Evaluación de las respuestas sísmicas de cubiertas de domos reticulados de acero apoyados sobre elementos verticales considerando un sistema de aislación en la base en la región de Lima

Abstract

Los domos reticulares tienen un campo de aplicación no explorado profundamente, a pesar de la funcionalidad geométrica y estructural inherente. Los usos de estas estructuras están aún limitados por la cantidad de estudios y aplicaciones en la vida real, y mucho más aún cuando funciona en conjunto a estructuras de diferente material. A través de las investigaciones consultadas en el Estado del Arte, los domos reticulares presentan un comportamiento susceptible a los efectos sísmicos cuando funcionan en conjunto. Por ello, la presente investigación se centra en el análisis e influencia de la aislación elastomérica en domos como cubiertas sujetado por elementos de concreto a fin de reducir los efectos sísmicos en la estructura en conjunto. Para ello, se estudiaron diversos modelos de estudios compuestos por dos materiales diferentes: concreto y acero. Dentro de las variables geométricas, se analizaron diversos tipos de altura en la cubierta y el pórtico de concreto ante cargas externas bajo el análisis modal estructural, tiempo-historia y el análisis de esfuerzos combinados. Estos tres casos de estudio se replicaron bajo las condiciones de base fija y base aislada para examinar la influencia de la aislación en la base de la estructura y los beneficios que producen en estructuras de gran envergadura como la propuesta. Para ello, se realizó una metodología específica a fin de analizar la estructura según los objetivos específicos propuestos. Los resultados mostraron una clara incidencia benéfica en el comportamiento de la estructura bajo los efectos de la aislación, disminuyendo los efectos negativos de la diferencia de rigidez entre ambos elementos, reduciendo los desplazamientos de la estructura hasta en un 97% en la geometría geodésica y 73% en la schwedler, y disminuyendo los esfuerzos generados en los elementos en el análisis tiempo-historia. Asimismo, se evidenció una evidente reducción de las frecuencias naturales de la estructura de hasta el 98% en ambas geometrías, una visible disminución de los esfuerzos verticales de las columnas de hasta el 75% en la geometría schwedler y una notoria reducción de la cortante basal bajo los sismos analizados alcanzando valores máximos de 98%. Entre todos los resultados obtenidos, se demuestra una mejora sustancial en la respuesta sísmica de la estructura tras la aplicación del aislamiento en la base del tipo LRB.

Reticulated domes have a field of application that has not been deeply explored, despite the inherent geometrical and structural functionality. The use of these structures is yet limited by the number of studies and applications in real life, especially when working with structures made of different materials. Through the reviewed investigations in the State of the Art, reticulated domes show a susceptible behavior towards seismic effects when functioning together. Therefore, this study is focused on the analysis and influence of elastomeric isolation in domes as roofs supported by concrete elements to reduce the seismic effects on the structure as a whole. To this end, several study models were studied, each composed of two different materials: concrete and steel. Regarding the geometric variables, different heights in the concrete roof and portico were analyzed for external loads under structural modal analysis, time-history analysis, and combined stress analysis. These three case studies were replicated under base-fixed and base-isolated conditions to analyze the influence of base isolation on the structure and the benefits they produce in structures of great magnitude, such as the one proposed. To that end, a specific methodology was developed to analyze the structure according to the specific objectives proposed. The results revealed a significant beneficial impact on the structural behavior under the effects of isolation, thus decreasing the negative effects of the difference in stiffness between both elements, reducing structural displacements by up to 97% in the geodesic geometry and 73% in the Schwedler geometry, and decreasing the stress generated in the elements at the time-history analysis. Similarly, there was an evident reduction in the natural frequencies of the structure of up to 98% in both geometries, a visible decrease in the vertical stress of the columns of up to 75% in the Schwedler geometry, and a noticeable reduction of the basal shear under the analyzed earthquakes, reaching maximum values of 98%. Based on all the results obtained, a substantial improvement in the seismic response of the structure is shown after the implementation of the LRB-type base isolation.