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 - Benitez Montaño, Cristhian Daniel. (Maestría en Ingeniería Civil, 2021)
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.

In the field of geotechnical design, the concept of redundancy has been presented as an alternative to reduce uncertainty and avoid the failure of structures due to human error. Accordingly, the need has arisen to generate more sophisticated systems in which the development of designs better represents the engineering challenges that arise. In response to this need, the finite element method (FEM) has become very popular because it allows the analysis and design of structures. Among the different challenges that arise in civil engineering are the analysis of soil-structure interaction, which is a problem that needs to be investigated and innovated. This problem currently involves, among many other professionals, the structural engineer and the geotechnical engineer, who are in charge of structural calculation and geotechnical design, respectively. In the soil-structure interaction mechanism, the influence of the structure on the soil and vice versa is recognized. Therefore, it is possible to identify the possible problems and the respective solutions. However, it is valid to clarify that the numerical methodologies used by both areas in the analyses are different and do not emulate a true soil-structure interaction condition. In accordance with the above, this work develops a transition element that allows the modeling and analysis of soil-structure interaction in static condition, in 3 dimensions, with the finite element method to model the soil and, simultaneously, the use of matrix analysis to simulate the structure. The case study taken corresponds to a square column (0.5 x 0.5m) of 3m high connected to a concrete footing through the transition element, finally, the footing is supported on the same homogeneous soil. Three forces (Fx, Fy, Fz) and three moments (Mx, My, Mz) are applied at the top of the column. For the case study described, four different models were considered, in which the characteristics of the column and the soil were maintained. As variables, the forces and moments, the transition element and, finally, the dimension of the mesh representing the soil and the footing were handled. Additionally, in order to corroborate the results obtained with the designed transition element, a model composed of a finite element mesh was made in which the column, foundation and soil system were considered. The results of the analysis showed that, although the results are not the same, the values obtained are in the same order of magnitude. According to the results obtained, it can be concluded that the dimensioned transition element allows the modeling and analysis of soil-structure interaction, with the finite element method to model the soil and, simultaneously, the use of matrix analysis for the simulation of the structure. Similarly, the methodology presented for dimensioning the transition element between the column and the soil allows for compatibility between the matrix analysis of structures and the finite element method. The dimensioned transition element allows estimating the deformations and rotations resulting from the interaction of the structure with the soil. This research is framed within the Foundations research line of the Geotechnical Research Group of the Civil Engineering Program of the Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito.
Keywords: Estructuras; Elementos finitos; Estructuras; Elementos finitos; Interacción suelo; Elementos de transición; Modelación; Structures; Soil interaction; Transition elements; Modeling; Finite elements