Análisis estructural de escaleras para edificios frente a viento y sismo

Abstract

(English) In this PhD Dissertation the structural performance of buildings with stairs submitted to lateral loads, is investigated. Because of the historical neglect of the interaction effects between the main structure and stairs, in professional and scientific practices, the objective is to address the current uncertainty regarding the structural safety of the evacuation exits of buildings, when they face seismic threats. For this reason, solutions are investigated in search of the optimal interaction between the main structure and the stairs. Currently, the project of buildings with stairs is controlled by different types of regulations, to ensure that, in an accidental situation, the stairs are the safest place and route to evacuate the building. However, in front of seismic threats, it is recommended not to stay in areas of the building with stairs, because it has been proven that they are elements highly vulnerable to the effects of the earthquake. The criteria for fire safety and against seismic threats are contradictory. Therefore, the need to rethink the way of designing stairs as well as their interaction with the building structure is confirmed. In an accidental situation (be it due to fire or to earthquake), the integrity of the staircase is essential to ensure a rapid evacuation of and adequate assistance to the users of the building and, for this reason, the structural safety of the evacuation routes should be guaranteed, in front of any accidental situation. In this research, four three dimensions (3D) models have been defined and, in each one of them, a non-linear static analysis has been performed against incremental pushes in the two main directions, which involves eight pushover analyses. Two analysis models correspond to the usual way of analyzing seismic behavior today, that is, without considering the structural presence of the stairs in the calculation model. The other two propose two different stair solutions, which, in these cases, have been modeled as part of the main structure. The research is carried out through three different fields of knowledge, the coordination of which has made it possible to solve a problem of international concern that each year causes the loss of hundreds of humans’ lives, serious accidents and significant material damage, on all continents of the world. The three main areas of knowledge are: 1) architecture, 2) steel building engineer-ing, and 3) the study of seismic behavior (earthquake engineering). The contribution of this thesis to the problem of the fragility of the stairs could hardly have been made from the specialization in a single area of the three mentioned ones. Through the development, some preestablished impositions in each field of study are questioned and overcome: 1) the function of stairs in architecture, 2) the reason for the bracing system and the external actions that actually act on them and 3) the determining incidence of the stairs on the overall dynamic and seismic behavior of the building (structural dynamics and seis-mology). The main contribution is to offer, for the first time, an architecture project that provides a transversal solution to the three areas of study. Starting from Le Corbusier's definition, "... architecture is the wise, correct and magnificent game of volumes organized under light…." Here, the parallelism could be nuanced: "... and of the organized masses in the face of acceleration". The scope of this thesis has been to design buildings in which the main structure and the stairs constitute an effective structural type against the effects of vertical (gravity) and horizontal (wind or earthquake) acceleration loads. The results obtained prove that the integration of the essential elements of the architecture (the main structure and the stairs, in this case) allows creating new, safer, more economical and resilient structural types.

(Español) Esta tesis investiga el comportamiento estructural de los edificios con escaleras frente a empujes laterales. Ante la histórica desconsideración en la práctica profesional y científica de los efectos de interacción entre estructura principal y escaleras, el objetivo es resolver la actual incerteza en torno a la seguridad estructural de las salidas de evacuación de los edificios frente a amenaza sísmica. Por ello, se investigan soluciones en busca de la óptima interacción entre la estructura principal y de las escaleras. Actualmente, el proyecto de edificios con escaleras está controlado por distintos tipos de normas, para garantizar que, en situación accidental, las escaleras sean el lugar y el recorrido de evacuación más seguro del edificio. Sin embargo, frente a amenaza sísmica, se recomienda no permanecer en zonas del edificio con escaleras, porque está demostrado que son elementos altamente vulnerables frente a los efectos del terremoto. Los criterios de seguridad contra incendios y frente a amenaza sísmica son contradictorios. Se constata la necesidad de replantear el modo de diseñar escaleras y su interacción con la estructura del edificio. En situación accidental (sea por fuego o sismo) la integridad de la escalera es indispensable para asegurar una rápida evacuación y asistencia de los usuarios del edificio, y por ello, se debería garantizar la seguridad estructural de las vías de evacuación, frente a cualquier situación accidental. En esta investigación, se han definido cuatro modelos de análisis en tres dimensiones (3D) y en cada uno de ellos, se ha realizado un análisis estático no lineal frente a empujes incrementales en dos direcciones principales, lo que supone un total de ocho cálculos pushover. Dos modelos de análisis corresponden al modo habitual de analizar el comportamiento sísmico hoy en día, es decir, sin considerar la presencia estructural de las escaleras en el modelo de cálculo. Los otros dos, proponen dos soluciones de escaleras distintas, modelizadas como parte de la estructura principal. La investigación se realiza a través de tres ámbitos de conocimiento distintos, cuya coordinación ha permitido resolver un problema de interés internacional que cada año provoca la pérdida de centenares de vidas humanas, graves accidentes e importantes daños materiales en todos los continentes del mundo. Los tres ámbitos principales de conocimiento son: 1) arquitectura, 2) ingeniería en edificación con acero, y 3) el estudio del comportamiento sísmico. La contribución de esta tesis frente al problema de la fragilidad de las escaleras, difícilmente se podría haber realizado desde la especialización en un único ámbito de los tres mencionados. Durante el desarrollo se cuestionan y superan algunas imposiciones preestablecidas en cada ámbito de estudio: 1) La función de las escaleras en la arquitectura, 2) La razón de ser del sistema de arriostrado y las acciones externas que realmente actúan sobre ellas y 3) La determinante incidencia de las escaleras sobre el comportamiento dinámico y sísmico del edificio (dinámica estructural y sismología). La contribución principal, es ofrecer por primera vez, un proyecto de arquitectura que facilite una solución transversal a los tres ámbitos de estudio. Partiendo de la definición de Le Corbusier, "...la arquitectura es el juego sabio, correcto y magnifico de los volúmenes organi-zados bajo la luz…". Aquí, se podría matizar el paralelismo: " ... y de las masas organizadas frente a la aceleración". El alcance de la tesis es proyectar edificios en que la estructura principal y de las escaleras constituyan un tipo estructural eficaz frente a los efectos de la aceleración vertical (gravedad) y horizontal (viento o sismo). Los resultados obtenidos verifican que la integración de los elementos esenciales de la arquitectura (la estructura principal y de las escaleras) permite crear nuevos tipos estructurales más seguros, económicos y resistentes.