Implementación del modelo constitutivo elastoplástico en el análisis de respuesta del suelo en cimentaciones superficiales

Abstract

La ingeniería geotécnica ha realizado estudios de materiales geotécnicos con la finalidad de predecir el comportamiento tensión-deformación mediante una formulación matemática, conocida como Modelo Constitutivo. Esta formulación intenta ser lo suficientemente compleja, para representar las condiciones al cual está sujeto el material y simple, para utilizarla objetivamente en la práctica de ingeniería. La implementación de un modelo constitutivo conlleva tiempo y formulaciones extensas por lo que en ocasiones realizarla es inviable. Sin embargo, su ejecución permite al investigador hacer análisis geotécnicos diversos. Programas de elementos finitos como ABAQUS presentan modelos constitutivos limitados, más permite al usuario implementarlos mediante el uso de la subrutina UMAT. Esta investigación presenta los conceptos utilizados en la implementación del modelo constitutivo elastoplástico Lade-Kim en el programa de elementos finitos ABAQUS. Son desarrollados conceptos de la teoría de plasticidad, desarrollo de las ecuaciones que definen al modelo constitutivo y su implementación con la subrutina. La implementación es validada con ensayos de compresión triaxial drenados y programas comerciales. Finalmente, realiza el modelamiento de un suelo sometido a la carga de una cimentación superficial. Los resultados obtenidos del modelo de cimentación superficial son consistentes y validan la implementación en condiciones axisimétricas y tridimensionales. Por último, pero no menos importante, esta investigación no se limita solo al uso de un modelo constitutivo, sino deja bases para realizar la implementación de otros modelos, también brinda conceptos para la programación de subrutinas en el programa ABAQUS.

Geotechnical engineering has conducted studies of geotechnical materials in order to predict the stress-strain behavior through a mathematical formulation, known as Constitutive Model. This formulation tries to be complex enough to represent the basic conditions that the soil is subjected to, at the same time, simples to be used objectively in practical engineering. The implementation of a constitutive model takes time because of extensive formulations, so it is sometimes unfeasible to carry it out. However, its execution allows the researcher makes various geotechnical analyses. Finite element programs like ABAQUS present limited constitutive models but allow the user to implement them by using the UMAT subroutine. This research presents the concepts used in the implementation of the Lade-Kim elastoplastic constitutive model in the finite element program ABAQUS. Concepts of plasticity theory, development of the equations which define the constitutive model, and its implementation with the subroutine are developed. The implementation is validated with drained triaxial compression tests and commercial programs. Finally, it is modeled a soil subjected to a load of a superficial foundation. The results obtained from the shallow foundation model are consistent and validate the implementation in axisymmetric and three-dimensional conditions. Last but not least, this research is not limited only to the use of a constitutive model but leaves base to carry out the implementation of other models, it also provides concepts for the programming of subroutines in the ABAQUS program.