CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el campo de la arquitectura, la ingeniería y la construcción de edificaciones. En particular, la presente invención se relaciona con estructuras modulares transportables que pueden ser usadas para brindar servicios básicos de vivienda. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Posterior a la ocurrencia de situaciones de emergencia en las cuales las personas deben abandonar sus lugares de residencia, se hace especialmente necesario proveer a los damnificados con estructuras que proporcionen servicios básicos de vivienda (protección, resguardo, un lugar para dormir, uno para cocinar y servicios sanitarios).

En relación con estructuras de resguardo temporales, en el estado de la técnica se encuentra que, debido a su poco peso, fácil uso y construcción normalmente son usadas tiendas de campaña que comprenden estructuras construidas a partir de miembros tubulares interconectables por medio de accesorios conectores y materiales livianos e impermeables que cubren dicha estructura.

Entre este tipo de estructuras se encuentra, por ejemplo, la enseñada por el documento de patente US4558713 que se relaciona con una estructura para un albergue temporal fácil de instalar y transportar. Sin embargo, a pesar de que este tipo de estructuras son livianas, reutilizables y de sencilla acomodación, dado que están diseñadas para usos por periodos cortos de tiempo, estas no son suficientemente resistentes a condiciones ambientales adversas como fuertes vientos o sismos. i Por otra parte, otro tipo de estructuras más resistentes han sido propuestas en la técnica; por ejemplo, la divulgada por el documento de patente US6250021 que enseña un refugio temporal o semipermanente que se puede construir a partir de componentes planos plegados. No obstante, este tipo de estructuras son mucho más pesadas, dificultando su transporte. Adicionalmente estas estructuras son complejas de instalar, ya que comprenden una pluralidad de componentes estructurales que requieren una configuración estructural particular para su ensamblaje al igual que herramientas especializadas.

De manera precisa, a pesar de que este tipo de edificaciones son de uso temporal, aun se requiere un gran esfuerzo en cuanto a tiempo y mano de obra calificada para su construcción.

Por lo tanto, en la actualidad se requieren estructuras modulares transportables que permitan la construcción de edificaciones que puedan ser usadas para brindar servicios básicos de vivienda, en donde dichas estructuras sean rápidas y fáciles de instalar, livianas, reutilizables y a su vez resistentes estructuralmente para soportar condiciones ambientales tales como fuertes vientos y sismos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La estructura aquí revelada es una estructura modular transportable de elementos prefabricados para la construcción de edificaciones que comprende una pluralidad de columnas, vigas, viguetas y piezas de acople que están configuradas de manera tal que es posible construir edificaciones altamente resistentes de una manera sencilla. La estructura modular transportable desarrollada contempla la unión entre los elementos que la componen, en donde las vigas y las viguetas están conectadas por una o más conexiones viga-vigueta, en donde dicha conexión comprende una pluralidad de placas de conexión. Por su parte, las vigas están conectadas a las columnas mediante piezas de acople; en donde dichas piezas de acople comprenden su vez placas de unión a columna, cavidades de soporte de la viga, bases de soporte de viga, pestañas laterales y una o más secciones verticales de unión de elementos adicionales.

De esta manera, la presente invención resuelve la necesidad de proporcionar una estructura modular transportable que puede ser usada para brindar servicios básicos de vivienda, en donde dicha estructura es rápida y fácil de instalar, liviana, reutilizable y a su vez resistente estructuralmente para soportar condiciones ambientales tales como fuertes vientos y sismos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una vista general en perspectiva de la estructura modular completa, de acuerdo con la presente invención.

La figura 2 enseña una conexión viga-vigueta (5) de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención. La figura 3 corresponde a una representación de una pieza de acople (4) de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

La figura 4 representa las secciones estructurales que constituyen el acople (4).

La figura 5 representa una conexión viga-viga (7) de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

La figura 6 muestra la estructura interna de una columna (1), viga (2) o vigueta (3) de acuerdo con una posible realización de la invención.

La figura 7 corresponde a curvas de resistencias nominales por diámetros de perno para lámina de 15 mm de espesor con 16 orificios pasantes. Las figuras 8 a 12 corresponden a curvas de carga vs desplazamiento en los diferentes ciclos de los acoples evaluados en una de las modalidades preferidas de la invención.

La figura 13 resume la carga máxima resistida a tensión por cada uno de los acoples evaluados de acuerdo con una modalidad preferida de la invención.

La figura 14 resume la carga máxima resistida a compresión por cada uno de los acoples evaluados de acuerdo con una modalidad preferida de la invención.

La figura 15 ilustra la energía disipada Vs el desplazamiento por cada uno de los acoples evaluados en una modalidad preferida de la invención.

La figura 16 resume las curvas esfuerzo vs deformación unitaria de probetas a 90°.

La figura 17 muestra una falla obtenida en condiciones de laboratorio en uno de los acoples evaluados en una modalidad preferida de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Tal como lo muestra la figura 1 , la invención se refiere a una estructura modular transportable de elementos prefabricados para la construcción rápida y fácil de edificaciones livianas y resistentes estructuralmente. Tal estructura modular soporta fuerzas externas provocadas, por ejemplo, por fuertes vientos hasta de 80 Km/h, generando una carga de 0,4 kN/m ² , y sismos con fuerzas cercanas al 80% de la aceleración de la gravedad, lo que corresponde a sismos de gran demanda mecánica en la estructura.

La estructura modular transportable comprende una pluralidad de columnas (1) que se extienden verticalmente, vigas (2) laterales que se extienden longitudinalmente, viguetas (3) transversales que se extienden lateralmente y piezas de acople (4). En una modalidad preferida, las viguetas (3) transversales están conectadas a las vigas (2) en un nivel próximo al extremo de dichas viguetas (3) por medio de una o más conexiones viga-vigueta (5). De manera preferida, y como se muestra en la figura 2, la conexión viga- vigueta (5) en la estructura de la invención comprende una pluralidad de placas de conexión (6) dispuestas paralelamente sobre una o más superficies laterales de las viguetas (3) y en donde las placas de conexión (6) están unidas a una viga (2).

Según una realización de la invención, las vigas (2) laterales están conectadas a las columnas (1) en un nivel próximo al extremo de dichas vigas (2) por medio de una o más piezas de acople (4), tal y como se enseña en la figura 1. En particular, dichas piezas de acople (4) permiten asegurar la columna (1) y las vigas para evitar su desplazamiento. De una manera preferida, cada una de dichas piezas de acople (4) permiten asegurar la columna (1) y las vigas (2) para evitar su desplazamiento.

En una modalidad cada pieza de acople (4) comprende: placas de unión a columna (11) que rodean la columna (1 ) en un extremo de la misma; una o más cavidades de soporte de la viga (14) formadas por pestañas laterales (12) y una o más bases de soporte de viga (13); en donde las pestañas laterales (12) se proyectan longitudinalmente desde las placas de unión a columna (11) y la base de soporte de viga (13) se extiende desde la superficie de las placas de unión a columna (11) de forma sustancialmente perpendicular a las pestañas laterales (12), intersecándose con dichas pestañas laterales (12) y una o más secciones verticales de unión de elementos adicionales (15), de acuerdo a lo enseñado en la figura 3.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, mostrada en la figura 4, el acople comprende adicionalmente una zona de distribución de esfuerzos (16) que brinda mayor refuerzo estructural al soporte de viga (13). De forma más preferida, dicha zona de distribución de esfuerzos (16) es de forma trapezoidal.

En una realización preferida las secciones verticales de unión de elementos adicionales (15) pueden estar unidas, dependiendo de su ubicación, a por ejemplo otra columna, para formar construcciones de más de un nivel. De manera más particular, las secciones verticales de unión de elementos adicionales (15) pueden estar unidas a elementos estructurales de soporte como bases o elementos estructurales como techos, lo que permite la construcción completa de la estructura.

Según una realización de la invención, una o más vigas (2) se conectan entre sí por medio de al menos una conexión viga-viga (7), como se representa en la figura 5.

De acuerdo con la invención, las piezas de acople (4) comprenden una pluralidad de orificios pasantes para asegurar la columna (1) y una o más vigas (2).

Cualquier distancia vertical entre cualquier orificio pasante y cualquier borde es de al menos alrededor de 1/6 de la altura de la pestaña.

En otra modalidad preferida la distancia longitudinal entre los orificios pasantes de las pestañas (12) y el extremo de dichas pestañas (12) es de al menos 1/6 de la longitud de dicha pestaña.

En otra realización preferida la distancia vertical entre los orificios pasantes del acople (4) es al menos alrededor de 1/6 de la altura de dicha pestaña.

En otra modalidad la distancia longitudinal entre los orificios pasantes del acople es de al menos al rededor 1/3 de la longitud de dicha pestaña (12).

Como se muestra en la figura 6, en una modalidad de la invención las columnas (1), vigas (2) y viguetas (3) son huecas. De acuerdo con una posible realización de la invención dichas columnas (1), vigas (2) y viguetas (3) comprenden placas estructurales (111) y uno o más soportes estructurales internos (112) que mejoran su resistencia.

Por su parte, de acuerdo con realizaciones preferidas de la invención, las columnas (1), vigas (2), viguetas (3), piezas de acople (4) y conexión viga-viga (6) pueden ser del mismo material. De manera más preferida, el material de dichas las columnas (1), vigas (2), viguetas (3), piezas de acople (4) y conexión viga-viga (6), puede ser: madera, madera aglomerada, plástico, plástico aglomerado, o similares. Más preferiblemente, el material es un material reciclado. Según una modalidad preferida de la invención el material reciclado es polialuminio, más particularmente, polialuminio termoendurecido. De manera ventajosa, cuando la estructura es construida con polialuminio endurecido, el material evoluciona en el tiempo respecto a la carga ejercida, degradándose de manera controlada después de generar un máximo en ciclos posteriores a los primeros ciclos de carga, siguiendo protocolos similares al de la calificación de conexiones en acero. Así pues, antes de que la estructura colapse, la tipología de las fallas en el acople permite anticipar posibles riesgos estructurales de la construcción.

De manera favorable, la presente invención proporciona una estructura modular que puede ser desmontable en componentes fáciles de transportar a un sitio deseado.

En un aspecto adicional, la estructura aquí divulgada tiene la capacidad de resistir cargas muertas de al menos 200 kgf/m ² , cargas vivas de al menos 180 kgf/m ² y máxima aceleración horizontal de al menos 0,8g y sus posibles combinaciones de acción. De manera particular, las piezas de acople (4) son capaces de soportar sustancialmente altos niveles de esfuerzo. Así, de acuerdo con una modalidad preferida de la invención y de manera sorprendente, la tipología de la falla del acople permite anticipar posibles riesgos estructurales antes de que la estructura colapse.

EJEMPLOS

Los siguientes ejemplos ilustran la presente invención. Sin embargo, debe entenderse que éstos no son limitativos, de acuerdo con el conocimiento de una persona medianamente versada en la materia. En una modalidad preferida de la invención se fabricó y evaluó una estructura modular transportable de elementos prefabricados para la construcción de edificaciones, en donde se usó como material láminas de polialuminio termoendurecido de acuerdo con una de las modalidades preferidas de la presente invención.

Para evaluar la resistencia de la construcción se usó como referencia los valores establecidos por el reglamento colombiano de construcción sismo resistente (NRS-10) que establece 200Kgf/m ² para carga muerta, 180 Kgf/m ² carga viva y 0,8 g de máxima aceleración horizontal como esfuerzos mínimos que debe soportar una construcción para ser considerada como sismorresistente.

Para realizar las pruebas técnicas, se evaluaron los siguientes tipos de esfuerzos: desgarramiento, elasticidad, bloque cortante y ruptura. Encontrándose que el acople, al ser sometido a esta condición de esfuerzos, fallaría primero por elasticidad en la mayoría de los casos. Con base en estos resultados, se evaluaron diferentes espesores de las láminas de polialuminio termoendurecido, cantidad y tipos de pernos, escogiéndose acoples elaborados con láminas de 15 mm de espesor y 16 orificios pasantes con pernos de 5/8” porque la capacidad disponible que gobierna la capacidad de conexión (Rn) obtenida es mayor al cortante máximo obtenido de las combinaciones de cargas muerta, viva, sísmica y viento, y al momento accidental del acople viga-columna. Los resultados de este ensayo se representan en la figura 7, que muestra el comportamiento del ovalamiento (elasticidad) según el espesor de la lámina, numero de perforaciones y diámetro del perno.

Carga vs desplazamiento

Para determinar la energía disipada por los acoples se preparó un montaje experimental en el cual se probaron 5 piezas de acople, en donde cada pieza de acople comprendía 16 orificios pasantes ubicados entre las perforaciones superiores y las perforaciones inferiores. En este protocolo se tuvo en cuenta el número de ciclos, el tiempo de un ciclo y la frecuencia del ensayo, de acuerdo con la tabla 1. Se realizaron un total de 18 pasos, en donde cada 5 ciclos se completaba 1 paso, hasta llegar a 90 ciclos.

TABLA 1 : Protocolo de carga Número de ciclos 5

Tiempo de 1 ciclo (s) i 0

Frecuencia (Hz) 0.1

Finalizados los ensayos, se realizaron las gráficas de carga vs desplazamiento (figuras 8 a 12), notándose que en cada uno de los acoples tanto en compresión como en tensión sucede primero una etapa en la que existe acomodación temprana debido a los primeros ciclos de desplazamiento. Posteriormente ocurre una segunda etapa donde la conexión se comporta linealmente y por último ocurre una tercera etapa representada por la caída en la capacidad de la carga y un aumento considerable en el desplazamiento, que da por resultado de mecanismos de falla de la conexión estructural.

Este comportamiento demuestra que los acoples tal y como fueron diseñados, tienen una capacidad que evoluciona en el tiempo, degradándose de manera controlada. Adicionalmente, el comportamiento mecánico similar tanto a compresión como a tensión sugiere que la aplicación estructural del material es repetitiva cíclicamente y sugiere capacidad del diseño y material para funcionar como acople resistente.

De manera similar, y al analizar las cargas máximas resistidas por tensión y compresión (figuras 13 y 14), se evidencia que la media de las cargas resistidas por las piezas de acople a tensión fue de 77,02 kN con una desviación estándar de 6,81 kN y coeficiente de variación de 8,84%. Así mismo, la media de las cargas resistidas por las piezas de acople a compresión fue de 52,27 kN con una desviación estándar de 5,68 kN y coeficiente de variación de 10,87%. Si se comparara esta capacidad con la demanda máxima que se estima del análisis estructural, respecto de las cargas de diseño del sistema estructural (fuerzas a cortante máximas de 17.2kN), se puede ver que la capacidad suministrada por el material es muy superior, aún si se tuviera en cuenta las menores capacidades registradas en la conexión con el coeficiente de variación del 10%, que es bajo para materiales que pueden tener grandes variaciones debido a la naturaleza del material que se usa.

Se gráfico la energía disipada vs desplazamiento (figura 15) correspondiente a cada una de las piezas de acople ensayadas. La energía disipada se obtuvo para cada ciclo como el área bajo la curva de la gráfica de carga vs desplazamiento. Al respecto se pudo observar que la energía disipada por las piezas de acople oscila entre 100 Julios y 240 Julios para desplazamientos entre 6 mm y 9 mm, con una desviación estándar de 49,72 Julios y de 0,74 mm respectivamente. Deformaciones unitarias medidas

Estas deformaciones unitarias describieron la tensión y compresión del material al ser sometido a carga cíclica siendo la deformación unitaria vertical la que mejor caracterizó al material por estar en el mismo sentido en el que la carga fue aplicada. La media de los valores de deformación unitaria vertical para las 5 piezas de acople fue de 0,0029 mm/mm y la media de los valores de deformación unitaria horizontal para las 5 piezas de acople fue de 0,0018 mm/mm. Lo anterior, como puede verse en la figura 16, cuando es comparado con la capacidad más baja ofrecida por el material, la cual ocurre cuando los esfuerzos se aplican perpendiculares a la dirección de corte y termo-formado (90°), indica que la falla ocurre en una zona de pseudo-elasticidad (posterior a la elasticidad), pero lejana a los valores de ruptura máximos del material, brindando un factor de seguridad a la falla absoluta del material. En otras palabras, la falla ocurre por mecanismos y deformaciones unitarias lejanas de la separación del material. Tipología de falla

Por último, se realizó registro fotográfico de los ensayos durante el montaje experimental y después del ensayo para así determinar la tipología de falla.

La primera falla observada fue el ovalamiento (figura 17) en las perforaciones superiores de las piezas de acople debido al movimiento de los pernos durante la aplicación de carga cíclica.

Luego de ocurrido el ovalamiento (elasticidad), en la pieza de acople, se presentó fisuras asociadas a tensión desde la esquina de la parte superior de esta, haciendo el recorrido hasta las perforaciones inferiores hasta obtener la falla por tensión del material. Con relación a este ensayo y los previos, es posible pues concluir que los acoples además de ser altamente resistentes a fuerzas mecánicas muestran posibles fallas estructurales antes de que la estructura tenga riesgos de colapso.