Comparison between Numerical and Analytical Analysis of the Dynamic Behavior of Circular Tunnels

Comparación entre análisis numérico y método analítico del comportamiento dinámico de túneles circulares

El comportamiento dinámico de estructuras subterráneas se controla por el campo de deformación impuesta por la propagación de ondas y por la interacción entre la masa rocosa y las estructuras. La onda de cizallamiento y la onda de presión en el plano de sección transversal del túnel generan distorsiones del terreno que tienden a causar deformaciones ovaladas del revestimiento de la estructura. En este artículo se analiza la respuesta sísmica de un túnel circular sujeto respectivamente a ondas de cizallamiento y ondas de presión tanto analítica como numéricamente. Luego se muestra un análisis tridimensional completo para mostrar los efectos generales en un túnel producidos por eventos sísmicos y donde se consideran registros en tres direcciones.

1. INTRODUCCIÓN

Los revestimientos de los túneles deben diseñarse para soportar tanto las cargas estáticas de sobrecarga como las sísmicas. Según Dowding y Rozen (1978), los efectos sísmicos sobre las estructuras subterráneas pueden agruparse en tres categorías: (1) sacudidas del terreno, (2) dislocación de fallas y (3) fallos del terreno, como licuefacción e inestabilidad de taludes. En lo que respecta a la respuesta sísmica de los huecos subterráneos, se considera principalmente la reacción causada por las sacudidas del terreno.

El comportamiento sísmico de las estructuras subterráneas está controlado por el campo de deformación impuesto por la propagación de las ondas y por la interacción entre la masa rocosa y las estructuras. Según Owen y Scholl (1981), durante las sacudidas sísmicas pueden producirse tres modos principales de deformación, a saber, compresión/extensión, flexión longitudinal y ovalización de la sección transversal.

Las ondas de cizallamiento y de presión que se propagan en el plano de la sección transversal del túnel generan distorsiones del terreno que tienden a provocar deformaciones ovaladas del revestimiento. El cambio resultante de la forma de la sección del túnel crea tensiones circunferenciales en el revestimiento que pueden provocar grietas y aplastamiento del hormigón y reducir la capacidad de carga del revestimiento. El comportamiento transversal suele estudiarse analizando la respuesta de la sección transversal a un campo de deformaciones uniforme impuesto utilizando el enfoque pseudoestático (Penzien, 2000; Joe et al. 2018), algunas soluciones analíticas han sido desarrolladas por Wang et al. (1993), Penzien & Wu (1998) y Penzien (2000), Bobet (2003) y Corigliano & Barla (2007) para calcular las fuerzas internas en el revestimiento debido a las deformaciones ovaladas estáticas equivalentes.