ES1294730U - Elemento discoidal deslizable para un conjunto de apoyo estructural de ingeniería civil y mecanismo estructural - Google Patents

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Abstract

Elemento discoidal (6, 6') deslizable para un conjunto de apoyo estructural de ingeniería civil, caracterizado por el hecho de que está hecho de un material deslizante a partir de una aleación que consiste en: - una primera resina está compuesta a partir de resinas de poliamida, de poliacetal (POM), tereftalato de polibutileno (PBT), policarbonato (PC) y sulfuro de polifenileno (PPS); - una segunda resina de polietileno de alto peso molecular (UHMWPE); - Un promotor de adhesión de óxido no ferroso que está previsto para establecer un enlace químico entre a primera y segunda resinas; y - un aditivo con base de copolímero α-olefina.

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento discoidal deslizable para un conjunto de apoyo estructural de ingeniería civil y mecanismo estructural
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se ha desarrollado con el fin de proporcionar un elemento discoidal deslizable obtenido a partir de un material no ferroso obtenido mediante una aleación de dos resinas, incorporándole un promotor de adhesión de óxido no ferroso, y agregando un aditivo con base de copolímero a-olefina.
Este elemento discoidal deslizable tiene un bajo coeficiente de fricción, y una compresibilidad elástica obtenida por las cualidades mecánicas del material y por la geometría del elemento discoidal.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Estructuras civiles, tales como puentes de carretera, viaductos para trenes de media y alta velocidad, acueductos, edificaciones, u otras estructuras similares, han de resistir solicitaciones elevadas, originadas por: viento, trafico, cambios térmicos, sismo, e impactos de diversa índole, dichas solicitaciones han de ser trasmitidas hasta el terreno, garantizando a su vez una libertad de giro y de movimiento acorde con los requisitos del cálculo de estructuras.
La conexión entre la parte superior de estas estructuras (tablero) y el terreno se realiza a través de los pilares (columnas) y estribos, y estos a su vez a la cimentación y finalmente al terreno.
Ambas partes Tablero/Pilares - estribos tienen una interfase que las conecta mediante dicho apoyo estructural que ejerce de articulación mecánica, donde su diseño y materiales son específicos de cada fabricante, teniendo gran importancia el material de deslizamiento del cual depende la vida útil del apoyo y en consecuencia afectara a la estructura.
Los materiales de deslizamiento para el empleo en apoyos estructurales utilizados en la construcción de puentes, y en general en cualquier tipo de estructura, están bajo el criterio de la Norma Europea EN 1337/Parte2 "Elementos de deslizamiento” en lo que se refiere a sus propiedades y especificaciones.
El sistema de deslizamiento está compuesto por un par de superficies planas, curvas o esféricas adecuadas para deslizamiento y/o rotación, de una respecto a la otra. Para minimizar el rozamiento entre las superficies de deslizamiento una de ellas es de metal (como acero austenítico, aleación de aluminio anodizado, o acero cromado, u otros acabados equivalentes), y la otra superficie es un material no ferroso.
En los últimos años se han desarrollado mezclas de materiales tipo polímeros tales como Poliamidas(PA6, PA66) con Polietilenos (PE, UHMWPE), donde lo que se obtiene es un producto de dos materiales sin enlaces químicos entre las macromoléculas, por lo tanto las propiedades no son homogéneas ni estables, pues las PA tienen la característica de absorción de agua y por consiguiente estas mezclas dan como resultado respuesta de sus características mecánicas distintas en función del grado de humedad, es decir del mayor o menor grado de saturación de agua de la mezcla.
Se han propuesto soluciones a este problema, tales como mantener los polímeros saturados de agua, algo que es viable en un laboratorio, pero no es posible garantizarlo en estructuras de obra civil situados en todo tipo de lugares, diversas condiciones atmosféricas y durante periodos de varias décadas de años.
Por otro lado, la geometría de los elementos deslizantes utilizados se encuentra formada por una disposición discoidal laminar donde la cara de deslizamiento suele llevar unos alveolos, los cuales sirven para albergar algún tipo de grasa que proporciona una menor fricción, mientras que la cara fija es lisa.
Es conocido el documento n° US 2020123799 que describe un apoyo estructural provisto de un elemento deslizante de contorno circular que puede estar hecho de diversos materiales, tales como por ejemplo, poliamida, sulfuro de polifenileno o UHMWPE (polietileno de alto peso, cuyas características comunes forman parte del preámbulo de la reivindicación 1.
También es conocido el documento n° US 2015191881 que describe un sistema de apoyo estructural para puentes que comprende un cuenco inferior, una bandeja superior, un casquete esférico deslizante que presenta en toda su superficie una pluralidad de alveolos que tienen todos ellos la misma geometría. Además, cabe mencionar que los alveolos presentes en las dos caras tienen la función de lubrificar los componentes movibles del mecanismo, mediante la grasa que se confina en dichos alveolos, pues previamente se han rellenado de grasa para facilitar el deslizamiento en ambas caras. Por lo tanto, es mejorable la compresibilidad elástica del casquete para mejorar la deformabilidad del mismo para adaptarse a distintas situaciones.
Otros elementos discoidales de la técnica anterior se describen, por ejemplo, en los documentos ES 2775198, CA 3109528, ES 2629520T y ES 2375509T que se mencionan como referencia ya que describen apoyos estructurales provistos de un elemento de deslizamiento.
Sin embargo, ninguno de los documentos conocidos en la técnica anterior define un elemento discoidal deslizable que esté hecho a partir del material definido en la presente invención, de tal modo que proporcione una mayor estabilidad mecánica cuando se somete a condiciones climatológicas adversas a lo largo de su aplicación, alargando así su vida útil.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es por lo tanto un objeto de la presente invención proporcionar un elemento discoidal deslizable para un conjunto de apoyo estructural de ingeniero civil como se describe en la reivindicación 1.
Con la aleación de las dos resinas, que denominaremos (A) para la primera resina y (B) para la segunda resina, y mediante un promotor de adhesión y un aditivo con base de copolímero a-olefina, se produce un nuevo material, con unas propiedades muy beneficiosas para los requisitos más exigentes de las nuevas estructuras civiles, tales como un bajo coeficiente de fricción (menor del 10%).
La presencia de un aditivo con base de copolímero a-olefina proporciona un mayor grado de estabilidad de las características mecánicas a diferentes situaciones atmosféricas de temperatura, humedad, envejecimiento, etc.
Así pues, mediante este nuevo material deslizante, se consigue mantener las características mecánicas a lo largo de la vida útil de la estructura (20, 40, o más años) manteniendo la estabilidad de sus propiedades mecánicas a lo largo de la vida del mecanismo, independientemente de los diferentes grados de humedad y de las condiciones atmosféricas.
Este material deslizante proporciona una gran ventaja para la utilización como elemento deslizable para las articulaciones mecánicas localizadas en infraestructuras, tales como puentes o viaductos ya que permite reducir el tamaño de los apoyos estructurales y adaptarse mejor a las estructuras civiles cada vez de mayores cargas y de formato más esbeltas.
Este material no solamente cumple con los ensayos de idoneidad de los valores de coeficientes de fricción establecidos de acuerdo con la norma EN 1337-2:2006, sino también en lo que respecta a la presión superficial, al recorrido de deslizamiento y/o a la velocidad de deslizamiento.
Se consiguen unos valores mayores que el valor normalizado correspondiente al establecido y probado de acuerdo con la norma EN 1337-2:2006, en lo que se refiere a la presión superficial superior a 60 MPa, en lo que respecta al recorrido de deslizamiento superior a 10242 m, y con relación a la velocidad de deslizamiento superior a 2 mm/s, en la que se utiliza esa aleación como material de deslizamiento, más particularmente los que cumplen con la norma EN 1337-1:2001.
El resto de reivindicaciones dependientes describen aspectos inventivos secundarios del objeto de la invención.
Según otro aspecto de la invención, el elemento discoidal deslizable comprende un cuerpo conformado por dos caras opuestas entre sí, siendo una cara prevista para acoplarse de forma amovible a un soporte que forma parte del conjunto de apoyo y una cara prevista para estar enfrentada a una parte movible de una infraestructura, en el que la cara enfrentada a la parte movible presenta una primera pluralidad de alveolos definidos por concavidades, mientras que la cara opuesta presenta también una segunda pluralidad de alveolos definidos por concavidades secundarias.
Mediante esta disposición de alveolos de la cara no deslizante se consigue que el material sometido a ciclos de carga y descarga (durante su vida útil) se deforme en la dirección de la fuerza, comportándose como si se apoyase sobre una gran cantidad de pequeños muelles, aumentando la compresibilidad elástica (módulo de elasticidad inferior a 1300 MPa). Es decir, se facilita un comportamiento elástico adicional al del propio material, disminuyendo en gran parte las tensiones tangenciales y mejorando así la estabilidad de sus propiedades a lo largo de la vida.
El elemento discoidal deslizable también se caracteriza porque la aleación del material deslizante absorbe una presión superficial superior al valor normativo máximo según EN 1337- 2: 2006, incluso a una temperatura superior a 48°C.
También, el elemento discoidal deslizable se caracteriza porque la aleación del material deslizante cumple con la demanda según EN 1337-2: 2006 a una temperatura de -35°C.
Por otro lado, el elemento discoidal deslizable de la invención se caracteriza porque el valor límite de la Velocidad de Presión de la aleación del material deslizante es mayor de 30 MPa/m*Minuto, V=12 m/min, con un tiempo de permanencia de carga 30 min.
Por otra parte, este elemento discoidal (6, 6') deslizable se caracteriza porque a una temperatura de 70°C absorbe una presión superficial o menor a 150MPa.
También mencionar que el elemento discoidal (6,6') deslizable se caracteriza porque el módulo de elasticidad es superior a 1200 MPa e inferior a 1700 MPa en condiciones de temperatura en un rango comprendido entre 20-80°C.
Por otro lado, el elemento discoidal (6,6') deslizable de la invención se caracteriza por el hecho de que tiene un límite de alargamiento a temperatura ambiental superior al 50% e inferior al 70%.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1.- Es una vista en sección correspondiente a un mecanismo estructural de tipo POT de acuerdo con la presente invención;
Figura 2.- Es una vista en sección correspondiente a un mecanismo estructural de tipo esférico de acuerdo con la presente invención;
Figura 3.- Es una vista en perspectiva del elemento discoidal deslizable de acuerdo con la invención; y
Figura 4.- Es una vista en perspectiva del elemento discoidal desde el lado opuesto al mostrado en la figura 3;
Figura 5.- Es una vista en sección transversal del elemento discoidal según la invención;
Figura 6.- Es una vista en sección transversal del elemento discoidal montado sobre el pistón en una condición sin solicitaciones de carga;
Figura 7.- Es una vista en sección transversal del elemento discoidal montado sobre el pistón en una condición con solicitaciones de carga;
Figura 8.- Es una imagen extraída a partir de una simulación de elemento finitos hecha por ordenador entre un elemento discoidal provisto de alveolos en una de sus caras y un elemento discoidal provisto de alveolos en sus dos caras; y
Figura 9.- Es una imagen extraída a partir de una simulación de elementos finitos hecha por ordenador entre un elemento discoidal provisto de alveolos en una de sus caras y un elemento discoidal provisto de alveolos en sus dos caras.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE
A la vista de las mencionadas figuras y, de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.
En la figura 1 se ha representado un mecanismo estructural del tipo cazoleta (también comúnmente denominado bajo las siglas POT), configurado para puentes de carretera, viaductos para trenes de media y alta velocidad, acueductos, edificaciones, u otras estructuras similares, que comprende una cazoleta inferior (1) prevista para vincularse a un pilar o similar, una bandeja superior prevista para vincularse un tablero o viga, entre los cuales se proporciona un pistón (3) o cazoleta, una almohadilla elástica (4) y una junta de sellado (5), estando ubicado un elemento discoidal (6) deslizable sobre el pistón (3).
En la figura 2 se ha representado una segunda realización de un mecanismo estructural, de tipo esférico, configurado para puentes de carretera, viaductos para trenes de media y alta velocidad, acueductos, edificaciones, u otras estructuras similares, que comprende un cuenco inferior (1 ') previsto para vincularse a un pilar o similar, una bandeja superior (2 ’) prevista para vincularse un tablero o viga, entre los cuales se proporciona un casquete esférico (3'), caracterizado por el hecho de que se proporcionan dos elementos discoidales (6, 6’), estando un primer elemento discoidal (6) en contacto con la parte superior del casquete esférico (3’) y la bandeja superior (2’), y un segundo elemento discoidal (6’) situado por debajo y en contacto con el casquete esférico (2 ’).
De este modo, el primer elemento discoidal (6) tiene la función de facilitar el deslizamiento de la bandeja (2 '), mientras que el segundo elemento discoidal (6’) tiene la función de facilitar el giro del casquete (3') sobre el cuenco inferior (1').
Entrando en mayor detalle en la fabricación del elemento discoidal (6, 6') deslizable está hecho de un material deslizante a partir de una aleación que consiste en una primera resina está compuesta a partir de resinas de poliamida, de poliacetal (POM), tereftalato de polibutileno (PBT), policarbonato (PC) y sulfuro de polifenileno (PPS); una segunda resina de polietileno de alto peso molecular (UHMWPE); un promotor de adhesión de óxido no ferroso y, particularmente anhídrido Maleico (C4H2O3), que está previsto para establecer un enlace químico entre a primera y segunda resinas; y un aditivo con base de copolímero aolefina.
Mencionar que el aditivo con base de copolímero a-olefina está en una proporción inferior a un 25% en peso.
A continuación, en la tabla 1 se indican los valores de compresión de los materiales deslizantes del estado del arte y los valores con el material deslizante objeto de la presente invención, a temperatura de 35°C y a 70°C.
Los valores de compresión se han obtenido mediante ensayos de acuerdo con la norma EAD 050004; EAD 050009; EAD 050013 durante 48 horas a diferentes temperaturas y realizado en laboratorio de materiales:
Figure imgf000009_0001
tabla 1
Haciendo particular referencia a las figuras 3 y 4 se aprecia como el elemento discoidal (6) deslizable mencionado anteriormente está conformado por un cuerpo en el que tiene una cara (60) prevista para acoplarse de forma amovible a un soporte que forma parte del conjunto de apoyo y una cara opuesta (61) prevista para estar enfrentada a una parte movible de una infraestructura, en el que la cara opuesta (61) que se encuentra enfrentada a la parte movible presenta una primera pluralidad de alveolos (610) definidos por concavidades, mientras que la cara opuesta presenta también una segunda pluralidad de alveolos (600) definidos por concavidades secundarias.
Resaltar que los alveolos (610) de la primera pluralidad tienen una mayor profundidad que los alveolos (600) conformados en la segunda pluralidad.
El resultado de esta disposición es que se aumenta la deformación elástica del elemento discoidal que al ser sometido a ciclos de carga y descarga (durante su vida útil) se deforme en la dirección de la fuerza, comportándose como si se apoyase sobre una gran cantidad de pequeños muelles, es decir, se facilita un comportamiento elástico adicional al del propio material. Además, se obtiene una distribución más homogénea de las compresiones sobre el material, pues este tiene una mejor adaptabilidad mejorando así la estabilidad de sus propiedades a lo largo de la vida útil.
En la siguiente tabla 2 se exponen los resultados de una serie de ensayos del módulo de elasticidad, limite elástico, porcentaje de alargamiento, tensión de rotura y porcentaje de alargamiento de rotura, realizadas en diferentes condiciones ambientales, estado inicial, envejecimiento a 80°C, reposo durante 11 días tras envejecimiento a 80°C:
Material sin envejecer
Figure imgf000010_0001
Material envejecido a 80°C durante 48 horas
Figure imgf000010_0002
Material envejecido y devuelto a temperatura 23±1°C durante 11 días
Figure imgf000010_0003
abla 2
En la figura 8, se muestran de forma comparativa las deformaciones de dos elementos discoidales, sometidos al mismo estado de cargas (225MPa), siendo el elemento bajo la referencia (A) provisto de alveolos en sus dos caras opuestas y el elemento bajo la referencia (B) provisto de alveolos en una de sus caras, de modo que el disco (A) presenta una deformación de 1,4101mm y el disco (B) presenta una deformación de 0,656mm.
Por ello, los alveolos de la segunda pluralidad consiguen que el elemento discoidal (A) ofrezca un comportamiento más elástico cuando es sometido a compresión, puesto que se comporta como si el disco se apoyase sobre un conjunto de pequeños muelles, obteniendo así una distribución de presiones más uniformes sobre el elemento discoidal (A), y una mejor adaptabilidad a posibles deformaciones del material ferroso que desliza sobre el elemento discoidal (A).
En la figura 9, se observa de forma comparativa el estado tensional del elemento discoidal A, con la primera y segunda pluralidad de alveolos, y del elemento discoidal (B) solo con la primera pluralidad de alveolos en una de sus caras. Ambos elementos discoidales (A) y (B) se han sometido a idénticas condiciones de carga portante, observándose una distribución de tensiones más uniforme en el elemento discoidal (A) que en el elemento discoidal (B).
Lista de símbolos de referencia:
1. cazoleta inferior
2. bandeja superior
3. pistón
4. almohadilla elástica
5. junta de sellado
6. elemento discoidal
60. cara
61. cara opuesta
1 '. cuenco inferior
2 '. bandeja superior
3'. casquete esférico
6’. segundo elemento discoidal

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Elemento discoidal (6, 6') deslizable para un conjunto de apoyo estructural de ingeniería civil, caracterizado por el hecho de que está hecho de un material deslizante a partir de una aleación que consiste en:
- una primera resina está compuesta a partir de resinas de poliamida, de poliacetal (POM), tereftalato de polibutileno (PBT), policarbonato (PC) y sulfuro de polifenileno (PPS);
- una segunda resina de polietileno de alto peso molecular (UHMWPE);
- Un promotor de adhesión de óxido no ferroso que está previsto para establecer un enlace químico entre a primera y segunda resinas; y
- un aditivo con base de copolímero a-olefina.
2. Elemento discoidal (6, 6') deslizable según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el promotor de adhesión consiste en anhídrido Maleico (C4H2O3).
3. Elemento discoidal (6, 6') deslizable según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el aditivo con base de copolímero a-olefina está en una proporción inferior a un 25% en peso.
4. Elemento discoidal (6, 6') deslizable según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que está conformado por un cuerpo que tiene una cara prevista para acoplarse de forma amovible a un soporte que forma parte del conjunto de apoyo y una cara prevista para estar enfrentada a una parte movible de una infraestructura, en el que la cara enfrentada a la parte movible presenta una primera pluralidad de alveolos definidos por concavidades, mientras que la cara opuesta presenta también una segunda pluralidad de alveolos definidos por concavidades secundarias que tienen una dimensión distinta con respecto a la primera pluralidad de alveolos.
5. Elemento discoidal (6, 6') deslizable según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que los alveolos de la primera pluralidad tienen una mayor profundidad que los alveolos conformados en la segunda pluralidad.
6. Elemento discoidal (6, 6') deslizable según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que los alveolos de la segunda pluralidad tienen una profundidad comprendida entre 0,1mm y 3,0mm. y un diámetro comprendido en un rango de 0,1mm y 15,0 mm.
7. Elemento discoidal (6,6') deslizable según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que los alveolos de la primera pluralidad están rellenos de una sustancia de grasa.
8. Un mecanismo estructural de tipo cazoleta (POT), configurado para puentes de carretera, viaductos para trenes de media y alta velocidad, acueductos, edificaciones, u otras estructuras similares, que comprende una cazoleta inferior (1) prevista para vincularse a un pilar o similar, una bandeja superior (2) prevista para vincularse un tablero o viga, entre los cuales se proporciona un pistón (3), una almohadilla elástica (4) y una junta de sellado (5), estando ubicado un elemento discoidal (6) deslizable sobre el pistón (3), caracterizado por el hecho de que el elemento discoidal deslizable es según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 7.
9. Un mecanismo estructural, tipo esférico, configurado para puentes de carretera, viaductos para trenes de media y alta velocidad, acueductos, edificaciones, u otras estructuras similares, que comprende un cuenco inferior (1 ') previsto para vincularse a un pilar o similar, una bandeja superior (2’) prevista para vincularse un tablero o viga, entre los cuales se proporciona un casquete esférico (3'), caracterizado por el hecho de que se proporcionan dos elementos discoidales (6, 6’), estando un primer elemento discoidal (6) en contacto con la parte superior del casquete esférico (3’) y la bandeja superior (2’), y un segundo elemento discoidal (6’) situado por debajo y en contacto con el casquete esférico (2 ’), siendo los dos elementos discoidales (6, 6’) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 7.
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