COMPORTAMIENTO DE PILAS RÍGIDAS Y FLEXIBLES SOMETIDAS A LATERAL SPREADING INDUCIDO POR LICUACIÓN DE SUELOS

Los casos históricos de terremotos han demostrado que las cimentaciones con pilas sufren daños severos debido al lateral spreading inducido por la licuación del suelo. Tal daño se observó en terremotos fuertes en el pasado (Hamada, 1992; Sugimura et al. 2004; Haskell et al. 2013). Como consecuencia, el comportamiento de las pilas sujetas a lateral spreading sigue siendo un tema de gran interés para la investigación. Una visión más profunda de la respuesta de los cimientos de pilas al lateral spreading promete mejorar las metodologías de diseño actuales y evitar fallas catastróficas durante futuros terremotos, sin embargo, la respuesta de la cimentación de pilas al lateral spreading es un problema complicado de interacción suelo-estructura (Su et al. 2016).

Las cimentaciones profundas pueden estar expuestas a grandes presiones laterales del suelo, incluidas presiones especialmente pasivas de la capa de suelo superficial no licuado que se desplaza sobre el suelo licuado (lateral spreading). En algunos casos, este suelo ha fallado antes que la cimentación con un esfuerzo de flexión insignificante y una deformación muy pequeña en la cabeza de la cimentación y la superestructura, mientras que en otros la cimentación ha fallado primero por flexión y/o han experimentado una deformación permanente excesiva y rotación en la cabeza de las pilas.

El examen y análisis de historias de casos ha revelado aspectos importantes del fenómeno de lateral spreading y ha resaltado su complejidad. Es esencialmente un proceso de interacción cinemática suelo-estructura que involucra grandes deformaciones permanentes del suelo y la cimentación, con la cimentación profunda y la superestructura respondiendo pseudo estáticamente al desplazamiento lateral permanente del suelo. Mientras que en algunos casos la parte superior de la cimentación se desplaza lateralmente una distancia similar a la del campo libre (pilas flexibles), en otros se mueve mucho menos debido al efecto restrictivo de la superestructura, o de la rigidez lateral de la cimentación profunda (pilas rígidas o inclusiones rígidas), incluidos los grupos de pilas y los pilotes inclinados (Abdoun y Dobry, 2002).

Hamada (1992) resume el efecto destructivo del lateral spreading en dos puentes durante el terremoto de Niigata de 1964 en Japón. En el Puente Yachiyo las cimentaciones fueron pilas de concreto armado de 30 cm de diámetro y una longitud de unos 10 m. Las del puente, que fueron extraídos y examinados después del sismo, fueron destruidos a una profundidad de 8 m, en el fondo de la capa licuable. Este daño fue causado claramente por lateral spreading, el terreno se desplazó de 2 a 5 m de campo libre hacia el río, lo que empujó las pilas hacia el río mientras que la parte superior de los pilares estaba restringida debido a la resistencia de las vigas. La diferencia entre la deformación de la cimentación (∼1 m) y la deformación en campo libre (2–5 m) se explica por la rigidez de la cimentación y la superestructura.

Durante el mismo terremoto, el colapso del puente Showa también fue causado por licuación y lateral spreading hacia el río. Cinco vigas simplemente apoyadas cayeron al agua. Las pilas se construyeron hincando tubos de acero que tenían una flexibilidad considerable en la dirección del eje longitudinal del puente. Una de las pilas de acero que se extrajo después del terremoto estaba doblada hacia el centro del río a una profundidad de unos 7 u 8 m por debajo del lecho del río, es decir, probablemente cerca del fondo de la capa licuable. El desplazamiento del terreno superficial medido en la orilla del río fue de unos 5 m. En este caso ambos tipos de pilas (rígidas y flexibles) fallaron por deflexión y desplazamientos laterales.

Los ejemplos anteriores de los terremotos de Niigata muestran claramente que las ubicaciones críticas en la respuesta de corte y flexión de los cimientos profundos al lateral spreading son la cabeza del cimiento y la parte inferior de la capa licuada. Otros ejemplos indican que cuando una capa no licuable se superpone a la capa licuada, un tercer punto crítico es la parte superior de la capa licuada (Abdoun y Dobry, 2002).

Por su parte, Youd (1993) hizo un registro de los daños en pilas de puentes por lateral spreading durante terremotos durante 1868 a 1991 (Tabla 1), cabe resaltar que el fenómeno de licuación en suelos no fue definido hasta el terremoto de Niigata de 1964 en Japón. De este estudio Youd concluyó que las fuerzas de compresión generadas por el lateral spreading del suelo generalmente causan una de las siguientes reacciones:

Tabla 1 Registro de daños en puentes hecho por Youd (1993)

A pesar de que el fenómeno de lateral spreading ya se ha registrado, en sismos recientes aún aparecen problemas asociados al lateral spreading en pilas. Por ejemplo, durante el terremoto en Chile en 2010 el puente Mataquito se desplazó lateralmente 180 cm en una distancia de aproximadamente 65 m en su estribo noreste, lo que provocó grandes agrietamientos en el puente y su inutilización (Bray et al. 2014).

Por su parte, durante el terremoto en Japón hubo daños en las cimentaciones de pilas en amplias áreas en las prefecturas de Miyagi y Chiba a través de la deformación del suelo inducida por lateral spreading. Tal daño a las pilas, que se ha observado comúnmente en terremotos importantes anteriores y resultó en la inclinación de la estructura del edificio a pesar de que las superestructuras permanecieron prácticamente intactas. Se requirió la reparación de los cimientos de pilas y un levantamiento cuidadoso para restaurar los edificios.

Además, los daños en las pilas se produjeron principalmente en pilas prefabricados de concreto que se sabe que tienen características de deformación no dúctil (cimentaciones rígidas), y el suelo en el que se observaron los daños estaba formado por arcillas muy blandas, una capa licuable y/o estratos no homogéneos en la mayoría de los casos. Estas condiciones indican que se deben considerar los efectos significativos del comportamiento no lineal de las y los materiales del suelo al simular el proceso de falla de la pila (Susumu et al. 2018).

Las pilas representan un medio eficiente para resistir las cargas verticales que actúan hacia abajo, como las inducidas por la gravedad. Sin embargo, su relativa baja resistencia a la flexión reduce su capacidad para resistir cargas laterales, especialmente en pilas rígidas o inclusiones rígidas, la selección de pilas flexibles o inclusiones flexibles (como pilas/columnas de grava) podrían tener un mejor comportamiento en suelos licuables y propensos a lateral spreadig.

Las pilas pueden estar sujetos a varios tipos de cargas laterales, de acuerdo con Horne y Kramer (1998) Si la carga se aplica lentamente de modo que los efectos de la inercia sean insignificantes, entonces la carga puede considerarse estática. Alternativamente, las siguientes secciones analizan dos formas en las que las cargas laterales estáticas y dinámicas pueden aplicarse a la longitud de la pila desde la superestructura o como cargas distribuidas a lo largo de la longitud de la pila por el movimiento del suelo circundante.

Las pilas se diseñan comúnmente para resistir cargas laterales estáticas. Estas pueden ser cargas estáticas reales a largo plazo o cargas de diseño cuasi estáticas que representan el efecto dinámico del viento o eventos sísmicos en un procedimiento de fuerza lateral simplificado (ICBO, 1994). La Figura 2 muestra un perfil de desplazamiento idealizado de una pila sometida a una carga lateral estática en su cabeza. El desplazamiento es mayor en la cabeza de la pila y se atenúa rápidamente con la profundidad. Además, el signo del desplazamiento varía con la profundidad. Para suelos linealmente estáticos, el perfil de desplazamiento puede ser descrito por una función armónica que decae espontáneamente. En los suelos reales, se produce una fluencia significativa cerca del contacto pila-suelo, pero el perfil de desplazamiento es cualitativamente similar (O'Neill y Murchison, 1983).

La carga estática también se puede aplicar a una pila por el movimiento del suelo circundante. Si una pila no tuviera rigidez a la flexión, entonces se ajustaría exactamente al movimiento de campo libre del suelo. Alternativamente, si la pila fuera rígida (rigidez a la flexión en infinitivo), se trasladaría y/o rotaría, pero no desarrollaría curvatura en respuesta al movimiento de campo libre. Las pilas reales están en algún lugar entre estos dos extremos. La Figura 3 muestra la forma desplazada de una pila con rigidez finita sujeto a un movimiento de campo libre arbitrario. Obviamente, la forma desplazada de una pila depende de su rigidez en relación con la del suelo circundante, lo que produce un problema estático de interacción suelo-estructura.

Ciertas clases de pilas deben diseñarse para resistir cargas de naturaleza dinámica. Esto puede incluir pilas que soportan maquinaria vibratoria y pilas sujetas a deformaciones dinámicas generales del suelo. El patrón de desplazamiento de las pilas excitadas dinámicamente es cualitativamente similar al producido por la carga estática. Sin embargo, la carga dinámica genera fuerzas de inercia y de amortiguamiento que pueden tener un efecto significativo en la respuesta de la pila. Es conveniente separar la interacción dinámica pila-suelo en dos componentes: el campo cercano y el campo lejano.

El campo cercano consiste en la región de suelo adyacente a la pila que se deforma inelásticamente a medida que la pila se mueve lateralmente. Bajo carga dinámica, el campo cercano disipa energía en gran medida a través de un comportamiento histerético. El movimiento del suelo dentro del campo cercano está influenciado por el movimiento de la pila y, en consecuencia, imparte fuerzas de inercia sobre la pila.

El campo lejano consiste en la región del suelo más allá de la influencia de corte de la deformación de la pila. Cuando una pila vibra, emite energía ondulatoria acústica que se propaga radialmente y no regresa a la pila. El campo lejano representa este tipo de disipación de energía en lo que se conoce como amortiguamiento de radiación, el cual, es un fenómeno geométrico dependiente de la frecuencia.

La influencia de las condiciones locales del suelo sobre la naturaleza del daño sísmico ha sido reconocida durante muchos años; más recientemente, los ingenieros geotécnicos han trabajado en el desarrollo de métodos cuantitativos para predecir la influencia de las condiciones locales del suelo sobre los fuertes movimientos del suelo. A lo largo de los años, se han desarrollado varias técnicas para el análisis de la respuesta del suelo. Las técnicas a menudo se agrupan de acuerdo con la dimensión de los problemas que pueden abordar, aunque muchas de las técnicas bidimensionales y tridimensionales son extensiones relativamente sencillas de las correspondientes técnicas unidimensionales como el desarrollado por Horne y Kramer (1998).

Aunque los códigos multidimensionales parecen atractivos en términos de representar con precisión la geometría del sitio, conllevan la molesta carga de aumentar el tiempo de definición del modelo, el espacio de almacenamiento de la computadora y el tiempo de ejecución. Más importante aún, un código multidimensional requiere un modelo constitutivo definido de manera similar. Para materiales de ingeniería bien conocidos, puede ser posible determinar los parámetros necesarios para modelos constitutivos multidimensionales. Los depósitos de suelo, sin embargo, son en gran parte desconocidos. La enorme tarea de estimar el modelo constitutivo arroja serias dudas sobre la legitimidad de las predicciones basadas en dichos códigos. Aunque muchos de los parámetros tienen poca importancia física aparente, la respuesta puede ser muy sensible a sus valores.