A novel risk-based strategy to improve robustness of buildings through segmentation

[ES] El colapso desproporcionado de estructuras de edificación constituye una preocupación creciente, dada la frecuencia e intensidad cada vez mayores de los eventos extremos. Las estrategias de diseño vigentes que abordan este problema priorizan garantizar una continuidad estructural suficiente para que las cargas del elemento que falla puedan redistribuirse al resto de la estructura. No obstante, es pertinente considerar que esta estrategia podría ser ineficaz ante fallos iniciales de gran magnitud. De hecho, la evidencia empírica sugiere que, en casos de daños iniciales sustanciales, una continuidad extensa puede inadvertidamente promover la propagación del colapso en lugar de limitarlo. Esta limitación puede superarse mediante el diseño de los edificios para que se segmenten de manera controlada una vez que se desencadena un colapso, con el fin de aislarlo y evitar su propagación. Aunque colapsos parciales previos, como los sufridos en el Pentágono y en la Terminal 2E del Aeropuerto Charles de Gaulle, evidencian la potencialidad de la segmentación en el aislamiento de un colapso, persiste una evidente falta de comprensión respecto a la temporalidad y metodología óptimas para su implementación, orientada a potenciar la robustez de una estructura. Para superar esta importante barrera en la implementación de estrategias de segmentación efectivas, esta tesis desarrolla un nuevo marco basado en el rendimiento para mejorar la robustez de los edificios mediante la segmentación. En primera instancia, se efectuó un análisis exhaustivo de más de cuarenta colapsos reales de edificios, con el propósito de recopilar información relevante acerca de los peligros, fallos iniciales y mecanismos de propagación del colapso que comúnmente conducen a un colapso desproporcionado. Este procedimiento permitió establecer los escenarios más relevantes que deben tenerse en cuenta durante la evaluación de soluciones de segmentación. Asimismo, se llevó a cabo una exhaustiva recopilación de información relacionada con el contexto y las consecuencias de cada colapso examinado. Este proceso permitió la evaluación de modelos de consecuencias empleados para estimar las fatalidades y los costes en las evaluaciones de riesgo que constituyen un componente esencial del marco propuesto. El marco se estructura en dos fases principales. La fase inicial del proceso se centra en la identificación de configuraciones de segmentación adecuadas, guiada por criterios estructurales y geométricos. En la siguiente fase, se procede a la evaluación de la rentabilidad de la configuración de segmentación identificada mediante un análisis de coste-beneficio basado en riesgos. El presente análisis tiene por objeto la cuantificación del beneficio esperado, estimado como la reducción del riesgo esperado resultante de la segmentación, y su comparación con el coste de implementación. Concebida como una metodología independiente del tipo de amenaza, con el fin de maximizar su generalidad, esta propuesta representa el primer enfoque cuantitativo orientado a definir las condiciones en las que la segmentación constituye una estrategia viable de mitigación del riesgo para estructuras porticadas. Su aplicación y eficacia se demostraron a través de un estudio de caso de un edificio de hormigón armado. En parte debido al reducido coste estimado de implementación, el estudio evidenció que la segmentación tiene el potencial de constituir una estrategia rentable para mitigar el riesgo de colapso derivado de una amplia variedad de amenazas, tanto naturales como antropogénicas.

[CA] L'enfonsament desproporcionat de les estructures d'edificació representa una preocupació creixent davant l'augment de la freqüència i la intensitat dels fenòmens extrems. Les estratègies actuals de disseny orientades a afrontar esta problemàtica es basen, principalment, en proporcionar una elevada continuïtat estructural que permeta redistribuir les càrregues suportades per un element fallit cap a la resta de l'estructura. Tanmateix, esta estratègia pot resultar ineficaç davant fallades inicials de gran magnitud. De fet, l'evidència disponible indica que, en presència de danys inicials substancials, una continuïtat excessiva pot afavorir la propagació del col·lapse en lloc de contindre'l. Esta limitació pot superar-se mitjançant el disseny d'edificis que es segmenten de manera controlada una vegada iniciat el col·lapse, amb l'objectiu d'aïllar-ne els efectes i evitar-ne la propagació. Tot i que col·lapses parcials com els ocorreguts al Pentàgon o a la Terminal 2E de l'Aeroport Charles de Gaulle evidencien el potencial de la segmentació per a l'aïllament dels col·lapses, hi ha una clara manca de criteris tècnics sobre quan i com s'hauria d'aplicar esta estratègia per a millorar la robustesa estructural. Per tal de superar este obstacle i afavorir la implementació de solucions de segmentació eficaces, esta tesi desenvolupa un marc metodològic innovador, basat en el rendiment, per a incrementar la robustesa dels edificis mitjançant la segmentació estructural. Com a punt de partida, s'ha dut a terme una anàlisi forense de més de 40 col·lapses reals d'edificis, amb l'objectiu de recopilar informació clau sobre els perills, les fallades inicials i els mecanismes de propagació que habitualment conduïxen a enfonsaments desproporcionats. Esta informació ha permés establir els escenaris més rellevants que cal considerar a l'hora d'avaluar solucions de segmentació. A més, s'ha recopilat informació contextual i de conseqüències per a cada col·lapse analitzat, la qual cosa ha permés valorar models de conseqüències aplicables a l'estimació de víctimes i costos dins d'una anàlisi de riscos. El marc metodològic proposat s'estructura en dos fases principals. La primera fase comprén la identificació de configuracions de segmentació òptimes, guiades per criteris estructurals i geomètrics. La segona fase consistix en l'avaluació de la viabilitat econòmica d'estes configuracions mitjançant una anàlisi cost-benefici basada en el risc. Esta anàlisi quantifica el benefici esperat, mesurat com la reducció del risc estimat gràcies a la segmentació, i el compara amb els costos d'implementació. Dissenyat per a ser independent del tipus d'amenaça, este enfocament proporciona una metodologia generalitzable per a definir en quines condicions la segmentació pot considerar-se una estratègia eficaç de mitigació del risc en edificis d'estructura reticulada. L'eficàcia de la proposta es demostra a través d'un cas d'estudi aplicat a un edifici de formigó armat. Gràcies, en part, al baix cost d'implementació estimat, l'estudi posa de manifest que la segmentació pot ser una mesura rendible per a reduir el risc de col·lapse associat a una gran varietat d'amenaces, tant naturals com antropogèniques.

[EN] The disproportionate collapse of building structures is a growing concern amidst increasingly frequent and intense extreme events. Current design strategies addressing this issue are primarily focused on providing extensive continuity so that loads supported by a failed component can be redistributed to the rest of the structure. However, this strategy can be ineffective when faced with large initial failures. Indeed, evidence suggests that in cases of substantial initial damage, extensive continuity can inadvertently promote failure propagation rather than limiting it. This limitation can be overcome by designing buildings to segment in a controlled manner after a collapse is triggered in order to isolate the collapse and prevent its propagation. Although previous partial collapses such as those of the Pentagon and of Terminal 2E of Charles de Gaulle Airport demonstrate the potential of segmentation for isolating a collapse, there is a clear lack of understanding on when and how it should be implemented to improve the robustness of a building structure. To overcome this significant barrier to the implementation of effective segmentation strategies, this thesis develops a novel performance-based framework for enhancing the robustness of buildings through segmentation. In a first instance, a forensic analysis of more than 40 real building collapses was performed to collect key information on the hazards, initial failures and collapse propagation mechanisms typically leading to disproportionate collapse. This allowed establishing the most relevant scenarios that should be considered when assessing segmentation solutions. Information on the context and consequences of each analysed collapse was also gathered, allowing the appraisal of consequence models that are used to estimate fatalities and costs in risk assessment. The proposed performance-based framework is structured in two main phases. The initial phase involves the identification of suitable segmentation configurations, guided by structural and geometric criteria. The subsequent phase concerns the evaluation of the cost-effectiveness of the identified segmentation configuration through a risk-based cost-benefit analysis. This analysis quantifies the expected benefit, estimated as the reduction in expected risk resulting from segmentation, and compares it with the implementation cost. Designed to be threat-independent to maximize generality, this comprehensive methodology represents the first quantitative approach to defining the conditions under which segmentation is a viable risk mitigation strategy for framed buildings. Its application and effectiveness were demonstrated through a case study involving a reinforced concrete building. Owing in part to the relatively low estimated implementation cost, the study demonstrated that segmentation has the potential to be a cost-effective strategy for mitigating collapse risk arising from a wide range of both natural and anthropogenic hazards.

Tesis por compendio