Nuevo enfoque de diseño sísmico para edificaciones en muros de concreto reforzado utilizando aislamiento en base

Abstract

En América Latina se ha popularizado el uso de muros de concreto reforzado como sistema estructural para la construcción de vivienda en altura, debido a su economía, velocidad de construcción y máximo aprovechamiento de áreas; sin embargo, el sistema se caracteriza por ser de baja ductilidad por la gran rigidez de los muros, motivo por el cual su desempeño se ve comprometido ante la respuesta a los diferentes sismos ocurridos en los últimos años. Para mejorar el desempeño de este sistema estructural, los reglamentos actuales aumentan las exigencias de diseño y de ductilidad con el uso de elementos de borde, aumento de secciones mínimas y aumento del valor de los esfuerzos cortantes mayorados, que al final del ejercicio se concluye en un aumento de costo de construcción de la edificación, y sin la garantía de que se obtenga el máximo desempeño esperado con la aplicación de estas acciones. Así, se debe buscar la forma de optimizar el desempeño de este tipo de estructuras mediante otras maneras que no requieran el aumento de secciones y de cuantías de aceros; y puede ser controlando la demanda sísmica que la estructura tenga ante la presencia de determinados sismos. En este caso, el aislamiento en la base del edificio es una opción que debe tenerse en cuenta pues su uso permite disminuir las exigencias sísmicas sobre la super estructura con lo que se puede llegar a tener un mejor desempeño estructural sin la necesidad de aumentar secciones, resistencias o cuantías de acero. Esta investigación toma tres edificios de 8, 12 y 16 pisos, con estructuras de muros en concreto reforzado de diferentes espesores y resistencias, localizados en zona de amenaza sísmica alta y en un suelo de condiciones y características del tipo D según el Reglamento NSR-10 que rige para Colombia, los cuales se diseñan con el método dinámico espectral elástico, detallando sus elementos, tanto en refuerzos para el alma como los elementos de borde, según los criterios del Reglamento NSR-10. Con el detallado y las características no lineales de los materiales usados para el diseño elástico, se analizan las mismas estructuras bajo el criterio del comportamiento inelástico mediante la implementación de rótulas de plasticidad distribuida en todos los muros. Este mismo procedimiento de diseño y análisis es repetido para los tres edificios equipándolos con aisladores sísmicos, comparando su desempeño sísmico con el obtenido de los análisis de los edificios de base fija. Los resultados muestran que se mejora el desempeño de la estructura aislada ante la ocurrencia de los sismos pasando de un nivel de desempeño de protección de la vida a uno de ocupación inmediata. Adicionalmente se observa que la super estructura de los edificios equipados con aisladores sísmicos tienden a mostrar un comportamiento de cuerpo rígido con derivas de piso equivalentes a solo un 10% de las derivas de los edificios de base fija. También se observa que el rango del valor del factor de reducción por disipación de energía R, establecido por la American Society of Civil Engineers, de 3/8 de R_0 y que no sea mayor que 2.0 ni menor que 1.0, puede ser aplicado para este tipo de estructuras; y, por otro lado, que el uso del aislamiento en base permite disminuir hasta un 50% el acero que es necesario si se diseña el edificio con base fija, superando el nivel de desempeño de la estructura. Se destaca también que las aceleraciones de piso que se obtienen cuando se diseña la estructura de muros de concreto con la base fija, son aproximadamente tres veces y medio el valor de la máxima aceleración encontrada en la estructura con base aislada, lo que implica que el edificio con aislamiento sísmico sea más económico en lo que respecta al diseño de los elementos no estructurales y que, adicionalmente, resguarda más los contenidos del edificio (Texto tomado de la fuente)

In Latin America, the use of reinforced concrete walls as a structural system for the construction of high-rise housing has become popular solution, due to its economy, speed of construction and maximum use of building areas; however, this structural system is characterized by a low ductility capacity due to the large rigidity of the walls, compromising the building’s response and performance during recent seismic events. To improve the performance of this structural system, the current regulations increase the detailing and ductility requirements by forcing the use of boundary elements, increasing the minimum cross-sections, and augmenting the value of the design shear forces, that lead to an increase of the building cost, without the guarantee of increasing the expected seismic performance. Thus, it is necessary to look for ways to optimize the seismic performance of this type of structures without increasing cross-sections and steel reinforcement. This can be done by controlling the seismic demand on the structure. Seismic base isolation is an option that must be taken into account since its implementation allows reducing the seismic demands on the superstructure, improving its seismic performance without increasing cross-sections, strength or steel reinforcement. This research uses three buildings of 8, 12 and 16 stories, characterized by reinforced concrete wall structures of different thicknesses and strength, located in a high seismic risk zone in a soil type D according to the Colombian NSR-10 building code. These buildings were designed following the elastic spectral dynamic method, and the reinforcement detailing of the structural walls, of both the web and boundary elements were carried out according to the requirements of the Colombian NSR-10 building code. Based on the steel reinforcement and the nonlinear characteristics of the materials used for the elastic design, the same structures are analyzed under nonlinear analysis through the implementation of plasticity distributed hinges in all the walls. The same design and analysis procedures are repeated for the three buildings equipped with seismic isolation, comparing their seismic performance with that obtained from the analyses of the fixed base buildings. The results show that the performance of the isolated structures is better compared to that of the fixed based buildings, moving from a life safety performance level to immediate occupation. Additionally, it is observed that the superstructure of the buildings equipped with seismic isolators tend to show a rigid body behavior with inter-story drifts equal to 10% of those of the fixed base buildings. It is also observed that the value of the reduction factor R, established by the American Society of Civil Engineers, as 3/8 of that of the fixed based building, and varying between 1.0 and 2.0 can be applied for this type of structures. In addition, the use of seismic base isolation allows reducing up to 50% the reinforcement steel necessary for the building if designed as fixed base, while improving the level of seismic performance of the structure. It is also noteworthy that the peak floor accelerations obtained from the fixed base buildings, are approximately three and a half times larger than those of the seismic isolated buildings. These results demonstrate that the buildings equipped with seismic isolation exhibit smaller cost in terms of the design of nonstructural elements, while reducing the seismic demand on the contents of the building