Avances en nuevos sistemas de unión para fabricación de estructuras de acero desmontables y reconfigurables

Resum

Las estructuras de acero cuando son desechadas se pueden reciclar, pero esta es una solución que deja una importante huella ecológica, ya que hay un importante gasto de energía y uso de recursos en esta transformación. En el marco de una economía circular (reparar-reutilizar-reciclar), es siempre más ventajoso para la economía y el medio ambiente reutilizar que reciclar. Los sistemas de uniones mediante grapas y bridas, permiten construir estructuras sin necesidad de perforar o soldar los perfiles, como sucede en los sistemas de unión clásicos. Pero aún existen gran cantidad de aspectos en los que es necesario profundizar e investigar, para que este tipo de soluciones puedan ser empleadas más ampliamente y con seguridad en la fabricación de estructuras que sean completamente desmontables, reconfigurables y reutilizables. En esta tesis se realiza un gran avance en la investigación de este tipo de soluciones a través de las siguientes líneas de investigación: 1. Análisis a fatiga de uniones grapadas. Proposición y validación de un modelo analítico que permite calcular y analizar el número de ciclos y el límite de fatiga de las uniones grapadas en función del tamaño de las palancas de sujeción Ejecución de ensayos de fatiga en laboratorio con diferentes tamaños de grapa, para estudiar el comportamiento de las uniones grapadas y validar el modelo analítico. 2. Análisis de la rigidez de uniones atornilladas versus uniones grapadas. Comparación de la diferencia de rigidez entre uniones grapadas y uniones atornilladas en una estructura de laboratorio y análisis de la variación de la rigidez cuando el pórtico se somete a cargas dinámicas externas que llevan los materiales a su límite elástico. Para realizar esta comparación se utilizó una metodología novedosa, basada en el análisis de las frecuencias naturales de la estructura a partir de la combinación de acelerómetros con una mesa sísmica. Para ello se realizaron varios ensayos sobre un pórtico ensamblado con uniones grapadas y el mismo ensamblado con uniones atornilladas. 3. Análisis de la longitud efectiva en vigas de sección I en conexiones con grapas. Estudio del comportamiento de las vigas en uniones grapadas, en relación con la longitud efectiva de trabajo de la viga, mediante el empleo de un modelo de simulación basado en la metodología T-Stub y posteriormente análisis mediante ensayos realizados en laboratorio. También se ha verificado si el uso del ángulo fijo de distribución de esfuerzos, propuesto para uniones atornilladas, es adecuado para el cálculo de la longitud mínima de viga requerida para el proceso de fabricación de este tipo de estructuras. 4. Análisis del comportamiento a flexión de uniones embridadas a 90º para tubos cuadrados. Estudio del comportamiento mecánico de un nuevo sistema de conexión a 90º, basado en bridas para tubos cuadrados, utilizando un modelo de análisis numérico, previamente validado con varias pruebas de laboratorio. La distancia entre tornillos, una de las variables más importantes que afectan la respuesta mecánica de este tipo de unión, fue parametrizada y analizada en el modelo numérico propuesto. 5. Desarrollo y análisis de nuevos sistemas para mantenimiento en estructuras históricas de acero mediante uniones grapadas. Las estructuras históricas de acero son generalmente estructuras patrimoniales que hay que preservar y no se pueden o deben realizar operaciones sobre ellas invasivas como son la soldadura o taladrado. En esta tesis se desarrolló, simuló y ensayó un novedoso sistema de amarre desmontable no invasivo mediante grapas, para el montaje de pasarelas para inspección de salud estructural y mantenimiento de estructuras de acero históricas, sin necesidad de andamiaje adicional para su instalación. Además, se propuso una metodología y sistemas que mediante la combinación de uniones grapadas con técnicas LIDAR permita la fácil y correcta instalación de sistemas desmontables en estructuras históricas.