Interacción Suelo-Estructura: Efectos y Modelos en Ingeniería Civil, Apuntes de Mecánica de suelos

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Contenido

• 1. DEFINICIONES GENERALES
• 2. GENERALIDADES DE SISMOS....................................................................................
  • Sismicidad del Perú....................................................................................................
• 3. DINÁMICA DE SUELOS
• 4. ESTUDIO DE INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA
• 5. TIPOS DE INTERACCIÓN DINÁMICA SUELO ESTRUCTURA............................................
  • 5.1 Interacción Cinemática
  • 5.2 Interacción Inercial.............................................................................................
• 6. INVESTIGACIONES SOBRE LA INTERACCIÓN SUELO ESTRUCTURA
• 7. MODELOS DE INTERACCIÓN SUELO ESTRUCTURA
  • 7.1 Modelo de WINKLER – COEFICIENTE DE BALASTO
  • 7.2. Modelo De D.D Barkan – O.A Savinov
  • 7.3. Modelo Dinámico Norma Rusa SNIP 2.02.05-

estructura. Por ejemplo en el caso de plantas nucleares, si se compara un análisis sísmico considerando interacción suelo-estructura con otro análisis que desprecia esta interacción, normalmente la interacción resulta en una disminución de la respuesta. De modo que la respuesta sísmica de una estructura puede aumentar o disminuir como resultado de la interacción suelo-estructura. En otros casos aunque el desplazamiento total del sistema suelo-cimentación- superestructura se ve incrementado, la distorsión deformación) estructural se ve disminuida, al concentrarse parte de dicha deformación en la cimentación. Para poder entender como el suelo puede modificar la respuesta de la estructura, antes es necesario considerar lo que sucede en el caso de una estructura cimentada en un suelo con gran rigidez, o sea en roca. Durante la respuesta sísmica de una estructura cimentada en roca (ver figura 1), el movimiento en la base de la estructura (por ejemplo en el punto A) es prácticamente igual al movimiento que ocurriría en el mismo punto si la estructura no estuviera ahí. Así pues, en este caso el análisis sísmico puede limitarse al análisis de la respuesta de la estructura, modela su base como empotrada (ver figura 2)

En el caso de estructuras cimentadas en suelo y en forma particular en aquellas cimentadas sobre suelo blando existen diferentes motivos por los que el movimiento en la base de la estructura se ve modificado con respecto al que se vería sometido la misma estructura si ésta estuviera sobre roca. Es importante visualizar cada uno de estos factores.

1. En primer lugar el movimiento en la superficie de la roca (punto A) será ligeramente diferente al que se ve sometido un punto en roca pero no encuentra sobre la superficie (punto B). En general, el movimiento en el punto B será de menor intensidad que el movimiento en el punto A debido a que si bien la roca tiene una gran rigidez, no es completamente ente rígida (ver figura 3). Esta modificación es muy pequeña por lo que suele despreciarse.
2. El movimiento en roca a una cierta profundidad (punto B) será ligeramente diferente al de un punto en roca a la misma profundidad pero que por encima de este se encuentra un depósito de suelo en lugar de roca punto C). Esta variación del movimiento también es muy pequeña y por lo general también suele despreciarse, por lo que es común el suponer que el movimiento en el punto A es igual al movimiento en el punto C.

5. El movimiento a nivel de desplante de la estructura (punto F) se verá modificado por la presencia de la cimentación (punto G), ya que debido a que la cimentación tiene una rigidez considerablemente mayor a la del suelo, éste no podrá moverse de igual forma a como se movería sin la cimentación. Está modificación del movimiento recibe el nombre de interacción cinemática. El principal efecto de la interacción cinemática es el de filtrar el movimiento y no dejando pasar (o al menos disminuyendo su intensidad) altas frecuencias. Otros de los efectos de este tipo de interacción pueden ser cabeceo rotación con respecto a un eje horizontal) y torsión rotación respecto a un eje vertical). Algunos de los factores más importantes que determinan la importancia de la interacción cinemática son: a) Rigidez de la cimentación b) Forma de la cimentación c) Profundidad de desplante de la cimentación d) Tamaño de la cimentación e) Longitud de onda del movimiento de terreno En términos generales existirá una mayor interacción cinemática entre mayor sea el constraste entre la rigidez de la cimentación en comparación de la rigidez del suelo, y entre mayor sea el t amaño de la cimentación en comparación con la longitud de onda del movimiento de terreno.

6. Por último, el movimiento en la base de la estructura punto G) se ve modificado por la presencia y movimiento de la estructura (punto H). Esta modificación se le conoce como interacción inercial, debido a que es resultado de fuerzas de inercia que actúan como resultado de la masa de la estructura. Por lo general los efectos de la interacción inercial son más importantes que los debidos a la interacción cinemática. En términos generales existirá una mayor interacción inercial entre más blando sea el suelo, la estructura tenga mayor masa y la estructura sea más esbelta. Los efectos principales de la interacción inercial es el de introducir una flexibilidad adicional al sistema dinámico y el incremento del amortiguamiento. Como resultado del incremento en f lexibilidad se tendrá un incremento en el periodo fundamental de vibración del sistema y una modificación de las formas modales de vibración.

Según las características regionales, la actividad sísmica en el Perú, se encuentra distribuida en la siguiente forma: ❖ Zona Norte del Perú, caracterizada por focos superficiales (hasta 100 Km de profundidad e intermedios hasta 300 Km de profundidad), que se extienden desde la península de Tumbes hasta el Valle del Marañón con la peculiaridad que la mayoría de los sismos superficiales se producen cerca del litoral y los intermedios, tierra adentro. ❖ Zona Central, caracterizada por la presencia de algunos enjambres sísmicos (zona propensa) los cuales se encuentran aislados entre sí y también por eventos individuales cuyos focos comprenden a los superficiales y/o intermedios los mismos que se distribuyen mayormente cerca del litoral. ❖ Zona Sur, la sismicidad se encuentra concentrada a lo largo de una faja teórica, comprendida entre la zona de contacto interplacas y la cadena volcánica del Sur, (Misti, Chachani, Ubinas, etc). La actividad se caracteriza por sus focos superficiales e intermedios. ❖ Zona Oriental, (selva) presenta una actividad sísmica profunda (500 a 700 Km.) que la hace aparentemente asísmica debido a que esta clase de eventos se produce a considerables profundidades y que en muchos casos alcanza magnitudes que sólo llegan a producir en la superficie perturbaciones menores que por lo general no exceden a los 4 grados de intensidad (Escala de Mercalli Modificada). En general los sismos, aluviones, inundaciones, deslizamientos, maremotos, huaycos, sequías, han asestado los impactos más devastadores en la historia fenomenológica del Perú.

3. DINÁMICA DE SUELOS

La Dinámica de Suelos es la rama de la Mecánica de Suelos que estudia las propiedades y comportamiento del suelo bajo esfuerzos dinámicos. Las acciones dinámicas que se presentan en el suelo son principalmente los sismos, explosiones, operación de maquinaria, procesos constructivos, tráfico vehicular o ferroviario, así como la explotación de bancos. Cabe señalar que los sismos son la más simple e importante fuente de cargas dinámicas. Esto es debido al daño que causan y al hecho de que representan un fenómeno impredecible e incontrolable. Algunos de los principales problemas para enfrentar en la dinámica de suelos son:

• Sismo. Vibración del suelo y la propagación de las ondas a través de los suelos.
• Esfuerzo dinámico, características de resistencia y deformación del suelo.
• Capacidad de carga dinámica y diseño de cimentaciones.
• Licuación de arenas. Para realizar un buen análisis deben considerarse tanto las acciones estáticas como las dinámicas y conocer el efecto de cada una de ellas.

4. ESTUDIO DE INTERACCIÓN SUELO-

ESTRUCTURA

Para identificar los principales efectos que introduce el considerar que la base de las edificaciones es deformable, debemos primero analizar cualitativamente las diferencias fundamentales que tienen estos modelos, respecto a aquellos que consideran bases indeformables. Consideremos dos estructuras desplantadas, una sobre un lecho rocoso (base indeformable) y otra sobre un suelo de rigidez relativamente baja (base deformable), tal y como se muestra en la Figura.

independientemente entre ellos. A las modificaciones del movimiento, debidas a la presencia de un elemento de mayor rigidez, suele denominarse “Interacción cinemática”, ya que en esta parte del fenómeno solamente interviene la difracción de ondas producida por el contraste de rigideces entre el terreno y la cimentación. Diferencias del movimiento en distintos puntos de un sistema suelocimentación- estructura Si la estructura se somete a las traslaciones modificadas, tanto por los efectos de sitio, como por la rigidez de la cimentación y las rotaciones producidas por el movimiento diferencial entre los puntos E y D (Figura 2.16), los movimientos que experimenta el sistema estarán compuesto por tres partes fundamentales, descritas a continuación: ❖ Movimientos traslacionales originados por las fuerzas de inercia de la superestructura en el sistema deformable suelo-cimentación. ❖ Desplazamientos originados por los giros impuestos en el sistema deformable suelo-cimentación, por los momentos de volteo causados por las fuerzas de inercia de la superestructura. Estos dos movimientos corresponden a un movimiento de cuerpo rígido de la superestructura respecto al terreno. ❖ Finalmente, los desplazamientos permitidos por las propiedades y deformabilidad de la propia estructura (deformaciones producidas por las fuerzas de inercia desarrolladas por la superestructura sobre el sistema suelo cimentación) o mejor conocido como interacción inercial.

5. TIPOS DE INTERACCIÓN DINÁMICA SUELO

ESTRUCTURA.

5 .1 Interacción Cinemática

Es el fenómeno que desde el punto de vista estructural es menos conocido y estudiado. En general se suele pensar, que el no considerar la “Interacción cinemática”, está del lado de la seguridad debido a la reducción del movimiento de altas frecuencias que produce, y a que la rotación de la cimentación introducida suele tener poca influencia en las aceleraciones y desplazamientos de la superestructura. Esta consideración es correcta para el caso de edificaciones robustas, con relaciones de esbeltez bajas y cimentaciones relativamente superficiales. Sin embargo, para el caso de estructuras altas con cimentaciones más profundas, el efecto del cabeceo puede introducir componentes de movimiento importantes, induciendo a que el diseño que no tome en cuenta la “Interacción cinemática”, esté del lado de la inseguridad. En general, la Interacción cinemática en términos de la modificación del movimiento, tiene una mayor influencia en las estructuras cimentadas con cajones de cimentación que en aquellas cimentadas con pilas.

5 .2 Interacción Inercial

El caso más simple de interacción suelo-estructura se da cuando la cimentación, esto es, la zona de contacto terreno estructura, es pequeña y superficial; pequeña, de manera que pueda considerarse puntual respecto a las longitudes de las ondas sísmicas que la van a solicitar y superficial, de manera que no exista una zona de terreno que tenga que guardar cierta compatibilidad de deformaciones con el movimiento de la estructura en otra zona que no sea puntual. Si el terreno no es infinitamente rígido, los

En particular, el carácter espacial del trabajo del armazón estructural permite la posibilidad del surgimiento de vibraciones torsionales en las columnas, quedando el esquema espacial de cálculo el mostrado en la Figura , donde “0” es el centro de rigidez de la cimentación.

7.1 Modelo de WINKLER – COEFICIENTE DE BALASTO

Uno de los métodos de cálculo más utilizado para modelizar la interacción entre estructuras de cimentación y terreno es el que supone el suelo equivalente a un número infinito de resortes elásticos cuya rigidez denominada módulo o coeficiente de balasto (Ks), se corresponde con el cociente entre la presión de contacto (q) y el desplazamiento en su caso asiento (δ):

La ecuación diferencial que gobierna el comportamiento de la clásica solución de viga flotante o viga sobre fundación elástica (beam on elastic fountation) y que, por tanto, es el resultado de suponer la viga discretizada en infinitas barras de longitud diferencial con nudos en sus extremos, es la siguiente:

Para el coeficiente 𝐷0, como se mostraron en los experimentos se puede utilizar la dependencia empírica: También se pueden usar los valores del coeficiente 𝐶0 cuando 𝜌0 = 0.2 𝑘𝑔/𝑐𝑚 2 , regidos de acuerdo al tipo de suelo de la base de fundación, a través de la Tabla 2 - 2.

7 .3. Modelo Dinámico Norma Rusa SNIP 2.02.05- 87

Los coeficientes de rigidez de compresión elástica uniforme 𝐾𝑧 , kN/m (T/m); desplazamiento elástico uniforme 𝐾𝑥, kN/m (T/m); compresión elástica no uniforme 𝐾𝜑, kN-m (T-m) y desplazamiento elástico no uniforme 𝐾 , kN-m (T-m); se calculan por las fórmulas: