Evaluación de la respuesta sísmica no lineal de estructuras aporticadas paramétricas de concreto armado con irregularidad vertical de piso blando

Abstract

La irregularidad estructural de piso blando o de rigidez representa un riesgo para la integridad de las estructuras debido a que puede ocasionar el colapso parcial o total de las edificaciones. La presencia de este fenómeno en las construcciones se ha vuelto cada vez más común debido a la demanda arquitectónica como estacionamientos y halls en el primer nivel, inclusión de ambientes de doble altura, entre otros. En consecuencia, el estudio del comportamiento de estructuras con piso blando es relevante para la evaluación, rehabilitación, diseño de edificaciones, de manera que se logre estimar la respuesta de la edificación ante eventos sísmicos severos. La presente investigación tiene por finalidad analizar la respuesta sísmica no lineal de un conjunto de edificaciones de cinco y diez niveles que presenten la irregularidad de piso blando en distintos grados. Los casos de estudio se han generado a partir de la definición de un grupo de parámetros que caracterizan a cada modelo tales como la frecuencia de vibración desacoplada de la estructura, la relación de rigideces traslacionales, el grado de acoplamiento torsional, la excentricidad de rigidez normalizada y la razón de rigideces torsionales. Además, se incluye la relación de al- tura entre el primer nivel y el típico, como parámetro que genera la irregularidad de piso blando en los modelos. Este método de análisis permite determinar la respuesta sísmica de un conjunto de edificaciones con características únicas a fin de evaluar la influencia de cada parámetro en la respuesta de interés global y local. En los modelos estructurales se idealizó la losa de entrepiso como diafragma rígido en su plano y se consideró en el centro de masa (CM) de cada nivel junto a tres grados de libertad: dos desplazamientos traslacionales y una rotación en planta. Principal- mente, se investiga el efecto de la torsión en planta en combinación con la irregularidad vertical de piso blando, debido a que es una situación frecuente y real en el diseño de edificaciones. La respuesta sísmica de los modelos estructurales se obtuvieron mediante un análisis no-lineal tiempo historia. Este método de análisis dinámico permite estudiar el comportamiento de la estructura en el régimen inelástico y considera la pérdida de rigidez y resistencia en los elementos estructurales que la componen. Se emplearon siete pares de registros peruanos de aceleraciones sísmicos para el análisis. Las respuestas de locales máximas de interés que se eligieron son la demanda de ductilidad de rotación y la fuerza cortante en columnas del primer nivel, mientras que las respuestas globales máximas elegidas fueron los desplazamientos traslacionales y rotacionales por nivel y las derivas de entrepiso. Este estudio concluye que el incremento de altura en el primer nivel en combinación con la excentricidad produce un aumento significativo en la demanda de ductilidad de rotación en las columnas del primer nivel mientras que en las derivas el efecto de la excentricidad de rigidez es atenuado por el efecto de piso blando donde este último concentra el desplazamiento lateral en el entrepiso de menor rigidez y la excentricidad de rigidez en los niveles intermedios y superiores.

The structural irregularity stemming from soft or stiffness poses a formidable threat to the struc- tural integrity of buildings, potentially resulting in partial or complete collapse. The growing prevalence of this phenomenon in contemporary constructions can be attributed to architectural demands, such as the integration of ground-level parking, expansive halls, and the incorporation of double-height spaces. Consequently, an in-depth examination of structures featuring soft floors is imperative for the comprehensive assessment, rehabilitation, and design of buildings, facilitating a nuanced understanding of their responses to seismic events of substantial magnitude. This research endeavors to undertake a meticulous analysis of the nonlinear seismic response ex- hibited by a series of five- and ten-story buildings characterized by varying degrees of soft floor irregularity. The selection of case studies has been methodically determined through the definition of key parameters, including the decoupled vibration frequency of the structure, translational stiff- ness ratio, degree of torsional coupling, normalized stiffness eccentricity, and torsional stiffness ratio. Notably, the height ratio between the first and typical levels is incorporated as a param- eter inducing soft floor irregularity in the models. This analytical approach enables a nuanced exploration of the seismic response of a cohort of buildings, each distinguished by unique charac- teristics, thereby facilitating an assessment of the individual influence of these parameters on both global and local responses of interest. In the structural models, the floor slab is conceptualized as a rigid diaphragm within its plane, with the center of mass (CM) of each level considered, encompassing two translational displacements and a planar rotation. The primary focus of this study lies in the investigation of the impact of planar torsion, particularly in conjunction with vertical soft floor irregularity, a prevalent and realistic consideration in contemporary building design. The seismic response of the structural models is extracted through a rigorous nonlinear time- history analysis, a dynamic method that illuminates the structure’s behavior within the inelastic range. This approach accounts for the consequential loss of both stiffness and strength in the struc- tural elements over the course of seismic events. The analysis draws upon seven pairs of Peruvian seismic acceleration records to ensure a robust examination. The designated maximum local re- sponses of interest encompass the rotation ductility demand and shear force in first-story columns, while the chosen maximum global responses encompass translational and rotational displacements per level and inter-story drifts. This comprehensive study concludes that the augmentation of height at the first level, coupled with eccentricity, precipitates a noteworthy escalation in the rotation ductility demand within first- story columns. Simultaneously, in the context of drifts, the influence of stiffness eccentricity is mitigated by the soft floor effect, wherein the latter concentrates lateral displacement in the less rigid intermediate floor and stiffness eccentricity in the intermediate and upper levels.