Efecto de la rigidez en el desempeño sísmico de edificios estructurados con muros de hormigón armado
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Date
2020
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Abstract
Los edificios de muros estructurales de hormigón armado (HA) han sido construidos
ampliamente en regiones sísmicas sobre todo el mundo. Observaciones en pasados sismos
han mostrado que los edificios de muros de HA generalmente se desempeñan bien en
términos de seguridad estructural. Por ejemplo, durante el sismo de Maule de 2010 en Chile,
ocho personas murieron en edificios modernos, solo un edificio con muros estructurales
colapsó, mientras que pocos fueron severamente dañados. La evidencia empírica parece
indicar que el uso de una gran densidad de muros, y por lo tanto de una gran rigidez lateral,
ha contribuido al buen desempeño reportado posterior a terremotos de gran magnitud. Sin
embargo, no se han identificado estudios analíticos que cuantifiquen el efecto de la rigidez
en el desempeño sísmico de estos edificios, en términos de la seguridad de colapso y las
pérdidas monetarias. El objetivo de esta investigación es evaluar el efecto de la rigidez en el
desempeño sísmico de edificios residenciales con muros de hormigón armado diseñados
según las regulaciones Chilenas actuales, incluyendo el DS60 y DS61. Específicamente, la
tesis se focaliza en evaluar el efecto de la rigidez en la sobrerresistencia, ductilidad de
desplazamiento, fragilidad para los estados límites de seguridad de la vida (LS) y colapso,
probabilidad de alcanzar estos dos estados límites en 50 años. Adicionalmente, se estima la
pérdida anual espera (EAL) y el valor presente (PV) de la pérdida en 50 años. El desempeño
sísmico es evaluado para un grupo de cuatro arquetipos de edificios residenciales de 20 pisos
con muros estructurales localizados en Santiago. Los muros fueron modelados usando el
modelo de elemento de varias líneas verticales (MVLEM) con materiales histeréticos
inelásticos para los elementos verticales, y un comportamiento a corte elástico y lineal.
Análisis estáticos no lineales fueron considerados para estimar la sobrerresistencia de los
edificios y la ductilidad de desplazamiento. Adicionalmente, análisis dinámicos
incrementales (IDAs) fueron ejecutados para estimar las curvas de fragilidad, las
probabilidades de excedencia de los estados límites de LS y colapso dada cierta medida de
intensidad, y los coeficientes de margen de LS y colapso. Un análisis probabilístico de la
amenaza sísmica (PSHA), el cual consideró la sismicidad de la zona central de Chile, fue
utilizado para estimar la probabilidad de alcanzar los dos estados límites en 50 años. En este
estudio, la EAL y el PV asociados a los costos de reparación y reemplazo de los edificios se usaron como medidas de pérdida económica. Para el cálculo de la EAL se usó la metodología
desarrollada por el Pacific Earthquake Engineering Center (PEER), la cual integra cuatro
análisis: análisis de amenaza, análisis estructural, análisis de daño, y análisis de pérdida. En
el análisis de amenaza, la probabilidad que ocurra una cierta medida de intensidad de
movimiento del terreno se determinó usando los resultados del PSHA. En el análisis
estructural, las distribuciones de probabilidad de los parámetros de demanda ingenieril de los
edificios de estudio se obtuvieron desde los IDAs. En el análisis de daño, la probabilidad que
un componente esté en cierto estado de daño se calculó usando funciones de fragilidad
existentes. Por último, en el análisis de pérdida, la pérdida ocasionada en cada componente
se describió probabilísticamente mediante funciones de pérdida. Estas funciones se
desarrollaron estimando el costo de reparación de los componentes susceptibles a daño. Los
resultados de esta investigación muestran que cuando la rigidez se incrementa la probabilidad
de alcanzar el estado límite LS en 50 años disminuye. Contra intuitivamente, la probabilidad
de colapso en 50 años aumenta cuando la rigidez se incrementa, debido a la amenaza sísmica
considerada y a los requerimientos de diseño. El análisis probabilístico de pérdida económica
muestra que cuando la rigidez del edificio aumenta la EAL también aumenta. Esto implica
que desde el punto de vista económico, los edificios más rígidos son más vulnerables que los
edificios más flexibles. Este encuentro igualmente contra intuitivo es el resultado de la mayor
amenaza sísmica de los edificios más rígidos y del esfuerzo de corte mínimo requerido por
el DS61. Adicionalmente, se encontró que los valores de EAL y PV en 50 años para los
cuatro edificios de estudio, no superan el 0.31% y 8.07% del costo total de construcción de
los edificios. Estas pérdidas monetarias son relativamente bajas, lo que es consistente con el
buen desempeño sísmico mostrado por los edificios de muros de hormigón armado.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2020