ES2312270B1 - Dispositivo de viga de cintura de elementos de boveda y boveda asi obtenida. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de viga de cintura de elementos de
bóveda y bóveda así obtenida.
La invención se refiere a elementos de bóveda
(1, 3) utilizados para la realización de obras de ingeniería civil
de tipo bóvedas terraplenadas. También concierne a un elemento de
viga de cintura (9) que se introduce entre dos elementos de bóveda
así como en la bóveda formada por dos elementos de bóveda y el
elemento de viga de cintura (9). El elemento de viga de cintura
comprende un alma metálica (75) rodeada de elementos deformables
(73, 73) y de elevado coeficiente de rozamiento con el hormigón.
Además, el elemento de viga de cintura comprende medios para ser
fijado a un elemento de viga de cintura adyacente. El elemento de
viga de cintura así obtenido puede utilizarse para equilibrar toda
la estructura, al tiempo que permite los movimientos de los
elementos de bóveda necesarios para que la estructura se adapte al
entorno exterior (interacción
suelo-estructura).
Description
Dispositivo de viga de cintura de elementos de
bóveda y bóveda así obtenida.
El invento se refiere a un dispositivo de viga
de cintura para elementos de bóveda prefabricados que se utilizan
corrientemente para la realización de obras de ingeniería civil de
tipo bóvedas terraplenadas, por ejemplo de ciertos túneles.
Se refiere también a la bóveda obtenida a partir
de elementos de bóveda prefabricados y a un dispositivo de viga de
cintura según el invento.
Un procedimiento clásico para realizar obras de
este tipo es poner en apoyo mutuo elementos de bóveda con cintra
prefabricados, formando cada uno de ellos una parte de la sección
de bóveda, de forma que se obtenga una sección completa después de
asociar las secciones así obtenidas en toda la longitud de la obra.
Para asegurar el asiento de la bóveda, se hormigonan previamente,
en todo lo largo de la obra, dos zapatas de hormigón sobre las que
se apoyan los elementos de bóveda que forman los pies de la bóveda.
Para terminar la obra, la estructura así obtenida se terraplena a
continuación.
Generalmente, solamente dos elementos de bóveda,
apoyados en las zapatas, se utilizan para formar una sección de
bóveda. Entonces se trata de una bóveda triarticulada: dos
articulaciones entre los elementos de bóveda y las zapatas y una
tercera entre los dos elementos de bóveda.
Existe, sin embargo, otro modo de realización en
el que se prefiere utilizar tres elementos de bóveda para formar la
sección de bóveda. Cada uno de los dos elementos de bóveda
laterales es solidario en uno de sus extremos de una zapata
mientras que su otro extremo recibe uno de los extremos de un
elemento de bóveda central. Cada uno de los apoyos mutuos entre
elementos de bóveda constituye una articulación. En este caso se
trata de una bóveda biarticulada.
En numerosas configuraciones de la obra, los
esfuerzos que se aplican en una sección de bóveda no se equilibran
debido a su disimetría: existe entonces un esfuerzo resultante que
actúa al nivel de las articulaciones y perjudica la estabilidad así
como a la resistencia de la obra.
Así, puede producirse un esfuerzo resultante
horizontal longitudinal, debido por ejemplo a un espesor de
terraplén variable en la longitud de la obra o a una obra realizada
en pendiente. Este esfuerzo puede conducir a un desplazamiento de la
estructura.
Igualmente puede existir un esfuerzo resultante
vertical que ejerza un efecto de cizallamiento en las
articulaciones provocando a veces fisuras o desconchados, más
particularmente en el caso de las bóvedas triarticuladas. Tal
esfuerzo se produce en un suelo de mala calidad sometido a asientos
diferenciales o a un empuje lateral disimétrico.
Para equilibrar un esfuerzo resultante
horizontal longitudinal, una solución consiste en realizar una viga
de cintura longitudinal de los elementos de bóveda hormigonando una
o dos vigas de hormigón en toda la longitud de la obra.
En el caso de una viga única, hormigonada en
toda la longitud de la obra, no está permitido ningún giro de la
bóveda alrededor de su eje longitudinal o alrededor de su eje
transversal. Igualmente, esta solución impide cualquier
desplazamiento vertical. Con respecto a la solución precedente, el
hormigonado de dos vigas longitudinales a lo largo de la obra tiene
la ventaja de permitir el giro sobre el eje longitudinal. El giro
sobre el eje transversal y el desplazamiento vertical siguen no
están permitidos.
Ahora bien, estos movimientos, en particular los
giros, deben ser posibles para que la estructura pueda adaptarse a
la configuración exterior de la obra (interacción
suelo-estructura).
Además, la realización de la viga de cintura de
los elementos de bóveda por hormigonado de vigas de hormigón es
difícil de hacer, por ejemplo, porque conviene entonces realizar
encofrados en toda la longitud de la obra.
El invento tiene especialmente como objeto
superar los inconvenientes anteriormente citados.
Para hacer esto, el invento propone un
dispositivo de viga de cintura del tipo que se define a
continuación, que tiene al menos un elemento de viga de cintura
formado por un alma longitudinal hecha de un material resistente y
de la que una parte de la superficie está recubierta por al menos
un elemento deformable realizado de un material dúctil y de gran
capacidad de rozamiento, y dispuesto para ser insertado
longitudinalmente entre los bordes respectivos de al menos dos
elementos de bóveda en apoyo mutuo, y en el que el alma
longitudinal se extiende en al menos la longitud de uno de los
bordes y tiene medios de fijación en el alma de al menos un elemento
de viga de cintura contiguo con el fin de realizar una viga de
cintura en toda la longitud de la bóveda.
El principio del invento es, por una parte
utilizar los rozamientos presentes en las articulaciones para crear
una fuerza capaz de equilibrar un esfuerzo horizontal longitudinal
y, por otra parte, permitir al nivel de las articulaciones los
únicos movimientos útiles para la adaptación de la estructura al
medio exterior. Además, la viga de cintura así obtenida tiene una
gran facilidad de colocación, sobre todo porque no requiere la
colocación de hormigón en toda la longitud de la obra.
El alma del elemento de viga de cintura se
realiza, preferentemente, de un material metálico, en particular de
acero, de forma que tenga una buena rigi-
dez.
dez.
En un modo de realización, los medios de
fijación tienen medios de soldadura que permiten así asegurar la
continuidad de la viga de cintura en toda la longitud de la bóveda
mediante una operación sencilla.
En otro modo de realización, los medios de
fijación son aptos para ser unidos por bridas, lo que constituye
otro medio sencillo de realizar una viga de cintura resistente.
Los elementos deformables tienen, en un modo de
realización preferido, dos láminas entre las cuales está
intercalada el alma longitudinal. Cada una de estas láminas se pone
en contacto con el borde de un elemento de bóveda y provoca un
rozamiento entre el elemento de viga de cintura y los elementos de
bóveda.
El alma longitudinal del elemento de viga de
cintura es, en una configuración ventajosa, un perfil que tiene una
sección de forma escogida, por ejemplo en T o en L, que tiene una
rama de la que una parte de la superficie está recubierta por uno o
varios elementos deformables y al menos una rama que sobresale hacia
el exterior de la bóveda, con el fin de facilitar la fijación del
alma longitudinal en el alma contigua.
Además, los elementos deformables están
solidarizados al alma longitudinal del elemento de viga de cintura,
por ejemplo por encolado.
Los elementos deformables están preferentemente
formados por un material escogido entre los materiales elastómeros,
por ejemplo el caucho, que son fácilmente deformables, resistentes
y fáciles de colocar.
Además, el alma longitudinal del elemento de
viga de cintura tiene al menos un órgano de centrado apropiado para
introducirse en los alojamientos respectivos dispuestos en los
bordes, uno enfrente de otro para asegurar un centrado provisional
de los elementos de bóveda.
El órgano de centrado tiene, de preferencia,
sensiblemente la forma de dos troncos de cono invertidos que se
extienden respectivamente a una parte y a otra del alma
longitudinal.
Ventajosamente, los elementos deformables no
recubren más que una parte de la superficie del alma longitudinal
de forma que se dispongan alojamientos aptos para recibir una
lechada de un material resistente, por ejemplo una lechada de
cemento, a fin de consolidar la bóveda y de asegurar una protección
contra incendios.
El invento propone igualmente una bóveda
compuesta por elementos de bóveda y por al menos un dispositivo de
viga de cintura según el invento.
En una configuración privilegiada, los elementos
de bóveda tienen una cara superior que, en la proximidad del borde,
tiene un rebaje para alojar la rama dejada libre de un perfil en T
o en L.
Otras características y ventajas del invento se
verán por el examen de la descripción que se detalla a continuación,
y por los dibujos anejos, en los que:
- la figura 1 es una vista general en
perspectiva de una sección de bóveda según el invento,
- la figura 2 es una vista de frente de la
sección de bóveda de la figura 1,
- la figura 3 es una vista general desde arriba
de una bóveda según el invento,
- la figura 4 es una vista ampliada del detalle
IV de las figuras 2 y 3,
- la figura 5 es un esquema que muestra los
esfuerzos que intervienen al nivel del apoyo entre los elementos de
bóveda de la figura 2,
- la figura 6 es una vista ampliada del detalle
VI de la figura 3,
- la figura 7 es una sección transversal de un
elemento de viga de cintura según el invento,
- la figura 8 es una sección transversal de un
elemento de viga de cintura según el invento en otro modo de
realización,
- la figura 9 es una vista en perspectiva de
medios de fijación según el invento,
- la figura 10 es una vista en perspectiva de
medios de fijación según el invento en otro modo de
realización,
- la figura 11 es una vista en perspectiva de
medios de fijación según el invento en otro modo de
realización,
- la figura 12 es una vista detallada en sección
transversal del apoyo entre los elementos de bóveda según el invento
en otro modo de realización,
- la figura 13 es una sección transversal de un
elemento de viga de cintura según el invento en una configuración
ventajosa,
- la figura 14 es una sección transversal de un
elemento de viga de cintura según el invento en otra configuración
ventajosa,
- la figura 15 es una vista en perspectiva de
una bóveda según el invento,
- la figura 16 es una vista en perspectiva de
una bóveda acabada según el invento, y
- la figura 17 es una vista en perspectiva de
una bóveda según el invento en una configuración diferente a la de
la figura 1.
Los dibujos anejos podrán servir no solamente
para completar el invento, sino también para contribuir a su
definición, llegado el caso.
En la descripción que se detalla a continuación,
se considera una obra de ingeniería civil de tipo bóveda
terraplenada, por ejemplo un túnel.
Una sección de bóveda según el invento (figuras
1, 2 y 3) está clásicamente constituida por dos elementos de bóveda
1 y 3 con cintra, prefabricados de hormigón, puestos en apoyo
mutuo, descansando cada uno de ellos por una parte en zapatas 5 y 7
de hormigón previamente hormigonadas. Para realizar la bóveda, las
secciones de bóveda están dispuestas en toda la longitud de la obra
(figura 3). Una vez obtenida la bóveda, la obra es rellenada por
medio de un terraplén R (figura 16).
En el caso de una bóveda según el invento, un
elemento de viga de cintura 9 (figura 4), de longitud sensiblemente
igual a la longitud de la sección de bóveda, que forma parte del
dispositivo de viga de cintura según el invento, está intercalado
entre los elementos de bóveda 1 y 3.
Sucede en numerosas configuraciones de la obra,
que no se equilibran las fuerzas que se aplican en una sección de
bóveda. En particular, cuando la obra está realizada en pendiente o
cuando el espesor de terraplén R varía a lo largo de la obra, se
produce al nivel del apoyo entre los elementos de bóveda un esfuerzo
longitudinal horizontal Fm (figura 5). Si este esfuerzo Fm no está
compensado, no se podrá conseguir el equilibrio estático de la
sección de bóveda. En ciertos casos, este desequilibrio conduce a
un desplazamiento de la estructura. Para asegurar la estabilidad y
la resistencia de la obra, conviene pues equilibrar la sección de
bóveda creando al nivel del apoyo entre los elementos de bóveda 1 y
3 una fuerza Fr longitudinal horizontal opuesta a Fm y de mayor
magnitud. El invento consiste en utilizar los esfuerzos
horizontales transversales N, debidos en particular al empuje del
terraplén R sobre la bóveda, creando rozamiento en el apoyo entre
los elementos de bóveda 1 y 3. El rozamiento asociado a los
esfuerzos transversales N engendra una fuerza Fr longitudinal
horizontal capaz de equilibrar Fm. Un primer objeto del elemento de
viga de cintura 9 según el invento es, por tanto, crear rozamiento
al nivel del apoyo entre los elementos de bóveda 1 y 3.
Para adaptarse al entorno exterior, la sección
de bóveda debe poder deformarse dentro de límites razonables. Al
nivel del apoyo entre un elemento de bóveda 1 y una zapata 5
(figura 6), los chaflanes 61 y una separación e, dispuesta entre el
reborde de la zapata 5 y el elemento de bóveda 1, permiten ciertos
movimientos, en particular un giro de eje longitudinal. La viga de
cintura entre la zapata 5 y el elemento 1, por esto se denomina
articulación. Para evitar un esfuerzo vertical en la sección de
bóveda, debido en particular a un terraplenado diferente a una
parte y a otra de la obra o a un suelo de composición diferente
bajo las zapatas 5 y 7, es también necesario permitir, al nivel del
apoyo entre los elementos de bóveda 1 y 3, ciertos desplazamientos,
en particular un giro de eje transversal y una traslación vertical
de un elemento de bóveda 1 con respecto al otro 3. En este caso, se
trata también de articulación entre los elementos de bóveda 1 y 3.
El elemento de viga de cintura 9 del dispositivo de viga de cintura
según el invento debe por tanto permitir los desplazamientos
anteriormente mencionados.
El conjunto de estos grados de libertad permite
conferir a la obra un trazado curvo tanto en el plano vertical como
en el plano horizontal.
Un primer modo de realización (figura 7) del
elemento de viga de cintura 9 del dispositivo de viga de cintura
según el invento tiene un alma metálica 75 realizada por medio de
un perfil con forma general de L invertida. En las dos caras de la
rama mayor del alma metálica 75 están dispuestas, encoladas dos
láminas deformables 71 y 73, siendo dejada libre la otra rama. Un
segundo modo de realización (figura 8) prevé que el alma metálica
77 pueda ser formada por un perfil con forma general de T.
Una vez insertado el elemento de viga de cintura
9 entre los elementos de bóveda 1 y 3, las respectivas caras de los
elementos de bóveda 1 y 3, los bordes 41 y 43, están en contacto
con las láminas deformables 71 y 73. Este contacto crea, de hecho,
el rozamiento buscado. Paralelamente, las láminas 71 y 73 permiten
el giro de eje transversal y la traslación vertical puesto que son
deformables. Para un funcionamiento óptimo del dispositivo de viga
de cintura según el invento, conviene realizar las láminas
deformables 71 y 73 de un material que posea a la vez buenas
aptitudes para la deformación y cuyo coeficiente de rozamiento con
el hormigón sea adecuado. Se utiliza así preferentemente un
material de tipo elastómero como el caucho o el neopreno.
Con el fin de asegurar la estabilidad y la
resistencia de la bóveda en su conjunto, es necesario unir los
elementos de viga de cintura 9 de forma que se equilibren los
esfuerzos resultantes horizontales longitudinales en el conjunto de
la bóveda. Para hacer esto es preciso fijar el alma 75 del elemento
de viga de cintura 9 al alma de un elemento de viga de cintura
contiguo.
Una primera configuración (figuras 9 y 10)
utiliza bridas metálicas 90 para unir las almas metálicas 75. Una
placa metálica 91 está dispuesta a caballo en las caras superiores
de dos almas metálicas 75. La placa metálica 91 está, o bien
atornillada a cada una de las almas metálicas 75 por medio del
tornillo 93 (figura 9), o bien soldada (figura 10) por medio de
cordones de soldadura 94.
Es igualmente posible, en una segunda
configuración (figura 11), realizar un cordón de soldadura 100
directamente entre las caras superiores de dos almas metálicas
77.
Para facilitar la colocación del elemento de
viga de cintura 9 en las caras de los elementos de bóveda 1 y 3,
puede estar previsto, en el elemento de viga de cintura 9, un
dispositivo de centrado 110 (figura 12). Dos elementos de centrado
113 y 115, de forma troncocónica, se encajan en sus bases a una
parte y a otra del alma metálica 75, que está provista de un
taladro adecuado, gracias a un dispositivo macho/hembra no
representado. En los bordes 41 y 43 de los elementos de bóveda 1 y 3
están dispuestos alojamientos de centrado 111, cuya forma es
complementaria de la de los elementos de centrado 113 y 115. El
dispositivo de centrado 110 está voluntariamente previsto que sea
poco resistente. Por una parte, su función de centrado es
provisional, y por otra parte, el dispositivo de centrado 110 no
deben impedir los movimientos al nivel de la articulación entre los
elementos de bóveda 1 y 3.
Aunque los movimientos al nivel de la
articulación entre los elementos de bóveda 1 y 3 deben estar
permitidos para que la bóveda pueda adaptarse al entorno exterior
(interacción suelo-estructura), conviene, una vez
asegurada esta adaptación, consolidar la bóveda a fin de hacerla
más resistente, sobre todo frente a los incendios. Para realizar
esto una mejora del elemento de viga de cintura 9 según el invento
prevé disponer cavidades 150, 160 en las que es posible inyectar
una lechada de un material apropiado, por ejemplo a base de cemento
(figuras 13 y 14).
Una vez colocada la bóveda (figura 15) situando
los elementos de bóveda uno enfrente de otro intercalando el
elemento de viga de cintura 9 y todos los elementos de viga de
cintura 9 unidos por soldadura o por medio de bridas, conviene
asegurar la estanquidad de la bóveda antes de terraplenarla. Para
hacer esto, se dispone clásicamente una lámina de estanquidad (181)
en toda la superficie superior de la bóveda (figura 16) o al menos
en las juntas. Es pues necesario que los elementos de viga de
cintura 9 no sobresalgan de la cara superior de la bóveda. Se
realiza por tanto (figura 12) un rebaje 117 en la cara superior de
los elementos de bóveda 1 y 3 en la proximidad de los bordes 41 y
43.
El dispositivo de viga de cintura según el
invento ha sido descrito anteriormente en el caso de bóvedas
triarticuladas. Es aplicable tal cual al caso de bóvedas
biarticuladas.
Igualmente, se ha descrito una configuración en
la que los elementos de bóveda 1 y 3 están dispuestos uno frente a
otro. En el caso (figura 17) en el que los elementos de bóveda 1 y
3 están dispuestos al tresbolillo, es decir que cada elemento de
bóveda 1 está en apoyo con otros dos 3 y 11, es igualmente
utilizable el dispositivo de viga de cintura según el invento.
Finalmente, se han descrito anteriormente almas
longitudinales realizadas por medio de perfiles con forma general
de L invertida o de T, pero es posible utilizar otras formas, en
particular un perfil de sección circular. En este caso, una vaina de
elastómero, cilíndrica o tórica, rodea el alma cilíndrica en una
parte solamente de su longitud. Esta configuración obliga entonces
a disponer en los bordes de los elementos de bóveda rebajes
semicilíndricos en toda su longitud.
El invento no se limita a los modos de
realización descritos anteriormente, solamente a título de ejemplo,
sino que engloba todas las variantes que podrá considerar el
experto en la materia en el marco de las reivindicaciones que vienen
a continuación.
Claims (13)
1. Dispositivo de viga de cintura de elementos
de bóveda, estando los elementos de bóveda dispuestos los unos con
los otros de manera que formen una bóveda, caracterizado
porque tiene al menos un elemento de viga de cintura (9) formado por
un alma longitudinal (75, 77) hecha de un material resistente y de
la que una parte de la superficie está recubierta por al menos un
elemento deformable (71, 73) hecho de un material dúctil y de gran
capacidad de rozamiento, y dispuesto para ser insertado
longitudinalmente entre bordes respectivos (41, 43) de al menos dos
elementos de bóveda (1, 3) en apoyo mutuo, y porque el alma
longitudinal (75, 77) se extiende sobre al menos la longitud de una
de los bordes y tiene medios de fijación (90, 100) en el alma de al
menos un elemento de viga de cintura contiguo con el fin de realizar
una viga de cintura en toda la longitud de la
bóveda.
bóveda.
2. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el alma del elemento de
viga de cintura (9) está realizada de un material metálico, en
particular de acero.
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque los medios de fijación tienen medios de
soldadura (100).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 y 2, caracterizado porque los medios de fijación tienen
bridas (90).
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los elementos deformables
tienen dos láminas (71, 73) entre las cuales está intercalada el
alma longitudinal (75, 77).
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el alma longitudinal (75,
77) del elemento de viga de cintura (9) es un perfil que tiene una
sección de forma escogida, por ejemplo en T o en L, que tiene una
rama de la que una parte de la superficie está recubierta por uno o
varios elementos deformables y al menos una rama sobresale al
exterior de la bóveda.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los elementos deformables
(71, 73) están solidarizados al alma longitudinal (75, 77) del
elemento de viga de cintura, por ejemplo por encolado.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los elementos deformables
(71, 73) están formados de un material elegido entre los materiales
elastómeros, por ejemplo el caucho.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el alma longitudinal (75,
77) del elemento de viga de cintura (9) tiene al menos un órgano de
centrado (110) propio para introducirse en los alojamientos
respectivos (111) dispuestos en los bordes (41, 43) enfrente uno de
otro para asegurar un centrado provisional de los elementos de
bóveda.
10. Dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado porque el órgano de centrado (110) tiene
sensiblemente la forma de dos troncos de cono invertidos (113, 115)
que se extienden respectivamente a una parte y a otra del alma
longitudinal.
11. Dispositivo según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
elementos deformables (71, 73) no recubren más que una parte de la
superficie del alma longitudinal (75, 77) de forma para disponer
alojamientos (150, 160) aptos para recibir una lechada de un
material resistente, por ejemplo una lechada de cemento.
12. Bóveda compuesta por elementos de bóveda (1,
3) y por al menos un dispositivo de viga de cintura según una de
las reivindicaciones precedentes.
13. Bóveda según la reivindicación 12
incorporada a la reivindicación 6, caracterizada porque los
elementos de bóveda (1, 3) tienen una cara superior (119) que, en
la proximidad del borde (41, 43), tiene un rebaje (117).
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