3.01 Tesis doctorado

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Análisis de fragilidad sísmica de edificaciones de albañilería armada de bloques de hormigón parcialmente rellenos
(2021) Ramírez Bolaños, Pablo Andrés; Almazán Campillay, José Luis; Sandoval Mandujano, Cristián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La albañilería armada es uno de los sistemas estructurales más utilizados a nivel mundial para la construcción de edificaciones de baja y mediana altura, en zonas de alta y moderada actividad sísmica. En el caso de Chile, cerca del 32% de todo el inventario de construcciones residenciales lo constituyen edificaciones de albañilería armada. Según los últimos antecedentes sísmicos reportados en el país, un número importante de estas estructuras han presentado un desempeño sísmico desfavorable ante terremotos de moderada y severa intensidad. Esto refleja que deficiencias en el diseño sismo-resistente y/o defectos constructivos pueden haber sido las causas de este mal comportamiento. Con base en esta situación y considerando el contexto del riesgo sísmico en Chile, una evaluación del desempeño sísmico para estas edificaciones se hace necesario realizar, particularmente para aquellas construcciones que se encuentran localizadas en áreas densamente pobladas y en zonas, donde el silencio sísmico ha prevalecido por largo tiempo. Con este enfoque, la presente investigación desarrolla un análisis de fragilidad para estimar la probabilidad de daño esperada en una edificación-tipo de albañilería armada, considerando la variabilidad del movimiento del terreno como la principal fuente de influencia en la incertidumbre de la respuesta sísmica. El prototipo de edificación estudiado corresponde a una vivienda social típica de dos pisos representativa de albañilerías chilenas y estructurada en base a muros de albañilería armada de bloques huecos de hormigón parcialmente rellenos (PG-RCMSW, por sus siglas en inglés). Como apoyo para el desarrollo del análisis de fragilidad, un estudio experimental y numérico es también abordado. En el estudio experimental, las propiedades mecánicas de la albañilería son caracterizadas y la respuesta cíclica de diez muros PG-RCMSW sometidos a cargas laterales reversibles en su propio plano, es analizada para tres variables de diseño: relación de aspecto, cuantía de acero de refuerzo horizontal y nivel precompresión axial. En el estudio numérico, un modelo histerético simple es implementado para reproducir el comportamiento inelástico de los muros ensayados, y un modelo numérico de elementos finitos es propuesto para simular la relación constitutiva fuerza–deformación para una condición de carga monotónica. Con base en los resultados obtenidos de estos estudios, un modelo dinámico simplificado es formulado y funciones de fragilidad, para tres estados límites distintos son derivadas utilizando el enfoque del análisis dinámico incremental (IDA) y el método de análisis de múltiples bandas (MSA). Finalmente, como ejemplo de aplicación, la fragilidad sísmica de la edificación-tipo es estimada para un escenario sísmico determinístico localizado en el norte de Chile, donde la albañilería conformada por muros de bloques de hormigón prevalece como sistema estructural. Como conclusión del análisis de fragilidad, se encuentra que la severidad de los daños esperados para este tipo de construcciones depende principalmente de la configuración geométrica y estructural de los machones que se originan entre las aberturas de los muros resistentes. Un diseño o reforzamiento apropiado para estos elementos, conduciría en alguna medida, a reducir la vulnerabilidad sísmica de estas estructuras ante movimientos sísmicos fuertes.
Design and experimentation of seismic protection systems for fluid storage tanks
(2024) Tapia Flores, Nicolás Felipe; Almazán Campillay, José Luis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La protección sísmica de estanques de almacenamiento de líquidos ha sido un tema poco explorado en el ámbito de la ingeniería estructural. A pesar de que estas estructuras, ocultas en entornos industriales y sistemas de suministro, pueden pasar desapercibidas al documentar daños después de un evento sísmico, el mal comportamiento sísmico de estos estanques puede tener amplias implicaciones económicas, funcionales y ambientales, entre otras. Los mayores registros de daños post - sismo se han observado principalmente en estanques de pared delgada, ampliamente utilizados en la industria alimentaria y de producción de alcoholes. Los estanques de almacenamiento se dividen en dos categorías principales: estanques de apoyo continuo y estanques de apoyo en patas. Ambos tipos han experimentado daños considerables tras eventos sísmicos en países como Chile, Estados Unidos, Argentina, Italia y Nueva Zelanda. Este estudio se enfocó en desarrollar sistemas de protección sísmica específicos para ambas tipologías de estanques, los cuales fueron patentados tanto en Chile como en Estados Unidos, con patentes ya otorgadas. Para los estanques de apoyo continuo, se ideó un sistema de anclaje llamado NWSTADAS, que permite el levantamiento controlado del manto y agrega disipación de energía. Este sistema ofrece control sobre las cargas transmitidas tanto al manto como a la fundación, siendo aplicable tanto en estanques nuevos como en la modernización de estanques existentes. Se realizaron pruebas de laboratorio a los prototipos desarrollados, junto con la implementación exitosa de estos sistemas en estanques existentes y nuevos, en colaboración con la industria. Se presenta una metodología de diseño para esta solución propuesta. Para los estanques de apoyo en patas, se diseñó un sistema de aislación con auto centrado, basado en la transmisión de la carga axial mediante patas apoyadas sobre deslizadores planos y un sistema de restitución elastoplástico denominado columna auto - centrante. Se estudió el comportamiento de roce de diversos polímeros, poco utilizados en sistemas de aislación friccional, para ampliar las alternativas de diseño y mejorar las estimaciones de comportamiento. Se propuso un nuevo modelo de roce que representa de manera más precisa el comportamiento observado en la campaña experimental, incorporando fenómenos identificados en la literatura, pero no considerados en los modelos existentes. Se presenta una metodología de diseño para esta solución propuesta.
Mitigating the adverse effects of internal lateral impacts in structures equipped with frictional isolators
(2022) Auad Álvarez, Gaspar Andrés; Almazán Campillay, José Luis; Castaldo, Paolo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Esta tesis investiga dos alternativas para mitigar los problemas generados por impactos laterales internos en estructuras equipadas con aisladores friccionales. El aislamiento sísmico representa una de las mejores alternativas en la protección de estructuras. Los terremotos extremos que inducen impactos laterales internos entre los deslizadores de los dispositivos de fricción y los bordes de contención de las superficies de deslizamiento ponen en peligro los beneficios del usar esta tecnología. La primera parte de esta investigación evalúa el uso de aisladores de curvatura variable con comportamiento de endurecimiento suave como estrategia para mitigar los efectos adversos de los impactos internos. Aunque el uso de aisladores de endurecimiento suave disminuye la probabilidad de observar impactos internos o disminuye su intensidad, en algunos casos, el empleo de estos dispositivos puede disminuir el desempeño sísmico de las estructuras con asilamiento sísmico. Impulsado por esta limitación, la segunda parte de este estudio presenta un nuevo aislador. El Péndulo de Fricción Cóncavo Doble Resistente al Impacto Lateral (LIR-DCFP) tiene un deslizador interno mejorado. La presencia de una interfaz plana de alta fricción dentro del deslizador interno proporciona un mecanismo para limitar la fuerza máxima durante un impacto interno. Más aún, debido a la presencia de un gap interno, se genera una fuente adicional de disipación de energía. La última parte de esta investigación presenta un análisis paramétrico integral con el objetivo de determinar las propiedades estructurales que resaltan los beneficios del uso de dispositivos LIR-DCFP. Los aisladores LIR-DCFP se recomiendan para estructuras diseñadas para comportarse esencialmente elásticas si no se supera la capacidad lateral del sistema de aislamiento. Si la respuesta no lineal de la superestructura se presenta incluso en ausencia de impactos internos, se sugiere usar el nuevo aislador para estructuras rígidas o para edificios con una rigidez post-fluencia relativamente alta. Reducciones de hasta un 20% en las probabilidades de exceder los umbrales de demanda de ductilidad se logran mediante el uso de rodamientos LIR-DCFP.
Optimal passive control of nonlinear asymmetric structures : a performance-based design
(2015) Aguirre, Juan Jesús; Almazán Campillay, José Luis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El diseño sismo-resistente tradicional se ha basado en la capacidad de las estructuras de absorber y disipar la energía inducida por los terremotos mediante comportamiento inelástico. Este concepto de disipación de energía es factible si las estructuras satisfacen principios de diseño por capacidad, sin embargo esto forzosamente implica daño estructural. Las estructuras asimétricas son particularmente vulnerables a los terremotos debido a la demanda de deformaciones desiguales entre sus planos resistentes causada por el acoplamiento entre la respuesta traslacional y rotacional, originando concentraciones de daño en pocos elementos poniendo en peligro la integridad de las estructuras. Sin embargo las estructuras asimétricas son comunes en la práctica profesional principalmente por razones arquitectónicas y de funcionalidad. Las normas de diseño castigan la capacidad de estructuras con la intención de limitar el daño incrementando su resistencia y rigidez; sin embargo aparecen efectos colaterales perjudiciales: entre otro, las aceleraciones de la estructura aumentan y el amortiguamiento inherente disminuye. El concepto de utilizar elementos independientes de la estructura principal para disipar la energía sísmica inducida fue presentado por primer vez a finales de la década de los sesenta, desde entonces bastante investigación ha sido orientada al desarrollo de técnicas y estrategias innovadoras para el control de la respuesta sísmica de las estructuras con el objeto de aumentar su desempeño sin dejar de considerar que los costos de construcción se deben mantener dentro de márgenes razonables.
Seismic performance factors for wood frame buildings in Chile
(2020) Estrella Arcos, Edisson Xavier; Almazán Campillay, José Luis; Guindos Bretones, Pablo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. 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Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.Los factores de diseño sísmico son una herramienta ingenieril para estimar las demandas de fuerza y desplazamiento en estructuras diseñadas a través de métodos lineales de análisis. En Chile, la normativa NCh433 proporciona las regulaciones, requerimientos, y factores para el diseño sísmicos de varias tipologías y sistemas estructurales. Sin embargo, cuando se trata de estructuras de madera marco-plataforma, investigaciones anteriores han encontrado que las disposiciones de la normativa NCh433 son altamente restrictivas y resultan el diseños sobreconservadores. Por lo tanto, este proyecto presenta una investigación numérica y experimental que apunta a proponer factores de diseño sísmico menos restrictivos para edificaciones marcoplataforma. Siguiendo la metodología FEMA P-695, esta investigación abarcó: (1) pruebas experimentales de materiales, conexiones, y especímenes a escala real, (2) desarrollo de modelos numéricos no-lineales detallados y simplificados, (3) creación de un nuevo set de registros sísmicos FEMA P-695 para zonas de subducción, y (4) análisis del desempeño sísmicos de un exhaustivo conjunto de arquetipos estructurales. Se analizaron 201 edificaciones y los resultados mostraron que cambiar los factores de diseño sísmicos NCh433 de R = 5.5 & Dmax = 0.002 hacia R = 6.5 & Dmax = 0.004 reduce el margen de colapso de estructuras marco-plataforma en 13.3% pero mantiene la probabilidad de colapso bajo 20% para todos los arquetipos analizados. Además, mejora la relación costo-beneficios de las edificaciones e incrementa su competitividad al compararlas con otros sistemas estructurales, ya que se encontraron ahorros del 40.4% en clavado, 15.9% en paneles de OSB, y 7.3% en piederechos para el caso de estudios de una edificación de cinco pisos. Análisis adicionales mostraron que las edificaciones diseñadas con los nuevos factores propuestos alcanzaron el “enhanced performance objective” definido por el estándar ASCE 41-17, garantizando un daño estructural y no estructural despreciable bajo demandas sísmicas de alta recurrencia. Finalmente, los resultados dinámicos revelaron que 87% de los arquetipos colapsaron en los pisos primero y segundo, y que el corte mínimo Cmin requerido en el estándar NCh433 es algo restrictivo para tipos de suelo A, B, y C, llevando a resultados conservadores al compararlos con arquetipos donde el requerimiento de Cmin no controló el diseño estructural.
Structural system identification, model updating, and fragility analysis of masonry heritage structures, the case of the Metropolitan Cathedral of Santiago, Chile
(2018) Torres, Wilson Ramiro; Almazán Campillay, José Luis; Sandoval Mandujano, Cristián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las edificaciones patrimoniales en los países de América Latina tienen un alto valor arquitectónico. El estudio de estas estructuras sujetas a cargas extremas, particularmente sismos, requiere modelos representativos que permitan simular su condición actual. Esta investigación se focaliza en el análisis de la Catedral Metropolitana de Santiago de Chile. El primer paso para analizar esta estructura es la determinación de las propiedades mecánicas; segundo, la evaluación sísmica de una parte de esta estructura (macroelemento) por medio de un análisis de fragilidad; y finalmente, se propone y valida un modelo simplificado equivalente del macro-elemento construido a partir de barras sujetas a flexocompresión. Todo este proceso permitirá, en una futura investigación, llevar a cabo un análisis de fragilidad de la estructura completa o de una parte de ella con algunos macroelementos trabajando en distintos planos. Los ensayos no invasivos correspondientes a la teoría de Análisis Modal Operacional (Operational Modal Analysis - OMA) ofrecen alternativas interesantes para actualizar y validar un modelo estructural en este tipo de estructuras. La primera parte de la investigación se concentra en la calibración y proceso de ajuste de un modelo de la Catedral en elementos finitos, basado en las propiedades experimentalmente identificadas tanto mecánicas de los materiales como modales. Se presenta y discute una campaña experimental in situ cuyo objetivo es obtener la respuesta de la estructura a vibraciones ambientales. En esta campaña se emplearon seis sensores sincronizados de alta sensibilidad, capaces de medir velocidad y aceleración en los 3 ejes ortogonales. Para la identificación se aplicaron los métodos: Descomposición Mejorada en el Dominio de la Frecuencia (Enhanced Frequency Domain Decomposition - EFDD) e Identificación en el Subespacio Estocástico (Stochastic Subspace Identification - SSI). Las consideraciones más importantes en el proceso de actualización del modelo, fueron: el tratamiento de los diferentes tipos de mampostería que conforman la estructura como materiales homogéneos, y el efecto restrictivo de los elementos de borde sobre la estructura de la Catedral causado por estructuras adyacentes. Para definir dichas condiciones de borde y las propiedades iniciales del material se aplicó un proceso preliminar de actualización del modelo. Luego, un grupo de modelos con diferentes valores físicamente posibles de propiedades de materiales, fueron evaluados. La selección del modelo final con las propiedades que mejor se ajustan a la realidad, se basó en el concepto “distancia” entre valores experimentales y analíticos, tomando como base tanto frecuencias naturales como formas modales. Se realiza el análisis de fragilidad del macroelemento nave típico de la Catedral. El análisis es llevado a cabo mediante el uso del modelo resorte – cuerpo rígido (Rigid Body Spring Model - RSBM), en el cual elementos rígidos planos están conectados uno a otro mediante dos resortes axiales y uno de corte. El modelo bidimensional generado es inicialmente verificado mediante comparación con un modelo tridimensional de elementos finitos previamente calibrado (mediante la Identificación del Sistema de la primera etapa) y generado en el software DIANA. La metodología usada en esta parte corresponde al Análisis Incremental Dinámico (Incremental Dynamic Analysis - IDA) con base en un grupo de 11 registros de sismos reales correspondientes a los 4 sismos mayores que han afectado a la ciudad de Santiago. El análisis llevado a cabo considera desempeño no lineal de la estructura, con base en un índice de daño que cuantifica la degradación de rigidez, y así poder generar las curvas de fragilidad. Como resultado, se obtuvo la probabilidad de excedencia para diferentes estados de daño basado en una posible aceleración máxima de piso en el sitio. El tiempo de preparación del modelo y de procesamiento del mismo en el análisis de estructuras complejas como iglesias o castillos es muy grande, por lo tanto su evaluación sísmica no sería posible con recursos normales. Debido a esto es necesario definir modelos simplificados que permitan hacer una aproximación a la evaluación de la estructura para diferentes escenarios sísmicos probables con tiempos de procesamiento adecuados, sin descuidar la confiabilidad que deben tener los resultados. Tomando como base el modelo desarrollado antes con elementos rígidos, se verificó un modelo generado en Open Sees hecho a partir de elementos barra que trabajan a flexocompresión con plasticidad concentrada en los extremos, tanto para análisis estático como dinámico.El patrón de daño encontrado en el modelo de elementos rígidos permitió definir las zonas de plastificación (longitudes de rótula plástica) y las zonas que permanecen elásticas en la estructura. Los resultados obtenidos de esta comparación validan el modelo propuesto. Por lo tanto, para futuras investigaciones de evaluación sísmica de la estructura completa de la Catedral o una parte de ella que contenga varios planos resistentes, solamente sería necesario aumentar la calibración del resto de macroelementos y ensamblar el modelo espacial de la estructura.

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Browsing 3.01 Tesis doctorado by Author "Almazán Campillay, José Luis"

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