El diseño sísmico de estructuras subterráneas es un tema relevante debido al alto riesgo y el costo de reparación. El comportamiento sísmico de este tipo de estructuras es altamente complicado debido a la complejidad del comportamiento del suelo y la relevancia de la interacción suelo-estructura. Los modelos existentes son demasiado simplificados y conservadores, y solo son válidos para algunas configuraciones estructurales. En cambio, una formulación simplificada más sofisticada superaría estas limitaciones.

Ponencia del Msc. Julio Rodríguez-Sánchez en el Máster en Ingeniería Sísmica – ETSII-UPM

El 19 de noviembre de 2019, el Msc. Julio Rodríguez-Sánchez estuvo presentando en el Máster en Ingeniería Sísmica: dinámica de suelos y estructuras de la UPM un nuevo enfoque para el diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Una estructura subterránea es un elemento estructural que desarrolla algún tipo de interacción estructura-suelo. Por lo tanto, las estructuras subterráneas son mucho más que túneles, estaciones subterráneas, pozos, cavernas y aberturas subterráneas. Un edificio que tiene una parte enterrada puede considerarse una estructura subterránea. La regla de oro en este caso es la siguiente: si se requieren propiedades del suelo más allá de la presión permitida para evaluar el diseño de una estructura, se puede considerar como subterránea.

Los ingenieros geotécnicos y estructurales deben trabajar juntos a fin de lograr un diseño adecuado para una estructura subterránea.

Las estructuras subterráneas son menos vulnerables a los terremotos que las estructuras aéreas. Sin embargo, las consecuencias de su falla son, en general, mucho más significativas especialmente en las zonas urbanas. Además, durante los terremotos, se comportan de manera diferente a las estructuras no subterráneas , ya que las fuerzas de inercia no juegan el papel principal. Las estructuras subterráneas dependen estrictamente de los desplazamientos del suelo durante los terremotos: oscilan aproximadamente con el desplazamiento sísmico («los terremotos ponen la música y las estructuras subterráneas siguen el baile»). En general, la dinámica del suelo gobierna el diseño, pero la estructura juega un papel importante que debe estudiarse cuidadosamente. Las estructuras subterráneas son a menudo de vital importancia e imposibles de reparar o desmantelar. Por lo tanto, su diseño debe ser muy confiable.

El comportamiento sísmico de las estructuras subterráneas se aproxima primordialmente mediante fuerzas (force-based methods) o mediante desplazamientos (dispalcement-based methods), que dependen de las condiciones del suelo y de la fuerza sísmica. Los procedimientos de diseño más simplificados se basan principalmente en un parámetro característico de la excitación sísmica: aceleración, desplazamiento, etc. Esto ignora aspectos muy importantes del terremoto, como por ejemplo la duración. Las leyes de fuerzas o desplazamientos simplificadas solo son válidas para geometrías simples, como formas circulares o en forma de caja. Por lo tanto, los métodos de diseño simplificados no tienen en cuenta las propiedades variables en el tiempo de los terremotos y los sistemas mecánicos durante la excitación sísmica: pseudostatic analysis.

¿Cuándo usar los métodos de diseño aproximado? Los procedimientos de diseño simplificado deben usarse con precaución cuando se cumplen las hipótesis adoptadas. Existe evidencia empírica de que no son adecuados para grandes terremotos y una geometría estructural compleja (Geraili Mikola y Sitar, 2013; Tsinidisand Pitilakis, 2015).

En la Figura 2 se presenta el esquema que resume un nuevo enfoque con la actualización de las metodologías de diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Figura 2. Metodología actualizada para el diseño sísmico de estructuras subterráneas. Fuente: Rodríguez-Sánchez (2019).

El método propuesto consiste en los siguientes pasos:

  • Determinación de la fuerza sísmica
  • Desarrollo de un modelo geotécnico para simulación numérica.
  • Deconvolution of spectrally-matched acceleration time series to the target spectrum.
  • Simulación de la propagación de ondas e interacción estructura-suelo

Se pueden consultar más detalle sobre cada uno de los pasos en Rodríguez-Sánchez (2019).

Este enfoque metodológico fue implementado en el diseño sísmico de la Estación Gambetta en la línea L4 del Metro de Lima. El diseño de la estación Gambetta es el más problemático para la línea L4 del Metro de Lima. Los suelos no son tan buenos (aunque Lima tiene un suelo extremadamente bueno, en general), el nivel freático es alto. Por tanto, la estación requiere desagüe. La fuerza sísmica es elevada debido a la ubicación de la estación, muy cerca de la costa. Con la implementación de la metodología previa para el diseño se logran ahorros de alrededor del 20% en costos de materiales con respecto al diseño basado en métodos simplificados.

En conclusión, el diseño sísmico de estructuras subterráneas es un problema muy importante en la ingeniería hoy en día. Los métodos de diseños aproximados se basan principalmente en simplificaciones, que en la mayoría de los casos no son aplicables. Por esto, resulta relevante destacar la existencia de procedimientos más sofisticados para emprender el diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Referencias

Rodríguez-Sánchez, J. (2019). “A new approach to seismic design of underground structures” [Diapositivas de Power Point].

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