Estudio de la influencia de la configuración estructural de piso blando en el comportamiento sismorresistente de estructuras aporticadas

Abstract

En sismos pasados en el Perú y el mundo se ha observado que la irregularidad de piso blando en estructuras de edificios representa una grave amenaza para su integridad y estabilidad. Prevenir el colapso para preservar la vida de los ocupantes de una estructura es uno de los objetivos en todas las normas de diseño modernas. Por ello conocer a partir de que alturas existe esta irregularidad constituye un dato crítico para determinar la posibilidad de colapso por piso blando. Este dato es importante tanto para el diseño de nuevas estructuras como para la evaluación y rehabilitación de estructuras existentes. El objetivo de este trabajo es mejorar la comprensión del comportamiento sísmico de edificios que presentan irregularidad de piso blando mediante análisis dinámicos lineales y no lineales estáticos (pushover). Se han revisado varios códigos para precisar cómo se define la irregularidad piso blando y se presenta un resumen de las especificaciones de estos códigos. Se han analizado edificios aporticados de tres, cinco, nueve y quince pisos, con dos vanos en ambas direcciones. La luz de los vanos es de cinco metros, la altura típica es de tres metros y la del primer piso varía desde tres hasta nueve metros. Los mismos han sido previamente diseñados según las normas del Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú. Con fines de comparación, se desarrolla un modelo patrón de tipología regular, tanto en planta como en elevación, y los casos que representan las estructuras irregulares se definen mediante la modificación de la distribución vertical de la rigidez, incrementando la altura del primer piso del modelo patrón hasta identificar los elementos estructurales más débiles que fallen primero. El objetivo es encontrar el límite de la irregularidad que garantice la estabilidad de la estructura evitando el colapso. De esta manera se asegura que la estructura llegue a formar un mecanismo de colapso escogido durante la etapa de diseño (vigas débiles y columnas fuertes). El procedimiento seguido consiste en (a) creación de modelos analíticos de edificios diseñados conforme a la norma peruana, (b) definición de los modelos para el comportamiento inelástico de los elementos que experimentan comportamiento no lineal, (c) análisis de desempeño no lineal en estos modelos (pushover), y finalmente, (d) evaluación de los resultados obtenidos de estos métodos de análisis no lineal. Con esta información, el comportamiento de piso blando fue investigado y los factores, causas y resultados de esta irregularidad se explican en detalle. Evaluando los límites de la distorsión de entrepiso para los diferentes niveles de desempeño (Visión 2000). En todos los edificios estudiados, para la altura del primer piso que varía de tres hasta menos de siete metros la distorsión está comprendida entre el nivel de desempeño de ocupación inmediata (IO) y seguridad de vida (LS). Para la altura del primer piso que varía de siete hasta nueve metros la distorsión está comprendida entre el nivel de desempeño de seguridad de vida (LS) y prevención del colapso (CP). Por consiguiente, se puede concluir que la altura máxima en un entrepiso de un edificio aporticado para que no se produzca piso blando y que se considere un desempeño aceptable, debe ser menor de siete metros. Esto quiere decir una relación de altura (altura típica / altura del primer piso) hasta 42%, es un límite aceptable. Este es mucho menor que el porcentaje que declara la irregularidad debido al piso blando en la norma peruana E.030-2003 (75%) y E.030-2016 (60%), lo que implica que la norma sísmica peruana E.030 es seguro, de alguna manera conservadora.

In past earthquakes in Peru and worldwide it has been observed that soft story irregularity in building structures represents a serious hazard for its integrity and stability. To prevent collapse to preserve lives is an objective in all standards of modern design. Therefore to know from which story height ratio this irregularity becomes critical is significant to determine the possibility of collapse due to soft story. This is important for both design of new structures and for assessment and rehabilitation of existing structures. The objective of this work is to improve understanding of the seismic performance of buildings having soft story irregularity using linear and nonlinear static analysis (pushover). Several codes were reviewed to learn how this irregularity is detected and a summary of these specifications is presented. Framed buildings of three, five, nine and fifteen stories, with two spans in both directions were analyzed. The span of the bays is five meters; typical story height is three meters and the first floor height varies from three to seven meters. They were previously designed according to the Peruvian Building Regulations. For comparison, a regular pattern structure, both in plan and elevation was developed. Cases representing irregular structures were defined by modifying the vertical distribution of stiffness, increasing the height of the first floor to identify the weakest structural elements that fail first. The goal was to find the limit of the irregularity to ensure the stability of the structure and prevent collapse. Thus it is ensured that the structure reaches a collapse mechanism chosen during the design stage (weak beams strong columns). The procedure followed was (a) define analytical models of buildings designed with Peruvian standards, (b) compute parameters of models for inelastic behavior of elements experiencing nonlinear behavior, (c) analyze nonlinear performance in these models (pushover), and finally, (d) evaluate the results obtained from these nonlinear analysis methods. With this information, the behavior of soft story was investigated and factors, causes and results from this irregularity are explained in detail. Evaluating the limits of interstory drift for different levels of performance (Vision 2000). In all buildings studied in which the height of the first floor varies from three to less than seven meters the drift lies between the level of performance of Immediate Occupancy (IO) and Life Safety (LS). When the height of the first floor varies from seven to nine meters, the distortion lies between the level of performance of Life Safety (LS) and Collapse prevention (CP). Therefore it can be concluded that the maximum first story height of a frame building, for it not to present soft story and considered acceptable perfomance, should be less than seven meters. This means a height ratio (typical height / first floor height) up to 42%, is an acceptable limit. This is much lower than percentage to declare irregularity due to soft story in the Peruvian Standard E.030-2003 (75%) and E.030-2016 (60%), which implies that the seismic Peruvian standard E.030 is safe, somehow conservative.