Diseño, implementación y validación de sistemas de adquisición de datos sísmicos basados en Arduino

Resumen

La presente tesis doctoral está organizada siguiendo el esquema de compendio de publicaciones y se centra en el estudio, implementación, desarrollo y validación de sistemas de adquisición de datos sísmicos basados en la plataforma de prototipado electrónico Arduino. Numerosos estudios llevados a cabo en todo el mundo han constatado la importancia de la geología local en los daños producidos por un terremoto. Ha sido ampliamente demostrado que el efecto local o de sitio, que estudia cual es la respuesta del terreno ante el paso de las ondas sísmicas, condiciona notablemente los daños producidos cuando ocurre un terremoto. Por lo tanto, la caracterización del subsuelo está siendo un tema crucial en los estudios de peligrosidad sísmica (Benito, et al., 2010), particularmente en zonas urbanas situadas sobre sedimentos blandos (Verma et al., 2014, Panzera et al., 2010 y Firat et al., 2015.). La caracterización del terreno puede llevarse a cabo mediante métodos de sísmica pasiva, no invasivos y de bajo coste, especialmente indicados para su aplicación en zonas urbanas (Bonnefoy-Claudet et al., 2006a). La técnica más conocida para el análisis de ruido ambiente es la razón espectral horizontal-vertical, comúnmente denominada método H/V o bien método de Nakamura (Nakamura, 1989). Para su aplicación, se requiere únicamente la adquisición de ruido sísmico con un registrador y una estación de tres componentes. Además del método H/V, en los últimos 70 años se han desarrollado una gran variedad de técnicas de análisis de ruido sísmico basadas en métodos analíticos. La mayoría de ellas están basadas en el registro simultáneo de datos de una red de sensores dispuestos siguiendo una determinada geometría. Aunque la aplicación de todas estas técnicas requiere únicamente de un conjunto de sensores y un sistema registrador de datos para su digitalización, el coste de estos equipos implica una inversión económica sustancial. Los equipos comerciales suelen tener un precio elevado, lo que impide que algunas universidades puedan adquirirlos para fines de docencia o investigación. Por lo tanto, el desarrollo de un equipo de bajo coste que ofrezca resultados fiables puede hacer que la adquisición de estos datos sea accesible para todo el mundo. Esto puede ser de gran interés para universidades o grupos de investigación que dispongan de una financiación reducida. En esta tesis todos los sistemas presentados han sido descritos detalladamente. Todos los diseños, conexiones, código fuente y cualquier otro material necesario para la implementación de los sistemas han sido publicados en plataformas de software y hardware libre. La tesis está compuesta por cuatro artículos y en cada uno de ellos se describe el diseño, implementación y validación de un sistema de adquisición de datos para el registro de señales sísmicas. En el primer artículo, “Development and programming of Geophonino: A low cost Arduino-based seismic recorder for vertical geophones”, se presenta un prototipo valido para el registro de datos de un sensor vertical. En el segundo artículo, “Design and test of Geophonino-3D: A low-cost three-component seismic noise recorder for the application of the H/V method”, se presenta un equipo optimizado para el registro de tres canales de datos y la aplicación del método H/V. Además el sistema incorpora un amplificador de ganancia variable seleccionable por software. En el tercer artículo, “Design and Implementation of an Arduino-Based Plug-and-Play Acquisition System for Seismic Noise Measurements”, se presentan dos equipos, uno de ellos diseñado para la adquisición de datos de sensores triaxiales y el otro optimizado para el registro de datos de una red de sensores de hasta doce canales. Este sistema permite la adquisición de datos sin necesidad de utilizar un ordenador, en caso de utilizarse el equipo conectado a un pc la interfaz de usuario diseñada permite la visualización de las señales adquiridas en tiempo real. En el cuarto artículo, “Geophonino-W: A Wireless Multichannel Seismic Noise Recorder System for Array Measurements”, se presenta un sistema inalámbrico para la configuración y adquisición de datos de una red de sensores. Además, los nodos de la red disponen de antena GPS que permite fijar la posición de cada una de las estaciones con la precisión necesaria para realizar el análisis de los datos y estimar la correspondiente curva de dispersión. Para todos los trabajos presentados se ha implementado una interfaz gráfica de usuario que permite la interacción del usuario con el equipo y se han realizado ensayos de laboratorio y de campo que demuestran la capacidad y fiabilidad de los sistemas implementados para la adquisición de datos de ruido sísmico. Referencias: Verma, M., Singh, R. J., Bansal, B. K. (2014). Soft sediments and damage pattern: a few case studies from large Indian earthquakes vis-a-vis seismic risk evaluation. Natural Hazards, 74(3), 1829–1851. http://doi.org/10.1007/s11069-014-1283-4 Benito, M. B., Navarro, M., Vidal, F., Gaspar-Escribano, J., García-Rodríguez, M. J., Martínez-Solares, J. M. (2010). A new seismic hazard assessment in the region of Andalusia (Southern Spain). Bulletin of Earthquake Engineering, 8(4), 739–766. https://doi.org/10.1007/s10518-010-9175-9 Panzera, F., Rigano, R., Lombardo, G., Cara, F., Di Giulio, G., Rovelli, A. (2010). The role of alternating outcrops of sediments and basaltic lavas on seismic urban scenario: the study case of Catania, Italy. Bulletin of Earthquake Engineering, 9(2), 411–439. http://doi.org/10.1007/s10518-010-9202-x Firat, S., Isik, N. S., Arman, H., Demir, M., Vural, I. (2015). Investigation of the soil amplification factor in the Adapazari region. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 75(1), 141–152. http://doi.org/10.1007/s10064-015-0731-z Bonnefoy-Claudet, S., Köhler, A., Cornou, C., Wathelet, M., Bard, P.-Y. (2008). Effects of Love Waves on Microtremor H/V Ratio. Bulletin of the Seismological Society of America , 98(1), 288–300. http://doi.org/10.1785/0120070063 Nakamura, Y. (1989). A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface. Quarterly Report of the Railway Technical Reasearch Institute.