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Diseño de un Elemento de Transición para la Modelación y Análisis de Interacción Suelo-Estructura en Condición Estática, en 3 Dimensiones y con el Método de Elementos Finitos

En el campo del diseño geotécnico se ha presentado el concepto de redundancia como una alternativa para disminuir la incertidumbre y evitar la falla de estructuras por errores humanos. De acuerdo con esto, ha surgido la necesidad de generar sistemas más sofisticados en los que el desarrollo de los diseños represente de una mejor manera los retos ingenieriles que se presentan. Como respuesta a esta necesidad el método de los elementos finitos (MEF) ha tomado un gran auge debido a que permite el análisis y diseño de las estructuras. Dentro de los diferentes retos que se presentan en la ingeniería civil se encuentran los análisis de interacción suelo – estructura siendo esta una problemática necesaria de investigar e innovar. En esta problemática actualmente se encuentran involucrados entre muchos otros profesionales, el ingeniero estructural y el ingeniero geotecnista, quienes se encargan del cálculo estructural y el diseño geotécnico respectivamente. En el mecanismo de interacción suelo – estructura se reconoce la influencia de la estructura en el suelo y viceversa. Por lo anterior, se permite identificar los posibles problemáticas y las respectivas soluciones. Sin embargo, es válido aclarar que las metodologías numéricas utilizadas por ambas áreas en los análisis son diferentes y no emulan una verdadera condición de interacción suelo – estructura. De acuerdo con lo anterior, en este trabajo se desarrolla un elemento de transición que permita la modelación y análisis de interacción suelo-estructura en condición estática, en 3 dimensiones, con el método de los elementos finitos para modelar el suelo y, en forma simultánea, el uso del análisis matricial para simulación de la estructura. El caso de estudio que se tomó corresponde a una columna cuadrada (0.5 x 0.5m) de 3m de alto conectada a una zapata en concreto a través del elemento de transición, por último, la zapata se soporta sobre un mismo suelo homogéneo. En la parte superior de la columna se aplican tres fuerzas (Fx, Fy, Fz) y tres momentos (Mx, My, Mz). Para el caso de estudio descrito se contemplaron cuatro diferentes modelos, en los cuales se mantuvieron las características de la columna y el suelo. Como variables, se manejaron las fuerzas y momentos, el elemento de transición y, por último, la dimensión de la malla que representa el suelo y la zapata. Adicionalmente, con el fin de corroborar los resultados obtenidos con el elemento de transición diseñado, se realizó un modelo compuesto por una malla de elementos finitos en el cual se contemplo el sistema de columna, cimentación y suelo. Los resultados del análisis mostraron que, aunque los resultados no son los mismos, los valores obtenidos están en el mismo orden de magnitud. De acuerdo con los resultados obtenidos, se puede concluir que el elemento de transición dimensionado permite la modelación y análisis de interacción suelo–estructura, con el método de los elementos finitos para modelar el suelo y, en forma simultánea, el uso del análisis matricial para la simulación de la estructura. De igual manera, la metodología presentada para dimensionar el elemento de transición entre la columna y el suelo permite una compatibilidad entre el análisis matricial de estructuras y el método de los elementos finitos. El elemento de transición dimensionado permite estimar las deformaciones y rotaciones resultantes de la interacción de la estructura con el suelo. Esta investigación está enmarcada en la línea de investigación Fundaciones del Grupo de Investigación en Geotecnia del Programa de Ingeniería Civil de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito.