MXPA99009181A - Estructura de iso-celosia tridimensional - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un elemento estructural (10) que tiene una capacidad portadora de carga muy mejorada por peso unitario que tiene una pluralidad de componentes helicoidales (12) envueltos alrededor de un eje longitudinal (14). Los componentes helicoidales tienen segmentos rectos (32) rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal . En unaunidad de repetición básica, tres componentes helicoidales (12) tienen una orientación angular común, un eje longitudinal común (14) y están entre si en distancias iguales. Otros tres componentes helicoidales invertidos (12) también tienen una orientación angular común, un eje longitudinal común (14) y están separados entre si en distancias iguales, pero tienen una orientación angular opuesta. Estos seis componentes helicoidales (12) aparecen como un triángulo cuando se observa a lo largo del eje debido a los segmentos rectos (32), seis componentes helicoidales adicionales (12) están configurados como los anteriores pero girados con respecto a los primeros seis componentes (12) de modo que el elemento (10) se ve como una estrella de seis picos cuando se observa desde el eje.

Description

ESTRUCTURA DE ISO-CELOSIA TRIDIMENSIONAL ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la invención - La presente invención se refiere a un elemento estructural tridimensional que tiene mejor capacidad de carga por masa unitaria. Más específicamente, la presente invención se refiere a un elemento estructural que tiene una pluralidad de componentes helicoidales envueltos alrededor de un eje longitudinal donde los componentes tienen segmentos rectos conectados rígidamente extremo a extremo. 2. Técnica anterior La indagación de estructuras eficientes en las áreas civil, mecánica y del espacio aéreo es una búsqueda continua. Una estructura de celosía eficiente es aquella que tiene una relación elevada de resistencia a peso y/o una relación elevada de rigidez a peso. Una estructura de celosía eficiente también puede ser descrita como aquella quedes relativamente económica, fácil de fabricar y de ensamblar y no desperdicia material. Por lo común, las celosías son estructuras estacionarias, completamente controladas diseñadas para soportar cargas. Estas consisten en elementos rectos conectados en juntas en el extremo de cada elemento. Los elementos son elementos de -dos fuerzas, con las fuerzas dirigidas a lo largo del elemento. Los elementos de dos fuerzas solo pueden producir fuerzas axiales como fuerzas de tensión y de compresión en el elemento. Es frecuente utilizar las celosías en la construcción de puentes y edificios. Las celosías están diseñadas para portar cargas que_ actúan __en el plano de las celosías. Por tanto, las celosías con frecuencia son tratadas y analizadas como estructuras bidimensionales. La celosía bidimensional más sencilla consiste en tres elementos unidos en sus extremos para formar un triángulo. Mediante la adición consecutiva de dos elementos a la estructura más simple y una nueva unión es posible obtener estructuras más grandes. La celosía tridimensional más simple consiste en seis elementos unidos en. sus extremos para formar un tetraedro. Mediante la adición consecutiva de tres elementos al tetraedro y una nueva unión .es posible obtener estructuras más grandes. Esta estructura tridimensional se conoce como una viga de celosía tridimensional. Los marcos, contrario a la celosía, por lo común también son_ estructuras estacionarias, completamente controladas pero tienen cuando menos un -elemento de múltiples fuerzas, con una fuerza que no se dirige a lo largo del elemento. Las máquinas son estructuras que _contienen partes en movimiento y están diseñadas para transmitir y modificar fuerzas. Las máquinas, al igual que los marcos, contienen cuando menos un elemento con múltiples fuerzas. Un elemento con múltiples fuerzas puede producir no solo fuerzas de tensión y compresión sino también cortantes y de flexión. Los diseños estructurales tradicionales han estado limitados a análisis uni o bidimensionales que resisten un solo tipo de carga. Por ejemplo las vigas I son optimizadas para resistir la flexión y los tubos son optimizados para resistir torsión. La limitación del análisis del diseño a dos dimensiones simplifica el proceso de diseño pero descuida la carga combinada. El análisis tridimensional es difícil porque es difícil conceptualizar y calcular cargas y estructuras tridimensionales. - En realidad, múltiples estructuras deben ser capaces de resistir cargas múltiples. Ahora se utilizan computadores para modelar estructuras más complejas. En los últimos 20 años y lén muchos tipos de aplicaciones se han utilizado estructuras compuestas avanzadas. Un compuesto avanzado común consiste en una matriz reforzada con -fibras continuas, orientadas, de alta resistencia y alta rigidez. Las fibras pueden _ ser orientadas para obtener resistencias y rigidez ventajosa en direcciones y planos deseados. Una estructura compuesta adecuadamente diseñada tiene diversas desventajas sobre las estructuras metálicas semejantes. El compuesto _ puede tener una relación resistencia a peso y rigidez a peso significativamente superior, dando origen de esta manera a estructuras más ligeras. Los métodos de fabricación, como puede ser el devanado del filamento, han sido utilizados para crear una estructura, como un tanque o columna mucho más rápido de lo que se podría fabricar uno de metal. Por lo común, un compuesto puede sustituir diversos componentes metálicos debido a las ventajas en la flexibilidad de la fabricación. La Patente Estadounidense No. 4,137,354, publicada el 30 de enero de 1979, de Mayes et al., describe una estructura cilindrica "iso-rej illa" que tiene un triángulo isométrico repetido formado por fibras enrolladas axial y helicoidalmente. La rejilla, no obstante, ' es tubular en lugar de plana o recta. En otras palabras, los elementos son curvos. Esto reduce la resistencia al pandeo de los elementos en comparación con un elemento recto. Por tanto, sería ventajoso desarrollar un elemento estructural que tenga mejor— capacidad de carga por .masa unitaria que sea capaz de soportar múltiples cargas.

OBJETIVOS Y COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Un objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento estructural tridimensional que tenga mejor capacidad de carga por masa unitaria.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento estructural capaz "de soportar múltiples cargas. Todavía otro objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento estructural adecuado para reforzar concreto. Todavía otro objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento _ estructural adecuado para aplicaciones estructurales como vigas, volados, soportes, columnas, tramos, etcétera. Otro . objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento estructural -adecuado para aplicaciones arquitectónicas. _ Todavía otro objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento estructural adecuado para aplicaciones mecánicas, como los ejes conductores. Estos y otros objetivos y ventajas de la presente invención se realizan en un elemento estructural que consiste en una pluralidad de componentes helicoidales envueltos alrededor de un eje longitudinal. Los componentes helicoidales tienen segmentos rectos que están conectados rígidamente extremo a extremo en una configuración helicoidal . En la modalidad preferida, el elemento estructural tiene cuando menos doce componentes helicoidales, cuando menos tres de los componentes helicoidales envueltos alrededor del eje_en una dirección mientras cuando menos otros tres, los componentes helicoidales contrarios, envueltos alrededor en la dirección opuesta. El primero de cuando menos tres componentes helicoidales tiene la misma orientación angular y están separados entre sí a iguales distancias. Los elementos helicoidales invertidos o contrarios.de la misma-manera están arreglados pero con una orientación angular opuesta. Los componentes se cruzan en nodos externos en el perímetro del elemento y en nodos internos. Cuando se observa desde el eje, los segmentos rectos de los componentes aparecen como un triángulo. Los seis componentes restantes están ordenados como los primeros seis componentes pero están girados con respecto a los primeros seis componentes. Cuando se observa desde el eje, el elemento aparece como dos triángulos con un triángulo girado con respecto al otro, o como una estrella de seis picos. El elemento también aparece como una pluralidad de triángulos separados del eje alrededor -del perímetro del elemento y formando un poliedro en el interior del elemento. Los componentes se intersectan para formar los nodos externo e interno. En esta modalidad, todos los componentes comparten un eje común. A esta estructura es posible adicionar otros elementos. Los elementos axiales internos se intersectan con los componentes en los nodos internos y están paralelos con el eje. Los elementos axiales externos se intersectan con los componentes en los nodos externos y también están paralelos con el eje. Los elementos del perímetro se extienden entre nodos externos adyacentes _perpendiculares al eje. Los elementos del perímetro diagonal se extienden entre nodos externos en una diagonal con respecto al eje. En la modalidad preferida, tres segmentos rectos están formados como un componente helicoidal y hacen un sola rotación alrededor del eje, formando así el aspecto de un triángulo cuando se observa a lo largo del eje. De otra manera, los componentes helicoidales pueden formar segmentos adicionales y el aspecto de otros poliedros cuando se observa a lo largo del eje. En una modalidad alternativa 24 componentes helicoidales forman el aspecto de dos hexágonos con uno girado con respecto al otro cuando se observa desde el eje. Seis componentes helicoidales se envuelven en un sentido mientras otros seis, los componentes helicoidales invertidos se envuelven en_ el otro sentido. Los doce componentes restantes están 1 igualme te configurados solo girados con respecto a los primeros doce. En una modalidad alternativa, un miembro viga tiene una configuración semejante como, la modalidad preferida, pero con _el eje de los primeros seis componentes desplazado de los segundos seis componentes.

Aunque el elemento puede ser construido de cualquier material, la configuración helicoidal es muy adecuada para la construcción compuesta. Las fibras pueden ser envueltas alrededor de un mandril generalmente conformando los patrones helicoidales del elemento. Esto adiciona resistencia al elemento debido a que los segmentos de un componente están formados de una fibra continua. Dos o más elementos pueden estar conectados mediante la unión de los elementos en nodos. Además, el elemento puede estar cubierto con un material para crear la apariencia de una estructura sólida o para proteger el elemento o su contenido. Estos y otros objetivos, características, ventajas y aspectos alternativos de la presente invención serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de una consideración de la siguiente descripción detallada tomada en combinación con los dibujos que le acompañan.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en perspectiva de una modalidad preferida de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 2 es una vista extrema de una modalidad preferida de un elemento estructural de la presente invención.

La Figura 3 es una vista frontal de una modalidad preferida de un elemento . estructural de la presente invención. La Figura 4 es una vista lateral de una modalidad preferida de un .elemento estructural de la presente invención. La Figura 5 es una vista frontal de un elemento estructural de la presente invención con un solo eje resaltado . La Figura 6 es una vista lateral de un elemento estructural de la presente invención con un solo eje resaltado. La Figura 7 es una vista en perspectiva de la estructura fundamental de una modalidad preferida del elemento estructural de la presente invención. La Figura 8 es una vista en perspectiva de la estructura fundamental de una modalidad preferida del elemento estructural de la presente invención con una hélice adicional . La Figura 9 es una vista en perspectiva de una modalidad preferida del elemento estructural de la presente invención con tres componentes helicoidales y un componente helicoidal invertido resaltado. La Figura 10 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un. elemento estructural de la presente invención. La Figura 11 es una vista lateral de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 12 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 13 es una vista extrema de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 14 es una .vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 15 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 16 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 17 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 18 es una vista extrema de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención.

La Figura 19 es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 20 es una vista extrema de una modalidad alternativa de un elemento estructural de la presente invención. La Figura 21 es una vista en perspectiva de dos elementos estructurales de la modalidad preferida de la presente invención conectados entre sí. La Figura 22 es una vista lateral de dos elementos estructurales de la modalidad preferida de la presente invención, conectados entre sí.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN - Ahora se hará referencia a los dibujos, en los cuales los diferentes elementos de la presente invención tendrán designaciones numéricas y en los cuales la invención será descrita para permitir que un experto en la técnica haga y utilice la invención. -Como se ilustra en las Figuras 1-4, un elemento estructural 10 de la presente invención se muestra en una modalidad preferida. El elemento estructural 10 es una celosía tridimensional o marco tridimensional. El elemento estructural 10 está compuesto de una pluralidad de elementos o miembros 12 ordenados en un patrón repetido a todo lo largo o en el eje longitudinal 14 del elemento 10. Dos o más elementos individuales 12 se conectan o intersectan en las uniones 16. Los elementos 12 pueden estar conectados de manera rígida, conectados de manera flexible o simplemente se intersectan en las uniones 16. Donde los elementos intersecantes están conectados se forma un nodo. Un - nodo externo 18 se - forma donde los elementos intersecantes 12 se encuentran en el perímetro del elemento 10. Un nodo interno 20 sé forma donde los elementos intersecantes 12 se encuentran en el interior del elemento 10. Se forma una bahía o entrante 22 mediante una unidad de repetición o patrón medido en la dirección del eje longitudinal 14. La bahía 2 contiene un solo patrón formado por los elementos 12. El elemento 10 puede contener cualquier cantidad de bahías 22. Además, la longitud de la bahía 22 puede variar. Un ángulo interno 24 se forma mediante un plano creado por. dos elementos correspondientes 12 de un tetraedro y un plano creado por los elementos opuestos del mismo tetraedro.

La estructura y geometría de la modalidad preferida del miembro estructural 10 puede ser descrita en diferentes formas. El patrón o diseño repetido puede describirse como diferentes triángulos o tetraedros. Los triángulos y tetraedros son de diferentes tamaños, estando los triángulos y tetraedros más pequeños intercalados entre triángulos y tetraedros más grandes. En la modalidad preferida del elemento estructural 10, los triángulos o tetraedros están formados por planos con un ángulo interno de 60°. El ángulo interno puede variar dependiendo de la aplicación involucrada. Se considera que un ángulo interno de 60° es óptimo para múltiples cargas. También se considera que un ángulo interno de 45° será adecuado para aplicaciones de. torsión. El elemento estructural- 10 de la modalidad preferida puede ser conceptualizado como dos elementos tubulares imaginarios de corte transversal triangular superpuestos para formar un solo tubo imaginario con un corte como estrella de seis puntos, como se muestra en la Figura 2. O bien, cuando se observa desde el extremo o eje longitudinal 14, el elemento 10 tiene la apariencia de una pluralidad de triángulos separados del eje 14 y orientados alrededor de un perímetro para formar un elemento tubular imaginario de corte poliédrico en el interior del elemento 10. En el caso de la modalidad preferida, 6 triángulos equiláteros están colocados alrededor del eje longitudinal para formar un elemento tubular imaginario de corte hexagonal en el interior del elemento 10. Además, cuando se observa desde el extremo o el eje 14, es posible definir seis planos paralelos con el eje 14. Los planos se extienden entre los nodos externos específicos 18 en una configuración de estrella con seis picos. Los planos están orientados alrededor del eje 14 en intervalos de 60°. Además, dentro de una bahía 22 se forma un anillo de rejillas triangulares del cual se considera que tiene propiedades estructurales fuertes. Este anillo de rejillas triangulares rodea el interior del elemento 10 en el centro de la bahía, como se muestra en las Figuras 1, 3 y 4. Se considera que esta resistencia se debe a un número mayor de conexiones . Además, el elemento 10 de la modalidad preferida puede ser conceptualizado y descrito como una pluralidad de componentes helicoidales 30 envolviéndose alrededor del eje longitudinal 14 y con segmentos rectos 32 formando los elementos 12 del elemento 10. Con relación a las Figuras 5 y 6, se muestra resaltado un solo componente helicoidal 30. El componente helicoidal 30 forma cuando menos tres segmentos rectos 32 conforme éste se envuelve alrededor del eje 14. El componente helicoidal 30 puede continuar indefinidamente formando cualquier cantidad de segmentos rectos 32. Los segmentos rectos 32 están orientados en un ángulo con respecto al eje 14. Los segmentos rectos 32 están conectados rígidamente extremo a extremo en una configuración helicoidal .

Como se ilustra en la Figura 7, la estructura fundamental 40 del elemento 10 de la modalidad preferida de la presente invención tiene cuando menos dos componentes helicoidales 42 y cuando menos un componente helicoidal invertido 44 envolviéndose alrededor del eje 14. Los componentes helicoidales 42 se envuelven alrededor del eje 14 en una dirección, por ejemplo en el sentido de las manecillas del reloj, mientras que el componente helicoidal invertido 44 se envuelve alrededor del eje 14 en la dirección opuesta, por ejemplo contra las manecillas del reloj . Cada componente helicoidal 42 y 44 forma segmentos rectos 32. Los segmentos rectos de los componentes helicoidales 42 tienen una orientación angular común y un eje común 14. Los segmentos rectos del componente helicoidal invertido 44 tiene una configuración helicoidal semejante a los segmentos de los componentes helicoidales 42, pero una orientación angular opuesta. Esta estructura fundamental 40, cuando se observa desde el extremo o el eje 14 aparece como un elemento tubular imaginario de corte triangular. ~ ~ El componente helicoidal -invertido 44 se intersecta con los dos componentes helicoidales 42 en los nodos externos 18 y los nodos internos 20. En la modalidad preferida, los nodos externos e internos 18 y 20 forman conexiones rígidas y están rígidamente acoplados." Como se ilustra en la Figura 8, la construcción en la estructura fundamental 40 de la Figura 7 antes descrita, una estructura fundamental mejorada del elemento 10 tiene tres componentes helicoidales 42 y cuando menos un componente helicoidal invertido 44. Los segmentos rectos 32 de los tres componentes helicoidales 42 tiene una orientación angular común, un eje común 14 y están separados entre sí a distancias iguales. Con relación a la Figura 9, esta estructura fundamental mejorada 50 de los tres componentes helicoidales 42 y un componente helicoidal invertido 44 se muestra resaltada en el elemento 10 de la modalidad preferida. Como se ilustra en la Figura 1, en la modalidad preferida el elemento 10 tiene una pluralidad de componentes helicoidales 60: tres componentes helicoidales 62, tres componentes helicoidales invertidos 64, tres componentes helicoidales girados 66 y ~tres componentes helicoidales invertidos, girados 68. De esta manera, el elemento 10 tiene un total de doce componentes helicoidales 60 en la modalidad preferida. Como ya se describió, los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales 62 tienen una orientación angular común, un eje común 14 y están separados entre sí a distancias iguales. De la misma manera, los segmentos de los tres componentes helicoidales invertidos 64 tienen una orientación angular común, un eje común 14 y están separados entre sí a distancias iguales. No obstante los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales invertidos 64 tienen una orientación angular opuesta a la orientación angular de los segmentos de los tres componentes helicoidales 62. Nuevamente, esta estructura, vista desde el extremo o eje 14, aparece como un elemento tubular imaginario de corte triangular, como se muestra en la Figura 2. Los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales invertidos 66 tienen una orientación angular común, un eje común 14 y están separados entre sí a distancias iguales, como los componentes helicoidales 62. Los segmentos de los tres componentes helicoidales invertidos, girados 68 tienen una orientación angular común, un eje común 14 y están separados entre sí a distancias iguales, como los componentes helicoidales invertidos 64. No obstante los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales invertidos girados 68 tienen una orientación angular opuesta a la orientación angular de los segmentos de los "tres componentes helicoidales girados 66. Los componentes helicoidales girados 66 y los componentes helicoidales invertidos, girados 68 están girados con respecto a los componentes helicoidales 62 y los componentes helicoidales invertidos 64. En otras palabras, esta estructura, cuando se observa desde el extremo o eje 14, aparece como un elemento tubular imaginario de corte triangular, pero está girado con respecto al elemento tubular imaginario creado por los componentes helicoidales y helicoidales invertidos 62 y 64, como se muestra en la Figura 2. Juntos, los componentes helicoidales, helicoidales invertidos, helicoidales girados y helicoidales invertidos girados aparecen como un elemento tubular imaginario que tiene un corte de estrella de seis picos cuando se observa desde el eje 14, como se muestra en la Figura 2. Los componentes helicoidales 62 intersecan los componentes helicoidales invertidos 64 en los nodos externos 18. De la misma manera, los componentes helicoidales girados 66 intersecan los componentes helicoidales invertidos, girados 68 en los nodos externos 18. Los componentes helicoidales 62 intersecan los componentes helicoidales invertidos, girados 68 en los nodos internos 20. De la misma manera, los componentes helicoidales girados 66 intersecan los componentes helicoidales invertidos 64 en .los nodos internos 20. Los componentes helicoidales 62 y los componentes helicoidales girados 66 no se intersecan. De la misma manera, los componentes helicoidales invertidos 64 y los componentes helicoidales invertidos, girados 68 no se intersecan.

Además de la pluralidad de elementos helicoidales 60, la modalidad preferida del elemento 10 también tiene seis elementos axiales internos 70 ubicados en el interior del elemento 10 intersecando la pluralidad de elementos helicoidales 60 en los nodos internos 20. Los elementos axiales 70 están paralelos con el eje longitudinal 14. Los componentes helicoidales invertidos 64 intersecan los componentes helicoidales 62 en los nodos externos 18 y los componentes helicoidales invertidos, girados 68 intersecan los componentes helicoidales girados 66 en los nodos externos 18. Los nodos externos 18 forman los puntos de la estrella de 6 picos cuando se observa desde el eje 14, como se muestra en la Figura 2. Los componentes helicoidales invertidos 64 intersecan los componentes helicoidales girados 66 en los nodos internos 20 . y los componentes helicoidales invertidos, girados 68 intersecan los componentes helicoidales 62 en los nodos internos 20. Estos nodos internos 20 forman los puntos del hexágono cuando se observa desde el eje 14, como se muestra en la Figura 2. En la modalidad preferida, los nodos externos e internos 18 y 20 forman conexiones rígidas o los componentes están rígidamente conectados entre sí. Además, los elementos axiales 70 están rígidamente acoplados a los componentes en los nodos internos 20. En la modalidad preferida, los componentes están hechos dé un material compuesto. La configuración helicoidal del elemento 10 lo hace particularmente adecuado para la construcción compuesta. Los componentes están acoplados entre sí como las fibras de los diferentes componentes se superponen unas con otras. Las fibras pueden ser enrolladas en un patrón helicoidal alrededor de un mandril siguiendo la configuración helicoidal del elemento. Esto proporciona gran resistencia debido a que los segmentos de un componente están formados por hebras continuas de fibra. Los elementos o componentes pueden ser una fibra, como puede ser fibra de vidrio, carbono, boro o Kevlar, en una matriz, como puede ser epoxi o vinil éster. De otra manera, el elemento 10 puede ser construido de cualquier material adecuado, como puede ser madera, metal, plástico o cerámica y similares. Los elementos del miembro pueden consistir en piezas prefabricadas que están unidas entre sí con conectores en los nodos 18. El conector tiene rebajos formados para recibir los elementos. Los rebajos están orientados para obtener la geometría deseada del elemento 10. A partir dé la estructura fundamental 40 del elemento 10 de la modalidad preferida, son posibles diversas modalidades alternativas con la adición de otros elementos. Con relación a las Figuras 10 y 11, los elementos axiales externos también pueden estar ubicados en el perímetro del elemento 10 -e intersecar la pluralidad de los elementos helicoidales 60 en los nodos externos 18. Los elementos axiales 72 están paralelos con el eje longitudinal 14. Con relación a las Figuras 12 y 13, los elementos perimetrales 74 pueden estar ubicados alrededor del perímetro entre los nodos 18 que se encuentran en un plano perpendicular al eje longitudinal 14. Los_ elementos perimetrales 74 forman un poliedro cuando se observan desde el eje 14, como se muestra en la Figura 13. 1 Con relación a la Figura 14, los elementos perimetrales diagonales 76 pueden estar ubicados alrededor del perímetro del elemento 10 entre los nodos 18 en una diagonal con respecto al eje longitudinal 14. Estos elementos perimetrales, diagonales 76 pueden estar formados por segmentos de los componentes helicoidales adicionales envueltos alrededor del perímetro de la pluralidad de los componentes helicoidales 60. Los elementos perimetrales diagonales 76 pueden extenderse entre nodos adyacentes 18, como se muestra en la Figura 14, o extenderse a los nodos alternos 18, como se muestra en la Figura 15. Como se ilustra en la Figura 16, múltiples elementos adicionales pueden estar combinados, como puede ser los elementos axiales internos y externos 70 y 72, los elementos perimetrales 74 y los elementos perimetrales diagonales 76.

Desde luego, se entenderá que elementos adicionales pueden extenderse entre nodos internos 20 así como los nodos externos 18. Como se ilustra en las Figuras 17 y 18, se muestra una modalidad alternativa de un elemento viga 80. Esta modalidad es semejante a la modalidad preferida en cuanto a que el elemento 80 tiene cuando menos tres componentes helicoidales 82, cuando menos tres componentes helicoidales invertidos 84, cuando menos tres componentes helicoidales, girados 86 y cuando menos tres componentes helicoidales invertidos, girados 87. De esta manera, el elemento 80 tiene un total de cuando menos doce componentes helicoidales. Los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales 82 tienen una orientación angular común, un eje longitudinal común 90 y están separados entre sí en distancias iguales. De la misma manera, los segmentos de los tres componentes helicoidales invertidos 84 tienen una orientación angular común, un eje longitudinal común 90 y están separados entre sí a distancias iguales. No obstante los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales invertidos 84 tienen una orientación angular opuesta a la orientación angular de los segmentos de los tres componentes helicoidales 82. Nuevamente, esta estructura, cuando se observa desde el extremo o eje. 14, aparece como un elemento tubular imaginario de corte triangular.

Los segmentos rectos " de los tres componentes helicoidales girados 86 tienen una orientación angular común, un eje longitudinal girado común 92 y están separados entre sí a distancias iguales, como los componentes helicoidales 82. Los segmentos de los tres componentes helicoidales invertidos, girados 88 tienen una orientación angular común, un eje longitudinal, girado, común 92 y están separados entre sí a distancias iguales, como los componentes helicoidales invertidos 84. Pero los segmentos rectos de los tres componentes helicoidales, invertidos, girados 88 tienen una orientación -angular opuesta a la orientación angular de los segmentos de los tres componentes helicoidales, girados 86. Los componentes helicoidales girados 86 y los componentes helicoidales invertidos, girados 88 están girados con respecto a los componentes helicoidales 82 y los componentes helicoidales invertidos 84. En otras palabras, esta estructura, cuando se observa desde el extremo o eje 14, aparece . como un elemento tubular imaginario de corte triangular, pero está girado con respecto al elemento tubular imaginario creado por—los componentes helicoidales y helicoidales invertidos 82 y 84. No obstante, en esta modalidad se crea un elemento viga 80 mediante el desplazamiento del eje longitudinal 90 de los componentes helicoidales y helicoidales invertidos 82 y 84 a partir del eje del elemento 14 y desplazando el eje longitudinal girado 92 de - los componentes helicoidales girados y helicoidales invertidos, girados 86 y 88 a partir del- eje del elemento 14 en una dirección opuesta a la del eje longitudinal 90 del eje helicoidal y helicoidal invertido 82 y 84. En otras palabras, cuando se observa desde el eje 14, el elemento viga 80 aparece como un elemento tubular imaginario con un corte como se muestra en la Figura 18. - Como se ilustra en las Figuras 19 y 20, se muestra una modalidad alternativa de un elemento 100. Esta modalidad es semejante a la modalidad preferida en cuanto a que el elemento tiene una pluralidad de componentes helicoidales 102: seis componentes helicoidales, seis componentes helicoidales invertidos, seis componentes helicoidales girados y seis componentes helicoidales invertidos, girados. De esta manera, el elemento tiene un total de 24 componentes helicoidales. A medida que la pluralidad de los componentes helicoidales 102 se envuelve alrededor del eje longitudinal 14, los componentes helicoidales forman seis segmentos rectos en esta modalidad, contrario a los tres de la modalidad preferida. Este elemento 100, cuando se observa desde el extremo o eje 14, aparece como dos elementos tubulares imaginarios de corte hexagonal con un hexágono girado con respecto al otro, o como un elemento tubular imaginario con un corte de una estrella de doce picos, como se muestra en la Figura 20. _ Al igual que con la modalidad preferida, cualquier cantidad de otros elementos puede ser adicionada en diferentes configuraciones, incluidos los elementos axiales internos y externos, los elementos radiales y elementos- radiales, diagonales. En todas las modalidades se obtiene un elemento con un interior que es considerablemente hueco de material mientras e mantienen las propiedades estructurales significativas. El elemento estructural puede portar con eficacia cargas axiales, torsionales y de flexión. Esta capacidad de soportar diferentes tipos de carga hace al elemento estructural ideal para múltiples aplicaciones que tengan cargas múltiples y cargas dinámicas, como puede ser un molino de viento. Además, su peso ligero lo hace ideal para otras aplicaciones donde el peso ligero y la resistencia son importantes como en estructuras de avión o para el espacio. El diseño abierto hace al elemento estructural muy adecuado para aplicaciones que requieren poca resistencia al viento . La geometría del elemento lo hace adecuado para estructuras tridimensionales. El elemento puede estar provisto con acoplamientos no rígidos de modo que el elemento pueda ser colapsable para la transportación, y expandido para su uso. El elemento también puede ser utilizado para reforzar concreto incrustando el elemento en el concreto. Debido al diseño abierto, el concreto fluye libremente a través de la estructura. Las capacidades para portar múltiples cargas permitirá que las columnas y vigas de concreto sean diseñadas con mayor eficiencia. La apariencia del elemento estructural también permite aplicaciones arquitectónicas. El elemento tiene una apariencia de alta tecnología o de la era espacial. El elemento tiene aplicaciones mecánicas también. El elemento puede ser utilizado como un eje conductor debido a su resistencia a la torsión. El elemento también puede estar envuelto con una cubierta para parecer sólido. Una cubierta puede ser un metal recubierto con Mylar. La cubierta puede ser para apariencia o para proteger los elementos y objetos portados en el elemento, como tubos, conductos, componentes para iluminación y eléctricos. Como se ilustra en las Figura 21 y 22, dos elementos estructurales 10 de la modalidad preferida pueden estar unidos para formar una estructura deseada. Cuando los dos elementos 10 están conectados de modo que el eje 14 esté perpendicular, los nodos externos 18 de un elemento 10 pueden estar unidos a los nodos externos 18 del otro elemento 10. Se entenderá que las modalidades descritas de la invención solo son ilustrativas, y que modificaciones de las mismas pueden ocurrirse a los expertos en la técnica. Por consiguiente, esta invención no debe considerarse como limitada a las modalidades descritas, sino debe ser limitada solo como se define por las reivindicaciones anexas a la presente. b

Claims (26)

REIVINDICACIONES

1. Un elemento estructural que tiene capacidad de carga grandemente mejorada por masa unitaria, el elemento estructural consiste en: cuando menos dos componentes helicoidales, cada componente con cuando menos tres segmentos alargados, rectos rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal, los cuando menos dos componentes helicoidales con una orientación angular común, un eje longitudinal común y estando separados entre sí a distancias aproximadamente iguales, los" cuando menos dos componentes helicoidales cada uno tiene hebras continuas de fibras; cuando menos un componente helicoidal invertido con cuando menos tres segmentos alargados, rectos, rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal semejante a y con un eje longitudinal común con los cuando menos dos componentes helicoidales, pero en una orientación angular opuesta, teniendo el cuando menos un componente helicoidal invertido hebras de fibra continuas; y el medio para acoplar los cuando menos dos componentes helicoidales al cuando menos un componente helicoidal invertido en lugares intersecantes, los medios para acoplar los componentes helicoidales _y los componentes helicoidales invertidos incluye superponer- las fibras de los componentes helicoidales y las fibras de los componentes helicoidales invertidos en una matriz; y en donde los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido definen un interior hueco que está prácticamente hueco de material;

Y en donde los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido definen orificios entre los mismos. 2. El elemento estructural de la reivindicación 1, en donde el medio para acoplar los componentes hélice y el componente hélice invertida incluye conectores que tienen enchufes colocados y orientados para recibir los extremos de los componentes.

3. El elemento estructural de la reivindicación 1 además comprende : cuando menos un componente axial acoplado a los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido, estando el cuando menos un componente axial prácticamente paralelo al eje longitudinal.

4. El elemento estructural de la reivindicación 3, en donde el cuando menos un componente axial esta acoplado a los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido en los nodos externos .

5. El elemento estructural de la reivindicación 3, en donde el cuando menos un componente axial está acoplado a los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido en nodos internos. -

6. El elemento estructural de la reivindicación 1 además comprende : cuando menos un componente adicional acoplado entre nodos adyacentes .

7. El elemento estructural de la reivindicación 6, en donde el componente adicional es un elemento perimetral acoplado entre dos nodos en un plano perpendicular al eje longitudinal .

8. El elemento estructural de la reivindicación 6, en donde el componente adicional es un elemento perimetral, diagonal, acoplado entre dos nodos y orientado en un ángulo con respecto al eje longitudinal.

9. El elemento estructural de la reivindicación 1, en donde los segmentos de los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido forman un elemento tubular imaginario de corte triangular.

10. El elemento estructural de la reivindicación 1, en donde los segmentos de los cuando menos dos componentes helicoidales y el cuando menos un componente helicoidal invertido forman un elemento tubular imaginario de corte poliédrico.

11. Un elemento estructural que tiene capacidad de carga muy mejorada por -masa unitaria, el elemento estructural consiste en: cuando menos dos componentes helicoidales, teniendo cada componente cuando menos tres segmentos alargadas, rectos,' rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal, teniendo los cuando menos dos componentes helicoidales una orientación angular común, un eje longitudinal común y estando separados entre sí a distancias aproximadamente iguales; cuando menos un componente helicoidal invertido que tiene cuando menos tres segmentos alargados, rectos, rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal semejante a y con un eje longitudinal común con los cuando menos dos componentes helicoidales, pero en una orientación. angular opuesta; el medio para acoplar los cuando menos dos componentes helicoidales al cuando menos un componente helicoidal invertido en lugares intersectantes; cuando menos dos componentes helicoidales, girados, teniendo cada componente cuando menos tres segmentos alargados, rectos, rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal, teniendo los cuando menos dos componentes helicoidales girados una orientación angular común, un eje longitudinal girados, común y estando separados entre sí en distancias aproximadamente iguales, los segmentos de los cuando menos dos componentes helicoidales, girados estando girados con respecto a los segmentos de los cuando menos dos componentes helicoidales; cuando menos un componente helicoidal invertido, girado con cuando menos tres segmentos alargados, rectos, rígidamente conectados extremo a extremo en una configuración helicoidal semejante a y con un eje longitudinal girado, común con los cuando menos dos componentes helicoidales girados, pero en una orientación angular opuesta, los segmentos del cuando menos un componente helicoidal invertido, girado estando girados con respecto a los segmentos del cuando menos un componente helicoidal invertido; el medio para acoplar los cuando menos dos componentes helicoidales girados y el cuando menos un componente helicoidal invertido, girado a los cuando menos dos componentes helicoidales y al cuando menos un. componente helicoidal invertido en lugares intersectantes . •

12. El elemento estructural de la reivindicación 11 además comprende: cuando menos un componente axial acoplado a los cuando menos dos componentes helicoidales, el cuando menos un componente helicoidal invertido, los cuando menos dos componentes helicoidales girados y el cuando menos un componente helicoidal invertido, girado, estando el cuando menos un componente axial prácticamente paralelo al eje longitudinal girado.

13. El componente estructural de la reivindicación 12, en donde el cuando menos un componente axial esta acoplado a los cuando menos dos componentes helicoidales, el cuando menos un componente helicoidal invertido, los cuando menos dos componentes helicoidales girados y el cuando menos un componente helicoidal invertido, girado, en nodos externos.

14. El elemento estructural de la reivindicación 12, en donde el cuando menos un componente axial esta acoplado a los cuando menos dos componentes helicoidales, el cuando menos un componente helicoidal invertido, los cuando menos dos componentes helicoidales invertidos y el cuando menos un componente helicoidal invertido, girado, en nodos internos.

15. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde el eje longitudinal y el eje longitudinal girado están concéntricos y los segmentos de los cuando menos dos componentes helicoidales, el cuando menos un componente helicoidal invertido, los cuando menos dos componentes helicoidales girados y el cuando menos un componente helicoidal invertido, girado forman un elemento tubular imaginario que tiene un corte de una estrella de seis picos.

16. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde el eje longitudinal y el eje longitudinal girado están concéntricos y los segmentos de los cuando menos dos componentes helicoidales, el cuando menos un componente helicoidal invertido, los cuando menos dos componentes helicoidales girados y el cuando menos un componente helicoidal invertido, girado forman un elemento tubular imaginario que tiene un corte de dos poliedros con un eje longitudinal común, pero con un poliedro girado con respecto al otro.

17. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde el eje longitudinal y el eje longitudinal girado están concéntricos y los segmentos de los componentes se intersecan en el extremo de los segmentos para formar nodos exteriores, una pluralidad de planos se extienden entre los nodos exteriores seleccionados, estando los planos paralelos con el eje longitudinal y el eje longitudinal girado, estando los segmentos colocados en la pluralidad de planos, tres de la pluralidad de planos estando orientados para formar un primer elemento tubular imaginario de corte triangular y los otros tres de la pluralidad de planos estando orientados para formar un segundo elemento tubular imaginario de corte triangular, teniendo el primer elemento tubular imaginario y el segundo elemento tubular imaginario un eje común, estando el segundo elemento tubular imaginario girado alrededor del eje común con respecto al primer elemento tubular imaginario.

18. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde el eje longitudinal y el eje longitudinal girado están paralelos y separados, los segmentos de los componentes se intersecan en el extremo de los segmentos para formar nodos exteriores, una pluralidad de planos se extienden entre nodos exteriores seleccionados, estando los planos paralelos con el eje longitudinal y el eje longitudinal girado, estando los segmentos colocados en la pluralidad de planos, tres de la pluralidad de planos estando orientados alrededor del eje longitudinal para formar un primer elemento tubular imaginario de corte triangular y otros tres de la pluralidad de planos estando orientados en torno del eje longitudinal girado para formar un segundo elemento tubular imaginario de corte triangular.

19. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde los componentes están formados envolviendo una fibra alrededor de un mandril.

20. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde los componentes son fibras en una matriz.

21. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde los componentes son fibras en una matriz y el medio para acoplar los componente hélice y el componente hélice invertido incluye superponer las fibras de los componentes hélice y las fibras de los componentes hélice invertida en la matriz.

22. El elemento estructural de la reivindicación 11, en donde el medio para acoplar los componente hélice y el componente hélice invertida incluye conectores que tienen enchufes colocados y orientados para recibir los extremos de los componentes .

23. El elemento estructural de la reivindicación 11 además comprende: cuando menos un componente adicional acoplado entre nodos contiguos.

24. El elemento estructural de la reivindicación 23, en donde el componente adicional es un componente perimetral acoplado entre dos nodos en un plano perpendicular el eje longitudinal .

25. El elemento estructural de la reivindicación 23, en donde el componente adicional es un elemento perimetral, diagonal acoplado entre dos nodos y orientado en un ángulo con respecto al eje longitudinal.

26. Un método para formar un elemento estructural con mejor capacidad de carga por masa unitaria, el método comprende los pasos de: (a) proporcionar un mandril; (b) envolver una fibra alrededor del mandril con el fin de crear cuando menos dos componentes helicoidales, teniendo cada componente cuando menos tres segmentos alargados, rectos, los cuando menos dos componentes helicoidales con una orientación angular común, un eje longitudinal común y separados entre sí a distancias aproximadamente iguales; (c) envolver una fibra alrededor del mandril para crear cuando menos un componente helicoidal invertido con cuando menos tres segmentos alargados, rectos semejantes a y con un eje longitudinal común con los cuando menos dos componentes helicoidales, pero en orientación angular opuesta; (d) adicionar una matriz a la fibra; y (e) curar la matriz.