Diseño sísmico de edificios resilientes: evaluación probabilística de la performance ante terremotos de distinta intensidad

Title

Diseño sísmico de edificios resilientes: evaluación probabilística de la performance ante terremotos de distinta intensidad

Contributor

Bertero, Raúl D.

Publisher

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Date

2021-11-25

Extent

xxvi, 176 p.

Abstract

Terremotos recientes en países con alto nivel de preparación sísmica han demostrado que los requisitos mínimos impuestos en la mayoría de los reglamentos de construcción vigentes alrededor del mundo pueden resultar insuficientes para satisfacer las necesidades socioeconómicas de las regiones afectadas. A raíz de la creciente conciencia de los riesgos que entrañan los grandes terremotos, en los últimos años la atención mundial se ha centrado cada vez más en la necesidad de aumentar el grado de resiliencia de la infraestructura urbana. Desde el punto de vista de la ingeniería estructural, la condición de resiliencia implica que es tan importante asegurar la baja probabilidad de colapso de una estructura como mantener su funcionalidad o, al menos, garantizar su rápida rehabilitación después del evento. Dicho en otros términos, la condición de resiliencia exige cumplir con objetivos de performance (o desempeño) superiores a los reglamentarios. Esta tesis tiene el propósito de promover la introducción de tales objetivos en el diseño de estructuras civiles, tanto en zonas de alta sismicidad como en el caso particular de la Ciudad de Buenos Aires, Argentina, considerada muchas veces como una zona no sísmica. Cuando la amenaza sísmica en el sitio de emplazamiento es elevada, el mayor obstáculo para establecer este tipo de objetivos se encuentra en la dificultad de conducir una evaluación probabilística de la performance que permita verificar su cumplimiento. Rigurosamente, esto exige conducir cientos de análisis dinámicos no lineales con un modelo numérico sofisticado, lo cual lleva asociado un costo computacional que está muy por encima de las posibilidades actuales de la práctica de la ingeniería. Por esta razón, muchos estudios recientes han explorado la posibilidad de verificar esos objetivos de forma aproximada a partir un número limitado de análisis. Este trabajo presenta primero una revisión crítica de las distintas alternativas propuestas en la literatura para tal, discutiendo su marco teórico y demostrando las limitaciones de base que estas presentan para evaluar objetivos de performance planteados en términos probabilísticos. En base a esas observaciones, se introduce luego un procedimiento original de evaluación probabilística de la performance, el cual se apoya en la idea de que la selección de las historias de aceleración que deben ser utilizadas para verificar un determinado objetivo dependen de las características de la estructura y, por lo tanto, de su modelo numérico. El resultado es una metodología basada en modelos de distinto grado de complejidad que permite conducir con un costo computacional manejable para la práctica de la ingeniería sísmica una adecuada evaluación cuantitativa y cualitativa de esos objetivos. Se refiere a la misma como evaluación orientada a la demanda" en el sentido de que está explícitamente desarrollada para estimar el nivel de demanda asociado a la tasa de falla admisible del objetivo a verificar. Los beneficios del método se ilustran en la evaluación de la performance de un edición representativo de la práctica profesional actual en zonas de alta sismicidad. En Buenos Aires, a diferencia de lo comentado anteriormente, la dificultad de implementar diseños basados en la performance se explica, fundamentalmente, por la total ausencia de información referida a la amenaza sísmica en la región. La falta de atención que ha recibido históricamente la amenaza sísmica en Buenos Aires comenzó a subsanarse en 2015, cuando la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires instaló la única estación sismológica activa en la Ciudad. Este trabajo resume la información obtenida a partir de la primera serie de movimientos sísmicos registrados por la estación hasta la fecha. El análisis de esos registros demuestra la existencia de importantes efectos de sitio, los cuales hacen que Buenos Aires sea particularmente sensible a sismos lejanos de gran de magnitud como los que pueden producirse en el oeste de la Argentina y el centro de Chile. A partir de esas observaciones, se conduce un primer análisis probabilístico de la amenaza sísmica en Buenos Aires que incorpora la contribución de eventos locales y lejanos. Para ello, se desarrollan ecuaciones de predicción del movimiento de suelo específicas para la Ciudad, las cuales consideran las características particulares que presenta el depósito de suelo. Teniendo en cuenta que los resultados obtenidos sugieren que las prescripciones establecidas por el Reglamento Argentino para Construcciones Sismorresistentes podrían ser insuficientes, el trabajo culmina estableciendo recomendaciones que permitan llevar adelante diseños basados en la performance en Buenos Aires.
Recent earthquakes in countries with high level of seismic preparation have shown that the minimum requirements imposed in most building codes in force throughout the world may be insficient for satisfying the socio-economic needs of the afected regions. As a result of the increased awareness of the risks associated to large seismic events, researchers and practitioners have paid greater attention in recent years to the need of improving earthquake resilience of buildings and other infrastructure. From a structural engineering perspective, this implies that the design process should not focus only on minimizing collapse risks, but also on post-earthquake functionality or, at least, the ability of being repaired as quickly as possible after strong events. In other words, seismic resilience implies designing for higher performance than that provided by minimum code standards. The purpose of this thesis is to promote the introduction of such performance objectives in the design process of civil infrastructure, both in areas of high seismicity as in the City of Buenos Aires, Argentina, often considered a non-seismic zone. When the seismic hazard at the site of interest is high, the establishment of additional goals is hindered by the fact that verifying compliance requires performing a probabilistic performance assessment. Rigorously, this implies conducting hundreds of response history analyses with a sophisticated numerical model, a task that involves a computational efort that is not manageable in practical applications. For this reason, several studies have focused on developing approximate performance assessment procedures using only a limited number of analyses. This study presents a critical review of such approaches, discussing the theoretical framework and their limitations for evaluating performance objectives posed in probabilistic terms. Based on these observations, the thesis then introduces a novel performance assessment procedure, which stands on the idea that the earthquake records that should be used for evaluating a certain performance objective depend on the structure and, therefore, on its numerical model. The result is a procedure that relies on the use of models of diferent degree of complexity. It is referred to as a \demand-oriented assessment" in the sense that it aimed at estimating the level of demand associated to the allowable failure rate of the performance check of interest. The benficts of the proposed procedure are illustrated in the performance assessment of an archetype building representative of current engineering practice in areas of high seismicity. In Buenos Aires, unlike the aforementioned, the greatest challenge that must be overcome for implementing performance-based design concepts is the total absence of information related to the seismic hazard at the site. Earthquake hazards in Buenos Aires have been traditionally ignored until 2015, when the School of Engineering of the University of Buenos Aires installed the only working seismometer in the city. This study summarizes the information obtained from the first set of ground motions recorded in Buenos Aires to date. The analysis of these records shows the existence of signficant site effects, which make Buenos Aires particularly sensitive to distant earthquakes of great magnitude, such as those that occur in western Argentina and central Chile. Based on these observations, the thesis conducts a preliminary probabilistic seismic hazard analysis that considers both local and long-distance events. In order to achieve this, a set of site-specific ground motion prediction equations are developed considering the features of the soil deposit. Noting that these preliminary results suggest that the provisions of the Argentine building code could be insuficient, the study establishes recommendations for implementing performance-based approaches in Buenos Aires.