Análisis de interacción suelo-estructura: Esfuerzos horizontales aplicados a pilotes en el medio marítimo

Abstract

RESUMEN: La interacción entre suelo y pilotes sometidos a esfuerzos horizontales es crítica en el ámbito marítimo y fluvial. Desde el siglo pasado, las teorías francesas y los sistemas de modelización han progresado en esta materia. Las diferentes complejidades de las leyes de interacción y los modelos de cálculo permiten encontrar un equilibrio entre la exactitud de los resultados y el tiempo dedicado al cálculo. Con el fin de optimizar el proceso de diseño, el presente proyecto tiene como objetivo el análisis cualitativo y cuantitativo de las diferencias entre los diferentes modelos, utilizando una herramienta de preprocesamiento de datos creada a tal efecto y basada en la norma NF P94 - 262 para las leyes de interacción horizontal. Para una geometría constante, de tipo duque de Alba o muelle de pilotes, la metodología seguida consiste en la realización de varios análisis que abordan la influencia de la duración de la carga, la rigidez del suelo y la presencia de una capa de limo en parámetros de diseño como el momento flector, el desplazamiento o el cociente de empuje pasivo movilizable/movilizado. La herramienta de preprocesamiento creada y el software SAP2000 se han empleado para realizar estos análisis en función de tres modelizaciones del suelo diferentes: resortes elastoplásticos, matrices de rigidez o empotramientos equivalentes. Los análisis de la influencia de la rigidez del suelo y del cociente de empuje pasivo permiten predecir la profundidad de empotramiento equivalente para encontrar el mismo momento flector máximo que con un modelo elastoplástico, situado entre 1Ø-1,5Ø, o para el mismo desplazamiento máximo, entre 4Ø-4,5Ø. Una media de estos resultados es el valor 3Ø, clásicamente recomendado, pero nunca debidamente justificado. Los análisis de la duración de la carga o del tipo de suelo (cohesivo/granular) muestran una variación de estos valores de hasta el 10% para el momento máximo o el desplazamiento nulo. Las diferencias pueden ser superiores para el desplazamiento máximo, muy condicionado por la rigidez y el cociente de empuje pasivo. La presencia de una capa de limo superficial de escasa rigidez, caso frecuente en zonas sumergidas, aumentará la profundidad de empotramiento entre 1/3 y 2/3 de su espesor. Asimismo, el estudio muestra el interés en priorizar el uso de matrices de rigidez y no empotramientos para la creación de modelos de muelles de pilotes, garantizando un error inferior al 10% en el cálculo del momento flector.

ABSTRACT: The soil-pile interaction under horizontal loads is critical in the maritime and fluvial field. Over the last century, French theories and modelling tools have progressed on this matter. The different complexities of the interaction laws and calculation models allow to find the balance between the accuracy of the results and the time dedicated to the calculation. In order to optimise the design process, the current project is focused on the qualitative and quantitative analysis of the deviations of the different models, using a data pre-processing tool developed for this purpose and based on the norm NF P94 -262 for lateral interaction laws. For a constant geometry, such as a dolphin or pile dock, the methodology adopted on sists in carrying out several analyses that deal with the influence of the loading duration, the soil stiffness and the presence of muddy silt on the design parameters such as the bending moment, the displacement or the passive earth pressure ratio. The pre-processing tool and the SAP2000 software are used to carry out these analyses according to different modelling of the terrain: springs with elastoplastic laws, linear laws defined by a stiffness matrix or an embedment at the pile tip. Analyses of the influence of the soil stiffness and the passive earth pressure ratio allow the prediction of the equivalent embedment depth to find the same maximum moment as the elastoplastic model, located between 1Ø-1.5Ø, or for the maximum displacement, between 4Ø- 4.5Ø. An average of these results is the value 3Ø, classically recommended but never properly justified. Analyses of loading duration or the degree of cohesion of the soil, can show a variation of these values of up to 10% for moment or zero displacement. Differences can go even further for maximum displacement, strongly conditioned by the stiffness and the passive earth pressure ratio. The presence of a superficial layer of mud with poor stiffness/resistance, a frequent case in submerged areas, will increase the embedding depth by between 1/3 and 2/3 of its thickness. Furthermore, this study shows the interest of using stiffness matrix models over the embedment models for pile docks, which guarantees an error of less than 10% on the calculation of the maximum bending moment