Sistema para la conexión entre chapa de acero y hormigón.Las estructuras mixtas hormigón-chapa de acero,

desarrollan habitualmente el fallo por separación o deslizamiento entre ambos materiales, por ejemplo, el fallo por deslizamiento longitudinal en las losas mixtas (forjados colaborantes). La presente invención consiste en una chapa de acero en la que se genera una serie repetida de pequeños y numerosos salientes abruptos producidos por rotura local de la propia chapa. Los salientes están orientados hacia el lado de la chapa que va a estar en contacto con el hormigón, de forma que, al verterse el hormigón sobre la chapa, dichos salientes quedan embebidos en él y resisten los esfuerzos rasantes habituales en las estructuras mixtas

Sistema para la conexión entre chapa de acero y hormigón.

Sector de la técnica

La invención se ubica en el sector de la construcción, en particular en la construcción de estructuras de hormigón y estructuras mixtas acero-hormigón.

Estado de la técnica

El fallo resistente de los elementos estructurales mixtos acero-hormigón, como son por ejemplo las losas mixtas, se produce generalmente por el deslizamiento o separación entre la chapa de acero y el hormigón. La dificultad de diseño de chapas para losas mixtas reside en asegurar su comportamiento efectivamente mixto; es decir, en diseñar sistemas de retención que consigan una elevada resistencia a la separación y deslizamiento relativo entre acero y hormigón.

Los actuales diseños de chapas, como por ejemplo el recogido en la patente WO09321405, o la FR2807081, entre muchas otras, incorporan un patrón de embuticiones que se repiten a lo largo de toda la longitud de la chapa. Su función es dificultar el deslizamiento longitudinal análogamente al corrugado de las barras para el armado del hormigón, aunque sus mecanismos resistentes son completamente distintos. En las losas mixtas, el efecto de cuña de las embuticiones transforma el deslizamiento entre chapa de acero y hormigón en esfuerzos perpendiculares a la chapa que provocan su flexión transversal, la separación y deslizamiento entre ambos materiales y, en la mayoría de casos, la desconexión total.

El ángulo de conformado que define los nervios de la losa, la posición de las embuticiones, su profundidad, longitud, etc., son algunos de los parámetros importantes de diseño, ya que de ellos depende la resistencia al deslizamiento. El proceso de diseño y optimización de esta geometría, y también la comprobación de su eficacia, se realiza actualmente de forma completamente empírica. También los métodos de cálculo adoptados por las normativas de todo el mundo para el cálculo de losas mixtas, están basados en parámetros experimentales, obtenidos del ensayo de modelos estándar reducidos. Estos ensayos intentan reproducir, con mayor o menor fidelidad, el fallo por deslizamiento entre acero y hormigón.

La tesis doctoral "Estudio Numérico y Experimental de la Interacción entre la Chapa de Acero y el Hormigón para la Mejora Resistente de las Losas Mixtas frente al Deslizamiento Longitudinal" elaborada por Miquel Ferrer Ballester y leída el día 8 de marzo de 2006 en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) resume el estado del arte hasta la fecha y se enmarca en una línea de investigación destinada a mejorar la conexión entre el acero y el hormigón de los actuales sistemas e idear conceptos innovadores que puedan significar la conexión total sin deslizamiento.

Dentro de esa línea de investigación desarrollada en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (UPC), se ha desarrollado la presente invención, basada en generación de pequeñas y numerosas roturas en forma de corona en la chapa, destinadas a absorber el esfuerzo rasante longitudinal de forma aproximada a como lo haría el fenómeno de la fricción, que mejora substancialmente el problema de conexión entre la chapa de acero y el hormigón, tanto en el caso de las losas mixtas, como en otras aplicaciones.

Las patentes ES428827, US4106249, US4251970, DE2159959, DE2325281, US4251970 y EP0080694 incorporan sistemas de retención basados también en la ruptura de la chapa, pero las roturas diseñadas presentan alguno o varios de los siguientes inconvenientes, a los que sí da solución conjunta la presente invención:

- dimensión considerable que concentra excesivamente el esfuerzo rasante a transmitir

- geometría de carácter cortante que rompe fácilmente el hormigón

- geometría con efecto cuña que tiende a separar hormigón y acero

- ausencia de resistencia a la separación entre ambos materiales

- geometría poco eficaz por ser demasiado flexible, o por facilitar el desgarro de la chapa

- asimetría de comportamiento dependiendo de la dirección y/o sentido del deslizamiento.

Especial referencia debe hacerse a la patente EP0080694 puesto que, en el diseño particular de su losa mixta autoportante, incorpora unas "aberturas en forma de embudo" muy parecidas a las que aquí se describen y con la misma función, pero que presentan dos de los inconvenientes antes mencionados. Dichas aberturas en forma de embudo -producidas mediante un punzonado cónico- presentan el efecto cuña que tiende a separar hormigón y acero que, sumado a la ausencia de resistencia a la separación entre ambos materiales, conduce a la ineficacia del sistema. Como se describe a continuación en la descripción de la invención, la eficacia de nuestro sistema se consigue mediante un punzonado completo (pasante), generándose roturas completamente abiertas en forma de corona, no en forma de embudo, acabadas las roturas en pinchos o puntas donde la cara de la rotura sea perpendicular a la chapa, por lo menos, para que sea lo más abierta posible, ya que, según estudios realizados, así se consigue un efecto técnico mejorado en la unión hormigón-acero; no así con la forma embudo que lo que provoca es un efecto cuña que tiende a separar el hormigón del acero.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a la conexión entre chapa de acero (fig. 1-1a, 4-4a, 5-5a, 6-6a, 6-6d, 7-7a, 7-7c) y hormigón (fig. 4-4b, 5-5b, 6-6b, 6-6c, 7-7b) mediante la generación en la chapa de acero de una serie de pequeñas y numerosas roturas en forma de corona (fig. 1-1b), orientadas hacia el lado de la chapa que vaya a estar en contacto con el hormigón (hacia ambos lados alternadamente si es necesario, fig. 3-3a, 3-3b, 6-6a) de tal manera que al verter el hormigón fresco, los salientes de dichas roturas quedan embebidos en él (el sentido hacia donde se orientan los salientes se ha indicado con flechas en las figuras 3, 4 y 5).

Al fraguar el hormigón, estas pequeñas roturas embebidas en él tienen la función de resistir los esfuerzos rasantes o de separación que se generen entre ambos materiales cuando el elemento mixto acero-hormigón se somete a carga.

Las roturas tienen forma de pequeñas coronas, es decir, las roturas acaban en más de dos puntas o pinchos ya que dicha forma puntiaguda ayuda a la mejora de la adhesión entre el hormigón y el acero. Por ejemplo, dicha corona puede tener 3 puntas (fig. 2-2a), 4 (fig. 2-2b) ó más puntas y pueden obtenerse mediante punzonado. El número de puntas y forma de la corona dependerá de la forma de la sección transversal del punzón (triangular, 3 puntas; cuadrado, 4 puntas; estrella; etc.); así, el número mínimo de puntas que debe tener una corona es de tres, para resistir adecuadamente el esfuerzo rasante. También deben cumplir la función de distribuir los esfuerzos rasantes mediante un mecanismo parecido al de la fricción, esto sería, de forma continua, por lo que parte de la eficacia de la invención reside en que las roturas deben ser pequeñas, numerosas y uniformemente distribuidas para no concentrar excesivamente los esfuerzos rasantes en puntos concretos. Se evita así tanto la rotura local del hormigón como la deformación excesiva de los propios salientes.

La eficacia de este sistema de conexión reside también, por otro lado, en que el punzonado debe ser completo y pasante. Es decir, el punzón (fig. 2-2c) debe atravesar completamente la chapa hasta que la rotura quede lo más abierta posible, por lo menos que sea perpendicular a la chapa, puesto que roturas incompletas o de dimensión diametral muy pequeña (por ejemplo, inferior al espesor de la chapa), provocarían formas cónicas con el correspondiente efecto cuña que tendería a separar acero y hormigón al actuar el esfuerzo rasante, perdiéndose así la eficacia del sistema. El sistema así diseñado presenta, además, resistencia activa a la separación, puesto que los salientes de las coronas resultantes del punzonado pueden llegar a abrirse lo suficiente como para incluso superar la verticalidad.

Las dimensiones de la rotura generada (fig. 1-1d y fig. 1-1e) serán las resultantes del propio proceso de punzonado, que dependerán del espesor de la chapa y de las dimensiones y forma del punzón, pero hay que tener en cuenta que la eficacia del sistema disminuye a medida que aumenta la dimensión de las roturas (fig. 1-1d), ya que a mayor longitud de los salientes, mayor es su flexibilidad y facilidad de desgarro y, por tanto, menor la resistencia...

1. Sistema de conexión entre chapa de acero (fig. 1-1a) y hormigón, caracterizado porque consiste en punzonar la chapa para generar series repetidas de pequeñas roturas (fig. 1-1b), cuyos salientes abruptos deben acabar en forma de puntas o pinchos, formando una corona, para mejorar la adhesión entre el hormigón y el acero y deben estar orientados hacia el lado de la chapa que vaya a estar contacto con el hormigón, de forma que queden embebidos en él después del hormigonado. Las roturas en forma de corona tienen un mínimo de tres salientes o puntas, para mejorar la efectividad del sistema y así repartir mejor los esfuerzos rasantes; por ejemplo, en configuración de 3 (fig. 2-2a), 4 (fig. 2-2b) ó más puntas, dependiendo de la forma triangular, cuadrada, poligonal o circular de la sección transversal del punzón, y su geometría y dimensiones son las propias del proceso de punzonado, aunque la dimensión diametral mayor de las roturas (fig. 1-1e) debe estar comprendida entre 1 y 20 veces el grosor de la chapa para que las roturas sean pequeñas y numerosas y así resistir mejor los esfuerzos rasantes. El punzonado debe ser completo (fig. 2-2c), pasante, no cónico, quedando los salientes lo más abiertos posible, por lo menos llegando a ser la superficie del saliente de la rotura perpendicular a la superficie de la chapa, para aumentar la resistencia activa a la separación entre el hormigón y el acero.

2. Sistema de conexión descrito en la reivindicación 1, caracterizado porque los salientes se incorporan alternadamente hacia ambos lados de la chapa -siendo ésta plana, ondulada o de cualquier otro perfil- para anclarse al hormigón presente en ambos lados de la misma (fig.3-3a y fig.3-3b).

3. Uso del nuevo sistema de conexión para conectar el acero y el hormigón, basado en los elementos técnicos descritos en la 1ª reivindicación, donde la chapa de conexión entre el hormigón y el acero presenta unas roturas pequeñas, numerosas y pasantes y están formadas por salientes abruptos acabados en punta o pincho, siendo los salientes más de dos y cuya superficie, por lo menos, es perpendicular a la superficie de la chapa de conexión, caracterizado porque los elementos técnicos descritos se conforman elementos estructurales mixtos en la construcción de edificios e infraestructuras.

4. Uso del sistema de conexión descrito en la reivindicación 3, caracterizado porque la chapa de acero sufre un proceso de conformado para constituir un elemento estructural, por ejemplo, un perfil tubular cerrado, para su uso como pilar mixto o viga mixta, garantizándose la conexión eficaz entre el perfil metálico (fig.4-4a) y el hormigón (fig.4-4b).

5. Uso del sistema de conexión según la reivindicación 3, caracterizado porque la chapa de acero sufre un proceso de conformado para constituir una chapa perfilada para losas mixtas, sea cual sea la forma del perfil (por ejemplo el ilustrado en la figura 5), llamadas también forjados colaborantes, garantizándose la conexión eficaz entre la chapa perfilada (fig.5-5a) y el hormigón de las mismas (fig.5-5b).

6. Uso del sistema de conexión según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho sistema se usa mediante un dispositivo de chapa ondulada (fig.6-6a), trapezoidal o de cualquier otro perfil no plano, destinado a anclar dos fases de hormigonado, de manera que la parte inferior del perfil del dispositivo queda embebida en hormigón de la primera fase (fig.6-6b) y la parte superior queda descubierta a la espera del hormigón de la segunda fase, momento en el que quedará embebida en él (fig.6-6c), por ejemplo, en el caso de losas mixtas hormigonadas en dos fases ilustrado en la figura 6.

7. Uso del nuevo sistema de conexión según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho sistema se usa para la conexión entre el perfil metálico (fig.7-7a) y la masa de hormigón (fig.7-7b) de una viga mixta embebida o descolgada (caso descolgada ilustrado en la figura 7) mediante punzonado directo del perfil metálico o mediante un dispositivo de chapa plana, ondulada, trapezoidal o de cualquier otro perfil (fig.7-7c), adherida mediante soldadura u otros sistemas sobre la cara o las caras del perfil metálico que vayan a estar en contacto con el hormigón, de forma que los salientes incorporados a la chapa queden embebidos en él después del hormigonado.