Relación entre la componente sísmica vertical y horizontal y efecto de la componente sísmica vertical en pórticos y sistemas combinados de concreto reforzado

Abstract

Estudios realizados durante las últimas décadas, y algunos colapsos de edificaciones a causa de eventos sísmicos, han mostrado que los efectos de la componente sísmica vertical (V) no pueden ser despreciados cuando las condiciones de sitio y de la amenaza sísmica lo exigen. Algunas investigaciones muestran que la componente V para movimientos del terreno ha alcanzado a ser el 140% de la componente horizontal (H), y que en el análisis de algunas columnas se han observado incrementos de carga axial de hasta un 60% cuando esta componente es considerada (Perea & Esteva, 2005).

Este trabajo de investigación se realizó para continuar contribuyendo al análisis de la relación entre la componente V y H desde dos puntos de vista. El primero con base en las relaciones entre aceleraciones máximas del terreno (PGA), aceleraciones espectrales (Sa) y formas espectrales de los registros de movimientos del terreno; y el segundo, desde el enfoque de cómo varían las solicitaciones de momento, corte y carga axial en algunos elementos de dos edificaciones (baja y mediana altura) cuando la componente V es considerada. Para cumplir ambos propósitos, se tomaron los datos de los registros sísmicos usados en el Modelo Nacional de Amenaza Sísmica 2020 (Servicio Geológico Colombiano & Global Earthquake Model, 2020), información apropiada para el estudio de las condiciones propias de la amenaza sísmica en territorio colombiano; posteriormente, sobre unos arquetipos estructurales de 5 y 15 pisos en pórticos y sistemas combinados de concreto reforzado, se realizaron análisis estructurales incluyendo y excluyendo la componente V para estudiar sus efectos.

Los resultados mostraron que, para perfiles de suelo tipo D, E y F en el ambiente Cortical y distancias focales menores a 60 kilómetros, las relación entre formas espectrales V y H para periodos aproximadamente de 0.10 s pueden alcanzar valores de 1.18, valor superior al 2/3 (0.66) recomendado como mínimo en el reglamento NSR-10; en el mismo sentido, para los perfiles de suelo A, B y C y periodos entre 0.06 y 0.10 s, se obtuvieron relaciones espectrales V/H con valores comprendidos entre 0.60 y 0.80, en algunos casos superiores al mínimo recomendado en NSR-10.

En cuanto a los análisis estructurales, se evidenció que la carga axial en columnas cuando se incluye la componente V puede incrementarse hasta un 70% para las columnas interiores del edificio de 5 pisos y hasta un 47% para las columnas exteriores del edificio de 15 pisos. Los muros por su parte mostraron incrementos en la carga axial de los primeros pisos de hasta el 20%. En cuanto a las vigas, las variaciones fueron del orden del 2% para flexión y corte en los extremos y tuvieron un valor máximo de incrementos de flexión del 18% en el centro de la luz. Los valores anteriores son los máximos obtenidos, y disminuyen de acuerdo con los escenarios analizados en función de las combinaciones de carga consideradas, lo que además influye en las relaciones V/H para corte y flexión.

De acuerdo con los resultados anteriores, se recomienda, que para distancias de ruptura menores a 60 kilómetros de la falla que puede generar el movimiento, se considere en el análisis el efecto de la componente vertical para los diferentes grupos de perfil de suelo. Igualmente, que se revisen las solicitaciones sobre los elementos para verificar que los incrementos que pueda generar la componente V sean asumidos por la estructura sin colocar en riesgo su estabilidad.

Studies carried out during the last decades, and some building collapses due to seismic events, have shown that the effects of the vertical seismic component (V) cannot be neglected when the site conditions and the seismic hazard require it. Some investigations show that the component V for ground movements has reached 140% of the horizontal component (H), and that in the analysis of some columns, axial load increases of up to 60% have been observed when this component is considered (Perea & Esteva, 2005). This research work was carried out to continue contributing to the analysis of the relationship between the V and H components from two points of view. The first based on the relationships between maximum ground accelerations (PGA), spectral accelerations (Sa) and spectral shapes of ground motion records; and the second, from the approach of how the moment, shear and axial load requests vary in some elements of two buildings (low and medium height) when the V component is considered. To fulfill both purposes, data was taken from the seismic records used in the National Model of Seismic Hazard 2020 (Colombian Geological Service & Global Earthquake Model, 2020), information appropriate for the study of the conditions of the seismic hazard in Colombian territory. ; Later, on structural archetypes of 5 and 15 floors in frames and combined reinforced concrete systems, structural analyzes including and excluding the V component were carried out to study its effects. The results showed that, for soil profiles type D, E and F in the Cortical environment and focal distances less than 60 kilometers, the relationship between spectral forms V and H for periods of approximately 0.10 s can reach values ​​of 1.18, a value higher than 2/3 (0.66) recommended as a minimum in the NSR-10 regulation; In the same sense, for soil profiles A, B and C and periods between 0.06 and 0.10 s, spectral relationships V/H were obtained with values ​​between 0.60 and 0.80, in some cases higher than the minimum recommended in NSR-10. Regarding the structural analyses, it was shown that the axial load on columns when the V component is included can increase up to 70% for the interior columns of the 5-story building and up to 47% for the exterior columns of the 15-story building. . The walls, for their part, showed increases in the axial load of the first floors of up to 20%. As for the beams, the variations were of the order of 2% for bending and shear at the ends and had a maximum value of bending increases of 18% in the center of the span. The above values ​​are the maximum obtained, and decrease according to the scenarios analyzed depending on the load combinations considered, which also influences the V/H ratios for shear and bending. According to the previous results, it is recommended that for rupture distances less than 60 kilometers from the fault that can generate the movement, the effect of the vertical component for the different soil profile groups be considered in the analysis. Likewise, that the requests on the elements be reviewed to verify that the increases that component V may generate are assumed by the structure without putting its stability at risk.