ES2611580B2 - Elemento de conexión de protección contra sismos - Google Patents

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ES2611580B2 ES201631022A ES201631022A ES2611580B2 ES 2611580 B2 ES2611580 B2 ES 2611580B2 ES 201631022 A ES201631022 A ES 201631022A ES 201631022 A ES201631022 A ES 201631022A ES 2611580 B2 ES2611580 B2 ES 2611580B2
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Abstract

La presente invención describe un elemento de conexión de protección contra sismos para la conexión entre elementos estructurales, que comprende barras longitudinales de tipo SMA y con superelasticidad en temperatura ambiente; armadura transversal de acero convencional; hormigón de tipo VHPC o UHPC en el que se hallan embebidas las barras; conectores entre barras de acero convencionales de los elementos estructurales y las barras del elemento de conexión; y juntas entre el elemento de conexión y los elementos estructurales.

Description

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ELEMENTO DE CONEXION DE PROTECCION CONTRA SISMOS
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere de forma general al campo de la construccion, y mas concretamente a la proteccion frente a danos fisicos y economicos en las
construcciones debido a movimientos sismicos.
Antecedentes de la invencion
Tradicionalmente, el diseno sismico de estructuras tenia como objetivo la prevencion de las vidas humanas
respecto al colapso global o local de las estructuras frente a un terremoto. En los anos 60, la "Asociacion de Ingenieros Estructurales de California" (SEAOC) manifesto la importancia que tiene la evaluacion del dano, tanto en elementos estructurales como no estructurales, en el diseno sismico de estructuras. A pesar de ello, el diseno sismico mantuvo los mismos criterios hasta los anos 90. Asi, los
terremotos importantes sucedidos en EEUU y en Japon, a finales de los anos 80 y principios de los 90, no significaron perdidas de vidas importantes pero si importantes danos y perdidas economicas. En respuesta a estos hechos, surgio la "Ingenieria Sismica basada en el Comportamiento" del documento "VISION 2000" publicado por la SEAOC en 1995, como la idea mas importante en los
ultimos anos en referencia al diseno sismico o refuerzo de estructuras. Este cambio de paradigma modifico el objetivo del diseno sismico actual basado sobre todo en la capacidad de la estructura para cumplir la finalidad prevista, teniendo en cuenta las consecuencias de su incumplimiento. En dicho documento se definen cuatro niveles de comportamiento en funcion de la importancia del terremoto (operacional, inmediata ocupacion, seguridad vital y no
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colapso), en donde se acepta desde ningun tipo de dano hasta el dano total de la estructura, eso si, en todo caso hay que asegurar la capacidad vertical de la estructura con el objetivo de poder desalojarla en condiciones de seguridad tras un terremoto muy poco frecuente.
En este sentido, el Eurocodigo 8 del 2004, aplicable al proyecto y la construccion de edificios y obras de ingenieria civil en regiones sismicas, se plantea como objetivo de su aplicacion el asegurar que, en caso de terremotos, se protejan las vidas humanas, se limite el dano y que las estructuras importantes para la proteccion civil continuen operativas.
El comportamiento de las estructuras convencionales calculadas en base al Eurocodigo 8 posee inconvenientes que el invento objeto de patente logra suplir. El dano resultante tras un evento sismico de cierta entidad es elevado y se concentra en las conexiones entre elementos estructurales: el hormigon del recubrimiento estalla, las armaduras comprimidas de acero pandean y la zona de dano formada es muy grande. Como consecuencia, la reparacion de estas estructuras, en los casos en que sea posible realizarla, es compleja y costosa. Es mas, hay muchos casos en que la deriva residual que posee la estructura es tal que se debe demoler. Por lo tanto, aspectos como el elevado dano tras un sismo, el coste de reparacion, la nula capacidad de auto-recentrado de la estructura, representan unos graves inconvenientes que provocan que el coste del ciclo de vida de estas estructuras sea alto. Ademas, estas soluciones convencionales no permiten asegurar la funcionalidad de infraestructuras de especial importancia tales como centrales electricas, hospitales, suministradoras de agua, etc. despues de un sismo.
El documento WO2015100497 da a conocer un sistema de
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amortiguacion estructural adecuado para la proteccion sismica en el que una camisa da espacio para la insercion de unas varillas de SMA de forma radial en torno a un eje. Sin embargo, dicho sistema resulta relativamente complejo y costoso de fabricar y los resultados no resultan optimos al no formar parte intrinseca de la estructura de hormigon armado de la edificacion.
El documento WO9857014 se refiere a un elemento a incorporar en estructuras destinado a modificar la frecuencia de vibracion de la estructura con el fin de proteger su integridad frente a un movimiento sismico. Dicha modificacion de la frecuencia se alcanza en virtud de que el elemento estructural comprende una pieza de aleacion con memoria de forma (SMA), la cual modificara sus propiedades mecanicas al producirse una vibracion externa como la causada por un terremoto. Se trata de un elemento complementario que, en ausencia de dicha vibracion externa, no cumple funcion alguna dentro de la estructura de la construccion. Por tanto supone un coste adicional en la construccion de la estructura final.
El documento JPH04317446 se refiere a un material compuesto en el que estan embebidas en el hormigon fibras metalicas de distintas caracteristicas: de acero en estado martensitico, de aleacion superelastica, asi como aleaciones con memoria de forma. Dicha incorporacion de fibras metalicas proporciona al cemento, mortero u hormigon la capacidad de absorber las vibraciones en cierta medida. Sin embargo, el uso simplemente de un material compuesto de este tipo no proporciona resultados totalmente satisfactorios en cuanto a la proteccion de edificaciones y otras construcciones frente a desplazamientos sismicos.
Por tanto, sigue existiendo en la tecnica la necesidad de una solucion alternativa a las conocidas en la tecnica
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anterior que permita construir estructuras sismo- resistentes a un precio asumible a lo largo del ciclo de vida de las mismas que minimice los danos estructurales y asegure la funcionalidad despues de un terremoto ademas de contribuir a la capacidad resistente frente a otro tipo de solicitaciones (gravitatorias, sobrecarga de uso, viento, etc.) en situaciones no sismicas.
En base al conocimiento y a las normas de diseno actuales, ante un terremoto de alta magnitud, las estructuras o bien colapsan, o bien quedan inservibles debido a sus altas deformaciones remanentes y alto nivel de dano. Por tanto, el objetivo principal de la invencion es proporcionar un elemento de conexion entre elementos estructurales que posea una gran capacidad de giro, bajo nivel de dano tras un sismo, sea de facil reparacion y que dote a la estructura global de la capacidad de recentrado tras el sismo.
Sumario de la invencion
Para solucionar los problemas de la tecnica anterior, en el presente documento se describe un elemento de conexion de proteccion contra sismos para la conexion entre elementos estructurales, comprendiendo el elemento de conexion:
- barras longitudinales de aleacion con memoria de forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura ambiente;
- armadura transversal, preferiblemente de acero convencional;
- hormigon de tipo VHPC o UHPC en el que se hallan embebidas las barras de SMA;
- conectores entre barras de acero convencionales de los elementos estructurales y las barras de SMA del
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elemento de conexion; y
- juntas entre el elemento de conexion y los elementos estructurales.
Breve descripcion de las figuras
La presente invencion se entendera mejor con referencia a las siguientes figuras que ilustran realizaciones preferidas de la invencion, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invencion de ninguna manera.
La figura 1 muestra esquematicamente ejemplos de disposicion de un elemento de conexion segun realizaciones preferidas de la invencion.
La figura 2 muestra dos graficas comparativas que
representan la relacion tension-deformacion en traccion de una barra de aleacion tipo SMA empleada en una realizacion preferida de la presente invencion y en una barra de acero convencional.
La figura 3 muestra dos graficas comparativas que
representan el comportamiento en compresion y en traccion de un hormigon convencional, un hormigon de alta resistencia y un hormigon segun una realizacion preferida de la presente invencion.
La figura 4 muestra dos graficas comparativas que
representan las derivas obtenidas con un elemento de conexion segun la realizacion preferida de la invencion y con una estructura convencional segun la tecnica anterior.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
El elemento de conexion (1) dado a conocer tiene aplicacion para la conexion de un elemento estructural con otro de cualquier seccion, tal como por ejemplo una viga
con un soporte en un nudo o un soporte con una cimentacion
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de forma cualquiera. En la figura 1 se muestran de manera esquematica 8 ejemplos de aplicacion del elemento de conexion (1), en concreto, la figura 1a muestra la conexion entre un soporte y una viga isostatica en un nudo, la figura 1b muestra la conexion entre un soporte y una viga continua con vainas (8) en un nudo, la figura 1c muestra la conexion tipo vainas (8) entre un soporte prefabricado y una cimentacion ejecutada in situ, la figura 1d muestra la conexion tipo caliz (9) entre un soporte prefabricado y una cimentacion ejecutada in situ, la figura 1e muestra la conexion entre unas vigas y un soporte interior en el nudo, la figura 1f muestra la conexion entre una viga y un soporte exterior en un nudo, la figura 1g muestra la conexion entre la viga y un muro y la figura 1h muestra la conexion de la cabeza superior de una pila y un tablero. En cada caso, el elemento de conexion (1) segun la presente invencion se representa entre llaves. Las barras de SMA (2) se disponen en el sentido longitudinal del elemento estructural viga, soporte o pila.
El elemento de conexion (1) puede insertarse en cualquier estructura de hormigon, tanto creada in situ como prefabricada. La longitud "L" del elemento de conexion (1) variara en funcion de la calidad de los materiales y de las caracteristicas mecanicas del resto de la estructura en la que va a insertarse el elemento de conexion (1) de proteccion contra sismos.
El elemento de conexion (1) otorga de una gran capacidad de giro a la zona de la estructura en la que se incorpora, con un dano minimo (facilmente reparable) y con una capacidad de recentrado de la estructura tras el evento sismico. Todo esto se logra gracias a la combinacion de dos materiales: hormigon de muy altas o ultra altas prestaciones (VHPC o UHPC) (4) y barras longitudinales (2)
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de aleacion con memoria de forma (SMA) y superelasticidad en temperatura ambiente. La gran capacidad de giro se consigue gracias a la gran capacidad de deformacion de SMA. Esta gran deformacion no podria movilizarse sin un hormigon con una gran resistencia y ductilidad. El bajo dano se consigue gracias a que el VHPC o UHPC concentra el dano en una unica seccion. En estados avanzados de carga se produce una gran fisura en la zona sometida a traccion, la cual se une por el SMA. Mientras tanto, en la zona comprimida, debido al alto porcentaje en fibras metalicas y resistencia del hormigon utilizado, el dano es reducido (aunque variable, dependiendo de la junta utilizada). El bajo coste a lo largo del ciclo de vida de la estructura tambien es causa directa del bajo dano y de la facilidad de reparacion de la estructura tras un sismo de entidad. Por ultimo, el recentrado de la estructura lo provoca el material de tipo SMA, ya que se utiliza SMA superelastico en temperatura ambiente, es decir, capaz de recobrar deformaciones cercanas a cero cuando desaparece la accion sismica (figura 2a) . Ademas, el hecho de utilizar un hormigon VHPC o UHPC (4) permite que frente a cargas ciclicas el hormigon no sufra un proceso de degradacion (fisuracion o salto de recubrimiento), lo que permite ayudar al material de tipo SMA a reducir los desplazamientos residuales y no pandear localmente.
Por tanto, la invencion se basa en la combinacion del material de tipo SMA con el hormigon de tipo VHPC o UHPC (4). Por una parte, un material de tipo SMA insertado en un hormigon convencional provocaria que este se degradara notablemente frente a cargas ciclicas, provocadas por un terremoto. Por lo tanto, no se podria aprovechar la gran capacidad de deformacion del SMA siendo la disipacion de energia baja, ya que apenas se entraria en el regimen no
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lineal de estas barras. Por otra parte, utilizar VHPC o UHPC con armaduras convencionales de acero presenta una menor capacidad de giro de la rotula, menor ductilidad, mayor dano y deformaciones residuales, y en consecuencia, un mayor coste de reparacion. En ambas soluciones, la condicion de no pandeo local de la armadura longitudinal no queda asegurada, lo cual limita la ductilidad y la energia de disipacion de la estructura frente a sismos.
En el elemento de conexion (1) se pueden combinar las barras longitudinales (2) de aleacion (SMA) con barras de refuerzo de polimeros reforzados con fibras (FRP), por ejemplo de fibra de vidrio o de carbono, o barras pasivas o activas de acero convencional, con la finalidad de reducir el coste de construccion. En este caso, respecto a la solucion de disponer solo barras de SMA, la zona de dano se incrementa, se reduce la capacidad de auto-centrado de la estructura, los costes de reparacion son mayores y la estructura muestra una menor energia de disipacion. Por todo ello, el comportamiento optimo desde el punto de vista del auto-centrado (menores desplazamientos residuales), de la reduccion de danos, de la mayor energia de disipacion y del menor coste de reparacion se encuentra cuando se dispone en el elemento de conexion (1) unicamente barras longitudinales (2) de aleacion con memoria de forma (SMA).
Ademas, en el elemento de conexion (1) se dispondra una armadura transversal (3) de acero convencional para resistir las solicitaciones transversales (por ejemplo, el esfuerzo cortante). No obstante, por el hecho de utilizar un hormigon de tipo UHPC o VHPC (4) con alto contenido en fibras de acero da lugar a que la cuantia a disponer de armadura transversal (3) no sea importante, lo que facilita la puesta en obra del hormigon. Esta armadura transversal (3) mejorara el efecto de confinamiento del hormigon
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dispuesto y en consecuencia su resistencia y ductilidad.
Por tanto, el elemento de conexion (1) de proteccion contra sismos segun una realizacion preferida de la invencion comprende:
- barras longitudinales (2) de aleacion con memoria de forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura ambiente, combinadas o no con barras de refuerzo de polimeros reformados con fibras (FRP) o barras pasivas o activas de acero convencional;
- armadura transversal (3) de acero convencional;
- hormigon de tipo VHPC o UHPC (4) en el que se hallan embebidas las barras de SMA;
- conectores (5) entre barras de acero convencionales de los elementos estructurales y las barras de SMA del elemento de conexion (1); y
- juntas (6) entre el elemento de conexion (1) y los elementos estructurales.
Tal como se menciono anteriormente, las barras de aleacion con memoria de forma presentan superelasticidad a temperatura ambiente, lo que significa que pueden recuperar deformaciones cercanas a cero cuando desaparece la accion sismica.
La aleacion con memoria de forma de las barras puede seleccionarse, por ejemplo, del grupo constituido por Ni- Ti, Ni-Ti-Nb, Ni-Ti-Cu, Ni-Ti-Fe, Cu-Al-Be, Cu-Al-Ni, Cu- Al-Zn, aleaciones en base Mn y aleaciones en base Fe. Mas preferiblemente, la aleacion con memoria de forma de las barras es Ni-Ti, y aun mas preferiblemente es 50% Ni - 50% Ti aproximadamente.
Las caracteristicas de la aleacion con memoria de forma son que presenta superelasticidad a temperatura ambiente, una temperatura de finalizacion de la transformacion austenitica (Af) de aproximadamente
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entre -100°C y 10°C, un modulo de Young de aproximadamente de 10000 - 240000 MPa, una tension directa fy de aproximadamente de 150 - 800 MPa y una deformacion de transformacion H de aproximadamente de 2 - 6%.
El elemento de conexion (1) puede incluir barras fabricadas con otros materiales como barras de polimeros reformados con fibras (FRP), por ejemplo de fibra de vidrio o de carbono, o armaduras pasivas o activas de acero convencional. Tal y como entendera el experto en la tecnica, las armaduras longitudinales uniran el elemento de conexion (1) con los elementos estructurales, tendran continuidad en los elementos estructurales y en el elemento de conexion (1) . El experto en la tecnica seleccionara la combinacion mas adecuada de acuerdo con las prestaciones necesarias. Mas preferiblemente, si se requiere el minimo dano, la maxima energia de disipacion, la maxima recuperacion y el minimo coste de reparacion, el experto dispondra unicamente barras longitudinales (2) de SMA en el elemento de conexion (1).
En todo caso, tal y como entendera el experto en la tecnica, se dispondra armadura transversal (3) de acero convencional requerida para resistir las solicitaciones transversales (por ejemplo, respecto al esfuerzo cortante) en el elemento de conexion (1) de proteccion contra sismos.
En la figura 2 se muestra la relacion tension - deformacion en traccion sometida a una carga ciclica de una barra de aleacion de tipo SMA segun la presente invencion (grafica superior) y de una barra de acero de armado convencional (grafica inferior). Tal como puede apreciarse en la figura 2, las deformaciones residuales de la barra de SMA son inferiores con respecto a la barra de acero convencional.
En concreto, las barras de SMA empleadas en la prueba
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de tension - deformacion anterior son barras de Ni-Ti que presentan una composicion de aproximadamente 50% Ni - 50% Ti, superelasticidad a temperatura ambiente, una temperatura de finalizacion de la transformacion austenitica (Af) de aproximadamente -8°C, un modulo de Young de aproximadamente 65000 MPa, una tension de transformacion directa fy de aproximadamente 450 - 500 MPa y una deformacion de transformacion H de aproximadamente el 4%.
El hormigon empleado en el elemento de conexion (1) segun la realizacion preferida de la presente invencion presenta una resistencia muy alta (de entre aproximadamente 100 y aproximadamente 200 MPa, mas preferiblemente entre aproximadamente 110 MPa y aproximadamente 140 MPa) y un alto contenido en fibras metalicas (superior al 1%).
Mediante esta alta resistencia se consigue una alta adherencia con las fibras metalicas. Para conseguir esas resistencias tan altas anteriormente mencionadas, se emplea un alto contenido en cemento y tambien se utiliza humo de silice. Ademas, el hormigon resultante es autocompactante debido a que la granulometria tiene un tamano maximo del arido bajo.
Con respecto a la nomenclatura empleada, debe tenerse en cuenta que en la bibliografia existente no es homogenea. Algunos autores clasifican este tipo de hormigones como de "ultra altas prestaciones" (UHPC) a partir de 100 MPa, y otros autores los clasifican como de "muy altas prestaciones" (VHPC) entre 100 y 150 MPa, y de "ultra altas prestaciones" a partir de 150 MPa. Por tanto, en la presente invencion se emplean los terminos VHPC y UHPC de manera intercambiable para referirse al hormigon empleado en las realizaciones de la presente invencion, con una resistencia de entre 100 MPa y 200 MPa, mas preferiblemente
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de entre 110 y 140 MPa.
Para la fabricacion del elemento de conexion (1) segun la presente invencion resulta necesario fabricar un hormigon con muy altas prestaciones tanto en compresion como en traccion con un alto contenido en fibras de acero. El rango de hormigones que tienen estas prestaciones iria desde los 110 MPa en adelante con un alto contenido en fibras de acero. Se han realizado pruebas con hormigones de una calidad inferior dando lugar a resultados insatisfactorios: un dano mayor en la pieza, salto del recubrimiento y pandeo de las barras por perdida del recubrimiento del hormigon.
En la figura 3 se muestran unas graficas en las que puede compararse el comportamiento en compresion (grafica superior) y en traccion (grafica inferior) de un hormigon convencional (resistencia inferior a 50 MPa), un hormigon de alta resistencia (entre 50 y 80 MPa) y un hormigon segun una realizacion preferida de la presente invencion (resistencia de entre 110 MPa y 140 MPa). Puede apreciarse una diferencia notable en las prestaciones (resistencia y ductilidad) entre el hormigon de la realizacion preferida de la invencion y los hormigones de la tecnica anterior.
En concreto, el hormigon empleado en las pruebas de compresion y traccion anteriores tiene la composicion presentada en la siguiente tabla:
Cemento tipo CEM 42.5 SR
1000 kg
Agua
184 kg
Humo de silice densificado
150 kg
Arena con una granulometria de 0,4 mm
310 kg
Arena con una granulometria de 0,8 mm
575 kg
Aditivo tipo Sika 20HE
28,5 kg
Fibra acero tipo Dramix 80/30 BP
60 kg
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Fibra acero tipo Dramix OL 13/0.5
90 kg
Para la fabricacion del hormigon empleado en la realizacion preferida se ha seguido el siguiente procedimiento de preparacion del hormigon:
- humedecer una amasadora;
- verter aridos de los mas gruesos a los mas finos;
- pre-mezclar los componentes anteriores durante un minuto;
- sin parar la amasadora, anadir agua;
- al alcanzar 2 minutos tras terminar la adicion de agua, empezar a verter aditivo a ritmo constante;
- en el minuto 10 tras terminar la adicion de agua
empezar a anadir fibras, primero las cortas y despues las largas;
- en el minuto 23 tras terminar la adicion de agua
realizar una prueba de cono de Abrams y comprobar que se obtiene como resultado aproximadamente 700 mm de escurrimiento;
- a partir del minuto 25 tras terminar la adicion de agua verter el hormigon en los moldes.
Segun una realizacion preferida, la etapa de verter aridos comprende verter los siguientes componentes en el siguiente orden: arena con una granulometria de 0,8 mm,
arena con una granulometria de 0,4 mm, cemento y humo de
silice densificado.
Tal y como entendera el experto en la tecnica, los tiempos de espera y de amasado variaran en funcion del tipo de amasadora, las condiciones climatologicas y el volumen de hormigon amasado.
Para transmitir los esfuerzos de las barras de acero convencionales (7) de los elementos estructurales que conectan con las barras de SMA (2) del elemento de conexion
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(1) deben utilizarse conectores (5). Estos deben poder transmitir los esfuerzos sin que la barra deslice en su interior, sin que se rompa ninguna de las barras que unen y sin que se rompa el propio conector (5).
Pueden emplearse, por ejemplo, conectores mecanicos de marcas comerciales tales como el modelo MBT de HALFEN, el modelo ZAP screwlock tipo SL de BPI y similares; siempre que se garantice la continuidad de la barra tanto en traccion como en compresion. Segun una realizacion preferida, el conector (5) empleado es un conector roscado en el que la rosca de la barra se realizara en el proceso de fabricacion de la misma, con el objetivo de no modificar las caracteristicas mecanicas de la barra por sobrecalentamiento.
Los grupos de elementos estructurales que se conectan mediante el elemento de conexion (1) segun la presente invencion pueden seleccionarse del grupo constituido por soporte-cimentacion, pila-cimentacion, viga-cimentacion, viga-soporte en el nudo, viga-viga en el nudo, soporte- soporte en el nudo, pila-pila en el nudo, pila-tablero, soporte-muro y viga-muro. Los elementos estructurales que se conectan mediante el elemento de conexion (1) segun la presente invencion forman parte de los grupos seleccionados en realizaciones tanto de obra civil (por ejemplo, puentes) como en edificacion. Ademas, podran formar parte tanto de elementos prefabricados como ejecutados in situ. La continuidad entre el elemento de conexion (1) y el elemento estructural (viga, soporte o pila) en donde se dispone el elemento de conexion (1) se materializa con una junta (6) seleccionada del grupo constituido por una junta seca y una junta humeda. La junta seca consiste en el contacto directo entre hormigones, mientras que la junta humeda consiste en un puente de union quimico entre hormigones. Tal como
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entendera el experto en la tecnica, en este caso siempre existira armadura longitudinal para unir el hormigon del elemento de conexion (1) con el hormigon del elemento estructural.
El puente de union quimico en el caso de la junta humeda puede realizarse mediante la aplicacion, por ejemplo, de resinas de tipo SiKaDur o similares.
Por otro lado, la continuidad entre el elemento de conexion (1) y un nudo, cimentacion, muro o tablero se ejecuta mediante una junta (6) que se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad. Se han sometido a prueba ambas opciones y se ha constatado que el comportamiento es distinto. Si la junta (6) no tiene continuidad, esta se abre en la zona sometida a traccion sin ocasionar danos. En cuanto a la parte comprimida, la calidad del hormigon provoca que pueda soportar enormes compresiones, fruto de la elevada posicion de la fibra neutra debido al gran giro que se concentra en esa seccion. La junta (6) se materializa realizando el hormigonado en dos fases, de tal forma que existe una junta seca en una determinada seccion. En esta se prescinde de la resistencia a traccion que aportan las fibras metalicas del hormigon. Este hecho provoca que la carga maxima alcanzada sea menor que en el caso con junta con continuidad.
En las realizaciones de junta sin continuidad no existe continuidad en traccion pero si en compresion. Es decir, las fibras de acero no unen la junta (6) de la conexion entre elementos.
Una realizacion especifica del elemento de conexion (1) segun la presente invencion sin continuidad en la junta es una conexion tipo vainas (8) entre un soporte prefabricado y una cimentacion ejecutada in-situ. En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y
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transversal tanto en la cimentacion como en el soporte. En la cimentacion se disponen las vainas (8) que serviran para conectar el soporte prefabricado con la cimentacion. En la cara inferior del soporte se disponen las barras exentas de SMA conectadas a las barras de acero convencional (7) que habra que insertar en las vainas (8) de la cimentacion. La continuidad de las barras de tipo SMA (2) y de acero convencional (7) queda garantizada por la disposicion de los conectores (5), tanto en la conexion con la cimentacion como en el soporte prefabricado. Las barras de Ni-Ti cruzan la junta (6) entre el soporte prefabricado y la cara superior de la cimentacion. A continuacion, se fabrica por un lado la cimentacion, y por otro lado el soporte prefabricado en donde se vierte el hormigon teniendo especial cuidado con la zona critica del soporte en la que se ha situado la barra de Ni-Ti. Por ultimo, se realiza la conexion entre el soporte prefabricado y la cimentacion. Para rellenar el hueco que queda entre la vaina (8) y la barra se emplea un mortero expansivo adecuado para anclajes, rellenos y nivelacion, por ejemplo de la marca Sika, de tipo Sika Grout o similar. Por otro lado, en la junta (6) puede colocarse un puente de union de tipo SiKaDur o similar.
Otro ejemplo de conexion sin continuidad en la junta
(6) es una conexion de un soporte hibrido con una viga en un nudo sin continuidad. En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal. La continuidad de las barras SMA (2) y de acero convencional
(7) se garantiza por la disposicion de conectores (5) . A continuacion, se realiza el encofrado del soporte y despues la construccion del elemento de conexion (1) (vertido de hormigon de tipo UHPC de forma independiente al resto del elemento en el soporte inferior). Despues se vierte en el
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resto del soporte inferior un hormigon con prestaciones inferiores (por ejemplo con una resistencia de 80 MPa). En la junta (6) entre ambos hormigones se dispone un puente de union de tipo SikaDur o similar. Por ultimo, se vierte hormigon en el nudo del encuentro entre soporte inferior y la viga, asi como en el resto del soporte superior y la viga. En este caso, en la junta (6) no se dispone de ningun puente de union.
Por otro lado, en las conexiones con continuidad en la junta (6), la zona de dano es mayor ya que se produce una fisura a costa de romper el hormigon a traccion, por lo que los danos son mayores que en el caso de sin continuidad de la junta (6), en el que ya se habia preformado la seccion de fisuracion de forma controlada. El dano a compresion tambien resulta ligeramente mayor al ser una seccion de rotura irregular provocada por el dano en traccion. Sin embargo, la carga maxima soportada en este caso es mayor.
Este tipo de solucion confiere continuidad tanto en traccion como en compresion de la junta (6). Es decir, las fibras de acero unen la junta (6) de la conexion entre elementos estructurales. Una realizacion especifica del elemento de conexion (1) segun la presente invencion con continuidad en la junta (6) es una conexion tipo caliz (9) entre un soporte prefabricado y una cimentacion ejecutada in situ. En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal, tanto en el soporte prefabricado como en la cimentacion. La continuidad de las barras SMA (2) y de acero convencional (7) se garantiza por la disposicion de conectores (5) dispuestas en el soporte prefabricado. Por un lado, se fabrica la cimentacion. En la cimentacion se dispone un cajeado con la misma forma que el soporte y que servira para insertar el soporte en la cimentacion. Por otro lado, se vierte el hormigon en el
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soporte prefabricado, teniendo especial cuidado con la zona critica del soporte en la que se ha situado las barras de Ni-Ti que se disponen cruzando la cara superior de la cimentacion, una vez se haya colocado el soporte. Por ultimo, se realiza la conexion entre el soporte y la cimentacion (colocacion y relleno del hueco mediante mortero expansivo de tipo Sika Grout o similar).
Otro ejemplo de conexion con continuidad en la junta
(6) es una conexion entre un soporte hibrido y una viga en un nudo con continuidad. En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal. La continuidad de las barras SMA (2) y de acero convencional
(7) se garantiza por la disposicion de conectores (5) . A continuacion, se realiza el encofrado del soporte y la fabricacion de la parte del soporte inferior objeto de ensayo con un hormigon con prestaciones inferiores (por ejemplo, una resistencia de 80 MPa) . Una vez fraguado el hormigon de 80 MPa, se vierte el hormigon de tipo UHPC segun la presente invencion en la zona de conexion. Previamente, en la junta (6) entre ambos hormigones (H80- UHPC) se dispone un puente de union tipo SikaDur o similar. A continuacion, se vierte el hormigon en el resto de la estructura (nudo, viga y soporte superior). En este caso, este hormigon se vierte despues de verter el hormigon del elemento de conexion (1) segun la presente invencion, dando lugar a la continuidad a traccion mediante las fibras de acero.
Se han obtenido experimentalmente de un ensayo las derivas producidas al aplicar una carga lateral ciclica sobre un elemento de conexion (1) segun la presente
invencion de acuerdo con la realizacion preferida, hormigon tipo UHPC de 121 MPa de resistencia a compresion y barras SMA con las caracteristicas preferidas, asi como sobre un
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elemento estructural convencional, de hormigon convencional de 34 MPa de resistencia a compresion y barras de acero B500SD. En la figura 4 se muestran los resultados obtenidos en dichos ensayos (grafica superior: elemento de conexion segun la invencion, grafica inferior: elemento estructural convencional). Puede apreciarse que las derivas maximas obtenidas con el elemento de conexion (1) segun la presente invencion son el doble que las obtenidas con el elemento estructural convencional.
Tambien ha podido constatarse que el nivel de dano en el hormigon del elemento de conexion (1) segun la presente invencion tras un evento sismico es muy reducido, y que una simple reparacion permite recobrar la misma capacidad de resistencia y ductilidad. En concreto, tras reparar el elemento de conexion (1) segun la presente invencion volvio a realizarse un ensayo de derivas frente a cargas ciclicas, alcanzandose un 95% de la deriva maxima inicial y manteniendo la misma capacidad de resistencia y deriva residual.
La deriva residual tras un evento sismico en el elemento de conexion (1) segun la presente invencion es de aproximadamente el 15% de la deriva maxima, mientras que con los elementos estructurales convencionales es de aproximadamente el 80% de la deriva maxima.
Una ventaja adicional de la invencion es que los procedimientos de fabricacion son sustancialmente similares a los habituales, por lo tanto puede aplicarse en cualquier construccion, prefabricada o in situ, en obra civil o edificacion, y con cualquier mano de obra.
Algunas ventajas proporcionadas por la presente invencion se resumen en la siguiente tabla, que presenta algunas caracteristicas del elemento de conexion (1) segun la presente invencion en comparacion con algunas soluciones
conocidas de proteccion contra sismos:
Parametro
Inven- cion Solu- cion conven- cional Aisla- dores Tirantes rigidiza- dores
Ejecu- cion
Procedimientos constructivos habituales Si Si No Si
Mano de obra especializada No No Si No
Posible ejecucion de la solucion en la misma obra Si Si No No
Econo-
Coste economico Si Si No Si
mica
Economiza la estructura en su ciclo de vida Si No Si Si
Danos tras el
Grado alto de dano No Si No Si
sismo
Coste de reparacion ante un mismo sismo Bajo Alto Alto Alto
Derivas resi- duales
Capacidad de auto-recentrado de la estructura tras el sismo Si No No No
Capaci- dad de giro
Alta ductilidad en las rotulas plasticas formadas Si No No No
Aplica- bilidad
Estructuras in situ Si Si Si Si
Estructuras prefabricadas Si No Si Si
Invasi- bilidad
Repercute en el diseno de fachadas No No No Si
Propension a eliminar espacio util No No No Si
- Solucion convencional: la ductilidad se consigue mediante exigencias de cuantia de armadura longitudinal y mayores disposiciones de armadura transversal en las zonas
5 de encuentro, lo que dificulta la puesta en obra y aumenta los costes. La disipacion de energia se genera en gran medida a costa de plastificacion de las armaduras de acero y rotura del hormigon, lo que obliga en un futuro a costosas reparaciones o directamente conduce a la 10 demolicion y nueva construccion, y a posibles
interrupciones de funcionamiento. Se aplica a sistemas de porticos o duales equivalentes a porticos.
- Aisladores de la cimentacion: solucion similar a la propuesta por la presente invencion, pero que aporta menos
15 rigidez a la estructura, genera movimientos mas violentos para el usuario y obliga a mayores labores de mantenimiento y limpieza e inspecciones periodicas.
- Tirantes rigidizadores (cruces de San Andres): obliga a la construccion de nuevos elementos, cuya posicion
optima se da en la zona exterior del edificio. Esto limita la vision hacia el exterior asi como la estetica del edificio. Si se posicionan en el interior, tambien coarta los espacios interiores.
5 Aunque se ha descrito la presente invencion con
referencia a realizaciones preferidas de la misma, el experto en la tecnica podra concebir cambios y
modificaciones sin por ello apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

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    15
    2
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    4
    30 5
    REIVINDICACIONES
    Elemento de conexion (1) de proteccion contra sismos para la conexion entre elementos estructurales, comprendiendo el elemento de conexion (1):
    - barras longitudinales (2) de aleacion con memoria de forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura ambiente, dispuestas de manera que cruzan la interseccion entre el elemento de conexion (1) y el nudo u otro elemento estructural que se conecta;
    - armadura transversal (3);
    - hormigon de tipo VHPC o UHPC (4) en el que se hallan embebidas las barras de SMA;
    - conectores (5) entre barras de acero convencionales (7) de los elementos estructurales y las barras de SMA (2) del elemento de conexion (1); y
    - juntas (6) entre el elemento de conexion (1) y los elementos estructurales.
    Elemento de conexion (1) segun la reivindicacion 1,
    caracterizado por que la aleacion con memoria de forma de las barras se selecciona del grupo constituido por Ni-Ti, Ni-Ti-Nb, Ni-Ti-Cu, Ni-Ti-Fe, Cu-Al-Be, Cu-Al- Ni, Cu-Al-Zn, aleaciones en base Mn y aleaciones en base Fe.

    Elemento de conexion (1) segun la reivindicacion 2,
    caracterizado por que la aleacion con memoria de forma de las barras es Ni-Ti.

    Elemento de conexion (1) segun la reivindicacion 3,
    caracterizado por que la aleacion con memoria de forma de las barras es 50% Ni - 50% Ti.

    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que las barras longitudinales (2) de aleacion con memoria de
    forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura
    5
    10
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    20
    25
    ambiente se combinan con una armadura de refuerzo seleccionada del grupo constituido por barras de polimeros reformados con fibras (FRP), barras pasivas o activas de acero convencional.
  2. 6.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores caracterizado por que la
    armadura transversal (3) es de acero convencional.
  3. 7.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el
    hormigon presenta una resistencia de 100-200 MPa.
  4. 8. Elemento de conexion (1) segun la reivindicacion 7, caracterizado por que el hormigon (4) presenta una
    resistencia de 110 - 140 MPa .
  5. 9.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el
    hormigon (4) presenta un contenido en fibras metalicas
    superior al 1%.
  6. 10.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el
    hormigon (4) es autocompactante.
  7. 11.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el
    hormigon (4) presenta la siguiente composicion: 1000 kg de Cemento tipo CEM 42.5 SR, 184 kg de Agua, 150 kg de Humo de silice densificado, 310 kg de Arena con una granulometria de 0,4 mm, 575 kg de Arena con una granulometria de 0,8 mm, 28,5 kg de Aditivo tipo Sika 20HE, 60 kg de Fibra acero tipo Dramix 80/30 BP y 90
    kg de Fibra acero tipo Dramix OL 13/0.5.
  8. 12. Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los conectores (5) entre barras de acero convencionales (7) de los elementos estructurales y las barras de SMA
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    (2) del elemento de conexion (1) son conectores mecanicos.
  9. 13. Elemento de conexion (1) segun la reivindicacion 12, caracterizado por que el conector mecanico entre el acero convencional y la barra de SMA (2) es de tipo roscado.
  10. 14. Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos estructurales que se conectan se seleccionan
    del grupo
    constituido por realizaciones de obra civil
    (puentes)
    y edificacion.
    Elemento
    de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 13,
    caracterizado por que los
    elementos estructurales que se conectan se seleccionan del grupo constituido por elementos prefabricados y elementos ejecutados in situ.
  11. 16. Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que los
    elementos estructurales que se conectan se seleccionan del grupo constituido por soporte-cimentacion, pila- cimentacion, viga-cimentacion, viga-soporte en el nudo, viga-viga en el nudo, soporte-soporte en el nudo, pila- pila en el nudo, pila-tablero, soporte-muro y viga- muro.

  12. 17. Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las

    reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento estructural es un soporte y la junta (6)
    entre el elemento de conexion (1) y el soporte se selecciona del grupo constituido por una junta seca y una junta humeda.

  13. 18. Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento estructural es una viga y la junta (6) entre
  14. 19.
    5
    10 20.
    15 21.
    20 22.
    25 23.
    el elemento de conexion (1) y la viga se selecciona del grupo constituido por una junta seca y una junta humeda.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es una pila y la junta (6) entre el elemento de conexion (1) y la pila se selecciona del grupo constituido por una junta seca y una junta humeda.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es un nudo y la junta (6) se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es una cimentacion y la junta (6) se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es un tablero y la junta (6) se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.
    Elemento de conexion (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es un muro y la junta (6) se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.
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