Introduccion a La Dinámica de Suelos

8/16/2019 Introduccion a La Dinámica de Suelos

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Introducción a la dinámica

de suelosUniversidad de Antioquia

Escuela AmbientalIngeniería Civil



Introducción

La naturaleza y distribución de los dañosobservados durante un sismo están fuertementeinuenciados !or la res!uesta de los suelos a laacción de cargas cíclicas"

La naturaleza de los suelos #ace que el estudio desu com!ortamiento dinámico sea más com!le$o que!ara una estructura en concreto% acero%

mam!ostería o madera"



Particularidades de losproblemas de dinámica de suelos

E&isten muc#as situaciones en las cuales un suelo!uede verse sometido a la acción de cargasdinámicas 'cíclicas o acíclicas(" )ebido a lacom!le$idad de estos !roblemas% no es !osible

establecer una $erarquía en la cual #aya unasituación más o menos im!ortante qu* otra" A+nasí% es !osible de,nir algunas características !aradiferencias entre una carga estática y una dinámicaen una masa de suelo"



Particularidades de losproblemas de dinámica de suelos

Diferencias entre condiciones de cargadinámica y estática

Algunas variables de los suelos como la relación devacíos% el esfuerzo de con,namiento% la #umedad%

la #istoria de esfuerzos% los niveles de deformaciónunitaria y #asta la tem!eratura son im!ortantestanto en el análisis estático como en el dinámico delmismo" -in embargo% estas variables no !ermitendistinguir entre las condiciones de suelo sometido acarga estática o dinámica"

.or eso es necesario tener en cuenta dos variablesmás/ la velocidad de a!licación de la carga y los

efectos de re!etición de la carga"



Diferencias entre condiciones decarga estática y dinámica en el suelo

Velocidad de aplicación de la cargaLa tasa a la que aumenta una carga en una masade suelo !ermite diferenciar entre una cargadinámica y una estática% al igual de cómo sucede en

una estructura" Una carga !odría considerarseestática si su tiem!o de a!licación es mayor a 01 s'Is#i#ara% 2113("

Efecto de repetición de la carga)e!endiendo de la frecuencia de a!licación de lacarga% *sta !uede ser clasi,cada como im!ulso%vibración u onda sísmica y cargas móviles o deondas de agua"




CargaDuración

[s]Ejemplo

Nmero derepeticiones

Im!ulso oim!acto

0143 a 0142 5áquinasvibratorias

0 o 2 re!eticiones

6ibracionesy sismos

1"12 a0"11

7erremotos%#incado de

!ilotes

01 a 21 re!eticionesy 011 a 0111re!eticiones

5óviles e

#idrodinámicas 1"0 a 011

7renes%

ve#ículos

0111 a 01111

re!eticiones



!ango de las deformacionesunitarias

El com!ortamiento general 'estático o dinámico( enuna masa de suelo está controlado !or lasdeformaciones unitarias cortantes !resentes en elmismo" -in embargo% su res!uesta 'elástica% elasto4

!lástica e inelástica( frente a cargas e&ternas'dinámicas y estáticas( de!ende absolutamente dela deformación unitaria cortante en la masa desuelo"

El efecto de la dilatancia suele ser im!ortante !aradeformaciones unitarias entre 0148 y 0143 a!ro&imadamente% las cuales !ueden ocurrir enalgunos casos !or efectos dinámicos" La dilatancia

!uede ocasionar degradación en la rigidez en




Carga

[mm"mm]!espuesta Constantes

6ibracionesy sismos9

014: a 0148 Elástica ;% ν% ψ

;rietas yasentamient

os0148 a 0142 Elasto4!lástica ;% ν% ψ

)eslizamientos%

com!actación o

licuaciones

0142 a 011 Inelástica C% φ9 )e!endiendo de la magnitud y !rofundidad delsismo es !osible que se !roduzcan des!lazamientos!ermanentes en el suelo"



Propiedades dinámicas delsuelo

La conformación !articular del suelo #ace que estematerial !resenta marcadas características de nolinealidad en su com!ortamiento esfuerzo4deformación a+n !ara niveles muy ba$os de

esfuerzos o deformaciones"




Ensayos para determinar las propiedadesdinámicas del suelo

Columna resonante

Es el ensayo de laboratorio más com+n !ara

determinar el com!ortamiento esfuerzo4deformación en el suelo a niveles de ba$asdeformaciones" En este ensayo un es!*cimen desuelo macizo o #ueco se su$eta a carga armónicatorsional o a&ial mediante sistemas de cargaelectromagn*ticos" Los sistemas de cargausualmente a!lican cargas armónicas en unafrecuencia y am!litud que !uede ser controlada%aunque se !ueden a!licar cargas de ruido blanco y

cargas im!ulsivas"





Columna resonante





Columna resonante

Este ensayo !ermite obtener 6s% ; y el

amortiguamiento bien sea mediante el m*todo delsemi4anc#o de banda o de decremento logarítmico"

I/ momento !olar de masa del cilindro

I0/ momento !olar de masa en la !arte su!erior del

cilindro

#/ altura del cilindro

0

tann n

S S

I h h

V V I

ω ω = ÷





#ria$ial c%clico

Es un ensayo de laboratorio usado !ara la medición

de !ro!iedades dinámicas del suelo !ara altosniveles de deformación" En este ensayo se em!leaun es!*cimen cilíndrico ubicado entre dos !latinasubicadas arriba y deba$o de la muestra% y rodeadode una membrana delgada de goma" El es!*cimenes cargado con esfuerzos radiales% usualmente deforma neumática% y a esfuerzos a&iales" En virtudde la forma en que es cargado el suelo% siem!redará esfuerzos !rinci!ales"





#ria$ial c%clico





Cortante torsional c%clico

5uc#as de las di,cultades asociadas con los

ensayos tria&iales y de corte directo cíclico se!ueden evitar mediante este ensayo" Es un ensayoque !ermite tambi*n alcanzar altas deformaciones"

Cuando se ensayan es!ecímenes sólidos !roducenun !er,l de deformaciones unitarias cortantes quevan desde cero en el e$e del cilindro #asta sumá&imo valor en la su!er,cie e&terna del cilindro"Algunos autores ')rnevic#% 0=:>% 0=>2( #an!ro!uesto el uso de cilindros #uecos% con lo cual se





Cortante torsional c%clico




&ódulo de cortante yamortiguamiento

En una curva realesfuerzo4deformación

describirá en generalmínimo un ciclo de#ist*resis" )e este ciclointeresan doscaracterísticas

!rinci!almente/ suinclinación y su anc#o" Lainclinación estarelacionada con la rigidez

del suelo% en tanto que el




&ódulo de cortante)ebido al com!ortamiento esfuerzo4deformación enel suelo es necesario de,nir dos módulos decortante/ una llamado módulo de cortante tangente

y otro llamado módulo de cortante secante

En general el módulo decortante está relacionadocon la inclinación del lazo

de #ist*resis y !or lo tantocon la rigidez del suelo

sec

c

c

G τ

γ =




&ódulo de cortanteA medida que el suelo es sometido a ciclos de cargael módulo de rigidez va disminuyendo con elaumento de la am!litud del ciclo" El lugar

geom*trico de los !icos o !untas de los sucesivosciclos de #ist*resis en el suelo es llamado curvaesqueleto 'backbone or skeleton curve(" La!endiente de esta en el origen re!resenta el mayorvalor de ; ';má&( que !odría tener el suelo"

El módulo má&imo de cortante ;má& !ermitede,nir la curva de reducción del módulo"




&ódulo de cortanteLa curva de reducción del módulo !resenta lamisma información que la curva esqueletal% aunqueen una forma más clara" La curva de reducción de

módulo muestra cómo varía la relación ;sec?;má&con la deformación"




&ódulo de cortante




&ódulo de cortanteEl módulo má&imo de cortante !uede ser estimadoa !artir de correlaciones em!íricas/

'uelos co(esi)os*

( ) ( ) ( )2

1/22.9714760 '

1

a

máx m

eOCRG

e σ

−=

+




&ódulo de cortante'uelos co(esi)os*

!ara deformaciones !equeñas entre 014: y 014@

'uelos granulares*

.ara suelos arenosos/

( )1/2

21000 'máx mG K σ =




&ódulo de cortante




&ódulo de cortanteA medida que aumenta la am!litud o los ciclos decarga% la rigidez del suelo se va degradando cadavez más"




+mortiguamiento 7al como se e&!licó antes% la am!litud de los lazos#ister*ricos en una curva esfuerzo4deformación esun indicativo de la ca!acidad de amortiguamiento

que tiene el suelo" Entre mayor es la deformaciónunitaria en el suelo% mayor ca!acidad de disi!arenergía tendrá"

Como se sabe de resistencia de materiales% el áreaba$o la curva esfuerzo4deformación da la densidadde energía de deformación 'esto es% la energía dedeformación !or unidad de volumen(




+mortiguamientoLa densidad de energía de deformación no de!endede la geometría del elemento en cuestión"




+mortiguamientoA!licando el conce!to de densidad de energía dedeformación% se de,ne como el factor de !*rdidas'loss factor ( como/

)onde/

/ módulo de resiliencia del material 'calculado con

;má&(

,ξ




+mortiguamientoLa energía !erdida en un sistema viscoso es!ro!orcional al cuadrado de la am!litud má&ima delmovimiento en tanto que la energía ganada !or el

sistema su$eto a una carga armónica es!ro!orcional linealmente a la am!litud delmovimiento"




+mortiguamientoEl lazo de #ist*resis asociado con el amortiguamientoviscoso es el resultado de la histéresis dinámica% ya queesta relacionado con la naturaleza dinámica de la carga"El área del lazo es !ro!orcional a la frecuencia de

e&citación% lo que im!lica que la curva de fuerza4deformación se convierte en una curva de un solo valor'sin lazo de #ist*resis( si la carga cíclica se a!lica enforma su,cientemente lenta 'ω B 1(" Una característicadistintiva de la #ist*resis dinámica es que los lazos de#ist*resis suelen tener una forma elí!tica en lugar deuna forma !untiaguda% como los que están asociadoscon deformaciones !lásticas" En este ultimo caso% loslazos de #ist*resis se desarrollan incluso ba$o cargas

cíclicas estáticas !or lo tanto% este fenómeno se conocecomo histéresis estática !orque la curva de fuerza4




+mortiguamiento




+mortiguamientoAdemás% cabe mencionar dos medidas delamortiguamiento/ la ca!acidad es!eci,ca deamortiguamiento y el factor es!eci,co de

amortiguamiento"La ca!acidad es!eci,ca de amortiguamiento%ψ BE)?E-o% es la !arte fraccionaria de la energía de

deformación% que se disi!a durante cada ciclo demovimiento"




+mortiguamiento

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