Análisis y propuesta de calificación sísmica de elementos no estructurales

Abstract

(English) In the nuclear industry, safety-related equipment and components must be designed to withstand earthquakes without losing functionality. The floor response spectrum (FRS) is a widely used method for seismic qualification, serving as a preliminary step for two key procedures: a) dynamic analysis and b) response spectrum-based shake-table testing. The FRS is also crucial in conventional sectors, as evidenced by its incorporation in ASCE 7-2022, the upcoming IBC-2024, and the draft Eurocode EC8. These standards use FRS concepts to define seismic demands for the design of non-structural elements, reinforcing its significance in both nuclear and conventional engineering. The study of non-structural elements' seismic response using the FRS is a decoupled analysis. This means that the primary system (typically a building) undergoes seismic evaluation first, determining floor-level dynamic responses. From these, response spectra at different floors are derived to characterise seismic demands for non-structural elements. The decoupled approach, which neglects both the mass of the non-structural component and its dynamic interaction with the building, is generally considered valid—particularly for lightweight equipment. If a coupled analysis were performed, and the mass of the non-structural element approached zero, the expected response should theoretically align with the decoupled FRS. However, real earthquake data contradict this assumption, as certain low-mass systems exhibit behaviour inconsistent with FRS-derived seismic demands. The primary objective of this thesis is to explain this discrepancy. To achieve this, an extensive review of seismic experiences related to structures, systems, and components—particularly within the nuclear industry—is conducted. The FRS concept is critically analysed alongside conventional seismic code prescriptions for non-structural elements and key methodologies proposed in existing literature. Additionally, the study examines seismic test results, incorporating the author's professional insights from seismic qualification of nuclear equipment and components. Subsequently, a proprietary method is developed to determine the exact seismic response of a zero-mass non-structural element. Since this element is assumed to have no dynamic interaction with the building, its response should theoretically match the FRS. However, the findings reveal otherwise: instead of following the classical FRS, the resulting spectrum is completely flat, showing no frequency-dependent amplifications. It is constant across all frequencies and corresponds solely to the maximum floor acceleration. This challenges the fundamental validity of the FRS for non-structural elements and calls into question its applicability in seismic qualification. As an alternative, a new revised methodology is proposed, aligning with both theoretical findings and experimental results. Specifically, seismic demands for very light non-structural elements—or those with negligible mass relative to the floor they occupy—should be estimated using the maximum floor acceleration (which represents the exact response for the theoretical zero-mass case). To ensure conservatism, this value should be multiplied by an amplification factor ranging between 2 and 3, depending on earthquake intensity. Finally, a key recommendation is put forward: non-structural elements should be instrumented in buildings where structural sensors are already installed. By monitoring their seismic response in real earthquakes—including maximum acceleration, floor-level acceleration, and ground accelerograms—a more accurate understanding of their behaviour can be achieved, ultimately improving future seismic qualification methods.

(Català) Al sector nuclear, és normatiu que els equips i els components relacionats amb la seguretat siguin dissenyats per a resistir els efectes d'un terratrèmol sense perdre les seves funcionalitats. L'espectre de resposta de pis és el mètode comunament usat per a la qualificació sísmica d'aquests equips. L'espectre de resposta de pis és el pas previ a dos dels procediments més acceptats per la normativa nuclear per assegurar la funcionalitat dels equips: a) l'anàlisi dinàmica; i b) definir un espectre de resposta requerit amb el que portar l'equip a una taula vibratòria. Per altra banda, al sector convencional, l'última edició de la norma ASCE 7-22 i l'esborrany de la futura edició de l'eurocodi 8, EC8, usen el concepte d'espectre de resposta de pis per a derivar les respectives formulacions pel disseny sísmic dels elements no estructurals. Això doncs, en ambdós sectors, nuclear i convencional, té cabdal rellevància el concepte d'espectre de resposta de pis per establir la demanda sísmica per dissenyar els elements no estructurals. L'estudi de la resposta d'elements no estructurals basats en l'espectre de resposta de pis és una anàlisi desacoblada. És a dir, l'edifici s'analitza sísmicament i s'obtenen les respostes dinàmiques als pisos, per així caracteritzar la demanda sísmica per als elements no estructurals instal·lats a l'edifici. Segons la literatura i l'estat de l'art actual, aquest enfocament desacoblat, que ignora completament tant la massa de l'element no estructural com la seva interacció amb l'edifici, és acceptable en mots casos, especialment quan l'equip o sistema secundari és molt lleuger comparat amb el pis on s'ubica. Conseqüentment, si es fes una anàlisi acoblada i la massa de l'element no estructural fos cada cop més petita, el límit, quan la massa de l'element no estructural fos zero, la resposta resultant de l'anàlisi acoblat hauria de ser exactament l'espectre de resposta de pis que s'obté de forma desacoblada. Però l'experiència mostra, en terratrèmols reals, que el comportament de determinats sistemes i components de massa molt lleugera no concorda amb les demandes sísmiques que es deriven de l'ús dels espectres de resposta de pis. L'objectiu principal de la present tesi és trobar una explicació a aquesta discrepància. Per això, en primer lloc, es realitza una exhaustiva revisió documental de l'experiència sísmica que està àmpliament documentada al sector nuclear, i s'analitza el concepte d'espectre de resposta de pis, així com les prescripcions dels codis sísmics convencionals pel disseny sísmic d'elements no estructurals i les principals aportacions en l'obtenció de les demandes sísmiques per a aquest elements proposades a la literatura. Es realitza, també, un estudi dels resultats dels assajos realitzats sobre comportament sísmic d'elements no estructurals. En segon lloc, es desenvolupa un mètode específic que permet obtenir la resposta exacta d'un element no estructural de massa zero, entenent que aquesta hauria de ser la mateixa que la estipulada a l'espectre de resposta de pis, ja que, en aquest cas, no solament l'equip és molt lleuger sinó que és exactament de massa nul·la. En canvi, la resposta obtinguda no és el clàssic espectre de resposta de pis sinó un espectre totalment diferent: els espectres obtinguts no mostren amplificació i són constants en tot el rang de freqüències. S'obté així el principal resultat de la tesi: "no és cert que quan el rati de la massa de l'element no estructural respecte a la massa de l'edifici tendeix a zero, l'espectre de resposta de pis obtingut amb una anàlisi acoblada coincideixi amb l'espectre de resposta de pis obtingut desacobladament, sinó que s'obté un espectre de resposta pla, sense amplificacions, corresponent a la màxima acceleració del pis". Finalment, es proposa un mètode de qualificació per elements no estructurals lleugers i es recomana amb urgència la instrumentalització d'aquests elements en edificis reals per comprendre millor la seva resposta sísmica.

(Español) En la industria nuclear, los equipos y componentes relacionados con la seguridad deben diseñarse para resistir terremotos sin perder funcionalidad. Un método clave para su calificación sísmica es el espectro de respuesta del suelo (FRS), que sirve como paso previo a dos procedimientos fundamentales: a) análisis dinámico y b) pruebas en mesa vibrante con espectros de respuesta. El FRS también es esencial en sectores convencionales, como lo demuestran su inclusión en ASCE 7-2022, el futuro IBC-2024 y el borrador del Eurocódigo EC8. Estos estándares utilizan el FRS para definir las demandas sísmicas en el diseño de elementos no estructurales, consolidando su importancia tanto en la ingeniería nuclear como en la convencional. El estudio de la respuesta sísmica de los elementos no estructurales mediante el FRS se basa en un análisis desacoplado, en el que primero se evalúa sísmicamente el sistema primario (por lo general, un edificio), obteniendo las respuestas dinámicas en distintos niveles. A partir de estos datos, se derivan espectros de respuesta en cada planta para caracterizar las demandas sísmicas de los elementos no estructurales instalados en ellas. Este enfoque, que ignora la masa del elemento no estructural y su interacción con el edificio, es generalmente válido, especialmente para equipos ligeros. Sin embargo, si se realizara un análisis acoplado y la masa del elemento no estructural se redujera progresivamente hasta cero, teóricamente su respuesta debería coincidir con la obtenida mediante el FRS desacoplado. No obstante, la evidencia empírica de terremotos reales muestra discrepancias en sistemas de muy baja masa, cuyo comportamiento no se ajusta a las demandas sísmicas estimadas con el FRS. La tesis busca explicar esta inconsistencia. Para ello, se revisa la experiencia sísmica en estructuras, sistemas y componentes, con énfasis en el sector nuclear. Se analiza el concepto de FRS, junto con los códigos sísmicos convencionales y las metodologías propuestas en la literatura. Además, se estudian ensayos sísmicos, incorporando la experiencia del autor en calificación sísmica de equipos nucleares. Se desarrolla un método propio para calcular la respuesta sísmica exacta de un elemento no estructural con masa nula. Dado que no debería interactuar con el edificio, su respuesta debería coincidir con el FRS. Sin embargo, los resultados muestran lo contrario: en lugar de un espectro con amplificaciones, el resultado es completamente plano, sin variaciones con la frecuencia. La respuesta es constante y equivale solo a la aceleración máxima del piso donde se encuentra el elemento. Esto cuestiona la validez del FRS para elementos no estructurales y su uso en calificación sísmica. En respuesta a estos hallazgos, se propone una nueva metodología alternativa que respalda tanto los resultados teóricos como los experimentales. En particular, se establece que las demandas sísmicas para elementos no estructurales muy ligeros —o aquellos con una masa insignificante en comparación con la del piso donde están instalados— deberían estimarse con la aceleración máxima del piso (que representa la respuesta exacta en el caso teórico de masa nula). Para garantizar la compatibilidad con los resultados empíricos, se recomienda aplicar un factor de amplificación entre 2 y 3, dependiendo de la intensidad del terremoto. Como conclusión, la tesis plantea una recomendación clave: instrumentar elementos no estructurales en edificios que ya dispongan de sensores sísmicos. Esto permitiría monitorizar en tiempo real su respuesta sísmica durante terremotos, registrando su aceleración máxima, la aceleración del piso y los acelerogramas del suelo. Con esta información, se mejoraría la comprensión del comportamiento sísmico de los elementos no estructurales y su futura calificación sísmica.