Vulnerabilidad sísmica en edificaciones porticadas compuestas de acero y hormigón armado

Abstract

In this study it was assessed the seismic behavior of framed buildings with composite structure of steel and reinforced concrete (RC) in a specific configuration formed with lower levels with RC (primary structure) and higher levels with steel (secondary structure) as structural materials for components. This typology results from post-construction and post-project modifications; It was analyzed the seismic vulnerability and structural behavior in typical models of buildings for residential or commercial use currently being built or already built in the metropolitan area Barquisimeto-Cabudare in Venezuela. Models or existing buildings are divided into three groups: low-rise, medium height and tall buildings. Levels with steel elements correspond to the higher or two higher levels of the buildings. Static and dynamic nonlinear analyses were conducted to determine the parameters of capacity, fragility and damage of structural systems. These analyses were based on criteria for projects such as RISK UE, FEMA 750 and ATC 40, along with methodologies such as Spectrum-Capacity, N2, Adaptive Pushover and the Capacity Parametric Model. The difference in performance was remarkable in some models depending on rigidities and the heights of models; Inter story displacements evidenced that in some structural systems, some levels experienced its maximum displacement in the elastic response range, whereas at other levels there is a high concentration of inelasticity. Fragility curves and damage indices were determined using two different methodologies in order to assert the behavior in terms of reliability and it was evidenced that in some structural systems there is a great probability of zero damage while in others predominate a high probability of reach moderate, severe or collapse damage states. In Time-History and Incremental Dynamic analysis, were used 5 real and 5 synthetic accelerograms; All of them were normalized and each one, with their corresponding mean, maximum and minimum deviations, resulted in 20 seismic signals that were used for purposes of structural reliability. All accelerograms were compatible with the elastic spectrum corresponding to the emplacement site design of the building stiff soil. Numerical results show that with these accelerograms most of the models suffer significant lateral deformations, often reaching beyond acceptable limits states from the Venezuelan normative. It was performed a experimental test of a two level frame with Steel elements in the higher level and Reinforced Concrete elements in the lower level. Another experimental test was performed on a full-scale mixed Steel-Reinforced Concrete joint. Both tests were subjected to cyclic lateral loads in order to determine its characteristics, behavior and capacity to histeretics actions in terms of stiffness degradation and damage evolution. Concerning to capacity and damage indexes, it was showed the influence of horizontal relative displacements of each level and the stiffness degradation as key parameters in determining the damage to a building. All this was revalidated with a probabilistic approach to the Damage Index. Experimental results showed very similar values in absolute and relative terms to those obtained in the numerical models. In these numerical and experimental process was used the Capacity Parametric Model (CPM) and the fragility and damage models associated with this methodology. Finally to achieve structural continuity at the structural joint of steel columns with reinforced concrete elements, it was evidenced that it can be used the AISC and ASCE design criteria for base-plates for steel columns. Otherwise, the composite joints should be considered semi-rigid connections.

En este estudio se evaluó el comportamiento sísmico de edificios porticados con estructuras compuestas de acero y hormigón armado con configuraciones estructurales formadas con niveles inferiores de hormigón armado (estructura primaria) y niveles superiores de acero (estructura secundaria). Este tipo de configuración resulta de modificaciones post-proyecto o post-construcción. Se analizó la vulnerabilidad sísmica y el comportamiento estructural de modelos típicos de edificios de uso residencial o comercial que actualmente se construyen o se han construido en la zona metropolitana Barquisimeto-Cabudare en Venezuela. Los modelos o edificaciones existentes se dividen en tres grupos: de baja altura, altura media y edificios altos según la definición de algunos de los códigos utilizados. Los niveles con estructuras de acero corresponden al último o dos últimos niveles de la edificación. Se realizaron análisis de naturaleza no lineal estáticos y dinámicos para determinar los parámetros de capacidad, fragilidad y daño de los sistemas estructurales según los criterios de proyectos como el RISK UE, FEMA 750 y ATC 40 junto con metodologías como Espectro-Capacidad, N2, Adaptive Pushover y el Modelo Paramétrico de Capacidad. En algunos modelos fue notable la diferencia de desempeño en función de las rigideces y las alturas de los modelos; en los desplazamientos relativos de entrepiso se evidencia que en algunos pórticos ciertos niveles experimentan su máximo desplazamiento en el rango elástico de respuesta, mientras que en otros niveles existe una alta concentración de inelasticidad. Las curvas de fragilidad y los índices de daño fueron determinados con dos metodologías distintas a fin de revisar el comportamiento en términos de confiabilidad y se evidencia que en algunos sistemas estructurales existe una gran probabilidad de daño nulo mientras que en otros existen altas probabilidades de daño que incursionan en los estados límites moderado, severo y colapso. En los análisis historia-temporal (Time-History) y Dinámico Incremental (IDA) se revisaron 5 acelerogramas híbridos y se generaron 5 artificiales o sintéticos; Todos fueron normalizados y cada uno de ellos, junto a sus correspondientes medias y desviaciones máximas y mínimas, fueron utilizados para efectos de la confiabilidad estructural lo que resultó en 20 señales espectrales estudiadas. Todas estas señales son compatibles con el espectro elástico normativo de la zona en estudio. Los resultados numéricos muestran que con los acelerogramas utilizados la mayoría de los modelos estudiados sufren deformaciones laterales y degradaciones de rigidez significativas, incursionando frecuentemente más allá de estados límites aceptables desde el punto de vista normativo. Se realizaron ensayos experimentales en un pórtico mixto de dos niveles de hormigón armado (nivel inferior) y acero (nivel superior) y una junta mixta acero-hormigón armado a escala real. Ambos ensayos fueron sometidos a cargas laterales cíclicas a fin de determinar sus características, comportamiento y capacidad ante acciones histeréticas en términos de degradación de rigidez y evolución de daño. En la capacidad e índice de daños en los modelos matemáticos, se evidenció la influencia de los desplazamientos relativos de cada nivel y la degradación de rigidez como parámetros fundamentales en la determinación del daño. Todo esto fue convalidado con un enfoque probabilista del daño. Los resultados experimentales arrojaron valores muy similares a los obtenidos en los modelos numéricos utilizándose en este proceso el Modelo Paramétrico de Capacidad y los modelos de fragilidad y daño asociados a este método. Finalmente, para lograr continuidad estructural en la unión mixta de columnas de acero con elementos de hormigón armado, se concluye que es posible utilizar los criterios establecidos en AISC y ASCE para el diseño de placas base en columnas de acero. De otro modo, las juntas tendrían que ser consideradas semi-rígidas.