Los desafíos geotécnicos están en todas partes, comenzando por la interacción del suelo con los cimientos de nuestras casas, caminos, terraplenes, represas, muros de contención y túneles. Los ingenieros han estudiado estos casos durante siglos y, con el tiempo, han desarrollado diferentes métodos convencionales/empíricos para resolver estos desafíos; desafortunadamente, estos métodos no siempre son precisos o reflejan la realidad.
Por otro lado, los métodos numéricos han mostrado ser confiables y han sido probados tanto en aplicaciones simples como en análisis de alta complejidad. La introducción del análisis de método de elementos finitos (FEM por su nombre en inglés Finite Element Method) en el campo de la geotecnia es uno de los logros más significativos en el estudio de la interacción suelo-estructura en las últimas décadas. Hoy en día, el uso de FEM como herramienta en ingeniería geotécnica es de gran utilidad en el análisis de los mecanismos de falla y los factores involucrados. No obstante, el análisis FEM debe aplicarse correctamente, ya que, de lo contrario, un error humano podría conducir a un resultado inexacto y erróneos. Por esta razón, los usuarios deben comprender el enfoque teórico de este método.
Aplicaciones comunes de la ingeniería geotécnica
¿Por qué y cuándo usar el método análisis de elementos finitos?
El análisis FEM obtiene los estados de tensión-deformación con respecto a la carga y discretiza el continuo en componentes que no se superponen. También permite el uso de modelos de suelo complejos, lo que permite a los usuarios crear una representación numérica del suelo y las estructuras.
El análisis FEM considera parámetros que los métodos convencionales son incapaces de analizar. Esto hace que FEM sea esencial para análisis geotécnicos más complicados, incluyendo:
• Comportamiento complejo del suelo (plasticidad endurecible, anisotropía, fluencia, rigidez no lineal)
• Condiciones hidráulicas complejas
• Geometría inusual
• Carga compleja
• Efectos de tiempo en nuestra obra.
• Análisis retrospectivo de ensayos de campo o estructuras monitoreadas.
Estas capacidades y la capacidad resultante de FEM para resolver problemas de interacción suelo-estructura lo convierten en un favorito para aplicaciones donde la comprensión de la deformación es importante, como
Terraplenes y Presas
Tuneles
Excavaciones profundas
¿Cómo realizar un análisis de elementos finitos?
A continuación, demostramos cómo se realiza el análisis de elementos finitos en un software FEM, usando el ejemplo de un análisis elastoplástico de una zapata.
Paso 1. Definición de la capa de suelo.
El primer paso es crear la capa de suelo y seleccionar el modelo constitutivo para representar el comportamiento del suelo. Para lograr un análisis FEM preciso, se requiere una compilación de suficientes datos del suelo (preferiblemente de la exploración del suelo o, alternativamente, de correlaciones conocidas que representan el suelo) para obtener la información necesaria para crear una simulación representativa del comportamiento del suelo.
Estratigrafía de suelos definida en el modelado
Paso 2: Definición de geometría y condiciones del entorno
Creación de la zapata y la carga puntual que actúa sobre la zapata en la pestaña ” Structures “.
Definición de geometría
Paso 3: Discretización de elementos
La malla de elementos finitos es generada automáticamente por el software FEM. Compruebe la calidad de la malla y ajuste o perfeccione manualmente la malla (si es necesario) para aumentar la precisión del resultado.
Malla generada
Paso 4. Cálculos y resultados
Después de ejecutar el cálculo, el programa de elementos finitos muestra el resultado de diferentes escenarios de carga, como la condición de carga de trabajo y el estado límite último. El programa ofrece varias vistas de inspección de resultados, por lo que es fácil evaluar las distribuciones de tensión y los cambios de tensión debajo de la zapata, así como el patrón de deformación bajo condiciones de carga de trabajo y zonas de falla cuando la carga excede la capacidad de carga. A continuación, vemos una imagen de un perfil de desplazamiento típico, mientras que la segunda imagen muestra un mecanismo de falla típico tipo Prandtl.
Típica cuña de Prandtl
Conclusión
Si bien los métodos convencionales han jugado un papel importante en el análisis geotécnico, a menudo se basan en suposiciones y brindan resultados conservadores. El análisis de elementos finitos es necesario para ciertos análisis, como demostrar la seguridad adecuada de una estructura geotécnica contra fallas o predecir el flujo de agua en una ataguía. Cada uno de los casos necesita un enfoque único que no se puede resolver solo con métodos empíricos; el análisis de elementos finitos proporciona los cálculos necesarios para realizar predicciones suficientemente precisas.
