ESTRUCTURA DE MATERIAL COMPUESTO Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE LA MISMA.

Una estructura de material compuesto que comprende una placa (2) que tiene un lado (2a) superior,

un lado inferior (2b) y al menos vigas (3, 4) primera y segunda, teniendo cada viga una pluralidad de caras que comprenden al menos una cara (3c, 4c) superior y una cara (3b, 4b) base y un par de caras (3a, 4a) laterales separadas intermedias respecto y contiguas a las caras superior (3c, 4c) y base (3b, 4b), estando cada viga (3, 4) fijada al lado inferior de la placa (2) por la cara (3c, 4c) superior, en la que la primera viga (3) tiene un paso (5) con extremos abiertos que se extiende entre las caras (3a) laterales y la segunda viga (4) se extiende a través del paso (5) con extremos abiertos

Estructura de material compuesto y procedimiento de fabricación de la misma.

La invención se refiere a una estructura de material compuesto y, más concretamente, pero sin estar limitada a la misma, a una tapa de acceso hecha a partir de la estructura de material compuesto.

Las tapas de acceso, tales como las tapas de bocas de alcantarillado, son estructuras que están sometidas a cargas elevadas durante su uso y, tradicionalmente, estas estructuras se han hecho de acero o fundición. Se sabe que las tapas de bocas de alcantarillado de metal son pesadas y difíciles de manejar. A menudo, las estructuras que soportan cargas se han fabricado usando diferentes procedimientos de colada. El metal en un articulo acabado producido mediante uno de estos procedimientos tienen propiedades isótropas a menos que el metal se halla sometido a alguna forma de procesado mediante tratamiento físico tal como, por ejemplo, forja, para crear propiedades direccionales. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos, no se aplica procesado a la estructura de metal. Por tanto, las propiedades isótropas del metal que se usa, normalmente se tienen en cuenta en el diseño de las estructuras que soportan cargas.

La figura 1 muestra una estructura de refuerzo típica del lado inferior de una tapa de metal de boca de alcantarillado de la técnica anterior, Comprende una única viga 6 soldada al lado inferior de una placa 7 superior. También se han soldado cuatro vigas 8 pequeñas a la placa 7 superior con un extremo de cada viga 8 pequeña soldado a uno de los dos lados longitudinales de la única viga 6, La única viga 6 soporta la mayor parte del esfuerzo flector impuesto por cualquier carga local aplicada a la tapa de boca de alcantarillado. Las cuatro vigas 8 pequeñas funcionan como vigas transversales y transfieren la carga desde una primera viga 8 pequeña de un lado longitudinal de la viga 6 a una segunda viga 8 pequeña del lado longitudinal opuesto. Esto se lleva a cabo mediante la única viga 6 que une las dos vigas 8 más pequeñas opuestas.

En una estructura de este tipo, si está hecha, por ejemplo, de acero estructural suave, por ejemplo, acero laminado en caliente con una dureza de 4 (HR4), el material tendría un límite de elasticidad a tracción de 175 MN/m². Los esfuerzos flectores resultantes de cualquier carga aplicada a la placa 7 superior producirían en la única viga 6, sobre su cara 6a externa, esfuerzos de tracción en la dirección de la longitud de la única viga 6. Del mismo modo, las cuatro vigas 8 más pequeñas estarían también sometidas a esfuerzos de tracción en su dirección longitudinal. Las vigas 8 más pequeñas también inducirían esfuerzos de tracción en la única viga 6 en la dirección transversal de la viga 6, Puesto que el material es isótropo, la resistencia a tracción del material en la superficie 6a externa de la única viga 6 en la dirección transversal de la viga es la misma que en su dirección longitudinal, es decir, 175 MN/m². En general, el material de la tapa de acceso es capaz de soportar esfuerzos determinados por el diseño de la estructura teniendo en cuenta las propiedades isótropas del material.

Los materiales compuestos de fibra tienen tres ventajas inherentes en comparación con el metal. Son ligeros, tienen valores bajos de conductividad térmica y tienen valores elevados de resistencia eléctrica. En la industria de fabricación de tapas de acceso hay requisitos muy definidos para una o más de estas características.

Durante los últimos veinte años los materiales compuestos de fibra se han usado con éxito para la fabricación de tapas de bocas de alcantarillado. En la memoria descriptiva del documento EP0147050B1 se describen tapas de bocas de alcantarillado de materiales compuestos. Esa invención proporciona una estructura constituida por capas internas y externas separadas por redes. Las capas y las redes están hechas de un material de plástico reforzado con fibras. La estructura está cerrada por los bordes y los espacios entre las redes están rellenados con un material de espuma de plástico. La estructura de las fibras dentro de las redes se ha mejorado adicionalmente mediante la aplicación de una técnica de tejido tridimensional desvelada en el documento GB2066308 (Cambridge Consultants Limited). El procedimiento de fabricación de tales tapas de bocas de alcantarillado se describe en la memoria descriptiva del documento EP0365579B1.

En el documento JP-11061868 A se describe una tapa de boca de alcantarillado similar.

Los materiales compuestos del tipo hecho de fibras continuas largas típicamente de vidrio o carbono y dispuestas en una construcción especifica dentro de una matriz de resina se pueden organizar para que tengan propiedades en direcciones especificas. Por ejemplo, una viga hecha de un material compuesto de fibra de vidrio puede tener propiedades a tracción de 500 MN/m² en dirección longitudinal y 150 MN/m² en dirección lateral. Estos valores están influidos por la cantidad de fibra colocada en cualquier dirección especifica (la arquitectura de las fibras) así como la fracción de volumen de fibras (FVF) y la construcción concreta de la fibra. La FVF indica la cantidad de fibras en un volumen determinado y cuanto mayor sea la cantidad de fibra, mejor será el comportamiento logrado del material. Los materiales compuestos de alto rendimiento tienen una FVF del 50% al 60%. Las fibras están dispuestas en una construcción utilizable mediante tejido o unión por cosido. La construcción influye en el comportamiento final del material compuesto, aunque su influencia es menor que la influencia de la arquitectura de la fibra o de la FVF. Debido a su elevado valor de resistencia a tracción, el material compuesto tiene la ventaja de que es necesario menos material para fabricar una estructura que soporta cargas.

Si se usaran materiales compuestos para fabricar la parte superior de la boca de alcantarillado de la figura 1, la resistencia a tracción a lo largo de la longitud de la única viga 6 podría alcanzar 500 MN/m². Se podría lograr la misma resistencia a tracción para las cuatro vigas 8 pequeñas en su dirección longitudinal. Puesto que la única viga 6 está diseñada habitualmente con una resistencia a tracción de valor elevado en dirección longitudinal, la resistencia a tracción en dirección transversal de la única viga 6, es decir, perpendicular a la dirección longitudinal, disminuiría. Como máximo, el valor que se podría lograr sería típicamente de 150 MN/m². Durante el uso, las dos vigas 8 pequeñas adyacentes a cada lado longitudinal de la única viga 6 transfieren sus cargas una a otra a través de la única viga 6, La única viga 6 tiene un valor de resistencia a tracción significativamente inferior que el de las vigas 8 pequeñas en la misma dirección. Por tanto, el problema asociado a este tipo de estructura es que las regiones de la única viga 6 entre los extremos de cada par de vigas 8 más pequeñas fijadas a los lados longitudinales opuestos de la única viga 6 representan áreas débiles en la estructura de refuerzo. Sería necesario una estructura/ vigas adicionales para solucionar esta debilidad.

Algunas tapas de boca de alcantarillado se usan para cubrir el acceso a tuberías de vapor, aire caliente o agua caliente. Hay requisitos para tales tapas de bocas de alcantarillado y estructuras similares que soportan cargas para proporcionar ventilación en forma de orificios en su estructura. Esto no es práctico en la estructura de material compuesto de capas/red anteriormente descrita, actualmente de amplio uso. En enfoque alternativo usado en la técnica anterior es configurar una tapa de metal convencional de boca de alcantarillado en forma de placa y proporcionar una estructura que soporte cargas debajo de la misma, por lo que la ventilación se puede proporcionar en las áreas de la placa que no contienen la estructura que soporta cargas.

Esta invención pretende paliar y atenuar los problemas anteriores y proporcionar una estructura de material compuesto que tiene una configuración que es una estructura de refuerzo eficaz a la vez que satisface simultáneamente los requisitos de peso, conductividad térmica y resistencia eléctrica y, opcionalmente, proporciona aberturas de ventilación en una tapa de acceso.

Por consiguiente, la invención proporciona una estructura de material compuesto que comprende una placa que tiene un lado superior, un lado inferior y al menos vigas primera y segunda, teniendo cada viga una pluralidad de caras que comprenden al menos una cara superior y una cara base y un par de caras laterales separadas...

1. Una estructura de material compuesto que comprende una placa (2) que tiene un lado (2a) superior, un lado inferior (2b) y al menos vigas (3, 4) primera y segunda, teniendo cada viga una pluralidad de caras que comprenden al menos una cara (3c, 4c) superior y una cara (3b, 4b) base y un par de caras (3a, 4a) laterales separadas intermedias respecto y contiguas a las caras superior (3c, 4c) y base (3b, 4b), estando cada viga (3, 4) fijada al lado inferior de la placa (2) por la cara (3c, 4c) superior, en la que la primera viga (3) tiene un paso (5) con extremos abiertos que se extiende entre las caras (3a) laterales y la segunda viga (4) se extiende a través del paso (5) con extremos abiertos.

2. Una estructura de material compuesto según la reivindicación 1, en la que el paso (5) con extremos abiertos y la segunda viga (4) tienen un tamaño y una forma iguales, de forma que la cara (4c) superior y la cara (4b) base de la segunda viga (4) hacen tope con las correspondientes superficies que definen el paso.

3. Una estructura de material compuesto según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que cada una de las vigas comprende un revestimiento (10) externo tubular de material compuesto.

4. Una estructura de material compuesto según la reivindicación 3, en la que cada revestimiento (10) externo comprende una pared (10b) base alejada del lado (2b) inferior de la placa (2) y una pared (10c) superior adyacente al lado (2b) inferior de la placa (2) y un par de paredes (10a) laterales separadas.

5. Una estructura de material compuesto según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en la que el interior del revestimiento (10) externo tubular está ocupado por un miembro de núcleo.

6. Una estructura de material compuesto según una cualquiera de la reivindicación 3, la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en la que el paso (5) con extremos abiertos está formado en la primera viga (3) de forma que la pared (10c) superior y la pared (10b) base del revestimiento (10) de la segunda viga (4) hacen tope con las superficies (11, 12) internas de la pared (10b) base y la pared (10c) superior del revestimiento (10) de la primera viga (3).

7. Una estructura de material compuesto según una cualquiera de la reivindicación 3 a la reivindicación 6, en la que cada uno de la placa (2) y los revestimientos (10) externos de las vigas comprende fibras tejidas en una estructura en la que se inyecta una resina matriz.

8. Una estructura de material compuesto según la reivindicación 7, en la que las fibras en la estructura tejida de cada revestimiento (10) externo están dispuestas para lograr una resistencia a tracción en la pared (10b) base del revestimiento de hasta 500 MN/m² en dirección longitudinal y hasta o superior a 150 MN/m² en dirección lateral.

9. Una estructura de material compuesto según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en la que algunas de las fibras de al menos una de las vigas (3, 4) están integradas en la estructura de fibras tejidas del lado (2b) inferior de la placa (2).

10. Una estructura de material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la estructura comprende uno o más orificios de ventilación.

11. Un procedimiento para fabricar una estructura de material compuesto que comprende las etapas de:

12. Un procedimiento según la reivindicación 11, en el que el procedimiento comprende además la etapa de dimensionar y dar forma al paso (5) y la segunda viga (4) de forma que la cara (4c) superior y la cara (4b) base de la segunda viga (4) hagan tope con las correspondientes superficies que definen el paso (5).

13. Un procedimiento según la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en el que el procedimiento comprende además la etapa de formar cada una de las vigas (3, 4) de forma que las vigas (3, 4) comprenden un revestimiento (10) externo tubular hecho de material compuesto.

14. Un procedimiento según la reivindicación 13, en el que el procedimiento comprende la etapa adicional de rellenar el interior del revestimiento (10) con un miembro de núcleo.

15. Un procedimiento según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en el que el procedimiento comprende además la etapa de rellenar el interior del revestimiento (10) con una espuma de plástico.

16. Un procedimiento según una cualquiera de la reivindicación 13, la reivindicación 14 o la reivindicación 15, en el que el procedimiento comprende además la etapa de formar el revestimiento (10) externo tubular de forma que el material compuesto comprende fibras tejidas de forma que se logra una resistencia a tracción en la pared base del revestimiento de hasta 500 MN/m² en dirección longitudinal y hasta o superior a 150 MN/m² en dirección lateral.

17. Un procedimiento según una cualquiera de la reivindicación 11 a la reivindicación 16, en el que el procedimiento comprende además la etapa de integrar algunas de las fibras de al menos una de las vigas (3, 4) en una estructura de fibras del lado (2b) inferior de la placa (2), aumentando así la resistencia de la unión entre la viga (3, 4) y la placa (2).

18. Un procedimiento según una cualquiera de la reivindicación 13 a la reivindicación 17, en el que el procedimiento comprende la etapa de proporcionar el paso (5) con extremos abiertos mediante la formación de una abertura en cada pared (10a) lateral del revestimiento (10) externo de una primera viga (3) y la formación de un canal en el miembro de núcleo dentro del revestimiento externo (10).

19. Un procedimiento según una cualquiera de la reivindicación 16, la reivindicación 17 o la reivindicación 18, en el que el procedimiento comprende colocar la placa (2) y vigas (3, 4) ensambladas en un molde e inyectar una resina matriz en el molde, rellenando así los huecos entre las fibras.

20. Un procedimiento según una cualquiera de la reivindicación 11 a la reivindicación 19, en el que el procedimiento comprende además la etapa de formar orificios (40) de ventilación en una estructura de material compuesto hecha de fibra tejida.