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.

Seismic recordings are important for improving seismic design, damage assessment, and analysis of earthquake effects. Despite the relevance of having accelerographic networks, their implementation in Peru has only been carried out in recent years. For example, only five stations in Lima recorded the 7.9 MW Pisco 2007 earthquake, while 55 stations recorded the 6.0 MW Mala 2021 earthquake. The current number of accelerographic stations in the city of Lima offers an opportunity to improve the seismic characterization of the ground. On the other hand, there is empirical evidence of environmental vibration records, analyzed with point measurement techniques such as microtremor arrays in certain districts of Lima, which showed the influence of the deep structure of the soil on its seismic behavior, since changes were observed in the successive transfer functions that made them similar in shape to their respective empirical transfer functions, therefore, it is necessary to analyze these empirical results including the new available deep profiles. 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. To do so, the method proposed by Hassani and Atkinson (2016) was adopted, which is described as follows. First, all available events recorded from 2011 to 2021 were collected for an arbitrary station, including the 2007 MW 7.9 Pisco earthquake. Spectral pseudo accelerations were then calculated, using 5% damping for each component, and horizontal and vertical spectral ratios (H/V) 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. Td values greater than 1 s were observed for coastal areas where the underlying soil consists of clayey/sandy deposits and areas with a significant impedance contrast in the deeper part. These values decrease towards the city center coinciding with the superficial gravel deposits. It is important to note that in approximately 24% of the cases it was not possible to identify a clear Td value mainly due to the scarcity of seismic information or the gradual increase in the stiffness of the soil deposits. On the other hand, the influence of the deep structure of the soils is analyzed using successive transfer functions (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, the successive TFs of 48 deep profiles are compared with their respective TFs of MASW surface profiles and their nearby H/V spectra. Significant amplifications are evident in the successive TFs concordant with the H/V spectrum, which are not always present in the surface profile. To characterize these differences, the average transfer function (AvT F) proposed by Sekiguchi, Calderón, Nakai, Aguilar, and Lazares (2013) was used. Lower values of AvT F are found when only the surface layers are considered, where the maximum amplifications occur in the range of short periods. On the contrary, AvT F values are higher when the deeper part is analyzed due to significant impedance ratios of the deeper strata. Finally, it is observed that the integration range of the original expression of AvT F would not appropriately characterize profiles with significant amplifications in long periods. In the final part of the present study, the sensitivity of AvT F is analyzed. To do so, the quotient between the AvT F of the complete deep profile and the AvT F of the same profile is calculated, but truncated to the first stratum with Vs ∼ 500 𝑚/𝑠. This quotient is evaluated for different integration ranges of the FTs (in this way the contribution of amplifications in the long period range is considered) and the result is compared with the spectral response ratios H/V of nearby accelerographic stations. A total of 8 pairs consisting of a station and a deep profile were identified. Sensitivity plots reveal that 87% of the analysed pairs demonstrate a clear influence of soil structure. This is evidenced by the significant correspondence between the sensitivity plots of the deep seismic profiles and the long dominant periods (Td) identified in the H/V spectra. In other words, these deep strata characterize the vibrational properties of the deep substructure of the soil profile where they were obtained by corresponding to the Td identified from the processing of real ground vibrations such as earthquakes.