Metodología avanzada basada en zonificación sísmica para evaluar y manejar la sismicidad en obras subterráneas

El proyecto SYOS, de colaboración entre la empresa española OSSA y la pyme peruana Subterra Ingeniería SAC y cofinanciado por Fondecyt y CDTI pretende el desarrollo de una nueva metodología avanzada basada en zonificación sísmica para evaluar y manejar la sismicidad en obras subterráneas, con la que se podrá obtener un conocimiento detallado de la amenaza sísmica existente a lo largo del trazado de túneles que discurren por zonas sensibles a este tipo de desastres, y en consecuencia, permitirá desarrollar las medidas de mitigación y protectoras específicas para cada caso a través de su integración en una herramienta informática.

Foto 1. Instalación del instrumento de medida en el túnel de la CH Hidromanta - Perú.

Con cierta recurrencia, tanto en Perú como en España, se producen eventos sísmicos de intensidad considerable y a los cuales no es posible datar cuándo acontecerá el próximo. Por tanto, actuaciones como las desarrolladas en este proyecto buscan contribuir a identificar la ubicación de las zonas o secciones de las obras subterráneas más vulnerables y la magnitud del probable sismo, lo que implica disponer de una información de gran importancia con la que será posible desarrollar las medidas de mitigación, prevención y protección más óptimas para cada caso. En resumen, con esta metodología, por una parte, se pretende mejorar los métodos para las evaluaciones de pronóstico de riesgo sísmico y el manejo de las medidas de mitigación y protección con las que sea posible reducir este tipo de riesgo sobre las obras subterráneas en zonas sensibles, y por otra parte incorporar dichos métodos en los procesos de decisión en las fases de planificación, ejecución y rehabilitación o mantenimiento de túneles, minas o cavernas hidroeléctricas, con los que será posible reducir la vulnerabilidad de las obras subterráneas y en consecuencia aumentar la protección de las personas.

Foto 2. Túnel de la CH Hidromanta - Perú.

El desarrollo de una metodología que utilice los datos de campo y cree un modelo para evaluar la afección de un túnel en un evento sísmico requiere elaborar una lista de procesos previos que permitan la obtención de un modelo similar para un terreno de características litológicas parecidas. Se va a elaborar una lista de los procesos necesarios y se expondrá brevemente el propósito de cada uno.

El procedimiento de toma de datos es fundamental para la obtención de un modelo acorde con las características del terreno. La toma de datos en campo se dividirá en dos ramas: en los datos adquiridos para caracterizar el terreno y los que son adquiridos mediante instrumentos de medida que, en este caso, serán los geófonos.

Los datos de caracterización del terreno comprenden la utilización del GSI y del RMR. El uso de esto implica conocer la calidad in situ del macizo rocoso, la litología, presencia de discontinuidades, tamaño de bloques, entre otros. A través de este índice se pueden determinar los parámetros deformacionales del macizo rocoso, que son los que influyen en la propagación de ondas. Estos parámetros serán el coeficiente de Poisson (v) y el Módulo de Deformación (Em) principalmente. Sin embargo, parámetros intrínsecos como la densidad de la roca y otro como la profundidad del túnel son también necesarios de obtener mediante una campaña de toma de datos de campo.

Con el objetivo de tomar información sísmica de la zona en estudio, se utilizan dos técnicas para la obtención de datos sísmicos. Una de ellas es la consulta a las bases de datos del USGS, el cual proporciona información valiosa de la localización del epicentro, magnitud del sismo, aceleración horizontal máxima y velocidad máxima. Estos datos serán luego usados para el análisis del riesgo.

Por otro lado, se contempla el uso de geófonos para una toma de datos más precisa y robusta. Este dispositivo se ubicará dentro del túnel y tendrá la función de recolectar información en continuo que será después procesada para obtener información acerca de tiempos y velocidades de propagación, pudiendo prescindir de los datos proporcionados por el USGS. Será necesario procesar esta información recolectada y extraer los parámetros que interesan para llevar a cabo la caracterización de la onda de propagación.

Foto 3. El proyecto SYOS pretende el desarrollo de una nueva metodología avanzada basada en zonificación sísmica para evaluar y manejar la sismicidad en obras subterráneas.

2.1 Obtención de los parámetros de propagación de onda en un medio

Al completar la campaña de toma de datos en campo, se debe continuar con el procesamiento de los datos de caracterización del macizo, haciendo especial énfasis en la obtención de parámetros deformacionales que nos permitan caracterizar el medio donde se propagará la onda de un sismo. A pesar que para la explicación que contempla el uso de una metodología directa para calcular la velocidad de propagación, es posible también utilizar métodos indirectos para el cálculo de la misma. Estos métodos se encuentran descritos, aunque carecen de la precisión que tienen los métodos directos, son también válidos para casos de túneles ubicados a poca profundidad.

La metodología que se sigue para la obtención de los parámetros se encuentra explicada en el epígrafe 1.8 Estudio de los efectos de la acción sísmica. Siguiendo la metodología citada en el informe, es posible obtener los parámetros deformacionales y de caracterización de propagación de la onda sísmica. En suma, los parámetros necesarios para la creación del modelo serán los siguientes:

• Shear wave velocity (Vs)
• Índice de Plasticidad (IP)
• Módulo de deformación (Em)
• Coeficiente de Poisson (v)
• Densidad
• Magnitud del momento sísmico (Mw)
• Grado de consolidadción (OCR)
• Profundidad del túnel (m)

Estos datos obtenidos serán utilizados para completar el siguiente paso que consiste en calcular la deformación del túnel al someterlo a condiciones sísmicas. Sin embargo, para la generación de un modelo que represente la respuesta ante el sismo, será necesario incorporar las propiedades de sostenimiento del túnel. Estas propiedades serán los parámetros que representarán la resistencia del túnel en caso de sismos. Con el fin de contar con un modelo que refleje de manera fidedigna la calidad del sostenimiento se deberá recopilar información acerca de los siguientes parámetros:

• Espesor de shotcrete
• Módulo de Young del sostenimiento
• Coeficiente de Poisson
• Momento de Inercia

2.2 Metodología para la evaluación del riesgo

La evaluación del riesgo parte de los datos calculados inicialmente por la aplicación. Estos datos obtenidos serán el punto de partida para la evaluación del riesgo en una etapa posterior mediante la elaboración de un Índice de Vulnerabilidad. Los valores calculados por la aplicación son introducidos en un modelo numérico (se han empleado modelos con software Midas GTS NX y Phase2) que considera el sostenimiento como una serie de elementos viga. Es decir, como elementos que solo consideran carga en sus extremos, sin considerar peso alguno del material.

Mediante esta consideración con fines de facilitar los cálculos, se obtendrán los siguientes datos:

• n_F que simboliza el número de elementos que presentan fallas, usando el máximo valor de magnitud de momento esperado para la zona.
• n_T que simboliza el número total de elementos de la sección.

Figura 3. Ejemplo de obtención de esfuerzos en clave y hastiales para una sección concreta, con cuya interpretación obtenemos n_F y n_T.

• MMax que representa el máximo valor de magnitud de momento esperado para la zona.
• MMaxNF que representa el máximo valor de la magnitud de momento que no produce falla en los elementos estructurales.

Una vez obtenidos estos datos, se procederá con el cálculo del Índice de Riesgo Sísmico. Se debe recordar que la obtención de este índice forma parte del análisis posterior que se propone con el fin de reconocer y elaborar informes acerca de los potenciales riesgos a la seguridad que se presentan dentro del túnel. Así como información importante del comportamiento del túnel frente a la deformación causada por un sismo.

La fórmula para el cálculo del Índice de Riesgo Sísmico (IRS) es:

Este valor IRS representa un porcentaje acerca de la cantidad de elementos estructurales que podrían fallar al momento de suscitarse una fuerza externa, en este caso un sismo. Esto por supuesto referente a una progresiva o en un tramo del túnel en específico, por lo que gracias a esta información sería posible identificar esa zona como una zona de peligro. Así, los valores del índice, al representar un porcentaje, no indican directamente al elemento que puede fallar en una determinada progresiva, sino que hace referencia al sostenimiento de esa zona como un elemento único e indica su capacidad portante frente a un sismo.

Este índice se emplea directamente para el mapeo y zonificación sísmica del tramo de túnel analizado, como se muestra en el siguiente apartado.

El objetivo final del Proyecto desarrollado perseguía no sólo la obtención de una nueva metodología para el cálculo de riesgo sísmico, sino una manera sencilla y ágil de implantarla para motivar su empleo en la compañía y en aquellos terceros interesados. Ello permitiría tener concentrada la información necesaria en una sencilla herramienta con acceso a datos de sismos on line, cálculo de los principales parámetros y salida gráfica de informes de resultados.

A continuación se muestra brevemente la herramienta desarrollada y sus principales funcionalidades.

3.1 Geoposicionamiento de las obras

La herramienta SYOS representa en primer lugar la posición terrestre en la que se realizaron las obras pertenecientes a la base de datos. La aplicación permite distintos tipos de visualización del terreno para facilitar la correcta interpretación de los resultados, así como la visualización de obras cercanas ya realizadas a la zona de interés, que permita inferir similitudes entre proyectos en cuanto a factores constructivos o de riesgo sísmico.

3.2 Datos del terreno

Una vez ubicada la localización de la obra, existen dos métodos en la aplicación que nos permiten inferir los posibles valores de los índices PGA y PGV, ambos dependientes de las características intrínsecas al terreno y la magnitud del sismo:

• La aplicación SYOS está conectada con el servicio de información geológica estadounidense (USGS) y su base de datos sobre vibraciones sísmicas. Una vez seleccionada en la aplicación SYOS la ubicación del proyecto objeto de estudio, ha de introducirse además de un periodo de tiempo concreto, un radio de influencia de las ondas sísmicas al proyecto de interés para el cuál la aplicación nos reporta los vibraciones que han tenido lugar en el plazo y zona determinadas, junto a los valores característicos de las ondas sísmicas, aceleración, velocidad e isolineas de estos parámetros que nos indican los radios y grado de influencia registrados.
• La selección de valores representativos de velocidad y aceleración para el proyecto también se puede realizar en función de datos históricos en la zona seleccionando los valores PGV y PGA de los sismos históricos manualmente. Introducidos manualmente estos valores la aplicación nos devolverá de nuevo los registros sísmicos recogidos dentro los parámetros seleccionados (plazo, distancia a la obra objetivo, valores PGA y PGV).

3.3 Geometría y sostenimientos

Para el desarrollo y un eficaz uso de la aplicación, se elabora una base de datos referente a las obras realizadas y sus parámetros constructivos.

Se establecen para cada P.K. de cada obra los parámetros necesarios para definir la rigidez de los materiales sobre los cuales es realizada la obra, y la propia rigidez de los elementos de sostenimiento. Estos criterios son:

• Referidos al terreno: tipo de terreno, densidad, módulo de Young y coeficiente de Poisson. Para introducir el Tipo de Suelo se ha empleado la tabla de acuerdo al Eurocódigo 8 (EC8, 3.1.2 Tabla 3.1).
• Referidos al sostenimiento: tipo de sostenimiento, espesor de sostenimiento, módulo de Young, coeficiente de Poisson y máximos esfuerzos sufridos por el túnel.

3.4 Evaluación del riesgo

Con el objetivo de tener caracterizado el riesgo sísmico a lo largo del túnel y en función de las secciones tipo que alberga este, se emplea el Índice de Riesgo Sísmico.

Este índice se utiliza para determinar una distorsión angular en campo libre, con la que se recalcula los esfuerzos a los que el túnel está sometido, y la respuesta de este. Este índice es función de la velocidad máxima de partícula (V_s) y la velocidad efectiva de la onda de corte (C_SE):

Una vez conocidas las distorsiones angulares máximas, se relacionan estas con los momentos máximos generados en la estructura, observando que según la relación entre ambas quedan dos zonas diferenciadas, tramos estables y aquellos que no lo son en función del factor de seguridad aplicado.

Se establece de este modo como Índice de Riesgo Sísmico ya citado anteriormente:

3.5 Zonificación sísmica del emplazamiento

En función de todos los datos descritos anteriormente la aplicación SYOS grafica el IRS de cada tramo de túnel, pudiendo exportar directamente en diferentes formatos un informe con los resultados obtenidos. Se establecen tres niveles de riesgo (bajo, medio y alto) para los que se recomiendan una serie de acciones preventivas correspondientes a cada nivel de riesgo.

En el presente artículo se han repasado las principales características del proyecto de I+D realizado en cooperación entre las empresas Subterra Ingeniería SAC y Obras Subterráneas S.A., cofinanciado por Fondecyt-CDTI a través de un programa bilateral Iberoeka.

En este proyecto se ha desarrollado una metodología recogiendo los avances existentes en este campo y unificando los criterios que se han creído más apropiados para el caso de obras subterráneas y destacando el comportamiento de la interacción entre terreno-estructura.

Se ha seguido una modelización mediante software de elementos finitos, en la que se ha representado la excavación y se ha aplicado una desangulación sísmica, empleando los parámetros facilitados por la herramienta con los input definidos (datos del registro sísmico mediante geolocalización y datos geotécnicos y estructurales). Con el resultado de dicha modelización se ha diseñado un Índice de Riesgo Sísmico que es aplicado para la zonificación sísmica de la traza del túnel, representada con los diferentes puntos kilométricos que han sido definidos.

La herramienta ha sido testada con datos reales recopilados en sendos emplazamientos en Perú y en España procediendo a su validación y mejora.

Referencias

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