Los terremotos recientes en todo el mundo han causado grandes pérdidas debido a infraestructura dañada. Solo el terremoto de Maule del 2010 generó pérdidas por más de 30 mil millones de dólares, y los costos de las primas de construcción, mano de obra y seguros aumentaron significativamente. Sin embargo, los túneles y las tuberías enterradas construidas en suelos firmes funcionaron muy bien y no se reportaron daños importantes. Una desempeño similar fue observado en el Metro de Los Ángeles (terremoto de Northridge 1994), el Metro de Atenas (terremoto de Atenas 1999) y el Metro de Taipei (terremoto de Chi-Chi 2002). Por otro lado, y contrariamente a la noción general de la seguridad sísmica de los túneles construidos en suelos firmes, los últimos resultados experimentales han demostrado que estos túneles son sistemas altamente vulnerables durante terremotos fuertes. Esta aparente discrepancia sobre el rendimiento del túnel es el foco de esta investigación.

A pesar de los avances recientes en la caracterización del movimiento del suelo y la sofisticación de las herramientas numéricas actuales para evaluar la respuesta del túnel, estimar el nivel de daño y pérdidas inducidas sísmicamente aún es complejo. Además, las prácticas actuales de diseño no incorporan la variabilidad del desempeño del túnel o la tasa de ocurrencia de los parámetros de daño, lo que dificulta aún más la evaluación de la pérdidas inducidas por sismo. El objetivo de esta investigación es estimar las funciones de daño y curvas de fragilidad para un túnel circular en suelo firme, y probar la hipótesis principal de trabajo: «Los túneles construidos en suelo firme diseñados para resistir cargas estáticas pueden soportar movimientos sísmicos severos sin daños significativos». Para este propósito, y para restringir el número de variables involucradas, el estudio se enfocará en un túnel circular de doble vía en suelo firme, excluyendo cualquier forma de falla del suelo.

Para probar la hipótesis de la investigación, el estudio utilizará un método basado en desempeño para calcular los daños y las pérdidas inducidas sísmicamente para dos túneles: un túnel diseñado en conformidad a las normas sísmicas actuales , y un túnel hipotético diseñado solo para cargas estáticas. La conjetura aquí es que si un túnel en suelo firme está diseñado adecuadamente para cargas estáticas (es decir, utilizando factores de seguridad adecuados para la gravedad y las cargas de construcción), entonces no es necesario especificar fuerzas sísmicas adicionales. Este resultado puede traducirse en costos reducidos de construcción y seguros sin reducir la seguridad, ahorrando a los contribuyentes millones de dólares. Además, este estudio ayudará a identificar las variables que más aportan en la generación de daños en túneles y la influencia (o falta de ellas) de las disposiciones de diseño sísmico en las pérdidas esperadas.

Falla en el revestimiento del túnel durante el terremoto de Niigataken-Chuetsu del 2004.

Malla de elementos finitos de un túnel circular en arena densa modelada en OpenSees.