Interacción suelo-estructura

La interacción suelo-estructura ( ISE ) consiste en la interacción entre el suelo y una estructura construida sobre él. Es principalmente un intercambio de esfuerzos mutuos , donde el movimiento del sistema suelo-estructura se ve influenciado tanto por el tipo de suelo como por el tipo de estructura. Esto es especialmente relevante en zonas de actividad sísmica . Diversas combinaciones de suelo y estructura pueden amplificar o disminuir el movimiento y los daños subsiguientes. Un edificio sobre suelo rígido, en lugar de suelo deformable, tenderá a sufrir mayores daños. Un segundo efecto de interacción, vinculado a las propiedades mecánicas del suelo, es el hundimiento de los cimientos, agravado por un evento sísmico. Este fenómeno se denomina licuefacción del suelo .

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

Los métodos convencionales de diseño estructural no tienen en cuenta los efectos de la interacción suelo-estructura (ISE). Ignorar la ISE es razonable para estructuras ligeras en suelos relativamente rígidos, como edificios de poca altura y muros de contención rígidos simples. Sin embargo, el efecto de la ISE se vuelve importante para estructuras pesadas que descansan sobre suelos relativamente blandos, por ejemplo, centrales nucleares, edificios de gran altura y autopistas elevadas sobre suelo blando. ^{[ 2 ]}

Los daños sufridos en terremotos recientes , como el de Kobe de 1995 , también han puesto de manifiesto que el comportamiento sísmico de una estructura está muy influenciado no solo por la respuesta de la superestructura, sino también por la respuesta de la cimentación y del terreno. ^{[ 3 ]} Por consiguiente, los códigos modernos de diseño sísmico, como las Especificaciones estándar para estructuras de hormigón: Verificación del desempeño sísmico JSCE 2005 ^{[ 4 ],} estipulan que el análisis de respuesta debe realizarse teniendo en cuenta todo el sistema estructural, incluyendo la superestructura, la cimentación y el terreno.

Se cree convencionalmente que la interacción suelo-estructura (ISE) es un efecto puramente beneficioso y que puede ignorarse convenientemente para un diseño conservador. Las disposiciones de ISE en los códigos de diseño sísmico son opcionales y permiten a los diseñadores reducir el cortante basal de diseño de los edificios al considerar la interacción suelo-estructura (ISE) como un efecto beneficioso. La idea principal detrás de estas disposiciones es que el sistema suelo-estructura puede reemplazarse por un modelo equivalente de base fija con un período más largo y, por lo general, una mayor relación de amortiguamiento. ^{[ 5 ] [ 6 ]} La mayoría de los códigos de diseño utilizan espectros de diseño simplificados en exceso, que alcanzan una aceleración constante hasta cierto período y, posteriormente, disminuyen monótonamente con el período. Considerar 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 estructura correspondiente de soporte rígido. Además, considerar el efecto de la ISE aumenta la relación de amortiguamiento efectiva del sistema. La idealización suave del espectro de diseño sugiere una respuesta sísmica menor con el aumento de los períodos naturales y la relación de amortiguamiento efectivo debido a la interacción suelo-estructura (ISE), que es la principal justificación de los códigos de diseño sísmico para reducir el cortante basal de diseño cuando se considera el efecto de la ISE. La misma idea también constituye la base de los códigos de diseño sísmico comunes actuales como ASCE 7-10 y ASCE 7-16. Aunque la idea mencionada, es decir, la reducción en el cortante basal, funciona bien para sistemas suelo-estructura lineales, se ha demostrado que no puede capturar adecuadamente el efecto de la ISE en sistemas de fluencia. ^{[ 7 ]} Más recientemente, Khosravikia et al. ^{[ 8 ]} evaluaron las consecuencias de practicar las disposiciones de ISE de ASCE 7-10 y las del Programa Nacional de Reducción de Peligros Sísmicos (NEHRP) de 2015, que constituyen 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 cimentación superficial en suelos moderadamente blandos, pero NEHRP mejora ligeramente las disposiciones actuales para estructuras bajas. Para estructuras en suelos muy blandos, ambas disposiciones generan diseños conservadores, siendo NEHRP aún más conservador. Finalmente, ambas disposiciones dan como resultado diseños casi óptimos para otros sistemas.

Mediante análisis numéricos rigurosos, Mylonakis y Gazetas ^{[ 9 ]} demostraron que el aumento del período natural de la estructura debido a la interacción suelo-estructura (ISE) no siempre es beneficioso, como sugieren los espectros de diseño simplificados. Los sedimentos de suelo blando pueden alargar significativamente el período de las ondas sísmicas, y el aumento del período natural de la estructura puede provocar resonancia con la vibración del terreno de largo período. Además, el estudio mostró que la demanda de ductilidad puede aumentar significativamente con el incremento del período natural de la estructura debido al efecto de la ISE. La deformación permanente y la falla del suelo pueden agravar aún más la respuesta sísmica de la estructura.

Cuando una estructura se ve sometida a una excitación sísmica , interactúa con la cimentación y el suelo, modificando así el movimiento del terreno. La interacción suelo-estructura se puede dividir, a grandes rasgos, en dos fenómenos: a) interacción cinemática y b) interacción inercial. El movimiento sísmico del terreno provoca un desplazamiento del suelo conocido como movimiento de campo libre. Sin embargo, la cimentación, al estar enterrada en el suelo, no sigue dicho movimiento. Esta incapacidad de la cimentación para adaptarse al movimiento de campo libre da lugar a la interacción cinemática . Por otro lado, la masa de la superestructura transmite la fuerza inercial al suelo, provocando una mayor deformación en este, lo que se denomina interacción inercial. ^{[ 2 ]}

A niveles bajos de vibración del terreno, el efecto cinemático es más dominante, lo que provoca un alargamiento del período y un aumento de la amortiguación por radiación. Sin embargo, con el inicio de una vibración más fuerte, la degradación del módulo del suelo en el campo cercano y la separación entre el suelo y el pilote limitan la amortiguación por radiación, y la interacción inercial se vuelve predominante, causando desplazamientos excesivos y deformaciones por flexión concentradas cerca de la superficie del terreno, lo que resulta en daños en el pilote cerca del nivel del suelo. ^{[ 2 ]}

Las observaciones de terremotos recientes han demostrado que la respuesta de la cimentación y el suelo puede influir enormemente en la respuesta estructural general. Existen varios casos de daños graves en estructuras debido a la interacción suelo-estructura (ISE) en terremotos pasados . Yashinsky ^{[ 10 ]} cita daños en varias estructuras de puentes soportados por pilotes debido al efecto ISE en el terremoto de Loma Prieta en San Francisco en 1989. Un extenso análisis numérico realizado por Mylonakis y Gazetas ^{[ 9 ]} ha atribuido la ISE como una de las razones detrás del dramático colapso de la autopista Hanshin en el terremoto de Kobe de 1995 .

Los principales tipos de cimentación, según diversas características del edificio, son:

• Pedestales aislados (actualmente no factible)
• Zócalos conectados por vigas de cimentación
• Rayos inversos
• Un plato (utilizado para café molido de baja calidad)

La catalogación de los terrenos de cimentación se realiza en función de las propiedades mecánicas de los propios terrenos: en Italia , por ejemplo, según la nueva norma antisísmica – Ordenanza 3274/2003 – se pueden identificar las siguientes categorías:

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

El tipo de cimentación se selecciona en función del tipo de terreno; por ejemplo, en el caso de formaciones rocosas homogéneas se eligen zócalos conectados, mientras que en el caso de terrenos de muy baja calidad se opta por placas.

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

Tanto el terreno como las estructuras pueden ser más o menos deformables; su combinación puede o no provocar la amplificación de los efectos sísmicos sobre la estructura. El terreno, de hecho, actúa como filtro para todas las ondas sísmicas principales , ya que un suelo más rígido favorece las ondas sísmicas de alta frecuencia, mientras que un suelo menos compacto absorbe las de baja frecuencia. Por lo tanto, un edificio rígido, caracterizado por una alta frecuencia fundamental , sufre daños amplificados cuando se construye sobre un terreno rígido y se somete a frecuencias más elevadas.

Por ejemplo, supongamos que hay dos edificios con la misma rigidez . Se asientan sobre dos tipos de suelo diferentes: el primero, rígido y rocoso ; el segundo, arenoso y deformable. Si se ven sometidos al mismo sismo, el edificio sobre el suelo rígido sufrirá mayores daños.

El segundo efecto de interacción, vinculado a las propiedades mecánicas del suelo, se refiere al hundimiento de los cimientos, agravado por el propio sismo, especialmente en terrenos menos compactos. Este fenómeno se denomina licuefacción del suelo .

Los métodos más utilizados para mitigar el problema de la interacción suelo-estructura consisten en el empleo de los sistemas de aislamiento ya mencionados y de algunas técnicas de arriostramiento, que se adoptan sobre todo en terrenos de baja calidad (categorías D y E). Las técnicas más extendidas son la inyección a presión y la técnica de pilotaje . La inyección a presión consiste en inyectar hormigón líquido en el subsuelo mediante una perforadora . Al endurecerse, este hormigón forma una columna que consolida el suelo circundante. Este proceso se repite en todas las zonas de la estructura. La técnica de pilotaje consiste en utilizar pilotes que, una vez insertados en el terreno, soportan la cimentación y el edificio, desplazando las cargas hacia capas de suelo más profundas y, por lo tanto, más compactas y resistentes a los movimientos.

• ¿Te gustaría comprender mejor qué sucede cuando las ondas sísmicas atraviesan el sistema suelo-estructura? (en italiano)
• Interacción sísmica suelo-estructura