ES2216622T3

ES2216622T3 - Estructura de carga.

Info

Publication number: ES2216622T3
Application number: ES99963760T
Authority: ES
Inventors: Peter Herder; Per Johan Gustafsson
Original assignee: Akzo Nobel NV
Current assignee: Akzo Nobel NV
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2004-10-16
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: EP1135617A1; NO20012762L; NO20012762D0; PT1135617E; EP1135617B1; DK1135617T3; US6589666B1; DE69917320D1; WO2000032945A1; NO321521B1; ATE266817T1; DE69917320T2; AU2013300A

Abstract

Estructura de carga que comprende dos o más capas, en la que por lo menos dos de las capas (10, 20, 155, 160, 310) están unidas por una zona de unión que tiene un espesor de t mm y una resistencia a la cizalladura de T N/mm2, y que comprende una lámina (30, 130, 320) de un material elastómero que tiene un módulo de cizalladura de G N/mm2, caracterizada porque tT2/G es por lo menos 5 N/mm.

Description

Estructura de carga.

La presente invención se refiere a estructuras de carga que comprenden dos o más capas, preferiblemente capas alargadas u oblongas, y en particular a miembros estructurales pegados con cola.

Se encuentran estructuras de carga en diversas formas, tamaños y conexiones. Son prácticamente indispensables en actividades de construcción, como parte de la propia construcción o como ayuda para el trabajo de construcción (por ejemplo, andamios) o como ambas cosas. También se usan frecuentemente en construcciones menores, como muebles, por ejemplo, sillas, mesas y sofás. Las estructuras de carga también constituyen partes de diversas herramientas, como ejes y almádenas, en forma de mangos, pero también como partes soportantes o transmisoras de potencia de máquinas y aparatos. Como indica la palabra, el fin principal de una "estructura de carga" es soportar cargas, dar soporte a otras partes en una construcción y/o transmitir fuerzas dinámicas en una construcción o en una máquina; por lo tanto, otras propiedades como, por ejemplo, propiedades aislantes de ruidos y vibraciones, si las hubiera, se pueden considerar como de importancia menor con respecto a la presente estructura. Si se considera, por ejemplo, un suelo, son las vigas del suelo las que constituyen las estructuras de carga mientras que el pavimento del suelo, cuya finalidad es proporcionar una superficie para andar y colocar objetos, ser decorativo y proporcionar aislamiento térmico y acústico, no constituye dicha estructura.

Dependiendo del uso específico proyectado de la estructura de carga, ésta puede ser de diferentes materiales, como metal, madera o plástico o combinaciones de los mismos. En muchos casos, dichas estructuras son de dos o más capas. Como materia de hecho, en algunos casos una estructura de carga se puede hacer más resistente si están compuestas de dos o más capas que se después se unen por medio de un adhesivo adecuado, como se indica en P.J. Gustafsson, "Analysis of generalized Voljersen-joints in terms of non-linear fracture mechanics" (Mechanical Behaviour of Adhesive Joints, 1987, pág. 323-338).

Frecuentemente, las estructuras de carga de esta última clase se denominan miembros estructurales pegados con cola, discutidos ampliamente en el capítulo 10 de "Wood Handbook: Wood as an engineering material" (U.S. Forest Laboratory, 1974, USDA Agr. Handb. 72, rev.). La resistencia de dichos productos estratificados depende, de acuerdo con el citado "Wood Handbook", de la calidad de las uniones con el adhesivo. Las uniones se pueden dividir, en principio, en dos grupos, dúctiles y frágiles, aunque en la práctica la mayoría de las uniones se encuentran en la región de transición entre estos dos grupos extremos. El concepto de unión dúctil y frágil ha sido discutido ampliamente por P.J. Gustafsson, supra. Frecuentemente se prefieren características dúctiles a frágiles, por ejemplo, en el caso de uniones sometidas a concentraciones de esfuerzos (descritas, por ejemplo, en Encyclopedia of Science and Technology, McGraw-Hill, 1960, vol. 13, pág. 185), uniones de tamaño grande, uniones sometidas a cargas dinámicas, especialmente cargas de impacto, y uniones sometidas a fuerzas de contracción o hinchamiento de capas de madera unidas que constituyen estructuras de carga. Si no es deseable ni posible modificar parámetros de las uniones tales como tamaño, geometría o propiedades relativas a las capas que constituyen la estructura de carga, la única opción para regular las propiedades de ductilidad/fragilidad de la unión es cambiar los parámetros relativos a la zona de unión. W. Wernerson y P.J. Gustafsson, "The complete stress-slip curve of wood-adhesives in pure shear" (Mechanical Behaviour of Adhesive Joints, 1987, pág. 139-150) indican que la cuestión de si una zona de unión es frágil o dúctil puede ser determinada generalmente por la relación entre la tensión máxima de cizalladura y la energía de fractura de la zona de unión: así, una tensión máxima baja de cizalladura, en relación con la energía de fractura, indica un comportamiento dúctil y viceversa. Como no es deseable una tensión máxima baja de cizalladura por razones bastante obvias, para obtener una unión dúctil se tiene que incrementar la energía de fractura.

H. Wernerson y P.J. Gustafsson, supra, han realizado una serie de ensayos relativos al comportamiento de zonas de unión compuestas de adhesivos de poli(acetato de vinilo), poliuretano y resorcinol/fenol entre adherentes de madera; la energía de fractura de las zonas de unión varía de aproximadamente 0,4 a 2,4 kN.m/m^{2}. Un ensayo similar se describe en P.J. Gustafsson, supra, en el que la resistencia de uniones con zonas de unión de adhesivos de poliuretano y resorcinol/fenol se compara con la resistencia de madera sólida; la zona de unión de poliuretano dio la mayor resistencia, 2,1 MPa.

Takeshi Fado et al. estudiaron las propiedades de flexión de vigas estratificadas de madera chapeada horizontalmente con capas de cola de diversas clases, incluido un adhesivo elastómero, y compararon las citadas propiedades con las de vigas estratificadas de madera chapeada verticalmente, consideradas equivalentes a la citada viga de madera sólida ("Venner laminates with elastomeric glue-layers. I. Bending properties of veneer-laminated beams", Mokuzai Gakkaishi, 1978, 24 (5), pág. 294-298).

En consecuencia, todas las indicaciones de la técnica anterior relativas a mayor ductilidad de uniones en estructuras de carga, debido a mayor energía de fractura de las zonas de unión, se refieren a zonas de unión compuestas de cola y nada más que de cola.

La técnica anterior indica también una serie de otros productos estratificados con zonas de cola de adhesivos elastómeros e incluso estratificados que comprenden láminas elastómeras; véase, por ejemplo, las patentes US-A-5.103.614, JP 1244838 y JP 61-261048; sin embargo, todas estas sugerencias se refieren a propiedades aislantes de ruidos y supresoras de vibraciones, útiles, por ejemplo, en materiales para suelos; las citadas propiedades se deben a un fenómeno de histéresis asociado con los materiales elastómeros usados, fenómeno que consiste básicamente en una transformación de la energía mecánica del sonido o la energía de vibración en energía térmica.

El documento EP 0 119 975 A1 describe un método de unión con vigas con adhesivo de dos componentes y objetos similares para soportar cargas estáticas y dinámicas.

El problema a resolver por la presente invención es proporcionar una estructura de carga, del tipo citado en la introducción que tenga uniones con mayor ductilidad que estructuras de carga de la técnica anterior de clase y tamaño similares.

Este problema se resuelve por la presente invención que se refiere a una estructura de carga de la clase citada en la introducción y que tiene las características adicionales definidas en la cláusula caracterizadora de la reivindicación 1 adjunta. Más específicamente, la estructura de carga de acuerdo con la presente invención comprende dos o más capas, de las que por lo menos una está unida por una zona de unión que tiene un espesor de t mm y una resistencia a la cizalladura de T N/mm^{2} y que comprende una lámina hecha de un material elástico que tiene un módulo de cizalladura de G N/mm^{2}, en el que tT^{2}/G es por lo menos aproximadamente 5 N/mm, preferiblemente por lo menos aproximadamente 10 N/mm y lo más preferiblemente por lo menos aproximadamente 50 N/mm. Si la estructura comprende más de dos capas, todas pueden estar unidas por láminas de la presente clase pero alternativamente puede contener sólo una de dichas láminas cuando las capas están unidas por medio de zonas de unión convencionales.

Las zonas de unión de la clase presente en estructuras de carga de la presente invención, esto es, la lámina más el adhesivo, han demostrado tener aproximadamente una capacidad de soportar carga doble que la de zonas de unión de acuerdo con la técnica anterior, incluso aunque la zona de unión de acuerdo con la presente invención haya sido aplicada a una superficie de unión comparable más pequeña.

Además de resolver el problema especificado, la presente invención proporciona una serie de ventajas. La presente invención crea oportunidades para una serie de combinaciones de material de la lámina, espesor de la lámina y adhesivos, proporcionando gran libertad de elección con respecto a propiedades de las uniones. Por ejemplo, se puede establecer la unión muy rápidamente porque una lámina prefabricada se puede adherir por medio de una cola o adhesivo adecuado de secado rápido o de curado rápido. La resistencia a la cizalladura del adhesivo usado en la zona de unión de la presente invención no tiene que ser tan alta como la del adhesivo usado en zonas de unión de la técnica anterior (que usualmente tienen una resistencia de aproximadamente 10-15 MPa). Además, se puede elegir arbitrariamente el espesor de la zona de unión, que por supuesto es un parámetro significativo de la unión, porque la lámina usada en la zona de unión se puede prefabricar con cualquier espesor, lo cual no sería practicable si se tuvieran que usar sólo adhesivos elastómeros en una zona de unión de acuerdo con la técnica anterior.

En la estructura de carga de la presente invención se puede usar por supuesto cualquier material que tenga las propiedades especificadas en la reivindicación 1, pero preferiblemente la lámina será de un material elastómero convencional, como un caucho natural o sintético o una mezcla de los mismos. Un grupo preferido de cauchos son cauchos de nitrilo.

Convenientemente la resistencia a la cizalladura del material elástico es no menor que 2 MPa y normalmente el espesor de la lámina es aproximadamente 0,1-5 mm, preferiblemente aproximadamente 0,2-3 mm.

Las capas que constituyen la estructura de carga se pueden hacer de cualquier material adecuado usado en la técnica como, por ejemplo, madera, metal, plásticos, materiales cerámicos o combinaciones de los mismos. De acuerdo con una realización, por lo menos una de las capas de la estructura de carga es de madera. En otra realización, por lo menos una de las citadas capas es de metal. Comúnmente la presente estructura es principalmente de capas de madera como, por ejemplo, maderas estratificadas pegadas con cola y otras estructuras de carga similares basadas en madera.

La presente invención también se refiere al uso, como estructura de carga, de una estructura como la descrita anteriormente.

Además, la presente invención se refiere a un método para producir una estructura de carga de la presente clase, esto es, como la descrita anteriormente, tratando una lámina de caucho natural o sintético o de una mezcla de los mismos, que tiene forma y tamaño adecuados, con un oxidante, preferiblemente H_{2}SO_{4} sustancialmente concentrado, eliminar el exceso de oxidante y después pegar la lámina entre dos capas. El tratamiento con el oxidante se debe realizar durante un período de tiempo suficientemente largo para oxidar la lámina en tal extensión que la adherencia entre la lámina y la cola sea satisfactoria y, por otro lado, lo suficientemente corto para evitar un recubrimiento de óxido demasiado grueso que pudiera hacer frágil la superficie de la lámina. Preferiblemente, el tratamiento con el oxidante se realiza durante un período de aproximadamente 10-25 segundos, particularmente de 13-20 segundos. La lámina tratada comprende preferiblemente caucho de nitrilo.

Breve descripción de las figuras

A continuación se describe la presente invención con más detalle por medio de los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 es una ilustración esquemática de una unión entre dos capas de madera de una estructura de carga de acuerdo con la presente invención,

la figura 2 es una ilustración esquemática de una viga de carga con una entalla de acuerdo con la presente invención,

las figuras 3 y 4 son ilustraciones de cómo se pueden evitar grietas en estructuras de carga de madera y alternativamente cómo se pueden reformar por medios de acuerdo con la presente invención,

la figura 5 ilustra una unión con un tornillo roscado en una viga de madera, que constituye una realización de la presente invención,

la figura 6 muestra una porción final soportada de una viga de madera que constituye una realización de la presente invención,

la figura 7 muestra esquemáticamente una estructura de carga de la presente invención, usada en ensayos presentados más adelante,

la figura 8 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea VIII-VIII de la figura 7,

la figura 9 es una vista desde un extremo de una realización específica de la presente invención, es decir, de una estructura de carga en forma de poste redondo, y

la figura 10 es una vista en sección transversal a lo largo del poste ilustrado en la figura 9.

Descripción detallada de las figuras

En la figura 1, dos capas 10 y 20 están unidas formando una estructura de carga por medio de una zona de unión hecha de una lámina 30 de un material elastómero que está adherida a las citadas capas 10 y 20 por medio de capas de cola 40 y 50.

En la figura 2, una viga 86 está sobre dos soportes 91 y 101 situados en los extremos de la citada viga. El extremo que está sobre el soporte 91 tiene una entalla, lo cual origina una concentración de tensiones en la viga. Para evitar agrietamiento la viga ha sido provista con una zona de unión 120 en la porción crítica de la entalla. La zona de unión, que al mismo tiempo delimita y une las dos capas 155 y 160, está compuesta de una lámina 130 de un material elastómero y dos capas 140 y 150 de cola. En una realización alternativa, la zona de unión varía a lo largo de toda la longitud de la viga. La viga 86 es, por lo tanto, una estructura de carga de acuerdo con la presente invención.

La figura 3 muestra un extremo de viga fijado por un tornillo roscado 170. La viga está sometida a una carga indicada por la flecha I. Como reacción a la carga I, el tornillo ejerce una fuerza II sobre la porción 175 de la viga originando concentraciones de tensiones en la viga. Para evitar agrietamiento la viga ha sido reforzada por medio de zonas de unión 185 compuestas cada una de una lámina de material elástico y dos capas de cola, originándose una estructura de carga de acuerdo con la presente invención.

La figura 4 muestra un extremo de una viga fijado por un tornillo 190. La viga está sometida a una carga III. El tornillo ejerce una fuerza de reacción IV sobre la capa superior 195 de la viga originando concentraciones de tensiones en la viga. Para evitar agrietamiento la viga ha sido reforzada por medio de una zona de unión 210 compuesta de una lámina de material elástico y dos capas de cola, originándose una estructura de carga de acuerdo con la presente invención.

La figura 5 muestra una unión con un tornillo roscado de una clase que se puede usar para evitar concentraciones de tensiones de la clase indicada por las figuras 3 y 4. También se puede usar en lugar de o combinada con cualquiera de las soluciones indicadas en las figuras 3 ó 4 para reforzar o reformar una viga ya agrietada. La unión con el tornillo roscado comprende una arandela metálica grande 220 que está unida a la viga por medio de una zona de unión 225 compuesta de una lámina de material elástico y dos capas de cola. En el otro lado de la viga, otra arandela metálica 235 está unida a la viga por medio de una zona de unión compuesta también de una lámina de un material elástico y dos capas de cola. La cabeza 215 y la tuerca 230 del tornillo ejercen presión sobre las arandelas 220 y 235, respectivamente, que a su vez transfieren la presión a todas las interfaces entre las zonas de unión y la viga, originando así que las fuerzas ejercidas por el tornillo roscado actúen sobre una superficie mucho mayor que si no se usaran dichas zonas de unión. Como consecuencia de esto, se evitan o por lo menos se reducen significativamente concentraciones de tensiones.

La figura 6 muestra un extremo de una viga de madera 245 que está sobre un soporte 250. Para evitar abolladuras o incluso daños más graves en la viga causados por las altas presiones ejercidas por el soporte 250 debido a la pequeña interfaz entre el soporte y la viga, se ha unido a la viga una lámina metálica 255 por medio de una zona de unión 250 de acuerdo con la invención. Así, la fuerza ejercida por el soporte 250 se distribuye a la viga en la interfaz entre la zona de unión 250 y la viga reduciéndose mucho las concentraciones de tensiones en la superficie de madera. La unión entre la lámina 255 y la viga 245 es mucho menos sensible a cambios de la madera, como secado, hinchamiento o contracción, que habría sido el caso si se hubiera utilizado una zona de unión de acuerdo con la técnica anterior.

Las figuras 7 y 8 se discutirán en conexión con los ejemplos presentados más adelante.

Las figuras 9 y 10 ilustran un poste de carga 400 que consiste en un elemento cilíndrico exterior 410, un elemento cilíndrico interior 420 y una zona intermedia de unión 430 de acuerdo con la presente invención. Se debe entender que el perfil de dichos elementos no tiene que ser cilíndrico pudiendo ser cuadrado, rectangular, oval, etc.

Los ejemplos siguientes son meramente ilustrativos de la presente invención y no deben ser considerados como limitativos del alcance de la invención.

Ejemplo 1

En estos experimentos se usaron estructuras de carga experimentales como las ilustradas en las figuras 7 y 8. Las estructuras estaban compuestas de dos capas de madera 300 y 310 adheridas por medio de dos capas de cola 330 y 340 a caras opuestas de una lámina 320 de un material elástico. El módulo de elasticidad (ME) de la madera era aproximadamente 13 GPa.

El material elástico usado fue caucho natural, denominado en lo sucesivo CN. Para proporcionar suficiente adherencia entre el caucho y la cola, la superficie de caucho se trató durante 17 segundos con ácido sulfúrico concentrado y después se lavó con agua. Bajo las condiciones existentes en este ejemplo, tratamientos ácidos de más de 20 segundos originaron una capa gruesa de óxido dando al caucho una superficie frágil mientras que tratamientos de menos de 13 segundos no proporcionaron suficiente oxidación de la superficie de caucho, originando así mala adherencia.

Después del citado tratamiento de la superficie, las láminas de caucho se pegaron a las capas de madera por medio de un adhesivo de poliuretano de dos componentes compuesto de 100 partes en peso de una cola de poliuretano Casco® 1899 y 22 partes en peso del correspondiendo endurecedor Casco® 1821 que es un endurecedor basado en isocianato.

El ancho W de las capas de madera fue 30 mm y la altura H de cada capa fue, en la unión, 20 mm. La lámina de caucho tenía un espesor de 1,0 mm.

Se prepararon dos estructuras de acuerdo con la invención así como dos estructuras de acuerdo con la técnica anterior; las zonas de unión en las citadas estructuras comparativas eran de adhesivo convencional de resorcinol/fenol (denominado en lo sucesivo R/F).

Las cuatro estructuras se sometieron a fuerzas de cizalladura hasta que fallaron y, en cada una de las estructuras, se anotó el fuerza de cizalladura en el fallo (P_{f}). En la siguiente tabla I se presentan estos valores así como las dimensiones de las uniones.

TABLA I

		Longitud de	Ancho de	Superficie
Nº	Zona	la unión	la unión	de la unión	P_{f}	Observaciones
	de unión	(mm)	(mm)	(mm^{2})	(kN)
1	CN	300	8,8	2.640	5,7	Fallo en la madera
2	CN	300	8,5	2.550	8,7	Fallo de la unión
3	R/F	400	10,0	4.000	3,8	Fallo de la unión
4	R/F	400	10,0	4.000	4,2	Fallo de la unión

Aunque actuando sobre una superficie menor de la zona de unión, las uniones de las estructuras de la presente invención tenían aproximadamente capacidad de soportar carga doble que las uniones de una estructura convencional de carga. Se puede estimar que P_{f} en el ensayo número 2 habría sido 10,9 kN si la superficie de unión hubiera sido 4.000 mm^{2}.

Ejemplo 2

Como en el ejemplo 1, en estos experimentos se usaron estructuras de carga experimentales como las ilustradas en las figuras 7 y 8. Las estructuras estaban compuestas de dos capas de madera 300 y 310 adheridas por medio de dos capas de cola 330 y 340 a caras opuestas de una lámina 320 de un material elástico. El módulo de elasticidad (ME) de la madera fue aproximadamente 13 GPa.

Los materiales elásticos usados fueron CN y caucho de nitrilo (denominado abreviadamente en lo sucesivo CNI). Para proporcionar suficiente adherencia entre el caucho y la cola, se trataron las superficies de caucho con ácido sulfúrico concentrado de la misma manera que en el ejemplo 1.

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Después del citado tratamiento ácido, las láminas de caucho se pegaron a las capas de madera por medio de la misma clase de adhesivo que en el ejemplo 1.

El ancho (W) y la altura (H) de las capas de madera fueron iguales que en el ejemplo 1. El espesor (e) de la lámina de caucho varió de un experimento a otro como se indica en la siguiente tabla II.

Se prepararon cuatro estructuras de acuerdo con la presente invención así como dos estructuras comparativas de acuerdo con la técnica anterior en las que las zonas de unión se hicieron de adhesivo convencional de R/F, exactamente como en el ejemplo 1. Las seis estructuras se sometieron a fuerzas de cizalladura hasta que fallaron y, en cada una de las estructuras, se anotó el valor de P_{f}. En la siguiente tabla II se presentan estos valores así como las dimensiones de las uniones.

TABLA II

			Longitud	Ancho	Superficie		Tensión de
	Zona	Espesor	de la	de la	de la	P_{f}	cizalladura
Nº	de	(e)	unión	unión	unión	(kN)	en el fallo	Observ.
	unión	(mm)	(mm)	(mm)	(mm^{2})		(MPa)
1	R/F	-	400	10,0	4.000	3,8	0,9	A
2	R/F	-	400	10,0	4.000	4,2	1,1	A
3	CN	1,0	300	8,8	2.640	5,7	2,2	B
4	CN	1,0	300	8,5	2.550	8,7	3,4	C
5	CNI	1,0	300	10,1	3.030	10,5	>3,5	D
6	CNI	0,5	300	10,0	3.000	6,9	2,3	B
(A) Fallo de la unión
(B) Fallo en la madera
(C) Fallo entre el caucho y la madera
(D) En el ensayo número 5, se rompió el acoplamiento entre la estructura experimental y el equipo de ensayo

De estos resultados es aún más evidente que las propiedades de resistencia de la estructura de la presente invención superan a las de estructuras de la técnica anterior.

Claims

1. Estructura de carga que comprende dos o más capas, en la que por lo menos dos de las capas (10, 20, 155, 160, 310) están unidas por una zona de unión que tiene un espesor de t mm y una resistencia a la cizalladura de T N/mm^{2}, y que comprende una lámina (30, 130, 320) de un material elastómero que tiene un módulo de cizalladura de G N/mm^{2}, caracterizada porque tT^{2}/G es por lo menos 5 N/mm.

2. Estructura de carga de acuerdo con la reivindicación 1, en la que tT^{2}/G es por lo menos 50 N/mm.

3. Estructura de carga de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la lámina es de un material esencialmente elastómero.

4. Estructura de carga de acuerdo con la reivindicación 3, en la que el material elastómero es caucho.

5. Estructura de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la resistencia a la cizalladura del material elastómero es mayor que aproximadamente 2 MPa.

6. Estructura de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que por lo menos una de las capas adheridas al material elástico es de madera.

7. Estructura de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que por lo menos una de las capas es de metal.

8. Estructura de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en la que la estructura es madera estratificada con cola.

9. Método para producir una estructura de carga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-7, en el que una lámina (30, 130, 320) de caucho se trata con un oxidante, se elimina el exceso de oxidante y después la lámina se pega con cola entre dos capas (10, 20, 155, 160, 300, 310).

10. Método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la lámina se trata con el oxidante durante aproximadamente 10-25 segundos.