Modelo Amenaza Sísmica

FACTIBILIDAD Y DISEOS DE LAS CENTRALES HIDROELCTRICAS PENDERISCO 1 Y PENDERISCO 2

ETAPA DE DISEO

AMENAZA SSMICA PENDERISCO 1

P1-DIS-INF-ASI-010 REVISIN No 0

SEPTIEMBRE DE 2012


AMENAZA SSMICA PENDERISCO 1 P1-DIS-INF-ASI-010 REVISION No: 0 FECHA: SEPTIEMBRE DE 2012

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CONTENIDO

1 AMENAZA SSMICA .................................................................................................... 4

1.1 MARCO TECTNICO REGIONAL ........................................................................ 4

1.2 SISMICIDAD REGIONAL ..................................................................................... 11

1.3 ELECCIN DE INFORMACIN ......................................................................... 14

1.3.1 CRITERIOS UTILIZADOS PARA SELECCIN DE INFORMACIN ........... 15

1.3.2 ANLISIS DE COMPLETEZ ......................................................................... 17

1.3.3 PROCESO DE POISSON ............................................................................. 18

1.4 FUENTES SISMOGNICAS ................................................................................ 20

1.5 ECUACIN DE ATENUACIN ............................................................................ 21

2 SISMOS DE DISEO .................................................................................................. 24

3 Espectros de respuesta de DISEO ........................................................................ 26

4 Bibliografa ................................................................................................................. 27

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Localizacin zona del proyecto Hidroelectrico PENDERISCO. ............................ 4

Figura 2. Mapa de Fallas principales dentro del territorio Colombiano. .............................. 6

Figura 3. Placas Tectnicas ................................................................................................ 8

Figura 4. Mecanismos Focales. ........................................................................................... 9

Figura 5. Mapa de la zona con las principales fallas y ubicacin de la zona de inters. .. 11

Figura 6. Relacin de Magnitudes ..................................................................................... 12



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Figura 7. Correlacin para convertir MI a Mw. ................................................................... 13

Figura 8. Correlacin para convertir Ms a Mw. ................................................................... 13

Figura 9. Correlacin para convertir Mb a Mw. .................................................................. 14

Figura 10. Ubicacin de los sismos existentes en los catlogos Utilizados ...................... 16

Figura 11. Comparacin Curvas de recurrencia (caso A linea roja, caso B: lnea azul). .. 18

Figura 12. Sismofuentes en el rea de influencia. ............................................................. 21

Figura 13. Curva de Amenaza. ........................................................................................... 23

Figura 14. Espectro Elstico de Aceleraciones de Diseo como fraccin de G. ................ 26

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Sismos de diseo ................................................................................................. 25



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1 AMENAZA SSMICA

El presente informe tiene como objetivo determinar la respuesta ssmica en el sitio de presa de la quebrada Penderisco, El proyecto Hidroelctrico Penderisco est localizado en la regin Occidental del departamento de Antioquia, en jurisdiccin del municipio de Urrao (Ver Figura 1). La cuenca que se pretende aprovechar presenta un rea aproximada de 880 km2.

Figura 1. Localizacin zona del proyecto hidroelctrico PENDERISCO.

Se entiende por amenaza ssmica la probabilidad de que un parmetro como la aceleracin, la velocidad o el desplazamiento iguale o supere un nivel determinado de referencia. Se habla entonces en trminos de la probabilidad de exceder el parmetro dentro de un perodo de retomo con base en la vida til de la construccin para el proyecto se analizara para un periodo de 2500 aos. Adems este trabajo considera la condicin regional del sitio de inters.

1.1 MARCO TECTNICO REGIONAL

La situacin tectnica de Colombia ha sido objeto de numerosos estudios geolgicos y geofsicos, en los cuales se han cartografiado y caracterizado las principales estructuras



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tectnicas tales como fallas y pliegues. A nivel regional, la ubicacin de Colombia est bajo la influencia de importantes sistemas de falla, as como bajo la influencia de lmites de placas, tal como se observa en la (Figura 2).

La ubicacin de Colombia en el noroccidente de Amrica del sur, la coloca en uno de los ambientes sismotectnicos ms complicados que existen, debido a la interaccin de tres placas tectnicas Nazca, Sur Amrica y Caribe (Figura 3)

PLACA NAZCA: Se encuentra ubicada en el ocano Pacifico, el contacto ms importante es la subduccin de Nazca bajo Suramrica en direccin este a una velocidad relativa de 60 mm/ao a 80 mm/ao. Varios autores.



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Figura 2. Mapa de Fallas principales dentro del territorio Colombiano.



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Han sugerido la existencia de un pliegue de la placa Nazca a la latitud de 4N aproximadamente, observacin consistente con la ubicacin de los sismos en profundidad y con el cambio de la tendencia geomtrica de la costa Pacfica, de los sistemas de fallas Cauca, Romeral, Palestina y de las lneas de volcanes. A tal latitud se encuentran un vaco de volcanes, el principio de la depresin de San Juan-Atrato y la Serrana del Baud y la presencia de la Serrana de la Macarena.

PLACA CARIBE: Se encuentra ubicada en el ocano Atlntico, cuando se desliza bajo la placa Suramrica, se producen las fallas en direccin EW. Esta placa presenta una velocidad de 10 a 20 mm/ao.

PLACA SURAMRICA: Se encuentra ubicada al este del continente suramericano, puede considerarse casi esttica, aunque algunos autores sugieren un desplazamiento hacia el oeste. Presenta una velocidad relativa de 10 a 20 mm/ao.

MICROPLACA PANAM: Se encuentra ubicada entre las placas Nazca y Caribe, con un movimiento hacia el suroeste que produce un choque en el lmite Colombo-Panameo. Este choque puede producir un cabalgamiento de la microplaca Panam sobre Colombia. Esta microplaca colisiona con el Bloque Andino en sentido SE entre 7 y 23 mm/ao.

BLOQUE ANDINO: Limitado al oriente por el sistema de fallas frontal de la cordillera Oriental y al occidente por la fosa de subduccin de la placa de Nazca, al norocccidente con la placa Caribe y el Bloque Panam y al norte con la Falla de Oca. Se desplaza en direccin NE a una tasa aproximada de 6 mm/ao. El Bloque Andino puede entenderse como una cua entre las placas Nazca, Caribe, Suramrica y la microplaca Panam. Contiene las cordilleras Colombianas, los valles interandinos y las costas.



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Figura 3. Placas Tectnicas

Los movimientos de las placas han generado un contexto tectnico compresivo, caracterizado por grandes fallas de cabalgamiento y de rumbo, caractersticas que se pueden apreciar en la siguiente grafica correspondiente a los mecanismos focales donde los cuadrantes sombreados en color rojo representan primeras llegadas compresionales.

En cuanto a la zona en estudio y despus de haber hecho un anlisis detallado de la zona de estudio se puedo concluir que existen varias fallas que influyen dentro de la zona de estudio tales como (Figura 5):

Falla San Jernimo: corresponde al lmite occidental del Complejo Cajamarca considerada como una falla inversa con buzamiento al este, aparenta ms ser una falla de rumbo (Maya y Gonzlez, 1995). Presenta una direccin aproximada de N 30 - 40 W con buzamiento vertical y una componente de movimiento lateral izquierda (Gonzlez, 2003). Debido a que las evidencias que exponen los diferentes autores para definirse por un movimiento u otro no son suficientes, se podra inferir que es posible que dicha falla tenga ambos componentes de movimiento, es decir, que sea una falla de rumbo sinextrolateral con componente vertical inversa.



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Figura 4. Mecanismos Focales.

Falla Silvia Pijao: Correspondea las trazas de las fallas PIEDECUESTA y ROMERAL; los rasgos morfotectnicos tpicos asociados a esta falla (drenajes desplazados, silletas, lomos de obturacin y de presin, entre otros), muy evidentes hacia el sur, en la zona del Eje Cafetero, han permitido inferir a varios autores que tiene un movimiento de rumbo con componente lateral derecha.



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Falla Cauca Almaguer: comprende los tramos que han sido llamados Sabanalarga y Cauca Occidental. Es una falla inversa con componente lateral izquierdo. Afecta las rocas sedimentarias terciarias de las Formaciones Amag y Combia. Ha sido definida por varios autores con rumbo de N15W a N15E.

Falla Mistrat: direccin general es N-S. Los diferentes autores que la han descrito infieren un desplazamiento vertical, aunque desconocen su naturaleza. En parte corresponde al lmite entre las Formaciones Combia y Barroso (Calle y Gonzlez, 1980), ver figura 11.

Falla Espritu Santo: Esta falla de carcter regional y de direccin general N 40 E, es una falla de carcter inverso, con buzamientos mayores de 75 al SW, su traza principal controla el cauce del ro Cauca por cerca de trece kilmetros pero ms al Norte de la zona del proyecto. Especficamente en el rea de influencia esta falla define el contacto entre un cuerpo de rocas dunticas (serpentinizadas) al oeste y el gneis sintectnico al Oriente.

Falla Murind: Se ubica en una extensin aproximada de 90 Km con direccin Norte Sur; afecta rocas con edades desde el Cretceo hasta el perodo actual; presenta un movimiento sinextral, producto del movimiento de la placa Caribe hacia el sureste. El trazo de esta falla se encuentra cubierta por los sedimentos aluviales del ro Atrato y se localiza al occidente del piedemonte sobre el valle del ro Atrato.

Falla de Uramita:Se localiza al oriental del Golfo de Urab, y se extiende hacia el sur con una direccin aproximada Norte Sur. Esta falla presenta actividad reciente (segn estudios de Woodward & Clyde en Martnez et. al, 1995).



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Figura 5. Mapa de la zona con las principales fallas y ubicacin de la zona de inters.

1.2 SISMICIDAD REGIONAL

En general se dispone de alguna informacin tanto histrica como instrumental acerca de la magnitud en varios tipos de escalas como lo son: Magnitud local (Ml), Magnitud de ondas superficiales (Ms), Magnitud de ondas de cuerpo (Mb) y Magnitud de momento (Mw). Debido a las limitaciones respecto a las hiptesis que presentan las tres primeros tipos de magnitud nombrados [Sarria, 1995] y principalmente a la posible saturacin de las curvas, se opt por transformar por medio de la siguiente grfica (Figura 6) y sus correspondientes ecuaciones de conversin de las magnitudes a Mw, la cual nos da un mejor indicativo de la energa liberada, ilustraciones 7 a 9.



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Figura 6. Relacin de Magnitudes



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Figura 7. Correlacin para convertir MI a Mw.

Figura 8. Correlacin para convertir Ms a Mw.



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Figura 9. Correlacin para convertir Mb a Mw.

La informacin acerca de los registros histricos en Colombia se obtuvo del catlogo nacional en la pgina del INGEOMINAS (www.ingeominas.gov.co), adems de otras fuentes que se listan a continuacin:

www.neic.usgs.gov/neis/epic/epic

www.histserver.ethz.ch/simplequerye

www.ceresis.org/ceresis/consulta

1.3 ELECCIN DE INFORMACIN

Debido a la gran cantidad de informacin se hace necesario realizar un proceso de seleccin entre los catlogos obtenidos, como lo es la eliminacin de registros que se encuentren en ms de un catlogo a la vez, sismos fuera de una rea de influencia determinada, la posible informacin incompleta de los registros y la depuracin de



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rplicas, esto ltimo puesto que la sismicidad sigue las hiptesis del proceso de Poisson adems de evitar sobreestimar el periodo de retorno de los sismos de magnitud grande.

1.3.1 CRITERIOS UTILIZADOS PARA SELECCIN DE INFORMACIN

1.3.1.1 ELIMINACIN REGISTROS REPETIDOS

Inicialmente se procede a eliminar registros de sismos que se encuentren repetidos en los diferentes catlogos, para lo cual se obtiene los sismos que se presentan en la (Figura 10)

1.3.1.2 SELECCIN REA DE INFLUENCIA

Para el estudio de amenaza ssmica local en este caso, se consideraron varias reas de influencia teniendo en cuenta radios de influencia de 50 Km, 100Km, 150Km, 200 Km, 250 Km y 300 Km; en la gran mayora de los casos los efectos locales de los sismos son despreciables (SARRIA, Ingeniera Ssmica, Pg. 265). Sin embargo, con el fin de no dejar por fuera zonas de falla importante con alta actividad ssmica se asume una distancia mayor. Tomando como base lo anterior se eliminan los registros fuera del rea de influencia para este estudio de amenaza ssmica (sismos por fuera de un radio de 300 Km). Despus de haber realizado este proceso se encuentra que el rea de mayor influencia se encuentra dentro del radio de 250 Km. Dentro de este radio las fallas que ms afectan a la zona de estudio son las fallas de Murr, Murind y la falla de Uramita.

En cuanto a la actividad ssmica superficial, se pueden observar cuatro zonas de sismicidades diferentes: la primera, que es la comprendida dentro de un crculo con radio de 50 Km con centro en un punto intermedio de los proyectos, donde se observa una sismicidad superficial muy baja. En la segunda zona, comprendida entre los radios de 50 km a 100 km, se observa una sismicidad superficial baja con un nmero importante de eventos con magnitud preferente inferiores a 4.0 Ms. El tercer tramo comprendido entre los radios de 100 km a 250 km debidos al sistema de fallas, como se mencion en el prrafo anterior, de Murr, Murind y la falla de Uramita. En esta zona se reportan sismos con magnitudes superiores a 6.5 Ms. La cuarta zona, que se da para distancias entre 250 km y 300 km presenta una sismicidad media a alta con sismos de magnitudes que oscilan entre 5 y 6 Ms. Lo anterior indica que la actividad de la zona de estudio es alta, pero en la zona ms cercana a los proyectos, dicha actividad est representada por sismos de magnitudes moderadas.



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Figura 10. Ubicacin de los sismos existentes en los catlogos Utilizados



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1.3.2 ANLISIS DE COMPLETEZ

Se realiza el procedimiento de completez o ensayo de cubrimiento analizando la confiabilidad de la informacin para la realizacin del estudio de amenaza ssmica. Se grfica el tiempo en aos contra el nmero de sismos acumulados para cada ao, para as evaluar y elegir la informacin donde posiblemente se inici la toma de registros con instrumentacin. En Colombia esta funcin la cumple la Red Nacional de Acelergrafos (R.A.N)

De acuerdo al anlisis efectuado se obtuvo que para los sismos de magnitud menor de 3, existe una falta de registros ssmicos o estos pueden estar asociados a otros factores externos diferentes a movimientos telricos, por lo que se opta por descartar la informacin correspondiente a todos los eventos ssmicos con magnitudes inferiores a 3.

Como el objetivo del anlisis de COMPLETEZ es la obtencin de informacin confiable, visualmente se eligen periodos de tiempo en los cuales se supone existe informacin confiable obtenida por medio de instrumentacin; este periodo, llamado periodo de exposicin, corresponde al tramo de cada curva en la cual no se presenta ausencia de registros ssmicos o los resultados pueden estar alterados por otros factores como explosiones, el paso de camiones, entre otros, por lo que se escogen las magnitudes mayores a 3.

1.3.2.1 ELIMINACIN RPLICAS

Como parte final del proceso de seleccin se eliminan las rplicas, como se mencion antes, debido a que la sismicidad sigue las hiptesis del proceso de Poisson, y de otro lado evitar sobreestimar el periodo de retorno de los sismos de magnitud grande, lo cual se observa en la (Figura 11), ya que en el caso a (sin eliminacin de rplicas) la recta de la regresin en la curva de recurrencia de magnitudes tiene menor pendiente que la correspondiente al caso b (eliminando rplicas). Por tanto, para sismos de magnitud grande, en teora la ocurrencia del evento seria ms frecuente en el caso a que en el b, debido a que posee un periodo de retorno menor.



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Figura 11. Comparacin Curvas de recurrencia (caso A: lnea roja, caso B: lnea azul).

1.3.3 PROCESO DE POISSON

Para el entendimiento del proceso de Poisson es necesario conocer las hiptesis que fundamentan la distribucin de probabilidad binomial, las cuales se enumeran a continuacin:

1. El experimento consiste en una secuencia de n intentos, donde n se fija antes del experimento.

2. Los intentos son idnticos, y cada uno de ellos puede resultar en uno de dos posibles resultados, xito o fracaso.

3. Los intentos son independientes, por lo que el resultado de cualquier intento particular no influye sobre el resultado de cualquier otro intento.

4. La probabilidad de xito es constante de un intento a otro; se denota esta probabilidad por p.



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Se dice que una variable aleatoria X tiene una distribucin de Poisson si la distribucin de probabilidad o funcin de probabilidad de masa de X es:

( )

0 alguna para

.0,1,2..... x!

:

>

==

xexp

x

En muchas situaciones la razn fundamental para utilizar la distribucin de Poisson es tomar sta como un lmite de la distribucin de probabilidad binomial, es decir, si en cualquier experimento binomial en el que n sea grande y p pequea la distribucin de probabilidad binomial se puede aproximar a la de Poisson con =np.

Una aplicacin muy importante de la distribucin de Poisson se presenta en relacin con el acontecimiento de eventos de un tipo particular con el tiempo como lo es el caso ssmico, para el cual la distribucin de probabilidad de Poisson se convierte en la siguiente expresin [Devore, 2000]

!)()(xeLNxP

LNx

=

Donde:

L: Vida til de la estructura

N: Inverso periodo de retorno (1/Tr)

Para obtener la probabilidad de excedencia q se le resta a 1 el valor de P evaluada en x=0, o sea, la probabilidad que no exista evento ssmico.

LNeq =1

Para la eliminacin de las rplicas se realiza un proceso iterativo, en el cual se toma como base un evento principal, denominado as aquel que libera la mayor cantidad de energa respecto a eventos cercanos en tiempo y distancia. El mtodo consiste en eliminar estos eventos variando las componentes de tiempo y distancia y luego observar alrededor del evento principal si el proceso de depuracin es satisfactorio o es necesario ampliar los intervalos.



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Finalmente, despus del proceso iterativo se toma como rplicas los eventos que se encuentren entre 60 das antes y/o despus del evento principal y en un radio de 30 km alrededor de ste, para as obtener el catlogo final depurado.

La eleccin de estos valores es un proceso de carcter subjetivo, por lo tanto el proceso est expuesto a errores de observacin.

1.4 FUENTES SISMOGNICAS

Las fuentes sismognicas son proyecciones de volmenes litosfricos dentro de los cuales ocurren sismos con el mismo mecanismo focal y una actividad ssmica uniforme.

Analizando los resultados obtenidos en el proceso de seleccin de informacin y teniendo en cuenta la cantidad de sismos por unidad de rea, y los mecanismos focales correspondientes a la evaluacin del estado de esfuerzos del rea de influencia, se eligen las siguientes fuentes sismognicas:



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Figura 12. Sismofuentes en el rea de influencia.

Adicional a todo lo anterior, se considera que las sismofuentes que ms influyen en la zona de estudio son las superficiales (fallas). Esta afirmacin se pudo comprobar con el anlisis efectuado.

1.5 ECUACIN DE ATENUACIN

Las ecuaciones de atenuacin son relaciones entre la aceleracin, la magnitud del sismo y la distancia entre el foco y el instrumento. En el caso de este estudio se utiliza la de McGuire 1974 y para determinar la distancia focal R se utiliz la ecuacin presentada por Esteva 1973, la cual fue desarrollada para regiones de Europa y sismicidad superficial:



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[ ] 573.0 43.957`

(g)n Aceleracio :y 25RC

21

-1.381 e 2

==

+=

CCCy M

l)hipocentra (distancia dr 22 oh+=

Esta ecuacin presenta entre las hiptesis ms importantes, las siguientes:

Sismo mnimo de magnitud Ms=3, ya que sismos de menor magnitud generalmente no tienen importancia en ingeniera.

Profundidades focales menores de 40Km.

La misma ecuacin es utilizada tanto para el PGA como para las otras relaciones espectrales, cambiando solos los coeficientes.

A pesar que para el estudio que se realiza esta ecuacin si bien no es la ms adecuada respecto a las limitaciones, entre la informacin que se posee es una en las que la mayora de sus hiptesis se cumplen en este estudio de amenaza ssmica, esto sin tener en cuenta la importante condicin que no se cumple que es la ubicacin geogrfica para la cual fue desarrollada la ecuacin.

A continuacin se presentan los resultados obtenidos por el mtodo probabilstico en la evaluacin de la amenaza ssmica para el proyecto, el resultado ms desfavorable se encuentro dentro de un radio de influencia de 250 Km, para este caso los resultados obtenidos son los siguientes.

=([(^0.8 )/((^0.8(+25)^(2) ) )] )25



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Figura 13. Curva de Amenaza.



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2 SISMOS DE DISEO

La seleccin de los sismos de diseo para la presa se definieron de acuerdo con los criterios expresados por el USCOLD y bajo los cuales se han diseado numerosos proyectos hidroelctricos similares en Colombia. Estas normas recomiendan considerar para el diseo de grandes presas el sismo bsico de operacin (SBO), el sismo mximo probable (SMP) y el sismo mximo creble (SMC).

El SBO (Sismo Bsico de Operacin) est definido como un sismo frecuente para el cual las estructuras, sistemas y componentes necesarios para el funcionamiento del Proyecto, deben permanecer operables y no pueden sufrir ningn dao.

El SMP (Sismo Mximo Probable) est definido como un sismo poco probable para el cual se pueden producir daos sobre la presa pero que son reparables sin interrumpir el normal funcionamiento de la presa y sus estructuras. Corresponde a un sismo para un perodo de retorno de 1.000 aos y se obtiene a partir de un anlisis probabilista que integre la actividad de todas las sismofuentes.

El SMC (Sismo Mximo Creble) corresponde al sismo mximo esperado en el sitio para el cual las estructuras pueden sufrir daos apreciables. En ningn momento la ocurrencia de este ltimo puede llegar a desencadenar una catstrofe. Se estima como el sismo mayor obtenido a partir de un anlisis determinista, como el sismo mximo producido por la sismofuente ms cercana al Proyecto y el sismo obtenido de un anlisis probabilista para perodos de retorno de ms de 2.000 aos.

Para el caso de estudio se asoci un perodo de retorno de 500 aos, 1.000 aos y 2.000 aos para el SBO, SMP y SMC, respectivamente, dado el conocimiento del marco tectnico local de la zona del sitio de proyecto. La eleccin de los mismos se hizo considerando los tipos de obras, los materiales de construccin de la obra, el volumen de los embalses -que es cero por cuanto el proyecto est formulado como a filo de agua-, y los daos que se pueden generar aguas abajo del proyecto. En la Tabla 1 (obtenida con la Figura 13) se muestran los valores de aceleracin en roca asociados a los perodos de retorno especificados como objeto de diseo.



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Tabla 1. Sismos de diseo

Sismo a (g)

SBO 0.22

SMP 0.28

SMC 0.35



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3 ESPECTROS DE RESPUESTA DE DISEO

La amenaza ssmica no depende exclusivamente de la aceleracin mxima a nivel de roca (P.G.A.), sino tambin del contenido frecuencial del sismo.

Por lo tanto, se requiere de conocer la respuesta mxima para diferentes perodos de vibracin. Para tal efecto, se definieron los espectros de amenaza uniforme de aceleraciones, para los sismos bsicos de operacin (SBO), mximo probable (SMP) y mximo creble (SMC). .

Para la obtencin de los espectros de respuesta se utiliz la metodologa expuesta en Sarria 2008. En la Figura 14 se pueden observar los espectros, obtenidos con la metodologa mencionada.

Figura 14. Espectro Elstico de Aceleraciones de Diseo como fraccin de G.



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4 BIBLIOGRAFA

Sarria A, Terremotos e infraestructura, Universidad de los Andes, 2008.

INGEOMINAS, INFORMACIN GEOLGICA, www.ingeominas.gov.co.

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