Estudio comparativo de pórticos resistentes a momentos empleando el método de análisis estático no lineal de plastificación progresiva para el cálculo simplificado del coeficiente R

Abstract

Las metodologías de diseño sísmico en la mayoría de códigos de diseño estructural, incluyendo la el Reglamento Colombiano de Diseño y Construcción Sismo Resistente NSR-10; Decreto 926 de 2010 y demás decretos reglamentarios, se basan en premisas de cargas estáticas y dinámicas aplicadas en análisis elásticos definidos a partir de un espectro elástico paramétrico de diseño, e implicando indirectamente el comportamiento inelástico del sistema a través de reducciones en las solicitaciones sísmicas con factores de reducción que representen la capacidad de disipación de energía del sistema al entrar en el intervalo de deformaciones inelásticas, como el coeficiente R utilizado en el reglamento NSR-10. Las estructuras sometidas a eventos sísmicos iguales o mayores al sismo de diseño presentan un trabajo dúctil al entrar en el intervalo de deformaciones inelásticas, permitiéndoles disipar la energía transmitida por el sismo. A pesar que se emplea el coeficiente R para tener en cuenta las capacidades inelásticas de los elementos estructurales, durante las metodologías de análisis no se desarrolla un análisis propiamente inelástico que represente adecuadamente el comportamiento no lineal de la estructura. El valor de R depende de las características del suelo, de la ductilidad del sistema estructural, del régimen de deformaciones, es decir del comportamiento histerético de las deformaciones ante ciclos de cargas, del periodo y del amortiguamiento del sistema estructural; sin embargo, para los códigos de diseño el valor del coeficiente R se toma de tablas en función del material empleado, el nivel de disipación de energía exigido y las características del sistema estructural; valores que no abarcan en su totalidad los parámetros necesarios para definir adecuadamente la ductilidad de la estructura. El análisis por pushover es una metodología de análisis no lineal para modelizar el comportamiento inelástico de las estructuras. Gracias a las herramientas de software de diseño disponibles actualmente, esta metodología se emplea cada vez más en el medio, para determinar características no lineales de los sistemas estructurales. El presente trabajo final de maestría se basó en la comparación entre valores del coeficiente R obtenidos como resultado del análisis no lineal estático de plastificación progresiva (pushover) y el valor de R definido para el diseño sísmico por el código de la NSR-10. Se evaluaron modelos tridimensionales de estructuras con sistemas de pórticos resistentes a momentos, desde la etapa del predimensionamiento, la definición de las solicitaciones y el detallado de refuerzo; realizando un análisis de sensibilidad a partir de las dimensiones de las secciones de los elementos estructurales, la cantidad de cuantía de refuerzo en la sección y la variación en número de niveles en altura y buscando identificar los factores comunes que permitieran determinar de forma simplificada el valor del coeficiente de capacidad de disipación de energía R. Los resultados de los análisis, en función de la altura de la edificación, arrojaron valores entre 2.97 y 3.56 para el coeficiente de capacidad de disipación de energía, R. Lo que indica reducciones de hasta un 40% y 75% respecto al valor empleado para el diseño por el reglamento. Los resultados del análisis no lineal en función de los porcentajes de cuantía del refuerzo en vigas y columnas, muestran que a medida que los valores de cuantía aumentan dentro de la misma sección, el valor de R desciende hasta valores de 0.52. En comparación con estos valores, el reglamento NSR-10 especifica un valor de 5 (R = 5) para sistemas de pórticos resistentes a momento de concreto reforzado con una capacidad de disipación de energía moderada. Se comparó los resultados obtenidos en este trabajo, con la metodología de cálculo para Rμ definida por Newmark y Hall en función de la ductilidad y el periodo estructural, con esto se determinó que es un método aceptable pero que para periodos superiores a los 0.5 s puede generar inconsistencias en los valores de Rμ resultantes ya que superan hasta en un 180% el valor especificado por la NSR-10 para el diseño. De igual forma, la ductilidad global muestra como resultado una ductilidad global mínima de 4.67 la cual se da en la estructura de 2 niveles, una ductlidad maxima es de 9.00 para la estructura de 12 niveles; se observa que con alturas mayores a 33.6 m (12 niveles) la ductilidad comienza a descender, inclusive alcanzado ductilidades menores a las obtenidas para las estructuras bajas. Para la relación con la cedencia en la formación de las rótulas plásticas, el momento de diseño es menor que el momento de fluencia global, lo que indica que, de acuerdo a las características inelásticas del elemento, la cedencia se alcanza para una fuerza a flexión mayor que la definida en el diseño, lo que incurriría que la falla de los elementos ocurra de forma frágil. (Texto tomado de la fuente)

The seismic design methodologies in most structural design codes, including the Colombian Seismic Design and Construction Regulations, NSR-10; Decree 926 of 2010 and other regulatory decrees, are based on static and dynamic load premises applied in elastic analysis defined from a parametric elastic design spectrum, and indirectly implying inelastic system behavior through reductions in seismic forces, using reduction factors that represent the system energy dissipation capacity in inelastic range of deformations, such as the R coefficient used in the NSR-10 code. Structures subjected to seismic events equal to or greater than the design earthquake present ductile behavior when they enter their inelastic deformations range, allowing them to dissipate the energy transmitted by the earthquake. Although the R coefficient is used to take into account the inelastic capacities of the structural elements; elastic analysis methodologies do not develop an inelastic analysis that adequately represents the structure non-linear behavior. The R value depends on structural system soil characteristics, structural system ductility, deformation regime, that is, the deformations for hysteretic behavior under load cycles, period and damping; However, for design codes, the R coefficient value is taken from tables depending on the used material, the energy dissipation required level and the structural system characteristics; values that do not fully cover the necessary parameters to adequately define the structure ductility. Pushover analysis is a non-linear analysis methodology to model the structure inelastic behavior. Thanks to the currently available design software tools, this methodology is increasingly used in the field, to determine structural systems non-linear characteristics. The present final master's work was based on a comparison between R values coefficient obtained as a non-linear static analysis (pushover) results and the R value defined for NSR-10 seismic design code. Three-dimensional moment-resistant frame structures models were evaluated, from the pre-dimensioning stage, forces definition and reinforcement detailing; carrying out a sensitivity analysis based on structural sections dimensions, reinforcement section amount and number of levels variation; seeking to identify any common factors that would allow the determination of a simplified method to verify the energy dissipation capacity coefficient value, R. The non-linear analysis results, as a function of building height, resulted in Rμ values between 2.97 and 3.56. which indicates reductions of up 40% and 75% respect to the R value used for designs by codes. The non-linear analysis results as a function of the amount of reinforcement in beams and columns, shows that as the values increase within the same section, the R value decreases down to 0.52. Compared to these values, the NSR-10 regulation specifies a value of (R = 5) for moment-resistant frame systems of reinforced concrete with moderate energy dissipation capacity. The results obtained in this work were compared with the calculation methodology for Rμ defined by Newmark and Hall as a function of structural ductility and period. It was determined to be an acceptable method, but for periods greater than 0.5 s it probably generate inconsistencies in Rμ values because it results in values exceed up to 180% the R value using in designs by the NSR-10. Minimum global ductility is 4.67, for the two levels model; maximum ductlity is 9.00, for the 12 levels model; it can be seen that models with heights greater than 33.6 m (12 levels) have lower ductility, even lower than shorter models. As for the yield ratio in the formation of plastic hinges, the design moment is less than the global yield moment, which indicates that according to the element’s inelastic characteristics, yielding is achieved for a flexural force greater than the force calculated in design, which could result in a brittle failure.