Evaluación del comportamiento sísmico mediante curvas de fragilidad para edificios de marcos de acero resistentes a momentos (OMF)

Abstract

Los terremotos son eventos en los cuales se libera una gran cantidad de energía en forma de ondas que se propagan a través del suelo. Chile, al igual que otros países, se encuentra emplazado dentro del denominado Cinturón de Fuego del Pacífico, caracterizado por una elevada actividad sísmica producto de la convergencia de placas tectónicas. Dentro de los eventos más significativos registrados en país se encuentran Los Vilos año 2015 con un sismo de magnitud 8,4, Cobquecura en el año 2010 con una magnitud de 8,8 y en Valdivia de magnitud 9,5 el año 1960 categorizado como el sismo más grande registrado instrumentalmente. Considerando la alta sismicidad, las estructuras deben diseñarse no solo para evitar el colapso, sino también para presentar un desempeño satisfactorio, manteniendo condiciones de servicio y limitando los daños estructurales posterior a un evento sísmico severo. En la actualidad, el enfoque de desempeño y fragilidad estructural es uno de los principales desafíos del diseño sismorresistente. Para cumplir con los requerimientos estructurales frente a las solicitaciones sísmicas, existen diferentes sistemas sismorresistentes, entre los cuales destacan los muros de hormigón armado, pórticos arriostrados, estructuras mixtas y marcos resistentes a momento de acero. Estas soluciones son ampliamente usadas debido a sus características de rigidez, ductilidad y capacidad de disipación de energía. En particular, los marcos resistentes a momento de acero se clasifican en tres categorías: ordinarios (OMF), intermedios (IMF) y especiales (SMF), según lo indicado en la norma internacional AISC 341-16 [1], la cual establece distintos niveles de exigencia normativa para cumplir los requisitos de ductilidad y disipación de energía controlada. Este trabajo se centra en el estudio de los marcos resistentes a momento ordinarios (OMF), los cuales corresponden a estructuras que presentan menores exigencias normativas, pero también una menor reducción del coeficiente de respuesta sísmica establecido en la NCh 433.Of96 Mod.2009 [2]. Las estructuras de este tipo posibilitan la generación de espacios arquitectónicos amplios, al prescindir de elementos diagonales o muros de rigidez. Distintos estudios han señalado que su desempeño frente a demandas sísmicas puede verse limitado [3], lo que plantea incertidumbre respecto a la seguridad estructural ante sismos de gran magnitud. A nivel internacional, después del terremoto de Northridge en 1994 con magnitud de 6,7, ocurrido en California (Estados Unidos), se detectaron en estructuras diseñadas con OMF, fallas frágiles en las conexiones soldadas viga-columna, generando una revisión más profunda en las disposiciones normativas asociadas a este tipo de sistema constructivo, dando paso al desarrollo de criterios más estrictos para el diseño de conexiones AISC-358 [4] y requisitos más concretos para cada tipo de marco resistente a momento. En Chile, la norma sísmica vigente NCh 433 permite el uso de marcos OMF asignando factores de modificación de la respuesta sísmica de R = 4 para un análisis estático y R0=5 en un análisis modal espectral, sin imponer restricciones adicionales a su aplicación. El presente trabajo incorpora el efecto de la losa colaborante como parte del sistema estructural, considerando que su interacción con las vigas puede modificar la rigidez de estos elementos y la respuesta global de los marcos. Se contempla el análisis de ocho estructuras simétricas de baja altura, correspondientes a edificios de 2 y 3 pisos, ubicados en zonas sísmicas II y III, emplazados sobre suelo tipo D. Estas estructuras son diseñadas mediante el software ETABS para un análisis lineal conforme a las normas vigentes. Posteriormente, los modelos estructurales se desarrollan mediante el lenguaje de programación Python y herramientas de la plataforma de OpenSeesPy, con el objetivo de realizar análisis estructurales no lineales, de tipo estático incremental (pushover) y dinámico incremental (IDA). En el caso del análisis dinámico incremental, se aplican siete registros sísmicos representativos del territorio nacional con magnitudes comprendidas entre 6,0 y 8,5 Mw, empleando criterios de daño basados en HAZUS [5]. A partir de los resultados obtenidos, se elaboran curvas de fragilidad, las cuales permiten cuantificar probabilísticamente el daño estructural en distintas categorías asociadas a diferentes niveles de desempeño. En consecuencia, este trabajo, en el contexto de Chile, no solo presenta resultados de carácter académico, sino también evalúa la confiabilidad de los marcos resistentes a momento ordinarios frente a registros sísmicos de terremotos reales, aportando una visión integral de su desempeño estructural.