Evaluación de la Vulnerabilidad Sísmica de Presas de Materiales Sueltos

Abstract

El análisis cuantitativo del riesgo sísmico de las estructuras es un tema de suma relevancia e interés actual. En lo que respecta a estructuras de hormigón, como edificios y puentes, el alto grado de avance en esta dirección ha permitido la definición clara y detallada de estados límites. Sin embargo, la respuesta de estructuras geotécnicas es más compleja y los índices están definidos de forma cualitativa. Particularmente para presas de materiales sueltos, las matrices de probabilidad de daño y las curvas de fragilidad desarrolladas se basan en el juicio de expertos y en la limitada información disponible de casos reales, lo que resulta en conclusiones poco específicas y hasta erróneas sobre su capacidad. En Argentina, donde existen más de ciento treinta “grandes presas” y cientos de pequeñas presas, muchas en zonas sísmicas, se agrega el hecho de la ausencia de una Ley de Seguridad de Presas. Salvo muy pocas excepciones, la vulnerabilidad sísmica de estas presas es desconocida. En esta tesis se propone una metodología para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de grandes presas de materiales sueltos. La aplicación de procedimientos de análisis de riesgo avanzados a presas, con evaluaciones de modelos numéricos acoplados tipo tiempo-historia, presenta numerosas dificultades ligadas a la gran cantidad de evaluaciones requeridas y al elevado costo computacional. Para solucionarlo se utilizaron estrategias auxiliares, como ser la definición de las medidas de intensidad óptimas para caracterizar la amenaza y la modificación del paso de los acelerogramas, que permiten reducir el número de evaluaciones, con una muy buena aproximación de la respuesta. Tradicionalmente, la aceleración máxima del suelo se ha utilizado como el vínculo entre el riesgo sísmico y el análisis estructural, sin embargo este parámetro es insuficiente para presas de materiales sueltos. Se ha desarrollado un amplio estudio para determinar la IM óptima. En general, los parámetros relacionados con la velocidad, como la Intensidad del Espectro de Velocidad y la Intensidad de Housner, son los más adecuados para describir el asentamiento del coronamiento, que es el indicador más utilizado para definir el daño de este tipo de estructuras. El estudio de los modelos numéricos posibilitó también la definición del estado límite de colapso en términos del parámetro de daño adoptado. Estos resultados permitieron, por un lado, perfeccionar la metodología de análisis de riesgo de un conjunto de presas de materiales sueltos, basada en el Factor de Riesgo Total; y por otro, definir una metodología específica para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de una presa en particular. Los métodos propuestos son eficientes en cuanto a recursos computacionales y constituyen una mejora de los existentes hasta el momento. Finalmente, se presenta una aplicación a las grandes presas del noroeste argentino.

One of the most critical issues at the present time is the quantitative risk assessment of structures. Regarding concrete structures, behavior is well known and limit states completely defined. On the other hand, geotechnical response to earthquakes is more complex and damage indexes vaguely specified. Damage probability matrices and fragility curves developed for earth and embankment dams are generally based on expert judgment. In the last decades, data from observation of performance has grown but it is still limited. In Argentina there are more than 130 large dams and hundreds of small dams, many located in seismic zones. With very few exceptions, the seismic vulnerability of these dams is unknown. This problem is exacerbated by a lack of specific regulations or guidelines. In this thesis, a methodology for the evaluation of the seismic vulnerability of earth dams is proposed. The application of advanced risk analysis procedures to dams has been limited due to the limitations and difficulties involved in the development of fully coupled numerical analyses, such as excesive number of evaluations required and high computational cost. To deal with these issues, the definition of the optimal intensity measure to characterize the seismic hazard and the modification of accelerograms time steps have been essential strategies. Traditionally, Peak Ground Acceleration (PGA) has been chosen as primary IM but it does not always captures special features of dynamic response of earth structures. A comprehensive study on the selection of an appropriate IM for vulnerability and risk analyses of embankment dams has been developed. In general, velocity-related parameters and in particular, cumulative absolute velocity and sustained maximum velocity are the most appropriate IM regarding crest settlement. Studies on numerical models enabled the definition of collapse limit state in terms of the damage parameter adopted. These results allowed, on the one hand, to improve the methodology of risk analysis of a group of earth dams with impervious core based on the Total Risk Factor; and on the other, to define a specific methodology for the evaluation of the seismic vulnerability of a particular dam. The proposed method is efficient in terms of computational resources and is an improvement of existing procedures. Finally, an example is presented, applied to dams of northwestern Argentina