientes valores asumidos para tales parámetros: Mw: 5.5, 6.5, 7.5 y R: 10 km, 20 km, 50 km, 100 km.

En atención a las características fundamentales de las fuentes sísmicas potenciales localizadas en la región de estudio (ver Figura 2 y Tabla 1), el rango de magnitudes para la búsqueda de registros será adoptado entre 6 y 7.8. En tanto para las distancias, se tomarán los valores entre 1 km y 100 km, rango que cubre las fuentes cercanas a intermedias. Esto se hizo con motivo de que las distancias mayores, correspondientes a fuentes lejanas, afectan a las estructuras de periodo largo, las cuales están fuera del alcance de este estudio. Esto se constató en el estudio de ^{Atkinson (2009)} donde, para zonas de subducción en el oeste (Cascadia), se simuló un evento de Magnitud 9 con rangos de distancia de 100 a 200 km, dando como resultado acelerogramas de gran duración y con rico contenido de energía para periodos grandes.

Otro parámetro para la búsqueda lo constituyen los tipos de falla. En este caso se indicarán fallas inversas y de rumbo, ya que ambas constituyen fuentes sísmicas potenciales según se señaló.

En relación a la velocidad media de la onda de corte en los 30 metros superiores del terreno (V_s30), se ingresarán los rangos de valores presentados en Tabla 3, en función de la clase de sitio asumida.

El factor de escala es otro de los puntos clave en la entrada de datos para la selección de movimientos del terreno. Diversas investigaciones previas mostraron que el inapropiado escalado de un registro podía llevar a estimaciones sesgadas de la respuesta estructural (^{Luco y Cornell, 2007}). Por ejemplo, si se aplica un excesivo rango de valores para los factores de escala, la serie de registros seleccionados podría resultar en una distribución marcadamente sesgada respecto de otras características de los movimientos del terreno, tales como la Duración y la Intensidad de Arias, las cuales no pueden ser representadas por el espectro objetivo. Por lo tanto, para el procedimiento de selección, en este trabajo asignamos un rango estrecho para los factores de escala, entre 0.4 y 2.5 según las recomendaciones de ^{Wang et al. (2015)} (^{Huang et al., 2017}).

Otro aspecto decisivo, es la definición del rango de periodo de significancia estructural en el cual se debe verificar el mejor ajuste entre las ordenadas espectrales de los registros obtenidos respecto del espectro objetivo. La medida cuantitativa usada en la aplicación web para este propósito es el error cuadrático medio de la diferencia entre las citadas ordenadas espectrales. En el siguiente apartado se darán detalles sobre la obtención de este rango de periodos.

Para tener un panorama completo, se realizaron dos grandes instancias de búsqueda. En la primera se especificó como criterio adicional, la condición de diez registros del tipo no impulsivo, mientras que en la segunda, otros diez registros solo del tipo impulsivo. Este último criterio, se adoptó para disponer en la muestra total de un número suficiente de registros con pulsos de velocidad.

Como resultado, se obtuvo una muestra total de 274 registros, de los cuales 116 son del tipo impulsivo. A través de un proceso de clasificación y selección, que se explicará en el siguiente apartado, se obtendrán distintas series de registros, lo cual constituye el propósito de este estudio.

Criterios adoptados para la selección final de conjuntos de acelerogramas por clase de sitio

Según ^{Avsar (2009)}, la aceleración máxima a que un puente es expuesto durante un sismo puede determinarse a partir de la ordenada del espectro elástico de respuesta que corresponde a su periodo fundamental. La máxima aceleración es proporcional a la fuerza sísmica impuesta, así como al daño sísmico que los puentes pueden experimentar. Por lo tanto, la aceleración espectral correspondiente al periodo fundamental del puente puede considerarse como una buena medida de intensidad para la estimación del daño sísmico. No obstante, los efectos de los modos más altos y el aumento del periodo fundamental a consecuencia de la respuesta inelástica de la estructura ejercen a su vez marcada influencia sobre el nivel de aceleración en los puentes. Esto lleva a la hipótesis de que no es conveniente considerar solamente un periodo para calcular la aceleración espectral. Más aún, las curvas de fragilidad son desarrolladas para distintas tipologías de puentes cuyos periodos fundamentales varían dentro de un rango determinado. Por lo tanto, será más razonable considerar un rango de periodos sobre el espectro de respuesta en lugar de tratar simplemente con un único valor de periodo. En tal sentido, se establece una magnitud que tiene en cuenta este aspecto. Se trata de la Intensidad de Aceleración Espectral (ASI por sus siglas en ingles), definida como el área bajo el espectro de respuesta elástico con 5% de amortiguamiento entre de los periodos límites T_i y T_f, cuyo valor puede calcularse usando la ecuación (1).

donde T_i y T_f son definidos como los periodos inicial y final, respectivamente, a ser usados en el cálculo de ASI. Una representación gráfica de esta magnitud se ofrece en la figura 7.

Figura 7 Intensidad de Aceleración Espectral ASI (^{Avsar, 2009})  

Se pretende avanzar sobre el desarrollo de las curvas de fragilidad para dos clases de puentes identificadas como de “Vigas de Hormigon Simplemente Apoyado y de Tramos Multiples” y “Vigas Cajón de Hormigón Continua de Tramos Múltiples”, según el estudio citado en la introducción (^{Saracho et al., 2016}). Los análisis modales realizados en puentes típicos de estas dos clases ubicados en la provincia de Mendoza dieron como resultado periodos fundamentales de 0.9 s y 1.25 s, respectivamente. Por otro lado, según prescripciones de ^{ASCE/SEI 7-10 (2010)}, el rango de periodos a considerar para realizar el escalado de acelerogramas va desde 0.2T a 1.5T, donde T es el periodo del primer modo de vibración de la estructura. Tal como se señaló, el límite superior de 1.5T toma en consideración el aumento del periodo por acción inelástica, mientras que el umbral inferior (0.2T) trata de capturar los efectos de los modos superiores. Para el cálculo de T_i, ecuación (2), se empleará el periodo citado de menor valor: 0.9 s, en tanto que para T_f, ecuación (3), el mayor: 1.25 s.

Siguiendo a ^{Avsar (2009)}, de acuerdo a ^{Dhakal et al. (2006)}, usando un gran número de registros seguramente se incrementará notablemente la cantidad de análisis a ejecutar antes de llegar a alguna conclusión importante y, asimismo, no necesariamente se logrará enriquecer el resultado final. Otro problema aparejado al hecho de utilizar numerosos registros sin haber pasado por algún criterio racional de selección, lo constituye la muy probable desigual distribución de las medidas de intensidad sísmica (PGA). Con ello, los puntos para la obtención de las curvas de fragilidad procedentes de los resultados de los análisis estructurales pueden llegar a acumularse para ciertas medidas de intensidad sísmica (PGA), lo cual afectará la confiabilidad de las curvas de fragilidad en un sentido negativo. Con esta premisa en mente y asimismo por consideración de la clase de sitio, zonas de peligrosidad sísmica y niveles de amenaza sísmica, en el presente trabajo se arribará a distintas series de registros, surgidas de entre los 274 obtenidos en principio.

En virtud de la correlación existente entre el daño sísmico provocado en puentes y la magnitud ASI, una primera consigna para la selección de los registros sería la de descartar aquellos con más pequeños niveles de ASI para valores de PGA del mismo orden. Además de esto, el criterio que primó fue el hecho de tener una cantidad relativamente uniforme de registros en los distintos rangos de PGA y asimismo, contar con cierto número de sismos de tipo impulsivo, o de fuente cercana. Esto último surge de las recomendaciones efectuadas en ^{NEHRP Consultants Joint Venture (2011)} para el diseño de edificaciones en cercanía de fallas activas, como las existentes en la región de estudio. Todo lo señalado se dirimió por inspección visual de los registros volcados en un gráfico PGA versus ASI, tal como se hizo en ^{Avsar (2009)}. Según se adelantó, esta operación se realizará discriminando tanto la clase de sitio, zonas de peligrosidad sísmica, como así también los dos niveles de amenaza sísmica involucrados.