ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Tradícionalmente los materiales más utilizados para la construcción de estructuras resistentes han sido la madera, los materiales metálicos, destacando fundamentalmente el acero y el aluminio entre éstos, y el hormigón. Ello se debe a su gran resistencia mecánica, su estabilidad ante acciones ambientales, y a su producción y conformación sencillas y de coste reducido. Asimismo, se han desarrollado métodos sencillos de conexión entre los distintos elementos resistentes que componen la estructura completa.

En aplicaciones en las que el criterio de diseño es de rigidez más que de resistencia, como ocurre en el sector de la construcción, resulta necesario maximízar la eficiencia estructural por unidad de peso. El desarrollo de nuevos materiales (por ejemplo, materiales poliméricos y composites con matriz polimérica o cerámica y refuerzo metálico o de fibra de vidrio o carbono) con relaciones resistencia/peso o rigidez/peso muy elevadas pero con un coste mayor ha abierto un campo de posibilidades de optimización en aplicaciones donde se utilizaban materiales tradicionales.

Los nuevos materiales presentan un mayor coste por unidad de peso frente a los materiales tradicionales debido a su juventud al ser necesario invertir en investigación y desarrollo sobre caracterización mecánica, métodos de fabricación y conexión, y emplear más material de! estrictamente necesario debido a los elevados factores de segundad exigidos por estos motivos.

Por ello, ía aplicación de nuevos materiales se limita en la actualidad a aquellas aplicaciones donde el coste no es el criterio de diseño fundamental, sino más bien la resistencia a la corrosión o la reducción de peso, como es el caso de estructuras marinas, estructuras en cercanías de purines, estructuras colocadas a posterior! en edificios, depósitos y tuberías para fluidos corrosivos, entre otros.

La anisotropía asociada a la elasticidad y resistencia de los materiales compuestos hace que los métodos de conexión entre elementos estructurales sean mucho más complejos que con los materiales tradicionales, lo que encarece aún más la solución. La baja resistencia de la matriz resulta en una elevada sensibilidad frente a concentraciones de tensiones, inevitables en una conexión de perfiles estructurales.

Las conexiones típicas de materiales compuestos son atornilladas o remachadas, adhesivas y combinadas. The European Structurai Polymeric Composites Group, "Structurai Design of Polymer Composites", E & FN SPON 1996, pp. 120-21 1 , ISBN 0 419 19450 9 es un manual y código de diseño estructural de materiales compuestos polimérícos en el que se describen ¡as conexiones típicas empleadas en estos materiales en las citadas páginas.

La menor rigidez de algunos materiales compuestos conlleva secciones resistentes de mayor canto que las que se utilizan normalmente con materiales tradicionales para poder cumplir con el criterio de rigidez. Este hecho conlleva, en primer lugar, inconvenientes estructurales, tanto por las conexiones entre elementos, como por el materia! adiciona! a añadir para evitar pandeos locales debido a la disminución de espesor que conlleva el aumento de canto si se mantiene el momento de inercia de la sección. En segundo lugar, conlleva inconvenientes arquitectónicos por el mayor espacio ocupado por los elementos estructurales.

Existen diferentes soluciones para evitar el incremento de sección sin perjudicar la flecha como, por ejemplo, el uso de cables tensores o la reducción de las luces a través del aumento del número de pilares. Estas soluciones conllevan complicaciones arquitectónicas o incrementos de coste de material que hacen poco atractiva su aplicación.

La presente invención busca proporcionar un producto mejorado de unión de perfiles estructurales realizados en materiales compuestos para mitigar algunas de las deficiencias que presentan las conexiones de perfiles estructurales de materiales compuestos descritas anteriormente.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un elemento de conexión, de fijación exterior no permanente de un perfil estructural, que comprende una tapa inferior destinada a estar en contacto con un ala inferior del perfil estructural, una tapa superior destinada a estar en contacto con un ala superior del perfil estructural, dos tapas laterales y una tapa posterior, en donde el espesor longitudinal de la tapa inferior aumenta desde el borde libre de la tapa inferior hacia la arista con la tapa posterior.

Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema estructural de fijación exterior no permanente en el que se emplean una pluralidad de elementos de conexión rígidamente unidos entre sí, así como una pluralidad de perfiles estructurales.

La invención es ventajosa en que proporciona una reducción de concentraciones de tensión, un reparto más uniforme de las presiones de contacto, y un aumento de la superficie de contacto. El aumento de la eficiencia de conexión entre el elemento de conexión y el perfil estructural permite reducir la sección del perfil estructural lo que redunda en ahorro de material y disminución de costes.

Otra ventaja de la invención surge del empleo de una conexión no permanente. Por un lado, se simplifica la operación de montaje de la estructura, tanto en la fase de inspección de las uniones, como en la disminución de la necesidad de personal cualificado y de equipos especializados, estos últimos sobre todo necesarios en las operaciones de pegado. Por otro lado, permite el desmontaje de la estructura. Otras características y ventajas de ¡a presente invención se desprenderán de La descripción detallada que sigue de unas realizaciones ilustrativas de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompañan unos dibujos de carácter ilustrativo y no limitativo.

La figura 1 muestra un elemento de conexión acoplado a un perfil estructural.

La figura 2 muestra el elemento de conexión en perspectiva.

La figura 3 muestra el elemento de conexión en perspectiva sin una tapa lateral.

La figura 4 muestra el detalle de una unión estructural de un sistema estructural desmontable que emplea el elemento de conexión.

La figura 5 muestra el detalle de la unión estructural de la figura 4 en vista explosionada empleando una conexión en cola de milano.

Las figuras 8 y 7 muestran un elemento de conexión macho de la unión estructural de la figura 5 sin una tapa lateral en perspectiva y en vista lateral, respectivamente.

Las figuras 8 y 9 muestran un segundo elemento de conexión hembra de la unión estructural de la figura 5 sin una tapa lateral en perspectiva y en vista lateral, respectivamente.

DESCRIPCION DETALLADA DE MODOS DE REALIZACION

La figura 1 representa la fijación exterior no permanente de un elemento de conexión 1 con un perfil estructural 10. El elemento de conexión 1 , que se muestra de forma aislada en la figura 2, está compuesto por una tapa inferior 2 destinada a estar en contacto con el ala inferior 1 1 , una tapa supenor 3 destinada a estar en contacto con el ala superior 12, dos tapas laterales 4 y una tapa posterior 5. Las tapas laterales 4 unen los bordes laterales de las tapas inferior 2 y superior 3.

El diseño del elemento de conexión 1 se basa en la disminución progresiva de su rigidez según los ejes longitudinal y transversal del perfil estructural 10, maxímizando la compatibilidad de deformaciones del elemento de conexión 1 y del perfil estructural 10 en las zonas de contacto entre ambos.

La altura y la anchura del elemento de conexión 1 están predefinidas per ^¬ las dimensiones del perfil estructural 10 a conectar y el juego entre el elemento de conexión 1 y el perfil estructural 10. Los grados de libertad para el diseño según el eje longitudinal del perfil estructural 10 del elemento de conexión 1 resultan la longitud y los espesores longitudinales de las tapas inferior 2 y superior 3, así como la anchura de las tapas laterales 4.

El par de empotramiento entre el elemento de conexión 1 y el perfil estructural 10 procede de, en primer lugar, el rozamiento del ala inferior 1 1 con la tapa inferior 2 y del ala superior 12 con la tapa superior 3 y, en segundo lugar, de las tensiones de contacto entre, por un lado, el ala inferior 1 1 y la tapa inferior 2, y, por otro lado, el ala superior 12 y la tapa superior 3. La longitud de las tapas inferior 2 y superior 3 se ajusta para que el brazo del par de empotramiento sea suficiente para que la tensión en las tapas inferior 2 y superior 3 no supere la tensión admisible.

En la figura 3 se muestra la compatibilización de deformaciones entre, en primer lugar, el ala inferior 1 1 y la tapa inferior 2, y, en segundo lugar, el ala superior 12 y la tapa superior 3. El espesor longitudinal de la tapa inferior 2 aumenta desde el borde libre de la tapa inferior 2 hacia la arista con la tapa posterior 5, mientras que el espesor longitudinal de la tapa superior 3 aumenta desde el borde libre de la tapa superior 3 hacia la arista con la tapa posterior 5.

En un segundo modo de realización el ala superior 12 está traccionada. Para compatibilízar las deformaciones del ala superior 12 con las deformaciones de la tapa superior 3 el espesor longitudinal de la tapa superior 3 disminuye, en cambio, desde el borde libre de la tapa superior 3 hacía la arista con la tapa posterior 5 como se muestra en la figura 4. Las tapas laterales 4 contribuyen en la compatibiüzación de deformaciones entre las tapas inferior 2 y superior 3, y las alas inferior 1 1 y superior 12, Preferiblemente la anchura de las tapas laterales 4 aumenta con la distancia a la fibra neutra de! perfil estructural 10 como se observa en las figuras 1 y 2. Esto se traduce en que el borde libre de las tapas laterales 4 tiene forma cóncava.

Un reparto más eficiente tanto de los esfuerzos cortantes soportados por el perfil estructural 10 como de las fuerzas debidas a las presiones de contacto entre el perfil estructura! 10 y el elemento de conexión 1 , que se transmiten a través del alma 13 del perfil estructural 10, se logra mediante la reducción del espesor transversal de la tapa inferior 2 y/o del espesor transversal de la tapa superior 3 en torno al eje del alma 13.

En el caso particular en que el alma 13 se encuentra centrada respecto a las alas inferior 1 1 y superior 12, el espesor transversal de la tapa inferior 2 es mínimo en torno al centro del borde libre de la tapa inferior 2 y varía hacia las respectivas aristas de la tapa inferior 2 con las tapas laterales 4, y/o el espesor- transversal de la tapa superior 3 es mínimo en torno al centro del borde libre de la tapa superior 3 y varía hacia las respectivas aristas de la tapa superior 3 con las tapas laterales 4. El empleo de una ley lineal de variación del espesor transversal de las tapas inferior 2 y superior 3 es especialmente ventajoso por facilitar la fabricación del elemento de conexión 1 ,

La figura 4 representa un nudo estructural de un sistema estructural no permanente en el que se emplean una pluralidad de elementos de conexión 1 , así como una pluralidad de perfiles estructurales 10. A cada perfil estructural 10 le corresponde un elemento de conexión 1 diseñado según se ha descrito anteriormente.

La unión de la pluralidad de elementos de conexión 1 es rígida para transmitir los esfuerzos entre la pluralidad de perfiles estructurales 10 que conforman el nudo estructural, empleándose diversas soluciones como, por ejemplo, el atornillado o la soldadura. Asimismo, la unión rígida de la pluralidad de elementos de conexión 1 puede realizarse mediante colas de milano o colas con forma de T incorporadas en las caras exteriores de las tapas inferior 2, superior 3 y/o posterior 5 de los elementos de conexión 1 .

Las figuras 8 y 7 muestran un elemento de conexión macho Γ, mientras que las figuras 8 y 9 muestran un elemento de conexión hembra 1 ", en ambos casos sin una tapa lateral 4, empleados en la unión rígida mediante colas de milano del nudo estructural de la figura 5. La tapa posterior 5 del elemento de conexión macho Γ presenta dos protuberancias 6 en forma de cola de milano.

El espesor longitudinal de la tapa inferior 2 del elemento de conexión hembra Γ aumenta desde el borde libre de la tapa inferior 2 hacia la arista con la tapa posterior 5 hasta un punto aproximadamente intermedio en donde el espesor longitudinal de la tapa inferior 2 se mantiene constante. La tapa inferior 2 presenta dos acanaladuras 7 en forma de cola de milano destinadas a estar en contacto con las protuberancias 6 del elemento de conexión macho 1 '. Las acanaladuras 7 se han practicado desde la arista de la tapa inferior 2 hacia el borde libre de la tapa inferior 2, delimitándose las acanaladuras 7 a la zona de espesor longitudinal constante, formando un tope para la transmisión de esfuerzos axiles. La tapa superior 3 presenta igualmente dos acanaladuras 7.

Otras variantes en la unión rígida de la pluralidad de elementos de conexión 1 serán evidentes para un experto en la materia tras analizar la descripción o pueden ser adquiridas con la práctica de la invención.

Especialmente ventajoso resulta el empleo de perfiles estructurales 10 curvos en el sistema estructural no permanente. Por un lado, permiten materializar una contraflecha en las vigas de los pórticos de modo que al aplicar las solicitaciones la flecha total tiene una componente que no computa a efectos del cálculo de la flecha admisible, permitiendo reducir adicionalmente la sección del perfil estructural 10.

Por otro lado, si las columnas de los pórticos son suficientemente rígidas, la utilización de un perfil estructural 10 curvo permite transformar flexión en compresión del perfil estructural 10 con la correspondiente reducción de las deformaciones y del material necesario.

Aunque se han descrito y representado unas realizaciones del invento, es evidente que pueden introducirse en ellas modificaciones comprendidas dentro de su alcance, no debiendo considerarse limitado éste a dichas realizaciones, sino únicamente al contenido de ¡as reivindicaciones siguientes.