Lessons learned from the survey of damage to school buildings by the Mw = 8.4 Illapel earthquake (Chile, September 2015)

Abstract

(English) The high seismic hazard present in the Chilean territory demands that essential buildings, such as educational facilities, be designed under rigorous structural performance criteria. However, recent events such as the Illapel earthquake, which occurred on September 15, 2015, and reached a magnitude of Mw = 8.4, have demonstrated that, despite advances in building codes, significant vulnerabilities persist in both the design and construction of this type of infrastructure. In this context, it becomes necessary to conduct a field study aimed at identifying the causes and mechanisms of structural damage. For this reason, a research team led by one of the supervisors of this doctoral thesis, affiliated with the Universidad Austral de Chile in Valdivia, traveled to the affected area to carry out a structural reconnaissance focused on the inspection of four schools located near the epicenter. A critical review of conceptual issues that may arise during the design stage of buildings is developed. This review includes seismic evaluation methods related to attenuation and wave propagation in the soil, as well as nonlinear numerical seismic analysis methodologies. Subsequently, the Illapel earthquake is contextualized through a historical overview of the seismicity in north-central Chile, and the characteristics of the mainshock that occurred on September 15, 2015, in Illapel, Coquimbo Region, Chile, are described. Then, a critical analysis is conducted of the structural and non-structural damage caused by the earthquake studied in the four educational facilities inspected during the field survey. For the building that presented the most severe damage, the San Rafael de Rozas School, a nonlinear dynamic analysis is performed to identify the causes of the observed damage level and its evolution over time during the event. To conduct this dynamic analysis, it was necessary to calibrate a site-specific seismic attenuation law (GMPE), since the Illapel earthquake displayed atypical propagation patterns, with higher accelerations recorded inland, away from the coastal edge. Consequently, the direct application of attenuation laws underestimates the actual seismic demand at the analysis site. For the validation of the numerical model, its results are compared with the observed damage patterns and with the frequencies obtained from the Operational Modal Analysis (OMA) carried out during the field inspection stage. The numerical results, therefore, allow for a clearer understanding of the building's seismic behavior and support the formulation of recommendations for seismic design and the evaluation of damaged structures.

(Català) L’elevada perillositat sísmica del territori xilè exigeix que els edificis essencials, com ara els centres educatius, siguin dissenyats sota criteris rigorosos de comportament estructural. Tanmateix, esdeveniments recents com el terratrèmol d’Illapel (Mw = 8.4), ocorregut el 15 de setembre de 2015, han evidenciat que, malgrat els avenços normatius, persisteixen vulnerabilitats significatives tant en el disseny com en la construcció d’aquest tipus d’infraestructura. En aquest context, sorgeix la necessitat de dur a terme un estudi in situ amb l’objectiu d’identificar les causes i els mecanismes del dany estructural. Per aquest motiu, un equip d’investigadors liderat per un dels directors d’aquesta tesi doctoral, pertanyent a la Universitat Austral de Xile amb seu a Valdivia, es va desplaçar a la zona afectada per realitzar un reconeixement estructural centrat en la inspecció de quatre escoles situades prop de l’epicentre. Es desenvolupa una revisió crítica de les problemàtiques conceptuals que poden aparèixer durant la fase de disseny dels edificis. Aquesta revisió inclou mètodes d’avaluació sísmica relacionats amb l’atenuació i la propagació d’ones en el terreny, així com metodologies d’anàlisi sísmica numèrica no lineal. Tot seguit, es contextualitza el terratrèmol d’Illapel mitjançant una revisió històrica de la sismicitat de la zona centre-nord de Xile i es descriuen les característiques del sisme principal ocorregut el 15 de setembre de 2015 a Illapel, Regió de Coquimbo, Xile. A continuació, s’efectua una anàlisi crítica dels danys estructurals i no estructurals causats pel sisme en estudi als quatre establiments educatius inspeccionats durant el treball de camp. Per a l’edifici que presenta el grau de dany més elevat, l’escola San Rafael de Rozas, es realitza una anàlisi dinàmica no lineal per identificar les causes del nivell de dany observat i la seva evolució temporal al llarg de l’esdeveniment. Per dur a terme aquesta anàlisi, ha estat necessari calibrar una llei d’atenuació sísmica (GMPE) específica per al lloc d’estudi, atès que el terratrèmol d’Illapel va mostrar patrons atípics de propagació, amb acceleracions més altes registrades cap a l’interior respecte del litoral. En conseqüència, l’aplicació directa de lleis d’atenuació subestima la demanda sísmica real al lloc d’anàlisi. Per a la validació del model numèric, es comparen els seus resultats amb els patrons de dany observats i amb les freqüències obtingudes a partir de l’anàlisi modal operacional (OMA) realitzada durant la inspecció en terreny. Els resultats numèrics, per tant, permeten comprendre amb més claredat el comportament sísmic de l’edifici i formular recomanacions per al disseny sísmic i l’avaluació d’edificacions danyades.

(Español) La elevada peligrosidad sísmica del territorio chileno exige que las edificaciones esenciales, como los establecimientos educacionales, sean diseñadas bajo criterios rigurosos de desempeño estructural. No obstante, eventos recientes como el sismo de Illapel, ocurrido el 15 de septiembre de 2015 de magnitud Mw = 8.4, han evidenciado que, pese a los avances normativos, persisten vulnerabilidades significativas tanto en el diseño como en la construcción de este tipo de infraestructuras. En este contexto surge la necesidad de realizar un estudio en terreno con el objetivo de identificar las causas y mecanismos del daño estructural. Por esto, un equipo de investigadores liderado por uno de los supervisores de esta tesis doctoral, perteneciente a la Universidad Austral de Chile de Valdivia, se desplazó a la zona afectada para realizar un reconocimiento estructural centrado en la inspección de cuatro colegios cercanos al epicentro. Se desarrolla una revisión crítica de las problemáticas conceptuales que se pueden presentar en la etapa de diseño de edificios. Esta revisión incluye métodos de evaluación sísmica para la atenuación y la propagación de ondas en el terreno y metodologías de análisis sísmico numérico no lineal. Posteriormente, se contextualiza el terremoto de Illapel, mediante una revisión histórica de la sismicidad centro-norte de Chile y se describen las características del evento principal ocurrido el 15 de septiembre de 2015 en Illapel, Región de Coquimbo, Chile. Luego, se desarrolla un análisis crítico de los daños estructurales y no estructurales causados por el sismo en estudio en los cuatro establecimientos educacionales inspeccionados en el reconocimiento de campo. Del edificio que presenta un mayor grado de daño, colegio San Rafael de Rozas, se realiza un análisis dinámico no lineal, para identificar las causas del nivel de daño presentado y su evolución temporal durante el evento. Para el análisis dinámico ha sido necesario calibrar una ley de atenuación sísmica (GMPE) específica para el sitio de estudio; puesto que el sismo de Illapel presentó patrones atípicos en su comportamiento, teniendo aceleraciones mayores hacia el interior del borde costero. Por consiguiente, la aplicación directa de leyes de atenuación subestima la demanda sísmica real del sitio de análisis. Para la validación del modelo numérico, se comparan sus resultados con los patrones de daño observados y las frecuencias provenientes del análisis modal operacional (OMA) realizado durante la etapa de inspección en terreno. Los resultados numéricos, por lo tanto, permiten comprender con mayor claridad el comportamiento sísmico del edificio y formular recomendaciones al diseño sísmico y a la evaluación de edificaciones dañadas.