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Direct Damping-Dependent Vertical Ground Motion Model for Stiff Soils in Active Crustal Regions

Este artículo propone y valida un modelo directo de predicción de movimiento del suelo para estimar los espectros de respuesta de pseudoaceleración vertical a través de un rango de relaciones de amortiguamiento (1–20%) en suelos rígidos en regiones corticales activas, demostrando que, si bien produce una variabilidad comparable a los métodos de escalado indirecto, produce estimaciones de la mediana distintas que varían con la magnitud del terremoto.

Autores originales: Héctor Dávalos, Jorge Ruiz-García, David Aguilar

Publicado 2026-08-20

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CC BY 4.0

Autores originales: Héctor Dávalos, Jorge Ruiz-García, David Aguilar

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Los terremotos no solo sacuden el suelo de un lado a otro; también lo empujan y lo tiran hacia arriba y hacia abajo. Si bien los sacudones horizontales suelen ser los más visibles, el movimiento vertical puede ser igual de destructivo, particularmente para estructuras pesadas como puentes y edificios altos. Cuando el suelo se lanza hacia arriba, puede aumentar repentinamente el peso que una columna de un edificio debe soportar, lo que potencialmente puede causar que se pandee o falle de formas que los diseños de seguridad estándar podrían no anticipar. Para mantener a la gente segura, los ingenieros necesitan saber exactamente qué tan fuertes serán estos sacudones verticales en diferentes ubicaciones. Durante décadas, la forma estándar de predecir este sacudimiento ha dependido de un supuesto único y fijo: que los edificios y materiales involucrados absorben la energía a una tasa específica y uniforme. En la realidad, sin embargo, diferentes materiales y estructuras absorben esa energía a tasas muy distintas, lo que significa que las predicciones estándar a veces pueden errar el tiro.

Un equipo de investigadores de México ha desarrollado una nueva forma de pronosticar estos movimientos verticales del suelo que tiene en cuenta estas diferencias. En lugar de depender de una regla única y rígida, su modelo ajusta sus predicciones basándose en cuánta energía es probable que absorba una estructura específica. Analizaron miles de eventos sísmicos registrados, centrándose en áreas con suelo firme y rígido, un tipo de terreno común en muchas ciudades importantes. Al estudiar los datos de estos eventos, crearon una herramienta que puede estimar la intensidad del sacudimiento vertical para una amplia gama de comportamientos estructurales, desde sistemas muy rígidos hasta aquellos que son más flexibles. Este enfoque permite a los ingenieros obtener una imagen más precisa de las fuerzas que un edificio podría enfrentar, en lugar de adivinar basándose en un supuesto de talla única.

Los investigadores comenzaron recopilando una colección masiva de datos: 2,408 registros separados de movimiento vertical del suelo provenientes de terremotos con magnitudes superiores a 5.5. Estas grabaciones provinieron de sitios donde el suelo era rígido, con una medida específica de rigidez del suelo que oscilaba entre 180 y 360 metros por segundo. Este tipo de suelo es significativo porque es la clasificación por defecto utilizada en muchos códigos de construcción cuando faltan datos locales específicos. El equipo observó cómo se movía el suelo a lo largo de un rango de intervalos de tiempo, desde sacudidas muy rápidas que duran 0.1 segundos hasta movimientos más lentos que duran hasta 2.0 segundos. Crucialmente, no solo observaron la tasa de absorción de energía del 5% estándar utilizada en la mayoría de los modelos existentes. En su lugar, calcularon la intensidad del sacudimiento para seis niveles diferentes de absorción de energía, que van desde el 1% hasta el 20%. Esto les permitió ver cómo cambia el sacudimiento predicho cuando la estructura se comporta de manera diferente.

Utilizando este extenso conjunto de datos, el equipo construyó un nuevo modelo de predicción que vincula directamente el tamaño del terremoto y la distancia a la falla con la intensidad del sacudimiento esperada, factorizando simultáneamente la tasa de absorción de energía. Probaron este nuevo modelo contra el método tradicional, que implica un proceso mucho más largo y de múltiples pasos. El método antiguo requiere que los ingenieros primero predigan el sacudimiento horizontal, luego apliquen una razón para adivinar el sacudimiento vertical y, finalmente, ajusten ese resultado utilizando una fórmula separada para la absorción de energía. Los investigadores encontraron que su nuevo método directo producía resultados que eran comparables en términos de variabilidad, pero a menudo diferentes en los números reales predichos. Para terremotos de tamaño moderado, su modelo predijo un sacudimiento significativamente menor que el método tradicional, mientras que para terremotos muy grandes, predijo un sacudimiento notablemente mayor.

El estudio sugiere que este enfoque directo ofrece una forma más práctica y consistente de estimar el sacudimiento vertical, especialmente para estructuras que no se comportan como el supuesto estándar del 5%. Al evitar la necesidad de encadenar múltiples modelos diferentes y adivinar cómo podrían interactuar, el nuevo método reduce la incertidumbre que surge al combinar predicciones separadas. Los investigadores encontraron que su modelo funciona bien para terremotos que van desde magnitud 5 a 8 y para distancias de hasta 200 kilómetros. Concluyeron que, al tener en cuenta la forma específica en que diferentes estructuras absorben la energía, los ingenieros pueden alejarse de las aproximaciones toscas y avanzar hacia una comprensión más precisa de las fuerzas verticales que amenazan nuestros edificios durante un terremoto. Este refinamiento no solo añade una capa de complejidad; proporciona un camino más claro y directo hacia la seguridad en regiones donde el suelo sacude desde abajo.

Resumen Técnico: Modelo de Movimiento Terrestre Vertical Directo Dependiente del Amortiguamiento para Suelos Rígidos en Regiones de Corteza Activa

Planteamiento del Problema
Aunque los modelos de predicción de movimiento de tierra (GMM, por sus siglas en inglés) se desarrollan rutinariamente para espectros de respuesta de aceleración vertical con un 5% de amortiguamiento ( $S_{aV}$ ), muchos sistemas estructurales y no estructurales poseen relaciones de amortiguamiento que se desvían significativamente de este valor convencional. Las metodologías actuales para estimar $S_{aV}$ para relaciones de amortiguamiento no estándar dependen típicamente de enfoques indirectos. Estos involucran un proceso de múltiples pasos: primero, estimar la aceleración espectral horizontal ( $S_{aH}$ ), convertirla a vertical mediante un modelo de relación vertical-horizontal ( $V/H$ ) y, finalmente, aplicar un factor de escala de amortiguamiento vertical (DSF). Este método indirecto introduce una complejidad significativa, requiriendo la combinación de tres modelos distintos y, críticamente, el conocimiento de los coeficientes de correlación entre los residuos de estas variables aleatorias ( $S_{aH}$ , $V/H$ y $DSF_v$ ). Como se señala en la literatura, estos coeficientes de correlación suelen estar no disponibles o tienen una aplicabilidad limitada, lo que conduce a la propagación de la incertidumbre y a un posible sesgo epistémico en las estimaciones finales.

Metodología
Para abordar estas limitaciones, los autores proponen un GMM directo para estimar $S_{aV}$ a través de un rango de relaciones de amortiguamiento para terremotos de corteza superficial registrados en sitios de suelo rígido (Clase de Sitio NEHRP D, $V_{S30}$ entre 180 y 360 m/s).

Base de Datos: El modelo utiliza un conjunto de datos de 2,408 registros de movimiento terrestre vertical de la base de datos NGA-West2. Los registros corresponden a eventos con magnitudes de momento ( $M_w$ ) superiores a 5.5 y distancias Joyner–Boore ( $R_{jb}$ ) menores a 300 km.
Cómputo Espectral: Se computaron espectros de respuesta elástica para 17 períodos de vibración que van desde 0.1 s hasta 2.0 s. Los cálculos se realizaron para seis relaciones de amortiguamiento críticas: 1%, 2%, 5%, 10%, 15% y 20%.
Forma Funcional: El modelo emplea un enfoque de regresión de efectos mixtos para estimar el logaritmo natural de $S_{aV}$ . La forma funcional es una versión simplificada del modelo de Bozorgnia y Campbell (2016b), dependiente de $M_w$ y $R_{jb}$ . Comprende un término de evento ( $F_E$ ) y un término de trayectoria ( $F_P$ ), con coeficientes ( $b_1$ a $b_6$ ) derivados independientemente para cada período y relación de amortiguamiento.
Variables Predictoras: Los análisis preliminares indicaron que la inclusión de variables adicionales, tales como el mecanismo de falla, la profundidad hipocentral o la profundidad al horizonte de 2.5 km/s, solo produjo reducciones menores en la variabilidad (por ejemplo, 1.8% para el mecanismo de falla). En consecuencia, los autores optaron por una forma funcional más simple para reducir la incertidumbre paramétrica.
Variabilidad: El modelo cuantifica explícitamente la variabilidad dentro del evento ( $\phi$ ) y entre eventos ( $\tau$ ), así como la desviación estándar logarítmica total ( $\sigma$ ).

Resultados Clave

Desempeño del Modelo: Los análisis de residuos (dentro del evento vs. $R_{jb}$ y entre eventos vs. $M_w$ ) no demostraron tendencias significativas, lo que sugiere que la forma funcional captura adecuadamente el escalamiento de $S_{aV}$ con la magnitud y la distancia.
Tendencias de Variabilidad: La desviación estándar logarítmica depende del período. Las relaciones de amortiguamiento más bajas (1–2%) exhiben variabilidades mayores, particularmente en períodos entre 0.03 s y 0.2 s. Las relaciones de amortiguamiento más altas (10–20%) muestran variabilidades más estables, con valores promedio de $\sigma$ que oscilan entre 0.63 y 0.65.
Comparación con el Enfoque Indirecto: El modelo propuesto (denominado DRA26) se comparó contra un enfoque indirecto que combina el GMM de Bozorgnia y Campbell (2016b) para un 5% de amortiguamiento y el modelo de DSF de Rezaeian et al. (2014) (denominado BC16+R14).
- Dependencia de la Magnitud: Para magnitudes moderadas ( $M_w = 6.5$ ), el modelo propuesto arroja estimaciones de la mediana de $S_{aV}$ aproximadamente 31.4% menores que el método indirecto a distancias cortas (10 km). Por el contrario, para magnitudes grandes ( $M_w = 7.5$ ), el modelo propuesto predice valores aproximadamente 19.9% superiores. Estas diferencias disminuyen a medida que aumenta la distancia.
- Incertidumbre: El modelo propuesto ofrece una caracterización más consistente de la variabilidad espectral porque evita la necesidad de asumir correlaciones entre $S_{aV}$ y $DSF_v$ o de aproximarlas utilizando correlaciones de componentes horizontales.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo postula que la predicción directa de los espectros de respuesta vertical dependientes del amortiguamiento es una alternativa práctica a los procedimientos de escalamiento de amortiguamiento indirectos. La principal significancia del trabajo radica en su capacidad para estimar $S_{aV}$ utilizando una única forma funcional, eliminando así la necesidad de modelos intermedios de $S_{aH}$ o $V/H$ y los coeficientes de correlación asociados que a menudo no están disponibles.

Los autores afirman que este enfoque directo reduce la propagación de la incertidumbre y evita la incertidumbre epistémica introducida al asumir independencia o aproximar correlaciones entre variables aleatorias. El modelo se recomienda específicamente para estimar $S_{aV}$ de terremotos de corteza activa con $M_w$ entre 5 y 8, distancias de hasta 200 km, y para sitios de Clase de Sitio NEHRP D. El estudio concluye que, si bien tanto el método directo como el indirecto producen estimaciones comparables de la variabilidad espectral, el modelo directo proporciona un marco más robusto para sistemas con relaciones de amortiguamiento efectivo sustancialmente diferentes del valor convencional del 5%.

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