Evaluación de los métodos de análisis estático no-lineal para determinar el desempeño sísmico de estructuras aporticadas de concreto armado

Abstract

En los últimos años se han desarrollado nuevas metodologías para estimar la demanda sísmica en edificaciones existentes utilizando técnicas de análisis estático no-lineal. Algunos documentos como el ATC-40 y el FEMA-356 contienen procedimientos simplificados que incorporan el análisis estático no-lineal con el objetivo de estimar de una manera más real el desempeño de las estructuras y constituyen un avance con relación a las técnicas tradicionales de análisis lineal con espectros reducidos. No obstante, se han publicado trabajos que han evaluado los procedimientos propuestos por el ATC-40 y el FEMA-356 concluyendo que la demanda sísmica estimada por estos métodos puede diferir significativamente de la demanda real obtenida con el método “exacto” de análisis dinámico no-lineal. Estas evaluaciones han conducido al surgimiento de otros procedimientos, tal como el desarrollado recientemente por los profesores Chopra y Goel denominado análisis estático no-lineal modal o MPA, que integra el análisis estático no-lineal con el conocido análisis de superposición modal. Sin embargo, este procedimiento no ha sido todavía evaluado en estructuras de concreto armado. Por otro lado, existen en Venezuela numerosas edificaciones construidas en décadas anteriores que no satisfacen las nuevas disposiciones contenidas en las normas de diseño estructural y sismorresistente y por ende presentan una elevada vulnerabilidad que ameritan medidas de evaluación y adecuación estructural a fin de mejorar su desempeño sísmico. Dentro de estas edificaciones se encuentran las educacionales, edificaciones que deben ser evaluadas con sumo cuidado para garantizar su operatividad durante sismos extremos. Algunos tipos de edificaciones escolares, que involucran unos cuantos centenares de unidades estructurales nominalmente idénticas, poseen graves deficiencias desde el punto de vista sismorresistente y se encuentran implantadas en vii diversas regiones del país incluyendo zonas de elevada amenaza. El principal objetivo de esta investigación es el análisis y la evaluación de los métodos de análisis estático no-lineal para determinar la demanda sísmica en edificaciones de concreto armado y su aplicación a la evaluación de una escuela tipo. Desde un marco conceptual se describen y se comparan en este trabajo los métodos de análisis estático no-lineal que han sido propuestos recientemente para estimar la demanda sísmica, entre los que se encuentran los métodos presentados en ATC-40 y FEMA-356 y el análisis estático no-lineal modal MPA. Para la evaluación numérica de estos métodos de análisis estático no-lineal se consideraron diversos modelos aporticados de concreto armado de uno, dos y siete pisos sometidos a seis movimientos sísmicos. Uno de los modelos analizados corresponde a un pórtico perteneciente a una escuela tipo localizado en varias regiones del país. En primer lugar se evalúan los efectos de la relación de la resistencia viga/columna, del nivel de carga axial en las columnas, separación del refuerzo transversal y efecto de elementos no estructurales, tales como las paredes y bancos, en las curvas de capacidad de un pórtico plano de un piso y de una escuela tipo. En cada caso se presenta la distribución del daño en los elementos, los mecanismos de falla y la capacidad de ductilidad que puede presentar la estructura al incursionar en el rango no-lineal. Basados en los modelos estudiados en esta parte de la investigación, podemos decir que en general la técnica del análisis estático no-lineal representa de manera confiable el comportamiento no-lineal de las estructuras, lográndose obtener, de manera analítica, relaciones de corte basal-desplazamientos del techo, mecanismos de fallas y ductilidades acordes a los resultados de ensayos a modelos reales. Posteriormente para pórticos bajos de concreto armado, se comparan las demandas sísmicas máximas “aproximadas” derivadas de estos métodos de análisis estático no-lineal con la demanda sísmica máxima “exacta” que se obtiene del análisis dinámico no-lineal. Se encuentra que los procedimientos presentados por el ATC-40 y el FEMA-356 no muestran una confiabilidad uniforme para todas las estructuras estudiadas, mostrándose errores excesivos en algunos casos. El procedimiento MPA proporciona una mejor aproximación de la demanda sísmica que los métodos del ATC-40 y el FEMA-356. Bajo el marco de la Norma Sísmica vigente se determinó el riesgo a que está expuesta la edificación Tipo Antiguo en las diferentes zonas en que se divide el país encontrándose demandas excesivas que ameritan reforzar la estructura aún en las zonas de baja amenaza. Dado el alto grado de vulnerabilidad obtenido para el edificio Antiguo se procedió a elaborar dos alternativas de refuerzo de las cuales se evaluaron parámetros técnicos, constructivos y económicos. Finalmente se presenta una aplicación del procedimiento MPA en la evaluación de las alternativas de refuerzo de la escuela Tipo Antiguo. El análisis no-lineal modal MPA resulta una herramienta útil para la evaluación y refuerzo de estructuras existentes de concreto armado de pocos pisos.