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El Laboratorio de Ingeniería Sísmica de la Universidad de Costa Rica, tiene un acelerógrafo instalado en Nosara de Guanacaste (Código GNSR) que se ubicó a unos 20 km al noroeste del epicentro del terremoto de Sámara. La figura 1 muestra la ubicación de esta estación (triángulo verde) y del epicentro (estrella roja).



Figura 1. Ubicación del epicentro (estrella roja) del terremoto de Sámara y estación GNSR (triángulo verde).

Al momento del terremoto, la señal de los primeros 25 s de movimiento del suelo en Nosara llegaron al servidor del LIS en San José. El registro de esa parte de la señal se ve en la figura 2.



Figura 2. Registro interrumpido de la señal de Nosara durante el terremoto.

En el informe que se generó en el LIS, esta estación indicaba que el valor máximo de aceleración era de 588 cm/s2 sin filtrar. Cuando se procesó de manera automática el valor fue de 468 cm/s2, ligeramente por debajo de los valores obtenidos en Santa Cruz, un poco más lejos del epicentro.

Sin embargo, pasada la emergencia, una vez que se restablecieron las comunicaciones, el resto de la información fue retransmitida y se obtuvo la totalidad del registro que se muetra en la figura 3.



Figura 3. Registro acelerográfico completo en GNSR.

Este es un registro sumamente importante. El valor máximo de aceleración en la componente Este-Oeste (la de abajo) es de 1794 cm/s2 sin ningún tipo de filtro. Esto quiere decir que el movimento en Nosara fue muy fuerte y que el valor real de intensidad que se experimentó en el sitio superó la intensidad instrumental X+ cuyo límite inferior es 1240 cm/s2.

El valor máximo de las otras componentes es igualmente sorprendente. Hay un pico que alcanza los 1107.5 cm/s2 en la vertical (primera traza) y los 779.4 cm/s2 en la componente Norte-Sur (segunda traza).

La aceleración de la gravedad que es la que atrae todos los objetos hacia el centro de la Tierra es de 980 cm/s2. Esto quiere decir que el sismo en Nosara superó este valor casi el doble. Esto convierte el registro de Nosara en el más importante que se haya obtenido en el país desde que se inició el monitoreo de sismos fuertes a inicio de la década de los 80.

Aunque es común representar un terremoto como un punto que llamamos epicentro, este no es el lugar donde el movimiento fue más fuerte o provocó mayor desplazamiento en los bloques de la falla. Para un sismo como el de Sámara de Mw 7.6, la zona de ruptura es de varias decenas de kilómetros a lo largo y ancho de la zona de subducción.

Observando más de cerca solo la componente Este-Oeste, se puede tener una idea de la cantidad de energía tan impresionante que se liberó al romperse la falla y que fue en al menos 3 a 4 instantes. La figura 4 muestra una interpretación de lo sucedido tomando como base únicamente este registro.



Figura 4. Fases de ruptura del terremoto de Sámara observados en la estación de Nosara

Según nuestros cálculos, el sismo inicia a las 08:42:05 am. El arribo de las primeras ondas a la estación de Nosara es muy débil, unos 4 s después, pero va incrementándose de forma acelerada conforme pasa el tiempo. A las 08:42:15 am el movimiento es brusco. Inicia la primera fase fuerte que se señala en el cuadro azul de la figura anterior. En ese instante las aceleraciones son del orden de 500 cm/s2 muy intensas durante 3 s.

Al momento 08:42:22 s se rompe otra sección de la falla, esta vez mucho más fuerte que la primera cuyos valores de aceleración se convertirían en los más altos jamás registrados en el país. Hay valores de 1794 cm/s2 que es el pico que hay hacia abajo y otros dos más un poco más tarde en la dirección hacia arriba de 1408 cm/s2 y de 1246 cm/s2.

Una tercera sección se rompe a las 08:42:32 s con valores de aceleración similares a los de la parte 1.

La última sección de la falla en romper lo hace a las 08:42:45 s y se ve en el recuadro 4 (rojo). Ya para este tiempo, la mayoría de la energía del sismo se habría liberado y el movimiento empezaría a decrecer de manera paulatina.

Tal como se dijo, esta es una primera interpretación del proceso de ruptura. La dirección en que se dió y cantidad de energía liberada en cada una de las 4 partes, será tema de investigación más adelante.

La complejidad del registro es debida precisamente a su cercanía con la falla. La zona de ruptura de este evento se ubica por debajo de Nosara, por tanto, esta puede "ver" mejor los diferentes estados en que sucedió el terremoto.

Al tratarse de un registro tan importante, nos dimos a la tarea de compararlo con otros sismos que han tenido similares valores de altísima aceleración, aunque hayan tenido diferente magnitud. La tabla 1 muestra los parámetros de la fuente de esos eventos obtenidos del Centro de Movimiento Fuerte (http://www.strongmotioncenter.org).

País
Fecha
Mw
Prof.
(km)
Estación
Distancia epicentral (km)
Chile
27 de febrero de 2010
8.8
35
CCSP-Concepción
109.1
Nueva Zelanda
21 de febrero de 2011
6.3
5
HUSC
2.1
Japón
11 de marzo de 2011
9.0
94.9
MYG004
125.0
Costa Rica
5 de setiembre de 2012
7.6
18
GNSR-Nosara
20.2

Los registros de esas estaciones se muestran en la figura 5 a una misma escala. Claramente el terremoto de Japón es el más grande en todo sentido debido a su enorme magnitud. El valor máximo de aceleración en los datos sin ningún tipo de filtrado (que es como se está comparando esta información) se indica junto a la figura.

El terremoto de Nueva Zelanda es único también. Este sismo fue de apenas magnitud 6.3, pero causó más de 100 muertes y mucha destrucción debido a su poca profundidad hipocentral.



Figura 5. Comparación del registro del sismo en Costa Rica con otros eventos de importancia.

El sitio Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Peak_ground_acceleration) lista la información de los eventos más fuertes a nivel mudial según consulta realizada el 13 de setiembre del 2012. Según ese sitio, los valores de aceleración máxima difieren de los obtendios del Centro de Movimiento Fuerte de donde tomamos los datos de los registros mostrados en la figura 6. Sin embargo, según esos datos, el terremoto del 5 de setiembre de Costa Rica, registrado en Nosara, sería el cuarto evento con mayor aceleración registrado en todo el mundo a la fecha de hoy.



Figura 6. Tabla de Wikipedia mostrando los sismos con mayores valores de aceleración a nivel mudial.

Parametros ingenieriles de registros.

Los datos de aceleración en esta sección fueron corregidos por un filtro pasabanda de 0.1 a 40 Hz. La siguiente figura muestra el espectro de respuesta para el 5% de amortiguamiento obtenido a partir de la componente norte-sur del acelerograma registrado en Nosara. Se compara con el espectro elástico (ductilidad igual a uno) del Código Sísmico de Costa Rica 2010 (CSCR-10) para S3, Zona IV.

Se observa que el espectro propuesto por el CSCR, es superado por el obtenido con el registro del sismo terremoto del 5 de setiembre desde 0.02 hasta 0.3 s. Debe hacerse notar que para efectos de comparación, la aceleración pico efectiva dada por el CSCR-10, que para este sitio corresponde a 0,44g se convirtió en aceleración pico (PGA) dividiéndola por un factor aproximado de 0,8, de acuerdo con recomendaciones bibliográficas (Laporte 2006).

La pseudo aceleración espectral, según espectro obtenido, llega a un valor de 2,6 g en 0,16 s de periodo, superando en aproximadamente un 89% la aceleración espectral máxima de la zona del "plateau" del espectro, según el CSCR-10, que corresponde a un valor de 1,375 g.

Según el espectro obtenido, las estructuras que experimentaron máxima amplificación son las rígidas, de uno a dos pisos. Es interesante notar que el pico máximo de este espectro es bastante angosto, definiendo un valor máximo bastante claro en 0,16 s de periodo.



Figura 7. Comparación entre el espectro del CSCR-2010 con el obtenido en la estación GNSR, componente norte-sur.

Para efectos de comparación con espectros obtenidos a partir de acelerogramas registrados en otras partes del mundo, se seleccionaron los mismos sismos extranjeros mencionados anteriormente.

En la figura 8 se evidencia que el espectro obtenido para el sismo de Japón supera a todos los considerados en periodos bajos y en todo el rango de periodos al obtenido en Nosara, Costa Rica. En forma semejante, las pseudo aceleraciones espectrales del obtenido em Nueva Zelanda en el 2011 supera al de Costa Rica en todo el rango de periodos, siendo muy similares en 0,16 s. Sin embargo, los daños observados en la ciudad de Christchurch fueron mucho mayores que los vistos en la Península de Nicoya, debido probablemente a lo somero y cercano del hipocentro a esa ciudad de Nueva Zelanda.

El terremoto ocurrido en Chile en el 2010, muestra valores de pseudo aceleración espectral semejantes a los del terremoto del 5 de setiembre en casi todo el rango de periodos, sin embargo, el de Costa Rica supera al de Chile entre 0.13 y 0.31 s. Este último terremoto fue muy destructivo sobretodo por el tsunami asociado.



Figura 8. Comparación entre el espectro obtenido del registro en la estación GNRS con espectros de sismos extranjeros.

Debido a que la aceleración pico del suelo (PGA) no es un parámetro que se correlaciona bien con el daño observado en un sitio específico, porque ésta suele ocurrir en un instante de tiempo muy pequeño, diversos investigadores han propuesto otros indicadores que toman en cuenta las aceleraciones en todo el tiempo que duró el movimiento producto del sismo.

Uno de esos parámetros es la aceleración pico efectiva (APE), que se define como el promedio de las aceleracines espectrales en un rango de periodos de 0,1 a 0,5, dividido por 2,5 ( ATC 3-06). La APE representa el movimiento del suelo en ese rango de periodos, que es donde se presentan los mayores valores de aceleración espectral. Este es el que propone el CSCR-10 como base para estimar las solicitaciones sísmicas.

Respecto a los indicadores de daño, uno de los más importantes usado en el mundo es el llamado Intensidad de Arias (IA), propuesto por el investigador chileno Arturo Arias en 1969. Consiste en resolver una integral que dicho en términos muy sencillos, calcula el área bajo la curva del acelerograma, elevando al cuadrado cada aceleración. Este es un indicador aceptado como medida de la energía que el movimiento del suelo induce a las estructuras.

La siguiente tabla muestra una comparación entre PGA, APE e IA, que también se ilustra en las figuras 9, 10 y 11 para efectos comparativos más claros.

Se evidencia que para estos tres parámetros considerados, el terremoto de Japón 2011 supera a todos los demás. Sin embargo, debe resaltarse que el de Costa Rica 2012 muestra un alto PGA, superándo a Chile 2010 en forma significativa e igualando a Nueva Zelanda 2011, que fue un terremoto que causó daños generalizados.

Respecto a la APE, se nota una tendencia parecida que para PGA pero el caso de Costa Rica 2012 se asemeja más a Chile 2010. Esto puede deberse a que las aceleraciones más altas en Costa Rica se dieron en un intervalo de tiempo pequeño, por lo que la APE, que refleja una aceleración más significativa y mantenida en el tiempo, baja en forma considerable respecto al PGA.

Finalmente, a pesar de que la IA muestra un valor significativamente más alto para el terremoto de Japón 2011, debe tomarse en cuenta que la IA para los otros tres sismos considerados tienen valores considerables desde el pundo de vista de posibles daños asociados en estructuras ya que superan 0,135 m/s, según lo propuesto por Bommer & Martinez, 1999 y 2000.

Para el caso de Costa Rica, cabe mencionar que esta es significativamente la IA más alta estimada en toda la historia instrumental, ya que la máxima anterior era de 1,74 m/s correspondiente al registro en la estación AALJ debido al terremoto de Piedras Negras (conocido como terremoto de Alajuela del 22-12-1990, Mw=5.7).

En forma preliminar, hay que resaltar dos aspectos importantes. Primero, tal y como se ha comprobado a lo largo de la historia,no existe correlación entre la magnitud y el daño.

Una segunda observación va en el sentido de que hasta el momento, no ha habido forma de explicar el daño moderado ocurrido a raíz del terremoto de Costa Rica 2012 al relacionarlo con los altos valores obtenidos para indicadores de daños, principalmente la Pseudo Aceleración Espectral y la Intensidad de Arias.

Lo anterior puede estar asociado a que existen pocos casos a nivel mundial donde se hayan obtenido registros muy cerca de la fuente, como sí sucedió con el terremoto en estudio, por lo que tales indicadores que han sido obtenidos y calibrados a partir de registros a distancias moderadas y lejanas, puede que no reflejen en forma precisa los efectos en el campo cercano.

Sísmo
PGA (cm/s/s)
Acel Pico efectiva (cm/s/s)
I Arias (m/s/s)
Japón 2011
2688.6
2127.5
134.22
Nueva Zelanda 2011
1613.6
1168.5
12.47
Chile 2010
613.6
434.15
7.186
Costa Rica 2012
1580.0
625.9
12.07



Figura 9. Aceleración pico del suelo para los cuatro sismos considerados.



Figura 10. Comparación entre la acelaración pico efectiva para los cuatro sismos considerados.



Figura 11. Comparación de la Intesidad de Arias para los cuatro sismos considerados.

Referencia:

  • APPLIED TECHNOLOGY COUNCIL (1984). ATC 3-06.
  • Bommer, J. & Martínez, A. (1999). The effective duration of earthquake strong motion. Journal of Earthquake Engineering. 3(2): 127-172.
  • Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica (2011). Código Sísmico de Costa Rica 2010. Editorial Tecnológica de Costa Rica.
  • Laporte, M. (2006). Correlación entre la aceleración pico y la pico efectiva y los valores de PGV/PGA y PGA*PGD/PGV2 del banco de datos de movimientos fuertes de América Central. Noveno Seminario Nacional de Geotecnia. San José.