ANÁLISIS DE ACELEROGRAMAS - SISMO DE FAIAL

7/22/2019 ANLISIS DE ACELEROGRAMAS - SISMO DE FAIAL

1/25

ANLISIS DE ACELEROGRAMAS: SISMO DE FAIAL

WILLIAM ANDRS VILA CARDONA9012502

VULNERABILIDAD SSMICA4101647

ING. CARLOS ALBERTO BERMDEZ MEJA, PH.D.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALESFACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

ESPECIALIZACIN EN ESTRUCTURASMANIZALES CALDAS

2013


2/25

VULNERABILIDAD SSMICA TRABAJO # 1UNIVERSIDAD

NACIONALDISE: ING. WILLIAM ANDRS VILA CARDONA HOJA:1 DE:25

DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ

APROB: ING. CARLOS ALBERTO BERMDEZ MEJA FECHA:22-feb-2013

TABLA DE CONTENIDO

0. INTRODUCCIN ...................................................................................................................................... 2

1. OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 22. ACELEROGRAMA ................................................................................................................................... 3

3. ENCABEZADO ......................................................................................................................................... 4

4. SNTESIS .................................................................................................................................................. 5

5. ESPECTROS DE FURIER ....................................................................................................................... 6

6. DISCRETIZACIN ................................................................................................................................... 9

7. FILTRADO .............................................................................................................................................. 11

8. PGA + PGV + PGD ................................................................................................................................ 17

9. DURACIN ACOTADA .......................................................................................................................... 18

10. COMPRARACIN: EPECTRO D FOURIER & D RESP. NAMORT. VELOCIDAD ............................. 19

11. ESPECTROS DE RESPUESTA DE VELOCIDAD DFTES. AMORTIGUAMIENTOS .......................... 19

12. REPRESENTACIN DEL ESPECTRO DE ACELERACIN PARA =5%.......................................... 21

13. INTENSIDADES ..................................................................................................................................... 23

14. CONCLUSIONES ................................................................................................................................... 24


3/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


0. INTRODUCCINLas ondas ocasionadas por los sismos atraviesan la corteza terrestre mediante una ruta especficproduciendo aceleraciones que son registradas con acelergrafos. Estos instrumentos toman datoespecficos del suelo en tres direcciones perpendiculares, dos horizontales y una vertical, en intervalos dtiempo muy pequeos.

Un acelerograma es una representacin temporal de las aceleraciones del suelo, se caracterizan por sirregularidad debido a la variabilidad en el tiempo de los registros. Existen tres factores que influyen en loacelerogramas: fuente ssmica, trayectoria y efectos locales.

El anlisis dinmico de edificaciones con irregularidades donde sea probable que los altos modos seaexcitados y estructuras diseadas para niveles altos de ductilidad, es posible gracias al uso dacelerogramas. Adems se requieren para la evaluacin de la respuesta de estructuras de tierra antcargas ssmicas (estabilidad, potencial de licuefaccin y respuesta dinmica del sitio)"1.

1. OBJETIVOS Realizar un anlisis espectral y caracterizar el acelerograma del sismo de Faial, con base en e

documento: Movimientos ssmicos fuertes. (2005). Carlos Alberto Bermdez Meja Ph.D.

Reconocer los registros proporcionados por la Portuguese Accelerometer Database.

Estimar los datos ms relevantes de un acelerograma.

Comparar el espectro de Fourier con el espectro de respuesta no amortiguado de la velocidad.

Hallar diversos espectros de respuesta.

1Acevedo, Ana Beatriz. (2012). Criterios sismolgicos para seleccionar acelerogramas. Revista EIA, Nmero 17, p. 57-70, Medelln, Colombia.


4/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


2. ACELEROGRAMAEl acelerograma analizado corresponde al sismo de Faial ocurrido el 9 de Julio de 1998, en la regin de lAzores (Atlntico Norte). Los registros se obtuvieron del software PAD-1.0 Portuguese AccelerometeDatabase, CD-ROM edition, que contiene los parmetros del sismo y las caractersticas de la estacin. Lodatos estn sin procesar, por lo que se deben aplicar procedimientos de correccin de acuerdo con la

necesidades.

Consulta de movimientos fuertes2

2S. P. Vilanova & M. A. Ferreira & C. S. Oliveira. (2009). PAD-1.0 Portuguese Accelerometer Database, CD-ROM edition.


5/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


Resultados de la consulta3

3. ENCABEZADOf i l e: s1998x. r awear t hquake I D: 199st at i on code: HORwavef or m I D: 426t ot al number of channel s: 3or i ent at i on of t r ansducer : N0Ei nst r ument t ype: SMA- 1Ki nemet r i csi nst r ument oper at or : I M, Li sbon

nombre archivo: s1998x. r awidentificacin sismo: 199cdigo estacin: HORidentificacin registro: 426nmero total de canales:3orientacin del transductor: N0Etipo de instrumento: SMA- 1Ki nemet r i csoperador del instrumento: I M,Li sbon

t i me of f i r st sampl e: - 9. 99sampl i ng per i od: 0. 010000 snumber of sampl es: 935r ecor d l engt h: 9. 340 suni t s: mgr ef er ence:

hora de inicio registro: - 9. 99periodo de muestreo: 0. 010000 snmero de registros: 935duracin sismo: 9. 340 sunidades: mgreferencia:

3S. P. Vilanova & M. A. Ferreira & C. S. Oliveira. (2009). PAD-1.0 Portuguese Accelerometer Database, CD-ROM edition.


6/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


comment s & pr ocessi ng hi st ory:%

- > uncor r ect ed accel er at i on t i mehi s tor i es

comentarios e historia del

procesamiento:

%

-> registros de aceleracin en eltiempo no corregidos

4. SNTESISEl acelerograma seleccionado pertenece a la componente N-E del sismo de Faial ocurrido el 9 de Julio d1998, en la regin de la Azores (Atlntico Norte), segn fue registrado por la estacin de Horta (Isla dFaial, Portugal) ubicada a 11 km de distancia, por lo que se trata de un registro cercano. La magnitud dmomento fue de 6.20. Inici a las 05:19:07 con una duracin de 9.34 s. El sensor usado fue un KinemetricSAM-1. La serie temporal consta de 935 registros con una frecuencia de muestreo de 100 lecturas posegundo. El suelo es de tipo muy blando, presentando aceleraciones verticales de 326.53 mg horizontales de 399.29.

Ubicacin del archipilago de las Azores en el Ocano Alntico4

4L. Matias & N. A. Dias & I. Morais & D. Vales (2007). The 9th of July 1998 Faial Island (Azores, North Atlantic). J Seismol 11:275298


7/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


El formato adoptado es el usado por la European Strong-Motion Data. Para la lectura del archivo RAW sutiliz el algoritmo ac1_3013.m (MATLAB), que guarda los encabezamientos numricos en la forma dmatrices, grafica la serie temporal y elabora el archivo Serie.dat.

Como dato curioso en la anterior figura, se tiene, que los valores de aceleracin del acelerograms1998x.raw no finalizan en cero.

5. ESPECTROS DE FURIEREl anlisis espectral de la serie se realiza usando el algoritmo E11cor.m (MATLAB), que emplea lTransformada Rpida de Fourier mediante la funcin fft. Se efecta un ajuste con el cual se leen 512 = 2datos de los 935 disponibles, cumpliendo con el requerimiento de ser potencia de 2. En la ejecucin se leelos datos de tiempo y amplitud contenidos en el archivo Serie.dat.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Tiempo [s]

Aceleracin[mg]

ACELEROGRAMA s1998x.raw


8/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


10

-1

10

0

10

1

10

210

-1

100

101

102

103

Frecuencia [Hz]

Amplitud[cm/s]

ESPECTRO DE AMPLITUDES s1998x.raw

10-2

10-1

100

101

10-1

100

10

1

102

103

Periodo [s]

Amplitud

[cm/s]

ESPECTRO DE AMPLITUDES s1998x.raw


9/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


10

-1

10

0

10

1

10

2

-150

-100

-50

0

50

100

150

Frecuencia [Hz]

Fase[]

ESPECTRO DE FASES s1998x.raw

10-2

10-1

100

101

-150

-100

-50

0

50

100

150

Periodo [s]

Fase

[]

ESPECTRO DE FASES s1998x.raw


10/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


6. DISCRETIZACINSe realiza una discretizacin a paso fijo de las series temporales con el fin de aplicar la TransformadRpida de Fourier, al poseer intervalos de tiempo irregulares. Para esto se usa el algoritmo E2_especor.m(MATLAB), que mediante la funcin equipl.m (MATLAB) interpola la serie con cinco mtodos diferentedescritos a continuacin:

nearest: busca el valor ms cercano

linear: realiza interpolacin lineal

spline: interpola mediante splines

pchip: aplica interpolacin polinmica de Hermite

cubic: realiza interpolacin cbica

En la figura que contiene el detalle de la discretizacin, se observa que la tcnica de interpolacin lineal ela que ms se ajusta a la original. Se presenta una figura slo con este mtodo.


11/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s

/s]

SERIE TEMPORAL DISCRETIZADA PASO FIJO 5 METODOS s1998x.raw

original

cercano

lineal

splines

pchip

cubic

3.905 3.91 3.915 3.92 3.925 3.93386

388

390

392

394

396

398

400

402

404

406

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s/s]

DETALLE SERIE TEMPORAL DISCRETIZADA PASO FIJO 5 METODOS s1998x.raw

original

cercano

lineal

splines

pchip

cubic


12/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


7. FILTRADOEl objetivo de este proceso es eliminar las oscilaciones que tienen frecuencias que no son propias dmovimiento telrico. En este caso el acelerograma s1998x.raw inicio en cero, por tanto no es necesar

realizar correccin de la lnea base.Las oscilaciones se filtran usando el algoritmo E2fcor.m (MATLAB), que emplea las funciones filter filtfilt, sin embargo en este caso carece de utilidad.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s/s]

SERIE TEMPORAL DISCRETIZADA PASO FIJO LINEALMENTE s1998x.raw

original

lineal


13/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s

2]

SERIE TEMPORAL ORIGINAL & FILTRADO DE ALTAS FRECUENCIAS s1998x.raw

senal discretizada

senal mal filtrada

senal bien filtrada

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Tiempo [s]

Aceleracio

n[cm/s2]

SERIE TEMPORAL ORIGINAL & FILTRADO DE BAJAS FRECUENCIAS s1998x.raw

senal discretizada

senal mal filtrada

senal bien filtrada


14/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


En las siguientes figuras se resume el proceso de filtrado:

La primera muestra la seal original discretizada a paso fijo con su correspondiente Espectro dFourier, adems del resultado de filtrar las altas y bajas frecuencias.

La segunda corresponde a una figura muy similar a la primera, pero en funcin de las frecuenciaspara lo que se us el algoritmo ELinecor.m (MATLAB).

La tercera ensea el proceso de correccin de la lnea base, adems de la elaboracin de uvelocigrama y un desplacigrama (corregidos y no corregidos).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s2]

SERIE TEMPORAL DESCOMPUESTA EN DOS FRECUENCIAS s1998x.raw

senal baja frecuencia

senal alta frecuencia


15/25

HOJA:14 DE:2

Sntesis proceso de filtrado como funcin del periodo s1998x.raw5

5E2fcor.m (MATLAB)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-200

0

200

400FILTRADO

Tiempo [s]

Acel[cm/s2]

Senal Original Discretizada Paso Fijo

10-2

10-1

100

101

102

100

102

ESPECTROS DE FOURIER

Periodo [s]

|FFT|[cm/s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2

-1

0

1

2

Tiempo [s]

Acel[cm/s2]

Filtrado Altas Frecuencias

10-2

10-1

100

101

102

100

102

Periodo [s]

|FFT|[cm/s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-200

0

200

400

Tiempo [s]

Acel[cm/s2]

Filtrado Bajas Frecuencias

10-2

10-1

100

101

102

100

102

Periodo [s]

|FFT|[cm/s]


16/25

HOJA:15 DE:2

Sntesis proceso de filtrado como funcin de la frecuencia s1998x.raw6

6ELinecor.m (MATLAB)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-200

0

200

400FILTRADO

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s2]

Senal Original Discretizada Paso Fijo

10-2

10-1

100

101

102

100

102

ESPECTROS DE FOURIER

Frecuencia [Hz]

|FFT|[cm/s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2

-1

0

1

2

Tiempo [s]

Aceleracion[cm/s2]

Filtrado Altas Frecuencias

10-2

10-1

100

101

102

100

102

Frecuencia [Hz]

|FFT|[cm/s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-200

0

200

400

Tiempo [s]

Ac

eleracion[cm/s2]

Filtrado Bajas Frecuencias

10-2

10-1

100

101

102

100

102

Frecuencia [Hz]

|FFT|[cm/s]


17/25

HOJA:16 DE:2

Sntesis proceso de correccin de la lnea base + velocigrama + desplacigrama s1998x.raw7

7ELinecor.m (MATLAB)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-200

0

200

400EJERCICIO SERIE

Tiempo [s]

Acel.NCorr.

[cm/s2]

Aceleracion No Corregida

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-40

-20

0

20

40

Tiempo [s]

Vel.NCorr.

[cm/s]

Velocidad No Corregida

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-15

-10

-5

0

5

10

Tiempo [s]

De

spl.NCorr.

[cm]

Desplazamiento No Corregido

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-400

-200

0

200

400

600EJERCICIO SERIE

Tiempo [s]

Acel.Corr.

[cm/s2]

Aceleracion Corregida

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-40

-20

0

20

40

Tiempo [s]

Vel.Corr.

[cm/s]

Velocidad Corregida

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-5

0

5

10

Tiempo [s]

D

espl.Corr.

[cm]

Desplazamiento Corregido


18/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


8. PGA + PGV + PGDACELERACIN PICO DEL TERRENO [PGA]:

Se obtiene del mximo valor absoluto del acelerograma corregido, con la siguiente instruccin del algoritmELinecor.m (MATLAB):

>> [ PGA, i ] =max( abs( acccor ) )

PGA =

403. 8265

i =

393

>> t = ( 393 - 1) *0. 01

t =3. 9200

VELOCIDAD PICO DEL TERRENO [PGV]:

Se obtiene del mximo valor absoluto del velocigrama corregido, con la siguiente instruccin del algoritmELinecor.m (MATLAB):

>> [ PGV, j ] = max( abs( vel cor ) )

PGV =31. 9221

j =

385

>> t = ( 385 - 1) *0. 01

t =

3. 8400


19/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


DESPLAZAMIENTO PERMANENTE DEL TERRENO [PGD]:

Se obtiene del mximo valor absoluto del desplacigrama corregido, con la siguiente instruccin del algoritmELinecor.m (MATLAB):

>> PGD

PGD =5. 8751

>> t = ( 512 - 1) *0. 01

t =

5. 1100

PARMETRO VALOR UND TIEMPO [s]PGA 403. 8265 cm/ s2 3. 9200PGV 31. 9221 cm/ s 3. 8400PGD 5. 8751 cm 5. 1100

9. DURACIN ACOTADASe refiere al perodo de tiempo en que se supera el 5% de la aceleracin de la gravedad [0.05g = 49.0cm/s2]. En este caso ese valor no fue superado, por cuanto la duracin acotada es cero, sin embargo, scalcula la duracin en la que se supera el 5 % del pico de la aceleracin [PGA]:

>> Dur acot

Dur acot =

8. 5100


20/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


10. COMPRARACIN: EPECTRO D FOURIER & D RESP. NAMORT. VELOCIDADDado que ambas funciones poseen las mismas expresiones matemticas resulta interesante hacer uncomparacin usando el algoritmo especor.m (MATLAB), que dibuja las dos funciones en un mismo grficoEl espectro de respuesta de velocidad no amortiguada se logra a partir de la resolucin de la ecuacin dmovimiento mediante la Integral de Duhamel.

11. ESPECTROS DE RESPUESTA DE VELOCIDAD DFTES. AMORTIGUAMIENTODe igual manera, se obtuvieron los espectros de respuesta de velocidad para diversos amortiguamientousando el algoritmo especor.m (MATLAB). Es claro que a mayor amortiguamiento la respuesta dvelocidad es menor.

10-1

100

101

102

10-1

100

101

102

103

Frecuencia [Hz]

SF-SV[c

m/s]

COMPARACION: ESPECTRO FOURIER & ESPECTRO RESP. NAMOR. VEL. s1998x.raw

Espectro de Fourier [SF]

Espectro [SV]


21/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


10

-1

10

0

10

1

10

210

0

101

102

103

Frecuencia [Hz]

SV

[cm/s]

ESPECTRO DE RESPUESTA DE VELOCIDAD DFTES. AMORTIGUAMIENTOS s1998x.raw

nu=0%

nu=5%

nu=10%

nu=15%

nu=20%

10-2

10-1

100

101

100

101

102

103

Perodo [s]

SV[c

m/s]

ESPECTRO DE RESPUESTA DE VELOCIDAD DFTES. AMORTIGUAMIENTOS s1998x.raw

nu=0%

nu=5%

nu=10%

nu=15%

nu=20%


22/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


12. REPRESENTACIN DEL ESPECTRO DE ACELERACIN PARA =5%Los espectros de aceleracin y desplazamiento se consiguen con la ayuda del algoritmo especor.m(MATLAB), calculando los parmetros solo para el 5% del amortiguamiento crtico.

10-2

10-1

100

101

100

101

102

103

104

Perodo [s]

S

A

[cm/s/s]

ESPECTRO DE RESPUESTA DE ACELERACION s1998x.raw

Espectro SA - Amortiguamiento 5%


23/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


10

-1

10

0

10

1

10

210

0

101

102

103

104

Frecuencia [Hz]

SA

[cm/s/s]

ESPECTRO DE RESPUESTA DE ACELERACION s1998x.raw

Espectro SA - Amortiguamiento 5%

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

2

4

6

8

10

12

SD [cm]

SA

[cm

/s/s]

ESPECTRO SA vs. SD s1998x.raw

Espectro SA-SD - Amortiguamiento 5%


24/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


13. INTENSIDADESEMS-98:

La anterior norma ssmica espaola NCSE-94 contiene la siguiente expresin:

= +.

. = .

Los italianos utilizan la siguiente expresin:

= +.

. = .

ARIAS:

Se utiliza el algoritmo ELinecor.m (MATLAB).

>> I ar i as =

8. 9575

HOUSNER:

Se define como el rea bajo el espectro de respuesta pseudo-velocidad en un rango de periodo de 0.1 2.5 s, usando el algoritmo especor.m (MATLAB).


25/25



DE COLOMBIA

SEDE MANIZALEZ


14. CONCLUSIONES Este documento constituye el estudio de un movimiento ssmico en particular.

La Transformada Rpida de Fourier constituye una poderosa herramienta para caracterizar un

seal ssmica. Los algoritmos de MATLAB suministrados en esta asignatura permiten realizar anlisis espectra

caracterizar acelerogramas, calcular valores caractersticos, obtener espectros de respuestacompararlos, entre otros.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.230

40

50

60

70

80

90

100

X: 0

Y: 95.98

Porcentaje Amortiguamiento [%]

SI[(cm/s)s]

INTENSIDADES ESPECTRALES DE HOUSNER s1998x.raw

X: 0.05

Y: 52.54

X: 0.1

Y: 43.21X: 0.15

Y: 38.45 X: 0.2

Y: 35.88

ANÁLISIS DE ACELEROGRAMAS - SISMO DE FAIAL

Documents

Transcript of ANÁLISIS DE ACELEROGRAMAS - SISMO DE FAIAL