Identificación de periodos predominantes e influencia de la profundidad en la respuesta sísmica del suelo en Lima Metropolitana

Abstract

Los registros sísmicos son importantes para la mejora del diseño sísmico, la evaluación de daños y el análisis de los efectos de los sismos. A pesar de la relevancia de contar con redes acelerográficas, su implementación en el Perú se ha realizado recién en los últimos años. Por ejemplo, sólo cinco estaciones en Lima registraron el terremoto de 7,9 𝑀𝑊 de Pisco 2007, mientras que 55 estaciones registraron el sismo de 6,0 𝑀𝑊 de Mala 2021. El número actual de estaciones acelerográficas en la ciudad de Lima ofrece una oportunidad para mejorar la caracterización sísmica del suelo. Por otro lado, existe evidencia empírica de registros de vibración ambiental, analizadas con las técnicas de mediciones puntuales como arreglo de microtremores en ciertos distritos de Lima, los cuales mostraron la influencia de la estructura profunda del suelo en su comportamiento sísmico, ya que se observaron cambios en las funciones de transferencia sucesivas que las hacían semejantes en forma a sus respectivas funciones de transferencia empírica, por ello, resulta necesario analizar estos resultados empíricos incluyendo los nuevos perfiles profundos disponibles. Uno de los objetivos de esta tesis es determinar el período dominante de vibración del suelo (𝑇𝑑) de las estaciones acelerográficas ubicadas en Lima Metropolitana. Para ello, se adoptó el método propuesto por Hassani y Atkinson (2016), que se describe como sigue. Primero se recopiló, para una estación arbitraria, todos los eventos disponibles registrados desde el 2011 al 2021, incluyendo el sismo de 2007 𝑀𝑊 7.9 de Pisco. Luego, se calcularon las pseudo aceleraciones espectrales, usando 5 % de amortiguamiento para cada componente, y se calcularon las relaciones espectrales horizontales y verticales (𝐻/𝑉). Por último, se utilizó la relación espectral de respuesta 𝐻/𝑉 promedio para caracterizar adecuadamente los valores de 𝑇𝑑 mediante un ajuste Gaussiano. En total, se evaluaron 51 estaciones en toda la ciudad de Lima. Se observaron valores de 𝑇𝑑 superiores a 1 𝑠 para las zonas costeras en las que el suelo subyacente consiste en depósitos arcillosos/arenosos y zonas con un importante contraste de impedancia en la parte más profunda. Estos valores disminuyen hacia el centro de la ciudad coincidiendo con los depósitos superficiales de grava. Es importante destacar que en aproximadamente el 24% de los casos no fue posible identificar un valor claro de 𝑇𝑑 debido principalmente a la escasez de información sísmica o al incremento gradual de la rigidez de los depósitos del suelo. Por otro lado, la influencia de la estructura profunda de los suelos es analizada haciendo uso de las funciones de transferencia (FT) sucesivas, en otras palabras, se evalúa la sensibilidad de la FT para distintos niveles de profundidad truncando los perfiles sísmicos profundos disponibles de la técnica de arreglo de microtremores Así, las FT sucesivas de 48 perfiles profundos son comparados con sus respectivas FT de perfiles superficiales MASW y sus espectros 𝐻/𝑉 cercanos. Se evidencian importantes amplificaciones en las FT sucesivas concordantes con el espectro 𝐻/𝑉, las mismas que no siempre están presentes en el perfil superficial. Para caracterizar estas diferencias se usó la función de transferencia promedio (𝐴𝑣𝑇 𝐹) propuesta por Sekiguchi, Calderón, Nakai, Aguilar, y Lazares (2013). Se encuentran menores valores de 𝐴𝑣𝑇 𝐹 cuando se consideran sólo las capas superficiales donde las máximas amplificaciones se dan en el rango de períodos cortos. Por el contrario, los valores de 𝐴𝑣𝑇 𝐹 son mayores cuando se analiza la parte más profunda debido a significativas ratios de impedancia de los estratos más profundos. Finalmente, se observa que el rango de integración de la expresión original de 𝐴𝑣𝑇 𝐹 no caracterizaría apropiadamente perfiles con importantes amplificaciones en períodos largos. En la parte final del presente estudio se analiza la sensibilidad de la 𝐴𝑣𝑇 𝐹. Para ello, se calcula el cociente entre la 𝐴𝑣𝑇 𝐹 del perfil profundo completo y la 𝐴𝑣𝑇 𝐹 del mismo perfil, pero truncado hasta el primer estrato con 𝑉𝑠 ∼ 500 𝑚/𝑠. Este cociente es evaluado para diferentes rangos de integración de las FT (de esta forma se considera el aporte de amplificaciones en el rango de períodos largos) y se compara el resultado con las relaciones espectrales de respuesta 𝐻/𝑉 de estaciones acelerográficas cercanas. Se identificaron en total 8 pares conformados por una estación y un perfil profundo. Las gráficas de sensibilidad revelan que el 87 % de los pares analizados demuestran una clara influencia de la estructura del suelo. Esto se evidencia en la importante correspondencia entre las gráficas de sensibilidad de los perfiles sísmicos profundos y los períodos dominantes largos (𝑇𝑑) identificados en los espectros 𝐻/𝑉. En otras palabras, estos estratos profundos caracterizan las propiedades vibracionales de la subestructura profunda del perfil de suelo donde fueron obtenidos al tener correspondencia con los 𝑇𝑑 identificados del procesamiento de vibraciones reales de terreno como son los sismos.

Strong motion records are important for the improvement of seismic design, damage assessment and analysis of earthquakes effects. Despite the relevance of having strong motion networks, their implementation in Peru has been performed in the very recent years. For instance, only five strong motion stations in Lima recorded the 2007 𝑀𝑊 7.9 Pisco earthquake, whereas 55 stations recorded the 2021 𝑀𝑊 6.0 Mala earthquake. The current number of instrumentation in Lima city provides an opportunity to improve soil characterization. On the other hand, there is empirical evidence of ambient vibration records, analyzed with the techniques of single point microtremor observation and microtremor arrays in certain districts of Lima, which showed the influence of the deepest soil structure in its seismic behavior, since changes were observed in the successive transfer functions (TF) that made them similar in shape to their respective empirical TF (i.e. 𝐻/𝑉), therefore, it is necessary to analyze these empirical results including the new deep profiles available. One of the objectives of this thesis is to determine the dominant period of ground vibration (𝑇𝑑) of the accelerographic stations located in Metropolitan Lima. For this purpose, the method proposed in Hassani y Atkinson (2016) was adopted, which is described as follows. First, all available events recorded from 2011 to 2021, including the 2007 𝑀𝑊 7.9 Pisco earthquake, were collected for an arbitrary station. Then, spectral pseudo spectral accelerations, using 5 % damping for each component were computed, and the horizontal-to-vertical (𝐻/𝑉) spectral ratios were calculated. Finally, the average 𝐻/𝑉 response spectral ratio was used to properly characterize the 𝑇𝑑 values using a Gaussian fit. In total, 51 stations were evaluated throughout the city of Lima. Values of 𝑇𝑑 greater than 1 𝑠 were observed for coastal areas where the underlying soil consists of clay/sandy deposits and areas with significant impedance contrast at the deepest part. These values decrease towards the center of the city coinciding with shallow gravel deposits. It is important to highlight that in approximately 24 % of the cases it was not possible to identify a clear value of 𝑇𝑑 mainly due to the scarcity of seismic information or to the gradual increase of the stiffness of the soil deposits. On the other hand, the influence of the deep soil structure is analyzed by making use of sequential TF, in other words, the sensitivity of the TF for different depth levels is evaluated by truncating the deep seismic profiles available from the microtremor array technique. Thus, sequential TF of 48 deep profiles are compared with their respective TF of shallow MASW profiles and their nearby 𝐻/𝑉 spectra from single point microtremor observation technique. Significant amplifications are evidente in the sequential TF’s consistent with the 𝐻/𝑉 spectra, which are not always present in the shallow profile. To characterize these differences we used the average transfer function (𝐴𝑣𝑇 𝐹) proposed by Sekiguchi et al. (2013). Thus, lower values of 𝐴𝑣𝑇 𝐹 are found when considering only the surface layers where the maximum amplifications occur in the short-period ranges. On the contrary, the values of 𝐴𝑣𝑇 𝐹 are higher when the deeper part is analyzed due to significant impedance ratios of the deeper strata. Finally, the range of integration of the original 𝐴𝑣𝑇 𝐹 expresión would not properly characterize profiles with significant amplifications at long periods. In the final part of the present study, the sensitivity of the 𝐴𝑣𝑇 𝐹 is analyzed. For this purpose, the ratio between the 𝐴𝑣𝑇 𝐹 of the complete deep profile and the 𝐴𝑣𝑇 𝐹 of the same profile, but truncated up to the first stratum with 𝑉𝑠 ∼ 500𝑚/𝑠, is calculated. This ratio is evaluated for different integration ranges of the TFs (thus considering the contribution of amplifications in the long-period range) and the result is compared with the 𝐻/𝑉 response spectral ratios from nearby accelerographic stations. A total of 8 pairs consisting of a station and a deep profile were identified. The sensitivity graphs demonstrate the influence of the soil structure on the 87 % pairs, since they present an important match between the sensitivity graphs of the deep seismic profiles with indirect explorations up to seismic rock and the identified long 𝑇𝑑 from the 𝐻/𝑉 response spectral ratio. In other words, these deep layers would adequately characterize the vibrational properties of the deep bstructure of the soil profile where they were obtained by matching the 𝑇𝑑 identified from the analysis of real ground vibrations, i. e., earthquakes.