ES2311072T3 - Elemento estructural, en particular para la industria de la construccion. - Google Patents

Abstract

Elemento estructural, en particular para la industria de la construcción, que comprende por lo menos una zona laminar (2.15, 18) de material transparente provista de dos superficies planas y un borde periférico (4), siendo dicha zona laminar (2, 15, 18) una estructura de múltiples capas compuesta por varios elementos laminares transparentes (5, 5'', 5'''', 16, 16'', 16'''', 19, 19'', 19'''') que están unidos entre sí, comprendiendo también dicho elemento estructural por lo menos una zona a modo de tira (3) que se adhiere íntegramente a por lo menos una sección del borde periférico (4) de dicha zona laminar (2, 15, 18) sometida a esfuerzo de tracción a través de unos medios de fijación (7), que consisten en particular en una capa de adhesivo, para aumentar la rigidez a la flexión y/o la tenacidad de la propia zona laminar (2, 15, 18), caracterizado por el hecho de que dicha zona a modo de tira (3) presenta una anchura que corresponde al espesor de dicha estructura de múltiples capas y comprende por lo menos un elemento realizado en un material que presenta un factor de intensificación de tensión crítica KIC mayor de 0,75 MPaRaízm.

Description

Elemento estructural, en particular para la industria de la construcción.

Campo de la técnica

La presente invención se refiere a un elemento estructural, en particular para la industria de la construcción, fabricado en un material transparente y destinado para la construcción, por ejemplo, de un pilar, una viga, un dintel, un arco o elementos similares, ofreciendo todos un notable nivel de seguridad.

En particular, la presente invención se refiere a elementos estructurales, incluyendo elementos de gran tamaño, fabricados principalmente en vidrio.

El elemento estructural en cuestión es por lo tanto adecuado para el uso en el sector de ingeniería civil para la construcción de estructuras de soporte de cargas y superficies transparentes de gran tamaño.

Técnica anterior

El vidrio es un material que, si bien es conocido por sí mismo y se ha utilizado durante mucho tiempo, sin embargo sólo ha estado disponible en el mercado relativamente hace poco tiempo a un bajo coste y en forma de grandes láminas de alta calidad con óptimas propiedades ópticas debido a la introducción del procedimiento "Float" a principios de los 60.

Tal como es conocido, en la arquitectura convencional, las superficies acristaladas ocupan normalmente un área limitada y los vidrios individuales se insertan en marcos que a su vez se fijan a una pared de soporte.

Recientemente, y gracias al progreso tecnológico, ha sido posible disponer superficies acristaladas de gran tamaño. Estas últimas, en este caso, también se obtienen con láminas que hay que colocar y sujetar por medio de elementos estructurales destinados al soporte cargas.

De acuerdo con la tecnología actualmente conocida, por lo tanto, las láminas individuales que forman las piezas de vidrio de los edificios quedan colocadas y sujetas por medio de elementos estructurales, tales como pilares, vigas, barras de refuerzo, tirantes y puntales que están destinados a absorber y oponerse a prácticamente todas las cargas y están fabricados principalmente en materiales tradicionales tales como metal, ladrillo o piedra, madera u hormigón reforzado.

Por otra parte, es evidente que la construcción también de los elementos estructurales en un material transparente incrementaría el efecto en términos de luminosidad y amplitud.

En particular, este efecto puede acentuarse en el caso de grandes superficies de recubrimiento, cuya fabricación requiere elementos estructurales de gran tamaño capaces de resistir cargas de flexión.

Actualmente, de acuerdo con la tecnología conocida hasta ahora, la fabricación de estos elementos estructurales de vidrio presenta varios problemas.

Estos problemas se deben principalmente al hecho de que el vidrio tiene una excelente resistencia a cargas de compresión, pero una resistencia limitada a cargas de tracción.

La tabla 1 muestra los valores típicos de estas propiedades:

TABLA 1

100

El vidrio es un elemento que tiene un elevado factor de dureza, pero es muy frágil. Al ser frágil, una carga pulsada produce una rotura o grieta con la consiguiente separación de partes y riesgo de colapso de la estructura.

Además, la formación de una grieta, incluso si es pequeña (grieta microscópica) da lugar a la formación de tensiones locales concentradas que pueden ser de tamaño muy considerable, incluso si el vidrio se somete a esfuerzos de alcance medio que sean totalmente compatibles con su resistencia. Este fenómeno es particularmente manifiesto en la zona de las partes del vidrio que están sometidas a esfuerzos de tracción.

Tal como es bien conocido, las grietas microscópicas se producen típicamente de manera inevitable por operaciones que implican el corte del vidrio en láminas. El borde de corte, incluso si después se pule, presenta de hecho un borde frontal con grietas microscópicas en las cuales las cargas -si bien son ampliamente admisibles si están uniformemente distribuidas como en el caso de materiales más tenaces- se concentran en la parte superior de las grietas y pueden alcanzar repentinamente valores más altos que la resistencia del material, provocando así su ruptura.

La ruptura avanza en dos etapas sucesivas: durante una primera etapa, que se denomina etapa de "propagación subcrítica", hay una propagación lenta de la grieta a un tamaño que se denomina "tamaño crítico" que depende del material y la carga, que al alcanzarse comienza una ruptura catastrófica; y durante una segunda etapa, que se denomina etapa de "propagación catastrófica", la ruptura se propaga a una velocidad de propagación equivalente a unos pocos metros por segundo.

De la literatura científica también se conoce cómo la humedad ambiental favorece mucho la propagación subcrítica de la ruptura.

De acuerdo con lo que se describe ampliamente en la mecánica de la ruptura, si el factor de intensificación de tensiones se define como: K_{I} = \sigmaY\surd\pia, siendo Y el factor de forma, a el tamaño del defecto y \sigma la carga media que actúa sobre elemento a modo de lámina, el tamaño crítico de la grieta es equivalente a: ac=1/n (K_{IC}/Y\sigma)^{2}. Todavía de acuerdo con lo que describe la mecánica de la ruptura se sabe que si K_{I} < K_{Ith} no hay propagación de la ruptura, si K_{Ih} < K_{I} < K_{IC} se produce el fenómeno de propagación subcrítica del defecto y si K_{I} = K_{IC} existe propagación de la grieta. K_{IC} se define como el factor de intensificación de tensión crítica, es una propiedad del material y en el caso de vidrio sódico cálcico es igual a aproximadamente 0,75 MPa\surdm, K_{Ith} se define como el factor de intensificación de carga, es decir, el umbral bajo el cual hay propagación subcrítica del defecto, es una propiedad del material y en caso del vidrio sódico cálcico es igual a aproximadamente 0,2 MPa\surdm.

La tecnología actualmente conocida de fabricación aplicada a elementos de vidrio tiene en cuenta la posibilidad de la formación de estas grietas y basa las dimensiones microscópicas de dichos elementos en las mismas, con independencia de si estos realizan o no funciones estructurales, previendo un coeficiente de seguridad adecuado, en una escala de hasta 10, que tiene como objetivo asegurar la presencia de cargas en la estructura del vidrio que sean lo suficientemente pequeñas para evitar entrar en el intervalo de propagación subcrítica de los defectos.

El documento DE 29 06 259 describe un tablero para tabiques de alta rigidez que consiste en dos elementos de recubrimiento de plástico transparente y un relleno intermedio dispuesto entre los elementos de recubrimiento de un material de espuma transparente.

El documento DE 897 755 describe una viga de vidrio que consiste en una gran placa central fijada en los extremos de dos placas periféricas y que tiene una placas de refuerzo que se adhieren a las zonas extremas de la placa central para reforzar la viga y formar una viga en forma de doble T.

Este enfoque del diseño, aunque indudablemente es eficaz en el caso del vidrio autoportante o no portante, tiene indudablemente limitaciones de seguridad si el elemento de vidrio está destinado a realizar una función estructural para resistir cargas que sean estáticas o cíclicas con el tiempo.

Por motivos de claridad, las expresiones que aquí se especifican se entenderán como aplicables al resto de la descripción:

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la expresión "material frágil" se entiende que se refiere a un material que, cuando se somete a un esfuerzo de compresión o de tracción creciente, no tiene un margen de comportamiento plástico sino solamente elástico seguido de rotura;

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la expresión "material tenaz" se entiende que se refiere a un material que, cuando se somete a un esfuerzo de compresión o de tracción creciente, tiene un margen de comportamiento plástico antes de rotura;

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el término "elemento de múltiples capas" se entiende que se refiere a un elemento que consiste en una pluralidad de elementos laminares dispuestos en paralelo, unos junto a los otros, con o sin la disposición entre los mismos de otros materiales tales como agentes adhesivos y/o resistentes al calor.

Es conocido el uso de vidrio de múltiples capas para la formación de elementos estructurales de sustentación.

Por ejemplo, las superficies planas de vidrio, en las cuales se dispone un polímero adhesivo transparente, generalmente polivinil butiral, entre los elementos laminares, vienen reguladas por las normas de seguridad UNI 7172.

El elemento de múltiples capas así obtenido tiene, tal como es conocido, unas propiedades óptimas en lo que se refiere a resistencia a rotura y deterioros producidos por impactos, pero no resuelve los inconvenientes citados anteriormente que se dan para cada elemento laminar individual que forma el elemento de múltiples capas.

Es también conocida la técnica de endurecer el elemento de múltiples capas por medio de la disposición, entre medio, de un elemento laminar de material plástico transparente y tenaz, generalmente policarbonato. La capa interna de endurecimiento se adhiere a las superficies acristaladas, uniéndolas íntegramente entre sí. En el caso de una rotura incipiente en el vidrio que soporta el policarbonato -siendo este ultimo material, tal como es conocido, tenaz- el elemento de múltiples capas todavía retiene suficientes propiedades mecánicas para proporcionar una resistencia residual, evitando el colapso repentino de la propia estructura multicapa.

La construcción de elementos estructurales tales como vigas y pilares según esta técnica conocida se describe en los siguientes textos: "Applicazione strutturale del vetro multistrato" [Aplicación estructural de vidrio de múltiples capas], XIII Congreso Nacional del Instituto Italiano para Estudios de Rotura, Cassino, 27-28 de Mayo de 1997, páginas 212-221; autores M. Palumbo, G. Plizzari y E. Tempesti; "Effetto della presenza di micro-difetti e della temperatura sul comportamento strutturale del vetro multistrato" [efecto de la presencia de defectos microscópicos y calor en el comportamiento estructural del vidrio de múltiples capas], XIV Congreso Nacional del Instituto Italiano para Estudios de Rotura, Trento 27-28 de Mayo de 1998, páginas 145-152, autores M. Palumbo, G. Plizzari, V. Sglavo y E. Tempesti y "Nuovi materiali polimerici per Vetri Multistrato Tenacizzati" [nuevos materiales poliméricos para Vidrio Endurecido de Múltiples capas] 5º Congreso Nacional AIMAT, Spoleto-Perugia 17-21 de Julio de 2000, páginas 919-923, autores M. Palumbo, C. Garzella, L. Pensieri, P. Rosati G. Plizzari, T. Ricco y E. Tempesti.

El uso de policarbonato o polímeros similares es indudablemente un elemento de seguridad adicional que, sin embargo, no limita de ninguna manera la progresión de los defectos en las láminas de vidrio.

De hecho, la acción de endurecimiento del policarbonato interviene solamente cuando se han dañado todas las láminas, y por lo tanto la función de la capa de policarbonato es solamente la de asegurar un nivel adecuado de seguridad de modo que la estructura de múltiples capas no se colapse repentinamente, permitiendo que continúe resistiendo una carga.

Las patentes americanas USA 4190698 y el USA 5565273 describen un procedimiento para la fabricación de elementos con propiedades de resistencia al fuego y altas temperaturas, que consiste en una pluralidad de láminas de vidrio que disponen entre ellas un compuesto intumescente a base de polisilicatos alcalinos hidratados con una fracción molar SiO_{2}/Me_{2}O mayor de 3. En caso de fuego o de altas temperaturas, el polisilicato alcalino hidratado forma una espuma que retiene los fragmentos del vidrio y que, incorporando una cantidad considerable de gas, tiene una elevada resistencia a la transmisión de calor por conducción o radiación.

Los inconvenientes de estos procedimientos conocidos para la fabricación de elementos estructurales son la complejidad de las operaciones de preparación que implican el corte de gruesos elementos laminares de múltiples capas, de un peso y un coste considerable, la necesidad de adoptar un coeficiente de seguridad bastante elevado para impedir o evitar la incipiencia de grietas microscópicas que tienden a aumentar a unas velocidades bastante elevadas, afectando negativamente a la estabilidad estática de la estructura.

Además, al utilizar los elementos de múltiples capas citados anteriormente, la resistencia global de toda la estructura se obtiene simplemente sumando las respectivas resistencias de las capas individuales. En particular, la rigidez a la flexión, que se define como el producto del valor del módulo elástico multiplicado por el valor del momento de inercia del área de la estructura en el plano flector, se obtiene sumando los valores de la rigidez a la flexión de las capas laminares individuales.

Las soluciones de estructuras de múltiples capas de vidrio que se han descrito brevemente están destinadas principalmente a la construcción de paredes de vidrio autoportantes o no portantes y no para la construcción de elementos estructurales destinados a soportar cargas.

Para mejorar el momento de inercia de la sección transversal, el texto "Atlante del Vetro" [The Glass Atlas], UTET 1998, en el Capítulo 2 de Werner Sobek y de Mathias Kutterrer, describe la construcción de secciones transversales huecas en forma de caja utilizando una mayor cantidad de material en la zona que está sometida a esfuerzos de tracción.

El Capítulo 2 del mismo texto "Atlante del Vetro" [The glass Atlas], UTET 1998, también contiene un estudio sobre la construcción de vigas de múltiples capas de vidrio reforzadas por medio de la combinación con elementos independientes fabricados en otro material.

Tal como se ha citado anteriormente, el vidrio resiste con eficacia la compresión, pero debido a su fragilidad no es muy resistente a tensiones de tracción. Por lo tanto, de acuerdo con este estudio, el vidrio se combina con un elemento independiente o con una estructura fuerte independiente resistente a esfuerzos de tracción, para mejorar en parte la distribución de las cargas de tracción en toda la estructura de múltiples capas.

Al hacer esto, el vidrio se somete a una carga menor que la carga que le afectaría si no se adoptara ninguna solución combinada. En caso de rotura del vidrio, las fuerzas de tracción que actúan en la viga se transmiten al elemento o a la estructura adicional, mientras que el vidrio continúa absorbiendo las fuerzas de compresión ya que es capaz de mantener su resistencia a la compresión incluso cuando se ha dañado.

Los esfuerzos de tracción, que son absorbidos por el elemento o la estructura adicional resistente al esfuerzo de tracción, no se transmiten a la estructura de vidrio de múltiples capas sino que se transmiten directamente al plano de apoyo de la viga.

De acuerdo con esta técnica conocida, son posibles en particular las siguientes diferentes realizaciones:

-

vigas de vidrio de múltiples capas soportadas por un sistema de vigas reticulares de metal o plástico;

-

vigas de vidrio de múltiples capas que tienen un borde inferior doblado y un elemento elástico independiente insertado en forma de tirante.

En dichas realizaciones, los elementos de vidrio se apoyan, sin adherirse, sobre los elementos adicionales que son resistentes a los esfuerzos de tracción y que por lo tanto transmiten los correspondientes esfuerzos al plano de apoyo.

Un inconveniente común de estas realizaciones conocidas es la necesidad de disponer dispositivos de restricción para permitir que los elementos elásticos resistan todas las fuerzas de tracción y los momentos flectores asociados a los cuales pueden ser sometidos.

Claramente estas realizaciones son considerablemente mucho más complejas y costosas que los apoyos simples destinados a recibir únicamente una carga perpendicular.

La patente W00076763 describe la construcción de un elemento de vidrio de múltiples capas con cables de acero insertados entre las láminas que forman el elemento de múltiples capas y que quedan dispuestos equidistantes entre sí y se extienden por toda la superficie de las citadas láminas.

Esta solución también está sometida a los inconvenientes de las realizaciones descritas anteriormente para vigas de vidrio de múltiples capas que cooperan con un elemento o con una estructura adicional que es resistente a esfuerzos de tracción.

Descripción de la invención

Un principal objetivo de la presente invención es, por lo tanto, eliminar los inconvenientes de la técnica conocida citada anteriormente disponiendo un elemento estructural, en particular para la industria de la construcción, con una rigidez a la flexión y unas características de seguridad mejoradas.

Otro objetivo es disponer elementos estructurales transparentes endurecidos sin la adición, entre las láminas de vidrio, de una o más láminas de polímero tenaces y transparentes.

Otro objetivo es disponer elementos estructurales transparentes que estén protegidos contra la propagación subcrítica de las grietas microscópicas, lo cual viene provocado o favorecido por la humedad.

Otro objetivo es disponer elementos estructurales transparentes que sean particularmente ligeros y puedan aprovechar mejor las características mecánicas del vidrio.

Un objetivo particular de la invención es disponer elementos estructurales transparentes de costes de producción y montaje reducidos.

Estos objetivos, junto con otros, se obtienen por medio de un elemento estructural, en particular para la industria de la construcción, según la reivindicación 1.

De acuerdo con la presente invención, es posible disponer elementos estructurales tales como vigas de vidrio, pilares, vanos y tirantes, que tienen unas óptimas características de seguridad, un peso limitado y un bajo coste.

Breve descripción de los dibujos

Las características técnicas de la invención, de acuerdo con los objetivos indicados anteriormente, pueden entenderse claramente a partir del contenido de las reivindicaciones que se incluyen a continuación y sus ventajas se derivarán claramente a partir de la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos que se adjuntan, los cuales muestran realizaciones simplemente a modo de ejemplo y no limitativas, en los cuales:

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un primer ejemplo de realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, sometido a un esfuerzo flector;

La figura 2 muestra una vista en planta desde arriba del ejemplo de la realización de acuerdo con la figura 1;

La figura 3 muestra una sección transversal a lo largo de un plano, según se indica por la línea Z-Z, perpendicular al plano de inflexión del ejemplo de la realización de acuerdo con la figura 1;

Las figuras 4 y 5 muestran el detalle de algunas realizaciones del elemento a modo de tira;

La figura 6 muestra una vista en perspectiva de un segundo ejemplo de realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, sometido a un esfuerzo flector;

La figura 7 muestra una vista en planta desde arriba del ejemplo de realización de acuerdo con la figura 6;

La figura 8 muestra una sección transversal a lo largo de un plano, según se indica con la línea V-V, perpendicular al plano de inflexión del ejemplo de la realización de acuerdo con la figura 6;

La figura 9 muestra una vista en perspectiva de un tercer ejemplo de realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, sometido a un esfuerzo flector.

La figura 10 muestra una vista en planta desde arriba del ejemplo de la realización de acuerdo con la figura 9;

La figura 11 muestra una vista en perspectiva de un cuarto ejemplo de realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, sometido a un esfuerzo de compresión/flector;

La figura 12 muestra una vista frontal del ejemplo de la realización de acuerdo con la figura 11;

La figura 13 muestra una sección transversal a lo largo del plano, indicado por la línea U-U, del ejemplo de la realización de acuerdo con la figura 11;

La figura 14 muestra el diagrama de un elemento estructural horizontal o vertical sometido a un esfuerzo flector aplicado por una carga distribuida uniformemente;

La figura 15 muestra el diagrama de un elemento estructural horizontal o vertical de acuerdo con la presente invención, sometido a un esfuerzo flector aplicado por una carga distribuida uniformemente.

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Descripción detallada de algunos ejemplos de realización preferidos

Con referencia a las figuras 1 y 2 que se adjuntan, 1 indica en su totalidad un elemento estructural transparente construido de acuerdo con la presente invención.

Tal como resultará más claro a continuación, el elemento estructural citado anteriormente 1 puede consistir ventajosamente en una viga, un dintel, un arco o un elemento similar, debido al hecho de que, en estas formas constructivas, la invención en cuestión ofrece las mayores ventajas en términos de un mejor rendimiento respecto al comportamiento mecánico.

Sin embargo, sin apartarse por ello del alcance de protección de la presente invención, el elemento estructural en cuestión también puede adoptar otras formas constructivas tales como la de una pared transparente de múltiples capas o una columna, tal como se ha explicado en particular en el ejemplo mostrado en las figuras 11 a 13.

Por motivos de simplicidad en la descripción se considerará a continuación, por lo tanto, que el elemento estructural 1 consiste en general en una viga.

De acuerdo con la principal característica de la presente invención, la viga 1 consiste esencialmente en una zona laminar 2 y una zona a modo de tira 3. Esta última queda unida íntegramente a por lo menos a una sección del borde periférico 4 de la zona laminar 2.

La viga 1 consiste por lo tanto en una estructura compuesta que comprende dos zonas 2 y 3 que forman un cuerpo único.

En mayor detalle, la zona laminar 2 está formada alternativamente por medio de uno o más elementos laminares transparentes 5, 5', 5'', 5''' (fabricados en vidrio u otro material transparente tal como policarbonato) que están dispuestos adyacentes y paralelos entre sí y entre los cuales se disponen primeras capas 6, 6', 6'' de adhesivo transparente.

Con particular referencia a las figuras adjuntas 1 a 3, se prevé que la viga 1 citada anteriormente sea tensada de manera habitual por un esfuerzo flector inducido por una carga P que actúa paralela al plano principal que se dispone en las zonas laminares 2 y perpendicular respecto a la dimensión de su mayor extensión y a la que solamente se oponen los apoyos A y A'.

Por lo tanto, de acuerdo con el diagrama de distribución de tensiones, que se explica con detalle a continuación, se disponen medios de fijación 7 a lo largo de todo el borde 4 de la zona laminar 2 en la zona de la parte 2' de esta última que está sometida a esfuerzo de tracción.

Estos medios consisten ventajosamente en una segunda capa 7 de adhesivo que está realizada para adherirse a la zona a modo de tira 3.

Esta última consiste preferiblemente en una o más tiras 8 que quedan superpuestas unas sobre otras con terceras capas 9 de adhesivo dispuestas en medio.

El espesor de la capa de adhesivo es preferiblemente entre 0,1 y 2 mm (este último valor límite en particular para la capa de polivinil butiral).

Convenientemente, el adhesivo es de tipo transparente a base de polivinil butiral.

Ventajosamente, si se requiere resistencia al calor y/o al fuego, el adhesivo transparente intumescente tiene un grosor preferiblemente entre 0,1 y 3 mm.

Las tiras 8 pueden fabricarse en un material metálico homogéneo tal como aluminio, acero o titanio, o de un material no metálico tal como fibra de carbono o Kevlar, o un material compuesto.

Ventajosamente, el material compuesto es una matriz de polímeros reforzada con fibras, con fibras largas o cortas.

Convenientemente, las fibras pueden ser de naturaleza inorgánica, tal como fibras de boro o acero, o de naturaleza orgánica, tal como fibras de carbono o Kevlar, o una combinación de las mismas.

Preferiblemente estas fibras están organizadas en forma de tejidos, de esterilla o de estructuras fibrosas de tipo conocido por el término técnico "estera" (fibras cortas mezcladas en una pasta de matriz de resina).

La zona a modo de tira 3 puede consistir en una única capa (compuesta por ejemplo por una o más tiras del tipo indicado anteriormente) o varias capas de diferente material. Convenientemente, estarán presentes capas de un material "tenaz", dispuestas para adherirse al borde 4 del elemento 2, y capas de material "rígido" dispuestas externamente.

El ejemplo de realización del elemento a modo de tira mostrado en la figura 3 consiste en una capa 8 de material tenaz y una capa 8' de material rígido que están unidas íntegramente por medio de la tercera capa adhesiva 9.

La figura 4 muestra un ejemplo de realización en el que el elemento a modo de tira 3 consiste en una única tira 10 de material tenaz o rígido.

De acuerdo con el ejemplo de la realización mostrada en la figura 5, el elemento a modo de tira 3 consiste en una capa 11 de material tenaz, una capa 12 de material metálico rígido y una capa 13 de material rígido que consiste en una matriz de polímeros reforzada con fibras que se unen íntegramente entre sí por medio de las terceras capas 9 y 9' de adhesivo.

Las capas rígidas consisten en un material que tiene un módulo de elasticidad mayor que el del vidrio, igual a 70 GPa.

Las capas tenaces consisten en un material que tiene un K_{lc} mayor de 0,75 MPa\surdm.

En todos los casos, la zona a modo de tira 3 queda sujeta íntegramente a la zona laminar 2 de la viga 1 y no a su plano de apoyo. De acuerdo con el ejemplo ilustrado, los dispositivos A, A' para la restricción de la viga son apoyos simples 1 y por lo tanto no pueden oponerse a esfuerzos que tienen direcciones diferentes de la dirección perpendicular.

Las figuras 14 y 15 ilustran las características de comportamiento mecánico de cualquier viga fabricada en un material isotrópico y la viga de acuerdo con la presente invención, para poder comparar fácilmente sus patrones respectivos.

En mayor detalle, la figura 14 muestra de manera esquemática una viga que se apoya simplemente bajo el peso de una carga uniformemente distribuida Q y que tiene la sección transversal que se muestra esquemáticamente en 14b.

La figura 14d muestra el diagrama del momento flector y la 14c el diagrama de esfuerzos. Siendo un material isotrópico, existe una distribución uniforme de esfuerzos de compresión y de tracción separados por el eje neutro indicado por la línea XX.

La figura 15 muestra de manera esquemática la viga de acuerdo con la presente invención la cual se poya de manera simple en los dos dispositivos de sujeción A, A' y sometidos a una carga uniformemente distribuida Q'. La sección transversal de la viga 1 se muestra esquemáticamente en la figura 15b.

La figura 15d muestra el diagrama de momentos flectores y la figura 15c muestra el diagrama de esfuerzos en el que puede notarse cómo la mayor parte de la tensión de tracción es absorbida por la zona a modo de tira 3 y el eje neutro indicado por la línea Y-Y se desplaza claramente hacia el borde 4 de la parte 2' de la zona laminar 2 sometida a tensión de tracción.

En las figuras adjuntas 6 a 8, el número de referencia 14 indica de manera general una segunda realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, representada por una viga sometida a un esfuerzo flector y que consiste esencialmente en una zona laminar 15 y una zona a modo de tira 3 unidas íntegramente en por lo menos un borde 4 de la zona laminar 15.

La zona laminar 15 consiste en una pluralidad de elementos laminares 16, 16', 16'', 16''', 16'''', etc. los cuales tienen cada uno una longitud menor que la extensión L de la viga y dispuestos adyacentes y paralelos entre sí, pero escalonados unos respecto a los otros de manera continua en la dirección de la longitud de la viga. La zona a modo de tira 3 queda unida íntegramente al borde 4 de la zona laminar 15 en la zona de la parte 15' de esta última sometida a esfuerzo de tracción, por medio de la segunda capa 7 de adhesivo. Esta última parte 15' está definida por el diagrama de esfuerzos tal como se indica en la figura anterior 15c.

El esfuerzo es inducido por una carga P' que actúa paralela al plano principal que se dispone en las zonas laminares 15 y perpendicular respecto a la dimensión de su mayor extensión y a la que se oponen los apoyos únicos A y A'.

De este modo es posible construir vigas que sean también muy largas, con elementos laminares 16 que sean mucho más cortos que la extensión L de la viga, montados de manera escalonada.

En las figuras adjuntas 9 y 10, el número de referencia 17 indica en su totalidad una tercera realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, también sometido a un esfuerzo flector. Presenta forma arqueada y consiste esencialmente en una zona laminar 18 y una zona a modo de tira 3 unidas íntegramente en el borde 4 de la zona 18 sometida a un esfuerzo de tracción.

La zona laminar 18 consiste en una pluralidad de elementos laminares 19, 19', 19'', 19''', 19''''...., que tienen un borde inferior arqueado y que presentan cada uno una longitud menor que la extensión LL del arco, quedando dispuestos adyacentes y paralelos entre sí, pero escalonados unos respecto a los otros de manera continua en la dirección de la abscisa curva del arco. La zona a modo de tira 3 queda unida íntegramente al borde 4 de la zona laminar 18 en la zona de la parte 18' de esta última sometida a una tensión de tracción, por medio de la segunda capa 7 de adhesivo.

De manera similar a los casos anteriores, el esfuerzo es inducido por una carga P'' que actúa paralela al plano principal donde se disponen las zonas laminares y substancialmente perpendicular respecto a la dimensión de su extensión mayor y a la que se oponen los apoyos únicos A y A'.

De acuerdo con los ejemplos de la realización descritos hasta ahora, puede notarse que, funcionalmente hablando, tras la apariencia de grietas en el interior de una o más láminas de vidrio que forman la zona de múltiples capas laminares 2, 15, 18, en particular como resultado de la tensión de tracción ejercida en la parte 2', 15', 18', la zona a modo de tira correspondiente 3 asegura una redistribución sustancial de los esfuerzos en dicha zona laminar y la transmisión parcial de la tensión de tracción a dicha zona a modo de tira.

Como resultado de esto, incluso después de la aparición de roturas considerables en el vidrio, la viga pueda estar sometida a una carga de tracción cada vez mayor antes de alcanzar el punto de colapso y rotura definitiva.

El aumento de seguridad de la viga de acuerdo con la invención comparado con las vigas de vidrio de múltiples capas conocidas hasta ahora, que se colapsan rápidamente tal como se ha explicado anteriormente tras la aparición de de las primeras grietas, es totalmente evidente.

En las figuras adjuntas 11 y 12, el número de referencia 20 indica de manera global una cuarta realización de un elemento estructural transparente de acuerdo con la presente invención, el cual se refiere a un pilar que está sometido a un esfuerzo de compresión/flector y consiste esencialmente en una zona laminar 21 y dos zonas a modo de tira 22 y 22' que están unidas íntegramente a los bordes 23 y 24 de la zona 21, paralela a la dirección de la carga.

La zona a modo de tira 21 está compuesta por uno o más elementos laminares transparentes que están hechos de vidrio u otro material transparente tal como policarbonato y que quedan dispuestos adyacentes y paralelos entre sí y entre los cuales se disponen primeras capas de adhesivo transparente.

El esfuerzo de compresión/flexión es inducido por una carga P que actúa paralela al plano principal que se dispone en las zonas laminares y paralela a la dimensión de su extensión mayor.

Aunque el elemento estructural de acuerdo con la presente invención ha sido diseñado particularmente como viga para conseguir las características de comportamiento mecánicas citadas anteriormente, es adecuado también para adoptar otras configuraciones tales como la configuración a modo de columna ilustrada anteriormente, si bien se distingue por características mecánicas ventajosas concretas.

En mayor detalle, sin las zonas a modo de tira 22 y 22', el momento de inercia global de la columna en el plano flector se obtiene sumando entre sí los respectivos valores de las zonas laminares individuales 21 que forman la citada columna, calculado cada uno como bh^{3}/12 donde b indica el grosor y el h la altura de la zona laminar 21. Con la presencia de las zonas a modo de tira 22, 22', sin embargo, el momento de inercia de la columna en el plano flector se obtiene, sin tener en cuenta el efecto rigidizador de dichas zonas a modo de tira 22 y 22', de bD^{3}/12 donde D es la suma de los grosores b de las láminas individuales. Esto se traduce, en presencia de las zonas a modo de tira 22, 22' conectadas rígidamente a la zona laminar 21, en una evidente mayor rigidez a la flexión de toda la columna 20, definida como el producto del valor del momento de inercia multiplicado por el valor del módulo elástico.

Ejemplo 1

Elemento estructural transparente sometido a un esfuerzo flector, que consiste en láminas de vidrio paralelas, de 4300 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor. Entre cada par de láminas adyacentes se dispone una capa de polivinil butiral de 0,76 mm de espesor. El esfuerzo es inducido por una carga que actúa paralela al plano mayor de los elementos laminares. A lo largo de todo el borde sometido a tensión de tracción se adhiere una capa de aluminio de 10 mm de espesor, 62 mm de ancho, 4300 mm de largo por medio de una capa de adhesivo epoxi tal como araldite (Ciba).

Ejemplo 2

Elemento estructural transparente sometido a un esfuerzo flector, que consiste láminas de vidrio en paralelas, de 4300 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor. Entre cada par de láminas adyacentes se dispone una capa de polivinil butiral de 0,76 mm de espesor. El esfuerzo es inducido por una carga que actúa paralela al plano mayor de los elementos laminares. A lo largo de todo el borde sometido a tensión de tracción se adhiere un elemento a modo de tira, que consiste en una capa de aluminio de 5 mm de espesor, 62 mm de ancho, 4300 mm de largo y una capa de 5 mm de espesor, 62 mm de ancho y 4300 mm de largo hecha de resina reforzada con fibra, con fibras de carbono unidireccional que tienen un módulo elástico mayor de 300 GPa, se adhiere por medio de una capa de adhesivo epoxi tal como araldite (Ciba). La fracción volumétrica de las fibras es igual a un 50 por ciento.

Ejemplo 3

Elemento estructural compuesto, sometido a un esfuerzo flector, que consiste en cuatro series de láminas de vidrio dispuestas en paralelo, 4400 mm de largo, 600 mm de ancho. La primera serie de láminas consiste, a lo largo de la abscisa de la viga, en una primera lámina, de 1100 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor, una segunda lámina de 2200 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor, una tercera lámina de 1100 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor; la segunda serie de láminas consiste, a lo largo de la abscisa de la viga, en una primera y una segunda lámina de 2200 mm de largo; la tercera serie de láminas consiste, a lo largo de la abscisa de la viga, en los mismos elementos que la primera serie de láminas y la cuarta serie de láminas consisten en los mismos elementos que la segunda serie de láminas. Entre cada serie adyacente de láminas se dispone una capa de polivinil butiral, de 0,76 mm de espesor. Un elemento a modo de tira, formado como en el ejemplo 2, se adhiere a todo el borde sometido a tensión de tracción.

Ejemplo 4

Un elemento estructural transparente compuesto que tiene forma arqueada con una extensión de 3000 mm, sometido a un esfuerzo flector, que consiste en cuatro series de láminas de vidrio paralelas y formadas por una pluralidad de elementos laminares que tienen un borde inferior arqueado, presentando cada lámina una longitud menor que la extensión del arco, dispuestas adyacentes y paralelas entre sí, pero escalonadas unas respecto a las otras de manera continua en la dirección de la abscisa curvada del arco. La primera serie de láminas consiste, a lo largo de la abscisa curvada del arco, en una primera lámina de 700 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor, una segunda lámina de 1600 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor, y una tercera lámina de 700 mm de largo, 600 mm de ancho, 15 mm de espesor; la segunda serie de láminas consiste, a lo largo de la abscisa curvada del arco, en una primera y una segunda lámina 1500 mm de largo, la tercera serie de láminas consiste, a lo largo de la abscisa curvada del arco, en los mismos elementos que la primera serie de láminas y la cuarta serie de láminas consiste en los mismos elementos que la segunda serie de láminas. Entre cada serie de láminas adyacentes se dispone una capa de polivinil butiral de 0,76 mm de espesor. Un elemento a modo de tira, formado como en el ejemplo 2 se adhiere a lo largo de todo el borde sometido a un esfuerzo de tracción, por medio de una capa de resina epoxi tal como araldite (Ciba).

De acuerdo con la presente invención, la zona a modo de tira 3 puede formarse por bandas que tengan una anchura correspondiente a la anchura de la lámina individual sobre la cual se juntan para adherirse.

Esto permite una producción más fácil de las láminas de múltiples capas a través de un acabado independiente de cada lámina individual antes de unirse a las otras láminas para la formación del elemento de múltiples capas.

Además, esta solución no reduce la unión entre las láminas individuales 5, 6 ya que la zona a modo de tira 3 está formada preferiblemente por fibras muy dirigidas capaces de resistir los esfuerzos de tracción solamente en la dirección de extensión del borde de dichas láminas y no en la dirección perpendicular a su espesor.

Como resultado de la fijación de la zona a modo de tira de acuerdo con la presente invención, es posible proteger el borde de corte y no pulido de las zonas de vidrio laminares de la acción de la humedad y por lo tanto impedir o por lo menos dificultar la propagación de grietas inducidas por la operación de corte y/o pulido.

La transparencia del elemento estructural no se modifica substancialmente en comparación con elementos estructurales transparentes similares actualmente disponibles en el mercado, ya que la zona a modo de tira del elemento de acuerdo con la invención está dispuesta a lo largo del borde normalmente pulido de los elementos estructurales de tipo conocido y por lo tanto por sí mismo menos transparente.

Además, la disposición de una zona a modo de tira fijada a una zona laminar de acuerdo con la presente invención permite colocar los elementos estructurales sometidos a esfuerzo de tracción en apoyos simples.

La formación de los apoyos en el plano de apoyo se simplifica de manera considerable, no siendo necesario disponer sistemas de restricción de los dotados de articulación que puedan oponerse a los esfuerzos de tracción y a los momentos flectores.

Como resultado de la presente invención puede aumentarse en conjunto la rigidez a la flexión del elemento estructural. En particular en el caso de elementos que están sometidos a un esfuerzo de compresión/flector, puede aumentarse la carga crítica que actúa en la propia estructura.

Ventajosamente, en el caso en el que se requieran elementos estructurales resistentes al calor o al fuego, la capa adhesiva entre los elementos a modo de tira puede consistir en un material que tenga propiedades intumescentes.

La presencia de una capa tenaz en la zona a modo de tira endurece todo el elemento estructural y hace que sea superfluo, sin afectar a la seguridad, la presencia de una lámina de material tenaz tal como policarbonato innecesaria en la zona laminar, con la consiguiente simplificación constructiva y reducción de costes.

La disposición de la zona a modo de tira con una capa tenaz y/o rígida solidaria de la parte de la zona laminar sometida a tensión de tracción, debido a que absorbe la mayor parte de las tensiones de tracción que son responsables de la propagación subcrítica de las grietas microscópicas, permite un diseño del elemento estructural mucho más preciso y por lo tanto, sin afectar a la seguridad, permite la adopción de un coeficiente de seguridad indudablemente menor.

Además, como resultado del diseño mejorado y del menor coeficiente de seguridad, que permite un uso de material más racional, pueden producirse estructuras que sean más manejables, ligeras y menos costosas.

Otra ventaja consiste en poder aplicar la presente invención también a estructuras ya existentes.

Claims (23)

1. Elemento estructural, en particular para la industria de la construcción, que comprende por lo menos una zona laminar (2.15, 18) de material transparente provista de dos superficies planas y un borde periférico (4), siendo dicha zona laminar (2, 15, 18) una estructura de múltiples capas compuesta por varios elementos laminares transparentes (5, 5', 5'', 16, 16', 16'', 19, 19', 19'') que están unidos entre sí, comprendiendo también dicho elemento estructural por lo menos una zona a modo de tira (3) que se adhiere íntegramente a por lo menos una sección del borde periférico (4) de dicha zona laminar (2, 15, 18) sometida a esfuerzo de tracción a través de unos medios de fijación (7), que consisten en particular en una capa de adhesivo, para aumentar la rigidez a la flexión y/o la tenacidad de la propia zona laminar (2, 15, 18), caracterizado por el hecho de que dicha zona a modo de tira (3) presenta una anchura que corresponde al espesor de dicha estructura de múltiples capas y comprende por lo menos un elemento realizado en un material que presenta un factor de intensificación de tensión crítica K_{IC} mayor de 0,75 MPa\surdm.

2. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que entre dichos elementos laminares (5, 5', 5'', 16, 16', 16'', 19, 19', 19'') se dispone una primera capa de adhesivo transparente (6, 6', 6'').

3. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho elemento de múltiples capas consiste en elementos a modo de placa de una sola pieza (5, 5', 5'') que son paralelos entre sí.

4. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de dicho elemento de múltiples capas consiste en elementos laminares (19, 19', 19'') que están adheridos entre sí de manera escalonada utilizando una primera capa de adhesivo transparente (6, 6', 6'').

5. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha zona a modo de tira (3) está compuesta por una o más capas (8, 8') que están unidas entre sí íntegramente por medio de terceras capas de adhesivo (9, 9').

6. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho material transparente es vidrio y/o polímero transparente.

7. Elemento estructural según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que dicho polímero transparente es policarbonato, poliuretano, cloruro de polivinilo o mezclas de los mismos o sus copolímeros.

8. Elemento estructural según la reivindicación 2 o 4, caracterizado por el hecho de que dicho adhesivo transparente es polivinil butiral, poliuretano o combinaciones o sus copolímeros.

9. Elemento estructural según las reivindicaciones 2 o 4, caracterizado por el hecho de que dicho adhesivo transparente es un material intumescente.

10. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha zona a modo de tira (3) comprende por lo menos un elemento realizado en un material que tiene un módulo elástico mayor de 70.000 Mpa.

11. Elemento estructural según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que dicho elemento que tiene un módulo elástico mayor de 70.000 Mpa es acero, titanio, un compuesto con matriz de polímeros reforzada con fibras o combinaciones o aleaciones de los mismos.

12. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho material que tiene un K_{IC} mayor de 0,75 MPa\surdm es aluminio o polímero.

13. Elemento estructural según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que por lo menos una de dichas capas (8, 8') de la citada zona a modo de tira (3) está compuesta de fibras largas o fibras cortas o mezclas de las mismas.

14. Elemento estructural según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que dichas fibras están organizadas en forma de tejidos, de esterilla, madejas o sus combinaciones.

15. Elemento estructural según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que dichas fibras consisten en un material orgánico o un material inorgánico o una combinación de los mismos.

16. Elemento estructural según la reivindicación 15, caracterizado por el hecho de que dichas fibras de material orgánico son fibras de carbono, Kevlar o sus combinaciones.

17. Elemento estructural según la reivindicación 15 caracterizado por el hecho de que dichas fibras de material inorgánico son fibras de boro, acero o sus combinaciones.

18. Elemento estructural según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha zona a modo de tira (3) está compuesta por bandas separadas, cada una destinada a adherirse al borde de un único elemento laminar que forma la zona de múltiples capas a través del primer medio de fijación (7), formado en particular por una segunda capa de adhesivo.

19. Elemento estructural para la construcción de estructuras según la reivindicación 1 en forma de viga.

20. Elemento estructural para la construcción de estructuras según la reivindicación 19, caracterizado por el hecho de que dicha zona laminar (2, 15, 18) es un elemento de múltiples capas compuesto por varios elementos laminares transparentes (5, 5', 5'', 16, 16', 16'', 19, 19', 19'') que están unidos entre sí por medio de primeras capas de adhesivo transparente (6, 6' ', 6'').

21. Elemento estructural para la construcción de estructuras según la reivindicación 20, caracterizado por el hecho de que dicho elemento de múltiples capas está formado por elementos laminares (19, 19', 19'') que están adheridos entre sí de manera escalonada por medio de dichas primeras capas de adhesivo transparente (6, 6', 6'').

22. Elemento estructural para las estructuras de construcción, según la reivindicación 19, caracterizada por el hecho de que dicho medio de fijación (7) consiste en una segunda capa de adhesivo, que consiste particularmente en un material transparente.

23. Elemento estructural para la construcción de estructuras según la reivindicación 19, caracterizado por el hecho de que dicha zona a modo de tira (3) está compuesta de unas o más capas unidas entre sí por medio de terceras capas de adhesivo (9, 9'), estando compuesta por lo menos una de dichas capas por fibras organizadas en tejidos, material orgánico tal como fibras de átomo, Kevlar o similares y/o fibras de material inorgánico tales como fibras de boro, acero o sus combinaciones.