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 el cual el movimiento del sistema suelo-estructura se ve 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 posterior. Un edificio sobre un suelo rígido en lugar de un 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, empeorado 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 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 de diseño estructural convencionales no toman en cuenta los efectos de la SSI. Es razonable ignorar la SSI en el caso de estructuras ligeras en suelos relativamente rígidos, como edificios de poca altura y muros de contención rígidos simples. Sin embargo, el efecto de la SSI se hace evidente en el caso de estructuras pesadas que descansan sobre suelos relativamente blandos, como por ejemplo plantas de energía nuclear, edificios de gran altura y autopistas elevadas en 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 solo por la respuesta de la superestructura, sino también por la respuesta de la base y el suelo. [3] Por lo tanto, los códigos de diseño sísmico modernos, como las Especificaciones estándar para estructuras de hormigón: Verificación del rendimiento sísmico JSCE 2005 [4] estipulan que el análisis de respuesta debe realizarse teniendo en cuenta todo el sistema estructural, incluida la superestructura, la base y el suelo.
Se cree convencionalmente que la SSI es un efecto puramente beneficioso, y que puede ignorarse convenientemente para un diseño conservador. Las disposiciones de SSI de los códigos de diseño sísmico son opcionales y permiten a los diseñadores reducir el esfuerzo cortante 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 reemplazarse con un modelo de base fija equivalente 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 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 rígidamente soportada correspondiente. Además, considerar el efecto SSI aumenta la relación de amortiguamiento efectiva del sistema. La idealización suave del espectro de diseño sugiere una respuesta sísmica menor con los períodos naturales aumentados y la relación de amortiguamiento efectiva debido a SSI, que es la principal justificación de los códigos de diseño sísmico para reducir el esfuerzo cortante de 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 esfuerzo cortante de base, funciona bien para sistemas lineales de suelo-estructura, se muestra que no puede capturar apropiadamente el efecto de SSI en sistemas flexibles. [7] Más recientemente, Khosravikia et al. [8] evaluaron las consecuencias de practicar las disposiciones de 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 del estándar de diseño sísmico proporcionado por 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.
Mediante análisis numéricos rigurosos, Mylonakis y Gazetas [9] han demostrado que el aumento del período natural de la estructura debido a la SSI no siempre es beneficioso, como lo 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 suelo de período largo. 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 ve sometida a una excitación sísmica , interactúa con la cimentación y el suelo, modificando así el movimiento del suelo. La interacción suelo-estructura se puede dividir en dos fenómenos: a) interacción cinemática y b) interacción inercial. El movimiento del suelo durante un terremoto provoca un desplazamiento del suelo conocido como movimiento de campo libre. Sin embargo, la cimentación incrustada en el suelo no seguirá el movimiento de campo libre. Esta incapacidad de la cimentación para adaptarse al movimiento de 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]
En niveles bajos de movimiento del suelo, el efecto cinemático es más dominante, lo que provoca el alargamiento del período y el aumento de la amortiguación por radiación. Sin embargo, con el inicio de un movimiento más fuerte, la degradación del módulo del suelo en el campo cercano y la separación entre el suelo y los pilotes limitan la amortiguación por radiación, y la interacción inercial se vuelve predominante, lo que provoca desplazamientos excesivos y tensiones de flexión concentradas cerca de la superficie del suelo, lo que da como resultado daños en los pilotes cerca del nivel del suelo. [2]
Las observaciones de terremotos recientes han demostrado que la respuesta de la base y el suelo pueden influir en gran medida en la respuesta estructural general. Hay varios casos de daños graves en estructuras debido a SSI en los terremotos pasados . Yashinsky [10] cita daños en varias estructuras de puentes soportadas 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] ha atribuido a SSI como una de las razones detrás del dramático colapso de Hanshin Expressway en el terremoto de Kobe de 1995 .
Los principales tipos de cimentaciones, en función de diversas características del edificio, son:
La preparación de los terrenos de cimentación se realiza en función de las propiedades mecánicas de los mismos: en Italia , por ejemplo, según la nueva normativa antisísmica – Ordenanza 3274/2003 – se pueden identificar las siguientes categorías:
El tipo de cimentación se selecciona en función del tipo de terreno, por ejemplo, en el caso de formaciones rocosas homogéneas se seleccionan plintos conectados, mientras que en el caso de terrenos de muy baja calidad se eligen losas.
Para obtener más información sobre las distintas 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 terreno, de hecho, es un filtro con respecto a todas las ondas sísmicas principales , ya que un suelo más rígido favorece las ondas sísmicas de alta frecuencia mientras que un suelo menos compacto acoge las 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 elevada . Están situados 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 que se encuentra sobre el suelo rígido sufre mayores daños.
El segundo efecto de interacción, ligado a las propiedades mecánicas del suelo, se refiere al hundimiento de las cimentaciones, agravado por el propio evento sísmico, 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 antes vistos y de algunas técnicas de arriostramiento del terreno, 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 pilotaje. La técnica del jet grouting consiste en inyectar en el subsuelo un hormigón líquido mediante un taladro . Cuando este hormigón se endurece forma una especie de columna que consolida el terreno circundante. Este proceso se repite en todas las zonas 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 terreno más profundas y, por tanto, más compactas y resistentes al movimiento.