Efecto de la rigidez en el desempeño sísmico de edificios estructurados con muros de hormigón armado

Los edificios de muros estructurales de hormigón armado (HA) han sido construidos ampliamente en regiones sísmicas sobre todo el mundo. Observaciones en pasados sismos han mostrado que los edificios de muros de HA generalmente se desempeñan bien en términos de seguridad estructural. Por ejemplo, durante el sismo de Maule de 2010 en Chile, ocho personas murieron en edificios modernos, solo un edificio con muros estructurales colapsó, mientras que pocos fueron severamente dañados. La evidencia empírica parece indicar que el uso de una gran densidad de muros, y por lo tanto de una gran rigidez lateral, ha contribuido al buen desempeño reportado posterior a terremotos de gran magnitud. Sin embargo, no se han identificado estudios analíticos que cuantifiquen el efecto de la rigidez en el desempeño sísmico de estos edificios, en términos de la seguridad de colapso y las pérdidas monetarias. El objetivo de esta investigación es evaluar el efecto de la rigidez en el desempeño sísmico de edificios residenciales con muros de hormigón armado diseñados según las regulaciones Chilenas actuales, incluyendo el DS60 y DS61. Específicamente, la tesis se focaliza en evaluar el efecto de la rigidez en la sobrerresistencia, ductilidad de desplazamiento, fragilidad para los estados límites de seguridad de la vida (LS) y colapso, probabilidad de alcanzar estos dos estados límites en 50 años. Adicionalmente, se estima la pérdida anual espera (EAL) y el valor presente (PV) de la pérdida en 50 años. El desempeño sísmico es evaluado para un grupo de cuatro arquetipos de edificios residenciales de 20 pisos con muros estructurales localizados en Santiago. Los muros fueron modelados usando el modelo de elemento de varias líneas verticales (MVLEM) con materiales histeréticos inelásticos para los elementos verticales, y un comportamiento a corte elástico y lineal. Análisis estáticos no lineales fueron considerados para estimar la sobrerresistencia de los edificios y la ductilidad de desplazamiento. Adicionalmente, análisis dinámicos incrementales (IDAs) fueron ejecutados para estimar las curvas de fragilidad, las probabilidades de excedencia de los estados límites de LS y colapso dada cierta medida de intensidad, y los coeficientes de margen de LS y colapso. Un análisis probabilístico de la amenaza sísmica (PSHA), el cual consideró la sismicidad de la zona central de Chile, fue utilizado para estimar la probabilidad de alcanzar los dos estados límites en 50 años. En este estudio, la EAL y el PV asociados a los costos de reparación y reemplazo de los edificios se usaron como medidas de pérdida económica. Para el cálculo de la EAL se usó la metodología desarrollada por el Pacific Earthquake Engineering Center (PEER), la cual integra cuatro análisis: análisis de amenaza, análisis estructural, análisis de daño, y análisis de pérdida. En el análisis de amenaza, la probabilidad que ocurra una cierta medida de intensidad de movimiento del terreno se determinó usando los resultados del PSHA. En el análisis estructural, las distribuciones de probabilidad de los parámetros de demanda ingenieril de los edificios de estudio se obtuvieron desde los IDAs. En el análisis de daño, la probabilidad que un componente esté en cierto estado de daño se calculó usando funciones de fragilidad existentes. Por último, en el análisis de pérdida, la pérdida ocasionada en cada componente se describió probabilísticamente mediante funciones de pérdida. Estas funciones se desarrollaron estimando el costo de reparación de los componentes susceptibles a daño. Los resultados de esta investigación muestran que cuando la rigidez se incrementa la probabilidad de alcanzar el estado límite LS en 50 años disminuye. Contra intuitivamente, la probabilidad de colapso en 50 años aumenta cuando la rigidez se incrementa, debido a la amenaza sísmica considerada y a los requerimientos de diseño. El análisis probabilístico de pérdida económica muestra que cuando la rigidez del edificio aumenta la EAL también aumenta. Esto implica que desde el punto de vista económico, los edificios más rígidos son más vulnerables que los edificios más flexibles. Este encuentro igualmente contra intuitivo es el resultado de la mayor amenaza sísmica de los edificios más rígidos y del esfuerzo de corte mínimo requerido por el DS61. Adicionalmente, se encontró que los valores de EAL y PV en 50 años para los cuatro edificios de estudio, no superan el 0.31% y 8.07% del costo total de construcción de los edificios. Estas pérdidas monetarias son relativamente bajas, lo que es consistente con el buen desempeño sísmico mostrado por los edificios de muros de hormigón armado.