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El estudio de la interacción suelo-estructura (SSI) es relevante para el campo de la ingeniería sísmica. Es muy importante señalar que la respuesta estructural se debe principalmente a las fuerzas de interacción suelo-estructura que afectan a la estructura. Esta es una forma de excitación sísmica. Los comités de investigación de ingeniería solo abordan estudios de interacciones suelo-estructura cuando estas fuerzas tienen efectos apreciables en el movimiento del sustrato en comparación con el movimiento del suelo en campo libre. El movimiento del suelo en campo libre se puede definir como el movimiento registrado en la superficie del suelo sin ningún compromiso estructural. La respuesta estructural a los terremotos depende en gran medida de las interacciones entre tres sistemas vinculados:
- estructura
- base
- suelo de tierra
El análisis de interacción suelo-estructura es un método para evaluar la respuesta colectiva de los tres sistemas vinculados anteriores a un movimiento sísmico dado. La interacción suelo-estructura se puede definir como el proceso por el cual las respuestas del suelo afectan el movimiento de la estructura, y los movimientos específicos de la estructura afectan las respuestas del suelo. Este es un fenómeno en el que el desplazamiento de la estructura y el desplazamiento del suelo son independientes entre sí. Las fuerzas geotectónicas son principalmente fuerzas de interacción que pueden ocurrir en cualquier estructura. Sin embargo, no pueden cambiar el comportamiento del suelo en todas las condiciones.
Tabla de contenido
Consideraciones para los Efectos de Interacción de la Estructura del Suelo
Se dice que una estructura no tiene efecto de interacción entre el suelo y la estructura cuando se analiza asumiendo que su base es un cuerpo rígido. Ahora, considere este caso, incluso si las fuerzas de interacción afectan la base. El efecto de las fuerzas de interacción sobre el movimiento del suelo depende de:
- magnitud de la fuerza
- flexibilidad de la base
Usando la aceleración de la placa base y la inercia de la estructura, podemos estimar el valor de la fuerza de interacción. Cuanto más pesada sea la estructura, mayor será el efecto de interacción suelo-estructura para un sitio de suelo dado y una excitación sísmica de campo libre dada. La mayoría de las estructuras civiles no muestran signos de efectos SSI, ya sea que estén en suelo duro o medio. Como se mencionó anteriormente, los efectos SSI se abordan más en estructuras pesadas, incluidas estructuras hidráulicas como presas y edificios de reactores de plantas de energía nuclear (NPP). Se puede concluir que las interacciones del suelo en la investigación de ingeniería sísmica se desarrollaron y aplicaron principalmente para estas áreas de la industria de la construcción. Otra condición que podría considerarse para los efectos de la interacción suelo-estructura es la flexibilidad del suelo. Cuanto más suave sea el suelo, más probable es que ocurra el efecto SSI. Esto es para una estructura y sitio determinados con excitación sísmica de campo libre.
Nota: El producto de la densidad de masa del suelo y el cuadrado de la velocidad de la onda de corte es Módulo de corte del suelo. En la práctica, la densidad de masa del suelo es de aproximadamente 2,0 t/m3. Por lo tanto, la propiedad principal de la rigidez del suelo se puede considerar como la velocidad de la onda de corte Vs.
El suelo se considera blando si Vs < 300m/s
Si Vs > 800 m/s, el suelo se considera duro.
El suelo se considera duro si Vs > 1100 m/s.
Aplicaciones de las interacciones suelo-estructura
- Se utiliza para estructuras pesadas como estructuras hidráulicas y estructuras nucleares.
- Para estructuras donde el efecto P delta es significativo, es útil un análisis basado en las interacciones suelo-estructura.
- La investigación de SSI juega un papel importante en cimentaciones profundas con velocidades de corte promedio de 100 m/s, estructuras apoyadas en suelo blando y estructuras altas o estrechas.
Interacción suelo-estructura y respuesta estructural
Con base en la teoría convencional, se ha dicho que las interacciones suelo-estructura tienen efectos beneficiosos sobre la respuesta estructural. La mayoría de los códigos de diseño estructural recomiendan ignorar los efectos de SSI en el análisis sísmico de estructuras. Esta recomendación se debe al mito erróneo de que SSI puede resultar en una mejor respuesta estructural y mayores márgenes de seguridad. Se obtiene un diseño estructural más flexible si se tienen en cuenta los efectos de la interacción suelo-estructura. Esto ayuda a aumentar el período natural de la estructura. Esto proporciona una estructura mejorada en comparación con las estructuras rígidas correspondientes. La incorporación del efecto SSI en el diseño estructural ayuda a aumentar la relación de amortiguamiento de la estructura. Esta investigación es limitada o se descuida debido a procedimientos de diseño conservadores. El análisis SSI es inherentemente muy complejo. Ignorarlo reduce la complejidad del análisis estructural. Esto significa que el mito de que el efecto SSI es bueno para las estructuras no es cierto. De hecho, SSI puede tener efectos perjudiciales en las estructuras. Ignorar los efectos de SSI puede conducir a diseños inseguros de superestructuras y trenes de rodaje.
¿Cuáles son los efectos de las interacciones suelo-estructura?
El impacto de SSI se centra en sus efectos nocivos. Como se mencionó anteriormente, una mayor duración no es necesariamente un factor beneficioso, aunque los estudios han demostrado que los diseños basados en las interacciones suelo-estructura prolongan la duración. Hay elongación de las ondas sísmicas en lugares donde se depositan sedimentos blandos. Esto aumenta el período natural y provoca resonancia. Esto ocurre con vibraciones de largo período. A medida que aumenta el período natural, también lo hace el requisito de ductilidad. Esto puede conducir a una deformación permanente y falla del suelo que exacerba aún más la respuesta sísmica estructural. Una estructura bajo la acción de la fuerza sísmica (movimiento sísmico), donde existe una interacción entre el suelo y los cimientos, lo que resulta en un cambio en el movimiento sísmico. Las interacciones suelo-estructura tienen dos tipos de fenómenos o efectos (FEMA P-750, según NEHRP). ellos son:
- interacción cinemática
- interacción inercial
- Efecto de flexibilidad de la base del suelo.
interacción cinemática
El desplazamiento del suelo debido al movimiento sísmico se denomina movimiento de campo libre. El movimiento de este campo libre no es seguido por la fundación en el suelo. La interacción cinemática es causada por la incapacidad de la cimentación para hundirse en el movimiento de campo libre del terreno.
interacción inercial
Las deformaciones adicionales en el suelo debidas a la transferencia de fuerzas de inercia al suelo por parte de la superestructura se denominan interacciones de inercia. El efecto cinemático de SSI se vuelve más pronunciado cuando el movimiento del suelo es pequeño. Esto da como resultado períodos más largos y una mayor atenuación de la radiación. Cuando comienza una sacudida más fuerte, la atenuación de la radiación está limitada por la caída en el módulo de elasticidad del suelo en el campo cercano y la brecha de la pila de suelo. El amortiguamiento de inercia es más pronunciado en esta situación. Por lo tanto, esto provoca un desplazamiento excesivo cerca de la superficie. Conduce a daños en la base del pilote. Los estudios de terremotos pasados y recientes y los investigadores han demostrado que la respuesta general de las estructuras se ve afectada por:
- Respuesta de la Fundación
- reacción del suelo
SSI es una de las principales causas de colapso de grandes estructuras cuando se exponen a terremotos. La Autopista Hanshin, que fue dañada por el Gran Terremoto Hanshin-Awaji en 1995, es un ejemplo de ello. Los factores responsables de los efectos anteriores son:
Rigidez y amortiguamiento de la cimentación
A medida que la estructura vibratoria desarrolla fuerzas de inercia, crea momentos, torsiones y cortes de la base. Estas son las fuerzas que causan el desplazamiento y la rotación en la interfaz entre el suelo y la cimentación. Los desplazamientos y rotaciones formadas son el resultado de la flexibilidad en el suelo y la fundación. Esta flexibilidad es la razón fundamental de la estabilidad de toda la estructura. El desplazamiento generado disipa energía. Esto afecta la amortiguación de todo el sistema. Todos estos efectos tienen su origen en la inercia estructural y, por lo tanto, se denominan efectos de interacción inercial.
Variaciones que existen entre el movimiento de campo libre y el movimiento de entrada fundamental
Estas mociones pueden diferir por las siguientes razones:
- interacción cinemática
- Desplazamiento relativo entre cimentación y campo libre
El movimiento de los cimientos es creado por elementos de cimientos rígidos colocados por encima o por debajo del suelo. Esto se hace para desviarse del movimiento de campo libre cuando no hay estructura presente y la inercia de la base forma una interacción cinemática.
deformación de la base
Las fuerzas y los desplazamientos ejercidos sobre los elementos de cimentación por la superestructura o los medios de suelo dan como resultado deformaciones por flexión, axiales y cortantes. Estos parámetros son los requisitos con los que deben diseñarse los componentes subyacentes. Estos efectos son más pronunciados para cimientos como balsas y pilotes.
Análisis de interacciones suelo-estructura
Las interacciones anteriores se pueden medir mediante dos métodos analíticos. Ellos son:
- análisis directo
- enfoque de subestructura
Análisis directo de las interacciones suelo-estructura
En este tipo de análisis, el suelo y la estructura se utilizan en el mismo modelo de análisis. Se analizan como sistemas completos. Un sistema de suelo se representa como un continuo, como se muestra en la Figura-2 a continuación. Un ejemplo de ello es la representación de elementos finitos. También incluye cimientos, elementos estructurales, límites de carga y elementos de superficie de límite en los extremos de los cimientos.
Figura 1: Ilustración del análisis directo de las interacciones de la estructura del suelo utilizando elementos finitos.
Este método rara vez se usa en la práctica porque involucra cálculos extensos y es muy complejo de analizar.
enfoque de subestructura en la interacción suelo-estructura
La actividad de interacción suelo-estructura se divide en dos partes. Estos se combinan más tarde para formar una solución completa al problema. En este enfoque, los modelos se generan con requisitos específicos.
- Se evalúan el movimiento de campo libre y las propiedades del suelo correspondientes.
- Se evalúa una función de transferencia para convertir el movimiento de campo libre en el movimiento de entrada fundamental.
- Los resortes y amortiguadores están integrados.Los resortes representan la rigidez y los amortiguadores representan el amortiguamiento en la interfaz suelo-cimentación
- Análisis de respuesta de estructuras de enlace.
La figura 2 a continuación muestra cómo se evalúa el problema general A. Se divide en dos problemas, A1 y A2, tal que A= A1 + A2. Esto se hace según el principio de superposición. Cada problema se evalúa individualmente y los resultados se combinan para llegar a la solución final.
Figura 2: Problema de partición A por superposición – enfoque de subestructura
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