Evaluación computacional del comportamiento sísmico de edificaciones patrimoniales en tierra reforzadas con platinas de acero

Abstract

Las edificaciones de adobe y tapia pisada forman parte del patrimonio histórico y cultural de Colombia y de otros países alrededor del mundo. Sin embargo, este tipo de construcciones presentan una alta vulnerabilidad sísmica, la cual ha generado pérdidas humanas, culturales y económicas durante la incidencia de terremotos. Este hecho ha impulsado la investigación y el desarrollo de sistemas de reforzamiento novedosos para estructuras construidas en tierra. Entre los diferentes sistemas de rehabilitación encontrados en la literatura, se puede resaltar el reforzamiento mediante platinas de acero como uno de los sistemas que mejores resultados ha proporcionado para aumentar la capacidad sísmica de las construcciones patrimoniales de adobe o tapia pisada. No obstante, la mayoría de las investigaciones existentes han sido realizadas usando modelos de edificaciones en tierra de un solo nivel. Actualmente, no se han realizado ensayos de laboratorio sobre casas de tierra completas, sino solamente sobre componentes o módulos de estas edificaciones. El objetivo de esta investigación es analizar numéricamente el comportamiento sísmico de construcciones en tierra reforzadas con platinas de acero, incluyendo edificaciones de dos niveles.

La primera fase de la investigación consistió en reproducir numéricamente ensayos de caracterización del material sobre muretes de adobe con dimensiones globales de 0.30×0.30×0.15 m y vigas de tapia pisada con dimensiones de 0.50×0.60×1.80 m. En la segunda fase, se modelaron machones de tierra reforzados con platinas de acero sometidos a ensayos estáticos. Posteriormente, se realizaron simulaciones dinámicas no lineales sobre especímenes a escala real de muros esquineros sometidos a ensayos de mesa vibratoria. En la última fase de la investigación, se elaboró un modelo no lineal dinámico de una casa completa construida en tapia pisada, en la cual se evaluó el aumento de capacidad proporcionado por el refuerzo sísmico de platinas de acero.

Los modelos computacionales fueron realizados usando elementos finitos no lineales en el software de simulación de sistemas estructurales y geotécnicos OpenSees, en conjunto con la interfaz gráfica de usuario STKO (Scientific Toolkit for OpenSees). Para la modelación del adobe y la tapia pisada, se empleó un material de daño plástico. La comparación de los resultados computacionales con los experimentales demuestra que el modelo utilizado es adecuado, ya que se predicen apropiadamente los tipos de falla observados, así como los valores de desplazamiento y aceleración registrados. A partir de los resultados obtenidos en la modelación de la casa de dos niveles, se evidencia que la técnica de rehabilitación con platinas de acero impide el colapso y proporciona menores índices de daño sobre los muros, aumentando su rigidez y resistencia. En general, los modelos de la casa de dos niveles con refuerzo no presentaron colapso y sus índices de daño para los muros críticos fueron un 36% más bajos en comparación con los modelos sin refuerzo.

Adobe and rammed-earth buildings are part of the historical and cultural heritage of Colombia and other countries worldwide. However, this type of construction shows a high level of seismic vulnerability, which has resulted in human, cultural, and economic losses during earthquakes. These circumstances have driven research and development of novel reinforcing systems for earthen structures. One of the best reinforcing systems found in the literature consists of steel plates connected to the earthen walls, which have provided outstanding results in improving the seismic capacity of these buildings. Nevertheless, most of the existing research has been developed using models of one-story constructions. There is no experimental evidence of the performance of complete earthen structures retrofitted with steel plates. The objective of this research is to analyze the seismic behavior of two-story retrofitted earthen structures using advanced computational models.

The first phase of the research consisted of representing characterization tests of the material, including models of adobe walls with global dimensions of 0.30×0.30×0.15 m and rammed earth beams with dimensions of 0.50×0.60×1.80 m. In the second phase of the research, earthen walls were modeled, reinforced with steel plates and subjected to static tests. Then, non-linear dynamic models of full-scale corner walls were developed and subjected to shaking table tests. Finally, a non-linear dynamic computational model of a complete rammed earth house was developed, with the purpose of evaluating the improvement of the seismic capacity provided by the retrofitting system of steel plates.

The computational simulations were conducted using non-linear finite element modeling in the Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees), with the graphical user interface STKO (Scientific Toolkit for OpenSees). The model used a plastic-damage material. Comparisons between computational and experimental results indicate that this type of material adequately emulates the observed failure patterns and the acceleration and displacement records obtained with the tests. From the results achieved with the modeling of the two-story house, it is evident that the steel plates retrofitting technique prevents collapse and prevents higher damage levels in the walls of the structure, increasing their stiffness and strength. In general, the two-story house models with reinforcement did not show collapse, and the damage indexes for the critical walls of the building were 36% lower, compared to the models without reinforcement.