Smart Seismic Concrete Connection: un elemento que permite a los edificios recuperar su forma tras un terremoto

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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Alberto Navarro Gómez

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Investigador en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón ICITECH-UPV Investigo sobre Materiales Inteligentes e Ingeniería Sísmica Apasionado de las Estructuras Colaborador invitado en Estructurando.net

8 Responses to Smart Seismic Concrete Connection: un elemento que permite a los edificios recuperar su forma tras un terremoto

  1. Miguel dice:

    Gracias, buen artículo, buen trabajo, enhorabuena. Comentarios constructivos Ing. Navarro, Sigo sin entender como pretenden solucionar el problema de las grandes deformaciones de este sistema, que, si o si, va a dañar elementos no estructurales (muros de mampostería, descuadres en marcos, caídas de petos, desajustes en instalaciones hidráulicas, de gas) y que se ha demostrado son las principales causas de daño a personas y bienes.

    Es decir, OK, este sistema recupera su forma, tiene la misma capacidad de disipar energía, OK, no hay que reparar nudos por formación de rótulas por flexión, OK. Pero es que el problema es que los elementos no estructurales no pueden acompañar esos niveles de deformación … , por ello utilizamos aca aislamiento de base, TMD o localizamos el daño en puntos concretos de la estructura sin afectar a toda a ella.

    Otra pregunta es ¿ Como es el comportamiento a corte de este sistema ?, me refiero a los trastazos que le pegan muros de mampostería a las columnas en las esquinas antes de romper tales muros o lo que ocurre en los pilares cortos.

    Tampoco entiendo como una ventaja eso de que aumenta el periodo fundamental de la estructura, ya que si la estructura es rígida (viviendas 1- 3 alturas) lo mismo nos vamos a la meseta del espectro …

    ¿Cuanto es el coste, mano de obra y medios auxiliares inclusive, en Europa, de un sistema como el propuesto ? Me vale por UD. de nudo interior columna XxX-trabe XxX o por m3.

    Gracias de nuevo y a seguir innovando.

    • Alberto Navarro Gómez dice:

      Estimado Miguel,

      Muchas gracias por sus comentarios, creo que son muy acertados. Paso a responder sus preguntas.

      Como bien dice, los daños a los elementos no estructurales son una parte muy problemática en construcciones en zona sísmica, tanto por las pérdidas económicas como por la seguridad de las personas. Para prestarles la suficiente atención, hemos cuantificado tanto los daños estructurales como los daños no estructurales mediante las curvas de vulnerabilidad de diseños con SSCC y con materiales convencionales, y ambos se reducen para un conjunto suficientemente amplio de sismos reales. Ello es gracias a la mayor rigidez del VHPC respecto al hormigón convencional, entre otras cosas, lo que limita las derivas máximas. El hecho de que el hormigón VHPC y el SMA tengan una gran capacidad de deformación no significa que tenga que recurrirse a ella en todos los casos. Además, el SMA recupera su rigidez para grandes deformaciones (cosa que no hace el acero), lo que constituye una salvaguarda en caso de terremotos muy severos.

      Que dispongamos el SSCC en los pilares de la planta baja está buscando precisamente generar un mecanismo similar al de un aislamiento de base como el que comenta. La diferencia estriba en que no estamos introduciendo un elemento nuevo al sistema estructural (con sus necesidades de inspección, mantenimiento, etc.), sino que se integra dentro del mismo. Otra diferencia es que los sistemas de aislamiento de base pueden provocar grandes aceleraciones de planta, lo que puede dañar mobiliario o equipos. Estos daños se reducirían gracias a la gran inercia proporcionada por el SMA. De hecho, el origen del primer SMA comercial (desarrollado por el US Naval Ordnance Laboratory) fue para mitigar los impactos causados por el retroceso de los cañones de buques de la marina estadounidense.

      Respecto al periodo fundamental, totalmente de acuerdo. En estructuras rígidas aumentarlo no supondría una ventaja. Pero en la mayor parte de los casos nos encontramos en zona de velocidad/desplazamiento constante del espectro de respuesta, y de ahí el inciso del artículo. Por supuesto, la modificación de un diseño con el SSCC debe hacerse en aquellos casos en que resulte pertinente según las características sismológicas de la zona y las de la tipología constructiva.

      A cortante trabaja sobradamente bien, gracias nuevamente a las propiedades mecánicas superiores del VHPC (resistencia superior, reforzado con fibras de acero, etc.).

      Las cosas del comer, por privado si le parece bien.

      Espero con esto haber resuelto las dudas que tenía.

      Muchas gracias por sus apreciaciones y reciba un cordial saludo.

  2. Miguel dice:

    Gracias por lo detalles.

  3. David dice:

    Hola, excelente artículo y muchas gracias por compartirlo. Quería preguntar acerca de las barras de SMA, dado que es la primera vz que sé de su aplicación en construcción ¿existe algún documento que regule su uso en hormigón a día de hoy (DITE, ISO…), o se sabe de que se esté trabajando en alguno?

    Comentas que las barras no sufren corrosión pero ¿se ha estudiado si pueden causar corrosión acelerada a las barras convencionales por formación de pares galvánicos? A fin de cuentas, las zonas en que se solaparían son puntos cruciales de la estructura

    Gracias y saludos.

    • Alberto Navarro Gómez dice:

      Hola David,

      Muchas gracias por tu interés y por los comentarios, que son muy pertinentes de cara a la aplicación práctica del elemento.

      Por el momento la normativa concerniente al SMA es muy escasa. Tan sólo existen algunos estándares ASTM concernientes a la caracterización del SMA de la variedad NiTi, y sobre todo enfocados a su uso en implantes quirúrgicos u ortodóncicos. Esperamos que su cada vez mayor aceptación en el mundo de la construcción conduzca a un mayor acervo normativo en este ámbito. Por nuestra parte, hemos estado estudiando las implicaciones que tendría para las prescripciones de diseño sismorresistente del Eurocódigo 8 y normativas americanas.

      En efecto, hemos considerado la posibilidad de que las barras de SMA induzcan corrosión galvánica en las armaduras de acero. Si bien el potencial eléctrico teórico SMA-acero es despreciable (incluso para la vida útil del proyecto), puede solicitarse al proveedor un revestimiento de pasivación o electropulido para reducirlo más todavía. De cara a futuras homologaciones tenemos previsto realizar los estudios prescriptivos, pero no esperamos mayores problemas en este aspecto.

      Espero con esto haber respondido a tus preguntas.

      Muchas gracias por tus valoraciones y un saludo cordial.

  4. Wilfredo Pons dice:

    Hola, muy bueno el articulo Ing. Alberto Navarro Gómez, lo que no me queda claro es la unión optima entre estos nuevos materiales y el hormigón armado convencional, dado que este nuevo material es mucho mas resistente a cargas cíclicas. Por tanto como se puede garantizar que las articulaciones plásticas se formen en la articulación de este material y no al borde de la misma (donde se une el Hormigón Armado con el VHPC y barras de SMA), y supongo que construir el elemento completo con esta nueva tecnología se tornaría algo costoso no?

    • Alberto Navarro Gómez dice:

      Estimado Ing. Pons,

      Durante el dimensionamiento procuramos una longitud óptima de elemento para que las rotaciones “plásticas” se concentren en esta zona y no fuera de ella, y que evite que la diferencia de rigidez entre ambas secciones provoque la propagación del daño fuera de esa zona.

      Como bien dice, la construcción de elementos completos con esta combinación de materiales no sería eficiente en términos económicos.

      Espero haber respondido a su pregunta.

      Muchas gracias por su interés y reciba un saludo cordial.

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