Introducción
A continuación, se mostrarán las posibilidades de simular la interacción entre el viento, los terremotos y la interacción suelo-estructura utilizando como ejemplo un rascacielos.
Descripción del modelo
En este artículo técnico se considera un rascacielos ficticio de 20 pisos con una forma estructural retorcida. Las losas de los pisos, las columnas y el núcleo de rigidización están hechos de hormigón armado. Las superficies exteriores están recubiertas de vidrio. El suelo con estratificación desigual se considera a través de perfiles de perforación. Este consiste, desde la parte superior del terreno, en arena, gravas y roca desgastada en la parte inferior de la sección del terreno considerada.
Las cargas consideradas fueron peso propio, cargas útiles en las losas de los pisos de 2 kN/m², cargas de viento en una dirección desde RWIND 3 y cargas sísmicas a partir del método del espectro de respuesta.
El modelo se puede descargar en el siguiente enlace.
Interacción suelo-estructura
El terreno se simula en este ejemplo mediante el método del módulo de rigidez. A partir de los tres perfiles de perforación introducidos, esto da lugar a una rigidez en cada elemento de la losa que corresponde a la reacción del suelo al estrés de fundación aplicado.
En este punto, la influencia del suelo considerado se nota primero en el tamaño del archivo y, por lo tanto, también en el rendimiento. La parte más significativa aquí es el cálculo del terreno mediante un modelo bidimensional en comparación con su cálculo como un cuerpo volumétrico 3D. Sin embargo, la consideración de la estratificación del suelo directamente a partir de los perfiles de perforación, sin generar cuerpos volumétricos, reduce aún más los requisitos de almacenamiento del modelo y mejora el rendimiento.
Más información sobre la entrada y las opciones disponibles está disponible en el manual en línea en el siguiente enlace:
En la imagen siguiente, se comparan los asientos debajo del peso propio (arriba) con los correspondientes a la combinación característica de carga con carga útil (medio) y la influencia acompañante del viento (abajo). Se puede observar cómo se produce un asentamiento más fuerte bajo el núcleo de hormigón armado del edificio, que se disminuye hacia el borde exterior de la placa de cimentación. Comparando los asientos resultantes de la combinación con viento (abajo) con el asentamiento sin ella (medio), la carga de viento en dirección x positiva lleva, como se esperaba, a un asentamiento reducido en el lado izquierdo y a un asentamiento aumentado en el lado derecho.
Por otro lado, al comparar los coeficientes de cimentación elástica, se muestra que ambas combinaciones características de carga no difieren. Esto se debe a que se importaron automáticamente a través del asistente de combinaciones desde la combinación de dimensionamiento cuasi-permanente correspondiente. Esto no solo ahorra tiempo de cálculo, sino que también debería reflejar mejor el comportamiento del suelo debido a la reacción retardada del mismo. Más información sobre la adopción de la cimentación elástica se puede encontrar en el siguiente enlace del manual.
Simulación de viento
La siguiente animación muestra los resultados de la simulación de viento de RWIND. Como se puede ver aquí, la estructura es impactada en dirección X.
La carga de viento torsional resultante de la forma estructural retorcida también lleva a una torsión del rascacielos alrededor de su eje vertical. Esto se muestra en la siguiente imagen en la combinación característica de carga con carga dominante de viento (arriba en vista isométrica y abajo en vista de planta).
Terremoto
Dado que el análisis modal, como base para el dimensionamiento sísmico mediante el método del espectro de respuesta, no considera no linealidades, se debe prestar especial atención al soporte planteado en el caso considerado. El suelo no puede soportar fuerzas de tracción normalmente. Esto es especialmente cierto en una cimentación superficial, como la prevista aquí. Este comportamiento también se representa mediante el método del módulo de rigidez. Los resultados del análisis modal se representan como ejemplo en la siguiente imagen para el primer modo de vibración propio.
Existen diferentes enfoques para un dimensionamiento sísmico simplificado. El anexo nacional alemán del Eurocódigo 8, por ejemplo, se refiere a la comparación de la relación entre la carga de viento y la carga sísmica. Si la carga de viento es más de 1,5 veces mayor que la carga sísmica, se puede prescindir de un enfoque separado. En este ejemplo, esto se puede determinar a partir de la suma de las fuerzas de apoyo de la combinación característica de carga 9 (peso propio y viento en X) y de la aceleración en dirección X derivada del espectro de respuesta del primer modo propio. Sin embargo, la relación resultante es mayor, como se muestra en la siguiente ecuación. Sin embargo, el uso de este límite para un rascacielos de 70 m sería cuestionable en cualquier caso.
La ASCE 7 proporciona un buen valor de referencia para el período fundamental admisible. Según la fórmula 12.8-8, para este ejemplo resulta un período fundamental admisible de 2,13 s. Sin embargo, dado que el primer período propio determinado mediante análisis modal es de 2,24 s, tampoco es posible aquí una verificación simplificada.
No obstante, se consideró aquí un caso de carga simplificado, que simplifica la aceleración horizontal del primer modo de forma propia en cada punto de masa como un factor de aceleración sísmica. Además, se considera el valor del plateau de 1,67 m/s². Sería más correcto considerar el modelo de forma propia en lugar de uniformemente en cada punto de masa. Sin embargo, esta consideración simplificada proporciona la oportunidad de verificar las tensiones de fundación resultantes y prevenir una separación. Las configuraciones del caso de carga y la presión de contacto resultante se muestran en las siguientes imágenes.
Como se puede ver aquí, solo al considerar la aceleración del plateau ocurre una separación en la base de la cimentación. Por lo tanto, la cimentación superficial fallaría bajo una carga de peso propio y solicitación horizontal debido a un terremoto.