Evaluación del desempeño sismorresistente de la edificación de aulas generales de la Universidad Andina del Cusco, aplicando el método de análisis estático no lineal (Pushover)

Abstract

En la presente tesis de investigación se desarrolla la explicación teórica y aplicación de la evaluación del desempeño sismo resistente de una estructura con 13 niveles ubicada en el campus universitario de la Universidad Andina del Cusco. Se plantea el proceso de evaluación con base en el diseño realizado y a una corroboración de las medidas de los elementos estructurales comprendidos de columnas, vigas y muros de corte, con el objeto de estudiar su comportamiento frente a diferentes niveles de amenaza sísmica. Los modelos estructurales se basaron en función a los criterios y requerimientos establecidos en la normativa peruana vigente de diseño sismorresistente, concreto armado y cargas (NTP E. 020, E. 030 y E. 060), el análisis estructural para las cargas de gravedad y de sismo se desarrolló en el programa ETABS en su V.16 educativa, adicionalmente los modelos se validaron mediante un cálculo manual correspondiente a las rotulas plásticas y análisis estático lineal. La configuración estructural del refuerzo de acero se detalla en los planos de diseño realizados en el expediente técnico de la edificación previamente a la ejecución del proyecto, además se realizó un levantamiento de información de campo para corroborar las medidas y usos de la estructura. Posteriormente se realiza un análisis estático lineal siguiendo lo establecido en la normativa peruana E.030, donde se determina el sistema estructural, irregularidades, cortantes basales y derivas máximas de entrepiso o desplazamientos de la estructura. Una vez realizado este proceso se procede a realizar un análisis estático no lineal – pushover siguiendo las recomendaciones dadas por el ASCE/SEI 41-13. Obteniéndose las curvas capacidad del sistema estructural en estudio y el mecanismo de formación de rótulas plásticas en sus elementos que muestra el mecanismo de falla de la estructura a medida que la fuerza cortante se incrementa. En la dirección de análisis X-X, la primera rótula plástica se forma en el elemento viga con un desplazamiento de 0.037 m o 3,7 cm y con una cortante basal de 2058,38 ton, el máximo desplazamiento antes de incursionar al colapso es de 43 cm con una fuerza basal de 4407.73 ton. En la dirección de análisis Y-Y la primera rótula plástica se forma también en el elemento viga con un desplazamiento de 0,549017 m o 54,90 cm y con una cortante basal de 3457,79 ton, el máximo desplazamiento de la estructura es de 94,2104 cm con una cortante basal de 3966,71 ton. El punto de desempeño de las estructuras se determina mediante la aplicación del método establecido en la normativa internacional: Método de coeficientes (FEMA 440, ASCE/SEI 41-13) resultado que nos permite evaluar el punto de desempeño en función de un desplazamiento y una fuerza cortante en la base. La demanda sísmica se define a partir del espectro de diseño de la normativa peruana E. 030 “Diseño sismorresistente”, realizando factores de modificación al coeficiente de reducción sísmica Ro para cada nivel de amenaza sísmica, en total se consideraron 6 niveles de amenaza sísmica con una probabilidad de excedencia del 10% en función del periodo de retorno de los sismos, se considera al sismo de diseño al sismo con una probabilidad de retorno de 475 años establecido en la normativa NTP E030. En la estructura estudiada para la dirección de análisis X-X, para un sismo de servicio la estructura posee un nivel de desempeño de ocupación inmediata IO, para el sismo de diseño la estructura se encuentra en seguridad de vida LS y finalmente para la condición crítica (sismo máximo) esta estructura se encuentra también en el nivel de seguridad de vida LS. Por otro lado, para la dirección de análisis Y-Y, la estructura para un sismo de servicio se encuentra en un nivel de ocupación inmediata IO, para un sismo de diseño se encuentra en un nivel de seguridad de vida LS y finalmente para la condición crítica (sismo máximo) se encuentra en un nivel de colapso progresivo CP. Estos resultados de desempeño serán comparados con los objetivos de diseño para esta categoría estructural según la filosofía de diseño indicado en la normativa peruana NTP E030.

In this research thesis, the theoretical explanation and application of the earthquake resistant performance evaluation of a structure with 13 levels located on the university campus of the Andean University of Cusco is developed. The evaluation process is proposed based on the design carried out and a corroboration of the measurements of the structural elements comprised of columns, beams and shear walls, in order to study their behavior against different levels of seismic threat. The structural models were based on the criteria and requirements established in the current Peruvian regulations for earthquake resistant design, reinforced concrete and loads (NTP E. 020, E. 030 and E. 060), the structural analysis for gravity loads and earthquake was developed in the ETABS program in its educational V.16, additionally the models were validated by means of a manual calculation corresponding to the plastic hinges and linear static analysis. The structural configuration of the steel reinforcement is detailed in the design plans made in the technical file of the building prior to the execution of the project, in addition, a field information survey was carried out to corroborate the measurements and uses of the structure. Subsequently, a linear static analysis is carried out following what is established in the Peruvian regulation E.030, where the structural system, irregularities, basal shear and maximum mezzanine drifts or displacements of the structure are determined. Once this process has been carried out, a non-linear static analysis - pushover is carried out, following the recommendations given by ASCE / SEI 41-13. Obtaining the capacity curves of the structural system under study and the mechanism of formation of plastic hinges in its elements that shows the failure mechanism of the structure as the shear force increases. In the XX analysis direction, the first plastic ball joint is formed in the beam element with a displacement of 0.037 m or 3.7 cm and with a basal shear of 2058.38 ton, the maximum displacement before entering the collapse is 43 cm with a basal force of 4407.73 ton. In the analysis direction YY the first plastic ball joint is also formed in the beam element with a displacement of 0.549017 m or 54.90 cm and with a basal shear of 3457.79 ton, the maximum displacement of the structure is 94.2104 cm with a basal shear of 3966.71 ton. The performance point of the structures is determined by applying the method established in the international regulations: Coefficient method (FEMA 440, ASCE / SEI 41-13), a result that allows us to evaluate the performance point based on a displacement and a shear force at the base. The seismic demand is defined from the design spectrum of the Peruvian regulation E. 030 “Seismic resistant design“, making modification factors to the coefficient of seismic reduction Ro for each level of seismic hazard, in total 6 levels of seismic hazard were considered with A probability of exceedance of 10% depending on the return period of the earthquakes, the design earthquake is considered to be the earthquake with a return probability of 475 years established in the NTP E030 regulation. In the structure studied for the analysis direction XX, for a service earthquake the structure has a performance level of immediate occupancy IO, for the design earthquake the structure is in life safety LS and finally for the critical condition (earthquake maximum) this structure is also in life safety level LS. On the other hand, for the analysis direction YY, the structure for a service earthquake is at an immediate occupancy level IO, for a design earthquake it is at a life safety level LS and finally for the critical condition ( maximum earthquake) is at a level of progressive collapse CP. These performance results will be compared with the design objectives for this structural category according to the design philosophy indicated in the Peruvian standard NTP E030.