SISTEMA DE CONEXION PARA ESTRUCTURAS ESPACIALES MONOCAPA.

Conjunto de construcción para estructuras espaciales basadas en barras unidas en nudos,

que comprende al menos un elemento central (1, 1A, 1B, 1C), una pluralidad de barras (3, 3A, 3B), y, para cada barra, cuatro tornillos (2, 2A, 2B) para unir cada extremo de dicha barra a un elemento central (1, 1A, 1B, 1C) mediante dos de los tornillos.

Al menos uno de los tornillos tiene una primera parte roscada (21) más distal y una segunda parte roscada (22) más proximal con respecto a una cabeza (23) del tornillo. La primera parte roscada y la segunda parte roscada están separadas por una superficie de tope (24) configurada para hacer tope contra el elemento central (1, 1A, 1B, 1C) cuando el tornillo se enrosca en el elemento central, y la primera parte roscada y la segunda parte roscada están roscadas en sentidos opuestos

Sistema de conexión para estructuras espaciales monocapa.

Campo técnico de la invención

La invención se engloba en el campo de las estructuras espaciales, especialmente en el campo de las estructuras espaciales monocapa, basadas en nudos interconectados por barras. La invención tiene por objeto proporcionar un sistema de conexión eficiente entre los nudos y las barras que componen una estructura espacial monocapa, combinando unas prestaciones acordes con las propiedades técnicas deseables para este tipo de estructuras, una gran versatilidad geométrica, un alto grado de prefabricación y un fácil proceso de montaje.

Antecedentes de la invención

Las estructuras espaciales monocapa, también conocidas como estructuras reticulares membranales, constituyen una particularización de las mallas espaciales, más conocidas y ampliamente utilizadas durante las últimas décadas en la construcción de cubiertas para grandes luces, así como en otros campos de la arquitectura y de la construcción. En sus aplicaciones más frecuentes, las mallas espaciales constituyen un entramado de nudos y barras que se distribuyen en dos capas sensiblemente paralelas. Cada capa está formada por una retícula triangular o cuadrangular en la que las barras se conectan a los nudos mediante uniones que se consideran articuladas. La estructura se completa con una serie de barras que, manteniendo una secuencia repetitiva, conectan los nudos de una capa con los de la otra de modo que el conjunto resulte estáticamente determinado.

Las mallas espaciales ordinarias se componen de nudos y barras que normalmente se fabrican en taller con un alto grado de automatización y acabado, y se ensamblan en obra por atornillado. Si bien existen muy diversos sistemas de conexión en el mercado, los que se han impuesto claramente a los restantes son aquellos en los que la pieza central del nudo es esférica y las barras son de perfil tubular, con extremos conificados que quedan atravesados por sendos tornillos que combinados con alguna otra pieza propician su conexión al nudo.

Desde el punto de vista del cálculo estructural, en todos ellos la unión entre el nudo y la barra se considera como una articulación pura, es decir sin ninguna capacidad para trasmitir flexión entre ambos. Consecuentemente en el resultado del análisis estructural las barras quedan sometidas únicamente a esfuerzos axiales, de tracción o compresión, lo cual responde con gran fiabilidad al comportamiento real de estas estructuras. El perfil tubular de las barras con sección circular optimiza el aprovechamiento del material para este tipo de solicitaciones.

Durante las últimas décadas estas estructuras se han utilizado con gran profusión porque gracias a su eficiencia para cubiertas de grandes luces y formas complejas, han dado una satisfactoria respuesta a las demandas de arquitectos y proyectistas. No obstante, hay determinadas aplicaciones en las que recientemente las estructuras espaciales, impulsadas por métodos muy avanzados de análisis, han dado un salto cualitativo importante. Las nuevas tendencias en arquitectura han desarrollado enormemente la utilización del vidrio como elemento de cerramiento en cubiertas o lucernarios de grandes dimensiones, dejando una visión completa del cielo. Igualmente sucede con los muros cortina que proporcionan fachadas totalmente transparentes.

En gran parte de estas aplicaciones los proyectistas generalmente pretenden reducir a su mínima expresión el impacto visual de las estructuras que sustentan el cerramiento de vidrio, por lo que, en lo que se refiere a las mallas espaciales que constituyen su estructura portante, se intenta reducir su volumen y número de elementos hasta convertirlas en estructuras reticulares de una sola capa, lo que también se conoce como estructuras tipo membrana.

El trabajo estructural en membrana propiamente dicho implica que las solicitaciones sobre los elementos reticulares que sustituyen a la hipotética membrana sean exclusivamente tracciones o compresiones. Esto puede conseguirse satisfactoriamente en estructuras cuya geometría se ajusta a un determinado sistema de cargas, concretamente haciendo que la estructura adopte la forma de lo que se conoce como funicular de cargas. En estructuras planas este comportamiento queda reflejado en catenarias y arcos, pero generalizándolo a estructuras tridimensionales se materializa principalmente en las cúpulas, sean casquetes esféricos o formas más complejas.

De forma general los sistemas reticulares monocapa, o de tipo membrana, sitúan los nudos de la estructura dentro de una superficie paralela al cerramiento que normalmente deben sujetar y del que reciben las acciones exteriores. Esta superficie, que puede denominarse "superficie generatriz", podrá ser de curvatura simple o más frecuentemente de curvatura doble. Las uniones entre nudos se materializan mediante barras que pueden ser de diferentes perfiles o secciones y que normalmente son rectas. El conjunto de la estructura constituye realmente un poliedro que se asemeja en mayor o menor grado a la citada superficie generatriz. Los nudos de la estructura son los vértices del poliedro y las barras sus aristas. Las retículas más normales para estas estructuras están formadas por triángulos o por cuadriláteros. En el caso más normal, de retícula triangular, en cada nudo concurren generalmente 6 barras. Estas retículas son indeformables dentro del desarrollo de la propia superficie. En las retículas a base de cuadriláteros concurren 4 barras en cada nudo y frecuentemente requieren algún tipo de diagonalización o arriostramiento ya que no son suficientemente estables.

En lo sucesivo se entenderá por "plano del ecuador" de un nudo el plano tangente a la superficie generatriz en dicho nudo. Se entenderá por "ángulo de elevación" de una barra respecto de un nudo el ángulo que forma el eje de la barra con el plano del ecuador del nudo en cuestión. Este ángulo se considera negativo para superficies convexas, de curvatura positiva, y su valor no suele exceder de -10º. En determinadas superficies con zonas de curvatura inversa puede adoptar valores positivos. Se entenderá por "ángulo entre barras" el ángulo que forman las proyecciones de dos barras contiguas sobre el plano ecuador.

En la medida en que los ángulos de elevación de toda una estructura sean más pequeños mayor será el ajuste del poliedro estructural a la superficie generatriz. Esto tiende a producirse cuando las barras de la estructura son muy cortas en relación con los radios de curvatura de las diversas partes de la superficie citada.

Las estructuras espaciales de una sola capa constituidas a base de elementos prefabricados y atornillados en obra tienen una serie de características específicas y presentan una problemática muy particular, correspondiendo inter alia a los siguientes conceptos:

a) La inestabilidad:

La inestabilidad representa un problema fundamental de este tipo de estructuras. En general, una estructura monocapa con retícula triangular y nudos articulados, ajustada a una superficie de doble curvatura, es teóricamente estable, ya que constituye un poliedro de caras triangulares; en un principio, estos poliedros son estables siempre que sus aristas (barras) sean indeformables.

Tal y como se ha indicado más arriba, las estructuras monocapa frecuentemente suelen asimilarse a superficies de doble curvatura, siendo generalmente positiva en dos direcciones perpendiculares, entendiéndose por tal la que presenta superficies abombadas o convexas, hacia el exterior. El fenómeno de inestabilidad implica que en una determinada zona de la estructura, como consecuencia de las cargas aplicadas y de las deformaciones consecuentes, alguno o algunos nudos se desplazan transversalmente a la superficie generatriz llegando a producirse la inversión de la curvatura y provocando una concavidad en esa zona. Normalmente una vez iniciado el proceso en una zona, la inestabilidad se traslada a su entorno y de forma brusca se generaliza a la práctica totalidad de la estructura provocando lo que generalmente se conoce con la acepción inglesa "snap-throw", que implica el colapso total.

El análisis estructural requerido para contemplar la incidencia de estos fenómenos es mucho más complejo que los que se utilizan para otros tipos de estructuras. La importancia de las deformaciones estructurales, particularmente las transversales a la superficie de generación, es fundamental en la aparición de fenómenos de inestabilidad. En consecuencia se hace imprescindible desarrollar un cálculo secuencial en el que se consideren las alteraciones...

1. Conjunto de construcción para estructuras espaciales basadas en barras unidas en nudos, y que comprende:

al menos un elemento central (1, 1A, 1B, 1C);

una pluralidad de barras (3, 3A, 3B), teniendo cada barra dos extremos, estando cada extremo configurado para unirse a un elemento central mediante dos tornillos (2, 2A, 2B), presentando cada elemento central una pluralidad de orificios (14) destinados a recibir, cada uno, una parte roscada de uno de dichos tornillos;

para cada barra, cuatro de dichos tornillos (2, 2A, 2B) para unir cada extremo de dicha barra a uno de dichos elementos centrales (1, 1A, 1B, 1C) mediante dos de dichos tornillos;

caracterizado porque

al menos uno de dichos tornillos es un primer tipo de tornillo que tiene una primera parte roscada (21) más distal y una segunda parte roscada (22) más proximal con respecto a una cabeza (23) del tornillo,

estando dicha primera parte roscada y dicha segunda parte roscada separadas por una superficie de tope (24) configurada para hacer tope contra el elemento central (1, 1A, 1B, 1C) cuando el tornillo se enrosca en el elemento central,

estando dicha primera parte roscada y dicha segunda parte roscada roscadas en sentidos opuestos.

2. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicha primera parte roscada tiene un primer diámetro y porque dicha segunda parte roscada tiene un segundo diámetro, siendo dicho segundo diámetro superior a dicho primer diámetro.

3. Conjunto según la reivindicación 1 ó 2, en el que cada tornillo de dicho primer tipo de tornillo presenta adicionalmente al menos dos tuercas (25, 26) enroscadas sobre la segunda parte roscada, de manera que las tuercas se pueden bloquear entre sí cuando una tuerca hace tope contra la otra tuerca.

4. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, para cada barra (3, 3A, 3B), al menos un tornillo de dicho primer tipo de tornillo tiene su cabeza (23) alojada dentro de la barra.

5. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie de tope (24) entre dicha primera parte roscada y dicha segunda parte roscada es plana.

6. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie de tope (24) entre dicha primera parte roscada y dicha segunda parte roscada es tronco-cónica.

7. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento central (1, 1A, 1B, 1C) es sustancialmente macizo.

8. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento central comprende una parte superior (11, 11A, 11C) y una parte inferior (12, 12A, 12C).

9. Conjunto según la reivindicación 8, en el que la parte superior (11, 11C) está independiente de la parte inferior (12, 12C).

10. Conjunto según la reivindicación 8, en el que la parte superior (11A) está unida a la parte inferior (12A) por una parte intermedia (13A).

11. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en el que la parte superior (11, 11A, 11C) tiene una forma sustancialmente esférica pero con una superficie superior sustancialmente plana (18), correspondiente a una eliminación de un casquete esférico.

12. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 8-11, en el que la parte inferior (12, 12A, 12C) tiene una forma sustancialmente discoidal.

13. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento central (1, 1A, 1B, 1C) presenta, en una parte superior del elemento central, al menos un orificio roscado (15) adicional.

14. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento central presenta, en correspondencia con cada barra (3, 3A, 3B), al menos dos superficies achaflanadas de asiento (16, 17).

15. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, para cada extremo de una barra, dos tornillos de acuerdo con dicho primer tipo de tornillo.

16. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, para cada extremo de una barra, un tornillo de acuerdo con dicho primer tipo de tornillo y un tornillo de otro tipo.

17. Conjunto según la reivindicación 16, en el que dicho tornillo de otro tipo es un tornillo (2A) con una rosca, con la cabeza (23A) alojada en el interior de la barra y con dos tuercas (25A, 26A) enroscadas sobre la rosca.

18. Conjunto según la reivindicación 16, en el que dicho tornillo de otro tipo es un tornillo (2B) con una rosca (21B), no dotado de tuerca y con la cabeza (23B) alojada fuera de la barra, atravesando dicho tornillo una parte de una tapa (31B) de extremo de barra que sobresale con respecto a un cuerpo principal de la barra.

19. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las barras tienen una sección transversal rectangular.

20. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada extremo de barra está cerrado por una tapa (31, 31A, 31B) soldada al extremo de la barra y con un primer espesor, teniendo la barra paredes de un segundo espesor, siendo dicho primer espesor superior a dicho segundo espesor.

21. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los extremos de las barras presentan zonas achaflanadas (32A) para permitir un menor ángulo mínimo entre las barras.

22. Estructura espacial montado a partir de un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de dichos elementos centrales y una pluralidad de dichas barras atornilladas a dichos elementos centrales, configurando dicha estructura espacial un poliedro con aristas definidas por dichas barras.

23. Estructura según la reivindicación 22, siendo dicha estructura una estructura monocapa.