Seismic performance and loss assessment of Peruvian RC wall buildings designed under current codes

Abstract

In countries with high seismicity, such as Peru, Chile, and Colombia, the mid- to high-rise buildings typically use reinforced concrete (RC) wall systems, which have generally demonstrated adequate seismic performance. However, cases such as the collapse of the Alto Río building during the 2010 Chile earthquake and severe damage reported in other wallstructured buildings reveal that, under certain conditions, these systems may be vulnerable. Modern RC wall buildings in Peru have not yet been subjected to a severe earthquake, so it is uncertain whether current design procedures established in Peruvian standards are adequate to provide sufficient safety or to achieve a repairable state after a major earthquake. This thesis employs analytical methods to evaluate the performance and expected losses of modern Peruvian RC wall buildings. First, it examines the design and detailing procedures of a representative set of buildings, from which 20 prototype buildings are developed for analysis. The building models are evaluated using nonlinear procedures to estimate their lateral response (strength, stiffness, ductility) using a newly-proposed beam-based modelling scheme for RC walls. The structural performance is evaluated for different levels of seismic intensity, and the damage and losses are estimated using the FEMA P-58 methodology. Finally, recommendations are made to improve current design standards for RC wall buildings in Peru. The typical design and detailing characteristics of 20 RC wall Peruvian buildings constructed between 2010 and 2023, were used to develop 20 prototype code-conforming wall buildings. The configurations of the prototype buildings were created using the MATLAB program, taking as variables (a) the shape and area in the plan, (b) the number of levels, (c) the density of walls and (d) the structural regularity. The structural design of the walls, columns, and beams was obtained automatically with a MATLAB script, following all the guidelines of the current standards. An efficient beam-based computational model that accounts for axial-shear-flexure interaction was developed and implemented in OpenSees to analyse entire building systems. The model combines a force-based beam element with a fibre section for flexural response and a zero-length element for shear response. The fibre-based element simulates the nonlinear flexural behaviour through uniaxial material laws accounting for concrete cracking, concrete crushing, yielding and rupture of reinforcing bars. The zero-length element represents the shear behaviour with a trilinear lateral force-displacement curve representing, in a phenomenological ii way, nonlinear deformations caused by diagonal cracking. The reduction of shear resistance caused by inelastic flexural deformations is accounted for in the model to reproduce failures due to shear-flexure interaction. The model has been validated using data from 52 tests on wall specimens exhibiting flexure, shear and mixed shear-flexure modes from experimental campaigns reported in the literature. The model provides good predictions on average for the effective stiffness, lateral strength and ultimate displacement for the 52 wall tests, with mean numerical-to-experimental ratios of 1.13, 1.02 and 1.00, respectively. In addition, the ultimate displacement predictions are more accurate than those obtained with code-oriented equations in ASCE 41-17, EC 8-3 or a recent proposal by Wallace & Abdullah for ASCE 41-23 and ACI 318-19. Nonlinear static and time-history dynamic analyses of the 20 prototype buildings were conducted using the beam-based modelling scheme for walls. The static analysis results show average values of an ultimate roof drift ratio of 1.35%, an overstrength ratio of 2.43, and a primary failure mode corresponding to the concrete crushing of wall ends caused by flexural deformations. The relatively low displacement capacity of the walls is explained by the relatively high axial load ratios, high ratios of wall length/thickness, low aspect ratios, reduced confinement zones, and low transverse reinforcement ratios of the typical Peruvian wall buildings. On average, the peak roof displacements for the design basis earthquake (DBE) obtained from nonlinear analysis were 1.6 times the code expectations. They corresponded to a displacement demand/capacity ratio ranging between 0.25 and 0.83. The maximum considered earthquake (MCE) analysis shows an average displacement demand/capacity ratio of 0.90, and many buildings experienced complete failure. In both directions, the average force amplification of the peak base shear obtained from analysis over the design base shear for DBE is 3.15. In conclusion, the expected displacements and lateral forces are higher than those specified by Peruvian standards. The expected seismic losses of twelve prototype buildings were assessed following the FEMA P-58 methodology. The study considered reasonable variations in material properties and building designs, as well as different seismic intensity scenarios, providing insights to improve seismic resilience in Peruvian buildings. The lateral capacity of low-rise buildings was higher than that of higher buildings, which generated some collapse cases for the buildings of 8 to 16 levels. The results show a mean loss ratio (MLR) at design level earthquake of 28.5%, 31.5%, 33.5% and 32.6% for the buildings of 4, 8,12 and 16 levels, respectively. The mean MLR at maximum earthquake level is 62.8% and 87.4% for buildings at 4 and 8-16 levels, iii respectively. The higher losses in taller buildings are due to their low lateral capacity and collapse cases. The Expected Annual Loss (EAL) obtained for the 12 buildings ranges between 0.74% to 1.18%, with an average value of 0.93%. The Expected Losses (EL) in 50 years are in the range of 16.01% to 25.52%, with an average of 20.14%. It is concluded that the displacement demands in Peruvian reinforced concrete (RC) wall buildings are higher than those estimated by conventional procedures in the current Peruvian standards. Moreover, these buildings exhibit limited lateral capacity due to concrete crushing failures in poorly confined wall regions. Underestimating actual displacement demands may lead to inadequate design of seismic separation joints between adjacent buildings and insufficient connections between structural and non-structural elements, thereby increasing the probability of wall failure or even collapse, and resulting in higher seismic repair costs. Additionally, neglecting the amplification of shear forces due to overstrength and higher-mode effects can result in incorrect shear design, brittle wall failures in upper stories, underestimation of floor accelerations, and poor seismic performance of non-structural components. Moreover, the direct economic losses (repair costs) expected for a design basis earthquake (on average around 30% of the initial building cost) are considered high. Based on the results obtained and in alignment with international design practices, a proposal was developed to improve the Peruvian seismic and concrete design standards. The suggested updates include: (1) calculation of expected seismic displacements, (2) classification of structural walls into ordinary and special categories with different inter-story drift limits, (3) mandatory peer review and nonlinear response history analysis for certain buildings, and (4) explicit calculation of horizontal floor accelerations to ensure the proper design of nonstructural components. The methods and findings presented in this thesis offer a robust technical basis for future seismic performance evaluation of RC wall buildings, and for the risk and resilience assessment of cities and regions where this type of buildings is prominent, like Peru. This research can enable more accurate loss estimations, better prioritisation of retrofitting interventions, and more informed public policies aimed at reducing seismic risk. In the future, it is recommended to conduct additional experimental research to characterise the response of RC walls with low confinement, and to enhance numerical models to capture local failure mechanisms and coupled effects, including slab-wall interaction and diaphragm flexibility.

En países con alta sismicidad, como Perú, Chile y Colombia, las edificaciones de mediana a gran altura tienen un sistema estructural de muros de concreto armado (CA), los cuales han mostrado un desempeño sísmico mayormente adecuado. Sin embargo, casos como el colapso del edificio Alto Río durante el terremoto de Chile de 2010 y los daños severos reportados en varios edificios con muros estructurales revelan que, en ciertas ocasiones, estas estructuras pueden ser vulnerables. Los edificios modernos de muros de concreto armado en Perú aún no han sido sometidos a un sismo severo, por lo que es incierto si los procedimientos de diseño actuales establecidos en las normas peruanas son adecuados para proporcionar una seguridad suficiente o para lograr un estado reparable después de un sismo de gran intensidad. La presente tesis emplea métodos analíticos para evaluar el desempeño y las pérdidas sísmicas esperadas de los edificios modernos de muros de concreto armado en Perú. En primer lugar, se examinan los procedimientos de diseño y detalle de un conjunto representativo de edificios, a partir del cual se desarrollan 20 edificios prototipo para su análisis. Los modelos de los edificios se evalúan mediante procedimientos no lineales para estimar su respuesta lateral (resistencia, rigidez, ductilidad) utilizando una nueva propuesta de modelado basado en elementos viga para muros de concreto armado. El desempeño estructural se evalúa para diferentes niveles de intensidad sísmica, y los daños y las pérdidas se estiman utilizando la metodología FEMA P-58. Finalmente, se hacen recomendaciones para mejorar las normas de diseño actuales para los edificios de muros de concreto armado en Perú. Las características típicas de diseño y detallado de 20 edificaciones peruanas de muros de concreto armado construidas entre 2010 y 2023, se utilizaron para desarrollar 20 edificios prototipo que cumplen con los requerimientos de las actuales normas. Las configuraciones de los edificios prototipo se desarrollaron con el programa MATLAB, teniendo variables como (a) la forma y área en planta, (b) la cantidad de niveles, (c) la densidad de muros y (d) la regularidad estructural. El diseño estructural de las muros, columnas y vigas, fue obtenido de forma automática con un código en MATLAB, siguiendo los procedimientos de diseño de las actuales normas peruanas. Se desarrolló e implementó en OpenSees un modelo computacional eficiente basado en elementos tipo viga que tiene en cuenta la interacción axial-corte-flexión para analizar sistemas completos de edificios. El modelo combina un elemento viga (frame) con un comportamiento v basado en fuerza y una sección de fibras para la respuesta a la flexión y un elemento de longitud nula (zero-length) para la respuesta al corte. El elemento viga con sección de fibras simula el comportamiento no lineal a flexión a través de leyes uniaxiales de materiales que tienen en cuenta el agrietamiento del concreto, el aplastamiento del concreto, la fluencia y la ruptura de las barras de refuerzo. El elemento zero-length representa el comportamiento de corte con una curva lateral trilineal de fuerza-desplazamiento que representa, de manera fenomenológica, las deformaciones no lineales causadas por el agrietamiento diagonal. La reducción de la resistencia al corte causado por deformaciones inelásticas por flexión se tiene en cuenta en el modelo para reproducir fallas debido a la interacción de corte-flexión. El modelo ha sido validado utilizando datos de 52 ensayos en muros que exhiben modos de flexión, cortante y cortante-flexión mixtos de campañas experimentales reportadas en la literatura. El modelo proporciona buenas predicciones en promedio para la rigidez efectiva, la fuerza lateral y el desplazamiento máximo para las 52 pruebas de muros, con valores medios de los ratios numérico-experimentales de 1.13, 1.02 y 1.00, respectivamente. Además, las predicciones de desplazamiento máximo son más precisas que las obtenidas con ecuaciones orientadas a códigos en ASCE 41-17, EC 8-3 o una propuesta reciente de Wallace & Abdullah para ASCE 41-23 y ACI 318-19. Se realizaron análisis estáticos no lineales y dinámicos por historia de tiempo de los 20 edificios prototipo utilizando el nuevo esquema de modelado basado en elementos viga para los muros. Los resultados del análisis estático muestran valores promedio de deriva máxima del techo del 1.35%, una sobrerresistencia de 2.43, y un modo de falla primario correspondiente al aplastamiento del concreto de los extremos de los muros causada por deformaciones por flexión. La capacidad de desplazamiento relativamente baja de los muros se explica por los relativamente altos ratios de carga axial, altas relaciones de longitud/grosor de muro, bajas relaciones de aspecto, zonas de confinamiento reducidas y bajas relaciones de refuerzo transversal de los típicos edificios de muros peruanos. En promedio, los desplazamientos máximos del techo para el sismo de diseño (DBE) obtenidos del análisis no lineal fueron 1.6 veces las esperadas por el código y correspondieron a una relación de demanda/capacidad de desplazamiento entre 0.25 y 0.83. El análisis del sismo máximo considerado (MCE) muestra una relación promedio de demanda/capacidad de desplazamiento de 0.90, y muchos edificios experimentaron falla completa. En ambas direcciones, la amplificación media de la fuerza de la fuerza cortante base pico obtenida del análisis sobre la fuerza cortante base de diseño para vi DBE es 3.15. En conclusión, los desplazamientos esperados y las fuerzas laterales son mayores que los especificados por las normas peruanas. Se evaluaron las pérdidas sísmicas esperadas de 12 edificios prototipo siguiendo la metodología del FEMA P-58. El estudio consideró variaciones razonables en las propiedades de los materiales y los diseños de los edificios, así como diferentes escenarios de intensidad sísmica, proporcionando información valiosa para mejorar la resiliencia sísmica en los edificios peruanos. La capacidad lateral de los edificios de baja altura fue mayor que la de los edificios más altos, lo que generó algunos casos de colapso para los edificios de 8 a 16 niveles. Los resultados muestran una relación media de pérdida (MLR) en el nivel de sismo de diseño del 28.5%, 31.5%, 33.5% y 32.6% para los edificios de 4, 8, 12 y 16 niveles, respectivamente. La MLR media en el sismo máximo fueron de 62.8% y 87.4% para edificios de 4 y 8-16 niveles, respectivamente. Las mayores pérdidas en edificios altos se deben a su baja capacidad lateral y casos de colapso. La Pérdida Anual Esperada (EAL) obtenida para los 12 edificios oscila entre 0.74% y 1.18%, con un valor promedio del 0.93%. Las Pérdidas Esperadas (EL) en 50 años están en el rango del 16.01% al 25.52%, con un promedio del 20.14%. Se concluye que las demandas de desplazamiento en edificios peruanos de muros de concreto armado son mayores que las estimadas mediante los procedimientos convencionales de las normas peruanas, y las edificaciones presentan una capacidad lateral limitada debido a fallas por aplastamiento del concreto en zonas en los muros. Subestimar las verdaderas demandas de desplazamiento podría conducir a diseños inadecuados de juntas de separación sísmica entre edificaciones adyacentes y de conexiones entre elementos estructurales y no estructurales, aumentando así la probabilidad de falla de muros o incluso de colapso, y generando mayores costos de reparación por sismo. Además, ignorar la amplificación de fuerzas cortantes por sobrerresistencia y efectos de modos superiores puede derivar en diseños incorrectos de cortante en muros, fallas frágiles en los niveles superiores, subestimación de aceleraciones en los pisos y un diseño sísmico deficiente de componentes no estructurales. Además, se consideran altas las pérdidas económicas directas (costos de reparación) esperadas para un terremoto de nivel de diseño (en promedio alrededor del 30% del costo inicial del edificio). Con base en los resultados obtenidos y procedimientos de diseños internacionales, se preparó una propuesta de mejora de las normas sísmicas y de concreto reforzado peruanas, que incluye: (1) cálculo de los desplazamientos esperados en terremoto, (2) inclusión de muros estructurales ordinarios y especiales con límites de deriva de entrepiso diferentes, (3) revisión técnica de proyectos de estructuras y análisis obligatorio de la respuesta no lineal para ciertos edificios y vii (4) cálculo de aceleraciones horizontales de piso para asegurar el diseño adecuado de componentes no estructurales. Los métodos y hallazgos presentados en esta tesis ofrecen una base técnica sólida para la futura evaluación del desempeño sísmico de edificios de muros de concreto armado, y para la evaluación del riesgo y la resiliencia de las ciudades y regiones donde este tipo de edificios es prominente, como en Perú. Esta investigación permite estimaciones de pérdidas más precisas, una mejor priorización de las intervenciones de refuerzo y políticas públicas más fundamentadas de cara a reducir el riesgo sísmico. En el futuro, se recomienda realizar investigaciones experimentales adicionales para caracterizar la respuesta de los muros de concreto armado con bajo confinamiento, y mejorar los modelos numéricos para capturar los mecanismos de falla locales y los efectos acoplados, incluyendo la interacción entre losas y muros y la flexibilidad de los diafragmas.