DISIPADOR DE ENERGIA SISMICA PARA UNA ESTRUCUTRA RESISTENTE PRIMARIA DE UNA CONSTRUCCION.

Disipador de energía sísmica para una estructura resistente primaria de una construcción que se puede instalar en una estructura como una barra diagonal convencional.

Bajo solicitaciones axiles, la invención disipa energía de forma estable sin pandear. El disipador está formado por dos o más tubos dispuestos de forma telescópica, y conectados en varios puntos de unión mediante soldaduras o tornillos. En las zonas próximas a los puntos de unión de las paredes de los tubos se practican dos filas de perforaciones cuyo número, geometría y o separación determina el volumen de acero plastificado y la resistencia y rigidez axial del disipador. En ambos extremos de las dos filas de perforaciones se realiza una perforación de mayor tamaño. El extremo de cada tubo se une a la estructura primaria mediante chapas. Opcionalmente, dentro de los tubos se pueden incluir muelles.

Disipador de energía sísmica para una estructura resistente primaria de una construcción.

Campo de la invención La presente invención se encuadra dentro del campo del diseño y construcción de viviendas, edificación no residencial y obras de ingeniería civil, y tiene su máxima aplicación en estructuras de edificios (residenciales o no) . La invención se enmarca en el ámbito de los dispositivos "disipadores de energía" que se instalan en las estructuras para protegerlas frente a terremotos. Este tipo de dispositivos se engloban dentro de los denominados "sistemas de control pasivo".

Antecedentes de la invención Los terremotos pueden introducir en las construcciones una elevada cantidad de energía (input de energía sísmica) que si éstas no son capaces de absorber o disipar, provocarán su derrumbe (colapso) . En las soluciones tradicionales de estructuras sismorresistentes este input de energía sísmica se disipa mediante deformaciones plásticas en los elementos resistentes primarios de la construcción (fundamentalmente vigas y pilares) , lo cual implica provocarles daños estructurales importantes. Estas soluciones tradicionales tienen como objetivo único el evitar que la estructura se desmorone durante el sismo para que sus moradores tengan tiempo de escapar, pero dan por hecho que después del terremoto el edificio puede estar tan dañado que sea necesario demolerlo.

En las últimas décadas se han desarrollado soluciones innovadoras denominadas en general "sistemas de control pasivo" que consisten en instalar en la estructura unos dispositivos especiales llamados "disipadores de energía" que se encargan de disipar prácticamente toda la energía introducida por el terremoto. De esa manera se pueden concentrar los daños en unos puntos concretos de la construcción (en los propios disipadores) y evitar que se dañen los elementos resistentes primarios de la construcción (fundamentalmente los pilares y vigas que deben soportar las cargas gravitatorias) . Los disipadores funcionan como "fusibles sísmicos" que pueden ser fácilmente sustituidos por otros nuevos después del terremoto. En este símil eléctrico, los pilares y vigas de la estructura constituirían los "cables" de la instalación, y el terremoto una sobrecarga eléctrica en el circuito.

Los sistemas de control pasivo son cada vez más populares, y constituyen una solución que permite ajustar las construcciones a las modernas normativas sísmicas de muchos países que han adoptado el paradigma denominado "proyecto basado en prestaciones" (performance based design) . El proyecto basado en prestaciones busca no sólo evitar la pérdida de vidas humanas ante un terremoto severo, sino además controlar (minimizar o evitar) los daños en los elementos resistentes primarios de la construcción.

Los disipadores de energía son de varios tipos: histeréticos, viscosos o viscoelásticos. El invento objeto de esta patente es del primer tipo. Los disipadores de energía de tipo histerético consisten en un elemento metálico que se deforma inelásticamente bajo diferentes tipos de carga. En los últimos años se han desarrollado varios elementos disipadores de energía de tipo histerético: chapas de acero en forma de X o triangular que se deforman a flexión, chapas perforadas de acero que se deforman a cortante, barras de sección circular sometidas a flexión o a torsión, barras de acero que se deforman en la dirección axial etc.

En todos los casos, para instalar el elemento disipador de energía en el edificio es necesario emplear una estructura secundaria auxiliar que una el elemento disipador de energía a las vigas, pilares o nudos viga-pilar de la estructura principal de la construcción. En el caso de las chapas de acero en forma de X o triangular, de las chapas perforadas de acero, o de las barras a flexión o torsión, esta estructura secundaria auxiliar consiste normalmente en muros de hormigón armado o acero (véase por ejemplo la patente japonesa 7-158315A) , o también en triangulaciones metálicas. A veces las chapas perforadas de acero se instalan directamente en el nudo viga-pilar (véase por ejemplo la patente japonesa 2000204788) y la estructura secundaria auxiliar se reduce a unas chapas soldadas al elemento disipador de energía. En el caso de las barras sometidas a deformaciones axiles, la estructura secundaria auxiliar debe garantizar que la barra pueda deformar libremente sin pandear a compresión. Para ello la barra que constituye el elemento disipador de energía se embebe en muros de hormigón o en tubos de acero rellenos de hormigón que se instalan en la estructura primaria de la construcción como barras diagonales convencionales (véase por ejemplo la patente japonesa 6-57820A) . Esta solución se conoce como "barras con pandeo restringido" ("buckling restrained brace" o "unbonded brace") .

Las soluciones existentes citadas presentan varios problemas. Primero, las estructuras secundarias auxiliares de tipo muro de hormigón incrementan el peso propio de la estructura (y con ello las fuerzas de inercia que genera el terremoto) , reducen la diafanidad de los espacios, dificultan o no permiten la apertura de huecos y restringen notablemente la flexibilidad en el diseño del edificio. Estos problemas, un poco menos acusados, se dan también cuando la estructura secundaria auxiliar consiste en triangulaciones metálicas en vez de muros de acero u hormigón. La alternativa de instalar elementos disipadores a base de chapas perforadas de acero directamente en los nudos complica significativamente la construcción de los mismos. Segundo, el coste de las estructuras secundarias auxiliares o de soluciones complejas para los nudos suele ser mayor que el coste del propio elemento disipador de energía, y ello encarece el sistema de control pasivo completo. Tercero, las uniones (normalmente atornilladas o soldadas) entre los elementos disipadores de energía (chapas o barras) y la estructura secundaria auxiliar deben ser muy cuidadas para que no afecten a las propiedades del material que debe deformar plásticamente; la ejecución de estas uniones incrementan también el coste del sistema de control pasivo completo. En el caso, de las barras de acero sometidas a deformaciones axiles ("barras con pandeo restringido") , es necesario revestir el elemento disipador de energía con un material que evite la adherencia con el hormigón, y después embeberlo dentro de un tubo de acero relleno de hormigón, lo cual encarece la solución y además no permite inspeccionar visualmente el elemento disipador de energía tras el terremoto.

Estos problemas se minimizan o desaparecen con el nuevo disipador objeto de esta patente. Primero, en comparación con los elementos disipadores del tipo chapa de acero en forma de X o triangular, chapa perforada de acero o barras a flexión o torsión, el invento objeto de esta patente no precisa de ninguna estructura secundaria auxiliar porque las propias paredes de los tubos de acero que se unen a la estructura principal del edificio constituyen el material o elemento disipador de energía que plastifica. Ello reduce costes y pesos extra en la construcción. El nuevo invento puede instalarse en la estructura principal del edificio como una barra diagonal convencional y por lo tanto tiene menos impacto en la diafanidad de los espacios y se puede incorporar de forma más flexible en el diseño del edificio. Además, no requiere ningún tipo de unión entre el elemento disipador de energía que plastifica y el tubo de acero que lo une a la estructura primaria del edificio, ya que ambas partes están integradas. Todo ello simplifica notablemente el diseño del disipador y reduce significativamente los costes de fabricación e instalación.

A diferencia de las "barras con pandeo restringido" que también se instalan en la estructura principal del edificio como barras diagonales convencionales, el nuevo disipador objeto de esta patente no necesita ningún revestimiento ni tubo exterior de acero relleno de hormigón para evitar el pandeo del elemento que plastifica; la propia disposición telescópica de los dos tubos y las perforaciones en las paredes de los mismos hacen que la barra diagonal plastifique antes de pandear. Otra ventaja importante del nuevo disipador respecto a las "barras con pandeo restringido" es que en el primero quedan a la vista las partes que deforman plásticamente (las paredes del tubo) y son por lo tanto fáciles de inspeccionar ya que no están recubiertos por hormigón y tubos exteriores de acero como ocurre con las "barras con pandeo restringido". En definitiva, el nuevo disipador objeto de esta patente es mucho más simple que las soluciones existentes y permite reducir sustancialmente los costes.... [Seguir leyendo]

1. Disipador de energía sísmica para una estructura resistente primaria de una construcción, caracterizado por que comprende:

a) al menos dos tubos dispuestos de forma telescópica y conectados entre sí en al menos un punto de unión, b) al menos una perforación en al menos una pared de al menos un tubo; esta al menos una perforación realizada alrededor de un punto de unión, c) chapas de cierre que tapan los extremos de los tubos y chapas de conexión que conectan los tubos con la estructura resistente primaria.

2. Disipador de energía según la reivindicación 1, caracterizado por que la conexión de los tubos se realiza mediante soldadura.

3. Disipador de energía según la reivindicación 1, caracterizado por que la conexión de los tubos se realiza mediante tornillos dejando una holgura entre el tornillo y el punto de unión.

4. Disipador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el interior de los tubos está vacío.

5. Disipador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que al menos uno de los tubos comprende en su interior al menos un elemento elástico unido por un primer extremo a la estructura resistente y por un segundo extremo a un punto fijo en el interior de dicho tubo.