Los investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) de la Universitat Politècnica de València (UPV) José Luis Bonet Senach, Javier Pereiro Barceló y Alberto Navarro Gómez hemos desarrollado un nuevo elemento constructivo, el Smart Seismic Concrete Connection, que permite a los edificios recuperar su forma original tras sufrir un terremoto.
Edificio residencial tras el terremoto de Taiwán de 2016. Fuente: WIKIPEDIA.
En este post os contamos en qué consiste, y compartiremos con vosotros algunos resultados experimentales, fotos y vídeos de los elementos ensayados en laboratorio.
El problema
A diferencia de lo que hacemos frente a otras acciones, cuando diseñamos estructuras frente a terremotos normalmente no las dimensionamos para que resistan el valor total de las fuerzas que podrían llegar a causar. Calcular las estructuras para que resistieran en régimen lineal frente a un eventual seísmo sería antieconómico. Por ello, las normativas sismorresistentes actuales nos permiten reducir el valor de esas fuerzas teóricas a través de dotar a los miembros de ductilidad, es decir, capacidad de deformarse sin producir mecanismos de fallo frágiles. Aprovechar esta ductilidad permite a las estructuras absorber grandes cantidades de energía y evitar el riesgo de colapso en los terremotos más severos.
Sin embargo, esto no sale gratis. En construcciones de hormigón, esta disipación de energía se logra a través de plastificaciones en las armaduras de acero, fisuras y roturas en el hormigón, salto del recubrimiento, etc. Esto significa que en las normas sismorresistentes actuales existe un trade-off entre seguridad y daños: evitamos que las estructuras colapsen, pero asumimos un cierto de nivel de deformaciones residuales sobre las mismas que obligarán a reparaciones o demoliciones posteriores. Entonces nos preguntamos: ¿es posible conseguir un material capaz de “plastificar” para absorber los movimientos del terremoto pero que a su vez tenga bajas deformaciones residuales?
Daños en pasos superiores tras el terremoto de Northridge (1994). Fuente: M. Celebi, US Geological Survey; FEMA News
Daños en edificaciones tras el terremoto de Lomaprieta (1989). Fuente: J.K. Nakata, US Geological Survey
La solución
El dispositivo de conexión Smart Seismic Concrete Connection (SSCC) está compuesto por dos materiales que actúan simbióticamente frente a un terremoto. En primer lugar, unas barras de aleaciones con memoria de forma (SMA) que pueden desarrollar la llamada superelasticidad, que es la capacidad de estos metales de recuperar su forma tras estirarse o doblarse, algo que no pueden hacer las armaduras de acero de las estructuras de hormigón. En la siguiente figura se aporta un ejemplo de carga cíclica de barras de acero y de SMA para ilustrar la gran diferencia de comportamiento entre en cuanto a deformaciones residuales.
Comportamiento tensión-deformación de barras de SMA superelástico vs barras corrugadas convencionales B550SD
Otras propiedades que hacen conveniente el uso de SMA en construcciones en zona sísmica son:
- Capacidad de disipación de energía: el SMA tiene una capacidad de disipación de energía similar a la del acero, originada a lo largo de los ciclos histeréticos que se producen en las barras durante el terremoto.
- Capacidad de amortiguamiento de impactos: en caso de cargas de impacto como son los movimientos bruscos que impone un terremoto, los SMA responden con una gran inercia, ya que absorben una parte de la energía de impacto en forma de calor. Esto contribuye a disminuir las aceleraciones de planta, y por tanto los daños sobre equipos, mobiliario, etc.
- Rigidez de emergencia: en caso de grandes deformaciones, las barras de SMA, tras aparentemente plastificar, aumentan de nuevo su rigidez, limitando de nuevo las deformaciones.
- Corrosión: al contrario que las armaduras de acero, estas barras de SMA no sufren corrosión.
A estas alturas os estaréis preguntando por qué no hemos oído hablar más del SMA en construcción sismorresistente. Pues bien, además de por ser un material de caracterización mecánica compleja, no ha sido hasta tiempo reciente que se han podido producir barras de SMA de los diámetros habituales en construcción a un coste competitivo. Esto ha sido gracias a la cada vez mayor atención que recibe desde diversos sectores, incluido el de la construcción.
El segundo elemento clave para la solución es un hormigón de muy altas prestaciones, conocido como VHPC. Las altas deformaciones que sufren las barras de SMA serían imposibles de conseguir si el hormigón que lo envuelve no fuera capaz de acompañarle, cosa que el hormigón convencional no puede hacer. Sin embargo, el VHPC sí es capaz ya que se trata de un hormigón muy dúctil que además resiste cuatro veces más que el hormigón convencional.
Comportamiento tensión-deformación a compresión del hormigón convencional vs VHPC
Comportamiento tensión-deformación a tracción del hormigón convencional vs VHPC
El hecho de que se hable de un hormigón de “muy altas prestaciones” y no simplemente de un hormigón de “muy alta resistencia” proviene de su comportamiento totalmente diferente al hormigón convencional, tanto en tracción como en compresión. En la parte de compresión, en el VHPC no se produce una caída brusca de la resistencia a compresión como sería el caso de un hormigón normal. En la parte de tracción, aparte de mostrar una mayor resistencia a tracción, una vez alcanzada ésta no se produce la formación de una única fisura como en el hormigón convencional. Por el contrario, se genera un fenómeno de microfisuración distribuida que tiene como resultado un efecto strain-hardening en el que la resistencia a tracción aumenta paulatinamente antes de que se genere la localización de la fisuración. Todo ello significa una reducción de los daños ya no se concentran tanto como en el hormigón normal, ni en el tiempo ni en el espacio.
Posicionamiento del elemento
Una de las novedades principales del Smart Seismic Concrete Connection es que, a diferencia de otros sistemas antisísmicos —como los aislamientos de base o los amortiguadores de masa—, no implica la adición de elementos adicionales a la estructura que supongan necesidades de espacio, inspección o mantenimiento. El elemento se integra perfectamente en la estructura, simplemente sustituyendo el hormigón y armaduras convencionales por VHPC y barras de SMA en las zonas más susceptibles de producirse daños. En el caso de puentes en las zonas de unión pila-cimentación y pila-tablero, y en edificación en soportes de planta baja y en las uniones viga-soporte.
Zonas modificadas con SSCC en el caso de un edificio de 6 plantas
Los resultados
Hemos realizado en el ICITECH ensayos experimentales sobre elementos unión viga-soporte y soporte-cimentación para evaluar la efectividad del Smart Seismic Concrete Connection en la mitigación de daños frente a cargas cíclicas. Los resultados experimentales han arrojado una reducción de las derivas residuales de hasta un 86% respecto al elemento construido con materiales convencionales, además de aumentos de la carga y deriva máximas de un 250% y 66% respectivamente.
Resultados experimentales de un elemento soporte-cimentación, modificado con SSCC (arriba) y convencional (abajo)
Asimismo, los elementos modificados mediante Smart Seismic Concrete Connection también mostraron menores niveles de daño en la zona de rótula plástica, fácilmente reparables.
Estado final tras ensayar elemento soporte-cimentación convencional (arriba) y modificado con SSCC (abajo)
Tras el estudio a nivel elemento, el siguiente hito ha sido pasar a nivel estructura. Mediante simulaciones numéricas en régimen no-lineal de edificios sometidos a un conjunto de terremotos históricos, se ha comprobado la capacidad de los diseños modificados con el Smart Seismic Concrete Connection de reducir las derivas máximas residuales entre plantas en un 90%. Además se incrementa el periodo fundamental de la estructura, reduciendo las acciones sísmicas que nos proporciona el espectro de respuesta en la mayor parte de los casos, y se incrementa el valor del factor de comportamiento, lo que supondría reducir aún más los esfuerzos de diseño.
En conclusión, esta reducción de los daños supondrá un ahorro de costes muy significativo a lo largo del ciclo de vida para estructuras construidas en zonas sísmicas, gracias a la reducción de las pérdidas económicas y al mantenimiento de su nivel de operación normal en caso de terremoto.
VÍDEOS DE LOS ENSAYOS:
Ensayo de Unión Soporte Cimentación Tipo Cáliz ICITECH UPV:
Unión Soporte Cimentación Tipo Vainas ICITECH UPV:
Unión Soporte Viga ICITECH UPV:
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