Estudio del comportamiento inelástico de un sistema estructural sismo-resistente compuesto por arcos y vigas para edificaciones - Tibasosa Albarracín, Luis Gabriel (Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2017)
El elemento estructural tipo arco presenta ventajas desde el punto de vista estético que podrían ser aprovechadas usándolo como un elemento estructural resistente en edificaciones. Actualmente no existen en la normativa nacional (NSR-10) lineamientos para este elemento como parte de un sistema sismo resistente. El objetivo de este trabajo es estudiar el uso de arcos parabólicos de acero estructural como elementos sismo-resistentes, por medio del estudio de su comportamiento inelástico para cargas verticales y horizontales, utilizando el procedimiento de análisis no lineal estático de plastificación progresiva (pushover). Se estudió inicialmente el comportamiento individual del arco para diferentes condiciones de carga, esbelteces y condiciones de indeterminación estática, identificando el mecanismo de falla, así como la relación entre la carga elástica de pandeo, la carga máxima inelástica y la diferencia en la respuesta inelástica por la forma de aplicación de las cargas verticales. Para modelar el comportamiento inelástico se utilizaron rótulas plásticas de interacción flexión-compresión definidas automáticamente por el programa de análisis SAP2000 con base en la norma ASCE 41-13; estas rótulas se distribuyeron a espacios regulares de la longitud del arco. Se encontró de manera general que el mecanismo de falla no se ve afectado por la forma de aplicación de la carga vertical, que éste es similar entre las diferentes configuraciones estudiadas, que la carga máxima resistente del arco está limitada por la capacidad inelástica del mismo y disminuye al reducirse el grado de indeterminación estática, y que las curvas de pushover mostraron un limitado trabajo inelástico representado en valores bajos de ductilidad (valores de R entre 1,5 y 3,0). Se estudió posteriormente un sistema estructural para una edificación, compuesto por vigas y columnas con conexiones no resistentes a momento y arcos parabólicos, para diferentes configuraciones en planta y en altura (variando el número de vanos y el número de niveles de la edificación y la indeterminación estática del arco). Se encontró que en este sistema se incrementa el valor de la carga máxima del arco individual, pero no cambia el mecanismo de falla; que el arco aporta una buena rigidez al sistema limitando los desplazamientos laterales, pero la ductilidad del sistema es menor a la del arco trabajando en forma individual (valores de R menores a 2,0). Como conclusión se encontró que los arcos parabólicos de acero estructural podrían ser utilizados dentro de un sistema sismo resistente, pero se requiere de análisis más extensos para poder definir sus límites de aplicación para diseño sísmico de edificaciones.

An arch, as a structural element, has some aesthetical advantages that could be useful when used as a part of a structural system for buildings. At the moment there are no domestic design specifications for its use as a part of a seismic resistant structural system. The mean objective of this thesis is to study the potential use of structural steel parabolic arches as seismic resistant structural elements through its inelastic behavior for vertical and lateral loads, using nonlinear static (pushover) analysis. The individual behavior of the arc was studied initially for different loading conditions, slenderness and static indetermination, identifying the failure mechanism, as well as the relationship between the buckling elastic load, the inelastic maximum load and the difference in the inelastic response depending on the vertical load type applied. Plastic hinges for flexure and compression were used to modeling the inelastic behavior in the analysis program SAP2000, as defined in the document ASCE41-13. This hinges were placed at regular distance through the arch length. The failure mechanism was not affected by the pattern of the vertical loads applied; this mechanism is quite similar in all cases studied, the maximum arch’s load capacity is limited by its inelastic capacity, and the pushover curves shown a limited inelastic performance represented by low values of the ductility factor R (values between 1,5 and 2,0). Later, a building structural system was studied. The system is conformed by beams and columns with non-moment-resisting connections and parabolic aches, with several plan and height configurations (changing the number of spans and stories of the building and the arch’s static indetermination). It was found that the maximum load capacity of the single arch is increased, and the failure mechanism remain the same; the global lateral rigidity of the system is improved because the arches, but the system ductility is lower than the single arch ductility (values of the ductility factor R lower than 2,0). As a conclusion, it was found that structural steel parabolic arches could be used as a structural member in an earthquake resistant structural system, but more extensive analysis are needed in order to define its application limits in building seismic design.
Keywords: Estructuras; Análisis de estructuras; Edificaciones; Construcción sismo resistentes; Structures; Analysis of structures; Buildings; Construction earthquake resistant