Desempeño sísmico de marcos de acero semiflexibles arriostrados en X emplazados en zona minera diseñados según la norma NCH2369 actualizada en 2023.

Abstract

Durante su historia, Chile ha experimentado una frecuencia significativa de eventos sísmicos, lo que ha llevado a la necesidad de realizar evaluaciones y actualizaciones constantes de las normativas de diseño sísmico. Esto es especialmente crucial en el diseño de estructuras destinadas a instalaciones industriales, que deben cumplir con la norma NCh2369. La filosofía detrás de esta norma no se limita a garantizar la resistencia sísmica de las estructuras y proteger la vida, sino también a asegurar la continuidad de la operación y minimizar el tiempo de paralización. Esto es importante debido a las grandes pérdidas económicas que se pueden producir en caso de interrupción prolongada de las operaciones. La norma NCh2369 se estableció en el año 2003, utilizando la experiencia y las prácticas de importantes empresas de ingeniería en Chile para generar diseños estructurales redundantes con alta resistencia lateral, con el objetivo de evitar la incursión inelástica en los elementos estructurales. Sin embargo, el terremoto que tuvo lugar en la región del Maule en 2010 reveló problemas en la puesta en marcha de equipos, así como deficiencias en el mecanismo de colapso, lo que llevó a la necesidad de actualizar la normativa. El objetivo de la presente memoria es evaluar el desempeño sísmico de marcos planos arriostrados de acero en X emplazados en zona minera. Se considera un espacio arquetipo de estructuras con periodos que varían entre 0.10 y 0.95 segundos, diseñadas en base a las disposiciones de la norma NCh2369 actualizada en 2023. Se incluye en la modelación la incursión no lineal de los pernos de anclaje y arriostramientos, para dos niveles de amenaza sísmica (nivel de diseño y para un nivel de máximo sismo posible), definidos en base a un espectro objetivo de media condicionada. Se estudian en detalle y con un enfoque estadístico los mecanismos de disipación de energía y los indicadores de daño más relevantes: elongación de los pernos de anclaje, deformaciones normalizadas de tensión y compresión de los arriostramientos, factores de utilización de las columnas, y drifts de piso. Estos estudios permitirán validar las modificaciones establecidas a la norma NCh2369 (INN, 2023). Los resultados obtenidos son coherentes con las disposiciones de la actual norma. En ambos niveles de amenaza sísmica, tanto para el diseño como para máximo sismo posible, se ha demostrado que los pernos de anclaje actúan eficazmente como fusibles sísmicos, y los arriostramientos, en conjunto, complementan su trabajo, con una igual o mayor participación en esta. Ya que con las nuevas disposiciones se privilegia el uso de perfiles HSS por sobre XL en arriostramientos, es posible obtener factores de utilización en el diseño en general más cercanos a uno, los que, en la mayoría de los casos, provocan una mayor incursión en el rango no lineal de estos miembros. Por otro lado, gracias a las disposiciones establecidas de sobrerresistencia, las columnas sísmicas han demostrado mantener su comportamiento lineal y estar protegidas contra la acción sísmica. Finalmente, a partir de los resultados de factor de reducción de la respuesta y la sobrerresistencia, se comprueba la capacidad de que las estructuras para disipar la energía sísmica sin entrar notoriamente en rango no lineal.

Throughout its history, Chile has experienced a significant frequency of seismic events, which has led to the need for constant evaluations and updates of seismic design regulations. This is especially crucial in the design of structures intended for industrial facilities, which must comply with the NCh2369 standard. The philosophy behind this standard is not only to ensure the seismic resistance of structures and protect life, but also to ensure the continuity of operation and minimize downtime. This is important due to the large economic losses that can occur in case of prolonged operation interruption. The NCh2369 standard was established in 2003, using the experience and practices of important engineering companies in Chile to generate redundant structural designs with high lateral strength, with the aim of avoiding inelastic incursion in structural elements. However, the earthquake that occurred in the Maule region in 2010 revealed problems in the start-up of equipment, as well as deficiencies in the collapse mechanism, leading to the need to update the regulations. The objective of this report is to evaluate the seismic performance of X-braced steel flat frames located in a mining zone. An archetypal space of structures with periods ranging from 0.10 to 0.95 seconds, designed based on the provisions of the updated NCh2369 standard in 2023, is considered. The nonlinear behavior of anchor bolts and bracings is included in the modeling, for two levels of seismic hazard (design level and for a possible maximum earthquake level), defined based on a target conditional mean spectrum. The energy dissipation mechanisms and the most relevant damage indicators are studied in detail and with a statistical approach: elongation of anchor bolts, normalized tension and compression deformations of bracings, utilization factors of columns, and floor drifts. These studies will validate the modifications established in the NCh2369 standard (INN, 2023). The results obtained are consistent with the provisions of the current standard. At both levels of seismic hazard, for both design and possible maximum earthquake, it has been demonstrated that anchor bolts effectively act as seismic fuses, and bracings complement their work, with an equal or greater participation in this regard. Since the use of HSS profiles over XL in bracings is favored with the new provisions, it is possible to obtain utilization factors in the design generally closer to one, which, in most cases, result in a greater incursion into the nonlinear range of these members. On the other hand, thanks to the established overstrength provisions, seismic columns have been shown to maintain their linear behavior and be protected against seismic action. Finally, based on the results of response reduction factor and overstrength, the ability of structures to dissipate seismic energy without entering noticeably into the nonlinear range is confirmed.