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Title:
SELF-CENTRING IMPACT ENERGY DISSIPATION MECHANISM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/069954
Kind Code:
A1
Abstract:
A mechanism for installation on terrain, on a foundation or on a structure, to provide passive safety on highways, ports, railways or similar, for the protection of the respective vehicles or structures, comprising: at least one rigid element (6) disposed as one side of a triangle whose basal side rests against the terrain, foundation or structure and is articulatedly assembled with its first extremity at the apex of the triangle, its mid-point pivoted at an intermediate element (6a) which can articulate with respect to a point on the basal side of the triangle, and with its second extremity pivoted with respect to at least one friction element (3); the at least one friction element (3) has a body which extends longitudinally and a free extremity that are disposed in the direction of the basal side of the triangle, covering a distance greater than the projection of the rigid element (6) on said side; a member for dissipation by friction (2) comprising a number of stacked, rigid pressure elements (2a,..,2N), there being cavities defined between these to receive in a sliding manner and hold tightly said at least one friction element (3) in a portion of its longitudinal extension, where the pressure element (2a) rests fixedly against the terrain, foundation or structure; at least one elastic element (1) disposed with its axis in the direction of the degree of freedom of the mechanism and perpendicular to the basal side of the triangle, pivotedly linked by its distal extremity at the apex of the triangle to a panel (8) and to said at least one rigid element (6), and its proximal extremity resting fixedly on the pressure element (2N) to transmit a force which presses each friction element (3) between the pressure elements (2a,..,2N); the at least one friction element (3) and at least one rigid element (6) are linked by means of a coupling element (4) which connects them to a sliding support (5) resting against the terrain, foundation or structure, enabling the sliding of each friction element (3) perpendicularly to the impact load when this compresses the elastic element (1).

Inventors:
MAUREIRA CARSALADE NELSON EDUARDO (CL)
VILLAGRÁN VALENZUELA MAURICIO FELIPE (CL)
Application Number:
PCT/IB2019/058571
Publication Date:
April 15, 2021
Filing Date:
October 08, 2019
Export Citation:
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Assignee:
UNIV CATOLICA DE LA SANTISIMA CONCEPCION (CL)
International Classes:
B63B59/02; E02B3/26; F16F7/08; F16F15/04; F16F15/06
Domestic Patent References:
WO2019172754A12019-09-12
Foreign References:
FR1031969A1953-06-29
US4137861A1979-02-06
US2842939A1958-07-15
Attorney, Agent or Firm:
MATTAR MARTÍNEZ, Ignacio (CL)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Un mecanismo auto-centrante disipador de energía transmitida a través de una carga de impacto, para montar en terreno, cimiento o en una estructura, aplicable como elemento de seguridad pasiva vial, portuaria, ferroviaria o similar para la protección de los respectivos vehículos o estructuras ante una colisión, CARACTERIZADO porque comprende: al menos un elemento rígido (6) que está dispuesto como un lado de un triángulo cuyo lado basal se apoya en dicho terreno, cimiento o estructura, está montado de forma articulada, con su primer extremo en el ápice de dicho triángulo, su punto medio pivoteado a un elemento intermedio (6a), que puede articular con respecto a un punto en el lado basal del triángulo, y con su segundo extremo pivoteado respecto a al menos un elemento de fricción (3); en donde dicho al menos un elemento de fricción (3) tiene un cuerpo extendido longitudinalmente y un extremo libre los que se disponen en la dirección del lado basal del triángulo, cubriendo una distancia mayor a la proyección del elemento rígido (6) sobre dicho lado basal; un miembro de disipación por roce (2), que comprende unos elementos o placas de presión (2a,..,2N), rígidos y montados apiladamente, los que tienen cavidades definidas entre ellos para recibir de forma deslizable y ajustada a dicho al menos un elemento de fricción (3) en una porción de su extensión longitudinal, en donde el elemento de presión (2a) se apoya de forma fija contra el terreno, cimiento o estructura; al menos un elemento elástico (1) dispuesto con su eje en la dirección del grado de libertad del mecanismo y perpendicular al lado basal del triángulo, se une de forma pivotante por su extremo distal en el ápice del triángulo a un panel (8) dispuesto para recibir la carga de impacto y a dicho al menos un elemento rígido (6), y su extremo proximal se apoya de forma fija contra el elemento de presión (2N) para transmitir una fuerza que presiona a cada elemento de fricción (3) entre los elementos de presión (2a,..,2N); en donde dichos al menos un elemento de fricción (3) y al menos un elemento rígido (6) se unen mediante un elemento de acople (4) que los conecta con al menos un apoyo deslizante (5) que se apoya contra el terreno, cimiento o estructura permitiendo deslizamiento de cada elemento de fricción (3) en el sentido perpendicular a la carga de impacto cuando ésta comprime al elemento elástico (1) modificando la geometría triangular del mecanismo y permitiendo la disipación por roce de gran parte de la energía impuesta por la carga de impacto. 2. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho al menos un elemento de acople (4) sujeta uno o varios elementos de fricción (3).

3. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, CARACTERIZADO porque cada elemento de fricción (3) presenta una sección transversal que proporciona múltiples superficies para fricción.

4. El mecanismo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque el miembro de disipación por roce (2) comprende elementos o placas de presión (2a,..,2N) con cavidades orientadas de forma de recibir múltiples elementos de fricción (3) que deslizan en distintos niveles o planos con respecto a la dirección del eje del elemento elástico (1).

5. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque los elementos o placas de presión (2a,..,2N) del miembro de disipación por roce (2) se encuentran trabadas mecánicamente entre sí para restringir el desplazamiento relativo entre ellas en la dirección de su plano, pero permitiendo el desplazamiento perpendicular a dicho plano.

6. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el miembro de disipación por roce (2) comprende además un alojamiento estanco que encierra a los elementos o placas de presión (2a,..,2N) dentro del cual sólo salen los elementos de fricción (3), el cual se conecta en su cara superior el elemento elástico (1) y se encuentra fijo en su cara inferior al terreno, cimiento o estructura.

7. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación anterior, CARACTERIZADO porque dicho alojamiento del miembro de disipación por roce (2) incluye una caja de lubricación, para incorporar lubricante entre los elementos o placas de presión (2a,..,2N).

8. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque el miembro de disipación por roce (2) comprende además unos medios de disipación de calor que comprenden al menos una de las siguientes opciones: un sistema radiador que opera por convección natural o forzada, un intercambiador de calor, o el empleo un material de mayor conductividad térmica para la fabricación del alojamiento estanco.

9. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho al menos un elemento rígido (6) con su elemento intermedio (6a) correspondiente y dicho al menos un elemento de fricción (3) con su elemento de acople (4) y apoyo deslizante (5) correspondientes se definen como un conjunto primario que está asociado a un plano perpendicular al terreno, cimiento o estructura, y dicho conjunto primario se replica simétricamente con respecto al eje del elemento elástico (1), de forma que el conjunto replicado puede articularde forma simultánea al conjunto primario cuando el elemento elástico (1) se comprime.

10. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho al menos un elemento rígido (6) con su elemento intermedio (6a) correspondiente y dicho al menos un elemento de fricción (3) con su elemento de acople (4) y apoyo deslizante (5) correspondientes, se definen como un conjunto primario asociado a un plano perpendicular al terreno, cimiento o estructura, y dicho conjunto primario se replica en al menos un plano con un desplazamiento angular predeterminado con respecto al eje del elemento elástico (1), de forma que cada conjunto replicado puede articular de forma simultánea al conjunto primario cuando el elemento elástico (1) se comprime, en donde los elementos o placas de presión (2a,..,2N) tienen sus cavidades orientadas de forma de recibir entre cada pareja de elementos de presión consecutivos a los elementos de fricción (3) de un solo conjunto ya sea primario o replicado, de forma que los elementos de fricción (3) deslizan en distintos niveles o planos con respecto a la dirección del eje del elemento elástico (1) en paralelo al desplazamiento angular correspondiente.

11. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque comprende unos elementos de fricción (3a, 3b), unidos cada uno a elementos rígidos (6) en lados opuestos respecto al eje del elemento elástico (1), en donde se establece un solapamiento entre los elementos de fricción (3a, 3b) que permite la disipación de energía por roce entre los mismos.

12. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 11 , CARACTERIZADO porque dicho solapamiento entre los elementos de fricción (3a, 3b) se produce en varios planos distintos.

13. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque cada elemento de presión (2a,..,2N) tiene una parte reemplazable o de sacrificio, en función del su desgaste, o cada elemento de presión (2a,..,2N) es un componente de sacrificio en su totalidad.

REIVINDICACIONES MODIFICADAS recibidas por la oficina Internacional el 03 de agosto de 2020 (03.08.2020)

1 . Un mecanismo auto-centrante disipador de energía transmitida a través de una carga de impacto, para montar en terreno, cimiento o en una estructura, aplicable como elemento de seguridad pasiva vial, portuaria, ferroviaria o similar para la protección de los respectivos vehículos o estructuras ante una colisión, CARACTERIZADO porque comprende: al menos un elemento rígido (6) que está dispuesto como un lado de un triángulo cuyo lado basal se apoya en dicho terreno, cimiento o estructura, está montado de forma articulada, con su primer extremo en el ápice de dicho triángulo, su punto medio pivoteado a un elemento intermedio (6a), que puede articular con respecto a un punto en el lado basal del triángulo, y con su segundo extremo pivoteado respecto a al menos un elemento de fricción (3); en donde dicho al menos un elemento de fricción (3) tiene un cuerpo extendido longitudinalmente y un extremo libre los que se disponen en la dirección del lado basal del triángulo, cubriendo una distancia mayor a la proyección del elemento rígido (6) sobre dicho lado basal; un miembro de disipación por roce (2), que comprende unos elementos o placas de presión (2a,..,2N), rígidos y montados apiladamente, los que tienen cavidades definidas entre ellos para recibir de forma deslizable y ajustada a dicho al menos un elemento de fricción (3) en una porción de su extensión longitudinal, en donde el elemento de presión (2a) se apoya de forma fija contra el terreno, cimiento o estructura; al menos un elemento elástico (1) dispuesto con su eje en la dirección del grado de libertad del mecanismo y perpendicular al lado basal del triángulo, se une de forma pivotante por su extremo distal en el ápice del triángulo a un panel (8) dispuesto para recibir la carga de impacto y a dicho al menos un elemento rígido (6), y su extremo proximal se apoya de forma fija contra el elemento de presión (2N) para transmitir una fuerza que presiona a cada elemento de fricción (3) entre los elementos de presión (2a,..,2N); en donde dichos al menos un elemento de fricción (3) y al menos un elemento rígido (6) se unen mediante un elemento de acople (4) que los conecta con al menos un apoyo deslizante (5) que se apoya contra el terreno, cimiento o estructura permitiendo deslizamiento de cada elemento de fricción (3) en el sentido perpendicular a la carga de impacto cuando ésta comprime al elemento elástico (1) modificando la geometría triangular del mecanismo y permitiendo la disipación por roce de la energía impuesta por la carga de impacto.

2. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho al menos un elemento de acople (4) sujeta uno o varios elementos de fricción (3). 3. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, CARACTERIZADO porque cada elemento de fricción (3) presenta una sección transversal que proporciona múltiples superficies para fricción.

4. El mecanismo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque el miembro de disipación por roce (2) comprende elementos o placas de presión (2a,..,2N) con cavidades orientadas de forma de recibir múltiples elementos de fricción (3) que deslizan en distintos niveles o planos con respecto a la dirección del eje del elemento elástico (1).

5. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque los elementos o placas de presión (2a,..,2N) del miembro de disipación por roce (2) se encuentran trabadas mecánicamente entre sí para restringir el desplazamiento relativo entre ellas en la dirección de su plano, pero permitiendo el desplazamiento perpendicular a dicho plano.

6. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el miembro de disipación por roce (2) comprende además un alojamiento estanco que encierra a los elementos o placas de presión (2a,..,2N) dentro del cual sólo salen los elementos de fricción (3), el cual se conecta en su cara superior el elemento elástico (1) y se encuentra fijo en su cara inferior al terreno, cimiento o estructura.

7. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación anterior, CARACTERIZADO porque dicho alojamiento del miembro de disipación por roce (2) incluye una caja de lubricación, para incorporar lubricante entre los elementos o placas de presión (2a,..,2N).

8. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque el miembro de disipación por roce (2) comprende además unos medios de disipación de calor que comprenden al menos una de las siguientes opciones: un sistema radiador que opera por convección natural o forzada, un intercambiador de calor, o el empleo un material de mayor conductividad térmica para la fabricación del alojamiento estanco.

9. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho al menos un elemento rígido (6) con su elemento intermedio (6a) correspondiente y dicho al menos un elemento de fricción (3) con su elemento de acople (4) y apoyo deslizante (5) correspondientes se definen como un conjunto primario que está asociado a un plano perpendicular al terreno, cimiento o estructura, y dicho conjunto primario se replica simétricamente con respecto al eje del elemento elástico (1), de forma que el conjunto replicado puede articular de forma simultánea al conjunto primario cuando el elemento elástico (1) se comprime.

10. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho al menos un elemento rígido (6) con su elemento intermedio (6a) correspondiente y dicho al menos un elemento de fricción (3) con su elemento de acople (4) y apoyo deslizante (5) correspondientes, se definen como un conjunto primario asociado a un plano perpendicular al terreno, cimiento o estructura, y dicho conjunto primario se replica en al menos un plano con un desplazamiento angular predeterminado con respecto al eje del elemento elástico (1), de forma que cada conjunto replicado puede articular de forma simultánea al conjunto primario cuando el elemento elástico (1) se comprime, en donde los elementos o placas de presión (2a,..,2N) tienen sus cavidades orientadas de forma de recibir entre cada pareja de elementos de presión consecutivos a los elementos de fricción (3) de un solo conjunto ya sea primario o replicado, de forma que los elementos de fricción (3) deslizan en distintos niveles o planos con respecto a la dirección del eje del elemento elástico (1) en paralelo al desplazamiento angular correspondiente.

11. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque comprende unos elementos de fricción (3a, 3b), unidos cada uno a elementos rígidos (6) en lados opuestos respecto al eje del elemento elástico (1), en donde se establece un solapamiento entre los elementos de fricción (3a, 3b) que permite la disipación de energía por roce entre los mismos.

12. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 11 , CARACTERIZADO porque dicho solapamiento entre los elementos de fricción (3a, 3b) se produce en varios planos distintos.

13. El mecanismo de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque cada elemento de presión (2a,..,2N) tiene una parte reemplazable o de sacrificio, en función del su desgaste, o cada elemento de presión (2a,..,2N) es un componente de sacrificio en su totalidad.

Description:
MECANISMO AUTO-CENTRANTE DISIPADOR DE ENERGÍA DE IMPACTO

MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se relaciona con la industria de los disipadores de energía de impacto. La naturaleza de las situaciones en las que se debe disipar energía es muy variada por lo que cualquier nuevo mecanismo de disipación debe ser estudiado para evaluar su real aplicabilidad a la problemática en la que se espera implementar. En particular, la presente invención, se propone como un mecanismo de disipación de la energía cinética de objetos que impactan contra una superficie o cuerpo rígido. Estos objetos eventualmente podrían ser automóviles, trenes, barcos, etc. Cada eventual aplicación propuesta, implica un desarrollo tecnológico diferente, sin embargo, el mecanismo de disipación propuesto, tiene los mismos componentes básicos para las diferentes aplicaciones posibles.

ESTADO DEL ARTE

En la actualidad existen numerosas formas de absorber energía mecánica asociada al movimiento, las cuales por lo general consideran disipación por deformación inelástica, roce o almacenamiento elástico de la energía.

Tanto en carreteras como vías férreas o puertos, existen dispositivos especialmente diseñados para absorber energía cinética proveniente de los vehículos que eventualmente impactan en los límites de la ruta. Así, para el caso de las carreteras existen diversas formas de defensas camineras dispuestas a los costados de las vías, o bien los vehículos cuentan con mecanismos de disipación de energía ante impactos que van incorporados a su chasis. Para el caso de puertos, existen defensas portuarias de caucho instalados en los muelles que protegen tanto a este último como al barco, de la fuerza que genera el impacto. En el caso de los trenes existen defensas ferroviarias en los finales de vías, en estaciones o instalaciones de mantenimiento y los carros se montan sobre cojinetes que amortiguan el movimiento de estos. Adicionalmente, existe una gran gama de dispositivos de amortiguación con diversas aplicaciones que disipan la energía o bien atenúan los desplazamientos de los dispositivos a los cuales se conectan, a modo de ejemplo se pueden mencionar amortiguadores de autos, amortiguadores de lavadoras, dispositivos para atenuar vibraciones en rotomartillos, entre muchos otros. Cada uno de los sistemas descritos presenta mecanismos de disipación diferentes y su eficiencia y efectividad se puede medir en términos de la cantidad de energía absorbida, cantidad de energía disipada y velocidad de rebote del vehículo al perder contacto con la defensa, la magnitud de la fuerza de reacción al impacto, la deformación máxima de los objetos que interactúan. Entre los documentos del arte previo se cita US20180178885A1 , que describe un mecanismo de amarre que comprende un soporte capaz de ser montado en una embarcación marítima, un primer componente de sujeción conectado al soporte a través de un mecanismo de ajuste, y un segundo componente de sujeción conectado al soporte. El funcionamiento del mecanismo de ajuste mueve el primer componente de sujeción en relación con el segundo componente de sujeción para permitir que una estructura se sujete entre ellos para amarrar un barco de mar a la estructura.

También en el campo técnico del amarre de naves se tiene a US8408153B2, que describe un sistema capaz de recibir y parcialmente controlar el proceso de aproximación de una embarcación a un lugar de atraque. El sistema está compuesto por múltiples dispositivos montados a lo largo de la línea de atraque y cada dispositivo cuenta con al menos un mecanismo de contacto con la nave apoyado en un sistema móvil que debe permitir el movimiento relativo al muelle y capaz de ajustarse al casco del buque. Un sensor detecta la posición de la nave relativa al muelle y un procesador puede indicar instrucciones al sistema para ajustar la respuesta del mecanismo durante la recepción de la nave y reducir la velocidad de aproximación de la nave a su sitio de atraque.

Las dos referencias anteriores representan el estado del arte en material de sistemas de amarre de naves. En conjunto con el sistema “Shore tensión”, son sustitutos naturales de la tecnología propuesta por el dispositivo propuesto en esta patente si lo pensamos como una defensa portuaria. Estas patentes son similares entre sí y si bien puede que los mecanismos de accionamiento difieran entre ellas, no representan grandes diferencias tecnológicas. El dispositivo propuesto en nuestra patente permite mejorar la respuesta de la nave tanto para las maniobras de atraque como durante los procesos de carga y descarga con la embarcación amarrada. El dispositivo presenta proporcionalidad en su capacidad disipadora frente a la carga excitadora, tiene la capacidad de recuperar su posición original en forma autónoma (auto-centrante) y es independiente de otras fuentes de energía, no ocupa espacio sobre la plataforma del puerto y puede ser implementado como un dispositivo nuevo o bien como una mejora a la infraestructura actual, lo que reduce sustancialmente la inversión inicial y aumenta las posibilidades de actualización de infraestructuras antiguas.

La referencia W02005097590 corresponde a un dispositivo de amarre que incluye un mecanismo de atracción accionado por succión capaz de enganchar en una embarcación para conectar la embarcación a un sitio de atraque. El mecanismo succionador se puede mover con relación a la instalación de amarre para poder retraerse a una condición seguridad en la que las defensas portuarias prevengan la interacción de la embarcación con la infraestructura de atraque. Notamos que se busca mejorar el comportamiento de una nave en condiciones de atraque gracias a su mecanismo de sujeción mediante un panel de succión, que se ajusta a la posición de la nave. Nuestro dispositivo presenta varias diferencias en relación a lo acá propuesto, en primer lugar, es funcional tanto para las maniobras de atraque como de amarre, el mecanismo disipador es diferente y su capacidad no es proporcional a la carga. Adicionalmente la referencia requiere de energía externa para su funcionamiento lo que lo hace dependiente de soporte energético.

En un campo de aplicación completamente diferente, la patente de invención US006279693B1 , considera un amortiguador de fricción adaptado para vehículos ferroviarios que incluye una carcasa que tiene un extremo deslizable rodeando un extremo de un eje móvil relativo a él. Los extremos opuestos de la carcasa y el eje pueden tener cada uno un elemento de conexión para la conexión con elementos móviles independientes. Uno o más elementos de fricción de diferentes materialidades, que pueden ser incorporados en la carcasa para interactuar con el eje. La carcasa se puede adaptar para mantener generalmente la presión entre los elementos de fricción y la carcasa dentro de un rango de presiones deseables. Esta referencia fue incorporada como una muestra de dispositivo de disipación friccional aplicado a vagones de ferrocarriles, lo que entrega otra área de desarrollo a la tecnología que se quiere patentar. Nuestro dispositivo presenta varias ventajas comparativas con el propuesto por esta patente, especialmente relativas a la proporcionalidad de la energía disipada, por lo que sería una mejora tecnológica importante. En una línea de desarrollo similar, se presenta la patente W02005/017385 A1 , en la que se muestra un amortiguador friccional para vehículos que cuenta con la capacidad de disipación proporcional a la carga aplicada. Este dispositivo difiere con el propuesto en esta patente, en la forma de los mecanismos de disipación, y las capacidades de disipación del dispositivo.

Por otro lado, la solicitud CL201502305 describe un dispositivo disipador friccional de energía compacto, simple y capaz de tomar grandes cargas evitando la existencia de una deformación residual para ser usado en una amplia gama de aplicaciones tales como disipación de energía en diversas estructuras, comprende un cuerpo interiormente simétrico en torno a su eje vertical que tiene una cavidad interna formada por 2 o más barras o brazos los cuales en sus extremos conforman cuñas y porque en el interior de dicho cuerpo se dispone un vástago central dos o más cuñas un elemento elástico de compresión y donde el elemento elástico de compresión se encuentra en al menos uno de sus extremos fijo a los brazos en cuyo extremos se dispone una superficie de roce. Pese al lenguaje similar y los nombres similares de los componentes de la solicitud CL201502305 respecto a la presente invención, el dispositivo difiere significativamente con la presente tecnología, tanto en la forma geométrica de los mecanismos de disipación, como en la forma de operar de los dispositivos y las capacidades de disipación del dispositivo.

Finalmente citamos el documento CN103303230A, en el que se enseña un dispositivo de protección contra colisiones de un automóvil, en particular a un mecanismo friccional de absorción de energía generada por la colisión del automóvil. El dispositivo comprende una caja de absorción de energía y una barra de amortiguación, en la que la barra de amortiguación está montada de manera fija en un parachoques del vehículo y se extiende en una dirección delantera y una dirección trasera; un elemento amortiguador friccional está montado en la caja de absorción de energía. Este dispositivo presenta un mecanismo disipador para colisiones de autos que, a diferencia de la presente propuesta, no cuenta con un mecanismo auto-centrante y su capacidad disipadora es fija y depende de un sistema de apriete exterior regulable, pero no es proporcional a la magnitud de la carga aplicada.

Por todo lo anterior, existe una oportunidad tecnológica para desarrollar un mecanismo optimizado en la disipación de energía, de manera que la misma se realice de forma mucho más controlada. Esto tiene un importante efecto en la atenuación de la respuesta dinámica del objeto o vehículo que impacta con el mecanismo, lo que se busca lograr al disminuir la deformación o recorrido de la defensa durante el impacto, reducir la velocidad de rebote, mitigando así el daño en el vehículo y en la estructura de contención.

SOLUCIÓN AL PROBLEMA TÉCNICO

Para subsanar el problema planteado, se presenta un mecanismo disipador de energía de impacto auto-centrante, esto es, que trabaja en iguales condiciones iniciales ante diferentes cargas ya que tiene la capacidad de recuperar su forma original luego de retirada la carga, sin necesidad de mantenimiento entre eventos. Por otra parte, el dispositivo es capaz de disipar energía de forma controlada en eventos sucesivos, sin cambiar considerablemente sus propiedades. Los dos requisitos anteriores se satisfacen mediante dos componentes básicos en el dispositivo: un elemento elástico, y un elemento de disipación por fricción. El elemento elástico proporciona la fuerza “auto-centrante” la cual es proporcional a la deformación impuesta por la carga de impacto. El elemento de disipación comprende un elemento friccional en el cual la fuerza normal que genera la fuerza de roce es proporcional a la fuerza ejercida por el elemento elástico. Debido a lo anterior, dicho elemento de disipación impone en la dirección del impacto una fuerza no conservativa que permite la disipación controlada de la energía del impacto.

Para lograr que la fuerza elástica permita el auto-centrado del dispositivo, la fuerza de roce proyectada en la dirección de la deformación del dispositivo por carga de impacto, debe ser menor a la fuerza elástica en dicha dirección. Esto se logra gracias al diseño geométrico del dispositivo que garantiza que la fuerza de roce sea siempre menor que la fuerza elástica. Debido a todo lo anterior, el dispositivo puede responder en forma proporcional a la carga de impacto aplicada tanto en su componente elástica como en la componente friccional, disipando energía de forma proporcional con el desplazamiento y la carga impuestos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Las siguientes figuras se acompañan para mayor ilustración del mecanismo auto-centrante disipador de energía de impacto propuesto.

La FIG.1A muestra una vista esquemática de una realización del mecanismo de la presente invención en posición de reposo.

La FIG. 1B muestra el mecanismo de la FIG. 1A en posición comprimida, sometido a carga.

La FIG. 2 muestra la relación teórica entre fuerza y desplazamiento (o deformación) del mecanismo de la presente invención al ser sometido a carga y descarga.

La FIG. 3A muestra una vista isométrica o tridimensional de una realización del dispositivo amortiguador de impacto, con una vista despiezada del conjunto de componentes y forma de ensamblaje sugerida mediante líneas segmentadas.

La FIG. 3B muestra una vista lateral del mecanismo de la FIG. 3A ensamblado, en su configuración no deformada.

La FIG. 3C muestra una vista lateral del mecanismo de la FIG. 3A ensamblado, en su configuración deformada a su capacidad máxima por carga de compresión.

La FIG. 4A muestra una vista esquemática de una modalidad simplificada o básica del mecanismo de la presente invención en posición de reposo. La FIG. 4B muestra una vista esquemática de una modalidad simplificada o básica del mecanismo de la presente invención en posición comprimida al ser sometido a carga.

La FIG. 5 muestra una vista esquemática de una modalidad similar a la descrita en FIG. 4A y 4B en que se incorpora mayor cantidad de elementos o placas de fricción en forma apilada e integrados en un miembro de disipación por roce.

La FIG. 6 muestra una vista superior (o en planta) esquemática de un modelo del mecanismo de la presente invención, empleado en pruebas de laboratorio, al cual se le aproxima un móvil en dirección de colisión alineada al grado de libertad del mecanismo.

La FIG. 7 muestra los ciclos de histéresis durante la interacción carro-amortiguador obtenidos a partir de los resultados experimentales de un primer ensayo de entre seis ensayos de laboratorio con diferente masa y velocidad del móvil que impacta al amortiguador.

La FIG. 8 muestra los ciclos de histéresis durante la interacción carro-amortiguador obtenidos a partir de los resultados experimentales de un segundo ensayo de entre seis ensayos de laboratorio con diferente masa y velocidad del móvil que impacta al amortiguador.

La FIG. 9 muestra los ciclos de histéresis durante la interacción carro-amortiguador obtenidos a partir de los resultados experimentales de un tercer ensayo de entre seis ensayos de laboratorio con diferente masa y velocidad del móvil que impacta al amortiguador.

La FIG. 10 muestra los ciclos de histéresis durante la interacción carro-amortiguador obtenidos a partir de los resultados experimentales de un cuarto ensayo de entre seis ensayos de laboratorio con diferente masa y velocidad del móvil que impacta al amortiguador.

La FIG. 11 muestra los ciclos de histéresis durante la interacción carro-amortiguador obtenidos a partir de los resultados experimentales de un quinto ensayo de entre seis ensayos de laboratorio con diferente masa y velocidad del móvil que impacta al amortiguador.

La FIG. 12 muestra los ciclos de histéresis durante la interacción carro-amortiguador obtenidos a partir de los resultados experimentales de un sexto ensayo de entre seis ensayos de laboratorio con diferente masa y velocidad del móvil que impacta al amortiguador.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con referencia a las FIG. 1A y 1 B, la presente invención consiste en un dispositivo o mecanismo de un grado de libertad, auto-centrante, disipador de energía transmitida por una carga de impacto, para montar en terreno, cimiento o en una estructura, aplicable como elemento de seguridad pasiva vial, portuaria, ferroviaria o similar para la protección de los respectivos vehículos o estructuras ante una colisión, que cuenta con: a) un elemento elástico o resorte (1) ubicado en el centro del dispositivo y orientado en la dirección del grado de libertad presentado con la flecha u; b) un miembro de disipación por roce formado por al menos dos placas de presión (2a,..,2N) rígidas y apiladas verticalmente, en donde la cara superior de la placa de presión ubicada en la posición de más arriba soporta y sujeta el extremo inferior del elemento elástico (1), en donde todas las placas de presión se encuentran trabadas mecánicamente entre sí para restringir el desplazamiento relativo entre ellas en la dirección de su plano, pero permitiendo el desplazamiento perpendicular a dicho plano para efectos de montaje; la placa de presión ubicada en la posición de más abajo, correspondiente a la placa (2a) en la FIG. 1 , se encuentra fija en su cara inferior a la estructura que se busca proteger; un par de sistemas de elementos de fricción compuestos por dos o más elementos de fricción (3) que deslizan dentro de cavidades o espacios definidos entre dichas al menos dos placas (2a) y (2N) son sometidos a presión transmitida por el elemento elástico (1), de forma que pueden desplazarse en dirección ortogonal al eje del elemento elástico (1) y que al deslizar en presencia de fuerzas de roce aportan disipación de energía al dispositivo que constituye la invención; c) dos elementos de acople (4) ubicados a los costados izquierdo y derecho del dispositivo, que sujetan a los elementos de fricción (3); d) unos apoyos deslizantes

(5) se unen a cada uno de los elementos de acople (4), permitiendo que deslice en dirección perpendicular al eje longitudinal del elemento elástico (1); e) al menos un par de elementos rígidos (6) por ejemplo barras, dispuestos en dirección diagonal a ambos costados del elemento elástico (1 ), que se unen por medio de conexiones articuladas a los elementos de acople (4) en sus extremos inferiores o cercanos a la estructura a proteger y que reciben o se conectan de forma pivotante en su punto medio un elemento rígido intermedio (6a) que, por su parte, está unido en forma rotulada en su extremo opuesto a una de las placas de presión del miembro de guiado; f) un pasador (7) que permite la unión articulada del extremo superior del elemento elástico (1 ) con los elementos rígidos (6); g) un panel (8) que recibe la carga de impacto, representada por la flecha en la FIG. 1 B, que en una realización preferida se une al dispositivo amortiguador por medio del pasador (7), en el mismo punto de unión de los elementos rígidos (6) con el elemento elástico (1).

En la una realización particular, de acuerdo con las FIG. 3A, 3B y 3C, el mecanismo incluye además un miembro de arriostramiento o rigidizador (9) que une parejas de elementos rígidos

(6) ubicados al mismo costado del elemento elástico (1 ), permitiendo que dichas parejas de elementos ríaidos trabaien en coniunto. La incorporación de los elementos rígidos intermedios (6a) es una sugerencia de diseño que permite condicionar la deformación del dispositivo de forma alineada con el eje vertical central, por lo tanto, restringiendo el desplazamiento del dispositivo en la dirección perpendicular al plano del terreno, cimiento o en una estructura contra el cual se fija, representados por la línea inferior en los diagramas de FIG. 1 A y 1 B. Opcionalmente, como es presenta en la FIG. 3A- 3B se puede diseñar el elemento elástico (1 ) para soportar solicitaciones laterales.

Una realización minimalista o básica del dispositivo está representada en la FIG. 4. En ella se presenta un mecanismo auto-centrante disipador de energía transmitida por una carga de impacto, para montar en terreno, cimiento o en una estructura, aplicable como elemento de seguridad pasiva vial, portuaria, ferroviaria o similar para la protección de los respectivos vehículos o estructuras ante una colisión, que comprende: al menos un elemento rígido (6) que está dispuesto como un lado de un triángulo cuyo lado basal se apoya en dicho terreno, cimiento o estructura, está montado de forma articulada, con su primer extremo en el ápice de dicho triángulo, su punto medio pivoteado a un elemento intermedio (6a), que puede articular con respecto a un punto en el lado basal del triángulo, y con su segundo extremo pivoteado respecto a al menos un elemento de fricción (3); en donde dicho al menos un elemento de fricción (3) tiene un cuerpo extendido longitudinalmente y un extremo libre los que se disponen en la dirección del lado basal del triángulo, cubriendo una distancia mayor a la proyección del elemento rígido (6) sobre dicho lado basal; un miembro de disipación por roce (2), que comprende unos elementos o placas de presión (2a,..,2N), rígidos y montados apiladamente, los que tienen cavidades definidas entre ellos para recibir de forma deslizable y ajustada a dicho al menos un elemento de fricción (3) en una porción de su extensión longitudinal, en donde el elemento de presión (2a) se apoya de forma fija contra el terreno, cimiento o estructura; al menos un elemento elástico (1) dispuesto con su eje en la dirección del grado de libertad del mecanismo y perpendicular al lado basal del triángulo, se une de forma pivotante por su extremo distal en el ápice del triángulo a un panel (8) dispuesto para recibir la carga de impacto y a dicho al menos un elemento rígido (6), y su extremo proximal se apoya de forma fija contra el elemento de presión (2N) para transmitir una fuerza que presiona a cada elemento de fricción (3) entre los elementos de presión (2a,..,2N); en donde dichos al menos un elemento de fricción (3) y al menos un elemento rígido (6) se unen mediante un elemento de acople (4) que los conecta con al menos un apoyo deslizante (5) que se apoya contra el terreno, cimiento o estructura permitiendo deslizamiento de cada elemento de fricción (3) en el sentido perpendicular a la carga de impacto cuando ésta comprime al elemento elástico (1) modificando la geometría triangular del mecanismo y permitiendo la disipación por roce de gran parte de la energía impuesta por la carga de impacto.

En una realización particular del mecanismo, dicho al menos un elemento de acople (4) sujeta varios elementos de fricción (3), incluidos en un mismo plano o en distintos planos.

En otra realización particular del mecanismo, cada elemento de fricción (3) presenta una sección transversal que proporciona múltiples superficies para fricción.

En cualquiera de los casos anteriores, el miembro de disipación por roce (2) comprende elementos o placas de presión (2a,..,2N) con cavidades orientadas de forma de recibir múltiples elementos de fricción (3) que deslizan en distintos niveles o planos con respecto a la dirección del eje del elemento elástico (1 ).

En otra realización particular del mecanismo, los elementos o placas de presión (2a,..,2N) del miembro de disipación por roce (2) se encuentran trabadas mecánicamente entre sí para restringir el desplazamiento relativo entre ellas en la dirección de su plano, pero permitiendo el desplazamiento perpendicular a dicho plano.

En otra realización particular del mecanismo, el miembro de disipación por roce (2) comprende además un alojamiento estanco que encierra a los elementos o placas de presión (2a,..,2N) dentro del cual sólo salen los elementos de fricción (3), el cual se conecta en su cara superior el elemento elástico (1 ) y se encuentra fijo en su cara inferior al terreno, cimiento o estructura, sin que se vea la tecnología dentro de él. De forma opcional, dicho alojamiento del miembro de disipación por roce (2) incluye una caja de lubricación, para incorporar lubricante entre los elementos o placas de presión (2a,..,2N). En otra alternativa derivada, el miembro de disipación por roce (2) comprende además unos medios de disipación de calor que comprenden al menos una de las siguientes opciones: un sistema radiador que opera por convección natural o forzada, un intercambiador de calor, o el empleo de un material de mayor conductividad térmica para la fabricación del alojamiento estanco. De este modo, se provee medios adicionales para favorecer la disipación de calor y controlar la fricción.

En otra realización particular del mecanismo, dicho al menos un elemento rígido (6) con su elemento intermedio (6a) correspondiente y dicho al menos un elemento de fricción (3) con su elemento de acople (4) y apoyo deslizante (5) correspondientes se definen como un conjunto primario que está asociado a un plano perpendicular al terreno, cimiento o estructura, y dicho conjunto primario se replica simétricamente con respecto al eje del elemento elástico (1), de forma que el conjunto replicado puede articular de forma simultánea al conjunto primario cuando el elemento elástico (1 ) se comprime.

En otra realización particular del mecanismo, dicho al menos un elemento rígido (6) con su elemento intermedio (6a) correspondiente y dicho al menos un elemento de fricción (3) con su elemento de acople (4) y apoyo deslizante (5) correspondientes, se definen como un conjunto primario asociado a un plano perpendicular al terreno, cimiento o estructura, y dicho conjunto primario se replica en al menos un plano con un desplazamiento angular predeterminado con respecto al eje del elemento elástico (1 ), de forma que cada conjunto replicado puede articular de forma simultánea al conjunto primario cuando el elemento elástico (1 ) se comprime, en donde los elementos o placas de presión (2a,..,2N) tienen sus cavidades orientadas de forma de recibir entre cada pareja de elementos de presión consecutivos a los elementos de fricción (3) de un solo conjunto ya sea primario o replicado, de forma que los elementos de fricción (3) deslizan en distintos niveles o planos con respecto a la dirección del eje del elemento elástico (1) en paralelo al desplazamiento angular correspondiente.

En una realización particular, relacionada al caso de réplica con simetría en un mismo plano, el mecanismo comprende unos elementos de fricción (3a, 3b), unidos cada uno a elementos rígidos (6) en lados opuestos respecto al eje del elemento elástico (1), en donde se establece un solapamiento entre los elementos de fricción (3a, 3b) que permite la disipación de energía por roce entre los mismos. De forma opcional, dicho solapamiento entre los elementos de fricción (3a, 3b) se produce en varios planos distintos.

En otra realización particular del mecanismo, cada elemento de presión (2a,..,2N) tiene una parte reemplazable o de sacrificio, en función de su desgaste, o cada elemento de presión (2a,..,2N) es un componente de sacrificio en su totalidad.

Con la disposición descrita se obtiene que la carga de impacto F produce la transición del mecanismo entre una posición de reposo representada en la FIG. 1A a una posición comprimida mostrada en la FIG. 1 B. Esto permite la transmisión de carga mediante el elemento elástico (1) a la placa (2N), la que comprime a los elementos de fricción (3) contra la placa fija (2a), de manera que en conjunto las placas (2a, 2N) y los elementos de fricción (3) forman el disipador friccional. Debido a la geometría del dispositivo amortiguador de impacto que constituye esta invención, la carga de impacto F genera un desplazamiento u en la dirección del elemento elástico (1) que hace que los elementos de fricción (3) se desplacen en dirección transversal en una cantidad v(u). Este último desplazamiento de los elementos de fricción (3) ocurre en presencia de carga de compresión transmitida por el elemento elástico (1 ), lo que se traduce en disipación de energía de forma proporcional a la magnitud de la carga de impacto F y también proporcional al desplazamiento u que dicha carga produce en el dispositivo amortiguador. Debido a lo anterior, la energía disipada por el dispositivo es aproximadamente proporcional al desplazamiento u, impuesto por la carga de impacto. Esto hace que la implementación del dispositivo en condiciones de cargas y deformaciones mayores sea simplemente una cuestión de escala geométrica.

El funcionamiento de un dispositivo de defensa contra cargas de impactos a partir del presente mecanismo se basa en el equilibrio de sus componentes en condición deformada, considerando grandes desplazamientos. Esto es, tal como se muestra en las FIG. 1A y FIG. 1 B, el desplazamiento u es del mismo orden de magnitud que la altura H del dispositivo, lo que obliga a que el equilibrio sea establecido en la configuración deformada. Considerando el equilibrio de las barras diagonales del amortiguador por separado, esto es, cada elemento rígido (6) de longitud L=S2+H2, que no sufren deformación, sólo rotación y traslación, se cumple las siguientes relaciones cinemáticas:

Del desarrollo de las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y momentos en configuración deformada se obtiene la relación constitutiva del mecanismo, la cual vincula la fuerza aplicada con el desplazamiento y las propiedades geométricas y mecánicas del dispositivo.

(ec. 1 )

En la ecuación anterior, n corresponde a la cantidad de superficies de los elementos de fricción (3) sometidos a fuerza de roce debido a la presión aplicada por el elemento elástico (1). En la configuración mostrada en la FIG. 1A y 1 B, n=2, ya que los elementos de fricción (3) se encuentran confinados por la cara superior contra la placa (2N) y por la cara inferior contra la placa (2a). Sin embargo, es posible incluir más elementos del tipo placas de presión entre los cuales se dispongan los elementos de fricción (3), obteniendo mayor fuerza de roce para la misma carga transmitida por el elemento elástico (1), incrementando así la capacidad de disipación de energía. No obstante, un exceso en la fuerza de roce puede causar que el dispositivo amortiguador no sea capaz de recuperar su configuración no deformada, lo cual es indeseable. Considerando la relación fuerza versus desplazamiento definida anteriormente, el ciclo histerético del dispositivo de defensa contra impactos propuesto sería el representado en la FIG. 2, en donde se tiene que:

Las pendientes corresponden a las rigideces tangentes en la condición no deformada, de la curva de carga y de descarga respectivamente. La pendiente de la curva de carga decrece con el aumento del desplazamiento u y, por el contrario, la pendiente de la curva de descarga crece con el aumento de u. Para que el dispositivo sea auto-centrante, es decir, que pueda recuperar su forma original al terminar la interacción con la carga de impacto, es necesario que K¿ > 0. Por otra parte, para que la energía disipada sea mayor, se requiere que AF u) sea mayor, pero siempre cumpliendo con la condición K ¿ > 0. El dispositivo es capaz de deformarse considerablemente, sin embargo, su aplastamiento máximo, U=UMA, está limitado por su geometría. Considerando todo lo anterior, el diseño del mecanismo amortiguador de impacto debe tener en cuenta una adecuada elección de los parámetros: L, H, m, Ko y UMA, cumpliendo con la condición de detención del objeto de masa M que impacta contra el amortiguador con velocidad v 0 , en una distancia menor o igual al desplazamiento máximo admisible de la defensa, UMA. Esto último impone una restricción a la capacidad máxima de energía absorbida (área bajo la curva de carga en FIG. 2) por el dispositivo cuando U=UMA, que debe ser considerada en el diseño. De ser alcanzada la capacidad de aplastamiento máxima del dispositivo amortiguador, la carga de impacto sería transmitida de forma directa a la estructura, ya que cuando U=UMA, el mecanismo del amortiguador se comporta como un elemento rígido. En un diseño adecuado del amortiguador para cargas de impacto, desde el punto de vista de la capacidad de fuerza en carga y de la energía absorbida, se debe tender a que la rigidez K c ° sea máxima y la rigidez K¿ tienda a cero. Esto último ocurre de forma simultánea cuando se satisface la restricción siguiente:

L 1

H < - = aL, con a = - jl + 16 h 2 m 2 1 + 16 h 2 m 2

Considerando lo anterior, los parámetros geométricos Hy L quedan vinculados por medio del coeficiente de roce m y la cantidad de planos de deslizamiento con roce n, reduciendo el número de variables de diseño. La capacidad máxima de absorción de energía del dispositivo debe al menos igualar la energía impuesta por el impacto, Ei. Esto impone una restricción para la rigidez del elemento elástico, K 0 (o K 0 (u)), si la rigidez varía con la deformación impuesta, para el coeficiente de roce, m, el número de superficies de roce, n, y una única variable geométrica, L, que en conjunto definen la altura H.

En cuanto a la rigidez del resorte, K 0 , esta debe cumplir con restricciones necesarias (aunque no suficientes) para lograr compatibilidad con la condición anterior que relaciona L y H mediante m y n. Esto tiene que ver con la relación entre la fuerza disipativa desviadora máxima, y la fuerza elástica máxima aportada por el resorte, ya que la primera debe ser siempre menor que la segunda, lo cual se puede apreciar en la FIG. 2. Esto último impone la siguiente restricción:

(1 + 16 h 2 m 2 )(H — u MA ) 2 < L 2

Considerando la condición de maximización de la energía disipada se tiene que H~aL, y dado que el desplazamiento máximo admisible, UMA, no puede superar la altura H del dispositivo amortiguador, se puede decir que: u MA = bH * abί, con b<1. Reemplazando esta última expresión en la ecuación previa se tiene que debe cumplirse:

(1 — b) 2 < 1

Lo anterior se satisface trivialmente para cualquier valor de b, ya que por su definición éste es siempre menor que 1 . En resumen, el mecanismo más eficiente desde el punto de vista de la disipación de energía se define por los parámetros H, m, n y K 0 , siendo L=H/a, con 1/a = jl + 16 h 2 m 2 . El parámetro m se puede considerar como constante e igual al coeficiente de roce cinemático entre las superficies de las placas de presión (por ej.: 2a, 2N) y los elementos de fricción (3), asumiendo un valor cercano a m=0,4 cuando se trata de superficies de acero, por ejemplo. Una vez escogida la materialidad de los elementos de fricción (3) y las placas de presión y la cantidad de placas de presión -que condiciona el valor de n-, el dispositivo queda definido sólo por dos parámetros que deben ser determinados de forma acorde con el uso o demanda del mecanismo de disipación, estos son H y K 0 . Ambos parámetros están relacionados con la resistencia y capacidad de disipación del dispositivo, sin embargo, sólo H se relaciona con la capacidad de deformación admisible del mismo, UMA. Por lo anterior, se propone una estrategia de diseño en la cual H sea determinado de modo que el desplazamiento máximo de diseño, u MD , no supere al desplazamiento máximo admisible, u MA = bH, esto es:

Una vez definida la altura H del dispositivo de acuerdo a la demanda de desplazamiento obtenida del análisis, la rigidez K 0 del resorte resulta ser el único parámetro que define la capacidad resistente del amortiguador. Por lo anterior, dicha rigidez debe ser determinada para que la demanda de fuerza o fuerza máxima de diseño, F MD , no supere a la fuerza máxima admisible del dispositivo en carga, F MA , calculada para un desplazamiento u = u MA = bH. Lo anterior se traduce en la siguiente restricción de diseño:

Luego, la rigidez del elemento elástico debe cumplir con:

Conocido el valor de n, m y b, las ecuaciones 2 y 3 permiten diseñar el mecanismo para que satisfaga las demandas de desplazamiento y carga.

Metodología de diseño del dispositivo, en base a análisis tiempo-historia:

1 ) Escoger de forma arbitraria los parámetros H, n, m, K 0 y b. 2) Correr el análisis para determinar las demandas de desplazamiento y carga, u MD y FMD -

3) Usar las ecuaciones 2 y 3 para corregir los parámetros H y K 0 , dejando fijos n, m y b.

4) Repetir los pasos 2) y 3) hasta que las demandas —u MD y F MD — no cambien respecto al cálculo previo.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Se considera que el mecanismo propuesto tiene numerosas áreas de aplicación, siendo las más evidentes:

- Defensas portuarias.

- Defensas camineras y ferroviarias.

- Control de daño en equipamiento minero.

- Amortiguamiento sísmico de edificios.

- Absorbedores de impacto con usos genéricos como en equipos vibratorios.

De todas las posibles áreas de aplicación, se considera que los ámbitos de defensas portuarias y camineras son los que tendrían el mayor impacto. La primera por el potencial beneficio que tiene el dispositivo propuesto al controlar de mejor forma el mecanismo de disipación de energía, lo cual es una ventaja comparativa importante frente a los productos tradicionales.

EJEMPLO 1.

A modo de ejemplo se presenta a continuación el modelo concreto que fue ensayado experimentalmente.

En la construcción del modelo a escala de acuerdo con la FIG. 6 se utilizaron perfiles de acero, pernos, golillas planas, tuercas y poleas con rodamientos en los apoyos móviles. Las características y componentes básicos de este mecanismo son: sus elementos son muy rígidos, uniones articuladas, cuenta con un elemento elástico, en su base posee elementos fricciónales. El dispositivo es capaz de adecuarse a grandes desplazamientos impuestos volviendo a su forma original gracias al elemento elástico en su interior. Un resorte helicoidal es utilizado para materializar al elemento elástico (1 ) del modelo conceptual, es una pieza que puede pandearse al ser sometida a cargas de compresión elevadas. Para eliminar toda posibilidad de que ello ocurra en el modelo concreto, se incluyó un elemento limitador de pandeo compuesto de dos partes que operan a manera de vástago y camisa. Para este modelo en particular la parte superior se introduce en la parte inferior a medida que aumenta el desplazamiento impuesto. La parte superior además está soldada al panel (8) que recibe el impacto de un carro (12) rodado. La parte inferior, que no se mueve cuando se deforma el mecanismo, está soldada a un elemento de presión (2a) que se apoya contra los elementos de fricción (3a, 3b) que son las partes móviles del disipador friccional. El elemento de presión (2a) restringe el desplazamiento axial del elemento limitador de pandeo, pero sin oponer resistencia en forma transversal al eje del elemento elástico (1 ). Esto último debido a que la superficie del elemento de presión (2a) contra el elemento de fricción (3a) se encuentra engrasada para minimizar el roce entre dichas partes, dejando que el roce se desarrolle sólo entre los elementos de fricción (3a) y (3b) en contacto entre sí, existiendo en el modelo concreto sólo n=1 superficie sometida a roce. Finalmente, se incluye un par de diagonales cortas (6a) con uniones pivotantes en sus extremos para condicionar la simetría de deformación del mecanismo amortiguador. Esto se logró en los ensayos experimentales restringiendo el desplazamiento del punto de conexión articulada entre las diagonales (6a), vinculándolo con la estructura de soporte (11).

Nos referimos ahora al montaje concreto del protocolo experimental definido para simular el atraque de un buque, presentado por el carro (12), contra la defensa portuaria representada por el modelo de mecanismo disipador de energía de impacto construido. El muelle de atraque se asume muy rígido en comparación con el mecanismo amortiguador, por lo que este último fue anclado a un bloque masivo de hormigón armado, que constituye la estructura de soporte (11 ), considerado inamovible para los efectos de los ensayos realizados.

El mecanismo amortiguador se instaló sobre un tablón de madera con rieles para guiar el desplazamiento de sus apoyos deslizantes (5) en la dirección horizontal, transversalmente a la dirección del impacto. Entre el tablón de madera y el bloque de hormigón armado se instaló un par de celdas de carga dispuestas en paralelo, en cada costado del amortiguador, con un resorte de pre-estirado que las sometía a compresión, para asegurar que las mediciones estuvieran dentro del rango de operación confiable de las celdas. Además, se tomaron medidas para evitar el desalineamiento del carro (12) durante el impacto y para mantener a la altura deseada el panel (8) que recibe impacto. Para simular barcos de diferentes tamaños, se cargó el carro (12) con bloques de hormigón. Dichos bloques fueron sujetos rígidamente al carro para evitar que deslicen o se muevan durante el impacto.

Para simular el atraque del buque, con velocidad controlada del carro con bloques de hormigón, se lo dejó caer por un plano inclinado guiado por rieles (13) desde alturas entre 10 a 23 cm, logrando así dar diferentes velocidades de impacto al carro. Antes del impacto el carro pasa del plano inclinado a una porción horizontal guiada también por rieles (13) que direccionan el impacto alineándolo con el grado de libertad del mecanismo amortiguador.

Se instalaron sensores de desplazamiento LVDT para medir la posición del carro acercándose al mecanismo amortiguador y el aplastamiento de este último durante la interacción.

Se realizaron ensayos experimentales paramétricos considerando como variables la masa de carro, coeficiente de roce del amortiguador y velocidad de impacto del carro. Se consideraron tres masas de carro: 47 kg, 87 kg y 127 kg. El coeficiente de roce fue modificado en los ensayos agregando láminas de diferentes rugosidades en la zona de deslizamiento friccional. En total se consideraron 7 casos con diferentes coeficientes de roce, correspondientes a acero versus acero engrasado, teflón versus teflón, acero versus lija, acero pulido versus acero pulido, acero versus teflón, lija gr.10 versus lija gr.100 y lija gr. 180 versus lija gr. 180. La velocidad del carro fue considerada de forma indirecta al dejarlo caer por el plano inclinado desde alturas de 10, 12, 13, 15, 20 y 23 cm.

En total, en una primera etapa fueron realizados 85 ensayos con diferentes combinaciones de las variables, los cuales permitieron identificar la materialidad de las superficies de roce que condujeron a los mejores resultados. En estos ensayos se pudo observar que en la medida de que se aumenta el roce en la superficie de contacto de los elementos de fricción (3), el dispositivo perdía la capacidad de auto-centrarse. Esto permitió determinar que la superficie de contacto de elementos de fricción (3) más adecuadas son el acero versus acero engrasado, acero pulido versus acero pulido y teflón versus teflón. Adicionalmente, con la ejecución de esta primera etapa experimental, se identificaron falencias en el sistema de montaje que fueron mejoradas en una segunda etapa. Se realizaron 6 ensayos adicionales (Tabla 1 ), con una única combinación de superficies deslizantes con roce (acero pulido versus acero pulido), 3 masas de carro (162,4 kg, 204,9 kg y 246,5 kg) y alturas de caída de éste de 8, 11 , 12, 13 y 14 cm.

Tabla 1 : Parámetros de ejecución de ensayos en segunda etapa experimental.

Los datos obtenidos en los ensayos experimentales fueron exportados a un software para el procesamiento, filtrado, selección y construcción de gráficos.

En los gráficos de las FIG. 7 a FIG. 12 cada gráfico se asocia a una altura de caída (relacionada con la velocidad de impacto). Los ensayos 1 y 2, 3, 4 y 5, 6 corresponden a misma masa del carro (12), con diferentes alturas de caída. Los casos 5 y 6, pese a tener la mayor masa, generaron el menor aplastamiento en el amortiguador, debido a que las alturas de caída eran menores que las de los demás ensayos. Por lo anterior, la velocidad de impacto y la energía cinética impuesta al amortiguador resultó ser menor, lo que es consistente con la menor fuerza, aplastamiento y por ende energía disipada por el dispositivo en esos ensayos.

Debido a que se desconoce el coeficiente de roce real de las superficies de los elementos de disipación por roce en el modelo concreto ensayado, no era posible a priori estimar la respuesta utilizando el modelo teórico antes presentado. Para determinar el coeficiente de roce y la rigidez efectiva del elemento elástico (1) dentro del amortiguador ensayado, se realizó un análisis paramétrico en torno a K 0 y m utilizando la ecuación teórica reproduciendo la historia de deformación impuesta en cada ensayo experimental. Los resultados fueron contrastados con las mediciones experimentales de fuerza y energía disipada en el ciclo de carga-descarga con la finalidad de determinar el valor de K 0 y m que conduce al menor error entre resultados experimentales y analíticos en cada ensayo. Lo anterior permitió determinar los valores mínimo y máximo de dichos parámetros de diseño del amortiguador. Posteriormente se realizó un nuevo análisis paramétrico considerando una matriz de valores de Ko y m dentro de los límites mínimo y máximo antes determinado. Esto último con la finalidad de determinar los valores óptimos de dichos parámetros que conducen al mínimo error entre resultados experimentales y analíticos en el set completo de los 6 ensayos realizados. Los resultados de dicho análisis paramétrico se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2: Valores extremos y óptimo de los parámetros K 0 y m

Las gráficas de carga versus deformación del amortiguador ensayado mostradas en las FIG. 7 a FIG. 12 muestran tres curvas para cada ensayo. Una de ellas, la más irregular, corresponde a la respuesta medida experimentalmente. Las otras dos curvas corresponden a la predicción analítica calculada utilizando los parámetros K 0 y m optimizados para el ensayo particular y para el set de ensayos en conjunto, respectivamente.

A modo de conclusión, el análisis del comportamiento del disipador de energía para cargas de impacto, obtuvo resultados gráficamente muy similares a los planteados en el modelo matemático presentado más arriba. Esto se puede ver en el comportamiento del ciclo de histéresis para todos los casos vistos experimentalmente donde tanto la fuerza máxima como la energía disipada (correspondiente al área encerrada en la curva) son similares entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas.

Con la energía disipada calculada se pudo deducir que el modelo podría ser una “buena defensa portuaria” debido a que experimentalmente fue capaz de disipar casi en su totalidad la energía impuesta por una carga de impacto, la cual corresponde a la energía cinética del carro (12). Esto se evidenció al registrar la velocidad de rebote de éste último, la cual en casi todos los casos resultó ser de un orden de magnitud menor a la velocidad de impacto.