La interacción suelo-estructura ( SSI ) consiste en la interacción entre el suelo (suelo) y una estructura construida sobre él. Se trata principalmente de un intercambio de tensiones mutuas , por lo que el movimiento del sistema suelo-estructura está influenciado tanto por el tipo de terreno 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 posterior. Un edificio sobre un terreno rígido en lugar de un 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 ingeniería civil involucran algún tipo de elemento estructural en contacto directo con el terreno. 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 de diseño estructural convencionales 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 la 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 terremoto de Kobe de 1995 , también han puesto de relieve que el comportamiento sísmico de una estructura está muy influenciado no sólo por la respuesta de la superestructura, sino también por la respuesta de los cimientos y el suelo. [3] Por lo tanto, los códigos de diseño sísmico modernos, como las Especificaciones estándar para estructuras de concreto: Verificación del desempeño sísmico JSCE 2005 [4] estipulan que el análisis de respuesta debe realizarse tomando en consideración un sistema estructural completo que incluye la superestructura, los cimientos y el terreno.
Convencionalmente se cree que la SSI es un efecto puramente beneficioso y puede convenientemente despreciarse por un diseño conservador. Las disposiciones sobre SSI de los códigos de diseño sísmico son opcionales y permiten a los diseñadores reducir el corte 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 suelo-estructura puede ser reemplazado por un modelo equivalente de base fija con un período más largo y generalmente 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 luego 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 rígidamente soportada. Además, considerar el efecto SSI aumenta la relación de amortiguación efectiva del sistema. La suave idealización del espectro de diseño sugiere una respuesta sísmica más pequeña con mayores períodos naturales y una relación de amortiguamiento efectiva debido al SSI, que es la principal justificación de los códigos de diseño sísmico para reducir el corte de la 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. Aunque la idea mencionada, es decir, la reducción del corte de base, funciona bien para sistemas lineales de estructura de suelo, se ha demostrado que no puede capturar adecuadamente el efecto del SSI en los sistemas productivos. [7] Más recientemente, Khosravikia et al. [8] evaluaron las consecuencias de practicar las disposiciones SSI de ASCE 7-10 y las del Programa Nacional de Reducción de Riesgos Sísmicos (NEHRP) de 2015, que forman la base de la edición de 2016 de la norma de diseño sísmico proporcionada por la ASCE. Demostraron que las disposiciones de SSI tanto de NEHRP como de 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 achaparradas. 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.
Utilizando análisis numéricos rigurosos, Mylonakis y Gazetas [9] han demostrado que el aumento en el período natural de la estructura debido a SSI no siempre es beneficioso como lo sugieren los espectros de diseño simplificados. Los sedimentos blandos del suelo pueden alargar significativamente el período de las ondas sísmicas y el aumento en el período natural de la estructura puede conducir a la resonancia con el período prolongado de vibración del suelo. Además, el estudio demostró 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 falla del suelo pueden agravar aún más la respuesta sísmica de la estructura.
Cuando una estructura se somete a la excitación de un terremoto , interactúa con los cimientos y el suelo y, por lo tanto, cambia el movimiento del suelo. La interacción suelo-estructura se puede dividir en términos generales en dos fenómenos: a) interacción cinemática yb) interacción inercial. El movimiento del suelo por un terremoto provoca un desplazamiento del suelo conocido como movimiento de campo libre. Sin embargo, los cimientos incrustados en el suelo no seguirán 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 de inercia al suelo, provocando una mayor deformación en el suelo, lo que se denomina interacción inercial. [2]
Cuando el nivel de sacudida del suelo es bajo, el efecto cinemático es más dominante, lo que provoca un alargamiento del período y un aumento de la amortiguación de la radiación. Sin embargo, con el inicio de sacudidas más fuertes, la degradación del módulo del suelo en el campo cercano y los espacios entre el suelo y los pilotes limitan la amortiguación de la radiación, y la interacción inercial se vuelve predominante, causando desplazamientos excesivos y tensiones de flexión concentradas cerca de la superficie del suelo, lo que resulta en daños en los pilotes 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 terremotos pasados . Yashinsky [10] cita daños en varias estructuras de puentes soportados por pilotes debido al efecto SSI en el terremoto de Loma Prieta en San Francisco en 1989. Un extenso análisis numérico llevado a cabo por Mylonakis y Gazetas [9] ha atribuido a SSI como una de las razones detrás El dramático colapso de la autopista Hanshin en el terremoto de Kobe de 1995 .
Los principales tipos de cimentaciones, basados en varias características de la construcción, son:
La clasificación 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:
El tipo de cimentación se selecciona según el tipo de terreno; Por ejemplo, en el caso de formaciones rocosas homogéneas se eligen zócalos conectados, mientras que en el caso de bases de muy mala calidad se eligen placas de tierra.
Para obtener más información sobre las diversas formas de construir cimientos, consulte cimientos (arquitectura) .
Tanto los terrenos 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 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 terreno rígido y luego se somete a frecuencias más altas.
Por ejemplo, supongamos que hay dos edificios que comparten la misma rigidez alta . Se asientan sobre dos tipos de suelo diferentes: el primero, rígido y rocoso; el segundo, arenoso y deformable. Si se somete al mismo evento sísmico, el edificio sobre el terreno rígido sufre mayores daños.
El segundo efecto de interacción, ligado a las propiedades mecánicas del suelo, se refiere al hundimiento de los cimientos, agravado por el propio evento sísmico, especialmente en terrenos menos compactos. Este fenómeno se llama 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 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 pilote. La técnica del jet-grouting consiste en inyectar en el subsuelo una cantidad 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 pilotaje consiste en utilizar pilotes que, una vez insertados en el terreno, sostienen la cimentación y el edificio situado encima, desplazando las cargas o los pesos hacia capas de suelo más profundas y por tanto más compactas y resistentes a los movimientos.