Расчет здания с учетом взаимодействия сооружения с основанием (2017 г.)

Introducción al Webinar sobre Modelos de Suelo

Presentación del Webinar

• El webinar se centrará en el cálculo de edificios considerando la interacción entre la estructura y el suelo, abordando tanto modelos bidimensionales como tridimensionales.

• La parte teórica será presentada por Marina Sergeevna Busalova, investigadora del Laboratorio de Fiabilidad y Seguridad de Estructuras de la Universidad Estatal de Construcción de Moscú, con una duración aproximada de 40 minutos.

• Se realizará un breve descanso tras la presentación teórica antes de pasar a las preguntas, que pueden ser formuladas durante todo el webinar.

Contenido Teórico

• Marina comenzará su exposición explicando diferentes modelos matemáticos para describir el suelo y sus ventajas y desventajas.

• Se mencionarán varios modelos destacados en la práctica ingenieril, incluyendo el modelo Winkler y sus modificaciones, así como modelos no lineales elastoplásticos.

Modelo Winkler: Fundamentos y Supuestos

Descripción del Modelo Winkler

• Este modelo se basa en la hipótesis de proporcionalidad entre la presión reactiva del suelo y el hundimiento del edificio en puntos específicos.

• Se considera un caso bidimensional donde los desplazamientos en dirección Y son nulos; esto permite establecer supuestos básicos sobre los coeficientes del suelo.

Supuestos Clave

• El primer supuesto establece que los hundimientos son iguales a los desplazamientos verticales en todos los puntos bajo la estructura.

• Un segundo supuesto implica que se puede aplicar la hipótesis de secciones planas debido a que la altura es pequeña comparada con su longitud.

Limitaciones del Modelo Winkler

Problemas Identificados

• Un tercer supuesto indica que el hundimiento solo ocurre en el punto donde se aplica una carga; sin embargo, esto no refleja adecuadamente cómo funcionan las cargas distribuidas.

• La representación física del modelo muestra múltiples resortes independientes sobre una base rígida, lo cual simplifica demasiado las interacciones reales entre carga y suelo.

Críticas al Modelo

• Uno de los principales defectos es que asume un hundimiento uniforme bajo cargas distribuidas, lo cual no es realista ya que las deformaciones ocurren también fuera del área directa de aplicación.

Alternativas al Modelo Winkler

Desarrollo de Nuevos Modelos

• Para abordar las limitaciones del modelo Winkler, se han desarrollado modelos modificados como el modelo elastoplástico con dos coeficientes para representar mejor las propiedades del suelo.

Modelos de Suelo en Ingeniería

Modelo Modificado de Winkler

• El modelo modificado de Winkler elimina la principal desventaja del modelo original, permitiendo considerar la capacidad de distribución del suelo sin complicar la formulación matemática.

• Este modelo genera fuerzas transversales efectivas en los bordes del fundamento, lo que lleva a un coeficiente de soporte variable (C1), mientras que el coeficiente C2 se anula.

Limitaciones y Aplicaciones

• Los modelos modificados son planos y se utilizan cuando no es necesario conocer las reacciones del suelo bajo cargas, pero para análisis más detallados se requieren modelos volumétricos.

• En ingeniería, se utiliza el modelo de cuerpo deformado linealmente basado en soluciones de teoría de elasticidad, aunque esto presenta objeciones debido a la naturaleza no elástica del suelo.

Críticas a la Teoría de Elasticidad

• Se argumenta que el suelo no es un cuerpo elástico y que la relación entre tensiones y deformaciones no es lineal, lo que impide aplicar directamente la ley de Hooke.

• La heterogeneidad y anisotropía del suelo contradicen las suposiciones básicas de homogeneidad e isotropía en teoría de elasticidad.

Uso Práctico y Terminología

• Se propone cambiar términos como "medio" por "medio formado" para reflejar mejor las propiedades del suelo bajo carga única.

• El módulo de deformación varía según métodos de determinación y condiciones aplicadas; no debe considerarse una característica elástica fija.

Modelos No Lineales

• En estructuras críticas, es esencial considerar propiedades no lineales del suelo debido a grandes variaciones en tensiones y deformaciones.

• Las deformaciones plásticas significativas surgen al construir edificios altos sobre suelos, requiriendo modelar el terreno como un medio semiespacial no lineal.

Requisitos para Modelos No Lineales

• Un buen modelo debe reflejar adecuadamente los mecanismos de deformación del suelo con parámetros obtenidos mediante ensayos estándar.

• Ejemplos incluyen los modelos Mohr-Coulomb y Drucker-Prager; estos cumplen criterios específicos para representar estados tensionales complejos.

Leyes Fundamentales en Deformación

• La ley fundamental para suelos está basada en componentes normales y parámetros como cohesión específica (c) y ángulo interno de fricción (φ).

• Para estados tridimensionales complejos, se presentan tres ecuaciones que definen condiciones críticas para fluir dentro del espacio tensional.

Modelo de Comportamiento del Suelo: Ventajas y Desventajas

Ventajas del Modelo

• El modelo presenta la ventaja de utilizar características normativas físicas y mecánicas de los suelos, que son accesibles a través de informes de investigaciones geológicas.

• Se requiere únicamente información estándar para realizar cálculos prácticos, facilitando su aplicación en ingeniería.

Desventajas del Modelo

• A pesar de sus ventajas, el modelo tiene desventajas significativas en la modelación numérica, especialmente en la representación de superficies de fluencia.

• La superficie de fluencia se presenta como una pirámide hexagonal, lo que complica su aproximación con superficies suaves necesarias para obtener resultados precisos.

Investigaciones Teóricas y Aproximaciones

Avances en la Modelación

• Investigaciones actuales proponen una aproximación más suave para la superficie de fluencia basada en el criterio de Coulomb.

• Se introducen invariantes del tensor de tensiones (I1, G2, G3), esenciales para describir el comportamiento del suelo bajo carga.

Ruptura del Suelo

• La ruptura del suelo no puede ser predicha fácilmente; se necesita un análisis detallado en el espacio principal de tensiones.

• Es crucial identificar las condiciones bajo las cuales ocurrirá la ruptura al comparar puntos críticos con la superficie de ruptura.

Modelo Drucker-Prager: Introducción y Ecuaciones

Características del Modelo

• El modelo Drucker-Prager se utiliza para analizar estados no lineales complejos en suelos y está basado en ecuaciones que incluyen invariantes del tensor.

• Este modelo representa una superficie cónica cuya base coincide con el eje hidrostático, permitiendo comparaciones con el modelo Coulomb.

Relación entre Parámetros

• Se establece una relación entre constantes específicas y parámetros obtenidos a partir de investigaciones geológicas.

• Dos casos son considerados: uno donde un cono está inscrito dentro de una pirámide y otro donde está circunscrito alrededor.

Criterios Ampliados y Parámetros Clave

Criterio Ampliado Drucker-Prager

• Un criterio ampliado incluye parámetros adicionales como presión hidrostática e invariantes relacionados con tensiones intensas.

• Este criterio también introduce un coeficiente que mide la desviación respecto a formas circulares, esencial para aplicaciones prácticas.

Dependencias Adicionales

• Los parámetros beta (ángulo interno de fricción según Drucker-Prager) y D (cohesión específica), dependen directamente de los resultados obtenidos por investigaciones geológicas.

Análisis del Criterio de Mora-Coulomb

Introducción al Criterio de Mora-Coulomb

• Se presenta el criterio de Mora-Coulomb, que incluye una pirámide y un cono descrito alrededor de ella. Este criterio se basa en la superficie de fluidez del material.

• Se menciona que todas las superficies de fluidez son suaves, excepto la cúspide del cono. Esto representa una limitación del criterio original.

Modificación del Criterio

• Para abordar la limitación mencionada, se modifica el criterio para crear un modelo hiperbólico o exponencial que cierre la superficie de fluidez.

• Las modificaciones incluyen dos características principales: el cierre de la superficie de fluidez y el uso del coeficiente de porosidad como parámetro para mejorar la resistencia.

Desarrollo y Aplicaciones

• Se desarrolla un modelo bajo la dirección de Roska, conocido como "modelo Come Clay", que fue generalizado en 1971.

• Este modelo es aplicable a diversos materiales, incluyendo rocas y suelos, aunque presenta dificultades en determinar parámetros iniciales y describir presiones intersticiales durante procesos no drenados.

Conclusión sobre Modelos Actuales

• A pesar de sus complejidades, estos modelos son ampliamente utilizados en ingeniería geotécnica.

• El presentador agradece a los asistentes y pasa la palabra a Alexey Kolésnikov para continuar con preguntas y análisis prácticos.

Introducción a Lira

Presentación del Software Lira

• Alexey Kolésnikov retoma la presentación e introduce el software Lira para análisis estructural.

• Se muestra cómo crear una nueva tarea dentro del programa, comenzando con casos simples como el análisis de un solo pozo.

Funcionalidades Básicas

• Se destaca un nuevo lanzamiento (versión 102 R2), mejorando tanto la interfaz gráfica como las funcionalidades relacionadas con estructuras metálicas y hormigón.

Ejemplo Práctico

• Kolésnikov crea una estructura simple para realizar cálculos utilizando el modelo más básico disponible en Lira.

Establecimiento de Condiciones Fronterizas

• Se establecen condiciones límite para considerar cargas específicas en los elementos estructurales analizados.

Análisis de Cargas

Análisis de Cargas y Parámetros en Fundaciones

Introducción a la carga y parámetros del análisis

• Se discute la importancia de los estantes en el análisis de cargas, mencionando que su peso no afecta la precisión del cálculo.

• Se presentan las cargas totales, que suman 302 toneladas, y se enfatiza la posibilidad de ajustar varios parámetros como profundidad y forma del fundamento.

Configuración de parámetros geológicos

• Se menciona la existencia de múltiples fórmulas y documentos normativos para seleccionar los parámetros adecuados según la geología disponible.

• La edición de capas geológicas es posible, permitiendo ajustar espesores y colores para facilitar el análisis visual.

Propiedades del suelo

• Se destaca que el módulo de deformación debe ser considerado en función del tipo de suelo, diferenciándolo del módulo de elasticidad.

• Para tareas dinámicas, se recomienda multiplicar el módulo por un coeficiente específico según normativas vigentes.

Documentación y exportación

• Los resultados pueden ser documentados en formatos como Word o Excel, facilitando su presentación.

• Es crucial conocer los métodos recomendados por cada normativa para asegurar un análisis adecuado.

Análisis final y consideraciones sobre interacciones

• Al aplicar coeficientes a una placa fundamental, se deben considerar las recomendaciones previas sobre ajustes necesarios.

Análisis y Diseño de Fundamentos en Ingeniería Civil

Limitaciones en el Movimiento de Elementos

• Se discute la necesidad de limitar los movimientos verticales en el diseño, enfatizando que la conexión entre elementos es crucial para evitar sistemas geométricamente inestables.

Asignación de Parámetros a la Placa Fundamental

• Se menciona el proceso inicial para asignar parámetros a los elementos de la placa fundamental, destacando la importancia del uso de atajos y menús contextuales en el software utilizado.

Configuración del Menú Contextual

• Se introduce un nuevo menú contextual que permite personalizar las herramientas más utilizadas, facilitando así el acceso a funciones como filtros y atributos de visualización.

Persistencia del Estado del Modelo

• Al abrir nuevamente el software, se observa que se mantiene la configuración previa del modelo, lo cual es útil para continuar trabajos sin necesidad de reconfigurar todo desde cero.

Cálculo de Coeficientes Fundamentales

Configuración de Modelos de Suelo

Introducción a la Configuración

• Se discute la importancia de completar todos los parámetros necesarios para activar la siguiente sección de configuración, donde se puede cambiar el nombre del tipo de suelo, como "arcilla número tres".

Selección y Profundidad de Capas

• Se menciona que es posible incluir suelos que no se utilizarán en el modelo sin eliminarlos. La configuración inicial comienza con arena suelta a una profundidad de un metro.

• Se continúa con la selección del siguiente tipo de suelo, optando por "arena limosa" y ajustando las profundidades y potencias automáticamente.

Creación y Verificación del Modelo

• Se introduce la función de corte para verificar la correcta asignación de los pozos perforados en el modelo. Es recomendable habilitar el autoguardado para evitar pérdidas.

• Los colores asignados a cada tipo de suelo se reflejan en los pozos, facilitando la identificación visual.

Diversificación del Modelo

• Se propone crear múltiples pozos para obtener un modelo más heterogéneo tanto horizontal como verticalmente. Esto incluye copiar configuraciones existentes para variar las profundidades.

• Un ejemplo específico muestra cómo ajustar las capas: desde arcilla hasta diferentes tipos como limolita o arcilla adicional, variando sus profundidades.

Análisis Final y Cálculos

• Al construir un corte, se observa una disposición no homogénea de las capas. El sistema permite realizar cortes tanto horizontales como verticales.

• La discusión sobre métodos normativos revela que hay opciones disponibles según normas específicas (nip SP y ucranianas), lo que acelera significativamente los cálculos comparado con versiones anteriores del software.

Respuestas a Preguntas Comunes

• Se abordan preguntas sobre qué considera el programa al calcular si no hay rigidez presente en los materiales seleccionados.

Análisis de la Saturación del Suelo y Cálculo de Coeficientes

Consideraciones sobre la Saturación del Suelo

• La saturación del suelo se considera en los parámetros del mismo, reflejándose en una tabla donde se puede marcar un campo específico para incluir el agua.

Cálculo de Coeficientes de Asentamiento

• Se han calculado los coeficientes de asentamiento, que están distribuidos por el área. Se menciona que el valor pz es constante en todas partes y se ajustará según los resultados obtenidos.

Modificación de Coeficientes

• Es posible modificar los coeficientes sin necesidad de recalcular todo desde cero; esto se logra multiplicando por un factor correspondiente. Se planea cambiar el coeficiente C2 a cero.

Proceso de Recalculo

• Para determinar el valor correcto de pz, es necesario calcular primero la modelo estructural. El valor inicial asignado a pz (7.8) no es uniforme y varía en cada punto.

Resultados Iniciales del Cálculo

• Tras realizar un cálculo estático, la programación muestra automáticamente los resultados relacionados con la placa base y permite alternar entre diferentes combinaciones de carga para analizar variaciones en pz.

Ajuste y Visualización de Resultados

Aplicación del Valor RZ como PZ

• El valor RZ obtenido ahora será utilizado como pz; este proceso implica visualizar RZ y convertirlo a datos originales mediante una interfaz específica.

Importancia del Cambio en las Cargas

• La programación indica cambios porcentuales en las cargas antes y después de ajustes, así como modificaciones en el centroide, lo cual es crucial para evaluar cuándo detenerse con los cálculos.

Procedimiento Iterativo para Coeficientes

• Este procedimiento debe repetirse varias veces hasta alcanzar valores estables; al aplicar RZ como pz, se regresa a los datos originales sin necesidad de seleccionar nuevamente elementos previamente definidos.

Evaluación Final y Comparativa

Revisión del Modelo Geotécnico

• Al realizar cortes transversales, se confirma que el modelo geotécnico sigue siendo válido. Un nuevo cálculo considerando diferentes valores pz puede tardar más pero proporciona resultados precisos.

Comparativa entre Métodos

• Se realizan cálculos adicionales con nuevos coeficientes; esta iteración puede ser necesaria más veces si la estructura presenta heterogeneidades significativas.

Análisis Final sobre Cambios Mínimos

• Los cambios observados son mínimos (10^-6), sugiriendo que no hay necesidad urgente para ajustar más los coeficientes postales tras varios recalculos exitosos.

Visualización Gráfica

Métodos de Cálculo y Análisis de Asentamientos

Introducción a los Métodos de Cálculo

• Se presenta un método para el cálculo del desplazamiento vertical, destacando que se trata de un "método 2" con un máximo de desplazamiento entre 16.3 y 16.6 mm.

Cálculo de Coeficientes

• Se discuten las características fundamentales para calcular los coeficientes del suelo, incluyendo la geometría y las cargas aplicadas, así como las propiedades del terreno.

Visualización y Resultados

• Se menciona que los resultados muestran diferencias significativas en los asentamientos calculados, lo cual no implica necesariamente errores en el método utilizado.

Generación de Informes

• Se explica cómo generar informes utilizando funciones específicas en el software, permitiendo incluir tablas y gráficos relevantes para la presentación de resultados.

Características del Suelo

• Se aborda la pregunta sobre qué características del suelo utilizar: si son datos promedio o específicos proporcionados por geólogos. La recomendación es usar parámetros recomendados cuando estén disponibles.

Parámetros Geotécnicos y su Aplicación

Propiedades Físico-Mecánicas

• Los geólogos suelen proporcionar tablas con características físicas y mecánicas obtenidas a través de investigaciones laboratoriales según normativas (SNiP).

Selección de Parámetros Recomendados

• Es preferible utilizar parámetros recomendados en lugar de promedios generales o datos sin pruebas específicas, especialmente si hay informes detallados disponibles.

Cálculos Adicionales y Consideraciones

Coeficiente de Poisson

• Si no se proporciona el coeficiente de Poisson por parte de los geólogos, se sugiere tomarlo directamente desde las normativas SNiP según el tipo específico del suelo.

Presiones Laterales en Suelos

• No existe un cálculo automatizado para la presión lateral del suelo; sin embargo, se pueden aplicar fórmulas conocidas para estimar estas cargas durante el análisis estructural.

Resultados Comparativos y Modelos Avanzados

Modelado Tridimensional

• Se exploran capacidades avanzadas en modelado tridimensional del suelo utilizando materiales no lineales, siguiendo teorías analíticas recientes implementadas en versiones actualizadas del software.

Comparativa entre Resultados

• Al comparar diferentes modelos, se observa una variación significativa en los coeficientes postales que impactan directamente en los asentamientos calculados (16 mm frente a 32 mm).

Análisis de Elementos Finitos en Problemas No Lineales

Introducción a los Elementos Finitos

• Se discute la creación de elementos finitos y su aplicación en problemas no lineales, destacando que ya no se utilizan coeficientes de apoyo tradicionales.

• Se menciona que el cálculo de estos elementos puede llevar un tiempo considerable, con un ejemplo donde el cálculo duró 13 minutos.

Resultados del Cálculo

• Se presenta un análisis del comportamiento bajo carga no lineal, mostrando cómo se distribuyen las tensiones en el suelo y evaluando la efectividad del modelo.

• La herramienta permite realizar cálculos complejos que consideran tanto los elementos volumétricos como las características del suelo.

Evaluación de Estructuras

• Se evalúa una losa fundamental utilizando filtros para centrarse únicamente en esta estructura.

• Se advierte sobre la recomendación de realizar estos cálculos solo para estructuras críticas, aunque también se pueden analizar esfuerzos internos y asentamientos.

Movimientos Horizontales y Reacciones

• El análisis incluye desplazamientos horizontales, permitiendo evaluar reacciones estructurales más detalladamente.

• Aunque el webinar no cubre el análisis de pilotes, se menciona que es posible crear modelos para este tipo de estructuras.

Próximos Pasos y Recursos

• Se anuncia un próximo webinar sobre el cálculo de estructuras grandes programado para el 23 de abril, donde se abordarán temas como la estabilidad local.

• Se ofrece información sobre literatura recomendada relacionada con los métodos discutidos durante la presentación.

Comparativa entre Versiones del Software

• Se comparan las versiones 96 y 102 del software utilizado, destacando mejoras significativas en métodos analíticos implementados en la versión más reciente.