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Patent Searching and Data


Title:
CONNECTION ELEMENT FOR PROTECTING AGAINST EARTHQUAKES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/020075
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a connection element for protecting against earthquakes, for connecting structural elements, which comprises: longitudinal shape memory alloy (SMA) bars having superelasticity at ambient temperature and which are disposed such that they cross the intersection between the connection element and a node or other structural element that is connected; conventional steel transverse reinforcement; very-high performance concrete (VHPC) or ultra-high performance concrete (UHPC) in which the bars are embedded; connectors between the conventional steel bars of the structural elements and the bars of the connection element; and joints between the connection element and the structural elements.

Inventors:
BONET SENACH, José Luis (Servicio de Promoción y Apoyo a la Investigación, la Innovación y la TransferenciaEdificio Nexus - 3ª planta,,Camí de Ver, s/n Valencia, 46022, ES)
PEREIRO BARCELÓ, Javier (Servicio de Promoción y Apoyo a la Investigación, la Innovación y la TransferenciaEdificio Nexus - 3ª planta,,Camí de Ver, s/n Valencia, 46022, ES)
NAVARRO GÓMEZ, Alberto (Servicio de Promoción y Apoyo a la Investigación, la Innovación y la TransferenciaEdificio Nexus - 3ª planta,,Camí de Ver, s/n Valencia, 46022, ES)
Application Number:
ES2017/070546
Publication Date:
February 01, 2018
Filing Date:
July 27, 2017
Export Citation:
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Assignee:
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA (Servicio de Promoción y Apoyo a la Investigación, la Innovación y la TransferenciaEdificio Nexus - 3ª planta,,Camí de Ver, s/n Valencia, 46022, ES)
International Classes:
E04H9/02; E02D27/34
Attorney, Agent or Firm:
MALDONADO JORDAN, Julia (Vara de Rey 5TER, 3º Oficina 5, LA RIOJA/LOGROÑO, 26003, ES)
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Claims:
RE IVINDICACIONES

Elemento de conexión (1) de protección contra sismos para la conexión entre elementos estructurales, comprendiendo el elemento de conexión (1) :

- barras longitudinales (2) de aleación con memoria de forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura ambiente, dispuestas de manera que cruzan la intersección entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural que se conecta;

- armadura transversal (3);

- hormigón 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 conexión (1); y

- juntas (6) entre el elemento de conexión (1) y los elementos estructurales.

Elemento de conexión (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que la aleación 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 conexión (1) según la reivindicación 2, caracterizado por que la aleación con memoria de forma de las barras es Ni-Ti.

Elemento de conexión (1) según la reivindicación 3, caracterizado por que la aleación con memoria de forma de las barras es 50% Ni - 50% Ti.

Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que las barras longitudinales (2) de aleación con memoria de forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura ambiente se combinan con una armadura de refuerzo seleccionada del grupo constituido por barras de polímeros reforzados con fibras (FRP), barras pasivas o activas de acero convencional .

6. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la armadura transversal (3) es de acero convencional.

7. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el hormigón presenta una resistencia de 100-200 MPa.

8. Elemento de conexión (1) según la reivindicación 7, caracterizado por que el hormigón (4) presenta una resistencia de 110 - 140 MPa.

9. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el hormigón (4) presenta un contenido en fibras metálicas superior al 1%.

10. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el hormigón (4) es autocompactante .

11. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el hormigón (4) presenta la siguiente composición: 1000 kg de Cemento tipo CEM 42.5 SR, 184 kg de Agua, 150 kg de Humo de sílice densificado, 310 kg de Arena con una granulometría de 0,4 rom, 575 kg de Arena con una granulometría de 0,8 rom, 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.

12. Elemento de conexión (1) según 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 (2) del elemento de conexión (1) son conectores mecánicos.

13. Elemento de conexión (1) según la reivindicación 12, caracterizado por que el conector mecánico entre el acero convencional y la barra de SMA (2) es de tipo roscado.

14. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos estructurales que se conectan se seleccionan del grupo constituido por realizaciones de obra civil y edificación .

15. Elemento de conexión (1) según 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.

16. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que los elementos estructurales que se conectan se seleccionan del grupo constituido por soporte-cimentación, pila- cimentación, viga-cimentación, viga-soporte, pila-tablero, soporte-muro y viga-muro.

17. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento estructural es un soporte y la junta (6) entre el elemento de conexión (1) y el soporte se selecciona del grupo constituido por una junta seca y una junta húmeda.

18. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento estructural es una viga y la junta (6) entre el elemento de conexión (1) y la viga se selecciona del grupo constituido por una junta seca y una junta húmeda.

19. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es una pila y la junta (6) entre el elemento de conexión (1) y la pila se selecciona del grupo constituido por una junta seca y una junta húmeda.

20. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es un nudo y la junta (6) en la intersección entre el elemento de conexión (1) y el nudo se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.

21. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es una cimentación y la junta (6) en la intersección entre el elemento de conexión (1) y la cimentación se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.

22. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es un tablero y la junta (6) en la intersección entre el elemento de conexión (1) y el tablero se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.

23. Elemento de conexión (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-17, caracterizado por que el elemento estructural es un muro y la junta (6) en la intersección entre el elemento de conexión (1) y el muro se selecciona del grupo constituido por una junta con continuidad y una junta sin continuidad.

Description:
ELEMENTO DE CONEXIÓN DE PROTECCIÓN CONTRA SISMOS

Campo de la invención

La presente invención se refiere de forma general al campo de la construcción, y más concretamente a la protección frente a daños físicos y económicos en las construcciones debido a movimientos sísmicos.

Antecedentes de la invención

Tradicionalmente, el diseño sísmico de estructuras tenía como objetivo la prevención de las vidas humanas respecto al colapso global o local de las estructuras frente a un terremoto. En los años 60, la "Asociación de Ingenieros Estructurales de California" (SEAOC) manifestó la importancia que tiene la evaluación del daño, tanto en elementos estructurales como no estructurales, en el diseño sísmico de estructuras. A pesar de ello, el diseño sísmico mantuvo los mismos criterios hasta los años 90. Así, los terremotos importantes sucedidos en EEUU y en Japón, a finales de los años 80 y principios de los 90, no significaron pérdidas de vidas importantes pero sí importantes daños y pérdidas económicas. En respuesta a estos hechos, surgió la "Ingeniería Sísmica basada en el Comportamiento" del documento "VISION 2000" publicado por la SEAOC en 1995, como la idea más importante en los últimos años en referencia al diseño sísmico o refuerzo de estructuras. Este cambio de paradigma modificó el objetivo del diseño sísmico 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 función de la importancia del terremoto (operacional, inmediata ocupación, seguridad vital y no colapso) , en donde se acepta desde ningún tipo de daño hasta el daño total de la estructura, eso sí, 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 Eurocódigo 8 del 2004, aplicable al proyecto y la construcción de edificios y obras de ingeniería civil en regiones sísmicas, se plantea como objetivo de su aplicación el asegurar que, en caso de terremotos, se protejan las vidas humanas, se limite el daño y que las estructuras importantes para la protección civil continúen operativas.

El comportamiento de las estructuras convencionales calculadas en base al Eurocódigo 8 posee inconvenientes que el invento objeto de patente logra suplir. El daño resultante tras un evento sísmico de cierta entidad es elevado y se concentra en las conexiones entre elementos estructurales: el hormigón del recubrimiento estalla, las armaduras comprimidas de acero pandean y la zona de daño formada es muy grande. Como consecuencia, la reparación de estas estructuras, en los casos en que sea posible realizarla, es compleja y costosa. Es más, hay muchos casos en que la deriva residual que presenta la estructura es tal que se debe demoler. Por lo tanto, aspectos como el elevado daño tras un sismo, el coste de reparación, 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. Además, estas soluciones convencionales no permiten asegurar la funcionalidad de infraestructuras de especial importancia tales como centrales eléctricas, hospitales, suministradoras de agua, etc. después de un sismo.

El documento WO2015100497 da a conocer un sistema de amortiguación estructural adecuado para la protección sísmica en el que una camisa da espacio para la inserción 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 óptimos al no formar parte intrínseca de la estructura de hormigón armado de la edificación.

El documento WO9857014 se refiere a un elemento a incorporar en estructuras destinado a modificar la frecuencia de vibración de la estructura con el fin de proteger su integridad frente a un movimiento sísmico. Dicha modificación de la frecuencia se alcanza en virtud de que el elemento estructural comprende una pieza de aleación con memoria de forma (SMA) , la cual modificará sus propiedades mecánicas al producirse una vibración externa como la causada por un terremoto. Se trata de un elemento complementario que, en ausencia de dicha vibración externa, no cumple función alguna dentro de la estructura de la construcción. Por tanto supone un coste adicional en la construcción de la estructura final.

El documento JPH04317446 se refiere a un material compuesto en el que están embebidas en el hormigón fibras metálicas de distintas características: de acero en estado martensítico, de aleación superelástica, así como aleaciones con memoria de forma. Dicha incorporación de fibras metálicas proporciona al cemento, mortero u hormigón 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 protección de edificaciones y otras construcciones frente a desplazamientos sísmicos.

Diversos investigadores han ido proponiendo nuevas soluciones constructivas para proporcionar mejores respuestas ante acciones sísmicas. Concretamente Mostafa Tazarv y M. Saiid Saiidi desarrollaron un proyecto experimental con el objetivo de proponer una nueva generación de pilas de puente que puedan ser construidas en un tiempo relativamente reducido (Accelerated Bridge Construction - ABC) y con una prestación sísmica igual o superior a la de una pila tradicional. Los investigadores publicaron una serie de documentos con información relativa al proyecto:

- Tarzarv M.; Saiidi Saiidi, M. (2015) "UHPC-filled duct connections for accelerated bridge construction of RC columns in high seismic zones" Engineering Structures, 99 (2015) 413-422.

Saiidi Saiidi, M. (2015) "Highlights od Recent and Current Bridge Earthquake Engineering at UNR - A few Examples. Tazarv M., Saiidi Saiidi M. (2015) "Low-damage precast columns for accelerated bridge construction in high seismic zones". J Bridge Eng, ASCE, 2015.

- Tazarv M., Saiidi Saiidi M. (2014) "Next Generation of Bridge Columns for Accelerated Bridge Construction in High Seismic Zones". Department of Civil and Environmental Engineering. University of Nevada, Reno. UNR/CCEER 14-06.

Tal y como expone este último documento, en este proyecto de investigación se comparó el comportamiento de una unión convencional entre un soporte realizado in situ y la cimentación, con el de tres nuevas soluciones (modelo tipo PNC, modelo tipo HCS y modelo tipo GCDP) para la unión de un soporte prefabricado con la cimentación, en las que se emplearon según el caso, diferentes tipos de materiales.

El soporte prefabricado de los tres modelos es ejecutado en dos fases de forma general. En primer lugar se fabrica una corona circular, bien con un hormigón convencional en las uniones tipo PNC o GCDP, o bien mediante un hormigón tipo ECC de resistencia a compresión simple 44 MPa (compuesto por fibras de polietileno, cemento, áridos finos, agua y aditivos) para la unión tipo HCS. Una vez se ha situado el soporte en la cimentación, se vierte un hormigón autocompactante en el núcleo de la sección para completar la sección maciza del soporte .

En el modelo tipo PNC, el soporte está reforzado longitudinalmente con barras de acero que se extienden en la base. La conexión entre el soporte y la cimentación se realiza mediante vainas en la cimentación rellenas de hormigón de ultra altas prestaciones (UHPC) , en el que quedan embebidas las barras de acero que sobresalen de la base del soporte.

El modelo tipo HCS es similar al tipo PNC, pero incorporando hormigón tipo ECC y barras longitudinales de aleación con memoria de forma (SMA) en la "zona critica" del soporte, sin que dichas barras de SMA lleguen a introducirse en la cimentación. La conexión entre el soporte y la cimentación se realiza mediante vainas en la cimentación rellenas de hormigón de ultra altas prestaciones (UHPC) , en el que quedan embebidas barras de acero. Dichas barras de acero de la cimentación se unen a las barras de SMA del soporte mediante conectores.

En el modelo tipo GCDP se utiliza un conector fijado en el interior de la corona prefabricada del soporte (de hormigón convencional) y un pedestal realizado in situ en la base del soporte. La conexión entre el soporte y la cimentación se realiza de la siguiente manera: Las barras de acero provenientes de la cimentación atraviesan el pedestal (sin quedar adheridas al pedestal) y quedan introducidas en el conector del soporte, en donde se conectan con las barras longitudinales del soporte.

Sin embargo, el uso de estas tres nuevas soluciones sigue sin proporcionar resultados totalmente satisfactorios en cuanto a la mejora de prestaciones sísmicas, minimización de daños en la zona crítica de los elementos estructurales, reducción en el coste de reparación, mejora de la resiliencia estructural, protección de edificaciones y otras construcciones frente a desplazamientos sísmicos.

Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de una solución alternativa a las conocidas en la técnica anterior que permita construir estructuras sismo-resistentes a un precio asumible a lo largo del ciclo de vida de las mismas que minimice los daños estructurales y asegure la funcionalidad después de un terremoto además de contribuir a la capacidad resistente frente a otro tipo de solicitaciones ( gravitatorias , sobrecarga de uso, viento, etc.) en situaciones no sísmicas.

En base al conocimiento y a las normas de diseño 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 daño. Por tanto, el objetivo principal de la invención es proporcionar un elemento de conexión entre elementos estructurales que posea una gran capacidad de giro, bajo nivel de daño tras un sismo, sea de fácil reparación y que dote a la estructura global de la capacidad de recentrado tras el sismo.

Sumario de la invención

Para solucionar los problemas de la técnica anterior, en el presente documento se describe un elemento de conexión de protección contra sismos para la conexión entre elementos estructurales, comprendiendo el elemento de conexión:

- barras longitudinales de aleación con memoria de forma (SMA) y con superelasticidad en temperatura ambiente, dispuestas de manera que cruzan la intersección entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural que se conecta;

- armadura transversal, preferiblemente de acero convencional ;

- hormigón 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 elemento de conexión; y

- juntas entre el elemento de conexión y los elementos estructurales . Breve descripción de las figuras

La presente invención se entenderá mejor con referencia a las siguientes figuras que ilustran realizaciones preferidas de la invención, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invención de ninguna manera.

La figura 1 muestra esquemáticamente ejemplos de disposición de un elemento de conexión según realizaciones preferidas de la invención.

La figura 2 muestra dos gráficas comparativas que representan la relación tensión-deformación en tracción de una barra de aleación tipo SMA empleada en una realización preferida de la presente invención y en una barra de acero convencional.

La figura 3 muestra dos gráficas comparativas que representan el comportamiento en compresión y en tracción de un hormigón convencional, un hormigón de alta resistencia y un hormigón según una realización preferida de la presente invención.

La figura 4 muestra dos gráficas comparativas que representan las derivas obtenidas con un elemento de conexión según la realización preferida de la invención y con una estructura convencional según la técnica anterior.

La figura 5 es una vista de la realización preferida representada en la figura le, con el soporte unido a la cimentación .

La figura 6 es una vista de la realización preferida representada en la figura Id, con el soporte unido a la cimentación.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

A lo largo de la presente descripción se entenderá por nudo" el lugar de encuentro entre dos o más elementos constructivos en un entramado o estructura. El nudo ha de ser considerado como un elemento estructural.

A lo largo de la presente descripción se entenderá por "pila" el apoyo intermedio de puentes de dos o más tramos que sirve para transmitir las cargas del tablero a la cimentación.

A lo largo de la presente descripción se entenderá por "tablero" la parte de un puente que soporta directamente las cargas debidas al tránsito de vehículos o personas y las transmite directa o indirectamente a las pilas, estribos o muros.

A lo largo de la presente descripción se entenderá por "soporte" el elemento estructural de una estructura de edificación o nave industrial que transmite las cargas hacia la cimentación.

A lo largo de la presente descripción se entenderá por

"zona crítica" la zona de los elementos estructurales que es susceptible de albergar una rótula plástica.

A lo largo de la presente descripción se entenderá por "intersección" la superficie de encuentro entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural al que se conecta. Dicha intersección define una junta.

El elemento de conexión (1) dado a conocer tiene aplicación para la conexión de un elemento estructural con otro de cualquier sección, tal como por ejemplo una viga con un soporte en un nudo o un soporte con una cimentación de forma cualquiera. En la figura 1 se muestran de manera esquemática 8 ejemplos de aplicación del elemento de conexión (1), en concreto, la figura la muestra la conexión entre un soporte y una viga isostática en un nudo, la figura Ib muestra la conexión entre un soporte y una viga continua con vainas (8) en un nudo, la figura le muestra la conexión tipo vainas (8) entre un soporte prefabricado y una cimentación ejecutada in situ, la figura Id muestra la conexión tipo cáliz (9) entre un soporte prefabricado y una cimentación ejecutada in situ, la figura le muestra la conexión entre unas vigas y un soporte interior en el nudo, la figura lf muestra la conexión entre una viga y un soporte exterior en un nudo, la figura lg muestra la conexión entre la viga y un muro y la figura lh muestra la conexión de la cabeza superior de una pila y un tablero. En cada caso, el elemento de conexión (1) según la presente invención se representa entre llaves. Las barras de SMA (2) se disponen en el sentido longitudinal del elemento estructural viga, soporte o pila. Además, según se puede observar en la figura 1, las barras de SMA (2), están dispuestas de manera que cruzan la intersección entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural que se conecta.

El elemento de conexión (1) puede insertarse en cualquier estructura de hormigón, tanto creada in situ como prefabricada. El elemento de conexión (1) se dispone en la zona critica del elemento estructural lineal (viga, soporte, pila de puente, etc.) . El resto del elemento estructural lineal puede fabricarse con un hormigón con prestaciones inferiores al de la zona critica, con la finalidad de reducir el coste del elemento estructural, siempre y cuando su capacidad resistente supere los criterios fijados en la normativa correspondiente. La longitud "L" del elemento de conexión (1) variará en función de la calidad de los materiales y de las características mecánicas del resto de la estructura en la que va a insertarse el elemento de conexión (1) de protección contra sismos así como de la ductilidad requerida y de las características de los terremotos representativos de la región.

El elemento de conexión (1) otorga de una gran capacidad de giro a la zona de la estructura en la que se incorpora, con un daño mínimo (fácilmente reparable) y con una capacidad de recentrado de la estructura tras el evento sísmico. Todo esto se logra gracias a la combinación de dos materiales: hormigón de muy altas o ultra altas prestaciones (VHPC o UHPC) (4) y barras longitudinales (2) de aleación con memoria de forma (SMA) y superelasticidad en temperatura ambiente, dispuestas de manera que cruzan la intersección entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural que se conecta (cimentación, muro, tablero, etc.) . Tal y como se puede observar en las figuras, el hormigón VHPC o UHPC solo se utiliza en la zona critica del elemento lineal (viga, soporte, pila, etc.), mientras que el resto del elemento puede fabricarse con hormigón convencional u otro tipo de hormigones. La gran capacidad de giro se consigue gracias a la gran capacidad de deformación de SMA. Esta gran deformación no podría movilizarse sin un hormigón con una gran resistencia y ductilidad. El bajo daño se consigue gracias a que el VHPC o UHPC concentra el daño en una única sección (sección crítica) . Dicha sección crítica se puede situar en cualquier sección de la zona crítica del elemento, incluida la intersección entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural. Por esta razón, es necesario que la barra de SMA cruce dicha intersección. En las figuras 5 y 6 pueden verse dos realizaciones con las barras de SMA cruzando la intersección mencionada. En estados avanzados de carga se produce una gran fisura en la zona sometida a tracción, la cual se une por el SMA. Mientras tanto, en la zona comprimida, debido al alto porcentaje en fibras metálicas y resistencia del hormigón utilizado, el daño es reducido (aunque variable, dependiendo de la junta utilizada) . El bajo coste a lo largo del ciclo de vida de la estructura también es causa directa del bajo daño y de la facilidad de reparación de la estructura tras un sismo de entidad. Por último, el recentrado de la estructura lo provoca el material de tipo SMA, ya que se utiliza SMA superelástico en temperatura ambiente, es decir, capaz de recobrar deformaciones cercanas a cero cuando desaparece la acción sísmica (figura 2a) . Además, el hecho de utilizar un hormigón VHPC o UHPC (4) permite que frente a cargas cíclicas el hormigón no sufra un proceso de degradación (fisuración 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 invención se basa en la combinación del material de tipo SMA con el hormigón de tipo VHPC o UHPC (4) . Por una parte, un material de tipo SMA insertado en un hormigón convencional provocaría que éste se degradara notablemente frente a cargas cíclicas, provocadas por un terremoto. Por lo tanto, no se podría aprovechar la gran capacidad de deformación del SMA siendo la disipación de energía baja, ya que apenas se entraría en el régimen no lineal de estas barras. Por otra parte, utilizar VHPC o UHPC con armaduras convencionales de acero presenta una menor capacidad de giro de la rótula, menor ductilidad, mayor daño y deformaciones residuales, y en consecuencia, un mayor coste de reparación. En ambas soluciones, la condición de no pandeo local de la armadura longitudinal no queda asegurada, lo cual limita la ductilidad y la energía de disipación de la estructura frente a sismos.

En el elemento de conexión (1) se pueden combinar las barras longitudinales (2) de aleación (SMA) con barras de refuerzo de polímeros 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 construcción. En este caso, respecto a la solución de disponer solo barras de SMA, la zona de daño se incrementa, se reduce la capacidad de auto-centrado de la estructura, los costes de reparación son mayores y la estructura muestra una menor energía de disipación. Por todo ello, el comportamiento óptimo desde el punto de vista del auto-centrado (menores desplazamientos residuales), de la reducción de daños, de la mayor energía de disipación y del menor coste de reparación se encuentra cuando se dispone en el elemento de conexión (1) únicamente barras longitudinales (2) de aleación con memoria de forma (SMA) .

Además, en el elemento de conexión (1) se dispondrá 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 hormigón de tipo UHPC o VHPC (4) con alto contenido en fibras de acero da lugar a que la cuantía a disponer de armadura transversal (3) no sea importante, lo que facilita la puesta en obra del hormigón. Esta armadura transversal (3) mejorará el efecto de confinamiento del hormigón dispuesto y en consecuencia su resistencia y ductilidad.

Por tanto, el elemento de conexión (1) de protección contra sismos según una realización preferida de la invención comprende :

- barras longitudinales (2) de aleación con memoria de forma (SMA) y con supérelasticidad en temperatura ambiente, dispuestas de manera que cruzan la intersección entre el elemento de conexión y el nudo u otro elemento estructural que se conecta, estando dichas barras longitudinales (2) combinadas o no con barras de refuerzo de polímeros reforzados con fibras (FRP) o barras pasivas o activas de acero convencional;

- armadura transversal (3) de acero convencional;

- hormigón 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 conexión (1); y

- juntas (6) entre el elemento de conexión (1) y los elementos estructurales.

Tal como se mencionó anteriormente, las barras de aleación con memoria de forma presentan supérelasticidad a temperatura ambiente, lo que significa que pueden recuperar grandes deformaciones cuando desaparece la acción sísmica.

La aleación 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. Más preferiblemente, la aleación con memoria de forma de las barras es Ni-Ti, y aún más preferiblemente es 50% Ni - 50% Ti aproximadamente .

Las características de la aleación con memoria de forma son que presenta superelast icidad a temperatura ambiente, una temperatura de finalización de la transformación austenítica (Af) de aproximadamente entre -100°C y 20°C, un módulo de Young de aproximadamente de 10000 - 240000 MPa, una tensión directa fy de aproximadamente de 150 - 800 MPa y una deformación de transformación H de aproximadamente de 2 - 6%.

El elemento de conexión (1) puede incluir barras fabricadas con otros materiales como barras de polímeros reforzados con fibras (FRP), por ejemplo de fibra de vidrio o de carbono, o armaduras pasivas o activas de acero convencional. Tal y como entenderá el experto en la técnica, las armaduras longitudinales unirán el elemento de conexión (1) con los elementos estructurales, tendrán continuidad en los elementos estructurales y en el elemento de conexión (1) . El experto en la técnica seleccionará la combinación más adecuada de acuerdo con las prestaciones necesarias. Más preferiblemente, si se requiere el mínimo daño, la máxima energía de disipación, la máxima recuperación y el mínimo coste de reparación, el experto dispondrá únicamente barras longitudinales (2) de SMA en el elemento de conexión (1) .

En todo caso, tal y como entenderá el experto en la técnica, se dispondrá armadura transversal (3) de acero convencional requerida para resistir las solicitaciones transversales (por ejemplo, respecto al esfuerzo cortante) en el elemento de conexión (1) de protección contra sismos.

En la figura 2 se muestra la relación tensión - deformación en tracción sometida a una carga cíclica de una barra de aleación de tipo SMA según la presente invención (gráfica superior) y de una barra de acero de armado convencional (gráfica 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 de tensión - deformación anterior son barras de Ni-Ti que presentan una composición de aproximadamente 50% Ni - 50% Ti, superelasticidad a temperatura ambiente, una temperatura de finalización de la transformación austenítica (Af) de aproximadamente -8°C, un módulo de Young de aproximadamente 65000 MPa, una tensión de transformación directa f y de aproximadamente 450 - 500 MPa y una deformación de transformación H de aproximadamente el 4%.

El hormigón empleado en el elemento de conexión (1) según la realización preferida de la presente invención presenta una resistencia muy alta (de entre aproximadamente 100 y aproximadamente 200 MPa, más preferiblemente entre aproximadamente 110 MPa y aproximadamente 140 MPa) y un alto contenido en fibras metálicas (superior al 1%) .

Mediante esta alta resistencia se consigue una alta adherencia con las fibras metálicas. Para conseguir esas resistencias tan altas anteriormente mencionadas, se emplea un alto contenido en cemento y también se utiliza humo de sílice. Además, el hormigón resultante es autocompactante debido a que la granulometría tiene un tamaño máximo del árido bajo.

Con respecto a la nomenclatura empleada, debe tenerse en cuenta que en la bibliografía existente no es homogénea. 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 invención se emplean los términos VHPC y UHPC de manera intercambiable para referirse al hormigón empleado en las realizaciones de la presente invención, con una resistencia de entre 100 MPa y 200 MPa, más preferiblemente de entre 110 y 140 MPa.

Para la fabricación del elemento de conexión (1) según la presente invención resulta necesario fabricar un hormigón con muy altas prestaciones tanto en compresión como en tracción con un alto contenido en fibras de acero. El rango de hormigones que tienen estas prestaciones iría desde los 110 MPa en adelante con un alto contenido en fibras de acero. Se han realizado pruebas con hormigones de una calidad inferior, con fibras de acero en su masa desde 30 MPa hasta 80 MPa dando lugar a resultados insatisfactorios : un daño mayor en la pieza, salto del recubrimiento y pandeo de las barras por pérdida del recubrimiento del hormigón. Se ha descartado en estas pruebas la utilización de un hormigón tipo ECC, por presentar una menor prestación (rigidez, ductilidad, resiliencia y resistencia) respecto a una solución con un hormigón tipo UHPC o VHPC, y porque, de acuerdo con el estado de la técnica, los resultados obtenidos también son insatisfactorios en cuanto al daño producido en la pieza (salto del recubrimiento y pandeo de las barras), lo que implica un mayor coste de la reparación.

En la figura 3 se muestran unas gráficas en las que puede compararse el comportamiento en compresión (gráfica superior) y en tracción (gráfica inferior) de un hormigón convencional (resistencia inferior a 50 MPa) , un hormigón de alta resistencia (entre 50 y 80 MPa) y un hormigón según una realización preferida de la presente invención (resistencia de entre 110 MPa y 140 MPa) . Puede apreciarse una diferencia notable en las prestaciones (resistencia y ductilidad) entre el hormigón de la realización preferida de la invención y los hormigones de la técnica anterior.

En concreto, el hormigón empleado en las pruebas de compresión y tracción anteriores tiene la composición presentada en la siguiente tabla:

Para la fabricación del hormigón empleado en la realización preferida se ha seguido el siguiente procedimiento de preparación del hormigón:

- humedecer una amasadora;

- verter áridos de los más gruesos a los más finos;

- pre-mezclar los componentes anteriores durante un minuto ;

- sin parar la amasadora, añadir agua;

- al alcanzar 2 minutos tras terminar la adición de agua, empezar a verter aditivo a ritmo constante;

- en el minuto 10 tras terminar la adición de agua empezar a añadir fibras, primero las cortas y después las largas ;

- en el minuto 23 tras terminar la adición 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 adición de agua verter el hormigón en los moldes.

Según una realización preferida, la etapa de verter áridos comprende verter los siguientes componentes en el siguiente orden: arena con una granulometría de 0,8 rom, arena con una granulometría de 0,4 rom, cemento y humo de sílice densificado.

Tal y como entenderá el experto en la técnica, los tiempos de espera y de amasado variarán en función del tipo de amasadora, las condiciones climatológicas y el volumen de hormigón 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 conexión (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 mecánicos 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 tracción como en compresión. Según una realización preferida, el conector (5) empleado es un conector roscado en el que la rosca de la barra se realizará en el proceso de fabricación de la misma, con el objetivo de no modificar las características mecánicas de la barra por sobrecalentamiento.

Los grupos de elementos estructurales que se conectan mediante el elemento de conexión (1) según la presente invención pueden seleccionarse del grupo constituido por soporte-cimentación, pila-cimentación, viga-cimentación, viga- soporte, pila-tablero, soporte-muro y viga-muro. Los elementos estructurales que se conectan mediante el elemento de conexión (1) según la presente invención forman parte de los grupos seleccionados en realizaciones tanto de obra civil (por ejemplo, puentes) como en edificación. Además, podrán formar parte tanto de elementos prefabricados como ejecutados in situ. La continuidad entre el elemento de conexión (1) y el elemento estructural (viga, soporte o pila) en donde se dispone el elemento de conexión (1) se materializa con una junta (6) seleccionada del grupo constituido por una junta seca y una junta húmeda. La junta seca consiste en el contacto directo entre hormigones, mientras que la junta húmeda consiste en un puente de unión químico entre hormigones. Tal como entenderá el experto en la técnica, en este caso siempre existirá armadura longitudinal para unir el hormigón del elemento de conexión (1) con el hormigón del elemento estructural .

El puente de unión químico en el caso de la junta húmeda puede realizarse mediante la aplicación, por ejemplo, de resinas de tipo SiKaDur o similares.

Por otro lado, la continuidad en la intersección entre el elemento de conexión (1) y un nudo, cimentación, 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, la sección crítica de daño se produce en la junta, que se abre en la zona sometida a tracción sin ocasionar daños. En cuanto a la parte comprimida, la calidad del hormigón provoca que pueda soportar enormes compresiones, fruto de la elevada posición de la fibra neutra debido al gran giro que se concentra en esa sección. La junta (6) se materializa realizando el hormigonado en dos fases, de tal forma que existe una junta seca en una determinada sección. En ésta se prescinde de la resistencia a tracción que aportan las fibras metálicas del hormigón. Este hecho provoca que la carga máxima alcanzada sea menor que en el caso con junta con continuidad.

En las realizaciones de junta sin continuidad no existe continuidad en tracción pero sí en compresión. Es decir, las fibras de acero no unen la junta (6) de la conexión entre elementos . Una realización especifica del elemento de conexión (1) según la presente invención sin continuidad en la junta es una conexión tipo vainas (8) entre un soporte prefabricado y una cimentación ejecutada in-situ (figuras le y 5) . En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal tanto en la cimentación como en el soporte. En la cimentación se disponen las vainas (8) que servirán para conectar el soporte prefabricado con la cimentación. En la cara inferior del soporte se disponen las barras de SMA conectadas a las barras de acero convencional (7) que habrá que insertar en las vainas (8) de la cimentación. La continuidad de las barras de tipo SMA (2) y de acero convencional (7) queda garantizada por la disposición de los conectores (5), tanto en la conexión con la cimentación como en el soporte prefabricado. Las barras de Ni-Ti cruzan la intersección entre el soporte prefabricado y la cara superior de la cimentación. A continuación, se fabrica por un lado la cimentación, y por otro lado el soporte prefabricado en donde se vierte el hormigón teniendo especial cuidado con la zona critica del soporte en la que se ha situado la barra de Ni-Ti. Por último, se realiza la conexión entre el soporte prefabricado y la cimentación. Para rellenar el hueco que queda entre la vaina (8) y la barra se emplea un mortero expansivo adecuado para anclajes, rellenos y nivelación, por ejemplo de la marca Sika, de tipo Sika Grout o similar. Por otro lado, en la junta (6) puede colocarse un puente de unión de tipo SiKaDur o similar.

Otro ejemplo de conexión sin continuidad en la junta (6) es una conexión de un soporte híbrido con una viga en un nudo sin continuidad. En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal del soporte inferior. La continuidad de las barras SMA (2) y de acero convencional (7) se garantiza por la disposición de conectores (5) . Las barras de Ni-Ti cruzan la intersección. A continuación, se realiza el encofrado del soporte, previo a la construcción del elemento de conexión (1) (vertido de hormigón de tipo UHPC de forma independiente al resto del elemento en el soporte inferior) se vierte en el resto del soporte inferior un hormigón con prestaciones inferiores (por ejemplo con una resistencia de 80 MPa) . En la junta (6) entre ambos hormigones del soporte (H80- UHPC) se dispone un puente de unión de tipo SikaDur o similar. Por último, se vierte hormigón 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) de la intersección entre el soporte híbrido y el nudo no se dispone de ningún puente de unión.

Por otro lado, en las conexiones con continuidad en la junta (6), la zona de daño es mayor (la sección crítica puede producirse a lo largo de la zona crítica) ya que se produce una fisura a costa de romper el hormigón a tracción, por lo que los daños son mayores que en el caso de sin continuidad de la junta (6), en el que ya se había preformado la sección de fisuración de forma controlada. El daño a compresión también resulta ligeramente mayor al ser una sección de rotura irregular provocada por el daño en tracción. Sin embargo, la carga máxima soportada en este caso es mayor.

Este tipo de solución confiere continuidad tanto en tracción como en compresión de la junta (6) . Es decir, las fibras de acero unen la junta (6) de la intersección entre elementos estructurales. Una realización específica del elemento de conexión (1) según la presente invención con continuidad en la junta (6) es una conexión tipo cáliz (9) entre un soporte prefabricado y una cimentación ejecutada in situ (figuras Id y 6) . En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal, tanto en el soporte prefabricado como en la cimentación. La continuidad de las barras SMA (2) y de acero convencional (7) se garantiza por la disposición de conectores (5) dispuestos en el soporte prefabricado. Por un lado, se fabrica la cimentación. En la cimentación se dispone un cajeado con la misma forma que el soporte y que servirá para insertar el soporte en la cimentación. Por otro lado, se vierte el hormigón en el 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 cimentación, una vez se haya colocado el soporte. Esta cara define la intersección entre la cimentación y el soporte prefabricado. Por último, se realiza la conexión entre el soporte y la cimentación (colocación y relleno del hueco mediante mortero expansivo de tipo Sika Grout o similar) .

Otro ejemplo de conexión con continuidad en la junta (6) es una conexión entre un soporte híbrido y una viga en un nudo con continuidad. En este caso, en primer lugar se monta la armadura longitudinal y transversal en el soporte inferior. La continuidad de las barras SMA (2) y de acero convencional (7) se garantiza por la disposición de conectores (5) . Las barras de Ni-Ti cruzan la intersección. A continuación, se realiza el encofrado del soporte y la fabricación de la parte del soporte inferior con un hormigón con prestaciones inferiores (por ejemplo, una resistencia de 80 MPa) . Una vez fraguado el hormigón de 80 MPa, se vierte el hormigón de tipo UHPC según la presente invención en la zona de conexión. Previamente, en la junta (6) entre ambos hormigones del soporte (H80-UHPC) se dispone un puente de unión tipo SikaDur o similar. A continuación, se vierte el hormigón en el resto de la estructura (nudo, viga y soporte superior) . En este caso, este hormigón se vierte después de verter el hormigón del elemento de conexión (1) según la presente invención, dando lugar a la continuidad a tracción mediante las fibras de acero.

Se han obtenido experimentalmente de un ensayo las derivas producidas al aplicar una carga lateral cíclica sobre un elemento de conexión (1) según la presente invención de acuerdo con la realización preferida, hormigón tipo UHPC de 121 MPa de resistencia a compresión y barras SMA con las características preferidas, así como sobre un elemento estructural convencional, de hormigón convencional de 34 MPa de resistencia a compresión y barras de acero B500SD. En la figura 4 se muestran los resultados obtenidos en dichos ensayos (gráfica superior: elemento de conexión según la invención, gráfica inferior: elemento estructural convencional) . Puede apreciarse que las derivas máximas obtenidas con el elemento de conexión (1) según la presente invención son el doble que las obtenidas con el elemento estructural convencional.

También ha podido constatarse que el nivel de daño en el hormigón del elemento de conexión (1) según la presente invención tras un evento sísmico es muy reducido, y que una simple reparación permite recobrar la misma capacidad de resistencia y ductilidad. En concreto, tras reparar el elemento de conexión (1) según la presente invención volvió a realizarse un ensayo de derivas frente a cargas cíclicas, alcanzándose un 95% de la deriva máxima inicial y manteniendo la misma capacidad de resistencia y deriva residual.

La deriva residual tras un evento sísmico en el elemento de conexión (1) según la presente invención es de aproximadamente el 15% de la deriva máxima, mientras que con los elementos estructurales convencionales es de aproximadamente el 80% de la deriva máxima.

Una ventaja adicional de la invención es que los procedimientos de fabricación son sustancialmente similares a los habituales, por lo tanto puede aplicarse en cualquier construcción, prefabricada o in situ, en obra civil o edificación, y con cualquier mano de obra.

Algunas ventajas proporcionadas por la presente invención se resumen en la siguiente tabla, que presenta algunas características del elemento de conexión (1) según la presente invención en comparación con algunas soluciones conocidas protección contra sismos:

Parámetro InvenSolu ¬ Aisla ¬ Tirantes ción ción dores rigidiza- convendores cional

E ecu- Procedimientos Si Si No Si ción constructivos

habituales

Mano de obra No No Si No especializada

Posible Si Si No No ejecución de la

solución en la

misma obra

Econó ¬ Coste económico Si Si No Si mica Economiza la Si No Si Si estructura en

su ciclo de

vida

Daños Grado alto de No Si No Si tras el daño

sismo Coste de Baj o Alto Alto Alto reparación ante

un mismo sismo

Derivas Capacidad de Si No No No resi ¬ auto-recentrado

duales de la

estructura tras

el sismo

Capaci ¬ Alta ductilidad Si No No No dad de en las rótulas

giro plásticas formadas

Aplica- Estructuras ίη Si Si Si Si bilidad situ

Estructuras Si No Si Si prefabricadas

Invasi- Repercute en el No No No Si bilidad diseño de

fachadas

Propensión a No No No Si

eliminar

espacio útil

Solución convencional: la ductilidad se consigue mediante exigencias de cuantía de armadura longitudinal y mayores disposiciones de armadura transversal en las zonas de encuentro, lo que dificulta la puesta en obra y aumenta los costes. La disipación de energía se genera en gran medida a costa de plastificación de las armaduras de acero y rotura del hormigón, lo que obliga en un futuro a costosas reparaciones o directamente conduce a la demolición y nueva construcción, y a posibles interrupciones de funcionamiento. Se aplica a sistemas de pórticos o duales equivalentes a pórticos.

- Aisladores de la cimentación: solución similar a la propuesta por la presente invención, pero que aporta menos rigidez a la estructura, genera movimientos más violentos para el usuario y obliga a mayores labores de mantenimiento y limpieza e inspecciones periódicas.

- Tirantes rigidizadores (cruces de San Andrés) : obliga a la construcción de nuevos elementos, cuya posición óptima se da en la zona exterior del edificio. Esto limita la visión hacia el exterior así como la estética del edificio. Si se posicionan en el interior, también coarta los espacios interiores .

Aunque se ha descrito la presente invención con referencia a realizaciones preferidas de la misma, el experto en la técnica podrá concebir cambios y modificaciones sin por ello apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.