Análisis estructural probabilista orientado a evaluación del daño sísmico de edificios de mampostería no reforzada: aplicación a edificios aislados y agregados del distrito del Ensanche de Barcelona

Abstract

Despite the fact that masonry is one of the oldest and most used building materials, the number of existing studies and experimental data, as well as the applicability of its results (i.e. extrapolation), are substantially lower than those available for much more recent materials, such as concrete or steel. Furthermore, currently in Europe, a large number of residential buildings belong to masonry typologies. These circumstances justify the study of the characteristics and behaviour of the masonry to guide studies on seismic vulnerability. In particular, the Eixample district of Barcelona, in Spain, presents an urban park of functional housing made up 73% of unreinforced masonry structures, solved by means of load-bearing wall systems, without any consideration of seismic action and that, for the most part, exceed 100 years of useful life. These buildings, characteristics of Barcelona, have elements that differentiate them from other buildings of the same construction typology that can be found in other regions of Europe: 1) the number of floors significantly exceeds the average, being able to find buildings with up to 10 or 11 levels; 2) The buildings share dividing walls (e.g. lateral), thereby generating frameworks of buildings known as aggregates; 3) The properties and qualities of the different construction elements are closely linked to the production processes, not yet mechanized, of the time; 4) The level of construction techniques and the qualification of the workforce were very high. In this work, numerical 3D models of isolated structural configurations (i.e. individual building) and in aggregate, of existing buildings have been made, in order to determine and compare the behaviour between the different structural configurations. The buildings have been modelled incorporating the variability of their mechanical parameters and the seismic demand has also been selected taking into account its uncertainty. The structural analysis has been carried out using and comparing different non-linear static calculation procedures and using the incremental non-linear dynamic analysis as a reference. A discussion was carried out comparing the results and the degree of reliability of the different procedures used in relation to the typology of unreinforced masonry buildings. It can be concluded that the simplified methods (i.e. non-linear static) overestimate the damage corresponding to low values of PGA and underestimate the damage for higher values of PGA. Using different criteria, and including the probabilistic consideration of mechanical properties, as well as seismic demand, the foreseeable damage for these structures has been characterized by fragility functions and matrices and damage indices. A study of the correlation between the mechanical parameters and the observed damage is also provided, from which, a high correlation between the obtained results and the variables of interest, is observed, being the Young’s modulus, E, the variable with the highest correlation coefficients. The common difficulties, in any work that involves large samples in relation to the amount of resources and computing time, have been solved through the design of adequate and sufficiently representative samples and by using current computational methods and tools, such as parallel and distributed computing.

A pesar de que la mampostería es uno de los materiales de construcción más antiguos y usados, el número de estudios y datos experimentales existentes, así como la aplicabilidad de sus resultados (i.e. extrapolación), son substancialmente inferiores a aquellos disponibles para materiales mucho más recientes, tales como el hormigón o el acero. Además, actualmente en Europa, un gran número de edificaciones habitacionales pertenecen a tipologías de mampostería. Estas circunstancias justifican el estudio de las características y comportamiento de la mampostería para orientar estudios sobre vulnerabilidad sísmica. En particular, el distrito del Ensanche de Barcelona, en España, presenta un parque urbano de viviendas funcionales compuesto en un 73% por estructuras de mampostería no reforzada, resueltas mediante sistemas de muros de carga, sin ninguna consideración de la acción sísmica y que, en su mayoría, sobrepasan 100 años de vida útil. Estos edificios, característicos de Barcelona, tienen elementos que los diferencian de otras edificaciones de la misma tipología constructiva que pueden encontrarse en otras regiones de Europa: 1) el número de plantas supera significativamente la media, pudiendo encontrar edificios con hasta 10 u 11 niveles; 2) Los edificios comparten paredes medianeras (e.g. laterales), generando con ello entramados de edificios conocidos como agregados; 3) Las propiedades y calidades de los distintos elementos constructivos están estrechamente ligados con los procesos de producción, aún no mecanizados, de la época; 4) El nivel de las técnicas constructivas y la cualificación de la mano de obra eran muy elevados. En este trabajo se han realizado modelos numéricos 3D de configuraciones estructurales aisladas (i.e. edificio individual) y en agregado, de edificios existentes, con la finalidad de determinar y comparar el comportamiento entre las distintas configuraciones estructurales. Los edificios se han modelado incorporando la variabilidad de sus parámetros mecánicos y la demanda sísmica también se ha seleccionado teniendo en cuenta su incertidumbre. El análisis estructural se ha realizado utilizando y comparando diferentes procedimientos de cálculo estático no-lineal y utilizando el análisis dinámico no lineal incremental como referencia. Se ha realizado una discusión comparando los resultados y el grado de confiabilidad de los diferentes procedimientos utilizados en relación con la tipología de edificios de mampostería no reforzada. Se concluye que los métodos simplificados (i.e. estáticos no-lineales) sobrestiman el daño correspondiente a valores bajos de PGA, mientras que lo subestiman para valores elevados de PGA. Utilizando diferentes criterios, e incluyendo la consideración probabilista de las propiedades mecánicas, así como de la demanda sísmica, se ha caracterizado el daño predecible para estas estructuras mediante funciones de fragilidad y matrices e índices de daño y también se aporta un estudio de la correlación entre los parámetros mecánicos y el daño observado, a partir del cual se observa que existe una alta correlación entre los resultados obtenidos y las variables aleatorias seleccionadas, siendo el módulo de Young, E, aquella que presenta los coeficientes de correlación más altos. Las dificultades comunes en cualquier trabajo que involucra muestras de gran tamaño en relación con la cantidad de recursos y tiempos de computación, han sido resueltas mediante el diseño de muestras adecuadas y suficientemente representativas, así como el empleo de métodos y herramientas de cómputo actuales, como lo son el cómputo paralelo y distribuido.