Identificación del enfoque de modelado numérico correcto

El modelado numérico es el proceso de representar, mediante herramientas numéricas, un sistema físico complejo como un modelo matemático, con el objetivo de estudiar el desempeño del sistema en varios escenarios del mundo real.

Este proceso es de rutina en los análisis geotécnicos para predecir y comprender el comportamiento de represas, cimientos, túneles, deslizamientos y más. En general, implica simular el comportamiento del suelo y las rocas como respuesta a distintas cargas y condiciones de los límites. A medida que aumenta la cantidad de métodos y tecnologías de modelado disponibles, también aumenta la importancia de identificar el enfoque adecuado para garantizar el éxito de los proyectos y su sustentabilidad.

Modelos numéricos

Se puede usar una variedad de enfoques numéricos para analizar el comportamiento de distintos tipos de suelo y estructuras, como los muros de retención, los terraplenes y los puentes. Las consideraciones clave a la hora de crear modelos numéricos de los geosistemas incluyen identificar los comportamientos de interés, construir un modelo de datos robusto, seleccionar y calibrar un modelo constitutivo, y determinar un procedimiento para interpretar los resultados.

Las aplicaciones de modelado numérico en la ingeniería geotécnica siguen demostrando beneficios, dado que mejoran los diseños de los proyectos y reducen los riesgos. Si bien la simulación numérica puede resultar muy útil para predecir el comportamiento de sistemas y estructuras, seleccionar y evaluar los parámetros incorrectos puede generar una representación e interpretación inadecuadas del sistema. Adoptar premisas aplicables sobre las propiedades del suelo y el modelado apropiado del flujo de aguas subterráneas puede garantizar resultados que representen de forma adecuada la estabilidad y el asentamiento de las estructuras.

Un ejemplo famoso que se enseña en las carreras de ingeniería es el colapso del puente de Tacoma, en 1940, que se debió en parte a un modelado inadecuado de las cargas de viento. Con los avances actuales en enfoques y tecnologías de modelado, se pueden mitigar o eliminar en gran medida los peligros de ese tipo de colapso.

Diferentes enfoques

Con la variedad de herramientas disponibles actualmente para que los ingenieros geotécnicos evalúen el comportamiento del suelo y la estructura, cada vez es más necesario tener en cuenta las fortalezas y debilidades de todos los enfoques que pueden usarse para desarrollar modelos y analizar sus resultados.

Se pueden adoptar una variedad de enfoques para la representación del sistema, y cada una tiene sus beneficios y desventajas:

• El análisis de elementos finitos (FEA, por sus siglas en inglés) es un enfoque útil para geometrías complejas y materiales no lineales, pero puede requerir un uso computacional intensivo y un gran nivel de conocimientos especializados.
• El método de diferencias finitas (FDM, por sus siglas en inglés) es más simple y rápido que el FEA, pero su uso se limita a geometrías regulares y materiales lineales.
• El método de elementos de frontera (BEM, por sus siglas en inglés) es eficiente para abordar problemas en áreas de superficie grandes, pero puede resultar menos exacto que el FEA o el FDM.
• El método de elementos discretos (DEM, por sus siglas en inglés) es un enfoque útil para el modelado del comportamiento de los materiales granulares. Sin embargo, también puede requerir un uso computacional intensivo y un software especializado.

Algunos errores comunes en el modelado numérico de ingeniería geotécnica son no tener en cuenta la variabilidad del suelo, subestimar la importancia de las condiciones de los límites y usar modelos constitutivos inadecuados o incorrectos para analizar las condiciones del suelo.

Los resultados pueden calificarse y verificarse considerando atentamente las premisas y las limitaciones del modelo elegido, validando el modelo con datos de campo y usando el software y las técnicas de modelado adecuados.

Por qué es tan importante el modelado numérico

Muchos proyectos de ingeniería geotécnica podrían haber tenido resultados más positivos si se hubieran utilizado modelos numéricos efectivos. Luego del colapso del tranque de relaves de la mina Mount Polley en Columbia Británica, en 2014, un panel independiente concluyó que la rotura del tranque había ocurrido a causa de una falla en los cimientos del terraplén y que su diseño no había tenido en cuenta la complejidad de los cimientos en forma adecuada. Tras la investigación forense, el panel recomendó que se adoptaran las prácticas recomendadas aplicables (BAP, por sus siglas en inglés), como herramientas de análisis geotécnico avanzadas, entre ellas el modelado numérico, para evaluar los tranques de relaves y sus cimientos, de forma que se puedan evitar incidentes similares en el futuro.

El modelado numérico también ha sido responsable del éxito de muchos proyectos famosos. El puente Confederation, una estructura de 12,9 km que conecta la isla Prince Edward con New Brunswick, Canadá, es reconocido como una maravilla de la ingeniería. Los métodos numéricos se usaron extensamente durante las etapas de diseño y construcción, con el fin de simular el comportamiento del suelo y medir la estabilidad de la estructura bajo una gran variedad de condiciones de carga y ambientales. El modelado le permitió al equipo optimizar el diseño de los muelles y contrafuertes del puente, así como evaluar la estabilidad de la estructura en situaciones de tránsito regular y extremo. El modelado numérico fue clave para garantizar la seguridad y confiabilidad constantes del puente. El puente Confederation ha estado en uso desde que se abrió al tránsito en 1997.

Durante los próximos cinco años, es probable que los avances en el modelado de ingeniería geotécnica incluyan mejoras en las capacidades de software y hardware, la integración de datos de sensores remotos y otras fuentes, y la incorporación de inteligencia artificial y algoritmos de aprendizaje automático para mejorar la exactitud y la eficiencia de los modelos. Además, la creciente importancia de la sustentabilidad y la resiliencia en los proyectos de ingeniería geotécnica sin duda requerirá nuevos enfoques y técnicas de modelado.

La práctica de Soluciones Geodinámicas (DES) de Hatch refina constantemente sus conocimientos y experiencia de modelado numérico al capacitarse sobre los enfoques y las aplicaciones de modelado más modernos. Comuníquese con nosotros para averiguar cómo podemos ayudarlo.