Thesis:

Muros mecedores como una alternativa de refuerzo sísmico para edificios de marcos con baja ductilidad

Existen numerosas estructuras de marcos de hormigón armado que se diseñaron en la década del 60 para la construcción de hospitales a lo largo del país, debido a que permiten gran libertad en el uso de los espacios. Estas estructuras, durante terremotos severos ocurridos en el país, no tuvieron un desempeño adecuado tanto en el sistema estructural, elementos no estructurales y de servicio. En general, las fallas en este tipo de estructura se deben principalmente a la falta de ductilidad en columnas. Para disminuir las demandas de deformación en las columnas de estos marcos con poca ductilidad, en esta tesis se propone incorporar muros mecedores (rocking walls en inglés) dentro de los vanos, o bien, hormigonados in situ en las fachadas en un edificio típico de marco. La incorporación de muros mecedores es un sistema ventajoso que tiene como efecto principal, además de disminuir las demandas de desplazamientos al aumentar la rigidez del sistema, la modificación del perfil de deformaciones laterales en la vertical, disminuyendo notablemente las demandas de corte en las columnas de los pisos superiores y de ductilidad en las del primer piso. Adicionalmente, los muros mecedores poseen la ventaja de reducir las deformaciones residuales después de un evento sísmico, contribuyendo a la continua operación de la estructura. Esta propuesta resulta ser no invasiva con la estructura existente, ya que su implementación es fundamentalmente en las fachadas y no requiere mayor intervención en la estructura. Mediante un análisis dinámico no lineal con el programa Ruaumoko se evalúa la respuesta de la estructura con y sin refuerzo ante un sismo. Se utilizan los registros del terremoto del 3 de marzo de 1985, del Maule del 2010 y el de Northridge, Sylmar 1994 por ser un terremoto de característica impulsivo. De los resultados numéricos mostrados en esta tesis se puede concluir que es factible usar muros mecedores para reforzar estructuras de marcos vulnerables a fallas en sus columnas debido a una baja capacidad de deformación, originada por una falla prematura al corte a una baja ductilidad. Es importante destacar que, para ciertos registros la sola presencia de los muros resulta suficiente para prevenir la falla en las columnas. Para los registros de Llolleo y Northridge es necesario adicionalmente reforzar las columnas (encamisar) solo del primer piso porque el muro no disminuye lo suficiente las demandas de corte en la base. Respecto de las demandas de flexión, la inclusión de muros mecedores provoca que las columnas tengan respuesta elástica sobre la sección crítica con incursión no lineal, en caso de existir, solo en la base de las mismas.

There are numerous reinforced concrete frame structures that were designed in the 1960s for the construction of hospitals across the country, due to the great freedom they allow in the use of spaces. These structures, during severe earthquakes that occurred in the country, did not perform adequately in both the structural system and the non-structural and service elements. In general, failures in this type of structure are mainly due to the lack of ductility in columns. To reduce the deformation demands on the columns of these low-ductility frames, this thesis proposes incorporating rocking walls within the bays or alternatively, cast-in-place concrete walls on the façades of a typical frame building. The incorporation of rocking walls is an advantageous system whose main effect, besides reducing displacement demands by increasing the system’s stiffness, is the modification of the lateral deformation profile along the vertical axis. This notably reduces the shear demands on the columns of the upper floors and the ductility demands on the first-floor columns. Additionally, rocking walls have the advantage of reducing residual deformations after a seismic event, contributing to the continued operation of the structure. This proposal is non-invasive to the existing structure, as its implementation is fundamentally on the façades and does not require significant intervention in the structure. Through a nonlinear dynamic analysis using the Ruaumoko software, the response of the structure with and without reinforcement is evaluated under seismic loading. Records from the March 3, 1985 earthquake, the 2010 Maule earthquake, and the Northridge, Sylmar 1994 earthquake — known for its impulsive characteristics — are used. From the numerical results presented in this thesis, it can be concluded that it is feasible to use rocking walls to reinforce frame structures vulnerable to column failures due to low deformation capacity, caused by premature shear failure and low ductility. It is important to highlight that for certain records, the mere presence of the walls is sufficient to prevent column failure. For the Llolleo and Northridge records, it is additionally necessary to reinforce (jacketing) only the first-floor columns because the wall does not sufficiently reduce shear demands at the base. Regarding bending demands, the inclusion of rocking walls causes the columns to respond elastically over the critical section, with nonlinear behavior, if any, only occurring at the base.