Usuario Experto MIDAS: Importancia de los análisis no lineales en la rehabilitación de edificios

Septiembre 9 del 2021

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Los métodos de análisis sísmico se pueden dividir en dos grandes grupos, los que consideran el comportamiento lineal y aquellos que consideran además el comportamiento no lineal de los elementos estructurales. Ambos a su vez, se dividen en análisis estáticos y dinámicos, y para el caso de los análisis no lineales, se dividen en: análisis pushover y análisis dinámico paso a paso no lineal o tiempo-historia inelástico.

Los análisis dinámicos paso a paso no lineales predicen con suficiente confiabilidad las fuerzas y las demandas acumuladas de deformación asociadas al daño en cada elemento del sistema estructural.

En este artículo vamos a revisar cómo se rehabilitó un edificio de concreto reforzado construido en la década de los  60s, haciendo uso de pruebas físicas, análisis no lineales realizados en midas gen, propuestas de refuerzo y su respectiva ejecución en obra.

1. Caso de estudio

El edificio en estudio corresponde a un sistema de marcos sismorresistentes de concreto reforzado con 11 niveles + 1 sótano, la calidad de información con la que se contaba de la estructura era muy limitada, los planos eran muy viejos y no se lograban visualizar muy bien, como se aprecia de la Figura 1. Por esta razón fue necesario realizar pruebas físicas y topográficas que pudieran brindar mayor información para realizar el modelo matemático.

2. Pruebas físicas

Con el objetivo de obtener las propiedades mecánicas de los materiales que conforman la estructura se realizaron diferentes pruebas descritas a continuación.

2.1. Vibración ambiental

El periodo obtenido por medio de este ensayo fue de 1.20 segundos, al igual que en midas Gen y en los parámetros del SASID (Sistema de acciones sísmicas de diseño) se indicaba un periodo del suelo de 1.24 segundos, esto implicaba un riesgo latente de resonancia (figura 2).

2.2.Calas, corazones y escaneos para conocer el armado en elementos

El 80% de los elementos fueron escaneados para tener certeza del armado con que contaban los elementos estructurales a modelar en midas Gen. En la Figura 3. se observa el proceso de escaneo de columnas y trabes o vigas.

2.3.Levantamientos topográficos

Se realizaron nivelaciones y la obtención de nubes de puntos para obtener de manera real la geometría de los elementos y conocer con precisión la ubicación de los ejes (figura 4). Estos datos se corroboraron con los planos con que se contaba.

3. Análisis estructural

De acuerdo con lo comentado en el punto 2.1, el riesgo de resonancia fue una de las razones para que se decidiera realizar análisis no lineales. El modelo matemático reportaba un periodo de 1.20 segundos, igual al periodo obtenido por vibración ambiental, lo que indicaba que el modelo estaba bien calibrado, sin embargo se presentaban desplazamientos de 66 cm en la dirección débil del edificio.

Con el objetivo de asegurar que el edificio contara con la suficiente capacidad de deformación, asociado al nivel de ductilidad para el cual fue diseñado, se realizó en primera instancia un análisis estático no lineal. En la figura 5. se observa a la izquierda, el periodo y la participación modal para el modo fundamental, y a la derecha los desplazamientos máximos obtenidos de las envolventes de las combinaciones de carga para la estructura.

Una de las propuestas hechas para mejorar el desempeño estructural del edificio fue adicionar elementos de control de la respuesta sísmica. Por lo tanto, se colocaron 78 elementos BRBs (Contravientos restringidos contra pandeo), distribuidos a lo largo de todo el edificio y modelados con elementos General Link que pueden observarse en la Figura 6. Con esto se logró hacer a la estructura más rígida, se redujo el periodo a 0.82 segundos y los desplazamientos disminuyeron también hasta 22cm.

Como parte de la evaluación con análisis estáticos no lineales se determinaron también las curvas de capacidad para verificar que la estructura desarrollara una ductilidad global de Q=3 (capacidad de deformación intermedia) y que los BRBs alcanzaran una ductilidad máxima local entre 8 y 10.

En la Figura 7 se observan las curvas de capacidad para los casos de carga de Pushover en ambas direcciones de análisis. De esta figura se aprecia que en ambas direcciones se tiene una gran capacidad de deformación del sistema estructural global y que se mantiene estable aún cuando se sobrepasa el desplazamiento máximo esperado de los análisis modales espectrales.

La Figura 8 muestra las ductilidades máximas desarrolladas por los elementos BRBs que se encuentran con un valor alrededor de 9, esto indica que los elementos de control están fluyendo y que cumplen con la función que se había concebido, es decir, el daño se concentra en los elementos de control.

Asimismo, después de obtener los resultados del análisis pushover, se realizaron análisis dinámicos no lineales paso a paso para determinar los ciclos histeréticos de los elementos de control (Figura 9). Se utilizaron registros de aceleración que fueron coherentes con el espectro de diseño del sitio donde está ubicada la estructura para evaluar el riesgo sísmico latente de la estructura en cuestión.

A partir de estos resultados, se planteó una propuesta de refuerzo formal en planos estructurales que consistía en un encamisado de concreto en todas las columnas debido al aumento de la descarga axial que producen los BRBs; un encamisado de celosía en las trabes; y todo esto acompañado de un encamisado de los nodos en los once niveles que ayudara a resistir el aumento de las fuerzas cortantes en dichas zonas.

Derivado del uso de los contravientos restringidos contra pandeo, sobre todo en los ejes internos, se decidió hacer un refuerzo de la cimentación aumentando la cantidad de pilas, lo que representó un reto dada la altura de entrepiso de 2.6m, aproximadamente, que no hacía nada sencillo su proceso constructivo. La propuesta de refuerzo se puede observar en la Figura 10.

Otro de los detalles que se tuvieron en cuenta fue una revisión externa por parte de la empresa que proporcinaría los BRBs. En este caso particular CoreBrace analizó el comportamiento particular de cada uno de los elementos BRBs en función de sus longitudes y áreas de acero. En la Figura 11 se observa una pequeña parte de la memoria de cálculo que se entrega para cada elemento.

Gracias a los análisis no lineales realizados en midas Gen, fue posible que este edificio pasara de un nivel de desempeño de prevención de colapso a uno de ocupación inmediata, recordando que la seguridad estructural está por encima de cualquier cosa.

El apoyo de parte del equipo de soporte de MIDAS, especialmente del Dr. Horacio Nangullasmú fue muy importante para entender algunos conceptos de protección sísmica aplicados en el programa.

Actualmente el proyecto ya está terminado y en las siguientes imágenes se puede observar el proceso constructivo de rehabilitación de la cimentación, trabes, columnas y nudos.

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