En un avance significativo para la ingeniería geotécnica, se ha introducido un método refinado de elementos finitos espacio-temporales (v-ST/FEM) para abordar la compleja dinámica de la interacción suelo-estructura durante eventos sísmicos. Este nuevo enfoque permite simulaciones más precisas de la respuesta de las estructuras terrestres a las vibraciones sísmicas, lo que marca un paso crucial para mejorar la resistencia de las infraestructuras frente a los desastres naturales.

El diseño de estructuras como presas, túneles y terraplenes para resistir las cargas transitorias de fuentes como terremotos, trenes de alta velocidad y explosiones requiere un análisis robusto de la interacción dinámica suelo-estructura (SSI). Los métodos tradicionales a menudo se quedan cortos en el manejo de condiciones de contorno complejas y respuestas dinámicas. La demanda de soluciones precisas de SSI está creciendo, especialmente dado el impacto de las condiciones locales del suelo en las características del movimiento sísmico. Debido a estos desafíos, es necesario llevar a cabo una investigación exhaustiva sobre métodos numéricos avanzados para mejorar la precisión y confiabilidad del análisis SSI.

Investigadores de la Universidad de Kyoto han introducido un procedimiento de elementos finitos espacio-temporales basado en la velocidad en el International Journal of Mechanical System Dynamics. Publicado (DOI: 10.1002/msd2.12106) el 4 de junio de 2024, el estudio presenta un enfoque metódico para truncar dominios de suelo ilimitados y modelar el flujo de energía durante las actividades sísmicas, ofreciendo un gran avance en el análisis dinámico SSI.

El estudio introduce un método de elementos finitos espacio-temporales basado en la velocidad (v-ST/FEM) para abordar los problemas dinámicos de SSI. Este método innovador incorpora condiciones de contorno viscosas basadas en el modelo de Lysmer-Kuhlemeyer, truncando eficazmente el dominio de suelo ilimitado para evitar reflexiones espurias. El método v-ST/FEM simula con precisión el movimiento de entrada sísmico como un vector de fuerza nodal eficaz en simulaciones numéricas, asegurando el flujo de energía desde el campo lejano al dominio computacional. Los investigadores validaron este enfoque comparando la respuesta sísmica de una presa de gravedad de hormigón en un semiespacio elástico con los resultados del método de elementos finitos semidiscreto (FEM) utilizando el método de Newmark-β. El método v-ST/FEM demostró una precisión y estabilidad superiores en las simulaciones de movimiento sísmico de larga duración, lo que lo convierte en una herramienta confiable para futuros análisis SSI y mejorando la predicción del desempeño sísmico de diversas estructuras.

El Dr. Vikas Sharma, autor principal del estudio, destaca la importancia de esta investigación, afirmando: “Nuestro enfoque v-ST/FEM ofrece un método más preciso y computacionalmente eficiente para los problemas de interacción dinámica suelo-estructura. Este avance es crucial para el desarrollo de infraestructura que puede resistir mejor las fuerzas de la naturaleza, salvaguardando en última instancia vidas y propiedades”.

La aplicación de esta investigación es de gran alcance, particularmente para el diseño y la evaluación de estructuras terrestres como presas y terraplenes en zonas sísmicas. Al proporcionar una predicción más precisa de la amplificación sísmica del suelo, el v-ST/FEM puede contribuir a la creación de infraestructura más segura y resistente, lo que podría salvar vidas y reducir el impacto económico de los terremotos.

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Referencias

DOI

10.1002/msd2.12106

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Información de financiación

Este trabajo fue apoyado por la subvención JSPS KAKENHI para investigación científica (B) (Número de subvención 21H02304).

Acerca de International Journal of Mechanical System Dynamics (IJMSD)

International Journal of Mechanical System Dynamics (IJMSD) es una revista de acceso abierto que tiene como objetivo revelar sistemáticamente el efecto vital de la dinámica de los sistemas mecánicos en todo el ciclo de vida de los equipos industriales modernos. Los sistemas mecánicos pueden variar en diferentes escalas y están integrados con sistemas electrónicos, eléctricos, ópticos, térmicos, magnéticos, acústicos, aero, fluídicos, etc. La revista da la bienvenida a artículos de investigación y revisión sobre dinámica relacionados con la teoría avanzada, el modelado, la computación, el análisis, el software, el diseño, el control, la fabricación, las pruebas y la evaluación de sistemas mecánicos generales.