Metodología para estimación del daño sísmico en edificios en base a modelos numéricos avanzados y monitorizaciones RAR

Abstract

(English) In post-seismic scenarios, the rapid and safe evaluation of structural damage is essential to develop an effective response during the recovery, rehabilitation and reconstruction stages. The development of new inspection tools based on the use of remote sensors that make access to the interior of damaged buildings unnecessary, thus safeguarding the lives of technicians, is promising. This thesis work investigates the feasibility of using natural vibrations to detect the structural health status of buildings, in order to distinguish structurally unsafe or unstable states from safe configurations. The theoretical basis underlying the research is that the modal properties of buildings change with damage accumulation. Three axes structure the proposal to develop new safe and rapidly applicable inspection tools: i) Advanced numerical modelling of buildings in three dimensions (3D); ii) The application of advanced methodologies for assessing the vulnerability, fragility and seismic damage of structures: iii) The use of original and novel technology based on microwave interferometry and using a real aperture radar (RAR), for the remote measurement of vibrations in structures excited by ambient noise. The object of study has been medium-rise housing constructions belonging to one of the most common construction typologies in Spain, such as reinforced concrete buildings with waffle or unidirectional slabs and with an inner wall system built with hollow ceramic brick masonry. As case studies, two buildings affected by the earthquake (Mw 5.1), which occurred in Lorca on May 11, 2011, and an operational building located in Barcelona have been selected. The methodology used to estimate the vulnerability and damage states observed in these buildings are those considered as standards in advanced seismic risk analysis programs. The necessary calculations to evaluate the modal behaviour, as well as the structural performance against specific seismic demands, are the capacity spectrum method and the incremental dynamic analyses applied using advanced numerical models of the buildings and taking into account the directionality of the seismic action. Based on the structure analysis software used, an original and practical methodology is proposed to obtain the damage index of the structure that can be evaluated at each step of the incremental lateral pushover analysis. This methodology obtains a damage index based on the results stored by the calculation software at each stage of the pushover analysis. The results of this proposal have been satisfactorily compared with the damage indices obtained using other advanced methodologies. Other remarkable results have been obtained studying the variation of the modal parameters with the accumulation of damage. The variations of the fundamental periods have proven to be a good indicator of the accumulation of damage. The variation of mass participation factors with increasing damage has also been explored. Numerical models of the same building having different accumulations of earthquake damage have been generated. This has made it possible to compare the damage configurations with the configuration of the healthy operational building and to identify and quantify the contribution of the non-structural inner walls in the dynamic behaviour and the resistance capacity of the building. A general conclusion is that RAR technology, non-invasive and remote, can contribute to substantially reduce inspection times and mitigate the risk for inspectors and technical teams during the evaluations of buildings in post-seismic scenarios or damaged by other natural or anthropogenic causes.

(Español) En escenarios post-sísmicos, la evaluación rápida y segura del daño estructural es esencial para desarrollar una respuesta eficaz durante las etapas de recuperación, rehabilitación y reconstrucción. Es prometedor el desarrollo de nuevas herramientas de inspección basadas en el uso de sensores remotos que hacen innecesario el acceso al interior de los edificios dañados, salvaguardando de este modo, la vida de los técnicos. Este trabajo de tesis investiga la viabilidad de utilizar vibraciones naturales para detectar el estado de salud estructural de los edificios, con el objeto de distinguir estados estructuralmente inseguros o inestables de configuraciones seguras. La base teórica que sustenta la investigación es que las propiedades modales de los edificios cambian con la acumulación de daño. Tres ejes estructuran la propuesta para desarrollar nuevas herramientas de inspección seguras y de rápida aplicación: i) La modelización numérica avanzada de los edificios en tres dimensiones (3D); ii) La aplicación de metodologías avanzadas de evaluación de la vulnerabilidad, la fragilidad y el daño sísmico de las estructuras; iii) La utilización de tecnología original y novedosa basada en la interferometría de microondas y empleando un radar de apertura real (RAR), para la medición remota de vibraciones en estructuras excitadas por ruido ambiente. El objeto de estudio han sido construcciones habitacionales de altura media pertenecientes a una de las tipologías constructivas más comunes en España como son los edificios de hormigón armado con forjados reticulares o unidireccionales y con un sistema de cerramientos construidos con fábrica de ladrillo cerámico hueco. Como casos de estudio, se han seleccionado dos edificios afectados por el sismo (Mw 5,1), ocurrido en Lorca el 11 de mayo de 2011, y un edificio sano y en servicio situado en Barcelona. La metodología utilizada para estimar la vulnerabilidad y los estados de daño observados en estos edificios, son los considerados como estándares en los programas avanzados de análisis del riesgo sísmico. Los cálculos necesarios para evaluar el comportamiento modal, así como el desempeño estructural frente a demandas sísmicas específicas, son el método del espectro de capacidad y los análisis dinámicos incrementales aplicados utilizando modelos numéricos avanzados de los edificios y tomando en consideración la direccionalidad de la acción sísmica. En base al software de análisis de estructuras utilizado, se propone una metodología original y práctica para la obtención del índice de daño de la estructura evaluable en cada paso del análisis por empuje lateral incremental (pushover). Esta metodología obtiene un índice de daño en base a los resultados almacenados por la aplicación de cálculo en cada etapa del análisis pushover. Los resultados de esta propuesta han sido contrastados con los índices de daño obtenidos utilizando otras metodologías avanzadas con resultados muy satisfactorios. Otros resultados destacables se han obtenido con el estudio la variación de los parámetros modales con la acumulación de daño. Las variaciones de los períodos fundamentales han demostrado ser un buen indicador de la acumulación de daño. También se ha explorado la variación de los factores de participación de masas con el incremento de daño. Se han generado modelos numéricos de un mismo edificio con diferentes acumulaciones de daño por sismo. Esto ha permitido comparar las configuraciones de daño con la configuración del edifico sano e identificar y cuantificar la aportación de los cerramientos no estructurales en el comportamiento dinámico y en la capacidad resistente del edificio. Una conclusión general es que la tecnología RAR, no invasiva y a distancia, puede contribuir a reducir sustancialmente los tiempos de inspección y mitigar el riesgo para inspectores y equipos técnicos durante las evaluaciones de edificios en escenarios post-sísmico o dañados por otras causas naturales o antropogénicas.