ES2262329T3 - Sistema de articulacion coaxial. - Google Patents
Sistema de articulacion coaxial.Info
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Abstract
Una conexión para elemento (14) de nudo de una estructura reticulada que comprende: un miembro estructural (15); una mitad interior y exterior (19, 18) de elemento de conexión; un portador (20) de tracción fijado al elemento de nudo; caracterizado porque el portador (20) de tracción se extiende de forma deslizante a través de la mitad interior (19), estando el portador (20) de tracción y la mitad interior (19) configurados de forma que cooperan para definir un límite de movimiento de la mitad interior (19) a lo largo del portador (20) de tracción desde el elemento de nudo; se define una primera conexión (34, 40) entre la mitad interior (19) y el miembro estructural (15) para resistir la tracción en el miembro estructural, definiendo también la conexión entre la mitad interior y el miembro estructural un asiento (42) de empuje para la aplicación de compresión en el miembro estructural a la mitad interior; y se define una segunda conexión entre las mitades interior y exterior (19, 18) para aceptar y portar al elemento de nudo la carga de compresión del miembro estructural (15) como se aplica a la mitad exterior (18) a través de la mitad interior (19), estando dimensionados el portador de tracción (20) y las mitades (19, 18) de elemento de conexión de tal manera que en la conexión terminada el miembro estructural (15) encaja el asiento de empuje de la mitad interior (19) y la mitad exterior (18) se pone a tope a compresión con el elemento de nudo (14) cuando la mitad interior (19) está esencialmente en su límite de movimiento con respecto al elemento (14) de nudo.
Description
Sistema de articulación coaxial.
La presente invención se refiere a un sistema de
conexión estructural sin soldadura con capacidad de resistir
momentos para su uso en todas las áreas de diseño de arquitectura,
ingeniería, fabricación, y montaje en campo de estructuras
reticuladas usando miembros tubulares redondos.
Generalmente, las estructuras reticuladas están
hechas de un red de dos elementos estructurales fundamentales,
nudos y miembros lineales de interconexión. Cuando los miembros
lineales consisten en tubos cilíndricos, las conexiones a los nudos
son generalmente articuladas debido a la configuración de los
mecanismos de conexión. Los sistemas que utilizan redes
entrelazadas de conexiones articuladas se emplean comúnmente en el
diseño, ingeniería, fabricación y montaje de numerosas estructuras
reticuladas, incluyendo, pero sin limitarse a ello, cúpulas,
fachadas de edificios, torres, cubiertas de estadios, puentes, y
diversas aplicaciones de celosías.
Un general, un sistema típico de conexión
articulada emplea un nudo generalmente esférico, conectado a una
serie de miembros estructurales tubulares. El nudo tiene aberturas
para recibir partes, tales como pernos, de los conjuntos de
conexión, y los extremos de los miembros estructurales tubulares se
sueldan a otras partes, tales como un cono extremo, de los
conjuntos de conexión. Los extremos de los miembros estructurales
tubulares pueden recibir una conicidad para simplificar o mejorar
la conexión. Conectando cada nudo esférico a una serie de miembros
estructurales con conjuntos de conexión, se pueden entrelazar
extensas redes de nudos y miembros estructurales para formar una
variedad de estructuras reticuladas. Muchas variaciones de este
"sistema de tubo y nudo de bola" común emplean nudos unidos a
conjuntos de conexión de caras planas a los cuales se sueldan
directamente los miembros estructurales tubulares.
Un sistema de tubo y nudo de bola específico usa
un nudo esférico con una pluralidad de aberturas redondeadas a
través de las cuales se inserta un perno o un pasador y se fija en
las mismas. Se coloca un casquillo en forma de embudo que tiene una
base cilíndrica hueca entre el nudo esférico y un miembro
estructural cilíndrico hueco. El extremo del miembro estructural
está forjado adecuadamente para conformarse a la forma de embudo de
la parte superior del casquillo. El extremo forjado del miembro
estructural y la parte superior del casquillo están soldados entre
sí y se inserta un perno a través del miembro estructural,
extendiéndose a través de la base del casquillo, y es unido en
forma que se pueda fijar enroscando al nudo. Se dispone un collarín
externamente accesible, el cual está fijado en forma rotativa al
perno para apretar el perno. De esta manera, los miembros
estructurales están unidos cada uno individualmente a los nudos
esféricos y se forma la estructura reticulada. En estas
configuraciones, los pernos resisten tensiones de esfuerzo cortante,
tracción y compresión. En algunos casos, el collarín resiste las
tensiones de compresión. Generalmente, los pernos reaccionan bien a
la tracción, pero el esfuerzo cortante y la compresión pueden
resultar problemáticos.
En las estructuras reticulares, se puede emplear
una red entrelazada de sistemas de conexión enclavados según
diversos modos. Estos usos van desde una actuación primaria como
estructura de soporte de cargas a ser una adición estética a una
fachada de edificio. La finalidad estructural de la red guía la
determinación de que fuerzas de compresión y tracción actuarán
sobre el sistema. La red se diseña para resistir la magnitud y la
dirección calculadas de las fuerzas de compresión y tracción. El
diseño efectivo de tales redes requiere el desarrollo de un modelo
apropiado del sistema de conexiones articuladas que se emplea en el
diseño estructural. Preferiblemente, el modelo debería ser tan
sencillo como fuera posible sin comprometer la precisión de
ingeniería. Además, cuando se emplea miembros estructurales
cilíndricos, el sistema de conexión que se usa debería tratar de
optimizar las características de soporte de la compresión comunes a
los tubos cilíndricos.
Los sistemas típicos de tubo y bola tienen
algunas deficiencias que resultan claras en el diseño, fabricación
y montaje en campo de las estructuras reticuladas. Cada punto de
conexión miembro-nudo dentro de un sistema normal
de tubo y bola es modelado habitualmente como un sistema de tres
partes compuesto de una bisagra en el nudo, un miembro corto
flexible que representa el perno y finalmente el tubo. Debido a que
el miembro estructural con frecuencia presenta una conicidad de
entrada en un casquillo en forma de embudo al que se suelda, el cual
luego se conecta al nudo, se necesita un modelo de tres partes para
medir, con suficiente precisión, la existencia de un momento en el
punto de conexión miembro-nudo. El modelo de tres
partes obtiene la precisión necesaria mediante la incorporación de
un miembro flexible corto y una bisagra. Este modelo de tres partes
es problemático debido a la complejidad que introduce en los
diseños de estructuras reticuladas.
Utilizar modelos más simples requeriría que la
estructura tuviera una capacidad importante de resistir momentos en
el punto de conexión entre los miembros estructurales y los nudos,
de manera que se pudiera eliminar el miembro corto flexible que
representa el perno y/o el collarín con la bisagra. Sin embargo, los
sistemas de tubo y bola fallan en cuanto a resistir suficientemente
los momentos en esta conexión, porque los diseños actuales
requieren miembros estructurales con conicidad de entrada en el
casquillo, collarín y perno. La reducción en el área de la sección
transversal de los miembros estructurales en la conexión introduce
en el diseño un elemento estructural adicional modelado como una
bisagra, e impide típicamente la transferencia de momentos en el
punto de conexión. Así, sometida a carga, la conexión articulada
gira ligeramente, como permita el miembro flexible corto sin
transmisión de momento. Esto inhibe también la aplicación de cargas
a los miembros estructurales, y por tanto, los altavoces, aparatos
de alumbrado, y otros equipos de deben unir a los nudos. Además,
cuando se trata de un miembro cilíndrico, una reducción en la
sección transversal de la conexión disminuye sus características en
cuanto a soportar la compresión.
En el documento
EEUU-A-5141 351 se describe un
ejemplo de un sistema de articulación en el que existe una
reducción en la sección transversal en la región de la conexión. El
sistema de articulación de esta patente comprende un dispositivo
para unir un miembro estructural alargado a un nudo de conexión e
incluye una tapa para el extremo hueco y un perno alargado que
extiende un extremo roscado a través de la misma para encajar con
el nudo. Una parte del perno entre el extremo distal roscado y una
cabeza de perno en el extremo opuesto tiene la forma de un cubo de
sección transversal cuadrada, el cual tiene una rosca externa
cortada en las partes de ángulos del mismo de tal manera que el
cubo cuadrado puede ser enroscado a través de una abertura roscada
interiormente en la tapa, siendo esta abertura roscada interiormente
menor que la cabeza del perno. Un casquillo que tiene una longitud
mayor que el cubo cuadrado tiene una abertura cuadrada pasante
dimensionada para ajustarse en forma deslizante alrededor del cubo
cuadrado. Durante el uso del dispositivo, la tapa se suelda a un
extremo del miembro estructural alargado, el casquillo se ajusta en
forma deslizante alrededor del cubo cuadrado, y se enrosca un
extremo distal roscado del perno a una abertura de tamaño
coincidente de un nudo, apretándose el perno en la misma por
aplicación de un par externo proporcionado a una superficie
exterior del casquillo. Como resultado de la estructura, el aparato
de conexión se estrecha por abajo en sección transversal en la
región de conexión y se debe clasificar por tanto como una conexión
articulada. No se transfiere el momento flector a través de la
conexión como conjunto. Esto da lugar a una disminución en las
tensiones de flexión admisibles en la región de la conexión. La
estructura requiere también al menos cierta soldadura y por tanto
una limitación en los materiales disponibles que se pueden usar.
Para ser empleados en la práctica en el diseño
estructural, los elementos de un sistema de conexión deberían ser
fáciles de fabricar. En los sistemas de tubo y bola, los nudos
esféricos son difíciles de fabricar, y a menudo están limitados en
tamaño. Los sistemas de bola y tubo tienen también limitaciones en
el tipo de material que se puede usar. Aunque los polímeros,
plásticos, aluminio, y una variedad de compuestos pueden tener las
características necesarias de resistencia, costo y diseño estético
que los hacen deseables para su uso en una estructura reticulada,
tales materiales son con frecuencia sensibles a la soldadura. El uso
de la soldadura en una estructura reticulada es costoso y consume
tiempo. Requiere medidas de control de calidad, uso de materias
primas y requiere obreros adiestrados. El uso de la soldadura en los
sistemas de bola y tubo disminuye las tensiones admisibles que
pueden soportar ciertos materiales y los elimina en cuanto a su
consideración para aplicaciones particulares.
Finalmente, debido a la naturaleza intricada de
las estructuras reticulares, el montaje en campo y el ensamblaje
pueden ser tanto difíciles como costosos. El montaje de estas
estructuras es un proceso implacablemente rígido, y con frecuencia,
el montaje de una estructura reticulada progresa hasta el punto en
que dos nudos, que no están conectados todavía por un miembro
estructural, están fijados suficientemente en su sitio por una serie
anterior de conexiones ensambladas, conexiones tales que conectar
un miembro estructural entre los dos nudos fijos requiere mover por
la fuerza los nudos separándolos para conectar el tubo. Esto consume
tiempo y puede dañar la estructura.
Por tanto, es deseable tener un sistema de
conexión que pueda ser modelado simplemente como un miembro alargado
unido fijamente a un punto nodal, sin tener que incorporar una
bisagra y/o un miembro corto flexible para asumir la transmisión de
fuerzas en el punto de conexión. También es deseable tener un
sistema de conexión que permita usar un miembro cilíndrico sin
reducir significativamente el área de su sección transversal en el
punto de conexión. Además, es deseable tener un sistema de conexión
que no requiera soldar para unir los miembros estructurales a los
nudos y que proporcione una separación construida entre los nudos
para facilitar la inserción de los miembros estructurales entre dos
puntos fijos. También es deseable tener un diseño de sistema de
conexión en el que los elementos del sistema sean fáciles de
fabricar, tengan una gama más flexible de tipos de material
disponibles, y no estén limitados en forma. Adicionalmente, es
deseable evitar cargar los pernos con tensiones de esfuerzo
cortante y compresión.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona una conexión que evita momentos pata un
elemento de nudo de una estructura reticulada que comprende:
- un miembro estructural;
- una mitad de elemento de conexión interior y exterior;
- un portador de tracción fijado al elemento de nudo y que se extiende de forma deslizante a través de la mitad interior, estando el portador y la mitad interior configurados de forma que cooperan para definir un límite de movimiento de la mitad interior a lo largo del portador desde el elemento de nudo;
- una primera conexión entre la mitad interior y el miembro estructural definida para resistir la tracción en el miembro estructural, definiendo también la conexión entre la mitad interior y el miembro estructural un asiento de empuje para la aplicación de compresión en el miembro estructural a la mitad interior, y
- una segunda conexión entre las mitades interior y exterior definida para aceptar y transmitir al elemento de nudo la carga de compresión del miembro estructural como se aplica a la mitad exterior a través de la mitad interior, estando dimensionados el portador de tracción y las mitades de elemento de conexión de tal manera que en la conexión terminada el miembro estructural encaja el asiento de empuje de la mitad interior y la mitad exterior se pone a tope a compresión con el elemento de nudo cuando la mitad interior está esencialmente en su límite de movimiento con respecto al elemento de nudo.
En algunas realizaciones, la mitad interior
tiene roscas internas y roscas externas.
En otras realizaciones, la mitad interior
comprende primeras roscas externas y segundas roscas externas.
Ventajosamente, la mitad exterior es deslizable
respecto al miembro estructural.
Ventajosamente, la mitad exterior es extensible
más allá del miembro estructural para ponerse a tope con el
elemento de nudo.
Preferiblemente, el portador de tracción
comprende un perno de tracción.
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, se proporciona un método para establecer la conexión de
un miembro estructural a un elemento de nudo en una estructura
restringida como la definida en cualquiera de las reivindicaciones
1 a 6, teniendo el miembro estructural una parte extrema de
conexión, incluyendo el método:
- (a)
- hacer cautiva del elemento de nudo la interior de las mitades interior y exterior, mientras se permite a la mitad interior desplazarse a lo largo de una trayectoria apartándose del elemento de nudo en contacto con un tope;
- (b)
- disponer la mitad interior apartándola del tope y alinear la parte de conexión del miembro estructural con la mitad interior;
- (c)
- desplazar la mitad interior del elemento de nudo hacia el tope;
- (d)
- establecer entre la parte de conexión del miembro estructural y la mitad interior una conexión que sitúa a la mitad interior esencialmente en el tope, el cual resiste el tirón de la mitad interior apartándose de dicha parte de conexión, y produce una puesta a tope cara a cara de la parte de conexión con la mitad interior prácticamente en un plano que es sustancialmente normal a dicha trayectoria;
- (e)
- disponer la mitad exterior sobre la mitad interior y establecer entre ellas una conexión que coloca la mitad exterior a tope a compresión con el elemento de nudo y que resiste el movimiento de la mitad interior hacia el elemento de nudo.
Preferiblemente, la etapa de hacer cautivo
comprende insertar un portador de tracción a través de la mitad
interior y acoplar el portador de tracción al elemento de nudo.
Ventajosamente, la etapa de establecer una
conexión entre la parte de conexión del miembro estructural y la
mitad interior comprende encajar mediante rosca el miembro
estructural a la mitad interior.
Ventajosamente, la etapa de establecer una
conexión entre la mitad exterior y la mitad interior comprende
encajar mediante rosca la mitad exterior a la mitad interior.
Se describen realizaciones de la invención
haciendo referencia a los dibujos siguientes, los cuales son dibujos
de ingeniería normales. La información contenida en los dibujos se
incorpora por tanto a esta descripción detallada de la invención.
Sin embargo, se podría hacer cambios a la invención tal como ésta se
representa en los dibujos sin apartarse del objeto de la presente
invención.
la Fig. 1 es una vista esquemática en alzado de
una estructura reticulada en forma de cúpula con la cual se puede
usar un sistema de conexión de acuerdo con la presente
invención;
la Fig. 2 es una vista en planta de una parte de
un sistema CAJ de conexión resistente a momentos ensamblado;
la Fig. 3 es una vista en planta de un elemento
de conexión de bloque único y una serie típica de conexiones del
Sistema CAJ tomada desde dentro del círculo 3 de la Fig. 2;
la Fig. 4 es una vista en corte transversal de
una conexión mostrada en la Fig. 2, que tiene una conexión de
miembro estructural roscada externamente, de la conexión del Sistema
CAJ;
la Fig. 5 es una vista en planta del Sistema CAJ
de la Fig. 2 previamente al ensamblaje;
la Fig. 6 es una vista en corte transversal
parcial tomada desde dentro del círculo 6 de la Fig. 5;
la Fig. 7 es una vista en planta del Sistema CAJ
de la Fig. 2 parcialmente ensamblado;
la Fig. 8 es una vista en corte transversal
parcial tomada desde dentro del círculo 8 de la Fig. 7;
la Fig. 9 es una vista en corte transversal
parcial de una realización alternativa de la conexión del Sistema
CAJ, que tiene una conexión de miembro estructural internamente
roscada;
la Fig. 10 es una vista en corte transversal
esquemático de un perno de tracción hueco;
la Fig. 11 es una vista esquemática en alzado
del elemento de conexión de bloque hueco;
la Fig. 11A es una vista esquemática en corte
transversal del elemento de conexión de bloque hueco de la Fig. 11;
y
la Fig. 12 es una vista esquemática en corte
transversal similar a la Fig. 9, excepto en que se representa un
miembro estructural de mayor diámetro.
Una estructura 9 en forma de cúpula que descansa
en una cimentación 10 como la mostrada en la Fig. 1 utiliza al
menos un Sistema 11 de Articulación Coaxial (CAJ) como el
representado en las Figs. 2 y 3. Una realización preferida de un
sistema 11 de diseño CAJ ensamblado comprende una serie de
conexiones 12 del sistema de diseño CAJ. Cada conexión 12 comprende
un elemento de conexión 14 de bloque tridimensional, un miembro
estructural 15, y un conjunto 16 de unión del elemento de conexión
miembro-bloque. En la práctica, el miembro
estructural 15 está unido al elemento de conexión 14 de bloque, el
cual funciona como un elemento de nudo a través del conjunto 16 de
unión del elemento de conexión miembro-bloque.
Haciendo referencia a la Fig. 4, el conjunto 16
de unión del elemento de conexión miembro-bloque
usado en el Sistema CAJ emplea un casquillo 18 de compresión a
través del cual se inserta el miembro estructural 15, una cápsula
extrema 19, la cual es capaz de conectar tanto al miembro
estructural 15 como al casquillo 18, y un mecanismo de unión,
generalmente designado por 20, que sujeta la cápsula extrema 19 al
elemento 14 de conexión de bloque. La cápsula extrema y el
casquillo comprenden mitades de conexión interior y exterior,
respectivamente, y el mecanismo de conexión funciona como un
portador de tracción mientras que el casquillo actúa como un
portador de compresión. La cápsula extrema es libre de deslizar
sobre el mecanismo de unión, y el miembro estructural, la cápsula
extrema, el casquillo y el mecanismo de unión tienen una
configuración coaxial.
Esta realización tiene un diámetro exterior
(O.D.) o una conexión de miembro estructural externamente roscada.
La cápsula extrema 19 es un miembro en forma de copa cilíndrica con
una abertura 22 en su parte inferior extrema para recibir los
medios de unión 20, los cuales son preferiblemente un perno de
tracción. La cápsula extrema 19 tiene una cavidad interna 23
accesible a través de la parte superior de la cápsula extrema. El
perno de tracción se inserta a través de la cavidad interna de la
cápsula y la abertura 22 en la base de la cápsula extrema y está
roscado en el elemento de conexión de bloque a una profundidad
predeterminada. De este modo, la cápsula extrema está limitada en
cuanto a que distancia se puede desplazar alejándose del elemento de
conexión de bloque. En la superficie interna de la cápsula extrema
hay roscas de espolón 34 a tracción y en la superficie externa de
la cápsula hay roscas de espolón 36 a compresión. Ambos conjuntos de
roscas se extienden perpendiculares a la superficie de la conexión
del elemento de conexión de bloque.
Se puede conectar la cápsula extrema al elemento
de conexión de bloque en el campo o en fábrica. Es preferible unir
la cápsula extrema en fábrica porque haciéndolo así se elimina por
completo el uso de pernos en el emplazamiento de la construcción,
con lo cual se disminuye el tiempo consumido en obra.
Adicionalmente, se podría colocar el perno a tracción a una
profundidad predeterminada en el elemento de conexión de bloque a
fin de simplificar el control dimensional de la estructura.
La base 24 de la cápsula extrema corre
paralelamente al elemento de conexión de bloque y es capaz de
descansar enrasada contra una superficie 28 de cara en relieve del
elemento de conexión de bloque o de moverse a lo largo del perno a
tracción hasta que entra en contacto con una arandela 30 dispuesta
en el perno de tracción entre la cabeza 32 del perno y la base de
la cápsula extrema. Así, no hay límite en cuanto a que distancia se
puede desplazar la cápsula extrema apartándose del elemento de nudo,
es decir, del elemento de conexión de bloque. La superficie de
conexión 28 comprende un entrante circular en el elemento de
conexión de bloque. Se dimensiona el diámetro del entrante para
recibir con holgura el diámetro exterior del casquillo de
compresión. Así, los esfuerzos cortantes son soportados por la
conexión entre el entrante del elemento de conexión de bloque y el
casquillo de compresión.
El miembro estructural 15 cilíndrico, el cual
tiene extremos proximal y distal respecto al elemento de conexión
de bloque se puede unir a la superficie de la cavidad interna de la
cápsula extrema. El miembro estructural tiene roscas de espolón 40
situadas en la superficie externa de al menos uno de sus extremos
que forma una parte de conexión extrema. Las roscas 40 son
complementarias de las roscas de espolón 34 a tracción de la
superficie interna de la cápsula extrema. De este modo, la carga de
tracción es soportada por el perno de tracción, la cápsula extrema
y el miembro estructural. La trayectoria de tracción va desde el
elemento de conexión de bloque al perno de tracción, desde el perno
de tracción a la cápsula extrema a través de la arandela comprimida
entre ambos, y desde la cápsula extrema al miembro estructural a
través de la conexión roscada 34, 40 entre ambos. Las roscas de
espolón de tracción proporcionan relativamente poco soporte a
compresión. Además, debido a que la cápsula extrema es libre de
deslizarse sobre el perno hacia el elemento de conexión de bloque,
no se puede cargar a compresión el perno.
Por tanto, se dispone el casquillo 18 de
compresión cilíndrico hueco. El casquillo tiene suficiente diámetro
para abarcar tanto el miembro estructural cilíndrico como la cápsula
extrema. El casquillo actúa como un miembro de ajuste de longitud,
puesto que permite que la longitud funcional del miembro estructural
sea mayor que su longitud real, y es deslizable respecto al miembro
estructural. La cavidad interna del casquillo de compresión es
accesible tanto desde la parte superior abierta como desde la parte
inferior del casquillo. En su superficie interna, el casquillo 18
tiene roscas de espolón 38 complementarias de las roscas de espolón
36 de compresión de la superficie externa de la cápsula extrema. La
cápsula extrema actúa para sujetar el casquillo entre el miembro
estructural y el elemento de conexión de bloque. Así, la carga de
compresión es soportada por el casquillo, la cápsula extrema y el
miembro estructural. La trayectoria de compresión va desde el
elemento de conexión de bloque al casquillo, desde el casquillo a
la cápsula extrema a través de la conexión roscada entre ambos, y
desde la cápsula extrema al miembro estructural a través de la toma
de contacto del extremo 42 del miembro estructural sobre el resalto
circunferencial 44 de la cápsula extrema. De este modo, el resalto
forma un asiento de empuje para la aplicación de la compresión.
Las roscas de espolón de compresión están
reforzadas para impedir que la cápsula extrema sea empujada al
interior del casquillo. La conexión a tope entre el casquillo y el
elemento de conexión de bloque no proporciona soporte alguno para
las cargas a tracción. Sin embargo, todo el conjunto de conexión
proporciona una articulación completa, siendo resistidas las
fuerzas de tracción, compresión y esfuerzo cortante por los
elementos más capaces de resistir las fuerzas respectivas, y debido
a que el miembro estructural se une al elemento de conexión de
bloque con un conjunto de conexión que no tiene un diámetro
reducido, se crea una articulación resistente a los momentos.
Haciendo referencia a las figuras 5 a 8, la
realización del miembro estructural O.D. del sistema de diseño CAJ
se ensambla por roscado de los pernos a tracción 20, dotados de
arandelas 30, a través de las bases 24 de las cápsulas extremas 19
y en los elementos de conexión de bloque 14, uniendo las cápsulas
extremas de forma que se pueden mover a los elementos de conexión
de bloque. A continuación se inserta el miembro estructural 15
cilíndrico a través de los casquillos cilíndricos, y se coloca el
miembro estructural de tal manera que las roscas situadas en las
superficies extremas externas del miembro estructural estén
alineadas con las cápsulas extremas entre los dos elementos de
conexión de bloque. Así, el miembro estructural, los casquillos, las
cápsulas extremas, y los pernos de tracción son coaxiales. La
longitud del miembro estructural deja un hueco 46 entre el miembro
estructural y el perno de tracción a cada extremo, de manera que el
miembro estructural se inserta fácilmente entre los dos elementos
de conexión de bloque.
El resto del conjunto se describirá haciendo
referencia sólo a un extremo del miembro estructural. Con la
arandela y una parte del perno de tracción en la cavidad interna de
la cápsula extrema, se desvía hacia el miembro estructural como se
ilustra por las flechas 48 en la Fig. 8. Las roscas de espolón de la
superficie interna de la cápsula extrema se roscan en las roscas de
espolón de la superficie externa del miembro estructural cilíndrico
y se aprietan hasta que el extremo 42 del miembro estructural entre
en contacto con holgura con el resalto 44 de la cápsula extrema, en
cuyo punto la arandela 30 debería estar encajada con holgura entre
la cabeza 32 del perno y la superficie en el extremo de la base de
la cápsula extrema 19, la cual forma la parte inferior de la
cavidad 23. En el sistema mostrado en las Figs. 2-8,
así como en el sistema mostrado en la Fig. 9, la parte del eje de
cada perno 20 de tracción adyacente a la cabeza 32 puede estar sin
roscar y ser preferiblemente no redondeada, por ejemplo hexagonal,
para permitir que el perno sea encajado y se le pueda hacer girar
mediante una llave. De esta manera, se puede colocar inicialmente un
perno de tracción en el elemento de conexión de bloque con la
cabeza del perno suficientemente alejada del elemento de conexión
de bloque para asegurar que la cápsula extrema se puede mover a lo
largo del perno al tope deseado de su resalto 42 con el extremo del
miembro estructural 15. Cualquier separación o juego que exista
entre la cabeza del perno y la arandela 30, por una parte, y la
base del entrante de la cápsula extrema, por otra parte, se puede
eliminar al apretar con la llave el perno en el elemento de conexión
de bloque para establecer el encaje con la holgura deseada de la
arandela 30 entre la cabeza del perno y la cápsula extrema y para
pretensar el perno si se desea establecer esta condición.
A continuación, se mueve el casquillo 18 de
compresión a lo largo del miembro estructural hacia la cápsula
extrema, se enroscan las roscas de espolón de la superficie interna
del casquillo cilíndrico en las roscas de espolón de la superficie
externa de la cápsula extrema y se aprietan para hacer que el
extremo inferior del casquillo 18 de compresión se ponga a tope con
holgura con la superficie 28 del elemento de conexión de bloque.
Una vez se ha ensamblado la junta, se puede apretar con un tornillo
21 de presión, el cual incide sobre las roscas de la cápsula
extrema.
La longitud del miembro estructural se determina
por las limitaciones de diseño de la estructura. Sin embargo, una
vez se ha elegido la longitud, se debe fabricar con tolerancias
bajas para asegurar un ajuste adecuado con la cápsula extrema y una
alineación adecuada del borde 50 distal de los casquillos con la
cápsula extrema.
Se pueden usar llaves inglesas para hacer girar
la cápsula extrema en su conexión roscada al miembro estructural y
para hacer girar el casquillo de compresión en su conexión a la
cápsula extrema y su puesta a tope con la superficie 28 del
elemento de conexión de bloque. Una llave inglesa tiene un mango
alargado con una parte superior curvada y una proyección que se
extiende hacia el mango desde el extremo de la parte superior. Los
casquillos, cápsulas extremas y miembros estructurales, dependiendo
de la realización, tienen aberturas 45 (Fig. 2) para recibir la
proyección de la llave inglesa. En una conexión 12 adecuadamente
ensamblada, el nivel de holgura con el cual encaja el resalto 44 de
la cápsula extrema con el extremo 42 de los miembros estructurales,
con el cual se mantiene la arandela 30 entre la cabeza 32 de perno y
la cápsula extrema 19, y con el cual el casquillo de compresión se
pone a tope con las superficies 28 es suficiente para que esos
conjuntos de elementos permanezcan en contacto entre sí a través
del intervalo de dilataciones y contracciones térmicas que se
considera que los componentes de conexión van a experimentar. El
elemento 14 de conexión de bloque se muestra como si fuera de forma
hexagonal, pero en la práctica no está limitado a esa configuración
y además puede ser tridimensional para su uso en reticulados
espaciales y otras estructuras similares. Se debería diseñar los
elementos de conexión de bloque para que se adaptaran
suficientemente a la pluralidad de miembros estructurales que puede
ser necesario unir a los mismos. Más allá de consideraciones de
diseño, el propio elemento de conexión de bloque puede ser de
cualquier tamaño, forma o configuración. Sin el requisito físico de
un nudo esférico, el Sistema CAJ puede ser más adaptable a las
aplicaciones de las estructuras espaciales y más eficiente en su
fabricación. De manera semejante, los miembros estructurales 15 son
preferiblemente lineales y cilíndricos de forma, pero al practicar
el sistema de diseño CAJ, no se hace girar a los miembros
estructurales. Por tanto, los miembros estructurales no se
encuentran limitados a esa configuración. Los miembros estructurales
pueden ser de cualquier tamaño, forma o configuración, incluyendo
los tubos curvados o corrugados y los tubos con secciones
transversales prismáticas u octagonales, con tal de que los extremos
de los miembros estructurales sean susceptibles de unirse a una
cápsula extrema cilíndrica. Los conjuntos de unión de un solo
elemento de conexión de bloque unen los miembros estructurales a
los elementos de conexión de bloque, sin manipulación o rotación de
los miembros estructurales, permitiendo de este modo el uso de
miembros estructurales no cilíndricos, no lineales, o incluso
entrelazados por parejas.
Debido a que el Sistema CAJ comprende elementos
conectados entre sí en articulaciones rígidas (no flexibles), el
Sistema CAJ proporciona numerosos beneficios. La eliminación de los
puntos de conexión con conicidad permite transmitir los momentos y
elimina la necesidad de emplear una bisagra hipotética cuando se
modela una estructura reticulada propuesta, con lo cual se
simplifica el diseño estructural. La capacidad del Sistema CAJ para
resistir los momentos permite también emplear el Sistema CAJ en
estructuras dúctiles así como en estructuras trianguladas. Además,
los miembros estructurales pueden ser tratados como vigas, y por
tanto se pueden unir altavoces, luces y otros equipos donde sea más
conveniente bien a un nudo o bien a un miembro estructural.
Puesto que el Sistema CAJ usa miembros
estructurales conectados directamente a los elementos de conexión de
bloque de una manera fija, resistente a los momentos, el Sistema
CAJ puede tomar una mayor ventaja en cuanto a las capacidades de
resistir la compresión de los miembros estructurales cilíndricos y
por consiguiente aumentar la capacidad de soporte del sistema hasta
el doble de la de los sistemas normales de tubo y nudo de bola.
Como resultado, el Sistema CAJ puede emplear tubos bien con la mitad
de diámetro o bien con el doble de longitud y mantener todavía la
misma capacidad de soporte de carga que un sistema de tubo y nudo de
bola de dimensiones y cargas similares.
Eliminando la necesidad de soldar los miembros
estructurales a los conjuntos de conexión, el Sistema CAJ permite
también una significativa versatilidad en cuanto al tipo de
materiales a emplear y al montaje en campo de las estructuras. Se
puede usar una variedad de materiales sensibles a la soldadura con
una resistencia, costo, estética y otras características deseables
en el Sistema CAJ sin miedo de causar daños a los materiales al
soldar y de reducir con ello su capacidad de soportar la tensión. La
eliminación de la soldadura permite también un ensamblaje rápido,
corta los costos, reduce las etapas de fabricación, el uso de
material y permite una mayor flexibilidad en el montaje en campo de
las estructuras. En particular, debido a que el Sistema CAJ
proporciona una separación de construcción para los miembros, ya no
resulta problemático insertar un miembro estructural entre dos
elementos de conexión de bloque fijos. A diferencia de algunos
sistemas de tubo y nudo de bola, el Sistema CAJ permite la fácil
instalación o sustitución de un miembro estructural entre dos nudos
fijos. Esto es posible porque los casquillos constituyen parte de la
longitud entre los elementos de conexión de bloque, y los
casquillos solapan por completo los miembros estructurales antes de
la conexión.
Se puede emplear casi cualquier material sólido
en el sistema de diseño CAJ. Específicamente, debido a que no se
requiere soldadura alguna en el ensamblaje del sistema de diseño
CAJ, se puede usar materiales con características de resistencia
sensibles a la soldadura tales como el aluminio o los materiales
compuestos, sin preocuparse por la reducción de la resistencia del
material, la ductilidad u otras propiedades.
Una segunda realización del sistema de diseño
CAJ que tiene una conexión de miembro estructural con menor
diámetro interior (internamente roscado), se representa en la Fig.
9, en la cual se ha dado a los elementos similares a los ya
descritos el número de referencia correspondiente con un sufijo A de
distinción añadido a los mismos. La cápsula extrema 19A se une a un
elemento 14A de conexión de bloque a través de un montante 80
totalmente roscado, dos contratuercas 82 y una arandela 30A. Esta
disposición permite el ajuste en campo de la distancia máxima que
las cápsulas extremas se pueden apartar del elemento de conexión de
bloque para obtener el ajuste apretado deseado para el miembro
estructural entre los elementos de conexión de bloque.
La cápsula extrema tiene una forma cilíndrica
con una cavidad interna accesible a través de la parte superior
abierta de la cápsula extrema y un diámetro interno de magnitud
preferiblemente constante a lo largo de toda la altura de la
cavidad. La circunferencia externa de la cápsula extrema varía de
magnitud, teniendo la circunferencia externa de la cápsula extrema
una circunferencia menor que la parte inferior 54 de la cápsula
extrema. La parte superior tiene roscas 34A de espolón externas de
tracción, para encajar enroscando las roscas 40A de espolón
internas del miembro estructural 15A, y la parte inferior tiene
roscas 36A de espolón externas de compresión, para encajar
enroscando las roscas 38A de espolón internas del casquillo 18A de
compresión. El miembro estructural, que es susceptible de unirse a
la parte superior 52 roscada externamente de la cápsula extrema,
tiene las roscas 40A de espolón situadas en la superficie interna de
sus extremos. La base de la cápsula extrema corre nuevamente
paralela a la superficie 28A de conexión del elemento de conexión de
bloque y es susceptible de permanecer enrasada contra la superficie
de conexión del elemento de conexión de bloque. El montante de
tracción se extiende a través de la base de la cápsula extrema y
dentro del volumen interno del elemento de conexión de bloque. Las
contratuercas 82 y la base 24A de la cápsula extrema están
físicamente separadas por una arandela 30A. El montante de tracción
está enroscado al elemento de conexión de bloque.
El casquillo 18A cilíndrico hueco es de diámetro
suficiente para abarcar tanto el miembro estructural 15A cilíndrico
como la cápsula extrema 19A. El casquillo actúa como un miembro de
ajuste de longitud, y es deslizable respecto al miembro
estructural. La cavidad interna del casquillo cilíndrico es
accesible tanto desde la parte superior abierta como desde la parte
inferior del casquillo. En la superficie de la cavidad interna del
casquillo están las roscas de espolón 38A complementarias de las
roscas de espolón 36A de la superficie externa de la cápsula
extrema. La cápsula extrema actúa para sujetar el casquillo entre el
miembro estructural y el elemento de conexión de bloque. Haciendo
esto, el casquillo actúa entre la cápsula extrema y el elemento 14A
de conexión de bloque para resistir los momentos aplicados desde
los miembros estructurales o hacia éstos.
Este miembros estructural roscado internamente
del sistema de diseño CAJ se ensambla de manera similar a la de la
realización previa, enroscando la varilla de tracción, dotada de una
arandela y una tuerca de seguridad, a través de la base de la
cápsula extrema, y en el elemento de conexión de bloque, uniendo de
forma que permite el movimiento la cápsula extrema al elemento de
conexión de bloque. A continuación se inserta el miembro estructural
a través del casquillo cilíndrico y se coloca el miembro
estructural de tal manera que las roscas situadas en la superficie
extrema interna del miembro estructural estén alineadas con la
cápsula extrema. Con la arandela y una parte del montante de
tracción en la cavidad interna de la cápsula extrema, se desvía la
cápsula extrema hacia el miembro estructural. Las roscas de espolón
de la superficie externa de la parte superior de la cápsula extrema
se roscan a las roscas de espolón de la superficie interna del
miembro estructural cilíndrico y se aprietan usando una llave
inglesa, por ejemplo. El extremo inferior 44A del miembro
estructural se ajusta con juego contra un resalto externo 42A sobre
la cápsula extrema conforme se ajusta con juego la arandela 30A
entre la base de la cápsula extrema y las tuercas de fijación.
Entonces las roscas de espolón de la superficie interna del
casquillo cilíndrico se enroscan a las roscas de espolón de la
superficie externa de la parte inferior de la cápsula extrema y se
aprietan con una llave inglesa, por ejemplo, para ajustar con
holgura el extremo inferior del casquillo contra la superficie 28A
del elemento de conexión de bloque.
Las roscas de espolón complementarias usadas
para unir el miembro estructural a la cápsula extrema y para unir
el casquillo a la cápsula extrema pueden alternar en dirección de
roscado para proporcionar una mayor facilidad de montaje.
Alternando la dirección de roscado, por ejemplo, se puede enroscar
la cápsula extrema al miembro estructural y luego subsiguientemente
enroscar el casquillo a la cápsula extrema sin invertir la conexión
roscada inicial entre la cápsula extrema y el miembro estructural.
Las direcciones de rosca pueden ser en el sentido de las agujas del
reloj o en el sentido contrario al de las agujas del reloj, siempre
que alternen entre los dos puntos de unión, cápsula extrema a
miembro estructural y cápsula extrema a casquillo. Además, aunque
esta realización emplea roscas de espolón complementarias como medio
preferido de unir el miembro estructural a la cápsula extrema, y de
unir el casquillo a la cápsula extrema, se pueden usar otros medios
de unión en el Sistema CAJ que incluyen la soldadura, aunque no se
favorece.
En una realización alternativa, un perno 60 de
tracción es hueco axialmente y tiene aberturas 62 para permitir que
se tiendan cables W as través del conducto central 64 del perno,
como se representa en la Fig. 10. Adicionalmente, como se indicó
previamente, la forma y la configuración del elemento de conexión de
bloque no se limitan a la forma representada en esta realización.
El elemento de conexión de bloque puede ser de cualquier forma que
permita al conjunto 16 del miembro estructural y el elemento de
conexión de bloque colocar fijamente el miembro estructural 5
contra el elemento 14 de conexión de bloque. En una realización
alternativa mostrada en las Figs. 11 y 11A, el elemento 70 de
conexión de bloquees también hueco con aberturas 72 en cada
superficie 74 de conexión conducentes a una cavidad central 76 a
fin de adaptar el uso de cables en una estructura reticulada. El
elemento de conexión de bloque está provisto además de una trampilla
78 a fin de permitir el acceso para el tendido de cables.
Aunque se ha representado el miembro estructural
con una cavidad interna, podría ser de volumen lleno y no se
requiere que sea sustancialmente hueco. El grado de llenado de
volumen del miembro estructural depende de la capacidad de soporte
de carga requerida y de otras consideraciones de diseño.
Aunque las realizaciones del sistema de diseño
CAJ generalmente representadas usan un perno de tracción para unir
la cápsula extrema con el elemento de conexión de bloque, es
importante observar que se pueden emplear otros medios de unión en
el sistema de diseño CAJ tales como el montante totalmente
roscado.
Además, el Sistema CAJ puede ser dotado de
anillos que funcionan para unir tubos de diferentes diámetros como
se representa en la Figura 12. Los anillos 79 permiten que se
conecten miembros estructurales de diferentes tamaños 80 al mismo
elemento de conexión de bloque.
Adicionalmente, inherente a la flexibilidad de
diseño del elemento 14A de conexión de bloque, los entrantes 28A
con caras en relieve, los casquillos 18A de compresión, la cápsula
extrema 24A, el sistema puede ser dimensionado para aceptar
miembros estructurales 80 tubulares de diversos diámetros en la
misma junta, sin el uso del anillo roscado 79.
Claims (10)
1. Una conexión para elemento (14) de nudo de
una estructura reticulada que comprende:
un miembro estructural (15);
una mitad interior y exterior (19, 18) de
elemento de conexión;
un portador (20) de tracción fijado al elemento
de nudo;
caracterizado porque el portador (20) de
tracción se extiende de forma deslizante a través de la mitad
interior (19), estando el portador (20) de tracción y la mitad
interior (19) configurados de forma que cooperan para definir un
límite de movimiento de la mitad interior (19) a lo largo del
portador (20) de tracción desde el elemento de nudo;
se define una primera conexión (34, 40) entre la
mitad interior (19) y el miembro estructural (15) para resistir la
tracción en el miembro estructural, definiendo también la conexión
entre la mitad interior y el miembro estructural un asiento (42) de
empuje para la aplicación de compresión en el miembro estructural a
la mitad interior; y
se define una segunda conexión entre las mitades
interior y exterior (19, 18) para aceptar y portar al elemento de
nudo la carga de compresión del miembro estructural (15) como se
aplica a la mitad exterior (18) a través de la mitad interior (19),
estando dimensionados el portador de tracción (20) y las mitades
(19, 18) de elemento de conexión de tal manera que en la conexión
terminada el miembro estructural (15) encaja el asiento de empuje de
la mitad interior (19) y la mitad exterior (18) se pone a tope a
compresión con el elemento de nudo (14) cuando la mitad interior
(19) está esencialmente en su límite de movimiento con respecto al
elemento (14) de nudo.
2. Una conexión según la reivindicación 1, en la
que la mitad interior (19) tiene roscas internas (34) y roscas
externas (36).
3. Una conexión según la reivindicación 1, en la
que la mitad interior (19) comprende primeras roscas externas (34A)
y segundas roscas externas (36A).
4. Una conexión según la reivindicación 1, 2 ó
3, en la que la mitad exterior (18) es deslizable respecto al
miembro estructural.
5. Una conexión según la reivindicación 1, 2, 3
ó 4, en la que la mitad exterior (18) es extensible más allá del
miembro estructural para ponerse a tope con el elemento de nudo.
6. Una conexión según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en la que el portador (20) de tracción
comprende un perno de tracción.
7. Un método para establecer la conexión de un
miembro estructural a un elemento de nudo en una estructura
restringida como la definida en cualquiera de las reivindicaciones 1
a 6, teniendo el miembro estructural una parte extrema de conexión,
incluyendo el método:
- (a)
- hacer cautiva del elemento (14) de nudo la interior de las mitades interior y exterior (19, 18), mientras se permite a la mitad interior (19) desplazarse a lo largo de una trayectoria apartándose del elemento (14) de nudo en contacto con un tope (30);
- (b)
- disponer la mitad interior (19) apartándola del tope (30) y alinear la parte de conexión del miembro estructural (15) con la mitad interior (19);
- (c)
- desplazar la mitad interior (19) del elemento de nudo (14) hacia el tope (30);
- (d)
- establecer entre la parte de conexión del miembro estructural y la mitad interior (19) una conexión que sitúa a la mitad interior (19) esencialmente en el tope (30), el cual resiste el tirón de la mitad interior (18) apartándose de dicha parte de conexión, y produce una puesta a tope cara a cara de la parte de conexión con la mitad interior (19) esencialmente en un plano que es sustancialmente normal a dicha trayectoria;
- (e)
- disponer la mitad exterior (18) sobre la mitad interior (19) y establecer entre ellas una conexión que coloca la mitad exterior (18) a tope a compresión con el elemento de nudo (14) y que resiste el movimiento de la mitad interior (19) hacia el elemento (14) de nudo.
8. Un método según la reivindicación 7, en el
que la etapa de hacer cautivo comprende insertar un portador de
tracción a través de la mitad interior (19) y acoplar el portador
(20) de tracción al elemento de nudo.
9. Un método según la reivindicación 7 u 8, en
el que la etapa de establecer una conexión entre la parte de
conexión del miembro estructural y la mitad interior (19) comprende
encajar mediante rosca el miembro estructural (15) a la mitad
interior (19).
10. Un método según la reivindicación 7, 8 ó 9,
en el que la etapa de establecer una conexión entre la mitad
exterior (18) y la mitad interior (19) comprende encajar mediante
rosca la mitad exterior (18) a la mitad interior (19).
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