Estudio de la influencia de los fenómenos de interacción suelo-estructura en la respuesta sísmica de estructuras típicas de acero con arriostramientos concéntricos

Abstract

(English) Steel concentrically braced frames (CBF) are considered efficient in resisting lateral forces because they provide high lateral strength and stiffness, which is particularly beneficial in seismic zones. However, this type of structure has a significant overstrength that is not considered during foundation design, which can lead to uplift of the footings under the braced members and to rocking mechanisms. On the other hand, soil-structure interaction (SSI) phenomena and foundation flexibility are generally not considered in performance-based analyses of new or existing structures. In this research, the influence of SSI phenomena on the seismic response of CBF is evaluated by considering the nonlinear response of embedded footings using the BNWF (Beam on Nonlinear Winkler Foundation) approach. To model the vertical stress-displacement behaviour of the footings, it is possible to define a backbone curve by combining the response of the compression zone in series with that of the tension zone. When uplift of the footing is allowed, it is shown that it is necessary to consider the horizontal stresses of the native soil in situ and the degree of compaction of the soil above the footing to avoid significant deviations between the analysis results and the real response. The tension zone in the response curves has been calibrated to take these parameters into account and, given the difficulty associated with their calibration, an estimate is reported which could also be used for practical applications. The implementation has been validated by various pushover analyses on a steel CBF archetype originally tested in the fixed base condition, and predictions for the flexible base condition have been made considering different soil types and footing embedment depths (Df). The results show a direct relationship between the nonlinear response of steel CBF and the uplift mechanism of embedded footings, with the embedment depth (Df) and the shape of the tension-displacement curve being the most important variables that influence the response. The model has been incorporated in various nonlinear time-history analyses considering a set of seismic records on a well-known steel CBF archetype. The results obtained suggest that, when analysing the response of steel CBF on a nonlinear flexible base condition, it is possible to report variations in the yielding sequence of the superstructure with respect to the fixed base condition. It is reported that the embedment depth (Df) of the footing, and hence its uplift stiffness, is able to modify the overall response of the superstructure. On the other hand, the cyclic response of the foundation determines a process of energy dissipation which is reflected in a reduction of the seismic force on the bracing system of the structure. The energy dissipation mechanism due to vertical response is more efficient for the supports located under the braced frames compared to those footings located under unbraced columns, and the effect is much more pronounced in soft or loose soils. The proposed model can be implemented as part of both static and dynamic analyses to have a more realistic prediction of the seismic response during performance-based designs of structures supported on embedded footings, particularly for the case of steel CBF.

(Català) Les estructures d'acer tipus CBF es consideren eficients per resistir forces laterals pel fet que subministren una resistència i rigidesa lateral elevada, la qual cosa és particularment beneficiós en zones sísmiques. No obstant això, aquesta tipologia d'estructura posseeix una sobre-resistència important que no és considerada durant el disseny de la fonamentació, la qual cosa pot conduir a l'aixecament de sabates ubicades per sota dels membres arriostrats i propiciar mecanismes de balanceig. D'altra banda, els fenòmens d'interacció sòl-estructura (ISE) generalment no són considerats en anàlisi d'exercici d'estructures noves o existents. En aquesta investigació s'avalua la influència que té evidenciar els fenòmens d'ISE en la resposta sísmica de pòrtics d'acer arriostrats concèntricament (CBF), considerant per això la resposta no lineal de sabates embegudes utilitzant l'enfocament BNWF. Per modelar el comportament tensió-desplaçament vertical de les sabates, és possible definir una corba de resposta total que s'obté de combinar en sèrie el comportament de la zona de compressió i la de tracció. Quan s'evidencia l'aixecament de la fonamentació, es demostra que cal considerar les tensions horitzontals del sòl nadiu in situ i el grau de compactació del farciment per sobre de la sabata per evitar desviacions significatives entre els resultats de l'anàlisi i la resposta real. La zona de tracció en les corbes de resposta s'ha calibrat tenint en compte aquests paràmetres, i atesa la dificultat associada al seu calibratge, es reporten estimacions que poguessin ser utilitzades com a referència en aplicacions pràctiques. La implementació s'ha validat mitjançant diferents anàlisis estàtiques no lineals sobre un arquetip de CBF d'acer assajat originalment en condició de base rígida, i s'han realitzat prediccions per a condició de base flexible considerant diferents tipus de sòl i diferents profunditats d'encastat (Df) de sabates. Els resultats demostren que hi ha una relació directa entre la resposta estàtica no lineal de pòrtics d'acer CBF i el mecanisme d'aixecament de les sabates embegudes, i la profunditat Df i la forma de la corba tracció-desplaçament són les variables que majoritàriament influeixen en la resposta. El model ha estat incorporat en processos d'anàlisi temps-història considerant registres sísmics de terratrèmols reals sobre un arquetip d'acer del tipus CBF àmpliament conegut, evidenciant de manera conjunta la no linealitat de la superestructura i del sistema sòl-fonamentació. Els resultats obtinguts suggereixen que, en analitzar el mecanisme de resposta de pòrtics d'acer CBF en condició de base flexible no lineal, és possible reportar variacions a la seqüència de cedència de la superestructura respecte a la condició de base rígida. Es reporta que la profunditat de desplantament de la sabata, en estar directament relacionada amb la magnitud de la rigidesa a l'aixecament de la fonamentació, és capaç de modificar la resposta global de la superestructura. D'altra banda, el mecanisme de resposta cíclica de la fonamentació determina un procés de dissipació d'energia per esmorteïment histerètic que es reflecteix en una reducció de força sísmica sobre el sistema d'arriostrament de l'estructura. D'aquesta manera, el mecanisme de dissipació d'energia a causa de resposta vertical és molt més eficient per als suports situats sota els pòrtics arrossegats en comparació amb aquelles sabates situades sota pilars no arriostrats, i l'efecte és molt més evident en sòls tous o solts. La metodologia proposada es pot aplicar tant en processos d'anàlisi estàtica com dinàmica, amb la finalitat d'efectuar prediccions de comportament més realistes en processos d'avaluació d'acompliment d'estructures recolzades sobre sabates embegudes, particularment en el cas d'estructures d'acer CBF.

(Español) Las estructuras de acero tipo CBF se consideran eficientes para resistir fuerzas laterales debido a que suministran una resistencia y rigidez lateral elevada, lo cual es particularmente beneficioso en zonas sísmicas. Sin embargo, esta tipología de estructura posee una sobre-resistencia importante que no es considerada durante el diseño de la cimentación, lo cual puede conducir al levantamiento de zapatas ubicadas por debajo de los miembros arriostrados y propiciar mecanismos de balanceo. Por otra parte, los fenómenos de interacción suelo-estructura (ISE) generalmente no son considerados en análisis de desempeño de estructuras nuevas o existentes. En la presente investigación se evalúa la influencia que tiene el evidenciar los fenómenos de ISE en la respuesta sísmica de pórticos de acero arriostrados concéntricamente (CBF), considerando para ello la respuesta no lineal de zapatas embebidas utilizando el enfoque BNWF. Para modelar el comportamiento tensión-desplazamiento vertical de las zapatas, es posible definir una curva de respuesta total que se obtiene de combinar en serie el comportamiento de la zona de compresión y la de tracción. Cuando se evidencia el levantamiento de la cimentación, se demuestra que es necesario considerar las tensiones horizontales del suelo nativo in situ y el grado de compactación del relleno por encima de la zapata para evitar desviaciones significativas entre los resultados del análisis y la respuesta real. La zona de tracción en las curvas de respuesta se ha calibrado teniendo en cuenta tales parámetros, y dada la dificultad asociada a su calibración, se reportan estimaciones que pudiesen ser utilizadas como referencia en aplicaciones prácticas. La implementación ha sido validada mediante diferentes análisis estáticos no lineales sobre un arquetipo de CBF de acero ensayado originalmente en condición de base rígida, y se han realizado predicciones para condición de base flexible considerando diferentes tipos de suelo y diferentes profundidades de embebido (Df) de zapatas. Los resultados demuestran que existe una relación directa entre la respuesta estática no lineal de pórticos de acero CBF y el mecanismo de levantamiento de las zapatas embebidas, siendo la profundidad Df y la forma de la curva tracción-desplazamiento las variables que mayormente influyen en la respuesta. El modelo ha sido incorporado en procesos de análisis tiempo-historia considerando registros sísmicos de terremotos reales sobre un arquetipo de acero del tipo CBF ampliamente conocido, evidenciando de forma conjunta la no linealidad de la superestructura y del sistema suelo-cimentación. Los resultados obtenidos sugieren que, al analizar el mecanismo de respuesta de pórticos de acero CBF en condición de base flexible no lineal, es posible reportar variaciones en la secuencia de cedencia de la superestructura respecto a la condición de base rígida. Se reporta que la profundidad de desplante de la zapata, al estar directamente relacionada con la magnitud de la rigidez al levantamiento de la cimentación, es capaz de modificar la respuesta global de la superestructura. Por otra parte, el mecanismo de respuesta cíclica de la cimentación determina un proceso de disipación de energía que se ve reflejado en una reducción de fuerza sísmica sobre el sistema de arriostramiento de la estructura. De esta forma, el mecanismo de disipación de energía debido a respuesta vertical es mucho más eficiente para los apoyos situados bajo los pórticos arriostrados en comparación con aquellas zapatas situadas bajo pilares no arriostrados, siendo el efecto mucho más evidente en suelos blandos o sueltos. La metodología propuesta puede ser aplicada tanto en procesos de análisis estáticos como dinámicos, con la finalidad de efectuar predicciones de comportamiento más realistas en procesos de evaluación de desempeño de estructuras apoyadas sobre zapatas embebidas, particularmente en el caso de estructuras de acero CBF.