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Esta tesis propone una metodología de evaluación del daño sísmico basada en el método del espectro de capacidad pero con un enfoque probabilista que se apoya en simulaciones Monte Carlo. Así la acción sísmica, la estructura y el daño esperado se consideran y se analizan como variables aleatorias. La metodología, que se valida mediante el análisis dinámico incremental, es una nueva, robusta y potente herramienta de análisis de riesgo tanto a nivel de edificios individuales como a nivel urbano y regional. La validación mediante el análisis dinámico, de hecho, ha supuesto crear también una metodología probabilista basada en el análisis dinámico incremental. El daño esperado puede obtenerse para cualquier intervalo de confianza permitiendo así, a los gestores de la protección civil la elección de los niveles prioritarios o de interés. Como el análisis dinámico incremental requiere acelerogramas, se ha optado por usar registros de terremotos y se ha diseñado una técnica que, para una determinada base de datos, permite optimizar, minimizando la dispersión, el número de acelerogramas compatibles con un determinado espectro de respuesta; de esta forma la incertidumbre en la acción sísmica se considera de una manera adecuada. Aunque a efectos metodológicos, se ha estimado suficiente y adecuado considerar como variables aleatorias gaussianas sólo las propiedades resistentes del hormigón y el acero, con todo se ha introducido también una nueva e interesante forma de incorporar la variabilidad espacial de la resistencia de vigas y columnas. Los desarrollos metodológicos se ilustran con numerosos casos de estudio de edificios existentes y bien documentados. En particular, se han estudiado los edificios de hormigón armado con forjados reticulares, clasificados en altos, de altura mediana y bajos. Este estudio se ha realizado considerando acciones sísmicas compatibles con los espectros previstos en el eurocódigo EC8 para terremotos tipo 1 y tipo 2 y para suelos A, B, C, D y E. La aplicación del método a edificios irregulares ha confirmado la insuficiencia de modelos 2D en estructuras asimétricas. Así, el método probabilista se ha aplicado a dos edificios de especial importancia para escenarios sísmicos de interés. El primero es el hospital de Vielha, para la acción sísmica con un periodo de retorno de 475 años; el segundo es un edificio del Barrio de San Fernando en Lorca, que fue severamente dañado por el terremoto del mes de mayo de 2011. En este segundo caso la acción sísmica se ha definido de forma determinista mediante las dos componentes horizontales de aceleración registradas en la ciudad. En los análisis 3D se ha incorporado el efecto de direccionalidad, concluyendo que edificios del mismo tipo situados en un mismo lugar pueden sufrir daños significativamente distintos dependiendo sólo de su orientación azimutal. Los resultados obtenidos en el caso de Lorca son compatibles con los daños observados lo que contribuye a validar el método probabilista y los desarrollos implementados en esta tesis.
Texto técnico para Ingenieros, cosntructores. Profusamente ilustrado con dibujos y fórmulas. Tomás Guendelman es sin lugar a dudas el padre de la ingeniería estructural moderna en Chile. Después de titularse como Ingeniero Civil y trabajar un par de años en nuestro país viajó a EE.UU., donde en 1965 obtiene su grado de Master en la Universidad de California en Berkeley. Podemos afirmar sin lugar a dudas que Tomás Guendelman fue el “hombre justo” en el “lugar justo” y en el “tiempo justo” (the right man in then right place at the right time). Eran los años dorados del desarrollo de la ingeniería moderna en el mundo y la cuna estaba en California: se empezaban a desarrollar los métodos computacionales en ingeniería estructural, el método de los elementos finitos, la sismología y la ingeniería sísmica, etc.: allí estaban por ejemplo: T.Y.Lin, Ray Clough, Joseph Penzien, Emilio Rosenblueth, Edward Wilson (creador del programa SAP), etc., todos ellos referentes mundiales de sus especialidades. Fue junto a dichas eminencias de la ingeniería estructural y sísmica, con quienes Tomás Guendelman interactuó intensamente, cuando comenzó a desarrollar sus primeros programas de análisis estructural y sísmico para la Oficina de T.Y. Lin entre los años 1965 y 1966. Afortunadamente para Chile regresó en 1966 donde se dedicó con cuerpo y alma a la docencia y al desarrollo de la moderna ingeniería estructural y sísmica de nuestro país.
En el presente trabajo se evalúa el daño sísmico esperado en una estructura de mampostería reforzada típica de la República Dominicana mediante la aplicación del análisis estático no lineal con el objetivo de determinar el espectro de capacidad, su punto de desempeño y las curvas de fragilidad; comparando los resultados obtenidos con la metodología de Capacidad espectral propuesta por el RISK-UE, con los obtenidos al aplicar un nuevo modelo de daño propuesto recientemente. La estructura estudiada es una edificación de vivienda familiar de tres niveles ubicada en la República Dominicana, que fue construida en el año 2007 y que utiliza muros de carga de mampostería reforzada con entrepisos compuestos por losas rígidas de concreto armado. Para la solicitación sísmica se emplea el espectro de respuesta elástica previsto en el reglamento sísmico del país en cuestión. El software de análisis estructural utilizado para obtener las curvas de capacidad mediante la realización del análisis estático nolineal Pushover es Seismostruct_v7. Los principales resultados demuestran que la estructura resiste la solicitación a la que fue sometida, sin embargo, el daño esperado alcanza probabilidades altas en los estados MODERADO y SEVERO. Este valor de probabilidades varía según el método utilizado obteniéndose mayor daño en el nuevo modelo de daño implementado. Estas diferencias se atribuyen a los diferentes criterios para fijar los umbrales de los estados de daño que, en el modelo RISK-UE provienen de la forma bilineal del espectro de capacidad y, en el caso del nuevo modelo, provienen de indicadores de daño consistentes con el índice de daño de Park y Ang. Estudios adicionales, tanto empíricos como computacionales, deben ayudar a discernir cuál de los dos modelos representa mejor el comportamiento de estructura reales, aunque, nuestra impresión es que el método de RISK-UE infravalora el daño esperado. Finalmente, en esta tesis se ha aplicado también el modelo paramétrico para ajustar el espectro de capacidad, obteniéndose los cinco parámetros que definen totalmente la curva. Se ha observado, con todo, que el modelo no captura bien cambios rápidos de rigidez, probablemente causados por rupturas parciales, frágiles y bruscas, de la estructura por lo que se recomienda avanzar hacia los ajustes de la curva de capacidad por tramos.
El Diseño Sísmico Basado en Desempeño (DSBD) se hizo presente de forma concreta en el diseño estructural chileno mediante un documento con recomendaciones publicado por ACHISINA en 2017. El DSBD requiere modelos no lineales para evaluar el desempeño sísmico de un edificio. Un nuevo enfoque de modelación no lineal de muros de hormigón armado llamado Beam-Truss Model (BTM) ha sido desarrollado en la última década y ha mostrado un buen ajuste en la simulación de ensayos experimentales. El objetivo principal de este estudio es evaluar la factibilidad del uso del BTM para la aplicación del DSBD. El segundo objetivo es comparar la respuesta sísmica de un edificio estructurado con muros T con la respuesta sísmica de un edificio con muros rectangulares. La hipótesis principal es que el uso del BTM permitirá realizar análisis no lineales de edificios de hormigón armado, con dificultad moderada y tiempo acotado para evaluar desempeño sísmico. El enfoque BTM se validó mediante la simulación de ensayos experimentales de un muro T y un muro rectangular. La evaluación de la factibilidad del BTM se realizó considerando un modelo numérico no lineal tridimensional de ambos edificios de estudio. Estos edificios se diseñaron usando la normativa chilena vigente y se sometieron a análisis estáticos no lineales utilizando el programa computacional Opensees. Se concluye que el BTM es un enfoque que tiene dificultades de convergencia, lo que complica su aplicación práctica. Para el modelo 3D del muro WSH6 y el muro TW2 se obtuvo convergencia en solo 17% y 6% de los análisis, respectivamente. De los resultados del análisis estático no lineal se concluye que la distribución del esfuerzo de corte entre los muros, la variación de la carga axial y el modo de falla es diferente para el edificio estructurado con muros T y el estructurado con muros rectangulares.
RESUMEN En el proyecto sismorresistente de edificios tal como es aplicado actualmente, se parte de ciertas consideraciones cuya validez no siempre está clara o en algunos casos no permiten al proyectista tomar decisiones que hagan aseguren la integridad del edificio durante su vida útil. Por esta causa, en este trabajo se trata el tema del comportamiento sísmico de los edificios de hormigón armado, estudiando la respuesta no lineal, procurando aclarar algunos criterios adoptados en el proyecto sismorresistente. La respuesta no lineal de los edificios de hormigón armado se estudia mediante el análisis numérico estático y dinámico, en cuya modelización se han incluido características importantes de este material compuesto como son la plasticidad y el daño, así como también las condiciones especiales de confinamiento que proporciona el proyecto sismorresistente. Para evaluar la respuesta no lineal se parte de un estudio de edificios porticados, emplazados en zonas de alta sismicidad y proyectados conforme a dos relevantes normas sismorresistentes: el Eurocódigo-8 y el IBC-2003. Para lograr la caracterización de la respuesta sísmica, se incluyen en este estudio la aplicación de un procedimiento de predimensionamiento sísmico de secciones de los elementos de los edificios proyectados, la propuesta de un procedimiento de análisis estático no lineal con control de fuerzas, la determinación del modo de colapso, el estudio de la influencia de la reserva de resistencia y la redundancia en los factores de reducción de respuesta, el cálculo de la ductilidad máxima de los pórticos, la formulación de un índice de daño sísmico objetivo y la determinación de umbrales objetivos de daño correspondientes a unos Estados Límite específicos. La aplicación de los umbrales de daño permite estimar el desplome para el cual se proyecta el edificio, lo que a su vez permite estimar la ductilidad por prestaciones, lo que permite realizar el proyecto con base en desplazamientos sin necesidad de a.
A partir de un exhaustivo estudio del estado del conocimiento, en este trabajo se desarrolla un modelo para el análisis no lineal de estructuras porticadas de hormigón armado con muros de mampostería sometidas a acciones sísmicas. Dicho modelo considera el comportamiento no lineal de los muros debido al daño progresivo que éstos sufren durante una acción sísmica. Sin embargo, puesto que está orientado hacia el diseño sísmico de estructuras, admite la hipótesis de que, una vez dañada completamente la mampostería, el pórtico de hormigón armado sigue teniendo un comportamiento en régimen elástico con inestabilidad elástica en los pilares (pandeo). En este sentido, el modelo desarrollado admite las simplificaciones que realizan las normas existentes de diseño ismorresistente como, por ejemplo, la española NCSE-02, que calculan las fuerzas símicas con base en un análisis dinámico lineal, pero va más allá, considerando el efecto estructural y el comportamiento no lineal de los cerramientos y de la tabiquería. Por esto, permite una mejor descripción del comportamiento de la estructura sometida a acciones sísmicas de diseño siendo, al mismo tiempo, suficientemente simple para asegurar la alta velocidad de resolución del problema sísmico necesaria en la práctica de diseño. El comportamiento de la estructura está influenciado de manera muy significativa por el comportamiento mecánico complejo de los muros de mampostería que depende de un gran número de variables, algunas de las cuales difíciles de controlar y/o cuantificar. La presencia de los muros aumenta la rigidez de la estructura y su resistencia a cargas laterales, produce efectos torsionales importantes, disminuye los periodos naturales de vibración con lo que las acciones sísmicas varían de forma relevante y contribuye a la disipación de la energía que éstas inducen. El efecto de los muros de mampostería se consideran incluyendo barras diagonales equivalentes en el esquema estructural. A pesar de que esta forma de tratar el problema ignora los efectos locales producidos por la mampostería, aproxima bien la rigidez y la resistencia global de la estructura y permite evaluar, de manera eficiente desde un punto de vista computacional, el comportamiento de la estructura con muros de mampostería. Para ello, en este trabajo se ha desarrollado un programa de ordenador que calcula las estructuras con una eficiencia computacional similar a la de los programas de cálculo convencionales que no consideran el efecto de los muros de mampostería y, por supuesto, muy superior a la de los programas de elementos finitos. Las características mecánicas del material compuesto de las barras equivalentes a la mampostería se han definido utilizando conceptos avanzados de mecánica computacional tales como la teoría de homogeneización y considerando la ortotropía. El modelo se ha validado con resultados existentes en la literatura de ensayos experimentales. Finalmente, el trabajo muestra ejemplos calculados con el programa de ordenador desarrollado que ilustran la capacidad del modelo y del programa de ordenador de resolver el problema.
En este trabajo se desarrolla un modelo para el análisis de estructuras de barras de hormigón armado que considera el comportamiento no lineal de la armad ura longitudinal, de los cercos y del hormigón. El estudio del estado del conocimiento que se ha realizado muestra que el confinamie nto , aportado por los cercos , altera el comportamiento no lineal de las barras, añadiéndo les res istencia y ductilidad , mejo rando su respuesta y que, por lo tanto, el confinamiento debe ser incluido en un análisis estructural avanzado. L a respuesta no lineal de la s estructura s cambia , especialmente en las etapas avanzadas del proc eso de carga, mejorando sobre todo su resistencia y su comportamiento post pico. En consecuencia, el confinamiento no puede ser ignorado por el ingeniero a la hora de proyectar o eva luar el comportamiento de las estructuras de hormigón armado. El análisis numérico del efecto de l confinamiento producido por los cercos sobre una barra es difícil de realizar debido a los complejos fenómenos no lineales originados por la plastificación de los cercos y de la armadura longitudinal, así como por el comportamiento no l ineal de la matriz de hormigón . Es especialmente difícil modelizar correctamente el estado tensional y deformacional en tres dimensiones, alterado por la no linealidad de los mat eriales, puesto que el problema depende de muchos parámetros, algunos de los cuales son difíciles de cuantificar y , también, por la compleja interacción que se produce entre los materiales componentes . Por esto, en el presente trabajo se ha desarrollado un modelo de uso sencillo para estructuras de barras de hormigón armado confinado . Dicho modelo , que se basa en la teoría de la homogeneización, trata la estructura como u n material compuesto , asegura una buena solución al análisis estructural y puede ser introducido fácilmente en un programa clásico de estructuras de barras. E l comportamie nto no lineal de los materiales que se ha implementado considera el modelo de daño para la degradación del hormigón y el modelo elasto - plástico para el del acero. El modelo no lineal unidimensional desarrollado se ha introducido en un programa de ordenador para calcular estructuras de barras considerando el conf inam iento del hormigón armado cread o en Matlab. Los resultados calculados con el programa desarrollado han s ido validados mediante comparación con resultados obtenidos con modelos basados en otros métodos y con resultados de ensayos experimentales de otros investigadores. Los ejemplos de cálculo han mostrado que es necesario considerar el confinamiento en el cál culo de la estructura ya que la presencia de los cercos afecta de forma significativa la resist encia, la ductilidad y el daño de las barras de hormigón armado. Los ejemplos estudiados muestran que la respuesta de la estructura varía de forma significativa en función de parámetros como la separación entre cercos o su diámetro. El modelo y el programa desarrollados facilitan considerar el efecto del confinamiento en el cálculo de la estructura, de forma que pueda ser utilizado de manera habitual en la prácti ca de proyecto. Los ejemplos muestran que incluir en el análisis el confinamiento producido por los cercos es posible y necesario para determinar el comportamiento real de la estructura. Se abre así la puerta a la posibilidad de considerar este fenómeno en el diseño de forma práctica, eficiente y habitual.