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INTRODUCCIÓN
Una de las principales fuentes sísmicas en República Dominicana la constituye la interacción de la placa del Caribe con la placa de Norteamérica, especialmente en la parte norte-noreste de la isla, donde se encuentran las fallas Septentrional, Camú y Rio Grande, las cuales definen esa zona como de alto riesgo sísmico, confirmado por la evidencia de varios eventos sísmicos devastadores.
En la región norte la sismicidad es mayor en comparación con las otras regiones del país; los sismos pueden alcanzar magnitudes hasta de 8,6. El 22 de septiembre de 2003 se registró un terremoto de magnitud 6,5 con epicentro a 15 km al sur de la ciudad de Puerto Plata y tuvo más de 200 réplicas.
Según el mapa geológico escala 1:50 000 (Colectivo de autores 2010) de República Dominicana, la zona urbana de Puerto Plata se caracteriza geológicamente por una amplia variedad de unidades geológicas que incluyen suelo aluvial, arcillas, arena, gravas, limos, calizas y calizas arrecifales y rocas volcánicas. Al mismo tiempo, desde el punto de vista demográfico, la zona urbana de Puerto Plata exhibe un crecimiento poblacional no-planificado ni controlado, como consecuencia de la ausencia de políticas de ordenamiento territorial y planificación de desarrollo. Estas condiciones hacen que los centros urbanos estén sobrepoblados lo cual aumenta su vulnerabilidad.
Dadas las condiciones geológicas y geotécnicas del terreno se decidió llevar a cabo estudios detallados para evaluar la respuesta dinámica de los suelos, aspecto esencial para la prevención y reducción del riesgo sísmico a escala urbana. Los resultados de este trabajo tributan al proyecto internacional “Efecto de sitio a partir de la modelación 1D y 2D de suelos en el área urbana de Puerto Plata, para la determinación de la vulnerabilidad en edificios esenciales”, el cual se ejecuta con iniciativa del Servicio Geológico Nacional de República Dominicana (SGN) y el Centro Nacional de Investigaciones Sismológicas de Cuba (CENAIS), con presupuesto del Fondo Nacional de Innovación y Desarrollo Científico-Tecnológico (FONDOCYT) del Ministerio de Educación Superior, Ciencia y Tecnología (MESCYT) de República Dominicana.
MATERIALES Y MÉTODOS
Descripción del área de estudio
La geología superficial de Puerto Plata aparece bien explicada en la Memoria Geológica 6075-II de Puerto Plata, del Mapa Geológico de República Dominicana, a escala 1: 50 000 (2010). El área de estudio tiene una gran variedad y composición litológica agrupada en 18 unidades litoestratigráficas que van desde el Cretácico al Cuaternario reciente, agrupados en 12 formaciones que corresponden a suelo y seis a formaciones rocosas.
Afloran rocas volcánicas y plutónicas, cortados en ocasiones por diques intrusivos; además serpentinitas y peridotitas de edad Cretácico Inferior. Pertenecen al Complejo Basal Puerto Plata, el cual por su complejidad se divide en tres subgrupos. También afloran brechas y bloques serpentiníticos, calizas, arcillas, conglomerados, areniscas, limonitas de variada composición pertenecientes al Paleógeno; conglomerados poligénicos, areniscas, arcillas, calizas, margas y calcarenitas del Neógeno, así como materiales más recientes, del Cuaternario, que son los predominantes en el área (Figura 1) y están compuestos de calizas, arenas, gravas, cantos, arcillas y limos.
Metodología
La información geológica en profundidad fue tomada de 141 sondeos geotécnicos de obras constructivas (datos de archivo), tomados de una base de datos que recoge las coordenadas X y Y, profundidad, nivel freático, inicio, final y espesor de la capa, litología y propiedades físico-mecánicas.
Los trabajos de campo permitieron verificar la geología superficial y seleccionar los lugares propicios para las mediciones geofísicas. La primera campaña geofísica fue de sísmica pasiva con mediciones de ruido ambiental. Con el equipo triaxial Micromed Tromino 3G se realizaron 47 mediciones de micro vibraciones de 20 minutos de duración cada una, a una tasa de muestreo de 128 Hz. Para tomar datos en terreno el equipo fue orientado según el norte magnético y la ubicación de cada punto fue controlada por un GPS. Para el análisis del efecto de sitio se aplicó la técnica de Nakamura o H/V (Nakamura 1989), la cual posibilita calcular el registro espectral entre los componentes horizontales y la componente vertical, a partir del registro del ruido ambiental de fondo.
De la sísmica activa se aplicó el método de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) 1D y 2D para determinar la velocidad de la onda de corte (Vs) en siete sitios predeterminados, con el sismógrafo GEODE de 24 canales y geófonos verticales de 4,5 Hz. El espaciamiento entre geófonos fue de 3 m, y la longitud total de tendido de 69 m. La fuente de energía utilizada fueron golpes acumulativos con una mandarria de 20 lb sobre placa de poliuretano. A partir de las mediciones 1D se estableció el modelo de velocidad y el valor Vs30, y a partir de las mediciones 2D se determinó la distribución de Vs a lo largo del tendido de investigación.
La Vs se obtuvo mediante las ecuaciones empíricas 1 y 2 de Marto, Soon y Kasim (2013) y Ohta y Goto (1978), respectivamente, a partir del número de golpes (Ng). La segunda ecuación considera, además, el tipo de suelo (basado en la granulometría del material para las arcillas, arenas y gravas), época geológica y profundidad de la capa. Para la modelación 1D de suelos se aplicaron los resultados de la propuesta de Ohta y Goto (1978) en las diferentes capas de los modelos geotécnicos, ya que es una relación multiparamétrica; para el caso de las capas que no tenían el valor de NSPT se utilizaron los valores de Vs estimados por Sadovskii y otros investigadores (1973).
Donde: E: edad geológica: aluvio = 1.000 (Holoceno); deluvio=1.303 (Pleistoceno); F: tipo de material: arcilla=1.000; arena fina=1.086; arena media=1.066; arena gruesa=1.135; arena con gravas=1.153; gravas=1.448
El código de cálculo empleado para la modelación del comportamiento dinámico de suelos en la ciudad de Puerto Plata fue el método de análisis 1D linear equivalente, implementado en el código PSHAKE (Sanó y Pugliese 1991), el cual es una variación del código SHAKE, ampliamente usado para calcular la respuesta no linear del sitio.
PSHAKE calcula la respuesta sísmica local de una capa en el semiespacio viscoelástico atravesado por las ondas de corte que viajan en dirección vertical. Esta técnica requiere de la geometría de las diferentes capas del suelo, tipo de material y sus propiedades geotécnicas (Vs, densidad húmeda y amortiguación). El espectro de respuesta de peligro uniforme es uno de los parámetros fundamentales para aplicar los métodos de modelado del movimiento del terreno; se usó el Programa CRISIS (Ordaz et al. 2014), donde están definidas por nueve ordenadas espectrales en 0,05; 0,15; 0,3; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,0 y 3,0 s. Se calculó el PGA para T=0,01 s, probabilidad de excedencia en 50 años, con periodo de retorno de 475 años, correspondiendo a un 10 % de probabilidad de excedencia en 50 años.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De los 141 sondeos geotécnicos se hizo un resumen por obras, quedando 26 (una fuera del área), de ellas 16 obras están construidas en el núcleo urbano de Puerto Plata sobre material antrópico: mezcla de bloques, cantos, gravas, hormigones, asfalto, etc.; dos obras sobre los materiales de la llanura de inundación, integrados por arcillas y limos; tres obras en la formación de laderas, coluviones y desprendimientos, integrada por bloques, cantos, gravas, arenas y arcillas (todas de edad Holoceno, Cuaternario); una obra perteneciente a la formación Isabela, integrada por dunas eólicas, arenas y calcarenitas; y tres obras pertenecientes a la formación Isabela, integrada por calizas arrecifales, de edad Pleistoceno, Cuaternario (Figura 1). De estos resultaron 26 perfiles estratigráficos.
Del método geofísico de sísmica activa MASW en los siete sitios, se obtuvieron valores de Vs30 de 239 m/s a 694 m/s. Atendiendo al Reglamento de Estudios Geotécnicos para Edificaciones de República Dominicana (MOPC 2011) se definieron las clases de sitio: dos de tipo D y cinco de tipo C.
Los resultados de la aplicación del método de sísmica pasiva (Tabla 1) muestran curvas H/V con las siguientes categorías:
Curva con pico de resonancia muy bien marcado, para una frecuencia mayor a 10,0 Hz.
Curvas de cocientes H/V de baja amplitud, con picos poco marcados a frecuencias entre 0,3 y 0,6 Hz; también a 2,0 Hz.
Curvas planas sin pico significativo.
Tabla 1 Frecuencia fundamental (Fo) de espectros de respuestas, de las componentes horizontales (N,E) y vertical (Z) y máximos del cociente H/V en Puerto Plata
Los factores de amplificación (FA) a partir del cociente espectral H/V están entre 2,03 y 8,00; con frecuencias fundamentales (fo) de 0,12 Hz a 17,80 Hz. Los valores de frecuencias espectrales se corresponden con los valores característicos de los suelos que afloran en la región estudiada, sin embargo, en algunos casos se obtienen valores altos de frecuencias espectrales en suelos arcillosos y en otros casos se obtienen valores más bajos que lo que se pudiera esperar en suelos rocosos. La causa de esta aparente contradicción es que las mediciones instrumentales consideran elementos como la presencia de sedimentos sueltos, intemperización de las rocas con degradación del material, humedad y aparición de lentes rocosos, entre otros, que el mapa utilizado, por su escala no tiene en cuenta.
Teniendo en cuenta la descripción que aparece en la Memoria Geológica 6075-II de Puerto Plata, del Mapa Geológico de República Dominicana, Escala 1: 50 000 (2010), fue posible hacer una clasificación de los suelos de forma cualitativa, de acuerdo con las regulaciones del código norteamericano NEHRP (BSSC 2001: Building Seismic Safety Council).
Las formaciones geológicas o litologías presentes quedaron clasificadas de la siguiente manera: ocho de clase E, de estas seis pertenecientes al Holoceno, siendo los suelos más jóvenes del Cuaternario, y dos del Pleistoceno; dos de clase D, del Holoceno y Eoceno inferior; dos de clase C del Eoceno superior al Plioceno; cuatro de clase B (1 del Cretácico inferior, dos del Eoceno inferior y medio y uno del Pleistoceno) y dos de clase A del Cretácico inferior. Los FA van desde 0,8 a 2,5; siendo estos últimos los que ocupan la mayor parte del área de estudio (Tabla 2, Figura 1).
Una vez obtenido los valores de densidad y Vs para cada capa, los 26 perfiles estratigráficos pasaron a ser perfiles geotécnicos. Los valores de Vs obtenidos en las diferentes capas se observan en la Tabla 3.
Tabla 2 Geología presente en la región de estudio. Clasificación según el código norteamericano NEHRP (BSSC 2001)
Tabla 3 Principales modelos geotécnicos para la región de estudio: δf (g/cm3)=densidad húmeda; NSPT=número de golpes; Vs= velocidad de la onda de corte en m/s: Vs1 acorde a Otha-Goto (1978); Vs2 acorde a Marto, Soon y Kasim (2013); Vs3 acorde a Sadovskii y otros investigadores (1973)
Los FA a partir de la modelación 1D, para los 26 modelos geotécnicos no rocosos fueron calculados usando el código de cálculo PSHAKE (Sanó y Pugliese 1991). De la modelación se obtuvieron los espectros de respuesta dinámica de los suelos para cada uno de los modelos introducidos al programa. De esta manera es posible establecer el comportamiento dinámico y periodo fundamental (T) en segundos, así como su efecto en las estructuras para cada sección del espectro desde 0,1 s hasta 3,0 s (Tabla 4).
Los FA para cada caso fueron estimadas como la razón del espectro de salida de la modelación 1D sobre el espectro de entrada de UHRS, en el rango de periodos de 0,1 a 0,5 s (Tabla 5), según recomendaciones de normativas de cálculo para determinación de riesgo sísmico. Este rango de períodos es apropiado para edificaciones entre uno y cinco pisos.
Por la poca densidad de modelos que cubrieran todas las litologías presentes, no fue posible confeccionar un mapa pero sí se obtuvo un mapa con los factores amplificativos acorde con las disposiciones del código NEHRP (BSSC 2001) y sobre este se plotearon los FA de los 26 modelos (Figura 2b). Se obtuvieron valores de Fa de 0,61 a 2,0 (Figura 2b). El periodo fundamental de los espectros de respuestas está entre 0,16 s y 1,02 s.
Figura 2 a) Ubicación de sondeos geotécnicos y geofísicos; b) FA acorde al Código NEHRP (BSSC 2001) y modelación 1D.
Comparando los resultados, se observa que los FA basados en la modelación 1D muestran mayor variabilidad que los obtenidos por el código NEHRP, coincidiendo los mayores valores de amplificaciones en los sedimentos Neógeno-Cuaternarios mal compactados, que se clasifican como suelos rígidos o blandos (D-E), a excepción de los modelos 8, 20, 21, 23 y 26 y del modelo 16 que a pesar de que está en una formación rocosa, hasta los 10 m aparece arcilla y arena.
Los resultados de FA obtenidos según las disposiciones NEHRP muestran que en las rocas del complejo basal, rocas volcánicas, serpentinitas y calizas no se esperan amplificaciones, estas afloran en la parte noroeste de la ciudad y al noroeste. En pequeños sectores se esperan FA de 1,6; en una franja alargada al sur de la ciudad se esperan FA de 1,2 y coincidiendo con una extensa área de sedimentos cuaternarios se esperan las mayores amplificaciones de 2,5. Mientras que los FA obtenidos a partir de la modelación 1D tienen valores más bajos, no se esperan amplificaciones en los modelos 11 y 20, de amplificaciones en los modelos 8, 9, 15, 17, 21 y 26 y en el resto de los modelos existen amplificaciones entre 1,0 y 2,0.
CONCLUSIONES
Los siete puntos de mediciones geofísicas con el método MASW tienen velocidades de la onda de corte Vs30 entre 239 m/s y 364 m/s, correspondientes a clases de sitio D y C.
Los factores de amplificación (FA) obtenidos para las 47 mediciones de micro vibraciones, a partir del cociente espectral H/V, están entre 2,03 y 8,00; con frecuencias fundamentales (fo) de 0,12 Hz a 17,80 Hz.
Se obtienen 26 modelos estratigráficos para toda el área de estudio de la ciudad de Puerto Plata, teniendo en cuenta la geología (descripción geológica: edad, descripción litológica, características estratigráficas, espesor de los sedimentos, etc.) e información geotécnica (propiedades físico-mecánicas: densidad-amortiguación). Las propiedades estáticas de los suelos (velocidad de la onda de corte) se definen por datos de prospecciones geofísicas, usando relaciones empíricas y valores tabulados.
La mayor parte del área que ocupa el centro urbano de Puerto Plata está constituida por sedimentos recientes del Cuaternario, clasificados como E, dos de clase D, dos de clase C, cuatro de clase B y dos de clase A.
Los FA, acorde con las disposiciones del código NEHRP, van desde 0,8 a 2,5, siendo estos últimos los que ocupan la mayor parte del área de estudio.
Los FA de la modelación 1D tienen valores desde 0,6 hasta 2,0; coincidiendo las mayores amplificaciones con la parte urbanizada donde afloran los materiales antrópicos y sedimentos cuaternarios.
