Acceptable life safety risks associated with the effects of gas explosions on reinforced concrete structures

Las situaciones accidentales sobre estructuras se pueden considerar como eventos poco frecuentes, pero de importantes consecuencias. Por un lado, su probabilidad de ocurrencia durante el periodo de vida útil previsto de la estructura es remota, por otro, los efectos asociados sobre la estructura pueden acarrear importantes daños si no se han tenido en cuenta de forma apropiada. Como además estos efectos están normalmente afectados por un alto grado de incertidumbre, la adopción de decisiones relacionadas con la seguridad estructural en conexión con acciones accidentales es generalmente difícil y propensa a carecer de una base racional. Entre tales acciones, las explosiones de gas son un buen ejemplo. A pesar de la modernización continua de los equipamientos e instalaciones para el suministro de gas en los edificios, estadísticas disponibles de diferentes países muestran que estas explosiones se siguen produciendo con cierta frecuencia. Mientras su potencial de amenaza para la seguridad estructural es objetivamente conocido, la consideración de explosiones de gas en el dimensionado y la evaluación de estructuras de edificación es muy poco frecuente. La baja probabilidad de ocurrencia provoca rechazo a la hora de asignar recursos destinados a la mitigación de los riesgos asociados, que, por consecuencia, a menudo se ignoran o se aceptan conscientemente. Sin embargo, la respuesta a la pregunta de si “no hacer nada” es justificado no es evidente, puesto que, según el enfoque implícito adoptado en la práctica habitual para la verificación de los requisitos de seguridad estructural, los riegos no se cuantifican ni se establecen los niveles de riesgo aceptables. Ante este trasfondo, el presente estudio se centra en el desarrollo de unos métodos y herramientas para el análisis explícito de los riesgos asociados con las explosiones de gas en edificios residenciales. Se establece un procedimiento para cuantificar los riesgos implícitamente aceptados para las personas, asociados con las estructuras. Este procedimiento está basado en la determinación de las probabilidades de colapso de los elementos resistentes del sistema analizado y de las pérdidas esperadas de vidas humanas en caso de producirse estos fallos. El procedimiento se aplica a un conjunto representativo de estructuras de edificación con elementos de hormigón armado (vigas y pilares), que se obtiene variando los parámetros característicos para su dimensionado dentro de unos límites razonables. Tras la identificación de los escenarios de riesgo más relevantes para estos elementos, dichos escenarios se representan en términos de las funciones de estado límite (FEL). Basado en estas FEL, los elementos estructurales se dimensionan de forma estricta (Ed = Rd) de acuerdo con los requisitos de seguridad estructural que se ajustan a la mejor práctica actual. Las variables básicas que intervienen en la FEL se caracterizan estocásticamente con énfasis en los efectos dinámicos asociados con las elevadas velocidades de carga a las que se someten los elementos en una explosión de gas, entre ellos la contribución de fuerzas de inercia, disipación de energía y la alteración de las propiedades de los materiales. La cuantificación de estos efectos se abarca en el marco de un análisis dinámico determinista donde la carga explosiva se representa a través de una función presión-tiempo idealizada, compatible con modelos dinámicos simplificados. Teniendo en cuenta las propiedades de materiales dinámicas, la respuesta en flexión se analiza mediante un sistema equivalente de un grado de libertad, mientras que las reacciones de apoyo, representativas para los esfuerzos de cortante, se determinan a partir de las ecuaciones de equilibrio a nivel de elemento. Para las vigas, se lleva a cabo un estudio comparativo que permite validar los modelos simplificados mediante un análisis no lineal por elementos finitos. El análisis de los pilares sometidos a interacción de momentos flectores y esfuerzos axiles dinámicos requiere un algoritmo de solución específico que tiene en cuenta la dependencia de la resistencia estructural del nivel del axil, así como el comportamiento no lineal de los materiales y geométrico. En el subsiguiente análisis de fiabilidad, el mencionado algoritmo se implementa en un procedimiento de análisis iterativo basado en el método FOSM, desarrollado para la determinación del punto de fallo más probable en la FEL establecida. Teniendo en cuenta la probabilidad de ocurrencia de una explosión de gas, se obtienen las probabilidades de fallo implícitamente aceptables tanto para los pilares como para las vigas. Los resultados sugieren un margen de mejora significativo para una formulación más racional de las reglas de dimensionado en situaciones accidentales caracterizadas por explosiones de gas. Para la estimación de las consecuencias de fallos estructurales se desarrolla un modelo de regresión a partir de datos previamente recopilados sobre colapsos totales o parciales de edificios inducidos por explosiones. El modelo proporciona el número de víctimas mortales en función del área afectada por el colapso, así como de la ratio de ocupación de dicha área. Se adoptan hipótesis razonables para contemplar la posibilidad de un colapso de sistema a partir de un fallo local de un elemento estructural. A continuación, se obtienen los perfiles de riesgo implícitamente aceptado para cada una de las estructuras representativas. Se considera la posibilidad de que ciertos modos de fallo puedan desencadenarse tanto como consecuencia de un escenario accidental como también por escenarios persistentes, en condiciones de uso normales de los edificios. A partir de los resultados obtenidos, se deducen unos criterios de aceptación de los riesgos para las personas, asociados con las estructuras de edificación. Estos criterios facilitan la adopción de decisiones racionales sobre la necesidad de adoptar medidas para mitigar los efectos de explosiones sobre estructuras y la elección adecuada de estas medidas. El dimensionado de los denominados elementos clave (“key elements”), de los que depende la estabilidad de una estructura, o de una gran parte de ella, podría ser una de estas estrategias. Para este fin, los riesgos aceptables asociados con las estructuras se traducen en probabilidades de fallo admisibles para elementos individuales, que se definen en función de las potenciales consecuencias del fallo. A pesar de su carácter nominal, estos valores admisibles proporcionan una base racional para la calibración consistente de las reglas implícitas en los códigos estructurales para la verificación de la seguridad estructural en relación con las explosiones de gas. ---------------------------------------ABSTRACT----------------------------Accidental actions on structures may be characterized as low probability - high consequence events. On one hand, their occurrence during the envisaged design working life of the structure is unlikely. On the other, if not appropriately accounted for, the associated effects on structures might entail significant damage. Since moreover such effects are subjected to high uncertainties, decision-making related to structural safety accounting for accidental actions is generally difficult and prone to be based on irrational grounds. Among such actions, gas explosions, are a good example. Despite the continuous modernization of gas installations and appliances, available statistics from different countries show that the occurrence rate of such explosions in buildings does not seem to decrease in a significant way. While the hazard potential is known and recognized, and although dealt with in many design codes, gas explosions are seldom accounted for in the design and evaluation of ordinary building structures. The low occurrence probability evokes reluctance to allocate resources to mitigate the associated risks, which, as a consequence, are often ignored and sometimes consciously accepted. The question if “doing nothing” is a justified practice cannot be easily answered however, since under the implicit approach adopted in everyday practice for verification of structural safety the risks are not quantified nor are acceptable risk levels established. On this background, the study aims at exploring methods and tools for the practical application of explicit risk analysis in connection with gas explosions in buildings. A procedure is established for quantification of implicitly acceptable structure-related risks to persons, based on the probability of structural collapse and the consequences of such a failure in terms of loss of human life. The procedure adopted is applied to a representative set of building structures with RC members (beams and columns), which is obtained by varying the parameters with the greatest effect on design within reasonable limits. Following their identification, the most relevant hazard scenarios to these members are represented in terms of limit state functions (LSF). Based on the established LSF’s, a strict design (Ed = Rd) according to a consistent set of codes is carried out, so that structural member performance complies exactly with the safety requirements that reflect current best practice. The basic variables involved in the LSF are stochastically characterized, where special attention is paid to the dynamic effects associated with the explosion-induced high loading rates on the members, such as the contribution of inertia forces, energy dissipation and strain rate-sensitive material behaviour. Quantification of these effects is addressed in a deterministic dynamic analysis where the explosion load is represented as an idealised pressure-time function, compatible with simplified models. Under consideration of dynamic material properties, member flexural response is obtained assuming a single degree of freedom system, whereas the reaction forces, representative for the shear forces, are determined from the dynamic equilibrium formulation applied to the members themselves. For the beams, a comparative study is conducted, where the deployed simplified models are validated by means of non-linear finite element analysis. The analysis of the columns under dynamic bending moment-axial force interaction requires a specific solution algorithm that accounts for the axial force dependent formulation of structural resistance under consideration of both the material- and geometrical nonlinearities involved. In the subsequent reliability analysis of the structural members, the mentioned algorithm is coupled to a purpose-developed FOSM-based iterative procedure in order to obtain the most likely failure point for the established LSF. Taking account of the occurrence probability of a gas explosion event, implicitly acceptable structural failure probabilities for both columns and beams are derived and analyzed in the light of target ceilings demanded by structural codes. The findings suggest significant scope for a more rational formulation of design rules for accidental situations related to gas explosions. For the estimation of the structural failure consequences, a regression model is developed from previously compiled and statistically evaluated data on explosion-induced structural collapse scenarios in buildings. The model delivers estimations for the number of fatalities as a function of the area affected by structural collapse and the occupancy rate of this area. Reasonable hypothesis are adopted in order to account for the possibility of system collapse given a local member failure. Subsequently, implicitly acceptable risk profiles are obtained for each of the representative building structures where account is taken of the fact that, in addition to the considered accidental load scenarios, certain member failure modes might be triggered by persistent load arrangements associated with normal building use conditions. Acceptance criteria for structure-related life safety risks are deduced from the findings. Such criteria facilitate the adoption of rational decisions on both, the need and the appropriate choice of risk-reduction measures to counteract the effects of gas explosions in buildings. The design of key elements, upon which depends the stability of the structure, or a large part of it, may be one of these strategies. For this purpose, acceptable risks are translated into target failure probabilities for individual structural members, defined as a function of the potential failure consequences. In spite of their notional character, such target values provide a rational basis for the calibration of the implicit rules in structural codes and standards for verification of structural safety in relation to gas explosions