Análisis estructural probabilista orientado a evaluación del daño sísmico con aplicaciones a tipologías constructivas empleadas en Costa Rica
Authors:   , Hidalgo Leiva Diego 
Published: July 2023

The damage assessment of structures under seismic actions, must seek the implementation of new theories, tools and procedures that reduce the uncertainty associated to the expected structural response of a building. This response could be affected by the seismic action and the conditions in which it was characterized as well as the mathematical models used to assess the materials and elements behavior and their interaction.
In this doctoral thesis, new information about the seismic hazard of Central America with emphasis in Costa Rica is presented. For this purpose, an accelerograms data base was used. It contained more than 3000 records from more than a 1000 seismic events. This data base was characterized and important peculiarities for further structural analysis were calculated. Furthermore, new seismic orientation-independent intensity measurements were determined, allowing the estimation of median and maximum values for the 5% damped response spectrum.
Also, a novel technic to estimate the maximal orientation-independent seismic hazard is proposed. With it, the calculation time cost is considerably reduced, increasing the possibility of applicability. On the other hand, a spectral matching method is presented allowing to compatibilized the response spectrum of a group of records with the design response spectra provided for Costa Rica.
For the structural analysis two typologies of common used in Costa Rica were selected. The first one is a two floors reinforced concrete masonry dwelling. The second one corresponds to a 18 storey building with dual reinforced concrete system. Both structures were designed using the Costa Rican Seismic Code and are based on real structures design by the author of this work.
For the damage assessment, the results of methods that used the capacity curves (obtained from a static non-linear analysis) are compared with the results obtained with the Park and Ang damage index and the maximum inter story drift (based on a dynamic non-linear analysis). The evaluation reveals that the behavior of both structures concurs with the design performance criteria.
The analysis is performed with deterministic and probabilistic cases applying advanced techniques to optimize the sampling of variables. Capacity, fragility and damage curves are presented and correlated with both seismic intensity measures and displacement for the 5,50 and 95 percentiles. In general, deterministic results are closely related with percentile 50, especially in the linear structural response range.
A model to parameterize the capacity curves is used. This model takes 5 parameters into account and makes possible to obtain an excellent adjustment between the original and the fitted curves. For the masonry dwelling an adjustment by sections was applied showing enhanced results.
Finally, a damage model that takes into account the capacity spectrum to adjusts the obtained damage curve with the Park and Ang Index is used. Also, an improved version of the initial damage model is proposed. This methodology shows a better adjustment, especially for structures with brittle behavior.
La evaluación del daño sísmico en las estructuras, es una tarea que debe buscar la implementación de nuevas teorías, herramientas y procedimientos para reducir la incertidumbre asociada a la determinación de la respuesta estructural esperada. Dicha respuesta se ve afectada tanto por la amenaza y las condiciones en que ésta es caracterizada, como por los modelos numéricos empleados para caracterizar el comportamiento del material, de los elementos, así como su interacción. En la presente tesis doctoral se realizan aportes novedosos en pro de mejorar el conocimiento de la amenaza sísmica en la zona centroamericana, con especial énfasis en Costa Rica. Para esto se utiliza una base de datos de acelerogramas con más de 3000 registros provenientes de más de 1000 eventos sísmicos. Además de caracterizar la base de datos y sus principales peculiaridades de interés para el análisis estructural, se determinan nuevas medidas de intensidad sísmica, las cuales consideran la independencia del registro con respecto a la orientación del acelerómetro, permitiendo determinar valores medianos y máximos en la amenaza, definida mediante espectros de respuesta 5% amortiguada. Se propone también una nueva técnica para determinar la amenaza máxima independiente de la orientación del sensor, que reduce significativamente el tiempo de cálculo requerido, ampliando sus posibilidades de aplicación. Por otra parte, se aplican métodos de ajuste espectral que permiten ajustar un conjunto de registros de forma que sean compatibles con los espectros de diseño previstos para Costa Rica y puedan así ser usados en el análisis estructural. Para el análisis estructural, se han seleccionado dos tipologías constructivas de uso común en Costa Rica: tipo Muro y tipo Dual. La estructura tipo Muro es representativa de una vivienda unifamiliar de dos niveles que emplea mampostería de bloques de concreto, reforzada de manera integral. Por otro lado, la estructura tipo Dual corresponde a un edificio de 18 niveles, de uso residencial, que emplea el concreto reforzado combinando muros de carga y pórticos resistentes. Ambas estructuras fueron diseñadas bajo las directrices de la normativa vigente y toman, como base, estructuras existentes que fueron proyectadas por el autor de esta tesis. Para evaluar el daño esperado en las estructuras, se comparan los resultados obtenidos mediante los métodos basados en la curva de capacidad (obtenida de un análisis estático no lineal) con los resultados del índice de daño de Park y Ang (obtenida con un análisis dinámico no lineal incremental). Las evaluaciones realizadas reflejan un comportamiento adecuado de ambas estructuras bajo los criterios de desempeño establecidos en la norma de diseño. Los análisis estructurales son realizados para un caso determinista (con condiciones características) y para diversos casos probabilistas, aplicando técnicas avanzadas para la optimización del muestreo de las variables. Se obtienen entonces curvas de capacidad, curvas de fragilidad, curvas de daño dinámicas y correlaciones entre los parámetros de la acción sísmica y el desplazamiento, para los percentiles 5, 50 y 95. En general, los resultados del caso determinista se acercan al resultado del percentil 50, sobre todo en el rango lineal de la respuesta estructural. Se emplea un modelo para parametrizar las curvas de capacidad que emplea 5 parámetros. Con este método fue posible obtener un excelente ajuste entre la curva real y la modelada. Para el caso de la estructura tipo Muro, se aplicó además un ajuste a tramos, el cual brinda mejores resultados. Finalmente, se hace uso de un modelo de daño el cual toma como base el espectro de capacidad para ajustar la curva de daño de Park y Ang. Se propone, además, una mejora al modelo de daño inicial, que permite modelar mejor el comportamiento de estructuras frágiles.