Revista de la Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela

Use of seismic microzonation maps in seismic vulnerability analysis and risk assessment for urban areas in Cuba

Se presentan los resultados de algunas investigaciones de microzonificación sísmica de asentamientos urbanos de Cuba, ubicados en zonas con diferentes niveles de amenaza pero sometidos todos a un elevado riesgo. Estos asentamientos son la ciudad de Santiago de Cuba con mas de 400.000 habitantes, ubicada en el oriente del País, y dos municipios totalmente urbanizados de la capital cubana, con una población total superior a los 80.000 habitantes y una densidad poblacional de mas de 20.000 hab./km². Se describe brevemente la metodología utilizada para la confección de estos mapas, que se basa en el análisis comparativo de las características geotécnicas para la predicción de las variaciones (incrementos o decrementos) de la intensidad sísmica básica, y la identificación de zonas con alta susceptibilidad de ocurrencia de peligros geológicos inducidos. La realización de numerosas mediciones de microsismos de alta frecuencia de origen antrópico, permitió determinar la respuesta dinámica de los suelos de las áreas investigadas. Se muestra también la utilidad de los mapas de microzonificación en el análisis de la vulnerabilidad y el riesgo de los asentamientos urbanos.

Results of research concerning seismic microzonation of several urban settlements in Cuba, placed in zones with different hazard levels, but all of them submitted to high risk, are presented in this paper. These settlements are the city of Santiago de Cuba, with more than 400,000 inhabitants located in the eastern part of the country and several densely urbanized municipalities of the capital of Cuba, with a total population of more than 80,000 inhabitants and a population density of more than 20,000 inh/km². The methodology for the compilation of these maps is briefly described. It consists in the comparative analysis of geotechnical features for the prediction of intensity variations and the identification of zones with high susceptibility for seismic induced geological hazards. The realization of high frequency microtremor measurements allow us to determine the dynamic response of soils in the areas studied. The helpfulness of seismic microzonation maps in the analysis of vulnerability and risk for urban settlements is also shown.

Analysis of steel hollow structural beams prone to local buckling failure subjected to biaxial bending

Este trabajo presenta una formulación general para el análisis de las vigas tipo cajón de acero estructural sometidas a flexión biaxial. El modelo se ha desarrollado en el marco de la teoría del daño concentrado. En este enfoque, los modelos se basan en métodos de la mecánica del daño continuo y del concepto de rótula plástica. El modelo fue implementado en un programa comercial de elementos finitos. Para calibrar el modelo, fue realizado un conjunto de ensayos experimentales en el Laboratorio de Mecánica Estructural de la Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado. El modelo fue calibrado mediante simulaciones numéricas de estos ensayos, encontrándose una buena concordancia entre las pruebas experimentales y las simulaciones numéricas.

This paper presents a general formulation for the analysis of steel hollow structural beams prone to local buckling subjected to biaxial bending. The model has been developed within the framework of Lumped Damage Mechanics. In this approach, the models are based on methods of Continuum Damage Mechanics and the concept of plastic hinge. The model was implemented in a commercial finite element program. In order to calibrate the model, a set of experimental tests were carried out in the Structural Mechanics Laboratory at Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado. The model was evaluated by the numerical simulation of these tests, obtaining a good agreement between the experimental tests and the numerical simulations.

Damage model for rc elements subjected to shear and bending

En este trabajo se propone un modelo de comportamiento de elementos de concreto armado degradables por corte y flexión. El modelo propuesto está basado en conceptos de la teoría del daño concentrado y describe el comportamiento de elementos de concreto armado bajo carga lateral monotónica. Los elementos de concreto armado se representan mediante el ensamblaje de una viga degradable por corte y dos rótulas inelásticas a flexión en los extremos. La validación del modelo propuesto se realiza comparando los resultados numéricos con resultados experimentales de probetas con degradación a flexión y con degradación a corte sometidas a carga lateral monotónica. Los resultados analíticos muestran una buena correlación con los resultados experimentales.

This paper proposes a constitutive model of damage in RC members subjected to shear and bending. The constitutive model is based on lumped damage theory and describes the behavior of RC members under monotonic lateral load. The RC members are represented by means of the assembly of a damageable beam subjected to damage due to shear and two inelastic hinges to bending at both ends. Validation of the proposed model is made by comparing correlation of numerical and experimental results on samples subjected to damage by bending and by shear under monotonic lateral load. The analytical results show very good agreement with experimental results.

Characterization of a karstic aquifer by high resolution seismic reflection

El presente estudio realizado en los Pirineos Atlánticos (sur-oeste de Francia) muestra un buen ejemplo del uso de la sísmica de reflexión de alta resolución para el conocimiento de capas superficiales (primeros cientos de metros) del subsuelo. El mismo permitió caracterizar de manera precisa un acuífero kárstico ubicado en el antiguo valle glaciar del Ossau. Todos los datos fueron adquiridos con un sismógrafo de 24 canales, aplicando la técnica de generar ondas golpeando una mandarria sobre una placa metálica o utilizando un fusil de tipo «Buffalo Gun», y registrando la señal con 24 geófonos verticales. El procesamiento de los datos de sísmica de reflexión se hizo utilizando una secuencia tradicional. Se procesa inicialmente la señal con filtros en frecuencia, filtros FK y métodos de deconvolución para finalmente elaborar una sección sísmica migrada en profundidad. La adquisición de los datos, con un cubrimiento múltiple suficientemente aceptable, acompañado de una secuencia de procesamiento completa, permitió generar secciones sísmicas de muy buena calidad: estas secciones muestran reflexiones que alcanzan una profundidad de 200 metros. El contexto geológico dentro del cual emergen las fuentes del Oasis se precisa claramente con los datos sísmicos adquiridos. Las fuentes emergen en esta parte del Valle Ossau por tener las calizas del aptiense superior subaflorando. Adicionalmente, el cierre glaciar influenciado por la falla Norte Pirineos funciona como una frontera insuperable y favorece el nacimiento de las fuentes del Oasis en esta posición.

The present study was carried out in the Pyrenean Foothills (Southwest of France) and shows a good application of high resolution seismic reflection to the knowledge of the first hundred meters of the subsurface. We have clearly characterized a karstic aquifer localized in the old glacial valley of Ossau. All measurements were registered with a 24 channels seismograph, a sledgehammer stroked on a metallic plate or a shotgun and 24 vertical geophones. The processing of the seismic reflection data follows a traditional sequence: the signals were initially processed with frequency filters, FK filters and deconvolution; finally, a depth seismic migrated section was created. The subsurface coverage of the acquisition scheme and the complete processing sequence allowed us to produce seismic sections of high quality which show reflexions down to 200m depth. The geometric and geological context where the Oasis springs emerge is now clearly defined. The springs are encountered in this part of the Ossau valley because of the near outcrop of the Upper Aptien limestones. Additionally, the lock of the glacial formed by the North Pyrenean Fault, represents an insuperable border that allow the Oasis springs to emerge.

An assessment of the physical conditions and a vulnerability analysis of the higher and medium sectors of san josé de las flores slum (mérida): An example of the significance of geomorphology in the study of seismic micro-zoning

En este trabajo se plantea la necesidad de incluir la variable geomorfología entre los estudios destinados a elaborar la microzonificación sísmica de una ciudad, orientando su análisis en el sentido de proponer escenarios de daños relacionados con eventos cosísmicos. Como un ejemplo de la importancia de esta orientación metodológica se revisa brevemente el estudio de las condiciones físicas de un sector urbano densamente poblado (Barrio San José de las Flores, Mérida, Venezuela), realizado con miras a recabar información para su habilitación, en el marco y las directrices propuestas por el programa de habilitación de barrios del Consejo Nacional de la Vivienda (CONAVI). En este sentido se estudiaron las condiciones litológicas, estructurales y geotécnicas, así como también las condiciones geomorfológicas del lugar, llegando a la conclusión de que uno de sus principales problemas es el de los movimientos de masa y, en particular, los deslizamientos. En este contexto, se considera la posibilidad de que se presenten movimientos de masa inducidos por sismos que pudiesen afectar a la comunidad del lugar. Aunque no es ese el sentido directo de los estudios de microzonificación sísmica, en casos esta clase de eventos cosismicos, que en alguna instancia son parte de la respuesta del suelo, suelen generar más daños que las vibraciones asociadas al terremoto.

This work stresses the importance of including geomorphologic variables within the framework of studies aimed at outlining the seismic micro-zoning of a city, by orienting its analysis in the sense of proposing damage scenarios associated with coseismic events. As an example of this methodological orientation, we have briefly reviewed the study of the physical conditions of a highly populated urban sector (San José de Las Flores Slum, Mérida, Venezuela), which was carried out with the purpose of collecting information to improve dwelling conditions, in accordance with the guidelines by the Slum Improvement Program of the National Housing Council (CONAVI). In this regard, the lithological, structural and technical conditions were studied, as well as the geomorphologic conditions of the site, reaching the conclusion that the one of the significant problems of the area is mass displacement, namely land slides. Within this context, we have considered the possibility of occurrence of a seismic-induced mass displacement which may eventually affect the community of the area. Although this is not the direct goal of the studies of seismic micro-zoning, in most cases this kind of co-seismic event, in some instance forms part of the soil response, may cause more damage than the vibrations associated with an event.

Ground penetrating radar as a tool for the recognition of active faults: application to the central sector of the boconó fault, Mérida state, Venezuela

Se presentan los resultados del primer ensayo de calibración en la utilización del geo-radar o radar de suelo en el territorio nacional, para la identificación y caracterización preliminar de fallas geológicas activas, aplicado particularmente al sector central de la falla de Boconó (entre las localidades de Apartaderos y Santo Domingo). La metodología empleada consistió primeramente en calibrar la herramienta con la excavación paleosísmica realizada en Morros de Los Hoyos; seguidamente se realizaron diversos perfiles de radar en la localidad de Mesa del Caballo, los cuales permitieron determinar el estilo estructural de esta área y a la vez seleccionar un sitio de excavación paleosísmica; y por último, se adquirieron diversos perfiles en las localidades de Los Frailes y Santo Domingo, con el fin de definir la ubicación de la traza de la falla de Boconó en dichas localidades. En ambientes aluviales periglaciales a interglaciales recientes, la técnica parece revelar con bastante confiabilidad la ubicación de las trazas activas, así como establecer cualitativamente cuales de ellas son las de mayor actividad reciente.

This paper presents the outcomes from a first calibration test on the application of the Ground-Penetrating Radar technique (GPR) for the preliminary identification and characterization of active fault traces done in Venezuela. This test was performed on the central sector of the Boconó fault (between Apartaderos and Santo Domingo). By using an existing paleoseismological trench dug in Morro de Los Hoyos locality, we have calibrated the GPR, in order to correlate and corroborate the geo-radar profiles directly with the subsurface. Later, several profiles acquired at Mesa del Caballo allowed us to make an interpretatio the structural style of the Boconó fault in this area, that in turn helped us to select a paleoseismic trench site. Finally, GPR was very useful in defining the active fault trace at different sites, where morphological expression of the fault is poor, subdued or concealed. In recent periglacial and interglacial alluvial sequences, GPR seems to reliably reveal the location of the active fault traces, as well as giving insights on the relative degree of recent activity.

Geophysical modelling of basement: The Mérida metropolitan area, Venezuela

El espesor de los sedimentos del área metropolitana de la ciudad de Mérida se cuantificó con base en el procesamiento e interpretación de datos geofísicos. A partir de datos gravimétricos se elaboró el mapa de anomalías de Bouguer para ρB=2,67g/cc y un nivel de referencia de 1500 metros sobre el nivel del mar, con un rango de variación de las anomalías entre -381,58 y -360,57 mGal. Se generó un modelo de densidad del subsuelo 3D coherente con la geología del área y datos geofísicos existentes, lo que permitió estimar un espesor máximo de 120 metros en la terraza de Mérida. Se realizaron modelos 1D y 2D de cinco perfiles sísmicos en la ciudad de Ejido, calculándose velocidades aparentes de ondas P y ondas S de 750-1115 m/s y 320-620 m/s, respectivamente para una primera capa con espesor máximo de 15 m. Para una segunda capa las velocidades varían entre 2080-2600 m/s para las ondas P y 550-830 m/s para las ondas S. El resultado final del estudio presenta la información compilada y generada mediante un Sistema de Información Geográfico.

The thickness of soft sediments in metropolitan Merida city area was obtained from 3D gravimetric, 1D and 2D seismic refraction modelling. A Bouguer anomaly map was obtained with a Bouguer density of ρB=2.67 g/cc and a datum reference level of 1500 meters above sea level. Anomalies vary between -381.58 and -360.57 mGal. A tridimensional density model was generated based on geological and geophysical data. 1D and 2D models from five near surface seismic refraction profiles obtained in Ejido city showed the following results: apparent P and S waves velocities of 750-1115 m/s and 320-620 m/s to a first layer with a maximum thickness of 15 m. In a second layer the velocities are between 2080-2600 m/s to P waves and 550-830 m/s to S waves. The results were integrated in a geographic information system (GIS).

Numerical modelling of the 2d seismic response in the Caracas Valley

Dentro del marco del proyecto de microzonificación sísmica de las ciudades de Caracas y Barquisimeto se han realizado en la ciudad de Caracas diversos estudios geofísicos, geológicos y geotécnicos. A objeto de estimar la respuesta sísmica del valle de Caracas, se definieron 4 sismos escenarios que podrían afectar la ciudad, ubicados al norte, sur, este y oeste de la misma. Se realizaron simulaciones numéricas a lo largo de 3 perfiles 2D distribuidos en dirección norte-sur y este-oeste tomando como datos de entrada la información más actual que se dispone de las características geológicas y geofísicas del valle de Caracas. Los resultados de las simulaciones permiten identificar los rangos de frecuencias para los cuales se observan las mayores amplificaciones de las ondas sísmicas, los cuales serán comparados con los valores de frecuencias naturales obtenidos mediante el método H/V. Las simulaciones se realizaron utilizando un código numérico 2D basado en el método de elementos espectrales. Los resultados obtenidos evidencian la presencia de efectos 2D en el valle de Caracas, y muy probablemente efectos 3D como resultado de la geometría de la cuenca sedimentaria, como por ejemplo, en las zonas de Los Palos Grandes y San Bernardino. Las simulaciones a lo largo de esta última evidencian posibles efectos de interferencia entre dos subcuencas asociadas. Actualmente se adelantan estudios con una red sismológica temporal instalada en diversas zonas de la ciudad que permitirán a futuro comparar los resultados experimentales con los resultados obtenidos en las simulaciones 2D y 3D.

During the seismic microzoning project of Caracas and Barquisimeto cities several geological, geophysical and geotechnical studies were carried out in Caracas. In order to estimate the seismic response of the Caracas Valley, four seismic scenarios were defined for this study, located at the north, south, east and west of the city. For each scenario, 2D numerical simulations were carried out across 3 profiles, two in north-south direction and the other in west-east direction. The input for simulations is based on recent information obtained from geological and geophysical studies in the valley. The results obtained from numerical simulations allow us to identify the ranges of frequencies where the amplification factor of seismic waves propagation had maximum values, which will be compared with natural frequencies obtained from the H/V method. Numerical simulations were applied using a 2D numerical code based on the spectral element method. The results obtained show the presence of 2D effects in the valley response and probably 3D effects induced by the geometry of the sedimentary basin, such as the Palos Grandes and San Bernardino areas. The simulations across San Bernardino show possible effects of interference between two associated sub-basins. Currently, new studies are in progress with a temporal seismological network deployed in several zones of the city that will allow a future comparison of the experimental results with the results obtained from 2D and 3D simulations.

The albarregas fault: Determination of its trace through monitoring radon gas

Con la finalidad de aportar elementos diferentes a las evidencias geológicas y geomorfológicas que permitan corroborar la existencia de la falla Albarregas, que corta longitudinalmente la terraza de Mérida, y que corre paralela al cauce del río del mismo nombre, se realizaron medidas de la concentración de gas radón en algunos sitios cercanos a su traza. La investigación se justifica por el hecho de que la ciudad ha crecido en torno a la mencionada falla, ocupando el área de afectación en caso de eventualidad sísmica originada por ella. Las medidas se realizaron con un equipo Pylon AB-5 dotado de celdas Lucas, con el que se obtuvieron perfiles transversales al rumbo de la falla. Los resultados muestran anomalías bien definidas en la concentración de gas radón, constituyendo una clara evidencia geoquímica de la existencia de la mencionada falla y permitiendo definir su traza en gran parte de su extensión. La importancia de estos resultados radica en el hecho de que aportan información complementaria sobre la existencia de esta falla, cuya traza fue postulada con base en la necesidad de establecer la existencia del contacto entre dos formaciones y a su control estructural sobre el río Albarregas. De igual forma, los resultados evidencian la factibilidad de aplicar el método de medición de gas radón en centros poblados, aunque sólo bajo ciertas condiciones especiales, pero aun así, podría resultar de mucha utilidad en trabajos de microzonificación sísmica.

The Albarregas fault is an inferred fault running along the Mérida terrace, following the course of the Albarregas river. The city of Mérida has grown around this fault, occupying the possible area that may be affected by an earthquake along it. With the aim of providing new evidence (other than geological or geomorphological) that contribute to demonstrate the existence of the Albarregas fault, radon soil gas has been monitored near its trace. For sampling, a Pylon AB-5 equipment, with Lucas cells (scintillation cells) was used; 11 localities were sampled along transverse paths (transects) to the river course, and anomalous radon high concentrations were obtained indicating the presence of the fault. These results are important because they provide additional geochemical information on the existence of the Albarregas fault, which was postulated assuming a structural control over the Albarregas river, and assuming the geological contact of two formations underneath the terrace. On the other hand, the results also indicate that radon gas monitoring is a suitable method for determining blind or hidden faults in towns, constituting a useful tool in microzonation works.

Historical analysis of the seismic and geological hazards at Cumana city, Venezuela

El objetivo de este trabajo es describir las principales amenazas naturales asociadas a terremotos en la ciudad de Cumaná, Venezuela. Para ello, se revisan los testimonios escritos sobre los terremotos históricos que han afectado a Cumaná, a fin de identificar los distintos fenómenos marinos y geológicos que han sido recurrentes en esos eventos sísmicos. Como resultado de esta revisión, se han identificado los siguientes fenómenos, que suelen repetirse en los distintos terremotos de Cumaná: penetración de una ola marina y hundimientos del terreno costero en la zona vecina a la desembocadura del río Manzanares; grietas superficiales por lateral spread a lo largo de la línea de costa y márgenes del río; licuación en las sabanas aluviales, especialmente cerca del río y de la costa marina. Adicionalmente, la amplitud del movimiento sísmico tiende a aumentar hacia el mar y hacia el río. El terremoto del 9 de Julio de 1997 permitió confirmar todas estas amenazas y los lugares donde impactan.

The aim of this study is to describe the main natural hazards associated with the Cumaná earthquakes in Venezuela. Written testimonies on historical Cumaná earthquakes were reviewed in order to identify the different marine and geological phenomena which recur in those seismic events. As result of this revision, the following recurring phenomena were identified: penetration of a marine wave and coastal sinking in the neighborhood of the Manzanares river mouth; shallow lateral spread cracks along the shoreline and river margins; liquefaction on alluvial plains, mainly near the river and shoreline. Additionally, seismic motion intensity shows an increasing tendency toward the shoreline and the river. The July 9, 1997 earthquake confirmed these hazards and the places where they had greatest impact.

Seismic-historic microzoning as a fundamental complement to seismic hazard evaluation

Este trabajo plantea la necesidad de acometer una revisión de la información relativa a la sismicidad histórica de Venezuela desde una perspectiva distinta a la utilizada para la compilación de los catálogos sísmicos existentes, con una interpretación que pretende ser más precisa que la exhibida en las curvas de isosistas asignadas a los terremotos más importantes. Desde este punto de vista, se considera que la gran mayoría de los estudios realizados se han concentrado en caracterizar los eventos (magnitud y localización epicentral, principalmente), desatendiendo, generalmente, el hecho de que los grandes terremotos no producen daños de forma homogénea en las ciudades donde dejan sentir sus ondas. Esta heterogeneidad de los efectos es el resultado de las propias diferencias entre las localidades (condiciones de sitio), regiones (morfología general), desarrollos constructivos (condiciones históricas y sociales de los materiales y tipos de construcción utilizados) y las relaciones culturales con el medio ambiente, lo cual significa una heterogeneidad fundamental en las condiciones locales e infraestructurales que enfrentan a los terremotos. Se propone la revisión y localización de esta clase de datos con el objeto de validarlos y confrontarlos con la información actual (geológica, geomorfológica, sismológica, histórica, arquitectónica) para conducir a la sismología hacia una aproximación investigativa con mayor integración multidisciplinaria.

This paper discusses the need to revise historical seismicity in Venezuela, from a different perspective from that used to compile existing seismic catalogues, with an interpretation which attempts to be more precise than that shown in isoseismic curves assigned to the most important earthquakes. From this point of view, it is considered that the great majority of previous studies have focused on describing events such as magnitude and epicentral location, rather than considering the fact that the great earthquakes do not always damage cities in the same way. This heterogeneity as regards earthquake effects is the result of the difference between places (local conditions), regions (general morphology), constructions (historical and social conditions in materials and construction types used) and cultural relationships with the environment, which means a fundamental heterogeneity in local and infrastructural conditions when the seismic waves come. We propose a review and search for this kind of data on order to validate and check them against current information (geological, geomorphological, seismological, historical, architectural), to thus lead historical seismology towards better research methodologies including greater multidisciplinary integration.