COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE SISTEMAS ESTRUCTURALES EN CONCRETO DE ULTRA ALTO DESEMPEÑO - UHPC

Resumen y justificacíón El Concreto de Ultra Alto Desempeño (UHPC) es un material de construcción que cuenta con una resistencia, durabilidad y capacidad de ductilidad superiores. Presenta una densidad elevada y una baja cantidad de agua, lo que lo convierte en una excelente opción para actividades que requieren alta resistencia a la compresión y a la flexión (resistencia a la compresión de más de 120 MPa y una resistencia a la tracción posterior al agrietamiento superior a 5.2 MPa) (Zampini 201). El UHPC se elabora combinando cemento portland, materiales cementantes suplementarios, polvos reactivos, piedra caliza y/o harina de cuarzo, arena fina, reductores de agua de alto rango y agua. El UHPC adicionalmente es un compuesto de cemento que contiene una mezcla de granos optimizada, una proporción agua/materiales cementicios menor a 0.25 y una gran cantidad de fibras de refuerzo internas discontinuas. Gracias a estas fibras metálicas, sintéticas u orgánicas puede alcanzar altas resistencias a la flexión. Entre los tipos de fibras que se suelen utilizar en el UHPC se incluyen el acero de alto contenido en carbono, el PVA, el vidrio, el carbono o una combinación de estos tipos u otros. El comportamiento dúctil de este material le permite tener capacidad para deformarse y soportar cargas de flexión y tracción, incluso después del agrietamiento inicial. Las elevadas propiedades de compresión y tracción del UHPC también facilitan una alta resistencia de adherencia que permite una menor longitud de empotramiento de las barras de refuerzo. Hasta ahora, el Concreto de Ultra Alto Desempeño se ha aplicado en proyectos de ingeniería que demandan materiales de construcción con características físicas y mecánicas poco comunes. Las características de resistencia y durabilidad del UHPC lo hacen perfecto para crear nuevas soluciones a los problemas de daños, reparaciones y modificaciones de uso en las obras civiles (Graybeal 2013, 1). A partir del año 2000, cuando el UHPC comenzó a estar disponible comercialmente en varios países del mundo, se han incrementado la cantidad de aplicaciones y de proyectos en donde se ha usado. Esto ha traído como consecuencia un interés por realizar investigación que han mostrado las capacidades y las debilidades de este material. Dentro de los ejemplos de aplicaciones del UHPC en construcciones civiles se tiene: puentes, edificios de gran altura, elementos arquitectónicos especiales, reparación y reforzamiento de estructuras, pavimentos, etc. En el caso de Colombia y diversos países ubicados en el cinturón de fuego del Pacífico, se debe diseñar las estructuras para que puedan soportar los movimientos sísmicos. De acuerdo con la literatura científica consultada, el UHPC tiene una gran cantidad de características que lo hacen un candidato ideal para ser un material para edificaciones sismo-resistentes. Entre estas características especiales se tiene: tiene mayor capacidad de disipación de energía que el concreto convencional, garantiza un mejor control de las derivas sísmicas y una mayor resiliencia (menor daño), tiene alta resistencia y las estructuras de UHPC tienen una alta capacidad de ductilidad al desplazamiento, el UHPC evita modos de falla frágiles, el UHPC tiene una resistencia a la flexión y al corte y las fibras de acero del UHPC mejoran evitan la separación del concreto de recubrimiento y el núcleo. Con el anterior panorama, surgen potenciales desafíos para evaluar el comportamiento del UHPC en edificaciones ante cargas cíclicas (seudoestáticas) y dinámicas (biaxiales). De acuerdo con las consultas hechas en las referencias científicas se encontraron mayoritariamente reportes de investigaciones sobre el comportamiento de columnas y vigas sometidas a carga seudo-estáticas, lo cual indica que los estudios de UHPC se han centrado en los elementos individuales o en las uniones viga-columna. No obstante, bajo cargas laterales cíclicas, la respuesta histerética de pórticos completos no puede demostrarse completamente con la respuesta histerética de los miembros individuales o de las uniones. Las interacciones entre los elementos estructurales son muy importantes en la determinación de la respuesta sísmica global. En el caso particular del comportamiento sísmico de pórticos, se requiere considerar la respuesta integral del mismo. Desafortunadamente no se encuentran muchos estudios que hayan probado pórticos completos de UHPC o concretos con fibras de alta resistencia sometidos a cargas seudo-estáticas paralelas al plano de los pórticos. En cuanto a los ensayos de mesa vibratoria de estructuras de UHPC, se encontraron algunas publicaciones que han estudiado el comportamiento sísmico de columnas ante movimientos de mesa vibratoria, pero con movimientos uniaxiales del terreno. La multidireccionalidad de los movimientos sísmicos induce probablemente mayores niveles de esfuerzo a las edificaciones, por lo que se llenaría un vacío en el conocimiento al evaluar el comportamiento sísmico de columnas de UHPC sometidas ante movimientos biaxiales. En particular para el caso colombiano, se detecta una gran ausencia de ensayos de simulación sísmica sobre prototipos a escala real de UHPC, en parte porque no muchas instituciones tienen la capacidad para realizar estas pruebas de laboratorio. Como se muestra en el Anexo 2, hoy en día la Pontificia Universidad Javeriana tiene la posibilidad de efectuar ensayos de laboratorio a gran escala de estructuras (pórticos y muros). Así mismo tiene la única mesa vibratoria Biaxial de Colombia que permitiría ensayar a escala real elementos estructurales de UHPC sometidos a movimientos del terreno en dos direcciones. Gap en el conocimiento (Justificación) A pesar de lo anterior, y a excepción de la referencia (Sarmiento et al., 2019), no abundan en la literatura técnica y científica estudios experimentales en laboratorios de estructuras colombianos con aplicaciones estructurales del UHPC a edificaciones. Así mismo, a nivel mundial no se encuentran muchos ejemplos del comportamiento sísmico de pórticos (cargas seudoestáticas) enteramente elaborados con UHPC fundidas in situ. De manera complementaria, no abundan en la literatura estudios que hayan testeado columnas de UHPC con movimientos en dos direcciones con una mesa vibratoria Bi-axial. Es por ello que, con miras a una futura normalización y estandarización en el país del uso del UHPC y buscando ampliar el entendimiento del comportamiento sísmico integral de estructuras de UHPC, se propone realizar una investigación que evalúe: 1. El comportamiento de pórticos planos a escala real hechos con UHPC ante cargas paralelas al plano del pórtico. 2. Ensayos de columnas de UHPC ante movimientos sísmicos biaxiales del terreno mediante una mesa vibratoria biaxial. 3. Realizar estos mismos tipos de ensayos, pero para concreto convencional, con el fin de tener parámetros de comparación con un material ampliamente usado en Colombia y el mundo. Como se evidenciará en el equipo de trabajo del proyecto, se tiene experiencia en el estudio del UHPC con aplicaciones a pavimentos y algunas pruebas en estructuras (nudos viga-columna). De manera complementaria el investigador principal de la presente propuesta tiene amplia experiencia en proyectos que han involucrado ensayos de mesa vibratoria (uniaxial y biaxial) y ensayos seudoestáticos de sistemas estructurales (muros y pórticos). Dicha experiencia se resume en artículos a continuación: · UHPC: 3 artículos · Ensayos seudo-estáticos de sistemas estructurales a escala real y reducida: 8 artículos. · Ensayos de mesa vibratoria (uniaxal y biaxial): 8 artículos. Todo el equipo de trabajo está compuesto por el Investigador Principal, tres profesores Co-investigadores y un estudiante de maestría como se ilustra a continuación: Investigador Principal: Daniel Mauricio Ruíz Valencia. Profesor Ing. Civil (Perfiles y Capacidades PUJ). Co-investigadores: · Hermes Ariel Vacca Gámez. Profesor Ing. Civil. (Perfiles y Capacidades PUJ) · Yezid Alexander Alvarado Vargas. Director Laboratorios. (Perfiles y Capacidades PUJ) · Daniel Felipe Lizarazo Laverde. Estudiante de la Maestría en Ingeniería Civil · Carlos Mario Piscal. Profesor Ing. Civil. La presente propuesta tiene el siguiente contenido: · Resumen y justificación (capítulo actual) · Objetivos · Estado del arte y metodología · Posibles resultados de investigación · Anexo 1: referencias bibliográficas · Anexo 2: recursos de laboratorio disponibles para realizar la investigación · Anexo 3: cronograma · Anexo 4: criterios de evaluación Es importante anotar que, para facilitar la revisión de la propuesta por parte de los pares académicos, se incluye en el Anexo 4 los criterios de evaluación con las evidencias asociadas con cada ítem a evaluar.