Master Thesis ǀ Tesis de Maestría submitted within the UNIGIS MSc programme presentada para el Programa UNIGIS MSc at/en
Interfaculty Department of Geoinformatics- Z_GIS Departamento de Geomática – Z_GIS University of Salzburg ǀ Universidad de Salzburg
Modelo Piloto de la Microzonificación Sísmica para la Ciudad de Tunja, Colombia Pilot Model of the Seismic Microzonation for Tunja, Colombia by/por
Ing. Esp. JORGE LUIS RODRIGUEZ GONZALEZ 01123912 A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Master of Science (Geographical Information Science y Systems) – MSc (GIS) Advisor ǀ Supervisor:
Diana Maria Contreras Mojica. PhD Tunja, Colombia, 25 de Julio de 2019 1
COMPROMISO DE CIENCIA
Por medio del presente documento, incluyendo mi firma personal, certifico y aseguro que mi tesis es completamente el resultado de mi propio trabajo. He citado todas las fuentes que he usado en mi tesis y en todos los casos he indicado su origen.
__Tunja, Colombia. 25 de Julio de 2019_ Lugar, Fecha
_______________________ Firma
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Dedicatoria
A mi familia, mis padres, hermana y sobrino que han sido el soporte en mi vida. A mi amigo Omar y su esposa Norys Con quienes siempre he contado en los momentos mĂĄs difĂciles A mi novia Sandra por su apoyo cada dĂa.
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AGRADECIMIENTO
Al Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica y Amenazas Geo-ambientales – (GIISAG) de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), sede Tunja.
Al Ingeniero MSc. Omar Javier Jiménez Jiménez, por su colaboración en el desarrollo de la conceptualización del modelo de microzonificación y al Ingeniero Esp. Diego Fernando Guadrón Alfonso por el apoyo en la modelación espacial.
A la Doctora (PhD) Diana Maria Contreras Mojica por su colaboración y guía para la elaboración de la presente tesis.
A todo el equipo de UNIGIS Latinoamérica.
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Resumen Toda ciudad de orden principal y secundaria en Colombia requiere elaborar un estudio de microzonificación símica según el reglamento Norma Sismo Resistente de Colombia (NSR 10). El proyecto de Modelo Piloto SIG para la microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja en Boyacá se basa en la recolección de información secundaria de diversas fuentes, realiza un proceso de análisis y depuración de los datos, genera procesos de interpolación y estadística espacial y presenta resultados preliminares en cuanto a la zonificación al nivel de susceptibilidad geotécnica de la ciudad. Como resultado se observa que las zonas actuales de expansión urbana con fines comerciales, educativos y residenciales son aquellas con un alto nivel de susceptibilidad, información relevante para continuar con los ensayos dinámicos de los suelos para la ciudad.
Palabras clave: Microzonificación sísmica, SIG, Susceptibilidad, Geotecnia
Abstract
Every major and secondary city in Colombia requires a study of seismic microzoning according to the Norma Sismo Resistente de Colombia (NSR 10) regulation. The GIS Pilot Model project for the seismic microzoning of the city of Tunja in Boyacá is based on the collection of secondary information from many sources; it carries out a process of analysis and selecting data, it generates interpolation processes and spatial statistics and presents preliminary results regarding zoning at the level of geotechnical susceptibility of the city. As a result, the current areas of urban expansion for commercial, educational and residential purposes are those with a high level of susceptibility, relevant information to continue dynamic soil testing for the city.
Key words: Seismic microzoning, GIS, Geotechnical Susceptibility
5
6
TABLA DE CONTENIDO
1.
INTRODUCCION ...................................................................... 14 1.1
ANTECEDENTES ................................................................................... 14
1.2
OBJETIVOS Y PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN............................... 16
1.2.1. General ............................................................................................... 16 1.2.2. Especificos .......................................................................................... 16 1.2.3.Preguntas de investigación .................................................................. 17 1.3. HIPOTESIS................................................................................................ 17 1.4. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................ 17 1.5.
ALCANCE ............................................................................................... 19
2. REVISIÓN DE LA LITERATURA .................................................. 21 2.1
MARCO CONCEPTUAL DE MICROZONIFICACIÓN ............................. 21
2.2
PROPUESTAS METODOLOGICAS A NIVEL INTERNACIONAL .......... 25
2.3
ESTUDIOS
DE
MICROZONIFICACION
SISMICA
A
NIVEL
INTERNACIONAL ............................................................................................. 31 2.4
EXPERIENCIAS REGIONALES ............................................................. 35
3. METODOLOGIA ........................................................................... 38 3.1. DEFINICIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO..................................................... 42 3.2. RECOLECCION DE DATOS ..................................................................... 44 3.3. PROCESAMIENTO DE DATOS ................................................................ 47 3.3.1. Modelo Digital de elevación (MDE) ..................................................... 47 3.3.2. Mapa de pendientes ............................................................................ 47 3.3.3. Base de datos geotécnica ................................................................... 48 3.3.4. Interpolación espacial de parámetros geotécnicos.............................. 51 7
3.3.5. Procesamiento de fotografías aéreas multitemporales de Tunja ........ 56 3.3.6. Modelo geoespacial para la microzonificación. ................................... 58 3.3.7. Modelos Geotecnicos 3D .................................................................... 61
4. RESULTADOS Y DISCUSION ...................................................... 62 4.1 RESULTADOS ............................................................................ 62 4.1.1 ANALSIS DE RESULTADOS INDIVIDUALES ......................................... 62 4.1.2 MODELO GEOESPACIAL PARA LA MICROZONIFICACION ................ 74 4.1.2 MODELOS GEOTECNICOS 3D .............................................................. 82
4.2. DISCUSIÓN ............................................................................... 85 5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................ 90
6.
REFERENCIAS ........................................................................ 95
8
INDICE DE FIGURAS Figura 1. Modelo basado en SIG propuesto para microzonificación sísmica. ...... 27 Figura 2. Metodología desarrollada por (Kaufmann y Martin, 2008). ................... 29 Figura 3. Vista 3D de la estratigrafía. Modelo de Kienzle et al., 2006. ................. 30 Figura 4. Diagrama de flujo para Microzonificación de Karimzadeh et al., 2014 .. 31 Figura 5. Actividades modelo inicial de microzonificación sísmica - Tunja. .......... 39 Figura 6. Localización Área de Estudio: Tunja, Boyacá. ...................................... 43 Figura 7. Ubicación de la ciudad de Tunja. .......................................................... 45 Figura 8. Estructura Excel para cada propiedad geotécnica en la BDG. .............. 49 Figura 9. Metadatos de BDG. ............................................................................... 50 Figura 10. Sistema Británico de clasificacíon de suelos ....................................... 52 Figura 11. Proceso de clasificación supervisada, sector sur este – Tunja 1960. . 57 Figura 12. Diagrama de flujo mapa Características Geotécnicas......................... 58 Figura 13. Diagrama de flujo mapa Respuesta comportamiento Local. ............... 59 Figura 14. Diagrama de flujo superposición de intervalos de profundidad. .......... 60 Figura 15 Modelo Digital de Elevación de Tunja – Zona Urbana. ........................ 63 Figura 16 Porcentaje de pendientes. .................................................................... 64 Figura 17 Mapa de pendientes. ............................................................................ 65 Figura 18. Variación del LL a diferentes profundidades en Tunja. ....................... 67 Figura 19. Variación de IC a diferentes profundidades en Tunja.......................... 67 Figura 20. Variación de IP a diferentes profundidades en Tunja. ......................... 68 Figura 21. Variación de CU a diferentes profundidades en Tunja. ....................... 68 Figura 22. Variación de e a diferentes profundidades en Tunja. .......................... 69 Figura 23. Cárcavas y rellenos en Tunja. ............................................................. 70 Figura 24. Tipo perfil de suelo en Tunja. .............................................................. 72 Figura 25. Geología de Tunja. .............................................................................. 73 Figura 26. Mapas resultados parciales de comportamiento del suelo. ................. 75 Figura 27. Mapa de superposición Susceptibilidad geotécnica sin Vs ................. 76 Figura 28 Zona de mayor suceptibilidad geotécnica sin Vs ................................. 77 Figura 29. Mapa final de susceptibilidad del suelo por evento sísmico. ............... 79 9
Figura 30. Modelo 3D para propiedad índice CU. ................................................ 83 Figura 31. Modelo 3D para propiedad índice IC. .................................................. 83 Figura 32. Modelo 3D para propiedad índice IP. .................................................. 84 Figura 33. Modelo 3D para propiedad índice LL. ................................................. 84
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Información disponible para el análisis. .................................................. 47 Tabla 2 Clasificación por pendiente. .................................................................... 47 Tabla 3. Configuración de tablas. ......................................................................... 48 Tabla 4 Cantidad de datos por profundidad de sondeo. ....................................... 50 Tabla 5. Intervalos de clasificación de suelos. ..................................................... 53 Tabla 6 Intervalo Índice de Consistencia .............................................................. 53 Tabla 7. Intervalo de plasticidad. .......................................................................... 53 Tabla 8. Intervalo de clasificación Cohesión. ....................................................... 54 Tabla 9. Intervalo de clasificación relación de vacíos. .......................................... 54 Tabla 10. Suelo de fundación. .............................................................................. 54 Tabla 11. Geología ciudad de Tunja. ................................................................... 55 Tabla 12. Correlaciones Vs y N del ensayo SPT. Fuente: Rincón Arango (2000) 55 Tabla 13. Clasificación de los perfiles de suelo. ................................................... 56 Tabla 14 Distribución de pendientes. ................................................................... 66
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ACRONIMOS AFPS
Association Francaise Du Genie Parasismique
BDG
Base de datos geotécnica.
CCCSR-84
Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes 1984.
CU
Propiedad de cohesión.
DSHA
Metodología Deterministic Seismic Hazard Analysis
e
Presión de Poros.
ESRI
Environmental Systems Research Institute.
GIISAG
Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica y Amenazas Geo ambientales.
GPS
Sistemas de Posicionamiento Global.
GSK
Ground Shake Map
GTIS
Sistema de Información Geotécnica.
IC
Indice de Consistencia.
IGAC
Instituto Geográfico Agustín Codazzi.
INGEOMINAS Instituto en Geociencias, Minería y Química. IP
Índice Plástico.
LL
Límite Líquido.
MDE
Modelo digital de elevación.
MDG
Modelo digital geológico.
NSR-10
Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente.
NSR-98
Reglamento de Construcción Sismo Resistente 1998.
PDE
Preliminary Determination of Epicenters.
POT
Plan de Ordenamiento Territorial.
Qfl
Depósito Cuaternario Fluvio Lacustre.
Qal
Depósito Cuaternario Aluvial.
Qc
Depósito Cuaternario Coluvial.
SEV
Sondeos eléctricos verticales.
SGC
Servicio Geológico Colombiano.
SIG
Sistemas de Información Geográfica. 12
SPT
El ensayo de penetración estándar (del inglés Standard Penetración Test).
SISRA
Programa para la Mitigación de los Efectos de los terremotos de la Región Andina.
Tc
Formación Geológica Cacho.
Tb
Formación Geológica Bogotá.
Tst
Formación Geológica Tilatá.
UNM
Universidad de Minessota
UPES
Unidad de Prevención y Atención de Emergencias.
UPTC
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.
USCS
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos.
Vs
Velocidad de onda de corte.
Wn
Humedad Natural.
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1. INTRODUCCION
1.1 ANTECEDENTES
Colombia, por su posición geográfica, es atravesada por la cordillera de Los Andes, en la cual se encuentran situadas las más importantes capitales de departamentos, centros de producción industrial y grandes centros poblados. El país bordea el Cinturon de Fuego del Pacifico donde chocan las placas de Nazca y Suramericana y en la costa Atlántica limita con la placa Caribe, motivos por los cuales se encuentra expuesto a diferentes fenomenos naturales como sismos, tsunamis, y deslizamientos entre otros (López Ramírez, Reyes Echeverria, y Ramírez, 2001). El 31 de marzo de 1983, la ciudad de Popayán (ubicada al suroeste del país), sufrió un sismo de magnitud 5.5 en la escala de Richter dejando aproximadamente 300 muertos y mas de 10,000 personas daminificadas (Cardona Arboleda, 2004) . A raíz de la ocurrencia del sismo, con la ley 11 de 1983 se promulgan las pautas de reconstrucción de dicha ciudad, asi mismo dá origen al Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes CCCSR-84 mediante el Decreto 1400 de 1984 (Contreras, 2018). En el año de 1997, la Unidad de Prevención y Atención de Emergencias (UPES), el Instituto en Geociencias, Minería y Química (INGEOMINAS) y la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes, atendiendo la solicitud distrital de generar una estrategia para la prevención y atención de desastres por riesgo 14
sísmico de la ciudad de Bogotá, presentan los resultados del convenio: Microzonificación Sísmica de la ciudad de Santafé de Bogotá donde se delimitan 5 zonas de comportamiento homogéneo del suelo en la ciudad. Cada zona establece parámetros particulares para el diseño y construcción de edificaciones y líneas vitales (UPES, INGEOMINAS, y UNIANDES, 1997). A través del tiempo, el CCCSR-84 demostró ser insuficiente y debió ser actualizado. Por esta necesidad, fue aprobada por el Congreso de la República la Ley 400 de 1997 que corresponde al Reglamento de Construcción Sismo Resistente (AIS, 1997), sustituyendo al CCCSR de 1984. El 25 de enero de 1999 el eje cafetero de Colombia, que corresponde a los departamentos de Quindío, Risaralda y Caldas ubicados sobre la Cordillera Central de los Andes, sufrió un sismo con magnitud de 6.4 grados en la escala de Richter. La ciudad de Armenia, capital del departamento del Quindío fue la más afectada con cifras aproximadas de 1,000 muertos, 4,000 heridos y cerca de 13,000 edificaciones afectadas (Cardona Arboleda, 2004). El Decreto 926 del 19 de marzo de 2010, promulgó El Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10) (AIS, 2010). Posteriormente al decreto 926 de 2010 han sido introducidas modificaciones en los decretos 2525 del 13 de julio de 2010, 092 del 17 de enero de 2011 y 340 del 13 de febrero de 2012. En la NSR-10 se incluye un nuevo mapa de sismicidad elaborado por la Red Sismológica Nacional, que permitió identificar de manera más acertada las zonas de amenaza sísmica en Colombia. Para realizar este mapa, se registraron entre 1995 y el 2009 alrededor de 22,000 eventos adicionales que permitieron realizar un mejor estimativo (Aguirre Patiño, 2012). Tunja, capital del departamento de Boyacá, ha registrado en los últimos 30 años 3 sismos de baja intensidad. Así mismo la ciudad se encuentra a 160 km de La Mesa de los Santos. En dicha zona se encuentra el nido sísmico de Bucaramanga donde se presenta el 50% de los movimientos telúricos que se registran en el país. La razón de esta actividad es que muy profundamente hay una gran lámina de rocas 15
que todavía está fría y que al romperse producen sismos (Instituto Geofisico Universidad Javeriana, 2000). La NSR – 10 (AIS, 2010) establece que para capitales de departamento localizadas en zona de amenaza intermedia y alta, deberán armonizar los instrumentos de planificación para el ordenamiento territorial con un estudio de microzonificación sísmica. En la actualidad la ciudad de Tunja (Colombia) cuenta con datos de caracterización geotécnica y geológica de forma dispersa y sin ningún tratamiento geoespacial que establezca información base para la toma de decisiones de planificación. Según el Instituto Geofisico Universidad Javeriana (2000), en los últimos 500 años se han presentado un número importante de eventos sísmicos en la zona de estudio. Catálogos sísmicos del Programa para la Mitigación de los Efectos de los terremotos de la Región Andina (SISRA) registran 253 temblores entre 1643 y 1981 con magnitudes variables entre 2.0 y 5.5 con un promedio de un sismo cada dos años. Catálogos del Preliminary Determination of Epicenters (PDE) muestran que entre 1973 y 2005 se presentaron en la misma zona 28 sismos con magnitudes que varían de 3.7 a 5.8 con un promedio aproximado de un sismo por año.
1.2 OBJETIVOS Y PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN
1.2.1. General Elaborar un modelo piloto de microzonificación sísmica para la ciudad de Tunja, Colombia. 1.2.2. Especificos
Formular una geodatabase para la microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja.
Definir y caracterizar las variables geotécnicas propias de la zona caso de estudio para ser modeladas geoespacialmente. 16
Delimitar áreas con características geotecnicas homogeneas para los suelos de la ciudad de Tunja.
Sintetizar los resultados del análisis de susceptibilidad sísmica para facilitar la
comunicación
cumpliendo
con
los
estándares
nacionales
e
internacionales.
Construír modelos 3D con las propiedades geotécnicas índice mas importantes como herramienta para la toma de decisiones.
1.2.3.Preguntas de investigación 1. ¿Cuáles datos deberán ser incluidos en la geodatabase para la microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja?. 2. ¿Cuáles variables geotécnicas son las más adecuadas para modelar espacialmente para la microzonificación de la ciudad de Tunja?. 3. ¿Cuáles zonas de la ciudad de Tunja poseen suelos con comportamientos sísmicos homogéneos?. 4. ¿Cuál es la mejor forma de comunicar los resultados del modelo piloto de microzonificación?
1.3. HIPOTESIS Todos los tipos de suelos del valle del sinclinal de Tunja presentan un comportamiento homogéneo ante la ocurrencia de un sismo.
1.4. JUSTIFICACIÓN Tunja está ubicada en una región de amenaza sísmica intermedia, registra varios eventos sísmicos durante los cuales se han presentado daños significativos en algunas zonas específicas de la ciudad, en especial en el centro histórico que data de los años de 1500. 17
En el centro histórico de la ciudad, se ubican la sede de la Alcaldía Mayor de Tunja y la gobernación de Boyacá, entre otros principales edificaciones de entidades administrativas, museos, parques, iglesias y monumentos históricos de la época de la colonia, zonas de gran concentración de ciudadanos en las horas del día. El crecimiento urbano se ha desarrollado principalmente en el flanco oriental y en la zona plana del eje del sinclinal para uso residencial y comercial, con edificaciones que superan los 5 pisos de altura y con alta densidad poblacional. La investigación es necesaria ya que toda capital de departamento en Colombia deberá disponer de los estudios de microzonificación sísmica con el objetivo de contar con las herramientas e instrumentos para organizar y ejecutar el Plan de Ordenamiento Territorial (POT). Así mismo, para los constructores y diseñadores es fundamental conocer las propiedades y características de los suelos y los espectros de diseño estructural (respuesta del suelo ante un evento sísmico). Para los Consejos Departamentales, Distritales y Municipales para la gestión del riesgo acompañados por la ingeniería geotécnica, es indispensable localizar las zonas potenciales de suelos expansivos, licuación y movimientos de remoción en masa con el fin de delimitar zonas susceptibles de inestabilidad. Los resultados de la microzonificación sísmica benefiaciarán a la población de Tunja en general, dado que permitirán determinar con mejor precision las recomedaciones en el diseño y la construcción de edificaciones nuevas, asi como las pautas para el reforzamiento estructural de las edificaciones antiguas. La microzonificación sísmica será la base para la elaboración de los planes de prevención y atención de desastres en caso de un sismo, generando un nuevo conocimiento en el área de geotecnia y estructuras ante el comportamiento del suelo en Tunja en presencia de ondas sismicas. . En vista de las actuales circunstancias, se hace necesario disponer de una metodología para organizar la información primaria y secundaria necesaria para el estudio de microzonificación símica y contar con una herramienta de análisis espacial, eficiente y rápida que permita evaluar las zonas de riesgo por eventos sísmicos en la ciudad. Así mismo los resultados del estudio deberán ser publicables 18
por medios digitales y cartografía temática siguiendo los estándares del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC). Estos resultados deberán ser presentados a la comunidad científica con el fin de obtener retroalimentación para la realización de posibles análisis adicionales (web service) e informar a la comunidad en general sobre los avances en la planeación y evaluación de riesgos por amenazas sísmicas. El presente proyecto de Modelo Piloto de Microzonificación establece las bases para alimentar la geodatabase geotécnica, permitirá la validación de la caracterización de los suelos con la construcción de perfiles geotécnicos y así tener un acercamiento a una modelación en 3D del suelo de la ciudad
1.5.
ALCANCE
El conocimiento que se propone adquirir con el desarrollo de esta tesis se basa fundamentalmente en la zonificación de la ciudad, incluyendo un modelo 3D de los suelos de la misma a diferentes profundidades y basado en propiedades y parametros geotécnicos distintos. Según la disponibilidad de información respecto a coeficientes de aceleración y velocidades de onda será posible elaborar los mapas temáticos de aceleraciones y espectros de diseño. El proyecto busca ser la herramienta de soporte y apoyo para la toma de decisiones en cuanto al análisis de vulnerabilidad y riesgo, actividades posteriores al proyecto de microzonificación. La presente tesis inicia con la disposición de la cartografía básica y temática, el análisis de la estructura geológica local y regional, la zonificación por características geotécnicas a diferentes profundidades, modelo 3D de las propiedades de los suelos de la ciudad y termina con la presentación final de la cartografía temática a diferentes escalas según los objetivos de los análisis. La escala de trabajo es local abarcando el perimetro urbano de la ciudad de Tunja en el departamento de Boyacá – Colombia. Es necesario resaltar que, en la actualidad, se desarrollan las modelaciones geotécnicas y sísmicas por parte del Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica y Amenazas Geo ambientales (GIISAG) de la Universidad Pedagógica y 19
Tecnológica de Colombia (UPTC), sede Tunja, con el fin de encontrar los espectros de diseño estructural para las diferentes zonas de la ciudad de Tunja. Por tal motivo, los datos e información en éste aspecto estarán sujetos al avance de dichas modelaciones. Los ensayos geofísicos en campo con el fin de determinar la velocidad cortante de onda de diferentes estratos, estudio de microtrepidaciones y el análisis para la generación de los coeficientes de aceleración dependen del avance del convenio suscrito entre la Alcaldía de la ciudad y el grupo de investigación GIISAC debido a los altos costos y tiempo para la ejecución de los mismos. Por tal motivo, se plantea un modelo inicial de microzonificacion para la ciudad de Tunja, de tal manera que se actualice la geotadabase en el momento que se cuenten con los resultados de dichos ensayos. Las fuentes de consulta para la información secundaria serán estudios realizados por la Facultad de Ingeniería de la UPTC a traves de monografias de pregrado y postgrado e información disponible en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), el Servicio Geológico Colombiano (SGC), y la Secretaria de Planeación de Tunja. Los resultados de la tesis serán utilizados por el GIISAC con el fin de realizar las modelacions geotécnicas correspondientes y asi generar los espectros de diseño para cada zona homogenéa del suelo. La Alcaldia de Tunja podra hacer uso de los resultados para la actualizacion del POT y los Comités para la Gestión del Riesgo para elaborar estrategias para la prevención y atención de desastres por riesgo sísmico en la ciudad.
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2. REVISIÓN DE LA LITERATURA En la ingeniería geotécnica se realizan estudios de microzonificación sísmica en los cuales se pueden integrar herramientas de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) para el manejo de los datos, de tal manera que se pueda realizar un análisis espacial y permitir una mejor visualización de estos. Los proyectos de microzonificación sísmica permiten delimitar zonas con comportamientos de suelos similares ante la ocurrencia de un evento sísmico, con el fin de establecer en ellas recomendaciones para el diseño estructural y constructivo de las edificaciones. Adicionalmente se deben indentificar los probables fenómenos de inestabilidad y movimientos de remoción en masa originados por la ocurrencia del sismo de diseño (Montes Leguizamón y Villate Corredor, 2001).
2.1 MARCO CONCEPTUAL DE MICROZONIFICACIÓN A continuación se hace una breve descripción de los conceptos de estudios de microzonificación y pasos generales para ello, siguiendo los lineamientos de Robles Mendoza y Jimenez Velásquez (2017).
21
Los estudios de microzonificación sísmica tienen como objetivo establecer las frecuencias naturales del suelo y asi generar una estimación de las posibles amplificaciones relativas en la ocurrencia de un sismo. Asi mismo, permite identificar la respuesta dinámica del suelo ante eventos sísmicos fuertes y las posibles efectos inducidos por fallas, licuación etc, y evalua y cuantifica la peligrosidad de éstos. Esta respuesta de los suelos es conocida como efectos de sitio, y está definida por las características geomorfológicas y litológicas de la región (Sistema Nacional de protección Civil de México, s.f). Para la evaluación de los efectos locales generados por un sismo, se debe incluir dentro de la investigación, como mínimo, los siguientes aspectos (Robles Mendoza y Jimenez Velásquez, 2017; AIS, 2010):
1. Geología La columna estratigráfica de cada uno de los depósitos geológicos de la ciudad de estudio, con el fin de conocer las capas subyacentes y tipos de materiales sobre los cuales se encuentra asentada la zona. El estudio de la geología local permite realizar un análisis rápido y preciso con el fin de seleccionar los puntos de medición y exploración. Así mismo, permite detallar más la microzonificación generando un mapa superponiendo los resultados de campo. Para definir espesores y la columna estratigráfica, se emplea los resultados de sondeos o perforaciones geotécnicas, o producto de exploraciones para pozos de aguas, suministrados por entidades gubernamentales encargadas para tal fin. Si la información tiene una fuente confiable y está distribuida espacialmente de forma razonable, se podrá elaborar un mapa 3D con la variación de los espesores y posible configuración de las diferentes capas y estructura rocosa. 22
Dentro de la etapa de reconocimiento de campo, es importante georreferenciar puntos o zonas de probabilidad de ocurrencia de fenómenos de remoción en masa como deslizamientos de ladera, caídos o flujos de lodo y escombro. Los dos primeros casos pueden ocurrir como consecuencia de sismos intensos con epicentro a corta distancia (aproximadamente 100 km); los flujos de material térreo ocurren como consecuencia de lluvias abundantes o deshielo. 2. Geomorfología La geomorfología permite establecer zonas de posibles ampliaciones de las ondas sísmicas como, por ejemplo, valles aluviales con grandes espesores de sedimentos blandos (arcillas, arenas y limos), como producto se generaría un mapa con la delimitación de estas zonas de depósitos cuarternarios principalmente. Asi mismo, los mapas de pendientes permiten interpretar el origen de los depósitos sedimentarios y su disposición actual, ya que éstos materiales modificaran la respuesta sísmica en todos los tipos de terreno presentes en el área de estudio. 3. Geotecnia Con la exploración del subsuelo y los correspondientes ensayos de laboratorio, es posible establecer una base de datos espacial con la siguiente información:
Módulo de rigidez
Resistencia a la penetración (N o Qc)
Densidad
Espesor
Velocidad de ondas de corte Vs
Profundidad del nivel freático, presión de poro, etc.
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4. Geofísica El plan de ensayos geofísicos permite determinar y correlacionar con mayor precisión la información superficial con información en profundidad y delimitar las zonas que pudieran sufrir mayor amplificación sísmica. Con este tipo de estudios, es posible establecer zonas homogéneas de:
Módulo de rigidez, módulos eleáticos
Espesor y distribución de las capas que componen el suelo
Velocidad de ondas Vp y de corte Vs
5. Registros históricos sismicidad. La serie histórica de sismos regionales, así como los datos recolectados por la red de acelerógrafos local, permiten conocer la distribución de epicentros que más afecten a la región, tanto de los bloques de placas, como de las fallas geológicas activas de la región. 6. Otros insumos Toda la información geoespacial deberá ser recolectada en una base de datos para la implementación de un SIG y posterior generación de la cartografía digital. Así mismo, la utilidad de éstos será en etapas posteriores para estudios sobre susceptibilidad, vulnerabilidad y riesgo. El personal necesario estará compuesto por un equipo multidisciplinario (Geólogos, Sismólogos, Geofísicos, Geógrafos, etc.), especialistas en cada materia, tanto por la necesidad de manejar instrumentos para la adquisición de datos, y lo más importante para el análisis de la información e interpretación de resultados. 24
Como resultado de un estudio de microzonificación se encuentra un mapa de zonificacion de acuerdo al rango de frecuencia en que se presenta la máxima amplitud de onda, por ejemplo: Zona firme Zona donde la roca se encuentra expuesta o a una profundidad muy corta, donde, en teoría no debería haber ningún efecto de amplitud de ondas notorias con efectos mínimos sobre la infraestructura en superficie. Está zona representará un nivel de peligro sísmico bajo. Zona moderada Zonas que presentan un máximo espectral característico de zonas tales como abanicos, terrazas antiguas. Los efectos simicos serán bajo en superficie con un nivel de peligro bajo. Zona blanda Zonas de mayor ampliación de las ondas símicas, suelos sin consolidar con niveles de agua altos susceptibles a licuefacción. El riesgo es alto para las estructuras en superficie. Finalmente se realizan las conclusiones determinando los resultados con las zonas geológicas de la zona de estudio y sus recomendaciones ante eventos sísmicos.
2.2 PROPUESTAS METODOLOGICAS A NIVEL INTERNACIONAL En un recuento mundial de estudios de microzonificación sísmica, en el Norte de Anatolia, Turk, Gümüşay, y Tatar (2012) analizaron la importancia del uso de las fotografías aéreas en los estudios de microzonificación sísmica, y la integración de los datos en un SIG. Estos autores desarrollan un modelo basado en el uso de los SIG con el objetivo de determinar las zonas urbanas de Erbba (Turquía) con riesgo de desastre por fenómenos naturales. Así mismo es la herramienta base para los 25
posteriores estudios de microzonificación sísmica y planeamiento del territorio urbano. Mediante la evaluación e integración de datos geotécnicos, geológicos, fotografías
aéreas,
datos
topográficos,
historia
de
eventos
sísmicos,
microtemblores y exploraciones geotécnicas entre otros parámetros, es posible detectar zonas potenciales de licuefacción del suelo en el área de estudio. Sin embargo, se encontró en la evaluación de fotografías aéreas de 1972 y 2006, y la integración de estos datos con los SIG, que una urbanización considerablemente densa se ha desarrollado cada vez más hacia la localización de la falla geológica. El estudio reveló las zonas potenciales para la licuefacción del suelo. Turk et al. (2012) presentan una metodología de microzonificación que se observa en la Figura 1, donde el eje fundamental de análisis y generación de resultados es el SIG. Como complemento, el estudio incorpora la herramienta Model Builder de ArcGIS 9.2 con el fin de facilitar las operaciones de análisis espacial y delimitación de zonas con riesgo de terremotos. Los resultados son los mapas de dirección del crecimiento urbano de la ciudad, zonas de potencial licuefacción, el porcentaje de edificaciones en riesgo por sismo y recomendaciones para la ubicación de nueva infraestructura. Según Turk (2009), los desastres están directamente relacionados con la ubicación geográfica. Por lo tanto, los datos geográficos antes y después de un desastre son necesarios para estimar la vulnerabilidad antes del evento y cuantificar los daños después de él. La adquisición precisa y rápida de estos datos tiene un directo impacto en el éxito de los planes para el futuro. En tales casos, fotografías aéreas e imágenes de satélite han sido aceptadas como fuentes de datos geográficos indispensables. Por lo tanto, para que las medidas necesarias puedan ser tomadas en el menor tiempo y con la mayor eficiencia, se requiere de la integración entre las fotografías aéreas, las imágenes de satélite, los datos geológicos y los datos geotécnicos en un entorno SIG. La confiabilidad de los datos que se introducen en un SIG es parte fundamental en los procesos de análisis 26
geográfico, estos se obtienen a partir de fuentes diferentes como fotografías aéreas, imágenes de satélite, escaneo laser, sistemas de posicionamiento global (GPS), mediciones terrestres y digitalizaciones de mapas, los cuales deberán tener un tratamiento y procesamiento especial.
Figura 1. Modelo basado en SIG propuesto para microzonificación sísmica. Fuente: Turk et al. (2012).
Las investigaciones sobre ingeniería geotécnica son en casos específicos investigaciones que abarcan una extensión espacial muy grande, en este tipo de estudios, donde los componentes de análisis espacial s o n m u y densos, los 27
SIG han surgido como ayuda fundamental; sin embargo, el avance científico de los SIG se ha enfocado con más rigurosidad en disciplinas tales como: Ingeniería ambiental, ordenamiento territorial, cartografía y ciencias agropecuarias. Este hecho muestra que, aunque existen avances de SIG en geotecnia, estos avances han sido lentos y no han llamado la suficiente atención de los desarrolladores de software para SIG que permitirán avances más rápidos y accesibles a toda la comunidad en temáticas específicas como la modelación en 3D. Por ejemplo, Kaufmann y Martin (2008) presentan una metodología que se observa en la figura 2, la cual permite integrar mapas geológicos, perfiles estratigráficos 2D, registros de exploraciones del subsuelo y demás datos análogos y digitales de uso común con el fin de construir un modelo 3D geológico a través de herramientas SIG denominadas Geomodeler. Las herramientas base de la metodología propuesta es la creación de una base de datos con los atributos de cada pozo de exploración, luego con ArcGIS se elaboran los límites y extensiones de las formaciones geológicas, se digitalizan los perfiles o cortes geológicos y se elabora el modelo digital de elevación; y el Geomodeler realiza la interacción e integración de los datos, permite reinterpretación y validación del modelo 3D. Otros estudios como el desarrollado por Jiménez, Garcıa ́ -Fernández, Zonno, y Cella (2000) han integrado modelos geológicos 3D como insumo para la modelación de eventos sísmicos en proyectos de microzonificación. En el proyecto de microzonificación sísmica de Bucarest, Kienzle et al. (2006) implementaron herramientas SIG para el modelamiento 3D de la geología e hidrogeología de la ciudad, denominado Modelo Digital Geológico (MDG) a partir de información de exploraciones geotécnicas, digitalización de mapas, cortes geológicos y bases de datos de sondeos geotécnicos a diferentes profundidades. La figura 3 muestra el modelamiento 3D de la litología de la ciudad de Bucarest. Las herramientas SIG empleadas fueron interpolación Kriging y extensión TOPOGRID de la empresa de software Environmental Systems Research Institute 28
(ESRI). El modelo resultante incluye no solo información acerca de la profundidad y espesor de las diferentes unidades geológicas, sino también los datos hidrogeológicos.
Figura 2. Metodología desarrollada por (Kaufmann y Martin, 2008).
Otros estudios presentan metodologías más complejas para la integración de herramientas SIG en los estudios de microzonificación sísmica. Nath (2005) incluye dentro de su metodología la ponderación o pesos a los atributos espaciales de: Pendiente, tipo de suelo, litología, deslizamientos, respuesta del sitio, aceleración máxima del terreno y resonancia, para finalmente realizar análisis de superposición, combinación e integración entre las capas resultantes.
29
Figura 3. Vista 3D de la estratigrafía. Modelo de Kienzle et al., 2006.
Los actuales estudios de microzonificación sísmica con herramientas SIG están basados en metodologías particulares adaptados a las singularidades de cada región y a los datos espaciales disponibles. Karimzadeh, Miyajima, Hassanzadeh, Amiraslanzadeh, y Kamel (2014) presentan una metodología basada en 3 pasos: Elaboración de la geodatabase con la inclusión de la mayor cantidad de atributos espaciales, análisis sísmico y análisis de vulnerabilidad, la cual se observa en la Figura 4. En la primera etapa se emplean herramientas de interpolación espacial (kriging) para elaborar los mapas temáticos de geología, topografía, pendientes, profundidad del aluvión, profundidad del nivel freático y el mapa de material sedimentario. Dentro del análisis sísmico, ArcGIS es empleado como herramienta para generar el mapa de sismos denominado: Ground Shake Map (GSK), insumo inicial dentro de la metodología Deterministic Seismic Hazard Analysis (DSHA) empleada en zonas de alta actividad sísmica. En la tercera etapa, análisis de vulnerabilidad, 30
ArcGIS permite superponer las capas de: Tipo de construcción (acero, mampostería, concreto, etc), mapa de terremotos, población y con el apoyo de las curvas de fragilidad de cada tipo de material de construcción determina el porcentaje de daño para cada escenario propuesto.
Figura 4. Diagrama de flujo para Microzonificación de Karimzadeh et al., 2014
2.3 ESTUDIOS
DE
MICROZONIFICACION
SISMICA
A
NIVEL
INTERNACIONAL Kılıç,Özener, Ansal, Yıldırım, Özaydın y Adatepe (2006) llevaron a cabo en Turquía una investigación donde el SIG fue capaz de almacenar información geotécnica de 107 sondeos que incluyen ensayos estáticos y dinámicos de laboratorio y campo, análisis de la tectónica del sitio, análisis de agua subterránea y nivel 31
freático, análisis de pendientes y lecho de roca. La evaluación dinámica con SIG consistió en el mapeo de la variación de la velocidad de onda de corte, clasificación de sitios, análisis de respuesta en sitio, simulación de sismo, análisis de la microzonificación respecto al movimiento del suelo y evaluación de los mapas de microzonificación sísmica. El estudio determinó además de la microzonificación sísmica, la gran capacidad de los SIG para almacenar y analizar información georeferenciada. En Asia, en la región China de Wushan, Li y Zhou, (2012) realizaron un estudio de estabilidad de taludes en donde los datos más representativos fueron raster representados en Modelos Digitales de elevación (MDEs) y mapas de pendientes dentro de un marco de base de datos geográfica de un SIG, el cual fue denominado Wushan County. Para este estudio se determinaron distintos métodos de cálculo estadístico apropiados para los materiales presentes en el sitio, se realizó con el SIG un análisis de fenómenos de remoción en masa con los datos raster que fueron vectorizados para obtener una mejor visualización. Wushan County ahora es una fuente de consulta y toma de decisiones ingenieriles para la zona de estudio debido a su alta capacidad de actualización, este hecho fortalece el uso de la teledetección y los datos raster en estudio de la geotecnia y la geología. Hoy en día se encuentran en auge las investigaciones del suelo y del subsuelo con SIG, la ingeniería geotécnica demanda cada vez más de caracterizaciones del suelo y de su modelamiento para adelantar proyectos de carácter ambiental o de nuevas infraestructuras. Es así como en Asia se ha hecho un uso extensivo de los SIG aplicados a la geotecnia, evidencia de esto son investigaciones como la realizada en la ciudad de Mumbai (India) por Mhaske y Choudhury, (2011) sobre las velocidades de onda de corte en el suelo como aporte al estudio macro de amenaza sísmica de la cuidad, determinando que el suelo posee velocidades de onda de corte entre los 110 y 350 m/s, la información necesaria para la investigación proviene principalmente de 400 sondeos almacenados en una base de datos, graficada en mapas de contorno de velocidad, analizada espacialmente 32
y validada, todo por medio de un SIG. Otro ejemplo se presenta en China donde Cheng, Zhang, y Peng (2013) han comprobado la validez de los SIG en estudios geotécnicos. En esta investigación se usó ArcGIS para determinar la amenaza geológica. Se compararon los resultados del software con los fenómenos naturales ocurridos, encontrando una similitud bastante alta validando finalmente los SIG en este tipo de estudios de evaluación de indicadores cualitativos. Estos indicadores incluyen datos cuantitativos los cuales pueden ser: Inclinación y altura de la pendiente o la precipitación; éstos deben ser clasificados de acuerdo con un índice de evaluación. Por lo tanto, los indicadores deben tener un valor de importancia asignado. Por ejemplo, para el gradiente, altura y tipo de pendiente, estructura de la roca y suelo, vegetación, precipitación, e impacto de las actividades humanas de la ingeniería. Una ventaja importante de los procesos con SIG son las herramientas de análisis espacial y geoestadística. En diversas partes del mundo se han usado este tipo de herramientas. Entre ellos se destaca el realizado en Tokio (Japón), Pokhrel, Kuwano, y Tachibana (2013) quienes desarrollaron una metodología por medio del método Kriging. Se interpolan datos provenientes de múltiples sondeos para calcular el potencial de licuefacción en ubicaciones no muestreadas. Este estudio determinó que el método de interpolación Kriging es un método adecuado e imparcial para interpolar valores de potencial de licuefacción en el sitio de estudio.
En la ciudad de Gyeongju (Corea del Sur) Sun, Chun, Ha, Chung, y Kim (2008) desarrollaron una herramienta SIG denominada “Sistema de información geotécnica GTIS” con el fin de predecir amenazas sísmicas. El pilar de esta investigación fue el uso del método geoestadístico Kriging para la interpolación de variables como cotas topográficas, lecho de roca, coeficientes de aceleración de ondas, entre otras. Esta investigación comparó el análisis de los datos con otros 33
tipos de interpolación tradicionales concluyendo que el Kriging es el método de interpolación más acertado en las predicciones. Así se verificó la utilidad de la GTIS como instrumento regional de síntesis para su uso en la planificación de los riesgos sísmicos. Finalmente el aplicativo realizó la visualización correspondiente de los resultados por medio de mapas temáticos. En un estudio en el canal de Zayed, Labib y Nashed (2013) determinaron el potencial de expansión del suelo, mediante la creación de una base de datos geoespaciales con las propiedades de las arcillas presentes en la zona de estudio, para luego modelar por medio de mapas las propiedades de éstas en la zona de estudio. Los autores concluyeron que los SIG pueden ser utilizados con eficacia para visualizar y analizar los resultados de los estudios experimentales y de inspecciones in situ. Esta afirmación es coincidente con resultados de otras investigaciones similares donde se ha de resaltar el de Cartaya, Méndez, y Pacheco, (2006). En este último documento sobre la modelación de zonificación de la susceptibilidad a los procesos de remoción en masa, los autores concluyeron que las aplicaciones SIG son una herramienta fundamental cuando se requiera modelar diversas variables, principalmente por la gran cantidad de datos que es posible procesar con el fin de realizar procesos de superposición y algebra de mapas como resultados cartográficos finales. Otras conclusiones de experiencias internacionales evidencian la necesidad de la difusión de la información para compartir con usuarios expertos y no expertos, con el fin de profundizar más en los estudios de microzonificación y que expertos del tema puedan re-orientar dichas investigaciones. Una de esas aplicaciones son los paquetes WebGIS es difundir datos geográficos entre el público general y específico del área de interés, sin la necesidad de contar con software SIG, de tal forma que se realicen consultas interactivas en línea. Más de 30 diferentes paquetes WebGIS están disponibles en la actualidad (Pessina y Meroni, 2009). Entre estos, los más populares y de éxito comercial son: ESRI, 34
ArcIMS, Intergraph, GeoMedia Mapa web y AutoDesk MapGuide, mientras que la UNM (Universidad de Minessota) MapServer es una aplicación de código abierto que ha sido ampliamente adoptada. En los análisis de riesgo por sismo, donde un alto nivel de criterios de profesionales multidisciplinarios e interdisciplinarios se requiere, la tecnología WebGIS permite interactuar de forma sincrónica y asincrónica de tal manera que los aportes enriquezcan los resultados finales de los estudios. Así mismo la constante actualización de las bases de datos provee resultados más precisos y accesibles a la población objetivo.
2.4 EXPERIENCIAS REGIONALES En Latinoamérica se valida la importancia de los SIG en la geotecnia, Cartaya et al. (2006) sostienen que los SIG son un apoyo importante y eficaz para la modelación de diferentes variables por su capacidad de procesar grandes volúmenes de información, su capacidad de generar topología y la habilidad de superposición de escenarios mediante técnicas de algebras de mapas. Esta afirmación coincide con Torres, Suescún, y Castillo (2006) quienes manifiestan que los SIG tienen características que los hacen un apoyo muy importante en diferentes proyectos de la ingeniería civil. Así mismo, su uso no ha sido totalmente explorado desaprovechando el gran potencial de éstos en la resolución de problemas ingenieriles principalmente por el poco conocimiento de éstas herramientas. Estas conclusiones dejan abierta la discusión del uso de tecnologías modernas como los SIG en metodologías tradicionales de análisis avanzados en las ciencias de la tierra. Finalmente,
en
Colombia
se
han
desarrollado
investigaciones
sobre
microzonificación y uso de los SIG en la parte del eje cafetero y centro del país como a continuación se destacan algunos de los proyectos más representativos. Slob, Hack, Scarpas, van Bemmelen, y Duque (2002) evalúan, mediante un SIG, los daños que causó un terremoto en la Ciudad de Armenia (Colombia). Los autores proponen un método donde observan la variación espacial de las respuestas sísmicas del sitio, dicha información se puede utilizar como base para 35
la cartografía de microzonificación sísmica. Ellos determinaron la variación espacial de la aceleración espectral para diferentes frecuencias, mediante observaciones después del terremoto de la ciudad en enero de 1999. Farbiarz, Jaramillo, y Villarraga (2000) midieron módulos de rigidez y propiedades de amortiguamiento del
suelo,
para determinar las
características
del
comportamiento dinámico de los suelos de la ciudad de Medellín, Colombia y así establecer las aceleraciones máximas. Mediante estos estudios se pudo observar la asombrosa variedad de los suelos y la amplia variación de sus características. Algunas de las secciones estudiadas presentan características como, baja plasticidad y presentan periodos en el extremo más corto del espectro. Por ello lograron establecer aceleraciones máximas que varían entre 0.18 g y 0.38, todo esto con la ayuda de los SIG. Para la ciudad de Tunja, se ha realizado el Estudio de microzonificación Sísmica Preliminar del Instituto Geofisico Universidad Javeriana (2000). La investigación se basó en la norma para estudios de microzonificación sísmica de la Association Francaise Du Genie Parasismique (AFPS) con un nivel de detalle tipo A (nivel bajo de detalle a partir de recopilación e interpretación de la información existente). Como primer paso recopiló la información de eventos sísmicos previos ocurridos en la zona de interés, análisis de la geología, geomorfología y geotecnia y la probabilidad de ocurrencia de eventos de remoción en masa inducidos por sismos. Adicionalmente se realizaron análisis de fotointerpretación geológica, estadísticas de la población y clasificación de los tipos de suelo. Otros estudios preliminares han buscado la caracterización geotécnica de diferentes sectores de la ciudad (Dallos Morantes y Niño Plazas, 2009). Rincón Arango (2000) y Montes Leguizamón y Villate Corredor (2001) cuentan con información secundaria de datos geotécnicos y geológicos de zonas particulares de la ciudad. Los estudios morfométricos y morfodinámicos de la ciudad de Tunja (Torres Rincón y Cáceres Cárdenas, 2005; Corredor Castellanos y Salamanca Garcia, 2003; 36
Bautista Rubiano y Roberto Flórez, 2003) zonifican las cárcavas y los rellenos antrópicos que se han realizado con el fin de permitir la expansión urbana principalmente con usos residenciales. Los inventarios de fenómenos de remoción en masa (Dallos Morantes y Niño Plazas, 2009) permiten la localización y evaluación de la susceptibilidad de riesgo de activación en la eventualidad de un sismo.
37
3. METODOLOGIA
La metodología desarrollada en el presente proyecto de investigación consta de tres partes fundamentales: Recolección y procesamiento de datos e información primaria y secundaria con el fin de establecer la geodatabase geotécnica, la definición de las variables geotécnicas a modelar en función de la disponibilidad de la información, la calidad de la misma y la dispersión dentro del área de estudio y el análisis y generación de cartografía delimitando zonas homogéneas y la elaboración de modelos 3D requeridos por los expertos para el modelo piloto de la microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja. La Figura 5 presenta el flujograma con las actividades desarrolladas en el proceso metodológico de la presente investigación. El desarrollo del estudio requiere implementar diferentes herramientas SIG, por lo cual fue necesario integrar información tipo vector como raster con bases de datos, con información tomada de diferentes fuentes de consulta. Así mismo de herramientas 3D para la presentación de modelos y ModelBuilder para la ejecución de rutinas y del modelo prototipo de microzonificación. La metodología se fundamenta en las experiencias internacionales y en el proceso y uso de herramientas SIG basado en las observaciones de Turk et al. (2012), Kaufmann y Martin (2008), Jiménez et al. (2000) de los ultimos años, dichas propuestas fundamentan la metodología de la presenta investigación. 38
Figura 5. Actividades modelo inicial de microzonificaciĂłn sĂsmica - Tunja.
39
La figura 5 esta basada en la metodología de 3 pasos propuesta por Karimzadeh et al. (2014): creación de la geodatabase, interpolación espacial y generación de resultados para el estudio de vulnerabilidad.
Por otro lado, Nath (2005) presenta una metodología basada en la ponderación o pesos a los atributos espaciales de: Pendiente, tipo de suelo, litología, deslizamientos, respuesta del sitio, aceleración máxima del terreno y resonancia, para finalmente realizar análisis de superposición, combinación e integración entre las capas resultantes. El modelo piloto de microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja tiene en cuenta ponderaciones para las variables de: propiedades geotécnicas índice, geología, parámetros dinámicos del suelo, usos del suelo y topografía; dichas ponderaciones son producto de la consulta mediante el método de Panel de expertos.
Se inicia con la búsqueda de información secundaria en las diferentes entidades públicas y privadas que administren datos geográficos, como Curadurías Urbanas, Alcaldía Mayor de Tunja, Universidades y estudios previos sobre el tema en el área de estudio. Para la creación de la base de datos geotécnica, se realizan las transformaciones necesarias a formatos vector y raster y las proyecciones a un mismo sistema coordenado. Para el procesamiento y análisis de la información, se hace uso de herramientas ArcGIS, principalmente interpolación espacial; se generan los shapes necesarios para cada variable a los diferentes intervalos de profundidad. El modelo inicial planteado para la microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja consiste en la inclusión de las siguientes variables, ponderadas a partir de la metodología de panel de expertos (Salcedo Patarroyo, 2017): 1. Variables de clasificación geotécnicas: 40
a. Índice de Consistencia (IC) b. Cohesión o resistencia al corte (CU) c. Límite Liquido (LL) d. Índice Plástico (IP) 2. Variables geológicas a. Depósitos y formaciones geológicas 3. Variables dinámicas del suelo a. Tipo de perfil de suelo a partir de correlaciones con Vs y SPT 4. Variables usos del suelo a. Suelos de relleno b. Suelos de cárcavas c. Suelos sin intervención 5. Variables topográficas a. Pendientes b. Profundidad de sondeos
Los expertos consultados para la determinación de variables características y sus ponderaciones son profesionales de la Alcaldía Mayor de Tunja, UPTC y Universidad Santo Tomas Sede Tunja. El siguiente paso del modelo es la incorporación de la variable tipo de perfil de suelo en función de la Vs, con el fin de incluir los parámetros dinámicos en el prototipo. Para la delimitación de áreas con características geotecnicas homogeneas para los suelos de la ciudad de Tunja, se empleara herramientas de raster calculator con el fin de agrupar en intervalos conocidos el valor del pixel resultandte y asi poder zonificar de una manera sistemática. Finalmente, para la elaboración de los modelos 3D de diferentes propiedades índice geotécnicas se emplean las herramientas ArcGIS de ArcScene, ArcHydro y la extensión AHGW. En los siguientes apartes se describe el desarrollo del proceso metodológico. 41
3.1. DEFINICIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO El área de estudio corresponde a la ciudad de Tunja, capital del departamento de Boyacá, Colombia. En la Figura 6 se observa los límites de la ciudad: hacia el norte se encuentran los municipios de Motavita y Cómbita, hacia el oriente limita con Oicatá, Chivatá, Soracá y Boyacá, hacia el sur con Ventaquemada y en el occidente se encuentran las zonas rurales de Samacá, Cucaita y Sora. En la zona rural del municipio de Tunja, se cuenta con las veredas de: Barón Gallero, Barón Germania, Chorroblanco, El Porvenir, La Esperanza, La Hoya, La Lajita, Pirgua, Runta y Tras del Alto (Alcaldía Mayor de Tunja, s.f (a)). En cuanto a las fuentes hídricas, el municipio de Tunja es atravesado de sur a norte por el río Jordan, mientras que el río La Vega va de occidente a oriente. La ciudad de Tunja se encuentra ubicada sobre la cordillera Oriental, en la parte central del Departamento de Boyacá, localizado a 05°32´7´´ de latitud norte y 73°22´04´´ de longitud oeste, con alturas que varían desde los 2.700 m.s.n.m. hasta 3.150 m.s.n.m., con una extensión de 121.4 Km2, y una temperatura de 13°C (Alcaldía Mayor de Tunja, s. f. (b)). Respecto a la geología las formaciones presentes en la zona de estudio hacen parte de la sucesión conformada por rocas de origen sedimentario depositadas durante el terciario y cuaternario, entre las cuales se encuentran: Formación Cacho (Tc), que aflora sobre el flanco occidental del sinclinal de Tunja sobre los lados adyacentes de la falla; Formación Bogotá (Tb) aflorando en ambos flancos del sinclinal de Tunja; Formación Tilatá (Tst) aflora y se encuentra discordante sobre la Tb en el flanco oriental del sinclinal de Tunja; del cuaternario, Depósito fluvio lacustre (Qfl); Deposito aluvial (Qal); Depósitos coluviales (Qc) (López Ramírez et al., 2001) Estructuralmente el área de estudio se encuentra dentro de La Cordillera Oriental, la cual fue levantada durante la orogenia andina, presentando una tectónica compleja lo cual se refleja por los diferentes tipos de fallas. Se encuentran las siguientes estructuras: Sinclinal de Tunja, Falla Tunja y Falla la Fuente. Sinclinal de Tunja, es una de las estructuras más importantes de la zona y corresponde a un 42
pliegue asimétrico en dirección aproximada N20°W. La Falla Tunja está formada por cizallamiento horizontal en dirección N30°W, está cubierta por la formación Tilatá y los depósitos cuaternarios con un desplazamiento de aproximadamente 400m, además corta los flancos del sinclinal en la parte central. Finalmente, Falla la Fuente es una pequeña falla de rumbo que desplaza la formación Bogotá (Instituto Geofisico Universidad Javeriana, 2000). La zona de estudio abarca diferentes alturas sobre el nivel del mar, comprende áreas ubicadas en los 2670 m.s.n.m. hasta los 3038 m.s.n.m. Las elevaciones más bajas se encuentran en la zona del eje del sinclinal de Tunja; de los 2696 a 2780 m.s.n.m. sectores de la Fuente, Los Cristales, Ciudadela Comfaboy, La Granja; y de los 2780 m.s.n.m. a los 3038 m.s.n.m. sectores de San Lázaro y San Rafael correspondiente al flaco occidental del sinclinal.
Figura 6. Localización Área de Estudio: Tunja, Boyacá.
43
3.2. RECOLECCION DE DATOS Se realizó la búsqueda de información secundaria en diferentes fuentes de información, como IGAC, Alcaldía de Tunja, UPTC de Colombia, curadurías urbanas, proyectos y estudios anteriores en la zona entre otros, con el fin de establecer el cubrimiento espacial, formatos disponibles, resoluciones, año y en general la calidad y confiabilidad de los datos. Dicha información se procesó y digitalizó a través de ArcGIS 10.3.
La Figura 7 muestra una panorámica de la ciudad de Tunja para la ubicación espacial de los lectores e interpretación de resultados en las secciones mas adelante.
Flanco Occidental Eje Sinclinal
Sinclinal
Flanco Oriental Sinclinal Centro Histórico
Nuevos desarrollos Urbanísticos
44
Figura 7. Ubicaciรณn de la ciudad de Tunja.
El resumen de la informaciรณn existente recopilada para la investigaciรณn se encuentra en la Tabla 1.
45
TEMA
INSUMO
Alcaldía de Tunja
División administrativa, vías y lotes catastrales
Cartografía formato DWG
2010
IGAC
Distribución predial
Archivo SHX
2013
Archivo SHX
2013
Archivo SHX
2013
Archivo SHX
2013
Archivo SHP
2013
Rellenos Antrópicos Archivo SHP
2013
Inventario de Fenómenos de Remoción en Masa
Archivo SHP
2013
Inventario de Fenómenos de Remoción en Masa
Erosión
Archivo SHP
2013
Inventario de zonas susceptibles a erosión
Sistemas de túneles Archivo SHP
2013
hidrología
Archivo SHP
2013
Taludes
Archivo SHP
2013
SRTMv2
Imagen resolución 30 m
2015
Amenaza por erosión Amenaza por inundación Estrato socioeconómico Cárcavas
Alcaldía de Tunja
NASA
AÑO
PROCESAMIENTO A REALIZAR
FUENTE
Digitalización límites municipales y mapa base Información predial y usos de suelo Información susceptibilidad erosión Información amenaza por inundación Estratificación de la ciudad Delimitación de áreas de cárcavas Delimitación de zonas de rellenos antrópicos
Inventario de bóvedas o túneles coloniales Inventario sistema de drenaje Inventario de zonas con taludes inestables Conversión a DEM
LANDSAT
Cobertura
Imagen LANDSAT
Análisis de coberturas y Varios desarrollo urbano multitemporal
Curadurías y laboratorios de suelos particulares
Localización de sondeos
Tabla con datos georeferenciados
Varios
Localización de los sondeos para estudios particulares
Geología
Mapa geológico regional
2012
Geología local
Sondeos profundos
Localización de sondeos profundos
2015
UPTC
Base de datos con la Datos geotécnicos y información geodinámicas geotécnica
2015
Georreferenciación de sondeos a más de 40 m de profundidad Información geotécnica y dinámica de los suelos sondeados a profundidades mayores de 40 m 46
FUENTE
TEMA
Curaduría
Inventario de tipo de edificaciones Densidad poblacional POT Licencias de construcción
SGC
INSUMO
AÑO
Imagen Geotiff
2016
Imagen Geotiff
2016
Imagen Geotiff
2016
Imagen Geotiff
2016
Sismicidad Reciente Listado de Excel
2016
PROCESAMIENTO A REALIZAR
Determinación del crecimiento urbano
Registro Histórico de sismos e intensidad en el área de estudio
Tabla 1. Información disponible para el análisis.
3.3. PROCESAMIENTO DE DATOS 3.3.1. Modelo Digital de elevación (MDE) Para la elaboración del MDE se empleó una ortofoto de Tunja del año 2015 suministrada por el IGAC con resolución de 30 metros sobre el sistema Magna Sirgas Colombia, en la proyección MAGNA_Tunja_Boyaca_1997. 3.3.2. Mapa de pendientes Se realizó la clasificación de las pendientes al reclasificar el DEM, de acuerdo con la metodología presentada por Jimenez (2010), la cual aplica para proyectos de zonificación y susceptibilidad por eventos de remoción en masa. La Tabla 2 indica la clasificación del terreno en función de las pendientes.
CLASIFICACIÓN Plana
RANGO DE PENDIENTE (%) 0 a 3.49
Suavemente inclinada Fuertemente Inclinada Montañosa Muy Montañosa Escarpada Muy escarpada
3.49 a 8.74 8.74 a 26.79 26. 79 a 46.63 46.63 a 70.02 70.02 a 274.74 >274.74
Tabla 2 Clasificación por pendiente.
47
3.3.3. Base de datos geotécnica La primera parte del procesamiento de la información existente consiste en la creación de la base de datos geotécnica (BDG). Para ello se utilizan los reportes de sondeos y ensayos de laboratorio realizados por empresas de consultoría particulares y almacenados en las Curadurías Urbanas No 1, 2 y 3 de la ciudad de Tunja cuyas profundidades de exploración no superan 20 metros (exploraciones superficiales). La información almacenada en la BDG consiste en la localización de los sondeos mediante coordenadas planas, identificación del sondeo y empresa que lo realizó, descripción del material, clasificación Sistema Unificado de Clasificación de Suelos USCS y atributo geotécnico evaluado (Humedad natural, límites de Atterberg, Standard Penetration Test SPT, cohesión, etc). CAMPO
NOMBRE
TIPO
Coordenada X
“Este” o “long”
Número
Coordenada Y
“Norte” o “lat”
Número
Identificador Único
ID_Sondeo
Número
Profundidad
Prof_m
Número
Descripción
D_material
Texto
Clasificación del suelo
USCS
Texto
Variable de estudio
*Varios
Número
Tabla 3. Configuración de tablas.
La BDG fue elaborada en Excel debido a la eficiencia en la captura de datos, contando además con las herramientas necesarias para hacer posteriores análisis estadísticos y crear tablas de intercambio con la plataforma SIG del software ArcGIS. Para cada parámetro geotécnico se crean libros de Excel independientes y en cada hoja se reclasifica según intervalos de profundidad de la muestra para análisis posteriores. En la Figura 8 se detalla la estructura de recopilación de la información para Límite Líquido (LL). En la Tabla 3 se muestran los atributos y las características de cada uno para la elaboración de la base de datos. 48
Posteriormente se realiza una corrección de la BDG, en busca de errores de digitación, consistencia, codificación y ortografía. Para ello se dispone de las herramientas de Excel de filtros y funciones de búsqueda y referencia. Finalmente, se ejecuta una etapa de homologación de palabras, que consiste en la estandarización de los códigos para la clasificación y terminología de identificación de los parámetros que caben dentro de la estructura de la BDG.
Atributos
Intervalo de profundidad
Figura 8. Estructura Excel para cada propiedad geotécnica en la BDG.
El resultado de esta búsqueda de información fue la obtención de 433 estudios de suelos incorporados en la BDG de toda la ciudad. Se observa en la Tabla 4 que el mayor porcentaje de sondeos están en profundidades de entre 0 a 7 metros. Los sondeos que tienen profundidad de exploración mayor a 20 m corresponden a la perforación de pozos de agua y sondeos eléctricos verticales (SEV).
49
RANGO PROFUNDIDAD DE EXPLORACIÓN (M)
CONTEO DE DATOS
PORCENTAJE
entre 0 y 3 3-5 m 5-7 m 7-9 m 9-11 m 11-15 m 15- 20 m >20 m TOTAL
18480 9358 4617 2535 2162 2108 1205 947 41412
44.62% 22.60% 11.15% 6.12% 5.22% 5.09% 2.91% 2.29% 100%
PORCENTAJE ACUMULADO 44.62% 67.22% 78.37% 84.49% 89.71% 94.80% 97.71% 100.00%
Tabla 4 Cantidad de datos por profundidad de sondeo.
Con los datos tabulados en formato XLS, se realiza la importación en ArcGIS para la creación de archivos shapefile (*.shp) de geometría punto conservando los campos de la hoja de Excel original en la tabla de atributos. Finalmente se realiza la georreferenciación de cada shapefile bajo la normatividad Colombiana en el datum MARGA SIRGAS, y MAGNA TUNJA 1992, y se crean los metadatos como se observa en la Figura 9.
Figura 9. Metadatos de BDG.
Adicionalmente se estableció otra BDG con los sondeos a mayor profundidad ejecutados dentro del objeto del convenio entre la Alcaldía de Tunja y la UPTC, de 50
los cuales se emplean para generar el modelo 3D de estratigrafía y modelos individuales para cada parámetro geotécnico definido como importante para el modelo inicial de microzonificación. La definición de los parámetros se realizó a partir del panel de experto del grupo GIISAG.
3.3.4. Interpolación espacial de parámetros geotécnicos De acuerdo con la metodología planteada y la BDG, se caracteriza la variación espacial de las propiedades geotécnicas índice, como lo son: Contenido de Wn(%), Límite Líquido (LL), límite de plasticidad (LP), índice plástico (IP), índice de consistencia (IC), presión de poros (e) y cohesión Cu (Kg/cm2), a diferentes profundidades. Se definen estas variables dado que son las propiedades estáticas básicas y conforman el conjunto de parámetros de caracterización de suelos. Para la caracterización y evaluación de las variables geotécnicas espacialmente se usó el software ArcGIS 10.4, se interpoló mediante el método kriging debido a que se obtienen interpretaciones más ajustadas a la realidad y con errores cuadráticos más bajos que los demás métodos de interpolación (Sun et al., 2008; Karimzadeh et al., 2014; Kienzle et al., 2006; Pokhrel et al., 2013). De acuerdo a la identificación estratigráfica según las condiciones geotécnicas, se escogen 8 rangos de profundidad para ver el desarrollo y variabilidad de los parámetros geotécnicos del área de estudio, los cuales son: 0 a 3 metros, 3 a 5 metros, 5 a 7 metros, 7 a 9 metros, 9 a 11 metros, 11 a 15 metros 15 a 20 metros y mayores a 20 metros. La selección de dichos intervalos obedece a la recomendación de los expertos en geotecnia para poder analizar la variabilidad de cada parámetro con la profundidad, dado que la información de sondeos no cuenta con muestras a las mismas profundidades.
En el presente Modelo Piloto no se pudo tener en cuenta el parámetro relación de vacíos (e) dado que se presentaron muy pocos datos en la base de datos BDG y al realizar los procesos de interpolación, en los limites espaciales, los datos no eran 51
coherentes.
A partir de la metodología de panel de expertos, se establecen las siguientes variables geotécnicas como las más relevantes para el presente estudio, las cuales son empleadas para la generación de la interpolación espacial: 1. Límite liquido (LL): Esta propiedad corresponde al contenido de agua expresado en porcentaje (%) con respecto al peso del suelo, donde el suelo pasa por una transición entre estado líquido y plástico (Berry y Reid, 1993). El análisis de dicha propiedad es importante ante un sismo, dado que las ondas vibratorias generarán reacomodación de partículas de suelo generando posiblemente un estado líquido con sus efectos de licuefacción. Para el presente estudio se adopta el Sistema Británico de Clasificación, para la reclasificación de los raster finales generados según las interpolaciones realizadas. En la Figura 10 y Tabla 5 se presenta la carta de plasticidad y el intervalo de clasificación de éste sistema según Berry y Reid (1993).
Figura 10. Sistema Británico de clasificacíon de suelos
DESCRIPCION
LL (%)
L –Baja plasticidad
<35
I – Plasticidad Intermedia
35 – 50 52
H â&#x20AC;&#x201C; Alta plasticidad
50 â&#x20AC;&#x201C; 70
V â&#x20AC;&#x201C; Muy alta plasticidad
70 â&#x20AC;&#x201C; 90
E â&#x20AC;&#x201C; Extremadamente alta plasticidad
>90
Tabla 5. Intervalos de clasificaciĂłn de suelos.
2. Ă?ndice de consistencia Relativa (IC): Se determina mediante la relaciĂłn entre la diferencia del lĂmite lĂquido y la humedad natural respecto al Ă?ndice PlĂĄstico (IP). La Tabla 6 presenta el intervalo de plasticidad segĂşn Das (2006), intervalos adoptados por muchos profesionales geotĂŠcnicos a nivel nacional.
đ??źđ??ś =
EcuaciĂłn 1
IC
DESCRIPCIĂ&#x201C;N
< 0.25
Suelo muy blando
0.25 â&#x20AC;&#x201C; 0.50
Suelo Blando
0.50 â&#x20AC;&#x201C; 0.75
Suelo de consistencia media
> 0.75
Suelo de consistencia rigida
Tabla 6 Intervalo Ă?ndice de Consistencia
3. Ă?ndice plĂĄstico (IP): Se determina mediante la diferencia entre LL y el lĂmite plĂĄstico, la Tabla 7 presenta el intervalo de plasticidad segĂşn Das (2006). IP
DESCRIPCIĂ&#x201C;N
0
No plĂĄstico
1â&#x20AC;&#x201C;5
Ligeramente plĂĄstico
5 â&#x20AC;&#x201C; 10
Baja plasticidad
10 â&#x20AC;&#x201C; 20
Media plasticidad
20 â&#x20AC;&#x201C; 40
Alta plasticidad
>40
Muy alta plasticidad
Tabla 7. Intervalo de plasticidad.
4. CohesiĂłn: Se utiliza para representar la resistencia al corte del suelo. Para la clasificaciĂłn de esta propiedad se utilizĂł la Tabla 8, en la cual se tiene la consistencia en kg/cm2 de acuerdo con DĂaz-Rodriguez (2014). 53
COHESION
Kg/cm2
Muy Blanda
< 0.128
Blanda
0.128 – 0.255
Media
0.255 – 0.510
Firme
0.510 – 1.02
Muy Firme
1.02 – 2.040
Dura
> 2.040
Tabla 8. Intervalo de clasificación Cohesión.
5. Relación de vacíos: La relación de vacío de un suelo es el volumen de suelo no ocupado por partículas sólidas. Cuanto mayor sea la relación de vacío más suelto es el suelo (Das, 2006). La Tabla 9 relaciona los intervalos del parámetro e y su clasificación (Das, 2006). RELACIÓN DE VACÍOS (e)
DESCRIPCIÓN
<0.5
Densa
0.5 – 0.8
Medio
0.8 – 1.2
Suelta
>1.2
Muy Suelta
Tabla 9. Intervalo de clasificación relación de vacíos.
6. Suelo de fundación: Esta variable de la BDG no es una propiedad del suelo natural, pero se incluye dado que la ciudad de Tunja presenta en sus flancos oriental y occidental procesos de remoción en masa tipo cárcavas las cuales han sido rellenadas en grandes zonas a causa de la expansión urbana. La determinación de estas zonas se realiza a partir de un análisis de fotografías áreas multitemporales. El intervalo de clasificación es cualitativo y se muestra en la Tabla 10. DESCRIPCION DEL SUELO Suelo Natural (sin proceso de erosión) Cárcava Relleno antrópico Tabla 10. Suelo de fundación.
54
7. Litología: Este parámetro se emplea dentro de la BDG con el fin de integrar la litología dentro del modelo inicial de microzonificación. La Tabla 11 muestra los depósitos geológicos de la ciudad. DEPOSITOS GEOLOGICOS Deposito Aluvial (QAl) Deposito Coluvial (QC) Deposito Fluvio Lacustre (QFL) Formación Tilata (Tt) Formación Bogotá (Tb) Formación Cacho (Tc) Formación Guaduas (Tg) Tabla 11. Geología ciudad de Tunja.
8. Velocidad de onda de corte (Vs): Es el parámetro dinámico que permite determinar el comportamiento local del suelo ante la aplicación de cargas dinámicas y sísmicas. Ante la dificultad actual de contar con datos dinámicos para la ciudad de Tunja, se determina su valor a partir de correlaciones con ensayos de penetración estándar (SPT) según las siguientes ecuaciones mostradas en la Tabla 12, las cuales han sido resumidas por Rincón Arango, (2000). Se escoje la ecuación formulada por Andrus por recomendación del panel de expertos del grupo GIISAG. INVESTIGADORES
CONDICIÓN
ECUACIÓN
Ohta y Goto 1978
Todos los suelos
85.34 N0.348
Yokota 1991
Todos los suelos
121 N0.27
Ohsaki y Iwasaki 1991
Todos los suelos
82 N0.39
Andrus 2004
Todos los suelos
87.8 N0.5
Imai y Tonouchi 1982
Todos los suelos
97 N0.31
Seed y Idriss
Todos los suelos
61 N0.5
Alfaro 2007
Todos los suelos
99.78 N0.383
Tabla 12. Correlaciones Vs y N del ensayo SPT. Fuente: Rincón Arango (2000)
55
Realizada la transformación a velocidad de onda de corte, se determina el tipo del perfil de suelo basado en la sección A.2.4.4 de la Norma de Construcción Sismo resistente de Colombia (AIS, 2010), según la Tabla 13. TIPO
DESCRIPCIÓN
Vs (m/s)
A
Perfil de Roca competente
Vs> 1500
B
Perfil de roca rigidez media
1500 > Vs>760
C
Perfil de suelo muy densos o roca blanda
760 >Vs > 360
D
Perfil de suelo rígido
360 > Vs > 180
EyF
Perfil que contiene un espesor total H de 3m de arcillas blandas /
180 > Vs
Perfiles que requieren una evaluación especial Tabla 13. Clasificación de los perfiles de suelo.
3.3.5. Procesamiento de fotografías aéreas multitemporales de Tunja Con el fin de determinar las zonas de cárcavas y las zonas de cárcavas rellenadas a través del tiempo (rellenos antrópicos), se emplean fotografías áreas de los años 1939, 1945, 1957, 1960, 1978, 1984, 1992 y 2005 en formato TIFF. Cada mosaico se georreferencia a partir de 7 a 13 puntos de control, con un error medio cuadrático promedio de 1.05. Luego de georeferenciar cada mosaico, se emplean las herramientas para la creación de las firmas espectrales y se aplica una clasificación supervisada. Por emplearse fotografías aéreas los resultados deberán ser analizados cuidadosamente editando las zonas clasificadas a partir de una inspección visual subjetiva. La Figura 11 muestra un ejemplo de la clasificación supervisada para la determinación de zonas de erosión en la zona sur este de la ciudad de Tunja para el año 1960. El color amarillo muestra las zonas de cárcavas. Con la comparación multitemporal y procesos de análisis espacial se determinan las zonas de rellenos antrópicos, es decir cárcavas rellenadas para ser empleadas en proyectos de urbanización.
56
Figura 11. Proceso de clasificaciĂłn supervisada, sector sur este â&#x20AC;&#x201C; Tunja 1960.
57
3.3.6. Modelo geoespacial para la microzonificación. El prototipo para la microzonificación sísmica de Tunja consiste en un modelo espacial donde inicialmente se genera un mapa de características geotécnicas incluyendo variables de clasificación ponderadas. La Figura 12 muestra el diagrama de flujo modelado para el intervalo de 0 a 3 metros en ModelBuilder de ArcGIS.
Las ponderaciones se justifican principalmente en que la plasticidad influye en mayor medida dado que es la propiedad que determina la deformación que presenta el material; el limite líquido y el índice de consistencia permiten la clasificación del suelo y la cohesión depende de la humedad del material en el momento de la toma de la muestra, dicha humedad natural es relativa y depende del clima.
Figura 12. Diagrama de flujo mapa Características Geotécnicas
58
La segunda etapa del prototipo consiste en la inclusión de las variables litológicas y de uso del suelo, en cada intervalo de profundidad establecido. La Figura 13 muestra el siguiente paso en el modelo para el ejemplo de profundidad 0 a 3 metros.
Las características geotécnicas determinadas en la primera etapa tienen una mayor importancia dado que es necesario conocer la estructuración de los materiales y su comportamiento de esfuerzos y deformaciones. El tipo de perfil de suelo es el parámetro dinámico del modelo y la litología es la variabilidad de los diferentes tipos de materiales del subsuelo dentro del área de estudio.
Figura 13. Diagrama de flujo mapa Respuesta comportamiento Local.
59
Con los resultados de comportamiento geotécnico local en cada intervalo definido de profundidad, se realiza una superposición de cada shapefile con el fin de obtener un único valor en cada pixel del raster. Se obtiene así el comportamiento Total del suelo. En la Figura 14 se presenta el modelo completo propuesto.
Figura 14. Diagrama de flujo superposición de intervalos de profundidad.
60
3.3.7. Modelos Geotecnicos 3D Para la modelacion 3D de las variables geotécnicas seleccionadas, se emplea ArcGIS 10.3, en sus modulos de ArcMAP y ArcScene, con el fin de brindar un apoyo a los geotecnistas para la evaluación de perfiles de suelo. La modelacion 3D se realiza mediante métodos de interpolación kriging en 2D y luego se visualiza a profundidad con una extrapolación del eje Z.
61
4. RESULTADOS Y DISCUSION
4.1 RESULTADOS 4.1.1 ANALSIS DE RESULTADOS INDIVIDUALES
4.1.1.1 Modelo digital de elevaciones. La Figura 15 muestra que la zona de estudio presenta alturas entre 2,670 a 3,030 m.s.n.m. Las elevaciones mรกs bajas se encuentran en la zona del eje del sinclinal de Tunja caracterizada por presentar una zona residencial de estratos 3 a 6; de los 2,696 a 2,780 m.s.n.m. sectores flanco occidental del sinclinal donde se ubican las zonas
de la Fuente, Los Cristales, Ciudadela Comfaboy, La Granja,
correspondientes a los flancos occidental del sinclinal y de los 2,780 m.s.n.m. a los 3,038 m.s.n.m. sectores de San Lรกzaro y San Rafael en los limites urbanos de la ciudad hacia el occidente. El centro histรณrico y administrativo de la ciudad se encuentran entre los 2,800 a 2,750 m.s.n.m y al sur la zona residencial estratos 1 a 3 entre los 2,750 y 2,900 m.s.n.m.
62
Figura 15 Modelo Digital de ElevaciĂłn de Tunja â&#x20AC;&#x201C; Zona Urbana.
63
4.1.1.2 Mapa de pendientes En la Figura 17 se muestra el mapa de pendientes de la zona urbana de la ciudad de Tunja, las pendientes varían entre un 0% al 64%. En las zonas del eje del sinclinal correspondiente a los depósitos cuaternarios Fluviolacustre y Aluvial las pendientes son planas. Al norte, el depósito Coluvial está caracterizado por pendientes suavemente a fuertemente inclinadas y la formación Bogotá, al occidente y sur son fuertemente inclinadas con zonas aisladas de pendientes montañosas. La formación Tilatá al oriente de la ciudad presenta pendientes planas a suavemente inclinadas. En general, la Figura 16 indica que la zona urbana de Tunja se encuentra en pendientes entre plana a fuertemente inclinadas. La Tabla 14 describe sectores de interés según su pendiente.
35%
32%
33%
33%
30% 25% 20% 15% 10% 5%
2%
0% Plana
Suavemente inclinada
Fuertemente Inclinada
Montañosa
0% Muy Montañosa
Figura 16 Porcentaje de pendientes.
64
Figura 17 Mapa de pendientes.
65
CLASIFICACIÓN
RANGO DE PENDIENTE SECTOR (%)
BARRIOS
Plana
0 a 3.49
Barrio Santa Inés, Eje del sinclinal de tunja, Mesopotamia, Las bordenado el Rio la Vega, zona de Quintas, Villa Olímpica, La los depositos Cuaternarios María
Suavemente inclinada
3.49 a 8.74
Eje del sinclinal de Tunja, sobre el pie de monte del flaco occidental Plaza de Norte, UPTC del sinclinal
Fuertemente Inclinada
8.74 a 26.79
Zona del pie de monte de los Barrio Los Rosales, Glorieta flancos oriental y occidental del Muisca, Vereda de Pirgua, sinclinal Tras del alto, barrio Héroes
Montañosa
26. 79 a 46.63
Parte alta del flanco occidental del San Lázaro, Bello sinclinar, sobre las formacions Horizonte, San Rafael Tilata
Muy Montañosa
46.63 a 70.02
Aislados y de poca área
Tabla 14 Distribución de pendientes.
4.1.1.3 Parámetros Geotécnicos En los análisis geotécnicos se evidenció una zona crítica entre la glorieta y los barrios Mesopotamia, Rincón de la Pradera, Sauces de la Pradera, Santa Inés, El Estadio, donde se presentan materiales con las siguientes características:
Contenido de agua mayores a 60%.
Límite líquido entre 35 a 70%.
Límite plástico entre 20 a 50%.
Índice plástico de 10 a mayores de 40%.
Cohesión entre 0,255 a 2,04 Kg/cm².
Son suelos de consistencia baja, plasticidades altas a extremadamente altas, con comportamientos de un líquido lo que podría tratarse de turbas y materiales orgánicos entre profundidades de 3 a 9 metros. 66
A continuaciรณn se presentan los resultados de las interpolaciones a cada intervalo de profundidad: La Figura 18 muestra la interpolaciรณn para LL y la Figura 19 muestra la interpolaciรณn para IC en cada intervalo de profundidad.
Figura 18. Variaciรณn del LL a diferentes profundidades en Tunja.
Figura 19. Variaciรณn de IC a diferentes profundidades en Tunja.
67
La Figura 20 muestra la interpolaci贸n para IP en cada intervalo de profundidad.
Figura 20. Variaci贸n de IP a diferentes profundidades en Tunja.
La Figura 21 muestra la interpolaci贸n para CU en cada intervalo de profundidad
Figura 21. Variaci贸n de CU a diferentes profundidades en Tunja.
68
La Figura 22 muestra la interpolación para e en cada intervalo de profundidad. Para éste parámetro, no se cuenta con datos a profundidades mayores de 10 metros, razón por la cual no es posible generar interpolaciónes en los mismos intervalos de las propiedades anteriormente mencionadas.
Figura 22. Variación de e a diferentes profundidades en Tunja.
4.1.1.4 Suelo de fundación. A partir del análisis de fotografías aéreas multitemporales, se observa en la Figura 23, que las zonas de cárcavas predominan hacia el flanco oriental del sinclinal, principalmente sobre la formación Tilatá, las cuales en un 40% han sido rellenadas para proyectos urbanísticos. En los barrios Cooservicios y San Antonio se presentan los mayores porcentajes de cárcavas rellenas. Por otro lado, en el flanco occidental del sinclinal, sobre la formación Bogotá, Cacho y el depósito Coluvial se presentan, en menor medida cárcavas rellenas para uso residencial, principalmente en los barrios Altamira y la Fuente. 69
Figura 23. Cรกrcavas y rellenos en Tunja.
70
4.1.1.5 Velocidad de onda de corte (Vs). La Figura 24 muestra el resultado del tipo de perfil de suelo a partir de la velocidad de onda de corte. En la ciudad de Tunja, predomina el tipo D, con zonas hacia los flancos del sinclinal con tipo de perfil de suelo C.
4.1.1.6 Litologia La Figura 25 muestra el mapa de litologĂa de la ciudad de Tunja, y su ubicaciĂłn espacial en 3D.
71
Figura 24. Tipo perfil de suelo en Tunja.
72
Figura 25. GeologĂa de Tunja.
73
4.1.2 MODELO GEOESPACIAL PARA LA MICROZONIFICACION La Figura 26 muestra los resultados parciales para cada intervalo de profundidad y la Figura 27 muestra el resultado total de la superposición de los diferentes intervalos de profundidad, como una suma de cada ráster final de intervalos. Los mapas de la Figura 26 son el resultado del comportamiento local del suelo de variables geotécnicas índice, con una ponderación de 22.5% LL, 22.5% IC, 35% IP y 20% CU, a diferentes intervalos de profundidad. La escala de colores indica: - Tonos claros (gama de colores morados) indican baja respuesta o suelos estables. - Tonos medios (gama de colores azules) indican respuesta media. - Tonos oscuros (gama de colores rojos) indican zonas de alta respuesta o alta incidencia de las propiedades índice geotécnicas ante un sismo. Se observa que, en suelos a poca profundidad o superficiales, se tiene gran incidencia de las propiedades índice sobre el centro de la ciudad y en el eje del sinclinal de Tunja en el depósito fluviolacustre. La incidencia media se observa hacia el flanco occidental del sinclinal sobre la formación Bogota. A medida que aumenta la profundidad, sobre los 7 m, se observa que se mantiene la incidencia alta sobre los suelos del eje del sinclinal en el depósito Fluviolacustre y Deposito aluvial y disminuye en los flancos oriental y occidental en las Formaciones Bogotá y Tilatá. Para mayores profundidades, hasta los 20 m, la incidencia de las propiedades índice aumenta hacia los flancos del sinclinal y en los depsoitos cuaternarios.
74
Figura 26. Mapas resultados parciales de comportamiento del suelo.
75
Figura 27. Mapa de superposiciĂłn Susceptibilidad geotĂŠcnica sin Vs
76
En la Figura 27, se muestra el resultado final de la superposición de las variables geotécnicas a diferentes profundidades. En la Figura 28 se indica que la zona de mayor susceptibilidad geotécnica se encuentra en el eje del sinclinal sobre el depósito Fluviolacustre, en los barrios Mesopotamia, Santa Inés, La María, UPTC, Estadio, Batallón, Las Quintas y las zonas comerciales del Centro Comercial Unicentro y Viva, todos en la zona de estratos 4 a 6 de la ciudad. Así mismo, el flanco oriental del sinclinal presenta zonas de susceptibilidad Media – Alta principamente en las zonas de cárcavas rellenadas para proyector urbanísticos residenciales.
Figura 28 Zona de mayor suceptibilidad geotécnica sin Vs
77
Luego de esto, la Figura 29 muestra la inclusión de la variable dinámica del suelo (Tipo de perfil de suelo), las zonas críticas de susceptibilidad por evento sísmico son: Hacia el Norte:
Uso residencial: Mesopotamia, La María, Urbanización Hayuelos (en construcción), Edificio Inaltezza (edificación de 30 pisos), Altagracia.
Uso comercial: Centro comercial Viva (en construcción), Centro Empresarial Green Hills, Centro Comercial Unicentro, Centro Comercial Verano Mall (en construcción).
Uso educativo: UPTC, Campus Universidad Santo Tomas, (en construcción edificio de aulas).
Uso médico: Clínica Medimas, Centro médico y empresarial Da Vinci.
Otra infraestructura: Estadio la Independencia y Nuevo Terminal de transporte terrestre (en construcción).
Las fotografías 1 al 5 muestran las zonas anteriormente mencionadas.
Fotografía 1 Edificio Innalteza y Centro Comercial Verano Mall.
78
Figura 29. Mapa final de susceptibilidad del suelo por evento sĂsmico.
79
FotografĂa 2 Estadio La Independencia.
FotografĂa 3 Universidad Santo Tomas.
80
Fotografía 4 Zona de Altagracia – Carcavas rellenadas.
Fotografía 5 Nuevos proyectos residenciales de grandes alturas
Hacia el este de la ciudad:
Uso residencial: Los Patriotas, Curubal, Barrio Batallón, Prados de Alcalá, Terranova Coral (en construcción torres de 12 pisos).
Uso educativo: Universidad Nacional Abierta y a Distancia. 81
En la Fotografía 6 se observa una panorámica del flanco oriental del sinclinal de Tunja, al fondo el proyecto del nuevo terminal de transporte terrestre y las urbanizaciones Prados de Alcalá y en construcción Terranova Coral.
Fotografía 6 Flanco oriental del Sinclinal de Tunja.
Algunas zonas de susceptibilidad media son:
Barrio San Antonio.
MultiParque Centenario.
Barrio Villa Bachué.
San Ricardo.
Barrio Santa Ana.
Plaza de mercado del Norte.
Las Quintas.
Santa Inés.
4.1.2 MODELOS GEOTECNICOS 3D El uso de modelos 3D permitirá realizar cortes verticales sobre cualquier zona del modelo con el fin de que el experto en geotecnia pueda realizar un mejor análisis de las variaciones en profundidad de cada indicador geotécnico que se esté 82
evaluando. Las figuras 30, 31 y 32 muestran el resultado final de dichos modelos 3D visualizados desde ArcScene.
Figura 30. Modelo 3D para propiedad Ăndice CU.
Figura 31. Modelo 3D para propiedad Ăndice IC.
83
Figura 32. Modelo 3D para propiedad Ăndice IP.
Figura 33. Modelo 3D para propiedad Ăndice LL.
84
4.2. DISCUSIÓN Los SIG actualmente tienen un gran potencial y desarrollo dentro de la ingeniería geotécnica, en especial para la realización de estudios de microzonificación sísmica de ciudades, principalmente por la flexibilidad en el manejo de datos, la diversidad en los análisis espaciales y la visualización de los resultados en modelos 2D y 3D. Los resultados iniciales de ésta investigación se fundamentan en el uso de SIG para la delimitación de zonas de susceptibilidad geotecnica, tal como lo menciona Turk et al. (2012). Se incorpora parámetros dinámicos, como la velocidad de onda de corte (Mhaske y Choudhury, 2011), a partir de correlaciones con ensayos SPT que permiten clasificar el comportamiento del suelo en perfiles de Tipo de Suelo. La GDB geotecnica permite almacenar, procesar y analizar mediante herramientas SIG a partir de en ensayos estáticos y dinámicos a diferentes profundidades, asi como lo desarrollaron Kılıç et al. (2006). Aunque en la actualidad las investigaciones sobre ingeniería geotécnica son, en casos específicos, investigaciones que abarcan una extensión espacial muy grande, en este tipo de estudios, donde los componentes de análisis espacial son muy densos, los SIG han surgido como ayuda fundamental (Cartaya et al., 2006). Sin embargo, el avance científico de los SIG se ha enfocado con más rigurosidad en disciplinas tales como: Ingeniería ambiental, ordenamiento territorial, cartografía y ciencias agropecuarias (Torres et al., 2006).
Este hecho muestra que, aunque existen avances de SIG en geotecnia, estos avances han sido lentos y no han llamado la suficiente atención de los desarrolladores de software para SIG que permitirán avances más rápidos y accesibles a toda la comunidad en temáticas específicas como la modelación en 3D (Kılıç et al., 2006). 85
El modelo inicial de microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja presenta una base metodológica para la representación del comportamiento del suelo a partir de variables índice y clasificación a partir de ponderación por expertos. Se construyó un modelo de Sistemas de Información Geográfica (SIG) con software especializado, que permitió la organización, análisis y presentación de información de manera gráfica y alfanumérica como soporte del proyecto de microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja. Las variables geotécnicas que se definieron en el estudio fueron: propiedades índices, cohesión, estratigrafía, zonas de cárcavas, pendientes y correlaciones con Vs y SPT, dado que eran los datos de fuentes confiables y presentaban una dispersión adecuada dentro del área de estudio; el panel de expertos avaluó la selección de dichas variables. Es necesario incluir la propiedad relación de vacíos dentro del modelo, se requiere realizar más ensayos de laboratorio para contar con mayor cantidad de datos dentro de toda la ciudad. Para el presente proyecto se empleó la metodología de interpolación Kriging ya que es un método adecuado e imparcial para interpolar valores de potencial de licuefacción en el sitio de estudio tal como lo sugiere Pokhrel et al. (2013).
La recolección de datos primarios para el modelo (propiedades índices del suelo, estratigrafía y datos dinámicos) fueron un gran inconveniente en el proyecto, debido principalmente a las diferentes fuentes de información. En ocasiones los trámites administrativos demoraban la respuesta varios meses y en otras los datos debieron ser corregidos y validados. La gran cantidad de datos generó que la etapa de procesamiento para obtener la información requerida fuera muy dispendiosa.
El modelo inicial de microzonificación permite reajustar las ponderaciones o pesos de cada una de las variables. Una de ellas es la pendiente relacionada con el tipo 86
de litología presente, dado que en depósitos cuaternarios las pendientes bajas serán indicadores de mayor grado de susceptibilidad y en formaciones terciarias pendientes fuertes presentarán efectos de borde amplificando las ondas sísmicas (Jiménez, 2010). En la presente investigación, se adaptaron metodologías encontradas en diversas partes del mundo, por ejemplo, se elaboró una base de datos geotécnica con mas de 400 registros de sondeos a diferentes profundidades, las cuales permitieron generar los modelos 3D de algunas propiedades índice del suelo. Para la elaboración de los modelos 3D de diferentes propiedades índice geotécnicas se emplean las herramientas ArcGIS de ArcScene, ArcHydro y la extensión AHGW, mostrando su versatilidad y eficiencia en la generación de modelos 3D.
La herramienta de análisis espacial Kriging se empleó para generar interpolaciones de las variables geotécnicas a diferentes profundidades y producir las visualizaciones de la sección 3.3.4. Así mismo, se construyó un prototipo mediante la herramienta Model Builder y se generaron procesos de reclasificación y ponderación de variables obteniendo los resultados de las figuras 27 y 28. Las Figuras 30 a 33 muestran los modelos 3D de diferentes propiedades geotecnicas tal como lo desarrollaron Kaufmann y Martin (2008) haciendo uso de herramientas ArcScene de ArcGIS. Los modelos 3D para cada propiedad índice permitirán al geotecnista contar con perfiles verticales en cualquier zona de la ciudad y así visualizar de una mejor manera la variación de cada parámetro con la profundidad. La expansión urbana de los últimos 20 años se ha desarrollado principalmente en la parte oriental, sobre los depósitos aluvial y fluvio-lacustre, sobre el eje del sinclinal. Esta zona tiene el más alto indicador de susceptibilidad del suelo y los más altos estratos socioeconómicos de la ciudad. 87
En su expansión urbana, la ciudad se ha desarrollado en menor medida en el flanco occidental, sobre la formación Bogotá y en pendientes clasificadas como fuertemente inclinadas. Adicionalmente existen zonas de erosión por cárcavas y otras áreas de cárcavas que han sido rellenadas para desarrollos habitacionales. Dicha zona tiene una susceptibilidad media baja, pero no se deberá desconocer el efecto de amplificación de ondas por efecto de borde y por los rellenos antrópicos en la evaluación estructural de futuras edificaciones. Los resultados muestran que se requiere hacer una zonificación de usos del suelo y limitar la expansión urbana hacia la zona plana de la ciudad, así de la delimitación de zonas protegidas por cárcavas para evitar rellenos en uso residencial. Los SIG son una herrramienta óptima para realizar los estudios de caracterización y modelación en 2D y 3D de parámetros de suelos porque ofrece opciones distintas de análisis. Existe también la posibilidad de generar diagramas que permiten observar las zonas homogéneas según variables como cohesión, peso unitario saturado, propiedades índices, entre otros. Se resalta que los resultados obtenidos en este proyecto son preliminares por la falta de información. La mayoría de datos encontrados correspondian a la parte central de la ciudad de Tunja, mientras que hacia los limites urbanos, fueron muy pocos los datos que se encontraron y esto pudo haber influenciado los resultados. El análisis multitemporal de fotografías aéreas permite establecer los cambios en los usos del suelos de la ciudad, asi mismo evaluar la expansión urbana y determinar áreas influenciada por rellenos antrópicos, con el fin de establecer zonas homogéneas para el comportamiento geotécnico del suelo. De éste análisis multitmporal de fotografías aéreas, se evidencia también la expansión y desarrollo urbano de la ciudad de Tunja. En los últimos años, se ha incrementado en el flanco oriental del sinclinal y sobre la zona plana de los 88
depósitos cuarternarios, existen zonas de carácter residencial construidas sobre cárcavas rellenadas. Dicha zona tiene una susceptibilidad media a alta, por lo cual se deberá conocer el efecto de amplificación de ondas por efecto de borde y por los rellenos antrópicos en la evaluación estructural de futuras edificaciones. La característica predominante de las zonas mencionadas en la Figura 28, como resultado de las áreas de mayor susceptibilidad geotécnica se presentan en estratos 4 a 6, áreas de gran concentración de habitantes (Universidades, Centros comerciales, empresariales y médicos) y nuevos desarrollos urbanísticos de carácter residencial con alturas importantes en las edificaciones. Adicionalmente son zonas susceptibles a inundación según registros históricos de la ciudad. Es recomedable que la Unidad de Gestión del Riesgo de la ciudad, se enfoque de manera prioritaria en dichas zonas dada la alta densidad poblacional actual y futura.
Los resultados muestran que se requiere hacer una zonificación de usos del suelo y limitar la expansión urbana hacia la zona plana de la ciudad, así de la delimitación de zonas protegidas por cárcavas para evitar rellenos en uso residencial. El volumen de datos incide directamente en la calidad de los modelos por tal motivo los resultados son más acertados en las profundidades menores que poseen un volumen de datos considerablemente más alto que en las profundidades más bajas (mayores a 9m). El análisis espacial Kriging es el más adecuado para estudios geotécnicos, ya que genera mayor confiabilidad en los resultados, como se ha demostrado en diferentes estudios a lo largo del mundo (Pokhrel et al., 2013; Sun et al., 2008).
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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La presencia de un depósito cuaternario en el valle del sinclinal de Tunja genera una zona de susceptibilidad alta y media del suelo ante eventos sísmico (Figura 27). La incidencia de las propiedades índice es alta a diferentes intervalos de profundidad (Figura 26). Dicha zona corresponde a proyectos urbanísticos de estratos 4, 5 y 6 de la ciudad. Los mayores indicadores de susceptibilidad se encentran sobre el depósito fluvio-lacustre, en pendientes muy planas, por tales razones se hace necesario evaluar efectos locales por licuación de suelos.
En los análisis geotécnicos se evidencio una zona crítica entre la glorieta y los barrios Mesopotamia, Rincón de la Pradera, Sauces de la Pradera, Santa Inés, El Estadio, zonas de incidencia y suceptibilidad alta (Figuras 26 y 27), suelos de consistencia baja, plasticidades altas a extremadamente altas (Figura 20), con comportamientos de un líquido, lo que podría tratarse de turbas y materiales orgánicos entre profundidades de 3 a 9 metros.
La ciudad de Tunja se encuentra, en su gran mayoría, sobre un perfil de suelo tipo D y algunas zonas al sur de la formación Bogotá y en los flancos oriental y occidental del sinclinal un perfil de suelo tipo C. La sismicidad de la zona es intermedia por lo cual se requiere con urgencia realizar ensayos dinámicos con el fin de avanzar en el estudio de microzonificación definitiva y demás estudios derivados de él.
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En la ciudad de Tunja, las pendientes varían entre un 0% al 64%. En las zonas correspondiente a los depósitos cuaternarios Fluviolacustre y Aluvial las pendientes son planas. Al norte, el depósito Coluvial está caracterizado por pendientes suavemente a fuertemente inclinadas y la formación Bogotá, al occidente y sur son fuertemente inclinadas con zonas aisladas de pendientes montañosas. La formación Tilatá al oriente de la ciudad presenta pendientes planas a suavemente inclinadas.
Las zonas de cárcavas predominan hacia el flanco oriental del sinclinal, principalmente sobre la formación Tilatá, las cuales en un 40% han sido rellenadas para proyectos urbanísticos. En los barrios Cooservicios y San Antonio se presentan los mayores porcentajes de cárcavas rellenas. Por otro lado, en el flanco occidental del sinclinal, sobre la formación Bogotá, Cacho y el depósito Coluvial se presentan, en menor medida cárcavas rellenas para uso residencial, principalmente en los barrios Altamira y la Fuente.
La zona de mayor susceptibilidad geotécnica se encuentra en el eje del sinclinal sobre el depósito Fluviolacustre, en los barrios Mesopotamia, Santa Inés, La María, UPTC, Estadio, Batallón, Las Quintas y las zonas comerciales del Centro Comercial Unicentro y Viva; todas estas zonas corresponden a estratos 4 a 6 de la ciudad. Así mismo, el flanco oriental del sinclinal presenta zonas de susceptibilidad Media – Alta principalmente en las zonas de cárcavas rellenadas para proyectos urbanísticos residenciales.
Los resultados muestran que las variables de mayor importancia incluidas en la geodatabase para la microzonificación sísmica de la ciudad de Tunja y que son más adecuadas para la modelación espacial son (en orden de importancia): - Dinámica de los suelos a partir de ensayos de campo para la determinación de Vs, debido a que suelos tipo C presentan una mayor susceptibilidad a fenómeno de 91
licuefacción, lo que genera, ante un evento sísmico la amplificación de las ondas en superficie. - Uso del suelo en cuanto al análisis de zonas de cárcavas, rellenos antrópicos o sin intervención, ya que las zonas rellenadas no presentan la adecuada consolidación, son materiales suelos que generan un reacomodamiento de partículas ante un sismo. - Litología de la ciudad: Los suelos mas recientes, como son los depósitos cuaternarios, presentan materiales organices y limos que podrán generar efectos de licuefacción. Los
suelos
que
poseen
comportamientos
sísmicos
homogéneos
y
de
susceptibilidad critica evento sísmico son: Hacia el Norte:
Uso residencial: Mesopotamia, La María, Urbanización Hayuelos (en construcción), Edificio Inaltezza (edificación de 30 pisos), Altagracia.
Uso comercial: Centro comercial Viva (en construcción), Centro Empresarial Green Hills, Centro Comercial Unicentro, Centro Comercial Verano Mall (en construcción).
Uso educativo: UPTC, Campus Universidad Santo Tomas, (en construcción edificio de aulas).
Uso médico: Clínica Medimas, Centro médico y empresarial Da Vinci.
Otra infraestructura: Estadio la Independencia y Nuevo Terminal de transporte terrestre (en construcción).
La característica predominante de las zonas anteriormente mencionadas es que se presenta en estratos 4 a 6, áreas de gran concentración de habitantes (Universidades, Centros comerciales, empresariales y médicos) y nuevos desarrollos urbanísticos de carácter residencial con alturas importantes en las edificaciones.
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La comunicación de los resultados es parte fundamental del proceso de microzonificación, vulnerabilidad y riesgo de una ciudad, por tal motivo se ha iniciado el proceso de creación de un geoportal para que la comunidad académica, entidades estatales, profesionales y demás puedan observar los resultados y aportar en la actualización y mejora del modelo piloto de microzonificación de la ciudad de Tunja.
Se concluye que los suelos presentes en el valle del sinclinal de Tunja presentan comportamientos diferentes ante la ocurrencia de un sismo, dependen principalmente de la formación o deposito geológico donde se encuentre y del suelo de relleno o no de cárcavas.
Se recomienda actualizar constantemente la geodatabase con información primaria como lo son ensayos dinamicos y aumentar el volumen de información secundaria tomada de los diferentes laboratorios de suelo de la ciudad o de las curadurías urbanas, para mejorar las estimaciones de los modelos y cubrir en su totalizada la ciudad de Tunja. También se recomienda validar la caracterización con la construcción de perfiles geotécnicos y así tener un acercamiento a una modelación en 3D del suelo de la ciudad.
En las fases de recolección de información en campo, se hace necesario la ejecución de ensayos de tipo dinámico, especialmente aquellos que permitan determinar la velocidad de onda promedio a 30 m. La UPTC con sede en Tunja ha adquirido un sismógrafo que permitirá ejecutar dichos ensayos y recolectar los datos de forma sistemática, retroalimentando así la BDG y ejecutando nuevos análisis espaciales.
Es necesario evaluar lo más pronto posible, el efecto sísmico sobre las zonas de susceptibilidad geotécnica Alta y Media, dado que és, precisamente en éstas zonas, 93
donde la expansión urbana se ha estado direccionando en los últimos años. Los nuevos proyectos urbanísticos de tipo residencial y comercial que se están desarrollando en las zonas de mayor susceptibilidad son proyectos de ocupación especial como son centros comerciales y edificaciones habitacionales que supera los 15 pisos de altura.
Se requiere la depuración de la base de datos geotécnica filtrando información de sondeos con profundidades mayores a 10 metros, debido a que existe gran cantidad de sondeos a baja profundidad que retrasan los procesos de análisis del software y no generan un incremento en la confiabilidad y precisión de los resultados.
Se recomienda consultar más expertos geotecnistas para obtener ponderaciones diferentes en las variables tomadas en el presente estudio y comparar los resultados, con el fin de calibrar el propotipo propuesto en esta investigación.
En el análisis multitemporal de imágenes para determinar las zonas de carcavas y rellenos, se emplearon fotografías áreas de los años 1939, 1945, 1957, 1960, 1978, 1984, 1992 y 2005, se recomienda adicionar mas imágenes actuales a partir de fotomosaicos, imágenes satelitales o cualquier otro formato mas reciente para actualizar las zonas de rellenos y expansión urbana, con el fin de retroalimentar el prototipo presentado en ésta investigación.
Se recomienda realizar un inventario de afloramientos rocosos a lo largo de la formación Bogotá, Tilatá y Cacho, ya que ante la eventualidad de ondas sísmicas, el efecto de borde modifica el comportamiento de éstas zonas.
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