uep análisis estructural sísmico de edificios de acero

241 Pages·2017·20.79 MB·Spanish

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RESUMEN S
I A E S E A :
L NÁLISIS STRUCTURAL ÍSMICO DE DIFICIOS DE CERO
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B
El principal objetivo de esta tesis es la evaluación probabilista del daño esperado en edificios de acero A
U E P
sometidos a las acciones sísmicas de diseño en la Ciudad de México. Aunque se efectúa un análisis B N NFOQUE ROBABILISTA
O
determinista, la acciónsísmica y los edificios se consideran de forma probabilista.Se analiza unaextensa
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base de datos de aceleración, con 7132 registros (3 componentes) de las 78 estaciones de la ciudad, de P
SERGIO A. DÍAZ ALVARADO
los cuales 1363, con aceleraciones pico (PGA) mayor de 0.01 g; este análisis, permite disponer de datos E
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representativosparacadaunadelas6zonassísmicasdelaciudad.Así,laacciónsísmicaencadazona,se 2017
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define mediante 20 acelerogramas compatibles y con error controlado, de forma que el valor medio y la O DIRECTORES:
desviación estándar de los 20 espectros correspondientes, coinciden con el espectro de diseño de cada F
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zona y con una función de error predefinida, respectivamente. Por otra parte, se consideran edificios E DR. ALEX H. BARBAT
porticados de 3, 7 y 13 pisos y 3 configuraciones estructurales: i) pórticos especiales resistentes a N DR. LUIS G. PUJADES BENEIT
momento (SMF) ii) pórticos con riostras concéntricas (SCBF) y iii) pórticos con riostras de pandeo U
restringido (BRBF). Las propiedades mecánicas de las secciones estructurales se consideran de forma :
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probabilista y se usa elmétodo de Monte Carlo y la técnica de muestreo del hipercubo latino. El análisis
R TESIS DOCTORAL DE INGENIERÍA SÍSMICA Y DINÁMICA ESTRUCTURAL
determinista se efectúa usando valores medios de edificios y acelerogramas. Se usan modelos 2D y E
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análisisnolinealestático(NLSA)ydinámico(NLDA)incremental(IDA).ElNLSA,permiteobtenerespectros A
de capacidad, curvas de fragilidad,curvas de dañomedio y relaciones entrePGA y el desplazamiento del
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punto de capacidad por demanda, que son fundamentales para comparar los resultados de los NLSA y D
NLDA.ElIDApermiteobtenerrelacionesdePGAconeldesplazamientomáximoeneltechoyconelíndice S
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de daño de Park y Ang (IPA). Los resultados muestran un comportamiento adecuado de los edificios; los
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BRBFsonlosquetienenunmejorrendimientoylosSMFlosquepeor.Elmayordañoesperadoseobtiene I
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para los edificios altos y, en particular, para los no arriostrados (SMF); este resultado se atribuye a la I
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amplificación de la acción sísmica, por efecto de suelos blandos de grandes espesores, afectando más a E
losedificiosaltos.Laincertidumbreenlarespuestacrececonlaseveridaddelterremotoyestádominada E
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por la incertidumbre en la acción sísmica; la influencia de las incertidumbres de las propiedades
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mecánicas de los edificios, aunque menor, es también significativa. Para los edificios estudiados, en
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general, el NLSA proporciona buenos resultados comparados con los del NLDA. El análisis determinista I
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muestraunabuenaconsistenciaconlosvaloresmedianosdelprobabilista,aunqueelanálisisprobabilista
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espreferible,yaquepermiteanalizarlasincertidumbres. SÍ
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En esta tesis se han desarrollado, implementado y aplicado métodos novedosos para el análisis de la
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acciónsísmicaydeldaño.Enreferenciaalaacciónsísmica,sehahechounestudiocompletodelefectode U
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direccionalidad en la Ciudad de México. En cuanto al análisis de daño, el cruce entre los espectros de
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capacidady dedemandase efectúausando unmétodode balancede energías;se haaplicadoelmodelo U
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paramétrico de capacidad, que parametriza los espectros de capacidad mediante 5 parámetros
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independientes y se han obtenido dos índices de daño que son compatibles con el IPA, pero que se S
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evalúan, de forma directa y sencilla, a partir de las curvas de capacidad; además se efectúa una
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evaluación probabilista del colapso, que permite obtener la frecuencia o tasa anual de colapso. I
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Finalmente, parte de los desarrollos de esta tesis se implementan en un programa interactivo que IL
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constituye una contribución práctica y útil de esta tesis; así, el programa “Probabilistic Seismic Risk”
N
(PSRv1.0), pretende ser una herramienta para una evaluación rápida del riesgo sísmico, en térmicos de A
tasasanualesdeexcedenciadeldañoesperado.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS
DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica
Programa de doctorado: Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural

Análisis estructural sísmico de edificios de acero:
un enfoque probabilista

Tesis doctoral presentada por

Sergio Alberto Díaz Alvarado

para optar al grado de doctor por la Universidad Politécnica de Catalunya

Directores:

Dr. Alex H. Barbat

Dr. Luis G. Pujades Beneit

Barcelona, septiembre de 2017

Curso académico: 2016 / 2017
Acta de calificación de tesis doctoral
Nombre y apellidos
Sergio Alberto Díaz Alvarado
Programa de doctorado
Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural
Unidad estructural responsable del programa
Departamento de Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica

Resolución del Tribunal

Reunido el Tribunal designado a tal efecto, el doctorando / la doctoranda expone el tema de la su tesis doctoral
titulada: “Análisis estructural sísmico de edificios de acero: un enfoque probabilista”.

Acabada la lectura y después de dar respuesta a las cuestiones formuladas por los miembros titulares del tribunal,
éste otorga la calificación:
NO APTO APROBADO NOTABLE SOBRESALIENTE

(Nombre, apellidos y firma) (Nombre, apellidos y firma)

Presidente/a Secretario/a
(Nombre, apellidos y firma) (Nombre, apellidos y firma) (Nombre, apellidos y firma)

Vocal Vocal Vocal

______________________, _______ de __________________ de _______________

El resultado del escrutinio de los votos emitidos por los miembros titulares del tribunal, efectuado por la Escuela de
Doctorado, a instancia de la Comisión de Doctorado de la UPC, otorga la MENCIÓN CUM LAUDE:
SÍ NO

(Nombre, apellidos y firma) (Nombre, apellidos y firma)

Presidente de la Comisión Permanente de la Escuela de Secretario de la Comisión Permanente de la Escuela de
Doctorado Doctorado

Barcelona a _______ de ____________________ de __________

A mi Esposa por ser la luz en mi vida

y a mis Padres por su apoyo incondicional.

“No hay viaje en esta tierra que no

pueda realizar un hombre si pone

todo su empeño en ello.”

H. Rider Haggard

AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, quiero dar gracias a Dios por darme la fortaleza de afrontar esta nueva etapa de mi
vida y por las experiencias vividas en este tiempo.
Expreso mi gratitud a mis asesores, al Dr. Luis Pujades, por su generosidad al brindarme la oportunidad
de trabajar bajo su tutela, apoyándome con su capacidad y amplia experiencia científica en la dirección
mi tesis, en un ambiente de confianza, afecto y amistad, y al Dr. Alex Barbat por su consejos y
conocimientos compartidos que han contribuido a mi formación como investigador. Adicionalmente
agradecer a todos los profesores del Doctorado en ingeniería sísmica y dinámica estructural de la UPC
por sus enseñanzas que ha representado una base vital en mi formación.
Gracias a la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) por su aceptación para desarrollar mis estudios
de doctorado. Esta tesis se realizó en el marco de los proyectos de referencia CGL2011-23621 y
CGL2015-65913-P, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) del
Gobierno de España y por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) de la Unión Europea
(UE).
A mis compañeros: Diego Hidalgo, Yeudy Vargas, Rafael Fernández, Alejandro Hernández, Giovanni
Abdul, Francesc Sulé, Luis Montoya, Miguel Mánica, Mauricio Alvarado, Álvaro Ruiz, Bashar Alfarah
y Rodrigo Alva por su amistad y su colaboración a lo largo del doctorado.
Quiero agradecer a la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT) y a la Secretaria de Educación
Pública (SEP), México, porque en su compromiso por mejorar la calidad y competitividad de los
profesores universitarios, me beneficiaron con la asignación de la beca PISA (Programa Institucional
de Superación Académica) y la beca PRODEP (Programa para el Desarrollo Profesional Docente) para
realizar mis estudios de doctorado.
Agradecer a la Maestra Candita Gil por su apoyo y ejemplo a lo largo de mi formación profesional y
por ser una impulsora de la educación en México.
Un cariñoso agradecimiento a mi Padres, por el amor, apoyo incondicional y sus consejos en el
momento indicado que siempre me han brindado en todos los objetivos que me he trazado en la vida.
A mis hermanos Jorge Arturo y Alejandra por su afecto y buenos deseos para alcanzar esta meta.
De manera especial quiero agradecer infinitamente a mi esposa Carina, por ser mi compañera en este
proyecto que decidimos emprender, porque gracias a su amor, apoyo, motivación y paciencia día tras
día (incluidas las largas noches de desvelo), ha sido posible.

RESUMEN i

RESUMEN
El principal objetivo de esta tesis es la evaluación probabilista del daño esperado en edificios de acero
sometidos a las acciones sísmicas de diseño de la Ciudad de México, considerando los seis tipos de
suelo en qué está zonificada la ciudad. Así, aunque se efectúa también un análisis determinista, tanto
la acción sísmica como los edificios se consideran de forma probabilista. Como paso preliminar, se
analiza una extensa base de datos de aceleración, con 7132 registros (3 componentes) de las 180
estaciones de la ciudad, de los cuales 1363, con aceleraciones pico por encima de 0.01 g; este análisis
previo, permite disponer de datos representativos para las 6 zonas, con 122 registros para la zona con
menos y 390 para la zona con más registros. Este estudio, además, permite definir la acción sísmica
en cada zona, mediante 20 acelerogramas compatibles y con error controlado, en el sentido que, el
valor medio y la desviación estándar de los 20 espectros coinciden, respectivamente, con el espectro
de diseño y con una función de error predefinida. En cuanto a las estructuras, se consideran edificios
porticados bajos (3 pisos), de altura mediana (7 pisos) y altos (13 pisos) y 3 configuraciones
estructurales: i) pórticos especiales resistentes a momento (SMF) ii) pórticos con riostras concéntricas
(SCBF) y iii) pórticos con riostras de pandeo restringido (BRBF), resultando un total de 9 edificios
representativos de los edificios metálicos típicos de la zona de estudio; las propiedades mecánicas de
las secciones estructurales y de las riostras se consideran de forma probabilista mediante funciones de
distribución de probabilidad, predefinidas de acuerdo a la variabilidad establecida por otros autores.
Un análisis estadístico detallado y el uso de técnicas avanzadas de muestreo, basadas en las técnicas
de Monte Carlo y del hipercubo latino, permiten establecer que, para cada edificio, 200 muestras bastan
para incorporar adecuadamente la variabilidad de todas las variables aleatorias consideradas, de forma
que, para una aceleración pico específica, el análisis probabilista se basa en 4 000 simulaciones
(200 edificios × 20 acelerogramas). El análisis determinista se realiza usando los valores medios de
edificios y acelerogramas. Se usan modelos 2D y análisis no lineal estático (NLSA) y dinámico
(NLDA) incremental (IDA). El NLSA, junto con el método del espectro de capacidad, permite obtener
espectros de capacidad, curvas de fragilidad, curvas de grado de daño medio y relaciones entre la
aceleración pico y el desplazamiento del punto de capacidad por demanda (performance point), que
son fundamentales para comparar los resultados de los análisis estático y dinámico. El IDA permite
obtener relaciones de la aceleración pico con el desplazamiento máximo en el techo y con el índice de
daño de Park y Ang. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto un comportamiento adecuado de
los tres tipos de edificios, aunque los de pórticos con riostras de pandeo restringido (BRBF) son los
que tienen un mejor rendimiento y los de pórticos resistentes a momento (SMF) los que peor. El mayor
daño esperado se obtiene para los edificios altos (13 pisos) y, en particular, para los no arriostrados
S.A. DIAZ - UPC