ES2332442A1 - Estructura autotensada para puente de material compuesto. - Google Patents
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- E01D2101/40—Plastics
Abstract
Estructura autotensada para puente de material compuesto, preferentemente material compuesto de polímero reforzado con fibra, portante, que comprende un entramado de láminas o tirantes cuyas dimensiones externas vienen delimitadas por la longitud del puente en función del vano a cubrir y por la separación entre apoyos.
Description
Estructura autotensada para puente de material
compuesto.
Esta invención se ubica en el sector de la
ingeniería civil, concretamente en el de la construcción de puentes
o pasarelas y más concretamente en los de tipo colgante, suspendido
o atirantado. También está relacionada con el sector de los
materiales de construcción, en particular materiales compuestos de
polímero.
La concepción básica de cualquier puente o
pasarela se basa en estructuras con alta rigidez a la flexión,
esencialmente mediante vigas que habitualmente van apoyadas pero
que en ocasiones van suspendidas (pasarelas y puentes colgados o
atirantados).
Para conseguir que estas estructuras tengan
suficiente rigidez a flexión se hace preciso un considerable
espesor en las mismas, lo que consecuentemente requiere una gran
aportación de material, un elevado peso, una merma en la esbeltez y
un impacto estético, factores estos que interesa mejorar.
Por otro lado, fuera del ámbito de la ingeniería
civil son conocidos los materiales compuestos de polímero reforzado
con fibra, usualmente de carbono o vidrio, que se caracterizan por
su gran ligereza, alta rigidez y límite de rotura, y por su rapidez
y versatilidad de despliegue y diseño. Hasta la fecha estos
materiales se han utilizado en estructuras aeronáuticas, deportes,
náutica y automoción, en construcción como refuerzo y en unas pocas
experiencias piloto a nivel mundial para construcción de puentes,
aunque siempre con tipologías muy distintas a la aquí propuesta
[Composite Structures for Civil and Achitectural engineering,
D.-H. Kim, E & FN Spon, 1995].
La presente invención se refiere a una
estructura portante que ha sido especialmente concebida para ser
utilizada como puente, pasarela o cualquier otro elemento sometido
a carga útil con el que deba salvarse un vano. El objeto de la
invención es conseguir una estructura con una mejor relación
espesor/longitud (esbeltez), ligereza, menor peso unitario
(peso/longitud) y con una estética totalmente revolucionaria en
este ámbito.
Figura 1.- Representación esquemática en
perspectiva de los componentes que integran la estructura portante
para el puente o pasarela. Se distinguen arriba el tablero (T), a
continuación el elemento de unión tablero-estructura
(U), a continuación la estructura formada por el entramado de
láminas o tirantes (E), sostenida por unos elementos de apoyo o
pilonos (P) con su correspondiente cimentación.
Figuras 2 y 3.- Muestran dos alternativas de
disposición de los elementos del entramado estructural,
secuenciando de arriba abajo la progresiva adición de elementos
hasta acomodarse a la longitud/ancho del puente o pasarela, de modo
que se cumpla con la condición de hiperestatismo tridimensional.
Figuras 4, 5 y 6.- Planta, sección longitudinal
y sección transversal, respectivamente, de un puente construido
según esta invención.
Estas figuras deben entenderse con carácter
ilustrativo y no limitativo.
La invención consiste en utilizar una estructura
autotensada, preferentemente fabricada en material compuesto de
polímero reforzado con fibra, para construir un puente o pasarela
(u otro elemento sometido a carga útil con el que salvarse un vano)
a cuyo efecto dicha estructura es portante, es decir soporta las
cargas gravitatorias de uso además de las cargas asociadas a su
propio despliegue, haciéndolo con una deformabilidad admisible para
su función útil.
Concretamente, la estructura comprende un
entramado de láminas o tirantes de polímero reforzado con fibra
según la disposición descrita en las Figuras 2 y 3, cuyas
dimensiones externas vienen delimitadas por la longitud del puente
en función del vano a cubrir y por la separación entre apoyos,
unidos preferentemente por encolado, y tensados mediante control de
las longitudes en el montaje y la tensión debida a al transmisión
del peso propio. Para que dicha estructura ejerza su función, el
entramado de láminas (E, en la figura 1) ha de combinarse con un
tablero (T) y con unos soportes o pilonos (P) que transmiten las
cargas resultantes al terreno mediante una cimentación adecuada (P)
que ejerce las funciones de estribo del puente. El tablero o zona
de paso (o carga) (T) está unido a la estructura mediante cualquier
elemento separador, preferentemente un costillar (U) formado por
perfiles con sección en I, unidos preferentemente por encolado.
El reemplazo de materiales tradicionales por
Polímero Reforzado con Fibra (FRP) mejora la esbeltez con la que se
puede construir un puente. La presente tipología mejora respecto a
otras tipologías utilizadas para FPR, la esbeltez del puente,
gracias a que la tipología aprovecha óptimamente el material,
manteniendo los criterios de seguridad y servicio, traduciéndose
además este hecho en una reducción de coste de materiales.
La invención consiste en disponer un total de
e=9+6n ó e=4+6n elementos laminares de material compuesto, donde n
es el número de adiciones por ambos laterales de parejas de triadas
de barras, en la siguiente disposición y secuencia, con lo cual se
consigue el objetivo de que trabajen exclusivamente a tracción, de
forma que transmitan las cargas propias y de servicio, tensionándose
y deformándose de forma adecuada para cumplir con las exigencias de
seguridad y funcionalidad.
La estructura con e=9+6n (Figura 2) elementos
comprende:
- \bullet
- Cuatro elementos, E10, E20, E30, E40, que unen el nudo N10 con los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares.
- \bullet
- Cuatro elementos, E50, E60, E70, E80, que unen el nudo N20 hasta los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P
- \bullet
- Un elemento transversal E90 que une los nudos N10 y N20, cuya longitud será, de forma preferente, aproximadamente la mitad del ancho del tablero o zona de paso (T, en la Figura 1).
- \bullet
- n triadas de elementos, E1n, E2n, E3n, que unen el nudo N1n con los nudos N1P, N3P, y el nudo N1(n-1), y n triadas de elementos E4n, E5n, E6n, que unen el nudo N2n con los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente.
La estructura con e=4+6n elementos
comprende:
- \bullet
- cuatro elementos E10, E20, E30, E40, que unen el nudo N10 con los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares.
- \bullet
- n triadas de elementos, E1n, E2n, E3n, que unen el nudo N1n con los nudos N1P, N3P, y el nudo N1(n-1), y n triadas E4n, E5n, E6n, que unen el nudo N2n con los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente.
La separación entre apoyos
(N1P-N3P, o N2P-N4P, en las Figuras
2, o 3), se calculará igualmente por dichos criterios, y resulta
del orden de entre dos veces el ancho del tablero y dos tercios de
la longitud del vano del puente.
El procedimiento de construcción de la
estructura es el siguiente:
En la alternativa e=9+6n (Figura 2):
- \bullet
- En primer lugar se disponen los cuatro elementos E10, E20, E30, E40, desde el nudo N10 hasta los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares (Figura 2).
- \bullet
- Se disponen además otros cuatro elementos de modo especular a los anteriores, E50, E60, E70, E80, desde el nudo N20 hasta los mismos apoyos, y se añade un elemento transversal E90 entre los nudos N10 y N20 (Figura 2), cuya longitud será aproximadamente la mitad del ancho del tablero.
- \bullet
- Se disponen adicionalmente, con n=1, una pareja simétrica de triadas de elementos, E11, E21, E31, desde el nudo N11 hasta los nudos N1P, N3P, y el centro de la estructura, y la triada E41, E51, E61, desde el nudo N21 hasta los nudos N2P, N4P y el centro, respectivamente (Figura 2).
- \bullet
- Esta adición se repite el número necesario de veces n, con las triadas de elementos, E1n, E2n, E3n, desde el nudo N1 n hasta los nudos N1P, N3P, y el nudo N1(n-1), y la triada E4n, E5n, E6n, desde el nudo N2n hasta los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente (cuarta viñeta y sucesivas de la Figura 2).
De forma alternativa, los e=4+6n elementos de la
segunda posibilidad, se dispondrían de la siguiente manera (Figura
3):
- \bullet
- En primer lugar se disponen los cuatro elementos E10, E20, E30, E40, desde el nudo N10 hasta los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares (Figura 3).
- \bullet
- Se disponen adicionalmente, con n=1, una pareja simétrica de triadas de barras, E11, E21, E31, desde el nudo N11 hasta los nudos N1P, N3P, y el centro de la estructura, y la triada E41, E51, E61, desde el nudo N21 hasta los nudos N2P, N4P y el centro, respectivamente (Figura 2).
- \bullet
- Esta adición se repite el número necesario de veces n, con las triadas de elementos, E1n, E2n, E3n, desde el nudo N1n hasta los nudos N1P, N3P, y el nudo N1(n-1), y la triada E4n, E5n, E6n, desde el nudo N2n hasta los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente (Figura 3).
Esta tipología estructural está optimizada para
aprovechar el funcionamiento anisótropo y la reducida relación
peso/resistencia de estos materiales. Los elementos trabajan a
tracción prácticamente pura en la dirección de las fibras de
carbono, transportando las cargas propias y de uso repartidas desde
cada costilla bajo el tablero hasta la cimentación a través de
cuatro apoyos sobre pilonos.
La indeformabilidad de esta tipología radica en
que combina la el principio mecánico de la catenaria con una
disposición hiperestática tridimensionalmente, autotensada por el
peso propio.
Está optimizada para minimizar el canto total y
el peso propio sin superar tensiones ni flechas admisibles ante
cualquiera de las hipótesis de carga de servicio o últimas. El
hiperestatismo se combina con un análisis estructural bajo la
hipótesis de que cualquiera de los elementos estructurales rompe,
para garantizar el aviso de la estructura sin colapso, como
garantía en el caso de que se iniciara su fallo.
Los elementos del entramado se cargan con un
pretensado conseguido mediante control de las longitudes durante el
montaje (o lo que es equivalente, estableciendo una antideformada
inicial), sumada a la tensión debida a al transmisión del peso
propio, calculada de tal modo que las cargas gravitatorias de uso
además de las cargas asociadas a su propio despliegue, induzcan una
deformación admisible para su función útil, tanto ante
solicitaciones en vacío, como en estados límite de servicio.
El puente completo se compone de tres elementos:
unas pilonas (P, Figura 1) cimentadas por procedimientos habituales
al terreno, con función de estribos de puente; una estructura (E,
Figura 1) compuesta, preferentemente, por elementos lámina de FRP,
unidos por adhesión entre sí y a los pilonos anteriores, y
dispuestos en la forma descrita en las Figura 2 ó 3, con el objeto
de que trabajen exclusivamente a tracción y por el principio de la
catenaria, aprovechando el límite de rotura y la rigidez del
material de forma óptima, imponiendo la restricción de minimizar la
cantidad de material y la esbeltez y una sobreestructura (T, Figura
1) que conforma el tablero, superpuesta a la anterior, y que está
unido a la estructura mediante cualquier elemento separador (U, en
la Figura 1), encargada de repartir las cargas de servicio a la
misma.
El reemplazo de materiales tradicionales por
Polímero Reforzado con Fibra (FRP) mejora la esbeltez con la que se
puede construir un puente. La presente tipología mejora respecto a
otras tipologías utilizadas para FPR, la esbeltez del puente,
gracias a que la tipología aprovecha óptimamente el material,
manteniendo los criterios de seguridad y servicio.
Se consigue de esta manera una estructura de
gran esbeltez y ligereza, con todo lo que lleva consigo
estructural, constructiva e incluso ambientalmente (mínima carga de
peso propio, facilidad y rapidez de montaje y desmontaje, mínimo
impacto ambiental y fácil reutilización); así como enormes
posibilidades estéticas y ambientales (gran amplitud de encaje
visual en su entorno natural, jugando con formas, sombras,
contornos, etc), lo que se traduce al final de todo, en mejoras
económicas y ecológicas (incluyendo en esto a las personas).
Se propone una realización del puente siguiendo
los planos de planta, alzado y sección transversal de las Figuras
4, 5 y 6, respectivamente y las condiciones detalladas en la
descripción de la invención. Los materiales preferidos son polímero
reforzado con fibra, preferentemente de carbono en forma de lámina
unidireccional, para los tirantes del entramado (E), de secciones
A=P/U±50%, donde P es la carga total de uso que ha de soportar el
puente, y U la tensión límite elástica característica del material
que compone las láminas, para todos los tirantes, excepto los más
externos y el longitudinal central, cuya sección tendrá un ancho
hasta el doble de los anteriores. Dicho entramado sostiene un
tablero (T), con sección aligerada comercial; y también para los
elementos de unión (U), que adquieren forma de costillas en sección
parabólica de canto máximo C inferior a L/50, con sección en I de
C/5\pm50% de ancho del ala y espesor calculado para que resulte
admisible la deflexión central de una costilla biapoyada sometida a
la carga PL/B, separados equidistantemente la luz B que admita el
tablero según sus especificaciones técnicas. El tablero también se
encuentra apoyado simplemente en estribos convencionales. Los
pilonos (P) serán de hormigón armado en una faja de polímero
reforzado con fibra de carbono, de diámetro L/50\pm50% y alto
L20\pm50%, cimentados sobre encepados convencionales
micropilotados según el terreno. Los pilonos están posicionados en
las cuatro esquinas separadas del eje del puente una distancia
0,35L\pm25% y retranqueados en la orilla lo suficiente para
acomodar la cimentación.
Claims (5)
1. Estructura de material compuesto para puente,
pasarela, o cualquier otro elemento sometido a carga útil con el
que deba salvarse un vano que comprende un entramado (E, figura 1)
de láminas o tirantes de material compuesto, caracterizado
porque dichas láminas o tirantes se disponen formando una
estructura hiperestática tridimensionalmente, sumando un total de
9+6n láminas, donde n es el número de adiciones por ambos laterales
de parejas de triadas de barras, dispuestos de la siguiente forma
(Figura 2):
- \bullet
- Cuatro elementos, E10, E20, E30, E40, que unen el nudo N10 con los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares.
- \bullet
- Cuatro elementos, E50, E60, E70, E80, que unen el nudo N20 hasta los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P.
- \bullet
- Un elemento transversal E90 que une los nudos N10 y N20, cuya longitud será, de forma preferente, aproximadamente la mitad del ancho del tablero o zona de paso (T, en la Figura 1).
- \bullet
- n triadas de elementos, E1n, E2n, E3n, que unen el nudo N1n con los nudos N1P, N3P, y el nudo N1(n-1), y n triadas de elementos E4n, E5n, E6n, que unen el nudo N2n con los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente.
2. Estructura de material compuesto para puente,
pasarela, o cualquier otro elemento sometido a carga útil con el
que deba salvarse un vano que comprende un entramado (E, figura 1)
de láminas o tirantes de material compuesto, caracterizado
porque dichas láminas o tirantes se disponen formando una estructura
hiperestática tridimensionalmente, sumando un total de 4+6n láminas,
donde n es el número de adiciones por ambos laterales de parejas de
triadas de barras, dispuestos de la siguiente forma (Figura 3):
- \bullet
- cuatro elementos E10, E20, E30, E40, que unen el nudo N10 con los cuatro apoyos N1P, N2P, N3P, N4P que se corresponden con los pilares.
- \bullet
- n triadas de elementos, E1n, E2n, E3n, que unen el nudo N1n con los nudos N1P, N3P, y el nudo N1(n-1), y n triadas E4n, E5n, E6n, que unen el nudo N2n con los nudos N2P, N4P y el nudo N2(n-1), respectivamente, hasta cubrir la longitud necesaria del puente
3. Estructura de material compuesto para puente
o pasarela, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizada por combinarse con un tablero o zona de paso
(o carga) (T, en la Figura 1) que está unido a la estructura
mediante cualquier elemento separador (U, en la Figura 1).
4. Estructura de material compuesto para puente
o pasarela, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizada por combinarse además de con dicho tablero,
con unos soportes o pilonos (P, en la Figura 1) que transmiten las
cargas resultantes al terreno mediante una cimentación adecuada que
ejerce las funciones de estribo del puente.
5. Estructura de material compuesto para puente
o pasarela, según reivindicación anterior, caracterizada
porque los elementos del entramado se cargan con un pretensado
conseguido mediante control de las longitudes durante el montaje (o
lo que es equivalente, estableciendo una antideformada inicial),
sumada a la tensión debida a al transmisión del peso propio,
calculada de tal modo que las cargas gravitatorias de uso además de
las cargas asociadas a su propio despliegue, induzcan una
deformación admisible para su función útil, tanto ante
solicitaciones en vacío, como en estados límite de servicio.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200802147A ES2332442B1 (es) | 2008-07-11 | 2008-07-11 | Estructura autotensada para puente de material compuesto. |
PCT/ES2009/000373 WO2010004071A2 (es) | 2008-07-10 | 2009-07-10 | Estructura autotensada para puente de material compuesto |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ES200802147A ES2332442B1 (es) | 2008-07-11 | 2008-07-11 | Estructura autotensada para puente de material compuesto. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2332442A1 true ES2332442A1 (es) | 2010-02-04 |
ES2332442B1 ES2332442B1 (es) | 2011-03-03 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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ES200802147A Active ES2332442B1 (es) | 2008-07-10 | 2008-07-11 | Estructura autotensada para puente de material compuesto. |
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A. DE DIEGO VILLALÓN; J.P. GUTIÉRREZ JIMÉNEZ; A. ARTEAGA IRIARTE; C. LÓPEZ HOMBRADOS; Título: "Utilización de materiales compuestos en la construcción de nuevos puentes" II Jornadas de Investigación en construcción (Instituto de Ciencias de la Construcción "Eduardo Torroja", Madrid, 22-24 de Mayo 2008) Actas de las Jornadas. Fecha de publicación Mayo 2008. ISBN: 978-84-7292-367-6; URI: http:/hdl.handle.net/10261/6313. * |
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Legal Events
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EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100204 Kind code of ref document: A1 |
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FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2332442 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20110221 |