AMORTIGUAMIENTO

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención revela un sistema de protección anti-explosiones mediante barreras de contención, e! cual permite absorber energía mediante un sistema de amortiguamiento formado por dos paredes unidas mediante osciladores, donde una primera pared recibe la onda de presiones y transmite a la segunda pared una presión reducida gracias a la puesta en movimiento de ia masa de la primera pared.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las barreras de seguridad constituyen una posible alternativa a la disposición de una distancia de seguridad adecuada y son una solución clara cuando no existe espacio disponible suficiente (una situación que se da de forma sistemática dentro de los grandes intercambiadores de transporte). Además, si las barreras se proyectan adecuadamente, permiten asegurar un elevado nivel de seguridad. Las barreras se utilizan sobre todo para atenuar la onda de presión y parar los fragmentos de alta velocidad que se producen como consecuencia de la explosión y que pueden entrar en contacto con elementos del sistema receptor (conjunto de elementos que requieren protección, tales como las personas, equipamientos o explosivos secundarios). Sin embargo, por su configuración, las barreras de protección solo son útiles si se disponen a escasa distancia de la explosión (en general a no más de diez veces la altura de la barrera), mientras que para distancias superiores, estos elementos no dan fugar a una atenuación adecuada. Las barreras pueden tener varias formas: pueden estar revestidas o no, pueden ser muros en ménsula o estructura en forma de cubos en Eos cuales uno o más lados (y/o el techo) pueden estar abiertos o cerrados para impedir la entrada a ios elementos protegidos. igualmente pueden subdividirse en barreras continuas y porosas.

Para combatir la peligrosidad de las explosiones de yacimientos de polvo de carbón, estos yacimientos se riegan antes de la explosión. Este procedimiento fue relevado después de la primera guerra mundial por el procedimiento de polvo mineral que estuvo prescrito al principio para filones con carbones de alta volatilidad y después para todos los filones. Estas barreras de polvo mineral pretenden resistir y limitar las explosiones producidas, lo cual constituye también el objeto de las llamadas barreras de agua que se introdujeron después de la segunda guerra mundial. Tanto en las barreras de polvo mineral como en las barreras de artesas de agua se fija un bastidor de soporte en la entibación de la galería, sobre el cual se colocan después las barreras de polvo mineral propiamente dichas o las artesas de agua individuales. La onda de explosión que incide sobre la instalación de barrera destruye la barrera, con lo que el polvo mineral aplicado o el agua se distribuye en la sección transversal de la galería y extingue la llama que sigue a la onda de presión.

Los dispositivos de retención rígidos pertenecientes al estado de la técnica consisten en ias denominadas consolas de empalme (elementos de alojamiento) que están montadas en una parte de la entibación con tornillos de ganchos. En las consolas de empalme se fijan travesarlos en la dirección longitudinal del eje de la galería. En los sistemas de bloqueo de los travesarlos se introducen vigas que discurren transversamente al eje de la galería y que se mantienen unidas de forma positiva por medio de los sistemas de bloqueo. Las vigas montadas de esta manera sirven entonces para instalar o suspender artesas de agua. Las barreras contra explosiones de esta clase de construcción requieren unos costes correspondientemente elevados a consecuencia del gran número de ellas que tienen que instalarse en la minería subterránea. Por tanto, se aspira a utilizar como barrera contra explosión una clase de construcción lo más barata posible.

Otras estructuras de protección son los refugios contra bombas los cuales consisten en estructuras de hormigón armado de acero, normalmente montadas a nivel del suelo o por debajo del suelo, con paredes de hormigón armado especiales y un gran espesor. Sin embargo, el inconveniente de los refugios contra bombas convencionales consiste en que, debido a que están situados al nivel del suelo o por debajo del mismo, son particularmente susceptíbles al ataque químico, ya que los productos químicos que se utilizan normalmente tienen una densidad superior a la del aire y, por lo tanto, se acumulan en lugares bajos cerca dei nivel del suelo. Con este problema se tuvieron que enfrentar las autoridades de Israel durante la Guerra del Golfo de 1990 a 1991, cuando fue necesario avisar a la población civil sobre cómo se podían poner mejor al abrigo en caso de un ataque por misiles, ya que se sospechaba que estos llevaban cabezas químicas.

Por tanto, sería deseable construir las partes superiores de los edificios, por ejemplo apartamentos y oficinas, de manera que fueran resistentes a la explosión. Sin embargo, esto no es práctico, ya que las paredes de hormigón armado construidas con el espesor normalmente requerido serian excesivamente costosas.

También se conocen las estructuras compuestas que incluyen la agrupación de bloques huecos con una pluralidad de huecos comunicados rellenos de una masa de hormigón armado. Estas construcciones que emplean bloques de escorias u hormigón se revelan en las patentes americanas US1.884.319 de Smíth y la US 2.994.162 de Frantz. Smith describe el empleo de su estructura para proporcionar aislamiento contra "el calor, el frío y la humedad". Frantz declara que su construcción es simplemente más fácil de montar que otras construcciones de paredes de bloques. La patente americana US 4.577.447 de Doran revela una construcción similar a las de las patentes arriba mencionadas, pero utiliza bloques de poliestireno expandido.

La solicitud de patente española P9402107 revela un bloque hueco formado por una mezcla de virutas de madera mineralizada y hormigón con una densidad no superior a 1 t aproximadamente por metro cúbico, para la construcción de una pared de bloques y hormigón armado para absorber la energía de una explosión, dentro del bloque hueco existen aberturas en direcciones ortogonales que permiten colocar a través de ellas el hormigón armado, y porque dicho bloque hueco es operativo para cooperar con el hormigón armado y resistir fuerzas de explosión. También se revela un procedimiento para construir una pared de forma que sea resistente a la explosión, que incluye ios siguientes pasos: la agrupación en forma de pared de una pluralidad de los bloques huecos descritos anteriormente, que tienen en su interior un hueco vertical y otro horizontal, incluyendo la colocación de ios bloques en contacto directo uno encima de otro y uno al lado de otro de manera que los huecos verticales y horizontales de los bloques adyacentes queden interconectados; y la formación de una retícula integral de hormigón y acero de refuerzo en los huecos verticales y horizontales interconectados, con el fin de formar la construcción de pared compuesta con los bloques huecos y el hormigón armado, dichos pasos de agrupación de una pluralidad de bloques huecos y de formación de una retícula integral dan a la construcción de la pared compuesta la capacidad de conservar sustanciafmente su integridad estructural en presencia de fuerzas de explosión de la suficiente magnitud para destruir una pared de bloques y hormigón armado que no emplea dichos bloques huecos.

En el documento EP 0009654 A1 , se describe una barrera a prueba de explosiones, en la que si bien participan dos paredes paralelas entre las que se define una cámara en cuyo seno se disponen unas pletinas con una serie de pliegues angulares que actúan como elementos de absorción de los impactos sobre la pared anterior, de manera que ésta pueda desplazarse por deformación de dichos elementos absorbiendo en dicha deformación plástica la energia recibida por el impacto, este tipo de estructuras tienen un carácter mono- uso, ya que una vez deformada su estructura interna, la barrera no vuelve a su posición inicial, quedando inutilizada o sensiblemente debilitada frente a otro impacto.

Similar situación se da en el caso de la patente de invención WO 9830772, relativa a un panel para la construcción en el que se definen dos paredes externas y extremas entre fas que se establece un núcleo interno a base de celdas en nido de abeja cuya estructura es susceptible de deformarse ante una explosión para absorber la energía de la misma. Al igual que en la patente anteriormente descrita, este tipo de estructuras tienen un carácter mono-uso, ya que una vez deformada su estructura interna, el panel queda inutilizado o sensiblemente debilitado como para resistir otro impacto. Por su parte, en el documento WO 2009085966 A1 se describe una estructura prevista para absorber la energía producida en explosiones y similares, en la que dicha estructura está diseñada para absorber esfuerzos verticales, es decir coplanarios con la estructura del paramento, no previéndose medios amortiguadores ante impactos perpendiculares a dicho paramento, por lo que su aplicación dista sensiblemente del objetivo de la presente invención.

En la patente US 6298607 se describe una membrana ventilada para mitigar los efectos de explosiones, en la que participa una estructura sumamente compleja, en la que se definen múltiples cámaras inflables y deformables, destinadas a amortiguar los efectos de una posible explosión, de manera que, como acaba de decirse, se trata de una estructura en la que participan un gran número de elementos flexibles, cámaras intercomunicadas que deben ser estancas para su correcto funcionamiento, lo que en definitiva hace que la instalación resulte compleja y consecuentemente cara. Por su parte, en la patente US 3500773 se describe un sistema de protección contra el impacto de proyectiles en el que participa una pared frontal y metálica destinada a recibir el impacto de que se trate, que se divide en sectores que se unen a una pared posterior que forma parte de la estructura a proteger, y en donde la unión entre ambas paredes se realiza mediante elementos elásticos, tales como resortes, con la particularidad de que entre ambos elementos se establecen medios limitadores de la magnitud o cota que es desplazable dicha pared metálica frente a la pared posterior.

Estos elementos que limitan la cota o margen de desplazamiento para la pared metálica se materializan en perfiles metálicos que ocupan una considerable volumetría en el seno de la cámara que se define entre la pared metálica anterior y la pared posterior, de manera que la citada barrera que constituye esta estructura está prevista para un comportamiento en dos fases operativas bien diferenciadas.

En una fase inicial, el sistema de protección tiene un carácter meramente elástico, en el que las placas metálicas que participan en el mismo se desplazan a través de perfiles complementarios en contra de los medios elásticos hasta entrar en contacto con los perfiles en funciones de topes asociados a la pared posterior de hormigón.

Así pues, en esta primera fase, se produce un pequeño desplazamiento de la placa metálica que se vea sometida a un pequeño impacto, pudiendo volver la misma a su posición inicial por el efecto elástico de los medios recuperadores contenidos en su seno.

Ahora bien, cuando se trata de impactos de mayor potencia, el sistema se comporta de forma plástica, es decir, que los elementos en funciones de tope dispuestos en el espacio definido entre ambas paredes, se deforman y se aplastan para permitir desplazarse a las planchas de metal una mayor distancia, de manera tal que, como ocurría en otras de las patentes citadas anteriormente, la estructura queda dañada irreversiblemente tras la explosión.

Consecuentemente, este sistema presenta una problemática en la que cabe destacar los siguientes aspectos: Dado que precisa de elementos en funciones de tope entre ambas paredes, asf como definir un espado o cota de desplazamiento con respecto a dicho tope, la pared precisa de una gran voiumetrfa.

Su comportamiento plástico ante explosiones de gran potencia hace que la misma presente un carácter mono-uso.

La pared anterior, a base de planchas de metal, se constituye a partir de múltiples planchas independientes, lo que complica su montaje. Finalmente, puede citarse la patente US 4718356, en la que se ha previsto un sistema para proteger una pared contra daños producidos por explosiones, en donde la pared propiamente dicha es desplazable por la onda expansiva de la explosión a través de unas guías perpendiculares a la misma con medios de frenado que se oponen a dicho desplazamiento.

Si bien esta solución resulta eficaz frente a ondas expansivas, no prevé el impacto de metralla u otros objetos que pudieran dañar el paramento.

Paralelamente, una vez absorbido el impacto la pared quedará bloqueada y desplazada con respecto a su posición inicial, por lo que requeriría de un complejo y consecuentemente costoso proceso de "rearmado", si es que éste fuera posible, ya que en caso contrarío dicho paramento no soportaría un nuevo impacto en caso de que éste se produjese.

La presente invención revela un sistema de barrera contra las explosiones basada en el amortiguamiento elástico, en el que buena parte de la energía de la explosión se transforma en energía cinética de una masa oscilante, de manera que el sistema no tenga un carácter mono-uso como los anteriormente descritos, pudiendo soportar múltiples impactos sin verse afectada su estructuración interna.

El sistema propuesto demuestra ser muy eficaz y se forma a partir de elementos de fácil fabricación e instalación. Su tipología también permite una integración adecuada en la arquitectura, pudiendo jugar con ventanas que permitan visualizar el sistema de amortiguamiento. Una aplicación clara de las mismas puede ser la protección de las salas de control. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1.- muestra una vista del sistema donde se muestra la disposición de las paredes y los osciladores con respecto a la superficie deslizante.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El sistema dispone de dos paredes unidas entre sí por una pluralidad de osciladores de un grado de libertad La pared frontal, que concentraría una cierta masa (cuanto mayor masa, mejor), para lo cual se concibe como un elemento metálico, recibiría la onda de presiones y transmitiría a la pared de reacción, que sería de hormigón, una presión reducida gracias a la puesta en movimiento de la masa de la pared frontal

La pared frontal, que recibe la onda expansiva está soportada por un sistema de ruedas o rodamientos o carriles, o apoyada en una superficie deslizante de tal forma que la misma puede desplazarse de forma independiente de la pared trasera. Por tanto, el sistema se basa en disipar una parte de la energía generada por la explosión mediante la puesta en movimiento de una masa inicialmente estática (pared frontal). La pared trasera, puede formar parte del sistema de la barrera o formar parte, directamente, de la estructura que se quiere proteger. La pared frontal puede ser de acero lo cual proporciona a la vez una masa elevada y una resistencia adecuada. La masa puede incrementarse añadiendo a la pared frontal cajas metálicas para añadir tierra, por ejemplo.

El sistema se puede integrar en la arquitectura de múltiples formas que pueden incluir todo tipo de tratamientos de la superficie metálica. Igualmente, el sistema se puede aprovechar desde un punto de vista arquitectónico dejando visible los muelles, ya sea desde un lateral, ya sea mediante "ventanas" en el panel metálico. Por otra parte, un sistema de este tipo puede ser interesante para proteger por ejemplo una sala de control, con un coste razonable.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

El sistema de la presente invención comprende una barrera formada por una pared frontal (1) preferentemente metálica la cual recibe la onda de presiones en el momento de la explosión, donde dicha pared frontal (1) se puede considerar como un elemento metálico de cierta masa. La pared frontal (1) de tipo metálico se encuentra soportada por una superficie deslizante (4) que permite su desplazamiento y donde dicha pared frontal (1) se encuentra en contacto con una pared posterior (2) preferentemente de hormigón mediante una pluralidad de osciladores (3) de un grado de libertad, que pueden ser muelles o similares. El sistema de barrera funciona de tal manera que al momento de la explosión, la pared frontal (1) recibe una onda de presión que es transmitida a la pared posterior (2) por medio de la pluralidad de osciladores (3) intercalados entre ambas paredes debido al movimiento de la pared frontal (1), dando como resultado una presión reducida sobre la pared posterior (2), ya que solo una parte de la energía de la explosión se transforma en energía de deformación de los muelles gastándose el resto de la energía en dotar de movimiento a pared frontal.

La superficie deslizante (4) es susceptible de ser cambiada por un sistema de rodamientos o un sistema de carriles de desplazamiento.

Para analizar la respuesta del sistema de osciladores, la explosión se puede tratar como un impulso en la pared exterior esto es la pared frontal (1) de tipo metálica. Si la duración de la ley de presiones triangular es corta respecto del periodo propio de los osciladores (3), como es el caso, el impulso equivale a imponer una velocidad inicial a la pluralidad de osciladores (3) de valor igual al valor del impulso dividido por la masa. En estas condiciones, suponiendo simplificadamente, y como aproximación inicial, que los amortiguadores se mueven sincronizados, la ecuación de movimiento de la pared en su conjunto puede arreglarse como se indica en la siguiente ecuación

El sistema se puede apreciar de una manera más sencilla por medio de un ejemplo numérico

Ejemplo 1

Suponiendo una detonación, un explosivo de 20kg de masa equivalente TNT situado a 3,00 metros de la pared, la presión reflejada, pr, sería de 3952 kPa, y la duración de la ley triangular de presiones equivalente, trf sería de 0,68 ms. Admitiendo que se disponen 4 muelles de acero por metro cuadrado de pared, que los muelles tienen 25 cm de diámetro medio (D), 20 mm de diámetro de barra, d, y 9 espiras (N), la rigidez de los 4 muelles sería de:

Respecto de la masa del sistema, habría que contar con la masa de panel (Mp) más la masa de los 4 muelles, por lo que por metro cuadrado, si se supone que el panel frontal es una chapa de acero de 40 mm de espesor, la masa sería de:

Por tanto la frecuencia angular del sistema y la frecuencia anular amortiguada (suponiendo un amortiguamiento, consistente con una estructura metálica del 1%) serían:

Aplicando la expresión x(t), se puede determinar el desplazamiento debido a la explosión y la reacción correspondiente en la pared de hormigón.

Se observa que se obtiene una carga elevada, pero compatible con un dimensíonamiento de una pared convencional. Para una altura de pared de 3.00 m, y suponiendo que la pared está simplemente apoyada y que el canto de la misma es de 25 cm (un valor mínimo), la armadura necesaria correspondería a una cuantía mínima, como puede verse en la siguiente ecuación y no sería necesario disponer armadura de cortante:

Con objeto de evaluar cuál sería la diferencia con la pared no protegida, en el mismo caso, se tendría:

Las expresiones anteriores se obtienen mediante un análisis estático equivalente, asimilando la pared - que se trata como una viga biapoyada - a un sistema de un grado de libertad.

Se observa que, sin la barrera de protección, la carga que actúa sobre la pared es 40 veces mayor para el escenario estudiado. Se deduce por tanto que el sistema propuesto tiene una gran eficacia. Para poder soportar este nivel de carga con una solución convencional, serla necesario recurrir a muros de gran espesor con contrafuertes, etc., dando lugar a una ocupación de espacio muy significativa. El sistema es por tanto una barrera basada en el amortiguamiento, en el que buena parte de la energía de la explosión se transforma en energía cinética de una masa oscilante. Del ejemplo planteado anteriormente, se deduce que las barreras de amortiguamiento son una alternativa muy eficaz y prometedora, que además, está formada a partir de elementos de fácil fabricación e instalación. Su tipología también permite una integración adecuada en la arquitectura, pudiendo jugar con ventanas que permitan visualizar el sistema de amortiguamiento. Una aplicación clara de las mismás puede ser la protección de las salas de control.