Evaluación basada en prestaciones según FEMA-P-58-1

Evaluación basada en prestaciones según el PEER / FEMA-P-58-1 LM rev 191105 Leandro Morillas [email protected] Departamento de Mecánica de Estructuras e Ingeniería Hidráulica ETS Arquitectura - Campo del Príncipe 18071 Granada Resumen Los terremotos acontecidos en los 90 en Japón y Estados Unidos pusieron de manifiesto que las metodologías sismorresistentes basadas en dotar de resistencia lateral eran capaces de evitar colapsos, pero los cuantiosos daños produjeron importantes disfunciones en los edificios y dispararon los costes de reparación. Desde entonces se han impuesto las metodologías basadas en prestaciones, cuyo objetivo es predecir y cuantificar explícitamente el comportamiento de todos los sistemas del edificio en varios escenarios de riesgo sísmico. En esta ponencia se expone un caso de estudio siguiendo una de las metodologías de evaluación de prestaciones más sólidas de la actualidad, el FEMA-P-58-1. Se incide en los fundamentos y aspectos clave de la metodología para modelar los sistemas de los edificios, evaluar la probabilidad de alcanzar ciertos niveles de daños o costes de reparación, y desarrollar curvas de fragilidad. Temas a tratar FEMA P-58-1 Una metodología para evaluar las probables prestaciones sísmicas de edificios teniendo en cuenta su emplazamiento y características estructurales, no estructurales, y su ocupación. ● Antecedentes ● La filosofía de la seguridad ● Los daños en elementos no estructurales ● Algún concepto de probabilidad y estadística. ● Curvas de fragilidad. FEMA, P. (2012). Seismic performance assessment of buildings. Implementation Guide"." Applied Technology Council for the Federal Emergency Management Agency, CA, USA. https://www.fema.gov/es/media-library/assets/documents/90380 Antecedentes: el método de los estados límite El precedente era el método de las tensiones admisibles (ASD Allowable stress design), que es muy intuitivo, pero: ● Solo tiene un objetivo (no es multi-objetivo) ● No todo es la resistencia. ● Aparecer otros fenómenos durante la vida útil del material: fisuración, vibraciones, deformaciones, fatiga, fluencia, reología, creep. Tensiones admisibles Estados límite Proyecto SR basado en resistencia Proyecto SR basado en prestaciones = Antecedentes: el método de los estados límite ● Son un paradigma de la seguridad estructural (LSD Limit State Design - LRFD Load and Resistance factor design) ● Las bases científicas fueron sentadas por Streletzki, 1947. Su estudio estadístico del factor de seguridad estructural se introdujo en el código ruso en 1955 y sigue vigente. ● La filosofía de los Estados Límite se basa en un concepto estadístico de la seguridad y la probabilidad de fallo. ● Aplica métodos estadísticos a las variaciones de las acciones y las propiedades de los materiales ● ɣ están relacionados con la variabilidad. Un imprevisto del proyecto SR basado en resistencia: los daños sísmicos en elementos no estructurales ● Los ENE son todo excepto: pilares, vigas, forjados. ● Hay una dicotomía en el tratamiento que damos a los elementos no estructurales ● La importancia de los daños en ENE: su coste Los daños sísmicos en elementos no estructurales ● Algunos Elementos No Estructurales (ENE): Cerramientos, tabiquería, techos, ventanas, ventanas, ordenadores, equipamiento de oficina, estanterías, archivos, calefacción, ventilación, climatización, cuadros eléctricos, tuberías, luminarias, rociadores de incendios, contenidos, cubiertas, ornamentación, muros cortina, fachadas ventiladas, petos, chimeneas, ascensores, paneles solares, servidores informáticos, máquinas de vending. ● (FEMA-E-74) Los daños sísmicos en elementos no estructurales Pueden impedir la evacuación Pueden impedir el uso del edificio Pueden disparar los costes de reparación Los ENE interactúan entre ellos Los daños sísmicos en elementos no estructurales Nisqually, 2001 1-4 G$ 4 21 3 Fotografías: FEMA E-74 La metodología FEMA-P-58-1 ● ¿Cuánto es la probabilidad de que suceda un terremoto de cierta intensidad? ● ¿Cómo cuantificar la acción sísmica? ● Escenarios de peligrosidad (podemos tener en cuenta direccionalidad del sismo) ● Espectros a varias intensidad (frecuente, raro, MCE) ● Selección y modificación de terremotos (GMSM) ● Spectral matching La metodología FEMA-P-58-1 ● ¿Cuánto es la respuesta del edificio en caso de un terremoto de cierta intensidad? ● La métrica son los parámetros de demanda que influyen en los daños al edificio ○ ___________________________ ○ ___________________________ ○ ___________________________ ● Usaremos varios acelerogramas para tener datos estadísticamente representativos La metodología FEMA-P-58-1 ● ¿Cuánto es la respuesta del edificio en caso de un terremoto de cierta intensidad? ● La métrica son los parámetros de demanda que influyen en los daños al edificio ○ El desplome entre plantas en dos direcciones ○ La aceleración de planta en dos direcciones ○ Algunos autores han empleando velocidades ● Usaremos varios acelerogramas para tener datos estadísticamente representativos La metodología FEMA-P-58-1 ● Seamos ordenados: la matriz de DP Calitri Lorca Aquila a0 0.23g 0.25g 0.24g a1 0.75g 0.91g 0.64g desplome 1.1% 1.3% 1.15% La metodología FEMA-P-58-1 Calitri Lorca Aquila a0 0.23g 0.25g 0.24g a1 0.75g 0.91g 0.64g desplome 1.1% 1.3% 1.15% 1.1 1.2 1.3 Probabilidad de 0 a 1 Distribución acumulada La metodología FEMA-P-58-1 1.1 1.2 1.3 Hipótesis: X sigue una distribución lognormal log(X) sigue una distribución normal Distribución lognormal acumulada La metodología FEMA-P-58-1 1.1 1.2 1.3 Podemos estimar la probabilidad de exceder (o no exceder) un cierto desplome entre plantas Actividad 1 PISTAS: Una la distribución normal se caracteriza por el valor promedio y la desviación estándar El logaritmo de los valores de la tabla sigue una distribución normal. Podemos calcular la probabilidad usando hojas de cálculo LOGNORM.DIST(x,mean,standard_dev,cumulative) desplome planta 0 (%) desplome planta 1 (%) sismo1 1.2 1.17 sismo2 0.95 1.05 sismo3 1.22 1.1 sismo4 1.15 1.32 sismo5 1.3 0.99 1) Empleando 5 acelerogramas, realizamos una serie de análisis dinámicos directos de un edificio de 2 plantas. En este escenario ¿qué probabilidad hay de que se supere un desplome entre plantas del 1%? Actividad 1 PISTAS: Una la distribución normal se caracteriza por el valor promedio y la desviación estándar El logaritmo de los valores de la tabla sigue una distribución normal. Podemos calcular la probabilidad usando hojas de cálculo LOGNORM.DIST(x,mean,standard_dev,cumulative) 100%-11.7%= 88.3% La metodología FEMA-P-58-1 ● ¿Cuánto es la probabilidad de que sucedan daños en función de los parámetros de demanda? ● Usando el mismo concepto estadístico: las curvas de fragilidad La metodología FEMA-P-58-1 Conclusiones ● La metodología tiene una base probabilista que permite conservar las incertidumbres del problema. ● A través de un análisis en cascada, la metodología permite cuantificar a partir de la respuesta estructural: (i) los niveles de daño en los sistemas del edificio, (ii) los tiempos y costes de reparación, (iii) otros impactos sociales, medioambientales, etc. ● Son necesarios avances en el desarrollo de curvas de fragilidad para variedad de sistemas tecnológicos de los edificios. Referencias Federal Emergency Management Agency (FEMA). (2012). Seismic Performance Assessment of Buildings Volume 1-Methodology. Rep. No. FEMA P-58-1. FEMA, E. (2011). Reducing the risks of nonstructural earthquake damage. Practical Guide, January. Filiatrault, A., & Sullivan, T. (2014). Performance-based seismic design of nonstructural building components: The next frontier of earthquake engineering. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 13(1), 17-46. DOI:10.1007/s11803-014-0238-9