Análisis de confiabilidad estructural por desempeño de estructuras de concreto reforzado ante hundimientos diferenciales

Abstract

RESÚMEN Los métodos actuales para el análisis estructural no determinan el nivel de confiabilidad que presenta una estructura existente de concreto reforzado que estén sometidas ante algún tipo de desplazamiento vertical, como lo son los hundimientos diferenciales o el fenómeno de subsidencia que se presenta a nivel global, específicamente en el valle del estado de Aguascalientes, donde se realizó esta investigación y que, además, sufre de este fenómeno. Por tal motivo, se propone una metodología para efectuar un análisis de la confiabilidad de este tipo de estructuras por desempeño mediante la caracterización de un marco de concreto reforzado, modelando los efectos de los hundimientos diferenciales o subsidencia a los que se someterá este tipo de estructura, para así obtener una medida de riesgo o seguridad de este tipo de estructuras, tomando como base la probabilidad de falla o confiabilidad para los diferentes estados límites de desempeño, en relación con los niveles de desplazamiento. Para llevar a cabo el análisis de confiabilidad estructural, se procederá a calcular un índice de riesgo llamado beta, utilizando los datos sobre los efectos de hundimientos diferenciales aplicados a un marco de concreto reforzado. Dichos hundimientos, fueron obtenidos previamente por medio de simulaciones en el programa de análisis y diseño estructural SAP2000 (Computers and Structures, 2016) mediante un análisis Pull-Down, variando la resistencia a la compresión del concreto, las dimensiones (alto y largo) del marco de concreto reforzado o la variación del porcentaje de acero de refuerzo empleado. Posteriormente, se realizaron simulaciones sobre el momento demanda y momento resistente usando el programa RStudio bajo la metodología Monte Carlo, bajo la distribución de probabilidad normal. Realizando una cantidad considerable de simulaciones, se determinó que la variación del porcentaje de acero de refuerzo con respecto a la sección del elemento (ya sea trabe o columna) tanto la variación de las dimensiones (alto y largo) del marco de concreto reforzado, son las variables que afectan en mayor medida a la confiabilidad de una estructura de concreto reforzado, ya que al modificarlas, generan una variación considerable para el valor máximo del desplazamiento vertical permitido o subsidencia. Se pudo apreciar que este análisis de confiabilidad estructural por desempeño es facilitado en gran medida mediante esta metodología ya que únicamente se requiere conocer tanto la sección del elemento estructural de concreto reforzado (generalmente de las trabes) como el habilitado de acero empleado en la misma, y el desplazamiento que haya sufrido en alguno de sus puntos de apoyo de la estructura para determinar la medida o probabilidad de riesgo de falla. Palabras Clave: análisis de confiabilidad estructural; concreto reforzado; hundimientos diferenciales.

ABSTRACT Current methods for structural analysis do not determine the level of reliability presented by an existing reinforced concrete structure that is subjected to some type of vertical displacement, such as differential subsidence or the phenomenon of subsidence that occurs globally, specifically in the valley of the state of Aguascalientes, where this research was carried out and which also suffers from this phenomenon. For this reason, a methodology is proposed to carry out an analysis of the reliability of this type of structures by performance through the characterization of a reinforced concrete frame, modeling the effects of differential subsidence or subsidence to which this type of structure will be subjected. , in order to obtain a measure of risk or safety of this type of structures, based on the probability of failure or reliability for the different performance limit states, in relation to the displacement levels. To carry out the structural reliability analysis, a risk index called beta will be calculated, using data on the effects of differential subsidence applied to a reinforced concrete frame. These collapses were previously obtained through simulations in the SAP2000 structural analysis and design program (Computers and Structures, 2016) through a Pull-Down analysis, varying the compressive strength of the concrete, the dimensions (height and length) of the reinforced concrete frame or the variation in the percentage of reinforcing steel used. Subsequently, simulations were carried out on the demand moment and resistance moment using the RStudio program under the Monte Carlo methodology, under the normal probability distribution. Carrying out a considerable number of simulations, it was determined that the variation of the percentage of reinforcing steel with respect to the section of the element (be it beam or column), as well as the variation of the dimensions (height and length) of the reinforced concrete frame, are the variables that most affect the reliability of a reinforced concrete structure, since when modified, they generate a considerable variation for the maximum value of the allowed vertical displacement or subsidence. It could be seen that this analysis of structural reliability by performance is greatly facilitated by this methodology since it is only required to know both the section of the reinforced concrete structural element (generally the girders) and the enabled steel used in it and the displacement that it has suffered in any of structural support points to determine the extent or probability of risk of failure. Keywords: structural reliability analysis; reinforced concrete; differential subsidence