Dynamic response of tall buildings with basement considering soil-structure interaction
Authors:   , Pinto Vega Francisco 
Published: October 2023

La construcción de edificios altos ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años, creando nuevos desafíos en la ingeniería sísmica, estructural y geotécnica. Estudios previos y las pautas de diseño sísmico existentes han sugerido que la hipótesis actual de base fija, que omite el suelo alrededor de la base de la estructura, limita una evaluación precisa del comportamiento dinámico de los edificios altos con sótanos. Los edificios construidos en Santiago, Concepción y Viña del Mar (Chile), por ejemplo, son cada vez más altos y tienen más sótanos que antes. Las cargas y dimensiones involucradas hacen que porciones más grandes del volumen de suelo alrededor de la estructura participen en la respuesta dinámica del sistema. La interacción dinámica suelo-estructura (DSSI) puede modificar la respuesta sísmica de estos edificios altos y la respuesta del suelo alrededor del sistema de fundación. Desafortunadamente, los efectos de DSSI para edificios altos no han sido concluyentes. Por lo tanto, no está claro bajo qué condiciones es necesaria la consideración de DSSI para el diseño de la superestructura, los cimientos y los muros de retención en los subterráneos en contacto con el suelo, y cuándo se puede omitir de manera segura la DSSI. Council on Tall Buildings and Urban Habitat, junto con la UNESCO y el CIB, reconocen esta necesidad e instan a evaluar los supuestos de modelado para el análisis sísmico de edificios altos, incluida la creación de una base de datos de resultados, comparación con los supuestos de diseño actuales y filosofías de estudio, así como determinar los cambios en el comportamiento sísmico de dichas estructuras. La hipótesis central de esta investigación es que las fuerzas y deformaciones internas en la superestructura y la presión lateral del suelo en los muros del sótano se ven considerablemente afectados cuando se consideran los efectos DSSI en edificios altos, con sótanos profundos, en suelos granulares y en el caso de sismos de gran intensidad. Nuestro objetivo principal es caracterizar los efectos de interacción dinámica suelo estructura en edificaciones altas con subterráneos en torno al efecto de variables tales como altura, profundidad de sótano, tipo de suelo, característica del movimiento sísmico. Los objetivos específicos de este proyecto son: (1) desarrollar modelos numéricos de edificios altos, incluyendo DSSI, que permitan la consideración adecuada de, por ejemplo, ondas radiadas desde el edificio al suelo circundante; (2) identificar, a nivel de superestructura, cómo DSSI modifica la respuesta sísmica cuando se compara con las obtenidas usando una condición de base fija, típicamente asumida en el análisis estructural; y (3) evaluar las presiones sísmicas del terreno que actúan sobre los muros del sótano considerando la interacción tanto inercial como cinemática. Se utilizó un enfoque numérico-experimental para abordar el objetivo principal de este estudio. La investigación incluye: (1) el desarrollo de modelos numéricos en 3D de centrifuga geotécnica, (2) la calibración de los modelos numéricos contra los valores medidos en los ensayos de centrifuga geotécnica, (3) análisis paramétricos para un conjunto de alturas de edificaciones con sótanos, diferentes profundidades de subterráneos, suelos granulares y diferentes movimientos sísmicos, y finalmente (4) la identificación de las condiciones que requieren la incorporación de efectos DSSI. Particularmente, se analizaron edificaciones de 20 y 55 pisos, con 2, 4 y 7 niveles de sótano, fundadas en suelos arenosos y grava, típicos de las grandes ciudades de Chile. La investigación combina esfuerzos de la Pontificia Universidad Católica de Chile junto con el equipo geotécnico del Centro de Pruebas de Infraestructura, Energía y Espacio de la Universidad de Colorado, Boulder (EE. UU.), Y la co-orientación y ayuda de dos profesores de la Universidad. de Los Andes, Chile. Los hallazgos muestran cómo los parámetros de respuesta sísmica, tales como derivas entre pisos, demandas estructurales, presiones laterales de la tierra que actúan sobre los muros del sótano y la respuesta estructural general, cambian cuando la DSSI se incorpora correctamente en el análisis sísmico de edificios altos. Por lo tanto, este proyecto tiene el potencial de mejorar los estándares de seguridad, las metodologías y los códigos de diseño sísmico para evaluar adecuadamente el desempeño dinámico de los edificios altos.