Problemas de interacción suelo estructura en cimentaciones y muros de contención. Influencia de los fenómenos de despegue y deslizamiento

Los terremotos constituyen una de las más importantes fuentes productoras de cargas dinámicas que actúan sobre las estructuras y sus cimentaciones. Cuando se produce un terremoto la energía liberada genera movimientos del terreno en forma de ondas sísmicas que pueden provocar asientos en las cimentaciones de los edificios, empujes sobre los muros de contención, vuelco de las estructuras y el suelo puede licuar perdiendo su capacidad de soporte. Los efectos de los terremotos en estructuras constituyen unos de los aspectos que involucran por su condición de interacción sueloestructura, disciplinas diversas como el Análisis Estructural, la Mecánica de Suelo y la Ingeniería Sísmica. Uno de los aspectos que han sido poco estudiados en el cálculo de estructuras sometidas a la acciones de los terremotos son los efectos del comportamiento no lineal del suelo y de los movimientos que pueden producirse bajo la acción de cargas sísmicas, tales como posibles despegues y deslizamientos. En esta Tesis se estudian primero los empujes sísmicos y posibles deslizamientos de muros de contención y se comparan las predicciones de distintos tipos de cálculos: métodos pseudo-estáticos como el de Mononobe-Okabe (1929) con la contribución de Whitman-Liao (1985), y formulaciones analíticas como la desarrollada por Veletsos y Younan (1994). En segundo lugar se estudia el efecto del comportamiento no lineal del terreno en las rigideces de una losa de cimentación superficial y circular, como la correspondiente a la chimenea de una Central Térmica o al edificio del reactor de una Central Nuclear, considerando su variación con frecuencia y con el nivel de cargas. Finalmente se estudian los posibles deslizamientos y separación de las losas de estas dos estructuras bajo la acción de terremotos, siguiendo la formulación propuesta por Wolf (1988). Para estos estudios se han desarrollado una serie de programas específicos (MUROSIS, VELETSOS, INTESES y SEPARSE) cuyos listados y detalles se incluyen en los Apéndices. En el capítulo 6 se incluyen las conclusiones resultantes de estos estudios y recomendaciones para futuras investigaciones. ABSTRACT Earthquakes constitute one of the most important sources of dynamic loads that acting on structures and foundations. When an earthquake occurs the liberated energy generates seismic waves that can give rise to structural vibrations, settlements of the foundations of buildings, pressures on retaining walls, and possible sliding, uplifting or even overturning of structures. The soil can also liquefy losing its capacity of support The study of the effects of earthquakes on structures involve the use of diverse disciplines such as Structural Analysis, Soil Mechanics and Earthquake Engineering. Some aspects that have been the subject of limited research in relation to the behavior of structures subjected to earthquakes are the effects of nonlinear soil behavior and geometric nonlinearities such as sliding and uplifting of foundations. This Thesis starts with the study of the seismic pressures and potential displacements of retaining walls comparing the predictions of two types of formulations and assessing their range of applicability and limitations: pseudo-static methods as proposed by Mononobe-Okabe (1929), with the contribution of Whitman-Liao (1985), and analytical formulations as the one developed by Veletsos and Younan (1994) for rigid walls. The Thesis deals next with the effects of nonlinear soil behavior on the dynamic stiffness of circular mat foundations like the chimney of a Thermal Power Station or the reactor building of a Nuclear Power Plant, as a function of frequency and level of forces. Finally the seismic response of these two structures accounting for the potential sliding and uplifting of the foundation under a given earthquake are studied, following an approach suggested by Wolf (1988). In order to carry out these studies a number of special purposes computer programs were developed (MUROSIS, VELETSOS, INTESES and SEPARSE). The listing and details of these programs are included in the appendices. The conclusions derived from these studies and recommendations for future work are presented in Chapter 6.

Interacción vehículo-estructura en puentes de ferrocarril

En este artículo se propone un modelo detallado para el análisis del problema clásico de dinámica de puentes de ferrocarril. En realidad, es un problema que ha vuelto a la luz en las últimas décadas debido a los nuevos requerimientos en comodidad y velocidad que exigen resultados más precisos. Dicho modelo incluye subsistemas de masas para los vehículos e interpolación mediante funciones de aproximación para la vía, las vigas y los pilares del puente, considerando comportamiento no lineal en algunos de los elementos y acoplamiento total del sistema. Aparte de la mencionada sofisticación, la principal contribución del modelo son las funciones de aproximación especiales que se proponen para la vía, para reducir el número de grados de libertad y permitir la deformada complicada de este elemento sometido a cargas concentradas móviles. Esto se logra gracias al uso de funciones de aproximación viajeras que acompañan a las ruedas del tren a una velocidad de paso que se supone constante.

Aplicación del M.E.C. a un problema de interacción suelo-estructura

Este artículo presenta la aplicación del M.E.C. a un problema de interacción suelo-estructura. Se trata de una estructura rígida empotrada a gran profundidad en un terreno muy duro y sometido a acciones sísmicas de importancia. Tras recordar los conceptos básico del problema se describe la discretización utilizada para la resolución mediante el método de los tres pasos. Se describe también la modificación inducida por la presencia de la estructura en la solicitación sísmica tanto en profundidad como en distancia a aquella.

Método de los Elementos de Contorno en algunos problemas de interacción suelo-estructura

Los problemas del comportamiento sismico de estructuras masivas de gran responsabilidad y edificios de gran altura asi como el clásico problema del cimiento de las maquinas vibrantes, hacen que el estudio de la interacci6n suelo- estructura adquiera una gran actualidad. Estos problemas, que implican formas y propiedades complicadas, suponen siempre la necesidad de utilizar un modelo numerico del medio considerado. Aqui se emplea el metodo de los elementos de contorno que dadas sus caracteristicas resulta una alternativa muy sugestiva para modelar el suelo y que hace posible el estudio de problemas tridimensionales a un precio razonable. Se introduce un tipo de elementos para problenas bidimensionales , que incluye una singularidad de tipo logaritmico en uno de sus extremos.Se muestran distribuciones de tensiones obtenidas con este tipo de elementos.

Problemas de interacción terreno-estructura I

Numerosos problemas en ingeniería se refieren a la respuesta dinámica del terreno frente a solicitaciones permanentes o transitorias. Ejemplos típicos son las sacudidas sísmicas, el paso de cargas móviles, la actuación de máquinas con dispositivos alternativos (compactadores, turboalternadores etc.), etc. El desarrollo de la mecánica de suelo, así como el interés de mejorar el diseño y garantizar la seguridad de las estructuras afectadas han conducido al desarrollo de un cuerpo de doctrina homogéneo y riguroso para el tratamiento de problemas como los citados. Obsérvese que, en general, ni el terreno ni la estructura sobre él construida se pueden estudiar por separado. Hay una verdadera interacción entre ambos y ella es, preciamente, la motivación del problema. Así, en el presente capítulo se analiza el semiespacio elástico con carga dinámica, el caso viscoelástico y el amortiguamiento material. En lo que respecta al semiespacio elástico con carga dinámica, además de un breve desarrollo histórico, se hace referencia a las vibraciones verticales en régimen permanente, las vibraciones horizontales y giratoriaas en régimen permanente, el modelo de Veletsos, las vibraciones de torsión, la carga en faja, los cimientos rectangulares y los cimientos empotrados. Respecto al caso viscoelástico y el amortiguamiento material, se analizan diversos mecanismos de amortiguamiento.

Problemas de interacción terreno-estructura II

En este capítulo se pretende estudiar el efecto combinado de las características elásticas y de inercia del terreno y la estructura sobre él construida. Desde el punto de vista de esta última, los efectos más llamativos son la alteración de los valores de las frecuencias aparentes, debido justamente a la participación del suelo en el fenómeno vibratorio, y del amortiguamiento general pues la radiación de energía y el amortiguamiento propio del suelo tienen unos valores importantes cuando se comparan con los propios de la estructura. Ambos fenómenos tienen lógicamente su reflejo en el valor de las amplitudes del movimiento, que serán distintas de las que se producirían en el caso de base rígida. El fenómeno era conocido desde antiguo por los constructores de cimientos de máquinas y su consideración en otras construcciones se ha producido cuando se ha ido a estructuras singulares como rascacielos, centrales nucleares, etc. En este sentido los primeros resultados llamativos fueron los presentados por AKINO,OTA y YAMAHARA (1969) donde se comunicaban los resultados obtenidos de la instrumentación de pequeños modelos muy rígidos de edificios de contención de reactores. Los registros obtenidos en ensayos forzados con vibradores, así como los resultados de pequeños terremotos reales indicaban diferencias apreciables del movimiento del suelo según la cota de observación, con lo que se planteó el problema de elegir cuál debería escogerse para analizar el modelo matemático de la realidad. Desde entonces han sido numerosísimos los trabajos de investigación del tema; trabajos que, al coincidir con el desarrollo de los nuevos métodos de cálculo, los han usado e impulsado a perfeccionarse. Paradójicamente el resultado final es la existencia de varias escuelas de pensamiento que, impulsadas por razones extracientíficas, han radicalizado sus diferencias. Con ello el establecimiento objetivo de un estado del arte actual es realmente dificil como lo prueba la tendencia fluctuante de la normativa yankee, al respecto.

Modelación numérica de deslizamientos de ladera en embalses mediante el método de partículas y elementos finitos (PFEM)

Se presentan resultados obtenidos mediante la aplicación del MétododePartículasyElementosFinitos (PFEM) en la simulación dedeslizamientosdeladeraenembalses. Es un fenómeno complejo, por la interacción entre el material deslizado, la masa de agua del embalse, yel conjunto formado por el vaso y la presa. PFEM es un esquema numérico original con el que se ha afrontado con éxito la resolución de problemas de interacción fluido-estructura. Combina un enfoque Lagrangiano con la resolución de las ecuaciones deelementosfinitosmediante la generación de una malla, que se actualiza en cada paso de tiempo. Se presentan resultados de casos de validación en los que se han reproducido ensayos en laboratorio existentes en la bibliografía técnica. Se muestran también otros cálculos más complejos, sobre la cartografía a escala real de un embalse, donde se aprecia el fenómeno de generación de la ola, su propagación por el embalse y la afección a la presa. Por último, se ha modelado el deslizamiento ocurrido en 1958 en la bahía de Lituya (Alaska), enel que la caída de 90 millones de toneladas de roca produjo una ola que alcanzó una sobreelevación máxima de 524 m en la ladera opuesta. Los resultados permiten afirmar que PFEM puede ser una herramienta útil enel análisis de riesgos frente a este tipo de fenómenos, ofreciendo una buena aproximación de las afecciones potenciales

Foundations for offshoe wind farms

Análisis de las cimentaciones de los parques eólicos marinos situados en aguas de transición y en indefinidas, tipo gravedad; rozamiento, tipo pilotes; plataformas y flotantes, estudiando el fenómeno conjunto de interacción suelo - estructura y socavación

Tendencias actuales en la construcción sismorresistente para edificios en hormigón armado

Este estudio aborda la recopilación de nuevas tendencias del diseño sismorresistente, enfocándose en la técnica del aislamiento de base, por ser la más efectiva, difundida y utilizada; y el análisis de las ventajas que puede tener una edificación que aplica dicha técnica, desde el punto de vista estructural y económico. Se elige la tipología más frecuente o común de edificios de hormigón armado propensos a ser aislados, que en este caso es un hospital, cuyo modelo empotrado se somete a varias normas sismorresistentes comparando principalmente fuerzas de cortante basal, y considerando la interacción suelo-estructura; para asistir a este cálculo se desarrolla un programa de elementos viga de 6 gdl por nodo en código Matlab. El modelo aislado incluye el análisis de tres combinaciones de tipos de aisladores HDR, LPR y FPS, alternando modelos lineales simplificados de 1 y 3 gdl por piso, evaluando diferencias de respuestas de la estructura, y procediendo a la elección de la combinación que de resultados más convenientes; para la modelación no lineal de cada sistema de aislamiento se utiliza el método explícito de diferencias centrales. Finalmente, se realiza un análisis comparativo de daños esperados en el caso de la ocurrencia del sismo de diseño, utilizando el método rápido y tomando como referencia el desplazamiento espectral del último piso; llegando a dar conclusiones y recomendaciones para el uso de sistemas de aislamiento. This study addresses the collection of new seismic design trends, focusing on base isolation technique, as the most effective and widely used, and the analysis of the advantages in buildings that apply this technique, from the structurally and economically point of view. Choosing the most common types of concrete buildings likely to be isolated, which in this case is a hospital, the fix model is subjected to various seismic codes mainly comparing base shear forces, and considering the soil-structure interaction; for this calculation attend a program of bars 6 dof per node is made in Matlab code. The isolated model includes analysis of three types of isolators combinations HDR, LPR and FPS, alternating simplified linear model of 1 and 3 dof per floor, evaluating differences in the response of the structure, and proceeding to the choice of the combination of results more convenient; for modeling nonlinear each insulation system, the explicit central difference method is used. Finally, a comparative analysis of expected damage in the case of the design earthquake, using a fast combined method and by reference to the spectral displacement of the top floor; reaching conclusions and give recommendations for the use of insulation systems.

Efectos dinámicos aleatorios en túneles y obras subterráneas

La construcción de una obra subterránea con las características de un túnel o condución de cualquier tipo afecta las propiedades del medio en el que se realiza, poniendo de manifiesto un problema que sólo en épocas relativamente recientes ha recibido antención: la interacción terreno-estructura. Si en las construcciones exteriores (edificios, presas etc.) la importancia de la interacción sólo existe en los casos de grandes obras, aquí la cuestión se plantea como algo intrínseco a la naturaleza del problema. La inclusión de las características del terreno en el análisis dinámico no es un problema sencillo, debido tanto a las irregularidades geométricas posibles, como a la incertidumbre respecto a las propiedades mecánicas. Por si fuera poco la aleatoriedad de las solicitaciones que estudiamos; terremotos, explosiones etc. exige un tratamiento estadístico de los resultados que se obtengan. Aunque se han realizado intentos analíticos para la resolución del problema, tropiezan siempre con la dificultad de las drásticas simplificaciones que es preciso suponer para hacer tratable el problema; estas simplificaciones pueden falsear los resultados deseados. De hecho, el único medio de introducir las numerosas variantes que aparecen es recurrir a los métodos numéricos de discretización. En este estudio hemos tanteado dos posibilidades. Finalmente, el método de los elementos finitos (F.E.M.)aparece como el más adecuado por su versatilidad y rápidez. El análisis dinámico mediante elementos finitos presenta algunos problemas, relativos fundamentalmente al modelado del medio. En efecto, la discretización introduce problemas al pretender simular la propagacíón de las ondas, y la presencia de contornos a distancia finita hace que se presenten problemas a menos que se dispongan medios como contornos absorbentes o cualquier otro procedimiento que elimine las reflexiones en los bordes. El problema es grave, pues se precisa disponer de un número muy grande de elementos lo que, limitado por la capacidad de la máquina, puede provocar una malla inadecuada para la representación de la estructura, siendo así que esta es nuestra preocupación básica. Por otro lado, si se utiliza la técnica modal, los dos o tres primeros modos del sistema global pueden no dar una representación apropiada del comportamiento de la estructura. El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de un método que permita solventar estas dificultades y obtener la respuesta estructural con la precisión que se desee. Dado el carácter aleatorio de la solicitacion se ha dado un paso más y lo que se ha finalizado es con un estudio estadístico de la respuesta.

Análisis del comportamiento dinámico de un viaducto ferroviario sobre el Caño el Águila, situado en la línea de alta velocidad Sevilla-Cádiz

En este proyecto se realizará un análisis del comportamiento dinámico de un viaducto hiperestático, situado en la línea de alta velocidad Sevilla-Cádiz. Para ello se realizará un modelo de elementos finitos a partir de los datos de proyecto y de los resultados de la prueba de carga. En el trabajo se analizarán los modos de oscilación y frecuencias propias, se reproducirán los resultados de la prueba de carga del viaducto, se verificarán los requisitos dinámicos establecidos en la IAPF-2007, se analizará el comportamiento dinámico del viaducto sometido a modelos de carga que consideran la interacción vehículo estructura.

Efectos dinámicos aleatorios en túneles

Se presenta un procedimiento para el estudio de los efectos dinámicos en revestimentos de túneles sometidos a terremotos. La interacción terreno-estructura se plantea en el dominio de la frecuencia mediante el uso de la F.F.T. y la definición de una matriz de rigidez dinámica del terreno. La solicitación es un conjunto de terremotos simulados en ordenador. Se plantea una solución aproximada mediante el uso de los modos de un sistema asociado.

Respuesta sísmica de suelos con histéresis y viscosidad

Un problema importante de ingeniería sísmica es la respuesta de depósitos estratificados de suelos cuando se encuentran sometidos a la acción del terremoto. El problema puede ser directo o inverso, según se pretenda obtener el movimiento en superficie cuando el fondo es solicitado por un sismo dado o, lo que es muy común en la técnica de análisis sísmico, se pretende realizar la deconvolución de un movimiento en superficie hasta una profundidad determinada con objeto de realizar a posteriori un análisis de interacción terreno-estructura. El problema es bien conocido así como sus dificultades relacionadas principalmente con el carácter no lineal del suelo y sus propiedades de amortiguamiento.

Aplicación del Método de los Elementos de Contorno a problemas dinámicos en medios incomprensibles

Los métodos numéricos, como es sabido, son en muchas ocasiones altamente sensibles a las situaciones singulares que se presentan en diversos problemas de ingeniería, pudiendo dar lugar a errores, locales o globales, que invalidan los resultados proporcionados por un modelo que, en principio, se supone bien planteado. Tal es el caso de la aplicación del Método de los Elementos de Contorno a problemas dinámicos en medios incompresibles, donde el Coeficiente de Poisson se aproxima a su valor límite de 0,5. En estas circunstancias, según el modelo clásico de propagación de ondas, la velocidad de propagación de las ondas longitudinales (ondas P) tiende a infinito, lo que hace inoperantes las expresiones explícitas de la solución fundamental (o función de ponderación) tal como aparecen en la literatura técnica. El recurso de aproximar el valor de dicho Coeficiente como 0,499 ... conduce en ocasiones a resultados insuficientemente exactos cuando no manifiestamente erróneos, especialmente cuando se trabaja con simple precisión, como consecuencia de los errores de truncamiento en expresiones que, en el límite, serían de la forma: (cero)x(infinito). En el presente artículo se muestran los resultados analíticos de las diversas formas indeterminadas que aparecen en la aplicación del método para el caso aludido. Los resultados son de aplicación a diversos problemas de fluidos, así como a problemas de interacción suelo-estructura en terrenos arcillosos. Se presenta un ejemplo de aplicación que muestra la convergencia de la solución obtenida por el procedimiento propuesto, en contraste con la no-convergencia a que conduce la aproximación del Coeficiente de Poisson como 0,499…

El Método de los Elementos de Contorno en problemas dinámicos

En esta nota se presentan algunas posibilidades de aplicación de las técnicas de contorno a los problemas dinámicos. El desarrollo hace especial hincapié en la situación estacionaria puesto que es el área en la que tenemos más experiencia. Ello no significa ninguna limitación del método ya que el uso de transformaciones integrales es una clara posibilidad de obtener soluciones transitorias. Uno de los ejemplos presentados se refiere al estado estacionario de una laja sometida a tracción cíclica, con y sin fisuras. El siguiente está relacionado con el cálculo de las impedancias del suelo, necesarias para los estudios de interacción terreno-estructura y, finalmente, se presenta el efecto de ondas incidentes sobre cimientos rígidos.