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La interacción suelo-estructura ( SSI ) consiste en la interacción entre el suelo (suelo) y una estructura construida sobre él. Es principalmente un intercambio de tensiones mutuas , por lo que el movimiento del sistema de suelo-estructura está influenciado tanto por el tipo de suelo como por el tipo de estructura. Esto es especialmente aplicable a áreas de actividad sísmica . Varias combinaciones de suelo y estructura pueden amplificar o disminuir el movimiento y el daño subsiguiente. Un edificio sobre terreno rígido en lugar de terreno deformable tenderá a sufrir mayores daños. Un segundo efecto de interacción, ligado a las propiedades mecánicas del suelo, es el hundimiento de los cimientos, agravado por un evento sísmico. Este fenómeno se llama licuefacción del suelo..

La mayoría de las estructuras de obra civil involucran algún tipo de elemento estructural en contacto directo con el suelo. Cuando las fuerzas externas, como los terremotos , actúan sobre estos sistemas, ni los desplazamientos estructurales ni los desplazamientos del suelo son independientes entre sí. El proceso en el que la respuesta del suelo influye en el movimiento de la estructura y el movimiento de la estructura influye en la respuesta del suelo se denomina interacción suelo-estructura (SSI) . [1]

Los métodos convencionales de diseño estructural ignoran los efectos SSI. Descuidar el SSI es razonable para estructuras livianas en suelos relativamente rígidos, como edificios de poca altura y muros de contención rígidos simples. El efecto de SSI, sin embargo, se vuelve prominente para estructuras pesadas que descansan sobre suelos relativamente blandos, por ejemplo, plantas de energía nuclear, edificios de gran altura y carreteras elevadas sobre suelos blandos. [2]

Los daños sufridos en terremotos recientes , como el de Kobe de 1995 , también han puesto de relieve que el comportamiento sísmico de una estructura está muy influenciado no solo por la respuesta de la superestructura, sino también por la respuesta de los cimientos y del suelo. [3] Por lo tanto, los códigos de diseño sísmico moderno, tales como Especificaciones estándar para estructuras de concreto: verificación de desempeño sísmico JSCE 2005 [4], estipulan que el análisis de respuesta debe realizarse tomando en consideración un sistema estructural completo que incluye superestructura, cimentación y terreno.

Efecto de las disposiciones SSI y SSI (interacción suelo-estructura) de los códigos de diseño sísmico en las respuestas estructurales

Se cree convencionalmente que SSI es un efecto puramente beneficioso, y convenientemente se puede descuidar por un diseño conservador. Las disposiciones de SSI de los códigos de diseño sísmico son opcionales y permiten a los diseñadores reducir la cizalladura de la base de diseño de los edificios al considerar la interacción suelo-estructura (SSI) como un efecto beneficioso. La idea principal detrás de las disposiciones es que el sistema de estructura del suelo se puede reemplazar con un modelo equivalente de base fija con un período más largo y, por lo general, una relación de amortiguamiento mayor. [5] [6]La mayoría de los códigos de diseño utilizan espectros de diseño demasiado simplificados, que alcanzan una aceleración constante hasta un cierto período y, a partir de entonces, disminuyen monótonamente con el período. Tener en cuenta la interacción suelo-estructura hace que una estructura sea más flexible y, por lo tanto, aumenta el período natural de la estructura en comparación con la correspondiente estructura rígidamente soportada. Además, considerar el efecto SSI aumenta la relación de amortiguación efectiva del sistema. La idealización suave del espectro de diseño sugiere una respuesta sísmica más pequeña con el aumento de los períodos naturales y el índice de amortiguamiento efectivo debido al SSI, que es la principal justificación de los códigos de diseño sísmico para reducir el cortante base de diseño cuando se considera el efecto SSI. La misma idea también forma la base de los códigos de diseño sísmico comunes actuales, como ASCE 7-10 y ASCE 7-16. A pesar de que,La idea mencionada, es decir, la reducción en la cizalladura base, funciona bien para sistemas lineales de estructura de suelo, se muestra que no puede capturar apropiadamente el efecto de SSI en sistemas de rendimiento.[7] Más recientemente, Khosravikia et al. [8] evaluó las consecuencias de practicar las disposiciones SSI de ASCE 7-10 y las del Programa Nacional de Reducción de Riesgos de Terremotos de 2015 (NEHRP), que forman la base de la edición de 2016 del estándar de diseño sísmico proporcionado por la ASCE. Demostraron que las disposiciones SSI de NEHRP y ASCE 7-10 dan como resultado diseños inseguros para estructuras con cimientos superficiales en suelos moderadamente blandos, pero NEHRP mejora ligeramente las disposiciones actuales para estructuras en cuclillas. Para estructuras en suelos muy blandos, ambas disposiciones producen diseños conservadores donde NEHRP es aún más conservador. Finalmente, ambas disposiciones producen diseños casi óptimos para otros sistemas.

Efectos perjudiciales

Usando análisis numéricos rigurosos, Mylonakis y Gazetas [9] han demostrado que el aumento en el período natural de estructura debido a SSI no siempre es beneficioso como lo sugieren los espectros de diseño simplificado. Los sedimentos de suelo blando pueden alargar significativamente el período de ondas sísmicas y el aumento del período natural de la estructura puede conducir a la resonancia con la vibración del suelo de largo período. Además, el estudio mostró que la demanda de ductilidad puede aumentar significativamente con el aumento del período natural de la estructura debido al efecto SSI. La deformación permanente y la falla del suelo pueden agravar aún más la respuesta sísmica de la estructura.

Cuando una estructura se somete a una excitación sísmica , interactúa con los cimientos y el suelo y, por lo tanto, cambia el movimiento del suelo. En términos generales, la interacción suelo-estructura se puede dividir en dos fenómenos: a) interacción cinemática yb) interacción inercial. El movimiento del suelo de un terremoto provoca un desplazamiento del suelo conocido como movimiento de campo libre. Sin embargo, la base incrustada en el suelo no seguirá el movimiento del campo libre. Esta incapacidad de la base para igualar el movimiento del campo libre provoca la interacción cinemática . Por otro lado, la masa de la superestructura transmite la fuerza inercial al suelo, provocando una mayor deformación en el suelo, lo que se denomina interacción inercial. [2]

A un nivel bajo de vibración del suelo, el efecto cinemático es más dominante, lo que provoca el alargamiento del período y el aumento de la amortiguación de la radiación. Sin embargo, con el inicio de un temblor más fuerte, la degradación del módulo del suelo en el campo cercano y el espacio entre el suelo y el pilote limitan la amortiguación de la radiación, y la interacción inercial se vuelve predominante, lo que provoca desplazamientos excesivos y deformaciones por flexión concentradas cerca de la superficie del suelo, lo que da como resultado daños en el pilote cerca del nivel del suelo. [2]

Las observaciones de terremotos recientes han demostrado que la respuesta de los cimientos y el suelo puede influir en gran medida en la respuesta estructural general. Hay varios casos de daños severos en estructuras debido a SSI en los últimos terremotos . Yashinsky [10] cita daños en el número de estructuras de puentes soportados por pilotes debido al efecto SSI en el terremoto de Loma Prieta en San Francisco en 1989. Un análisis numérico extenso realizado por Mylonakis y Gazetas [9] han atribuido al SSI como una de las razones detrás de el dramático colapso de Hanshin Expressway en el terremoto de Kobe de 1995 .

Diseño

Los principales tipos de cimientos, basados ​​en varias características del edificio, son:

  • Zócalos aislados (actualmente no factible)
  • Zócalos conectados por vigas de cimentación
  • Vigas inversas
  • Un plato (usado para posos de baja calidad)

La presentación de los cimientos se realiza de acuerdo con las propiedades mecánicas de los mismos: en Italia , por ejemplo, de acuerdo con la nueva norma antisísmica - Ordinanza 3274/2003 - se pueden identificar las siguientes categorías:

  • Categoría A: formaciones rocosas homogéneas
  • Categoría B: suelo compacto granular o arcilloso
  • Categoría C: suelo granular o arcilloso bastante compacto
  • Categoría D: suelo granular o arcilloso poco compacto
  • Categoría E: suelos de la capa superficial aluvial (suelo de muy baja calidad)

El tipo de cimentación se selecciona según el tipo de terreno; por ejemplo, en el caso de formaciones rocosas homogéneas, se seleccionan zócalos conectados, mientras que en el caso de formaciones rocosas homogéneas se eligen placas de tierra.

Groundstruct.jpg

Para obtener más información sobre las diversas formas de construir cimientos, consulte cimientos (arquitectura) .

Tanto los suelos como las estructuras pueden ser más o menos deformables; su combinación puede o no causar la amplificación de los efectos sísmicos en la estructura. El suelo, de hecho, es un filtro con respecto a todas las ondas sísmicas principales , ya que un suelo más rígido fomenta ondas sísmicas de alta frecuencia, mientras que un suelo menos compacto acomoda ondas de frecuencia más baja. Por lo tanto, un edificio rígido, caracterizado por una frecuencia fundamental alta , sufre daños amplificados cuando se construye sobre un suelo rígido y luego se somete a frecuencias más altas.

Por ejemplo, suponga que hay dos edificios que comparten la misma rigidez alta . Se encuentran en dos tipos de suelo diferentes: el primero, rígido y rocoso; el segundo, arenoso y deformable. Si se somete al mismo evento sísmico, el edificio en el suelo rígido sufre mayores daños.

El segundo efecto de interacción, ligado a las propiedades mecánicas del suelo, tiene que ver con el descenso (hundimiento) de los cimientos, agravado por el evento sísmico en sí, especialmente en terrenos menos compactos. Este fenómeno se llama licuefacción del suelo .

Mitigación

Los métodos más utilizados para mitigar el problema de la interacción suelo-estructura consisten en el empleo de los sistemas de aislamiento antes vistos y de algunas técnicas de arriostramiento, que se adoptan sobre todo en los de baja calidad (categorías D y E). Las técnicas más difundidas son la técnica del jet grouting y la técnica del trabajo de pilotes . La técnica del jet-grouting consiste en inyectar en el subsuelo un poco de hormigón líquido mediante un taladro. Cuando este hormigón se endurece forma una especie de columna que consolida el suelo circundante. Este proceso se repite en todas las áreas de la estructura. La técnica del pilote consiste en utilizar pilotes que, una vez insertados en el suelo, sostienen la cimentación y el edificio superior, desplazando las cargas o los pesos hacia capas de suelo más profundas y, por tanto, más compactas y resistentes al movimiento.

Mitigationtech.jpg

Referencias

  1. ^ Tuladhar, R., Maki, T., Mutsuyoshi, H. (2008). Comportamiento cíclico de pilotes de hormigón cargados lateralmente incrustados en suelo cohesivo, Ingeniería sísmica y dinámica estructural, vol. 37 (1), págs.43, 59
  2. ↑ a b c Wolf, JP (1985). Interacción dinámica suelo-estructura. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, Nueva Jersey
  3. ^ Mylonakis, G., Gazetas, G., Nikolaou, S. y Michaelides, O. (2000b). The Role of Soil on the Collapse of 18 Piers of the Hanshin Expressway in the Kobe Earthquake, Proceedings of 12th World Conference on Earthquake Engineering, Nueva Zelanda, Documento No. 1074
  4. ^ Sociedad de ingenieros civiles de Japón. Especificaciones estándar para estructuras de hormigón - 2002: Verificación del comportamiento sísmico. Directrices JSCE para hormigón No. 5, 2005
  5. ^ ATC-3 (1978). Disposiciones provisionales para el desarrollo de regulaciones sísmicas de edificios: un esfuerzo cooperativo con la profesión de diseño, los intereses del código de construcción y la comunidad de investigación, Oficina Nacional de Normas, Washington DC
  6. ^ NEHRP (1997). Disposiciones recomendadas para regulaciones sísmicas para edificios nuevos y otras estructuras, Parte 1 y 2, Building Seismic Safety Council, Washington DC
  7. ^ Avilés, Javier; Pérez-Rocha, Luis E. (1 de septiembre de 2003). "Interacción suelo-estructura en sistemas productivos". Ingeniería sísmica y dinámica estructural . 32 (11): 1749-1771. doi : 10.1002 / eqe.300 . ISSN  1096-9845 .
  8. ^ Khosravikia Farid; Mahsuli Mojtaba; Ghannad M. Ali (1 de septiembre de 2017). "Evaluación probabilística de las disposiciones de interacción suelo-estructura del NEHRP de 2015". Revista de Ingeniería Mecánica . 143 (9): 04017065. doi : 10.1061 / (ASCE) EM.1943-7889.0001274 .
  9. ↑ a b Mylonakis, G. y Gazetas, G. (2000a). Interacción sísmica de la estructura del suelo: ¿beneficiosa o perjudicial? Revista de ingeniería sísmica, vol. 4 (3), págs.277, 301
  10. ^ Yashinsky, M. (1998). El terremoto de Loma Prieta, California del 17 de octubre de 1989 - Highway Systems, documento profesional 1552-B, USGS, Washington

Enlaces externos

  • ¿Le gusta comprender mejor lo que sucede cuando las ondas sísmicas atraviesan el sistema de estructura del suelo? (en italiano)
  • Interacción sísmica suelo-estructura