Ruido sísmico

Tras el terremoto de Long Beach de 1933 en California, una amplia campaña experimental dirigida por D.S. Carder ^{[ 12 ]} en 1935 registró y analizó las vibraciones ambientales en más de 200 edificios. Estos datos se utilizaron en los códigos de diseño para estimar las frecuencias de resonancia de los edificios, pero el interés por el método decayó hasta la década de 1950. El interés por las vibraciones ambientales en las estructuras aumentó, especialmente en California y Japón, gracias al trabajo de ingenieros sísmicos, entre ellos G. Housner , D. Hudson, K. Kanai, T. Tanaka y otros. ^{[ 13 ]}

En ingeniería, las vibraciones ambientales fueron suplantadas —al menos durante un tiempo— por técnicas de vibración forzada que permiten aumentar las amplitudes y controlar la fuente de vibración, así como por sus métodos de identificación de sistemas. Aunque M. Trifunac demostró en 1972 que las vibraciones ambientales y forzadas arrojaban los mismos resultados, ^{[ 14 ]} el interés por las técnicas de vibración ambiental no surgió hasta finales de la década de 1990. Actualmente, resultan bastante atractivas debido a su coste y conveniencia relativamente bajos, y a las recientes mejoras en los equipos de registro y los métodos de cálculo. Se ha demostrado que los resultados de su sondeo dinámico de baja deformación son lo suficientemente cercanos a las características dinámicas medidas bajo fuertes sacudidas, al menos siempre que los edificios no sufran daños graves. ^{[ 15 ]}

El registro del ruido sísmico global se expandió ampliamente en la década de 1950 con la mejora de los sismómetros para monitorear las pruebas nucleares y el desarrollo de redes sísmicas. Las principales contribuciones en ese momento para el análisis de estos registros provinieron del sismólogo japonés K. Aki ^{[ 16 ]} en 1957. Propuso varios métodos que se utilizan hoy para la evaluación sísmica local, como la autocorrelación espacial (SPAC), la relación frecuencia-número de onda (FK) y la correlación. Sin embargo, la implementación práctica de estos métodos no fue posible en ese momento debido a la baja precisión de los relojes en las estaciones sísmicas .

Las mejoras en la instrumentación y los algoritmos propiciaron un renovado interés en estos métodos durante la década de 1990. En 1989, Y. Nakamura redescubrió el método de la relación espectral horizontal/vertical (H/V) para derivar la frecuencia de resonancia de los sitios. ^{[ 17 ]} Suponiendo que las ondas de corte dominan el microtemblor, Nakamura observó que la relación espectral H/V de las vibraciones ambientales era aproximadamente igual a la función de transferencia de la onda S entre la superficie del suelo y el lecho rocoso en un sitio. (Sin embargo, esta suposición ha sido cuestionada por el proyecto SESAME).

A finales de la década de 1990, los métodos de arreglo aplicados a los datos de ruido sísmico comenzaron a producir propiedades del suelo en términos de perfiles de velocidad de ondas de corte. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} El proyecto de investigación europeo SESAME ^{[ 22 ]} (2004–2006) trabajó para estandarizar el uso del ruido sísmico para estimar la amplificación de terremotos por características locales del suelo.

El análisis de las vibraciones ambientales y del campo de ondas sísmicas aleatorias motiva una variedad de métodos de procesamiento utilizados para caracterizar el subsuelo, incluyendo espectros de potencia , análisis de picos H/V, curvas de dispersión y funciones de autocorrelación .

Métodos de estación única:

• Cálculo de espectros de potencia , p. ej. sísmica pasiva . Por ejemplo, el monitoreo de las características de densidad espectral de potencia del microsismo de fondo oceánico y el zumbido de período muy largo de la Tierra en estaciones distribuidas global y regionalmente proporciona estimaciones indirectas de la energía de las olas oceánicas, particularmente en entornos cercanos a la costa, incluidas las propiedades de atenuación de las olas oceánicas del hielo marino polar que varía anualmente ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}
• HVSR (relación espectral H/V): La técnica H/V está especialmente relacionada con los registros de vibraciones ambientales. Bonnefoy-Claudet et al. ^{[ 27 ]} demostraron que los picos en las relaciones espectrales horizontal a vertical pueden vincularse al pico de elipticidad de Rayleigh , la fase de Airy de las ondas de Love y/o las frecuencias de resonancia SH, dependiendo de la proporción de estos diferentes tipos de ondas en el ruido ambiental. Casualmente, todos estos valores dan aproximadamente el mismo valor para un terreno dado, por lo que el pico H/V es un método fiable para estimar la frecuencia de resonancia de los sitios. Para una capa de sedimento sobre el lecho rocoso, este valor f₀ _está relacionado con la velocidad de las ondas S Vs _y la profundidad de los sedimentos H de la siguiente manera:${\displaystyle f_{0}={\frac {V_{s}}{4H}}}$Por lo tanto, puede utilizarse para mapear la profundidad del lecho rocoso conociendo la velocidad de la onda S. Este pico de frecuencia permite restringir los posibles modelos obtenidos mediante otros métodos sísmicos, pero no es suficiente para derivar un modelo completo del terreno. Además, se ha demostrado ^{[ 28 ]} que la amplitud del pico H/V no estaba relacionada con la magnitud de la amplificación.

Métodos de arreglo: El uso de un arreglo de sensores sísmicos que registran simultáneamente las vibraciones ambientales permite una mayor comprensión del campo de ondas y la obtención de imágenes mejoradas del subsuelo. En algunos casos, se pueden realizar múltiples arreglos de diferentes tamaños y combinar los resultados. La información de las componentes verticales solo está vinculada a las ondas de Rayleigh y, por lo tanto, es más fácil de interpretar, pero también se han desarrollado métodos que utilizan las tres componentes del movimiento del suelo , proporcionando información sobre el campo de ondas de Rayleigh y Love. Los métodos de interferometría sísmica , en particular, utilizan métodos basados ​​en correlación para estimar la respuesta del impulso sísmico ( función de Green ) de la Tierra a partir del ruido de fondo y se han convertido en un área importante de aplicación e investigación con el crecimiento de datos de ruido de alta calidad registrados continuamente en una amplia variedad de entornos, que van desde la superficie cercana ^{[ 29 ]} hasta la escala continental ^{[ 30 ].}

• FK, HRFK utilizando la técnica de formación de haces
• Método SPAC ( autocorrelación espacial )
• Métodos de correlación
• Microtemblor de refracción (ReMi)

Al igual que los terremotos , las vibraciones ambientales provocan vibraciones en estructuras de ingeniería civil como puentes , edificios o presas . La mayoría de los métodos utilizados suponen que esta fuente de vibración es ruido blanco , es decir, con un espectro de ruido plano, de modo que la respuesta del sistema registrada es realmente característica del propio sistema. Las vibraciones son perceptibles para los humanos solo en casos excepcionales (puentes, edificios altos). Las vibraciones ambientales de los edificios también son causadas por el viento y fuentes internas (máquinas, peatones...), pero estas fuentes generalmente no se utilizan para caracterizar las estructuras. La rama que estudia las propiedades modales de los sistemas bajo vibraciones ambientales se denomina análisis modal operacional (OMA) o análisis modal de salida únicamente , y proporciona muchos métodos útiles para la ingeniería civil . Las propiedades de vibración observadas en las estructuras integran toda la complejidad de estas estructuras, incluyendo el sistema portante , elementos no estructurales pesados ​​y rígidos (paneles de mampostería de relleno...), elementos no estructurales ligeros (ventanas...) ^{[ 31 ]} y la interacción con el suelo (la cimentación del edificio puede no estar perfectamente fijada al suelo y pueden producirse movimientos diferenciales). ^{[ 32 ]} Esto se enfatiza porque es difícil producir modelos que puedan compararse con estas mediciones.

Métodos de estación única: El cálculo del espectro de potencia de las grabaciones de vibraciones ambientales en una estructura (por ejemplo, en el último piso de un edificio para amplitudes mayores) proporciona una estimación de sus frecuencias de resonancia y, finalmente, de su coeficiente de amortiguación .

Método de la función de transferencia: Suponiendo que las vibraciones ambientales del suelo son la fuente de excitación de una estructura, por ejemplo un edificio, la función de transferencia entre la parte inferior y la superior permite eliminar los efectos de una entrada no blanca. Esto puede ser particularmente útil para señales con baja relación señal/ruido (edificio pequeño/alto nivel de vibraciones del suelo). Sin embargo, este método generalmente no logra eliminar el efecto de la interacción suelo-estructura . ^{[ 32 ]}

Arreglos: Consisten en el registro simultáneo en varios puntos de una estructura. El objetivo es obtener los parámetros modales de las estructuras: frecuencias de resonancia , coeficientes de amortiguación y modos de vibración para toda la estructura. Cabe destacar que, sin conocer la carga aplicada, no es posible determinar a priori los factores de participación de estos modos. Mediante un sensor de referencia común, se pueden combinar los resultados de diferentes arreglos.

• Métodos basados ​​en correlaciones

Diversos métodos utilizan las matrices de densidad espectral de potencia de grabaciones simultáneas, es decir, las matrices de correlación cruzada de dichas grabaciones en el dominio de Fourier . Estos métodos permiten extraer los parámetros modales operacionales (método de selección de picos), que pueden ser el resultado del acoplamiento de modos, o los parámetros modales del sistema (método de descomposición en el dominio de la frecuencia).

• Métodos de identificación de sistemas

En la bibliografía existen numerosos métodos de identificación de sistemas para extraer las propiedades del sistema, los cuales pueden aplicarse a las vibraciones ambientales en las estructuras.

La pandemia de COVID-19 generó una situación excepcional en la que el transporte humano, las actividades industriales y otras se vieron significativamente restringidas en todo el mundo, especialmente en zonas densamente pobladas. Un análisis de las fuertes reducciones resultantes del ruido sísmico en altas frecuencias demostró que estas acciones excepcionales dieron lugar a la reducción global del ruido sísmico antropogénico más prolongada y notable jamás observada. ^{[ 33 ]} El ruido sísmico también se ha investigado como un indicador del desarrollo económico. ^{[ 34 ]}