COMPUESTO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, a una estructura auto- tensada para puente de material compuesto.

Más concretamente, la invención tiene por objeto una estructura portante que ha sido especialmente concebida para ser utilizada como puente, pasarela o cualquier otro elemento sometido a carga útil con el que deba salvarse un vano, consiguiendo una mejor relación espesor/longitud (esbeltez) , ligereza, menor peso unitario (peso/longitud) asi como una estética totalmente revolucionaria en este ámbito.

CAMPO DE APLICACIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector industrial de la ingeniería civil, concretamente en el de la construcción de puentes o pasa- reías y más concretamente en los de tipo colgante, suspendido o atirantado. También está relacionada con el sector de los materiales de construcción, en particular materiales compuestos de polímero.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La concepción básica de cualquier puente o pasarela se basa en estructuras con alta rigidez a la flexión, esencialmente mediante vigas que habitualmente van apoyadas pero que en ocasiones van suspendidas (pasarelas y puentes colgados o atirantados) . Para conseguir que estas estructuras tengan suficiente rigidez a flexión se hace preciso un considerable espesor en las mismas, lo que, consecuentemente, requiere una gran aportación de material, un elevado peso, una merma en la esbeltez y un impacto estético, factores estos que interesa mejorar.

Por otro lado, fuera del ámbito de la ingeniería civil, son conocidos los materiales compuestos de polímero re- forzado con fibra (FRP) , usualmente de carbono o vidrio, que se caracterizan por su gran ligereza, alta rigidez y límite de rotura, y por su rapidez y versatilidad de despliegue y diseño. Hasta la fecha estos materiales se han utilizado en es- tructuras aeronáuticas, deportes, náutica y automoción, en construcción como refuerzo y en unas pocas experiencias piloto a nivel mundial para construcción de puentes, aunque siempre con tipologías muy distintas a la aquí propuesta [Composite Structures for Civil and Achitectu- ral engineering, D. -H. Kim, E & FN Spon, 1995] .

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en utilizar una estructura autoten- sada, preferentemente fabricada en material compuesto de polímero reforzado con fibra, para construir un puente o pasarela, u otro elemento sometido a carga útil con el que salvarse un vano, a cuyo efecto dicha estructura es portante, es decir soporta las cargas gravitatorias de uso además de las cargas asociadas a su propio despliegue, haciéndolo con una deformabilidad admisible para su función útil.

Para ello, y de forma concreta, la estructura comprende un entramado de tirantes, constituido por un conjunto de láminas de polímero reforzado con fibra (FRP) , cuyas dimensiones externas vienen delimitadas por la longitud del puente en función del vano a cubrir y por la separación entre apoyos, unidos preferentemente por encolado, y tensados mediante control de las longitudes en el montaje y la tensión debida a al transmisión del peso propio. Para que dicha estructura ejerza su función, el antedicho entramado de tirantes ha de combinarse con un tablero y con unos soportes o pilonas que transmiten las cargas resultantes al terreno mediante una cimentación adecuada que ejerce las funciones de estribo del puente. El tablero o zona de paso (o carga) está unido a la estructura mediante cualquier elemento separador, preferentemente un costillar formado por perfiles con sección en I, unidos preferentemente por encolado. Ventajosamente, el reemplazo de materiales tradicionales por Polímero Reforzado con Fibra (FRP) mejora la esbeltez con la que se puede construir un puente .

La presente tipología mejora, pues, respecto a otras tipologías utilizadas para FPR, la esbeltez del puente, gracias a que la tipología aprovecha óptimamente el mate- rial, manteniendo los criterios de seguridad y servicio, traduciéndose además este hecho en una reducción de coste de materiales.

En cuanto al entramado de tirantes, éste presenta la particularidad de que se configura de forma que las láminas o elementos laminares de material compuesto que lo componen se disponen, en una realización preferida de la invención, en un total de 9+6n elementos ó, alternativamente, en 4+6n elementos, donde n es el número de adiciones, por ambos laterales del entramado, de parejas de triadas de láminas, siguiendo la siguiente disposición y secuencia: Para el entramado con 9+6n elementos comprende:

• Cuatro elementos que unen, cada uno de ellos, un nudo central, parcialmente desplazado en el eje transversal de la estructura, con los cuatro apoyos que se corresponden con los soportes o pilonas. • Otros cuatro elementos, que unen, respectivamente, otro nudo central, desplazado hacia el lado opuesto en el eje transversal de la estructura, con los cuatro apoyos de las pilonas.

• Un elemento transversal que une los antedichos nudos centrales, y cuya longitud será, de forma preferente, aproximadamente la mitad del ancho del tablero o zona de paso . • Y finalmente, n triadas de elementos, es decir el número que corresponda de grupos de tres elementos laminares según las dimensiones de la estructura) que unen un nudo central desplazado en el eje longitudinal de la estructura, con los nudos co- rrespondientes a las pilonas de dicho lado de la estructura, y con el nudo central del grupo precedente dispuesto en el citado eje longitudinal, incorporándose, por el lado opuesto, el mismo número de triadas de elementos dispuestos y unidos de forma simé- trica, incrementándose dichos pares de triadas de láminas hasta cubrir la longitud necesaria del puente.

Para la variante de realización con un entramado de ti- rantes de 4+6n elementos laminares se contemplan:

• Cuatro elementos que unen, respectivamente, un nudo central con los cuatro apoyos que se corresponden con los soportes o pilonas.

• Y tantos pares de triadas de elementos como sea necesario, que unen un nudo desplazado en el eje longitudinal de la estructura con los apoyos de las pilonas correspondientes al lado de dicho desplazamiento, y con el nudo precedente del eje longitudinal de dicho lado, hasta cubrir la longitud necesa- ria del puente. Con la citada disposición de los elementos laminares que conforman el entramado de tirantes de la estructura propuesta, se consigue el objetivo de que trabajen exclusivamente a tracción, de forma que transmitan las cargas propias >y de servicio, tensionándose y deformándose de forma adecuada para cumplir con las exigencias de seguridad y funcionalidad.

Cabe destacar, además, que la separación entre los apoyos correspondientes a las pilonas, se calculará igualmente por dichos criterios, y resulta del orden de entre dos veces el ancho del tablero y dos tercios de la longitud del vano del puente.

Esta tipología estructural está optimizada para aprovechar el funcionamiento anisótropo y la reducida relación peso/resistencia de estos materiales.

Los elementos trabajan a tracción prácticamente pura en la dirección de las fibras de carbono, transportando las cargas propias y de uso repartidas desde cada costilla bajo el tablero hasta la cimentación a través de cuatro apoyos sobre pilonas.

La indeformabilidad de esta tipología radica en que combina el principio mecánico de la catenaria con una disposición hiperestática tridimensionalmente, autotensada por el peso propio. Está optimizada para minimizar el canto total y el peso propio sin superar tensiones ni flechas admisibles ante cualquiera de las hipótesis de carga de servicio o últimas. El hiperestatismo se combina con un análisis estructural bajo la hipótesis de que cualquiera de los elementos estructurales rompe, para garantizar el aviso de la estructura sin colapso, como garantía en el caso de que se iniciara su fallo. Los elementos del entramado de tirantes se cargan con un pretensado conseguido mediante control de las longitudes durante el montaje, o lo que es equivalente, establecien- do una antideformada inicial, sumada a la tensión debida a al transmisión del peso propio, calculada de tal modo que las cargas gravitatorias de uso, además de las cargas asociadas a su propio despliegue, induzcan una deforma- ción admisible para su función útil, tanto ante solicitaciones en vacío, como en estados límite de servicio. La descrita estructura autotensada para puente de material compuesto propuesta representa, pues, una innovación de características estructurales y constitutivas descono- cidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: Figura 1.- Muestra una representación esquemática, en perspectiva, de los componentes que integra la estructura autotensada para puente de material compuesto, objeto de la invención, en la que se distinguen separadamente el tablero, el elemento de separación tablero-estructura, el entramado de tirantes, y los elementos de apoyo o pilonas, sobre los que se sostiene dicho entramado, con su correspondiente cimentación. Figuras 2 y 3. - Muestran dos alternativas de disposición de las láminas o elementos que conforman el entramado de tirantes, secuenciando de arriba abajo la progresiva adición de elementos hasta acomodarse a la longitud/ancho del puente o pasarela, de modo que se cumpla con la con- dición de hiperestatismo tridimensional. Figuras 4, 5 y 6,- Muestran respectivas vistas en planta, sección longitudinal y sección transversal, de un ejemplo de puente construido según la invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.

Así, tal como se observa en dichas figuras, la estructura autotensada objeto de la invención comprende un entramado (E) de tirantes constituido a partir de una pluralidad de elementos laminares de polímero reforzado con fibra, los cuales están unidos entre sí y a unos apoyos constituidos por soportes o pilonas (P) , según la disposición que se describirá en detalle más adelante y mostrada en las Fi- guras 2 y 3, y cuyas dimensiones externas vienen delimitadas por la longitud del puente en función del vano a cubrir y por la separación entre los apoyos, unidos preferentemente por encolado, y tensados mediante control de las longitudes en el montaje y la tensión debida a al transmisión del peso propio.

Para que dicha estructura ejerza su función, el entramado de tirantes (E) ha de combinarse con un tablero (T) y con los citados soportes o pilonas (P) que transmiten las cargas resultantes al terreno mediante una cimentación adecuada que ejerce las funciones de estribo del puente. El tablero o zona de paso (o carga) (T) está unido a la estructura mediante cualquier elemento separador, preferentemente un costillar (U) formado por perfiles con sección en I, unidos preferentemente por encolado. La invención se caracteriza por el hecho de que para la realización del entramado de tirantes se disponen un to- tal de 9+6n ó 4+6n elementos laminares de material compuesto, donde n es el número de adiciones, por ambos laterales, de parejas de triadas de elementos laminares, es decir, grupos de tres elementos añadidos por cada late- ral, en la siguiente disposición y secuencia, con lo cual se consigue el objetivo de que trabajen exclusivamente a tracción, de forma que transmitan las cargas propias y de servicio, tensionándose y deformándose de forma adecuada para cumplir con las exigencias de seguridad y funciona- lidad.

Asi, la estructura con 9+6n elementos, mostrado en la figura 2 en la que se han representado las parejas de triadas de elementos n=l y n=2, comprende: • Cuatro elementos laminares (ElO, E20, E30,

E40) , que unen, respectivamente, un nudo central

(NlO) , parcialmente desplazado en el eje transversal de la estructura, con los cuatro apoyos (NlP, N2P,

N3P, N4P) que se corresponden con los soportes o pi- lonas .

• Cuatro elementos (E50, E60, E70, E80) , que unen, respectivamente, otro nudo central (N20) , parcialmente desplazado en el eje transversal de la estructura en sentido opuesto al anterior, con los cuatro apoyos (NlP, N2P, N3P, N4P) de las pilonas.

• Un elemento transversal E90 que une los nudos centrales (NlO y N20) entre sí, cuya longitud será, de forma preferente, aproximadamente la mitad del ancho del tablero (T) o zona de paso. • n triadas de elementos (EIl, E21 y E31) , (E12, E22 y E32) (es decir, triadas EIn, E2n, E3n) , que unen un nudo central (NIl, N12 o NIn) ligeramente desplazado en el eje longitudinal de la estructura, con los nudos NlP, N3P, correspondientes a los apo- yos de los pilares del lado de dicho desplazamiento, y con el nudo precedente (Nl(n-l)) (que cuando n es 1, dicho nudo está en el centro de la estructura), y n triadas de elementos (E41, E51 y E61) , (E42, E52 y

E62) (es decir, triadas E4n, E5n, E6n) que unen otro nudo central (N21, N22 o N2n) , en este caso desplazado en el eje longitudinal hacia el lado opuesto, con los nudos N2P, N4P correspondientes a los pilares de dicho lado y el nudo precedente

(N2(n-1)) (que cuando n es 1, coincide con el nudo precedente Nl(n-l) del lado opuesto y se sitúa en el centro de la estructura) , hasta cubrir la longitud necesaria del puente.

En la variante de realización en que el tramado de tirantes de la estructura cuenta con 4+6n elementos, mostrado en la figura 3 en la que se ha representado n=l y hasta n=2 , éstos se disponen de manera que comprende :

• Cuatro elementos laminares (ElO, E20, E30, E40) , que unen el un nudo central (NlO) con los cuatro apoyos (NlP, N2P, N3P, N4P) que se corresponden con las pilonas.

• n triadas de elementos (EIl, E21 y E31) , (E12, E22 y E32) (es decir, triadas EIn, E2n, E3n) , que unen un nudo central (NIl, N12 o NIn) , algo desplazado en el eje longitudinal de la estructura, con los nudos (NlP, N3P) , correspondientes a los apoyos de las pilonas de dicho lado, y el nudo central precedente (Nl(n-l)) del eje longitudinal, y, en el lado contrario, n triadas de elementos (E41, E51 y E61) , (E42, E53 y E63) (es decir, triadas E4n, E5n, E6n) que unen otro nudo central (N21, N22 o N2n) desplazado en el eje longitudinal hacia el lado opuesto al anterior, con los nudos (N2P, N4P) , correspondientes a las pilonas de dicho lado, y con el nudo central precedente (N2(n-1)), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente . Tal como ocurre en el caso anterior, cuando n es 1 los nudos precedentes (Nl (n-1) y N2 (n-1) ) coinciden con el centro de la estructura, y en este caso también con el nudo central (NlO) .

Debe aclararse en este punto que, lógicamente, las referencias terminadas en "n" no se han incluido en las figuras por tratarse de elementos que se irán incorporando según las dimensiones de la estructura. Únicamente se han incluido, en ambos ejemplos de las figuras 2 y 3, las dos primeras parejas de triadas, correspondientes a n=l y n=2.

Siguiendo con la invención, cabe señalar que la separación entre apoyos (N1P-N3P, o N2P-N4P, en las Figuras 2, o 3), se calculará igualmente por dichos criterios, y re- sulta del orden de entre dos veces el ancho del tablero y dos tercios de la longitud del vano del puente.

Por su parte, el procedimiento de construcción del entramado de tirantes de la estructura es el siguiente:

En la alternativa de 9+6n elementos (Figura 2) :

• En primer lugar se disponen los cuatro elementos ElO, E20, E30, E40, desde el nudo NlO hasta los cuatro apoyos NlP, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares (Figura 2) .

• Se disponen además otros cuatro elementos de modo especular a los anteriores, E50, E60, E70, E80, desde el nudo N20 hasta los mismos apoyos, y se añade un elemento transversal E90 entre los nudos NlO y N20 (Figura 2) , cuya longitud será aproximadamente la mitad del ancho del tablero.

• Se disponen adicionalmente, con n=l, una pareja simétrica de triadas de elementos, EIl, E21, E31, desde el nudo NIl hasta los nudos NlP, N3P, y el centro de la estructura, y la triada E41, E51, E61, desde el nudo N21 hasta los nudos N2P, N4P y el cen- tro, respectivamente (Figura 2) .

• Esta adición se repite el número necesario de veces n, con las triadas de elementos, EIn, E2n, E3n, desde el nudo NIn hasta los nudos NlP, N3P, y el nudo Nl(n-l), y la triada E4n, E5n, E6n, desde el nudo N2n hasta los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente (cuarta viñeta y sucesivas de la Figura 2) .

De forma alternativa, los 4+6n elementos de la segunda posibilidad, se dispondrían de la siguiente manera (Figura 3) :

• En primer lugar se disponen los cuatro elemen- tos ElO, E20, E30, E40, desde el nudo NlO hasta los cuatro apoyos NlP, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares (Figura 3) .

• Se disponen adicionalmente, con n=l, una pareja simétrica de triadas de barras, EIl, E21, E31, desde el nudo NIl hasta los nudos NlP, N3P, y el centro de la estructura, y la triada E41, E51, E61, desde el nudo N21 hasta los nudos N2P, N4P y el centro, respectivamente (Figura 2) .

• Esta adición se repite el número necesario de veces n, con las triadas de elementos, EIn, E2n,

E3n, desde el nudo NIn hasta los nudos NlP, N3P, y el nudo Nl(n-l), y la triada E4n, E5n, E6n, desde el nudo N2n hasta los nudos N2P, N4P y el nudo N2 (n-1) , respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente (Figura 3) .

Así pues, el puente completo se compone de tres elementos: unas pilonas (P) cimentadas por procedimientos habituales al terreno, con función de estribos de puente,- un entramado de tirantes (E) compuesto, preferentemente, por elementos laminares de FRP, unidos por adhesión entre sí y a las pilonas anteriormente citadas, y dispuestos en la forma ya descrita, con el objeto de que trabajen exclusivamente a tracción y por el principio de la catenaria, aprovechando el límite de rotura y la rigidez del mate- rial de forma óptima, imponiendo la restricción de minimizar la cantidad de material y la esbeltez y una sobre- estructura que conforma el tablero (T) , superpuesta al antedicho entramado, y que está unido a la estructura mediante cualquier elemento separador (U) , encargada de re- partir las cargas de servicio a la misma.

El reemplazo de materiales tradicionales por Polímero Reforzado con Fibra (FRP) mejora la esbeltez con la que se puede construir un puente. La presente tipología mejora respecto a otras tipologías utilizadas para FPR, la es- beltez del puente, gracias a que la tipología aprovecha óptimamente el material, manteniendo los criterios de seguridad y servicio.

Se consigue de esta manera una estructura de gran esbeltez y ligereza, con todo lo que lleva consigo estructu- ral, constructiva e incluso ambientalmente (mínima carga de peso propio, facilidad y rapidez de montaje y desmontaje, mínimo impacto ambiental y fácil reutilización) ; así como enormes posibilidades estéticas y ambientales (gran amplitud de encaje visual en su entorno natural, jugando con formas, sombras, contornos, etc.), lo que se traduce al final de todo, en mejoras económicas y ecológicas (incluyendo en esto a las personas) . Atendiendo a las figuras 4, 5 y 6, se puede observar en ellas un ejemplo de realización del puente según la in- vención.

Tal como se ha señalado anteriormente, los materiales preferidos son polímero reforzado con fibra, preferentemente de carbono en forma de lámina unidireccional, para los tirantes del entramado (E) , de secciones A=P/U±50%, donde P es la carga total de uso que ha de soportar el puente, y U la tensión límite elástica característica del material que compone las láminas, para todos los tirantes, excepto los más externos y el longitudinal central, cuya sección tendrá un ancho hasta el doble de los anteriores . Dicho entramado (E) sostiene un tablero (T) , con sección aligerada comercial; y también para los elementos de separación (U) , que adquieren forma de costillas en sección parabólica de canto máximo C inferior a L/50, con sección en I de C/5±50% de ancho del ala y espesor calculado para que resulte admisible la deflexión central de una costilla biapoyada sometida a la carga PL/B, separados equi- distantemente la luz B que admita el tablero según sus especificaciones técnicas. El tablero (T) también se encuentra apoyado simplemente en estribos convencionales.

Las pilonas (P) , por su parte, son de hormigón armado en una faja de polímero reforzado con fibra de carbono, de diámetro L/50±50% y alto L/20+50%, cimentados sobre encepados convencionales micropilotados según el terreno y están posicionadas en las cuatro esquinas separadas del eje del puente una distancia 0, 35L±25% y retranqueados en la orilla lo suficiente para acomodar la cimentación.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente in- vención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más amplia su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciendo constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental .