ES2300579T3 - Elementos de chapa estructurales emparedados mejorados. - Google Patents
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Abstract
Un elemento de chapa estructural emparedado incluyendo: chapas exteriores primera y segunda (11, 12) hechas de metal; un núcleo (14) de material plástico o polimérico sustancialmente compacto unido a dichas chapas exteriores con resistencia suficiente para transferir fuerzas de cizalladura entre ellas; y una pluralidad de formas ligeras (13) dispuestas dentro de dicho núcleo (14), teniendo las formas una densidad más baja que dicho material plástico o polimérico compacto; donde dichas formas ligeras (13) están dispuestas de modo que haya nervios (15, 16) de dicho material plástico o polimérico que se extienden en dos direcciones sustancialmente ortogonales en el plano de dicho elemento de chapa, extendiéndose también dichos nervios entre dichas chapas exteriores primera y segunda.
Description
Elementos de chapa estructurales emparedados
mejorados.
La presente invención se refiere a elementos de
chapa estructurales emparedados que incluyen dos chapas exteriores
y un núcleo de material plástico o polimérico unido a las chapas
exteriores con resistencia suficiente para contribuir
sustancialmente a la resistencia estructural del elemento.
Se describen elementos de chapa estructurales
emparedados en US 5.778.813 y US 6.050.208, e incluyen chapas
metálicas exteriores, por ejemplo de acero, unidas conjuntamente con
un núcleo elastomérico intermedio, por ejemplo de poliuretano no
espumado. Estos sistemas de chapas emparedados pueden ser usados en
muchas formas de construcción para sustituir a chapas de acero
reforzadas y simplificar en gran medida las estructuras resultantes,
mejorando la resistencia y el rendimiento estructural (rigidez,
características de amortiguamiento), reduciendo al mismo tiempo el
peso. Otros desarrollos de estos elementos de chapa estructurales
emparedados se describen en la Solicitud de Patente Internacional
GB00/04198. Como se describe allí, se puede incorporar formas de
espuma en la capa central para reducir el peso y se puede añadir
chapas de rotura metálicas transversales para mejorar la
rigi-
dez.
dez.
Según las ideas de GB00/04198, las formas de
espuma pueden ser o huecas o macizas. Las formas huecas generan una
mayor reducción de peso y por lo tanto son ventajosas. Las formas
descritas en este documento no se limitan a hacerse de peso ligero
material de espuma y también se pueden hacer de otros materiales
tales como cajas de madera o acero.
La Solicitud de Patente Internacional GB02/01565
es otro desarrollo del concepto de incluir formas huecas y describe
formas que son fáciles de fabricar y montar, en particular se
describen formas alargadas huecas hechas de piezas encajadas por
salto.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar elementos de chapa estructurales emparedados incluyendo
formas ligeras dentro del núcleo y que tienen reducidas
deformaciones por cizalladura bajo carga y mejor distribución
lateral de las cargas.
Según la presente invención, se facilita: un
elemento de chapa estructural emparedado incluyendo: chapas
exteriores primera y segunda formadas de metal; un núcleo de
material plástico o polimérico sustancialmente compacto unido a
dichas chapas exteriores con resistencia suficiente para transferir
fuerzas de cizalladura entre ellas; y una pluralidad de formas
relativamente ligeras dispuestas dentro de dicho núcleo; donde
dichas formas ligeras están dispuestas de modo que haya nervios de
dicho material plástico o polimérico extendiéndose en dos
direcciones sustancialmente ortogonales en el plano de dicho
elemento de chapa, extendiéndose también dichos nervios entre dichas
chapas exteriores primera y segunda.
Disponiendo las formas ligeras de tal manera que
el material plástico o polimérico del núcleo forme nervios que se
extienden en dos direcciones sustancialmente ortogonales, se logra
una mejor distribución lateral de las cargas aplicadas a la chapa,
reduciendo por ello las deformaciones por cizalladura del elemento
de chapa bajo carga. En la práctica, una carga aplicada localmente
al elemento de chapa será transferida en dos direcciones
ortogonales por los nervios de material plástico o polimérico así
como mediante las chapas exteriores.
La invención puede ser usada con formas de
espuma y huecas como se describe en las Solicitudes de Patente
Internacional GB00/04198 y GB02/01565 así como cualquier otra forma
adecuada. Las formas ligeras sirven para reducir la masa del
elemento de chapa estructural emparedado y no tienen que contribuir
de forma significativa a su resistencia estructural. Los
principales requisitos de las formas ligeras son que sean de
densidad más baja que el material plástico o polimérico que forma
el núcleo y que tengan suficientes propiedades térmicas y mecánicas
para mantener la forma deseada durante la inyección y el curado del
núcleo de plástico o polímero.
Donde el elemento de chapa estructural
emparedado es rectilíneo, los nervios se pueden extender en
direcciones sustancialmente paralelas a los bordes de la chapa,
pero también se pueden extender en direcciones haciendo un ángulo a
los bordes del elemento de chapa.
Los materiales, dimensiones y propiedades
generales de las chapas exteriores del elemento de chapa estructural
emparedado de la invención se pueden elegir a voluntad para el uso
particular que se dé al elemento de chapa estructural emparedado y
en general pueden ser los descritos en US-5.778.813
y US-6.050.208: el acero o acero inoxidable se usa
comúnmente en grosores de 0,5 a 20 mm y se puede utilizar aluminio
donde se desee un peso ligero. Igualmente, el núcleo de plástico o
polímero puede ser cualquier material adecuado, por ejemplo un
elastómero tal como poliuretano, como se describe en
US-5.778.813 y US-6.050.208.
Para algunas aplicaciones se puede utilizar
chapas de cara no metálicas, como se describe en la Solicitud de
Patente británica 0201903.2 titulada "Elementos de chapa
estructurales emparedados mejorados" e incorporada aquí por
referencia. Tales chapas de cara no metálicas se pueden hacer de un
material compuesto o polimérico reforzado, tal como material
polimérico reforzado con fibra, y tener grosores en el rango de 1 a
30 mm.
Además, la invención proporciona un método de
fabricar un elemento de chapa estructural emparedado incluyendo los
pasos de: proporcionar chapas exteriores primera y segunda formadas
de metal en una relación separada con una pluralidad de formas
ligeras situadas entremedio; inyectar material plástico o polimérico
no curado para llenar el espacio definido entre dichas chapas
exteriores y dichas formas ligeras; y permitir que dicho material
plástico o polímero cure para formar un material sustancialmente
compacto que une dichas chapas exteriores conjuntamente con
resistencia suficiente para transferir fuerzas de cizalladura entre
ellas; donde dichas formas ligeras están dispuestas de modo que
dicho material plástico o polimérico forme nervios que se extienden
en dos direcciones sustancialmente ortogonales en el plano de dicho
elemento de chapa.
La presente invención se describirá a
continuación con referencia a realizaciones ejemplares y los dibujos
esquemáticos acompañantes, en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva, en
sección parcial, de una cubierta de puente que utiliza elementos de
chapa estructurales emparedados según una primera realización de la
presente invención.
La figura 2 es una vista en planta en sección
transversal de un elemento de chapa estructural emparedado según
una primera realización de la presente invención.
La figura 3 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea A-A de la figura 1.
La figura 4 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea B-B de la figura 1.
La figura 5 es una vista similar a la figura 1
de una segunda realización de la presente invención.
La figura 6 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea A-A de la figura 4.
Y la figura 7 es una vista en sección
transversal a lo largo de la línea B-B en la figura
4.
En los varios dibujos, las partes análogas se
indican con números de referencia análogos.
La figura 1 representa una parte de una cubierta
de puente 1 en la que se puede utilizar un elemento de chapa
estructural emparedado según la presente invención. La cubierta de
puente tiene forma de una viga de sección hueca con cubierta 2 y
sofito 3 formados de paneles 10 según la invención de
aproximadamente 5 o 6 m de anchura y aproximadamente 11 o 12 m de
longitud. Los paneles 10 son soportados por diafragmas transversales
6 a separaciones de aproximadamente 4,5 m. Cuatro paneles a lo
ancho del puente forman una separación de aproximadamente 27 m
entre sustentadores 4. Los salientes 5 son piezas separadas no
estructurales.
Las figuras 2, 3 y 4 son respectivas vistas en
planta, longitudinal y en sección lateral de un elemento de chapa
estructural emparedado según la presente invención que es adecuado
para uso en la cubierta de un puente de carretera: Obsérvese que la
dirección longitudinal es la dirección de transferencia de carga
primaria. El panel 10 puede ser del orden de 5 a 6 m de ancho y 10
a 12 m de largo y soportar cargas de camiones de 625 kN o mayores
de peso total como parte de una viga de sección hueca reforzada.
El elemento de chapa estructural emparedado
incluye chapas exteriores superior e inferior (chapas de cara) 11,
12 que pueden ser de acero y tener un grosor, por ejemplo, del rango
de 0,5 a 20 mm. En la presente aplicación es adecuado un grosor de
6 mm. Las chapas de borde se sueldan entre las chapas de cara 11, 12
alrededor de sus periferias exteriores para formar una cavidad
cerrada. En la cavidad entre las chapas de cara 11, 12 hay un
núcleo 14 de material plástico o polimérico, preferiblemente de un
elastómero de poliuretano. Este núcleo puede tener un grosor del
rango de 15 a 200 mm; en la presente solicitud es adecuado un grosor
de 160 mm. El núcleo 14 está unido a las chapas de cara 11, 12 con
resistencia suficiente y tiene suficientes propiedades mecánicas
para transferir las fuerzas de cizalladura esperadas en la práctica
entre las dos chapas de cara. La resistencia de unión entre el
núcleo 14 y las chapas de cara 11, 12 deberá ser superior a 3 MPa,
preferiblemente 6 MPa, y el módulo de elasticidad del material
central deberá ser superior a 250 MPa. Para aplicaciones de poca
carga, tal como paneles de suelo, donde las cargas típicas de uso y
ocupación son del orden de 1,4 kPa a 7,2 kPa, la resistencia de
unión puede ser inferior, por ejemplo aproximadamente 1 MPa. En
virtud de la capa central, el elemento de chapa estructural
emparedado tiene una resistencia y capacidad de soporte de carga de
una chapa de acero reforzado de un grosor de chapa sustancialmente
mayor y refuerzo adicional significativo.
Para reducir el peso del elemento de chapa
estructural emparedado 10, no todo el volumen entre las chapas de
cara 11, 12 está ocupado por el núcleo 14. En cambio, se ha previsto
una serie de formas ligeras 13, que ocupan una parte sustancial del
volumen interno del elemento de chapa. Las formas ligeras 13 no
tienen que contribuir de forma significativa a la resistencia
estructural de la chapa y solamente tienen que tener propiedades
térmicas y mecánicas suficientes para resistir la presión de
inyección del material para formar el núcleo 14 y el calor de la
reacción exotérmica del núcleo durante el curado. Las formas ligeras
13 pueden ser macizas o huecas y pueden incluir, por ejemplo,
bloques de espuma macizos, molduras de plástico huecas o molduras
huecas de polipropileno expandido. Las formas son generalmente de
forma rectilínea y se colocan en una rejilla de modo que el núcleo
14 incluya una pluralidad de nervios 15, 16 que se extiendan
perpendiculares y paralelos a la dimensión larga de la forma 13,
mientras que las formas propiamente dichas se extienden generalmente
en la dirección corta del elemento de chapa estructural emparedado
10. En la práctica, los nervios 16 del núcleo 14 que se extienden
en la dirección larga del panel 10, transfieren cargas a los
diafragmas transversales 6 mientras que los nervios 15 que se
extienden en la dirección corta del panel 10 contribuyen a
distribuir las cargas lateralmente y reducen las deformaciones por
cizalladura locales en el panel. Dado que la principal
transferencia de carga en el panel es a los diafragmas transversales
6, solamente se requiere un número relativamente pequeño de nervios
transversales 15. Por ejemplo, pueden ser suficientes siete nervios
transversales 15 en un panel de aproximadamente 11 m de ancho. En
general, la separación entre nervios transversales puede ser del
rango de 0,5 a 2 m.
La anchura de los nervios transversales 15 puede
ser de entre aproximadamente 10 y 100 mm; 50 mm es adecuado en la
presente aplicación. En sección transversal, los nervios
transversales 15 pueden ser rectangulares o pueden estar
conformados a modo de columnas jónicas (las partes superiores y las
bases más anchas) para aumentar la zona de unión a las chapas de
cara 11, 12.
Las formas ligeras 13 se representan en vista en
planta con tetones 131 en sus tres lados. Los tetones 131 apoyan
contra la forma adyacente, o una chapa de borde del elemento de
chapa estructural emparedado, para mantener la necesaria separación
para formar los nervios. Los tetones 131 no se extienden toda la
altura del elemento de chapa estructural emparedado 10 de modo que
formen solamente pequeños agujeros en los nervios del núcleo en vez
de interrumpirlos. Se puede disponer tetones adicionales 131 en las
caras superior e inferior de las formas 13 para separar las formas
de las chapas de cara 11, 12 creando una capa sustancialmente
continua de elastómero junto a cada chapa de cara. Se puede
disponer separadores de polipropileno para separar las formas 13 de
los bordes del elemento de chapa estructural emparedado.
Para fabricar el elemento de chapa estructural
emparedado 10, se sueldan las chapas de borde alrededor de la
periferia de chapa de cara inferior 11 y posteriormente se colocan
las formas 13 y los espaciadores en la cavidad abierta resultante.
En esta etapa, las secciones prefundidas del núcleo se pueden poner
en posición así como las chapas de cizalladura u otros conectores
que se desee. Entonces, la chapa de cara superior 12 se suelda a
las chapas de borde para formar una cavidad cerrada y se inyecta el
material plástico o polimérico para formar el núcleo 14, incluyendo
nervios 15, 16. El material inyectado se deja curar posteriormente y
se rectifican y sellan los orificios de inyección usados en el paso
de inyección junto con los agujeros de ventilación. Estos pasos
pueden ser realizados in situ, o en factoría y el panel
acabado puede ser transportado al lugar de instalación.
Un elemento de chapa estructural emparedado
según una segunda realización de la presente invención se representa
en las figuras 5, 6 y 7 que son vistas correspondientes a las
figuras 2, 3 y 4. Este elemento de chapa puede ser usado como un
panel de suelo, por ejemplo en un edificio o estructura flotante. El
elemento de chapa estructural emparedado 20 de la segunda
realización es similar al de la primera, pero es más pequeño y tiene
solamente dos nervios longitudinales a través de una anchura de
aproximadamente 3 m. En vista de la menor carga esperada en la
práctica, las chapas de cara pueden tener grosores de
aproximadamente 3 mm y el grosor del núcleo puede ser de 60 mm. En
las figuras 4, 5 y 6 partes del elemento de chapa estructural
emparedado 20 se denominan con referencias correspondientes a las
de las figuras 2 a 4 con la adición de 10. Los separadores de
polipropileno se representan como 27. En esta realización, la
principal transferencia de cargas es a través de la dimensión corta
del panel, mediante los nervios 26. Los nervios transversales 25
contribuyen a la distribución de cargas y reducen las deformaciones
laterales por cizalladura.
En las realizaciones anteriores, los nervios
transversales se forman cuando se inyecta el material plástico o
polimérico para formar el núcleo 13. Sin embargo, los nervios
también se pueden formar como elementos premoldeados que se encolan
a las chapas de cara 11, 12.
Claims (10)
1. Un elemento de chapa estructural emparedado
incluyendo:
chapas exteriores primera y segunda (11, 12)
hechas de metal;
un núcleo (14) de material plástico o polimérico
sustancialmente compacto unido a dichas chapas exteriores con
resistencia suficiente para transferir fuerzas de cizalladura entre
ellas; y una pluralidad de formas ligeras (13) dispuestas dentro de
dicho núcleo (14), teniendo las formas una densidad más baja que
dicho material plástico o polimérico compacto;
donde dichas formas ligeras (13) están
dispuestas de modo que haya nervios (15, 16) de dicho material
plástico o polimérico que se extienden en dos direcciones
sustancialmente ortogonales en el plano de dicho elemento de chapa,
extendiéndose también dichos nervios entre dichas chapas exteriores
primera y segunda.
2. Un elemento de chapa estructural emparedado
según la reivindicación 1 y que tiene una forma rectilínea, donde
dichas dos direcciones sustancialmente ortogonales son
sustancialmente paralelas a los bordes de dicho elemento de chapa
estructural emparedado.
3. Un elemento de chapa estructural emparedado
según la reivindicación 1 y que tiene una forma sustancialmente
rectilínea, donde dichas direcciones sustancialmente ortogonales
forman un ángulo agudo a los bordes de dicho elemento de chapa
estructural emparedado.
4. Un elemento de chapa estructural emparedado
según la reivindicación 1, 2 o 3 donde la separación entre nervios
(15) que se extiende en una primera de dichas dos direcciones
sustancialmente ortogonales es mayor que la separación entre
nervios (16) que se extiende en una segunda de dichas dos
direcciones sustancialmente ortogonales.
5. Un elemento de chapa estructural emparedado
según la reivindicación 4, donde la separación entre nervios (15)
que se extienden en dicha primera de dichas dos direcciones
sustancialmente ortogonales es del rango de 0,5 a 2 m.
6. Un elemento de chapa estructural emparedado
según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde el grosor
de dichos nervios (15, 16) es del rango de 10 a 100 mm.
7. Un elemento de chapa estructural emparedado
según alguna de las reivindicaciones precedentes, donde dichos
nervios (15, 16) se extienden sustancialmente ininterrumpidos desde
un borde de dicho elemento de chapa estructural emparedado al
otro.
8. Un elemento de chapa estructural emparedado
según alguna de las reivindicaciones precedentes donde dichos
nervios (15, 16) se extienden entre dichas chapas exteriores primera
y segunda (11, 12).
9. Un elemento de chapa estructural emparedado
según alguna de las reivindicaciones precedentes donde dichos
nervios (15, 16) se forman por inyección de dicho material plástico
o polimérico a un espacio definido entre dichas chapas primera y
segunda.
10. Un método de fabricar un elemento de chapa
estructural emparedado incluyendo los pasos de:
proporcionar chapas exteriores primera y segunda
(11, 12) formadas de metal en una relación separada con una
pluralidad de formas ligeras (13) situadas entremedio;
inyectar material plástico o polimérico no
curado para llenar el espacio definido entre dichas chapas
exteriores y dichas formas ligeras; y
permitir que dicho material plástico o
polimérico cure para formar un material sustancialmente compacto
(14) que une dichas chapas exteriores conjuntamente con resistencia
suficiente para transferir fuerzas de cizalladura entre ellas;
donde dichas formas ligeras están dispuestas de
modo que dicho material plástico o polimérico forme nervios (15,
16) que se extienden en dos direcciones sustancialmente ortogonales
en el plano de dicho elemento de chapa.
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