Análisis de la respuesta sísmica de la estructura de torre de pozo de mina de carbón considerando el efecto PSSI en distintos emplazamientos

Por qué importan las torres subterráneas y los terremotos

Las minas de carbón profundas dependen de altas torres de hormigón en superficie para elevar personas y carbón desde grandes profundidades. Estas torres se apoyan en cimentaciones que penetran en suelos y rocas estratificados. Cuando ocurre un terremoto, el movimiento no solo desplaza la torre; también mueve los pilotes y el terreno circundante, y los tres se influyen mutuamente. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes implicaciones de seguridad y coste: ¿en qué medida esta interacción oculta entre suelo, pilotes y torre altera la respuesta sísmica de una torre de pozo y hace que las normas de diseño actuales sean demasiado arriesgadas en algunos sitios y demasiado conservadoras en otros?

Cómo se mueven conjuntamente la torre, los pilotes y el suelo

Los autores se centran en una torre moderna y grande de pozo de mina de carbón de unos 90 metros de altura, apoyada sobre una cimentación de losa sobre pilotes unida rigidamente a un pozo vertical de hormigón. En lugar de suponer que la base está perfectamente fija, tratan la torre, los pilotes, la losa, el pozo y el suelo estratificado como un sistema acoplado. Empleando modelos físicos bien establecidos, simplifican este conjunto complejo en un sistema de resortes, masas y amortiguadores que pueden reproducir cómo cada parte se dobla, cabecea y desliza bajo sacudida. Luego deducen las ecuaciones de movimiento que relacionan el movimiento en los pisos de la torre con el de la cimentación enterrada y el suelo circundante, y resuelven numéricamente esas ecuaciones con código MATLAB personalizado.

Probando terremotos realistas y tipos de terreno

Para ver cómo se manifiesta este comportamiento acoplado en la práctica, el equipo usa una mina real en Anhui, China, como caso de estudio. Seleccionan 21 registros sísmicos —tanto terremotos naturales intensos como eventos cuidadosamente simulados— y los aplican horizontalmente en la base. Examina tres condiciones de suelo típicas utilizadas en los códigos sísmicos chinos: un emplazamiento relativamente rígido «Tipo II», un emplazamiento intermedio «Tipo III» y un emplazamiento más blando «Tipo IV», cada uno representado por múltiples capas de suelo con distintas rigideces y densidades. Para comparar, ejecutan cada movimiento del suelo dos veces: una con la interacción completa suelo–pilote–torre y otra usando el atajo común que considera la cimentación como perfectamente rígida.

Qué ocurre con el balanceo por planta

La magnitud clave que siguen es el desplazamiento interplantas —el movimiento relativo lateral entre pisos adyacentes—, que está estrechamente ligado a los esfuerzos de flexión en muros, vigas y pilares. Los autores definen un «coeficiente de amplificación» como la razón entre este desplazamiento interplantas en el sistema realmente interactuante y en la idealización de base rígida. Valores superiores a uno significan que la interacción aumenta las solicitaciones; valores inferiores a uno significan que en realidad las atenúa. En los tres tipos de suelo, la mayor amplificación aparece consistentemente en la cima de la torre, donde un efecto látigo concentra el movimiento, mientras que los pisos intermedios se mueven con menos intensidad.

Diferentes suelos, distintos márgenes de seguridad

Los resultados muestran que ignorar la interacción suelo–pilote–estructura puede ser peligroso en algunos entornos y derrochador en otros. En suelos rígidos Tipo II, los coeficientes medios de amplificación para el desplazamiento interplantas oscilan entre aproximadamente 1,31 y 1,61, lo que significa que la torre real puede experimentar desplazamientos un 30–60 % mayores, y por tanto mayores fuerzas internas, de lo que predice un diseño con base rígida. Para suelo Tipo III, los promedios se acercan a la unidad, aproximadamente entre 0,89 y 1,25, con amplificación principalmente en las plantas superiores. En el suelo blando Tipo IV, los promedios disminuyen a alrededor de 0,74 a 0,97, por lo que la interacción suele reducir los desplazamientos en comparación con la suposición de base rígida. Físicamente, el sistema acoplado suelo–pilote–torre tiene un periodo de vibración más largo que la torre rígida sola, lo que puede desplazarlo fuera de la banda de frecuencias más dañina del movimiento del terreno y reducir la demanda sísmica.

Qué significa esto para la seguridad y el diseño de minas

Para los ingenieros en ejercicio, el mensaje es doble. En regiones de suelos rígidos y zonas sísmicas fuertes, diseñar una torre de pozo como si reposara sobre una base inamovible puede subestimar las fuerzas reales del terremoto, especialmente cerca de las plantas altas, dejando estructuras existentes con riesgos de seguridad ocultos. En suelos más blandos, la misma simplificación puede sobreestimar las fuerzas y conducir a diseños innecesariamente pesados y costosos. El estudio ofrece un marco práctico para incluir la interacción suelo–pilote–estructura en el análisis de torres de pozo y señala qué combinaciones de tipo de suelo, altura de torre y periodo de vibración afectan con mayor intensidad la respuesta sísmica. Aunque los valores exactos variarán de torre a torre, el patrón general —que las plantas superiores son las más vulnerables y que los emplazamientos más blandos a veces pueden ayudar en lugar de perjudicar— aporta una base más clara y matizada para diseñar y rehabilitar torres de pozo de minas de carbón en regiones sísmicas.

Cita: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

Palabras clave: torre de pozo de mina de carbón, interacción suelo–estructura, cimentación de losa sobre pilotes, ingeniería sísmica, desplazamiento entre plantas