ES2368639A1 - Sistema estructural desplegable fractal. - Google Patents
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Abstract
El objeto de la presente invención consiste en un sistema estructural desplegable formado por barras articulada entre sí, cuya principal característica es que una vez desplegado (a) y unidos sus extremos, el conjunto adquiere rigidez. Partiendo de un paquete de barras reducido (b) el sistema es desplegable tanto en el plano como tridimensionalmente además es repetitivo y de carácter fractal ya que puede contener subestructuras que se unen a la estructura principal y se despliegan conjuntamente.La innovación puede aplicarse en distintos sectores, el principal uso propuesto es de edificio temporal en altura. En la construcción también puede utilizarse como andamiaje, apeo, cimbra, encofrado o parte de elementos auxiliares como grúas o ascensores de obra. Adecuando la escala y los complementos de la estructura también puede tener otros usos tales como refugio, carpa, invernadero, garaje, hangar, escenario, stand, soporte publicitario, mástil, antena o cubierta retráctil.
Description
Sistema estructural desplegable fractal.
La invención se encuadra en el sector de las
estructuras plegables, más concretamente en las estructuras
compuestas por mallas reticulares sirviéndose de mecanismo de tijera
o pantógrafo fundamentalmente utilizadas en el campo de la
arquitectura.
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El mecanismo de tijera o pantógrafo se ha
aplicado históricamente en numerosos campos como en la mecánica o la
industria aeroespacial. En cuanto a la aplicación de estos
principios geométricos a la arquitectura, se ha realizado durante la
segunda mitad del siglo XX. Básicamente la plegabilidad estructural
se ha aplicado en soluciones para arcos y bóvedas. La amplia mayoría
de estos sistemas necesitan además de elementos externos como barras
o cables para dotar de rigidez a la estructura.
En los documentos de patente: United States
Patent 3185164, United States Patent 3325958, US 4026313, US
3710806, US 4689932, US 4658560, US 5444946, ES 532117, US 6141934,
US 4156433, US 5230196, ES 2 268 963 se proponen diversas
estructuras desplegables.
Las estructuras desplegables y por tanto
deformables, hasta ahora no han sido útiles como estructura porque
no se había encontrado su forma estable. La presente invención
aporta una solución a este problema al obtener rigidez la estructura
gracias a su propia configuración geométrica una vez desplegada sin
requerir elementos externos.
Las mallas desplegables de barras han sido
objeto de numerosas patentes para distintas utilidades, pero nunca
para edificios en altura, la invención propone un sistema
estructural autoportante de distintas dimensiones que puede ser
utilizado como edificios temporales en altura que pueden ser
ejecutados y a su vez desmontados en escaso margen de tiempo.
La presente invención incorpora el concepto de
fractalidad a las estructuras desplegables. Este sistema permite la
repetición a diferentes escalas de la estructura básica propuesta lo
que permite afrontar estructuras de mayor complejidad.
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La presente invención se refiere a un sistema
estructural cuya unidad básica consiste en pares de barras con un
nudo intermedio pivotante (X, Fig. 1.1). Dependiendo del tipo de
nudo intermedio que se utilice cada barra que forma el par podrá ser
coplanaria con la otra o estar en distintos planos siempre que estos
sean paralelos.
Estos pares de barras se articulan con otros
pares de barras por sus extremos (O, Fig. 1.2). Tanto los enlaces
extremos como los intermedios ejercen dos coacciones y permiten una
libertad de giro, convirtiéndolo en un mecanismo con un grado de
libertad. Si el nudo intermedio (X, Fig. 1.1) se encuentra a la
misma distancia de todos los extremos del par de barras (a=a'=b=b',
Fig. 1.1) el conjunto de pares de barras se despliega linealmente
(Fig. 1.3). Si el nudo se encuentra a menor distancia de uno de los
extremos (a=b>a'=b', Fig. 2.1) el conjunto de pares de barras se
despliega de manera curva (Fig. 2.2). Estas agrupaciones de barras
se consideran mecanismos ya que no tienen rigidez.
La condición geométrica básica de la invención
consiste en que los extremos del conjunto de pares de barras, con un
nudo intermedio pivotante no central (Fig. 2.2), se unen en su
posición desplegada y de esta manera el conjunto obtiene rigidez
(Fig. 2.3). Es decir que la trayectoria curva iniciada durante la
fase de desplegado se completa y se conectan los extremos de los
pares que durante la fase de desplegado carecían de articulación
(D1', D2', D1'', D2'', Fig. 2.2). En la fase final de desplegado se
articulan de la misma manera que el resto de los nudos exteriores,
de esta manera el conjunto se triangula y por tanto obtiene rigidez
(D1, D2, Fig. 2.3) limitándose el giro de sus nudos interiores
(\alpha, Fig. 2.1)
La configuración básica del sistema estructural,
en planta, parte de agrupar seis pares de barras con un nudo
intermedio pivotante a una distancia de un tercio de uno de sus
extremos y articular los extremos largos de los pares de barras y
por su parte los cortos (Fig. 3). La estructura principal desplegada
(Fig. 3.7) esta caracterizada por tener un contorno exterior de
estrella de seis puntas y un contorno interior de un hexágono
regular.
Esta configuración básica en planta se puede
completar tridimensionalmente, para ello, se unen transversalmente
por los extremos (Fig. 4) pares de barras con un nudo intermedio
pivotante en su punto medio. La configuración básica de barras con
un nudo intermedio no central se repite en planos paralelos
conectándose con los extremos de los pares de barras transversales.
Este sistema es repetitivo y se puede superponer tantos conjuntos de
pares de barras como se requieran dependiendo de las características
concretas de la estructura (Fig. 5).
La disposición geométrica de este conjunto
tridimensional de pares de barras es tal, que al desplegarse
completamente y unirse los extremos que permanecían sueltos (D Fig
2.2) se convierte en un sistema cerrado con capacidad estructural.
En todos los casos que se exponen el movimiento que se inicia en un
par de barras se propaga a través de toda la estructura.
A los pares de barras ya descritos se le pueden
añadir otra barra (c, d, e, Fig. 6.1 y Fig. 7.1) articulada en su
punto medio (T, Fig. 6.1 y Fig. 7.1) que llamaremos barra
perimetral. Esta barra se conecta con los extremos de los pares de
barras (O, Fig. 6.1 y Fig. 7.1). Tiene dos posibilidades de plegado,
puede plegarse hacia dentro del par de barras los que aumentaría el
grosor del conjunto de barras plegado (Fig. 6.2 y Fig. 7.2) o hacia
fuera lo que aumentaría la longitud del conjunto de barras plegado
(Fig. 6.3 y Fig. 7.3). La longitud de esta barra limita el grado de
apertura de la configuración en su posición desplegada (Fig. 6.4 y
Fig. 7.4). Aunque no son estrictamente necesarias ya que el ángulo
de giro se limita al cerrarse el conjunto esta barra perimetral
aporta más rigidez al conjunto. Estas barras perimetrales pueden
estar en el mismo plano que el resto de pares de barras o en otro
plano paralelo en función del tipo de nudo que se disponga. Se
pueden disponer de barras perimetrales en los extremos exteriores de
la estructura principal (Fig. 8) y transversalmente en todos los
extremos de los pares con un nudo intermedio pivotante central (Fig.
9).
La estructura principal (Fig. 3) se puede
completar de manera fractal. Esta nueva configuración en su forma
desplegada (Fig. 11.7) implican tres homotecias centradas en tres de
sus vértices exteriores no consecutivos, de razón 1/2. De tal forma
que esta estructura contiene tres reducciones de si misma. La
configuración de plegado de estas subestructuras es distinta que la
de la estructura inicial, para que de esta manera permita el plegado
(Fig. 12). La configuración para las tres subestructuras es la
siguiente: dos pares de barras, de la mitad de longitud que los
pares de barras de la estructura principal, con un nudo intermedio
pivotante en un tercio se unen por sus extremos y por los extremos
de la parte larga con dos extremos interiores no consecutivos de la
estructura principal (D1'', D2'', Fig. 12). Otros cuatro pares
secundarios se articulan entre sí por sus extremos y en su extremo
de lado largo intermedio (O1, Fig. 12), se une con el extremo largo
de la estructura principal opuesto a los otros dos pares de
subestructura. Dos extremos interiores de la subestructura de cuatro
pares se unen con el punto medio de la barras de la estructura
principal (O2, O3, Fig. 12). Cabe la posibilidad, de en vez de
realizar estas dos últimas operaciones, unir los nudos intermedios
pivotantes de la subestructura intermedios con un punto situado a un
tercio del extremo del lado largo de la estructura principal (X1,
X2, Fig. 12) Cuando la estructura se encuentre completamente
desplegada los extremos de la subestructura se articulan entre sí
dotando de rigidez al conjunto (D1, D2, D3, D4, Fig. 12). También
una vez desplegado se pueden unir entre sí tres los puntos extremos
interiores de las tres subestructuras que coinciden en el punto
medio de la estructura principal desplegada para de esta manera
impedir cualquier giro y asegurar la rigidez. (O4, Fig. 12 y Fig.
11.7) Para el correcto desplegado estas subestructuras han de estar
contenidas en otro plano paralelo al de la estructura principal.
Tridimensionalmente se puede proceder al igual
que en la estructura principal. Todos los pares de barras de la
subestructura son la mitad de largos que los de la estructura
principal lo que permite introducir dos subestructruras entre cada
nivel de estructura principal. Para un correcto desplegado hay que
suprimir los tres pares de barras transversales de la estructura
principal correspondientes a donde se sitúa la subestructura. (Fig.
13 y Fig. 14) Esta nueva estructura completa con tres subestructuras
se puede completar a su vez con barras perimetrales en cada par de
barras. (Fig. 15, Fig. 16 y Fig. 17).
Este proceso de desplegado de subestructura
puede generar a su vez, otras tres nuevas reducciones por cada
subestructuras el doble de pequeñas (Fig. 18). Lo que generaría un
total de nueve subestructuras cuyo proceso de despliegue es idéntico
al descrito salvo que en vez de adherirse a la estructura principal
se unen a la subestructura que tiene el doble de su tamaño. También
se pueden incluir barras perimetrales. Este proceso puede repetirse
a su vez de nuevo siguiendo los mismos patrones, creando un nuevo
orden de subestructura (Fig. 19). Es un proceso que puede repetirse
indefinidas veces densificando de esta manera el número de barras
que cubren una misma superficie partiendo todas de un mismo paquete
plegado. Independientemente de la complejidad de la estructura
creada a partir de este modelo el movimiento de pliegue o despliegue
de un único par de barras, hace que este se propague a través de
todo el mecanismo.
Este sistema desplegable tiene una dimensión
fractal de Hausdorff-Besicovitch coincidente con su
dimensión fractal de homotecia igual a:
Los distintos niveles de subestructuras se
pueden combinar, dependiendo de la densidad de barras que se
requieran tanto horizontal como verticalmente.
Existen algunas variaciones definidas de este
sistema. Partiendo de la configuración base de seis pares de barras,
se crean seis subestructuras que en su forma desplegada se inscriben
en una circunferencia imaginaria tangente a los límites de cada par
de barras de la estructura principal (Fig. 20.7). Esta subestructura
cuya longitud desplegada de extremo a extremo opuesto es la mitad
que las barras de la estructura principal tiene la siguiente
configuración de desplegado (Fig. 20). Se agrupan dos de los pares
de barras de la subestructura más medio par de barras en cada
extremo, de esta manera la articulación que antes era intermedia se
convierte en una articulación extrema. Estas articulaciones son las
que cuando la estructura se encuentra desplegada han de unirse para
que cada subestructura obtenga rigidez. Esta variación también
admite barras tangenciales y desarrollo transversal para lograr un
desplegado tridimensional.
Otra variación posible es la lograda con cinco
pares de barras como estructura principal, de igual manera se
obtiene rigidez cuando se despliega y se articulan los extremos que
permanecían sueltos (Fig. 21). Esta estructura también puede
completarse con pares de barras tangenciales, barras perimetrales, y
con subestructuras que sean reducciones de si misma (Fig. 22). Para
que pueda desplegarse las conexiones entre la subestructura han de
estar agrupadas dos pares de barras de la subestructura con un nudo
intermedio pivotante más medio par de barras en cada extremo, se
unen por sus extremos con dos de los nudos intermedios consecutivos
de la estructura principal. Otros tres pares de barras de la
subestructura más medio par de barras en cada extremo se articulan
entre sí y en su extremo de lado largo intermedio se une con el
extremo largo de la estructura principal. Los extremos interiores de
la subestructura no consecutivos se unen con las barras de la
estructura principal.
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Figura
1
Esquema geométrico de unidad básica del sistema,
un par de barras con un nudo intermedio pivotante central
(a=a'=b=b') que permite un grado de libertad de giro. En la figura
1.2 y 1.3 se muestra como se enlazan estos pares de barras mediante
articulaciones en sus extremos. También se puede observar la
trayectoria recta que siguen durante el proceso de plegado a
desplegado y viceversa.
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Figura
2
Esquema geométrico de par de barras con un nudo
intermedio pivotante no central (a=b>a'=b') que permite un grado
de libertad de giro. En la figura 2.2 y 2.3 se muestra como se
enlazan estos pares de barras mediante articulaciones en sus
extremos. También se puede observar la trayectoria curva que siguen
durante el proceso de plegado a desplegado y viceversa. En la figura
2.3 se muestra el principio básico de la invención, cuando el
mecanismo se encuadra completamente desplegado y se articulan los
extremos que durante el desplegado se encontraban sueltos se logra
una estructura triangulada rígida.
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Figura
3
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de un conjunto de seis pares de barras, desde el haz
inicial (3.1) hasta la posición de despliegue final donde el
mecanismo se convierte en estructura (3.7). Esta configuración se
llamara estructura principal.
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Figura
4
Esquema geométrico tridimensional de la
estructura principal desplegada.
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Figura
5
Perspectiva del paquete plegado de barras y de
la estructura desplegada resultante de la repetición de seis veces
la estructura principal.
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Figura
6
Esquema geométrico de par de barras con un nudo
intermedio pivotante central con barras perimetrales en ambos
extremos. En la figura 6.2 se muestra como estos pueden ser plegados
hacia dentro del par y en la figura 6.3 como pueden ser plegados
hacia fuera. En la figura 6.4 se muestra como se limita el
despliegue con estas barras.
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Figura
7
Esquema geométrico de par de barras con un nudo
intermedio pivotante no central con barras perimetrales en ambos
extremos. En la figura 7.2 se muestra como estos pueden ser plegados
hacia dentro del par y en la figura 7.3 como pueden ser plegados
hacia fuera. En la figura 7.4 se muestra como se limita el
despliegue con estas barras.
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Figura
8
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de la estructura principal completada con barras
perimetrales.
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Figura
9
Esquema geométrico tridimensional de la
estructura principal completada con barras perimetrales
desplegada.
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Figura
10
Perspectiva del paquete plegado de barras y de
la estructura desplegada resultante de la repetición de seis veces
la estructura principal completada con barras perimetrales.
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Figura
11
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue la estructura principal con subestructuras.
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Figura
12
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de la subestructura sobre dos pares de barras de la
configuración inicial (12.1).
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Figura
13
Esquema geométrico tridimensional de la
estructura principal con subestructuras.
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Figura
14
Perspectiva del paquete plegado de barras y de
la estructura desplegada resultante de la repetición de seis veces
la estructura principal con subestructuras.
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Figura
15
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de la estructura principal con subestructuras completada
con barras perimetrales.
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Figura
16
Esquema geométrico tridimensional de la
estructura principal con subestructuras completada con barras
perimetrales.
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Figura
17
Perspectiva del paquete plegado de barras y de
la estructura desplegada resultante de la repetición de seis veces
la estructura principal con subestructuras completada con barras
perimetrales.
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Figura
18
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue la estructura principal con subestructuras de dos ordenes
completada con barras perimetrales.
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Figura
19
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue la estructura principal con subestructuras de tres
ordenes completada con barras perimetrales.
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Figura
20
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de la estructura principal con subestructuras
alternativas.
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Figura
21
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de una estructura principal alternativa a partir de cinco
pares de barras.
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Figura
22
Esquema geométrico en planta del proceso de
despliegue de una estructura principal alternativa a partir de cinco
pares de barras con subestructuras.
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El material para la realización de la estructura
puede ser diverso, las características básicas es que tiene que ser
resistente y preferiblemente ligero, para facilitar su transporte y
proceso de desplegado. Se recomiendan materiales metálicos tanto
para las barras como para los nudos.
La estructura puede ser desplegada con medios
externos, como grúas o puede autodesplegarse, si cuenta para ello de
mecanismos internos que accionen determinados pares de barras.
Estos mecanismos pueden ser elementos como barras roscadas, cables o
ejes accionados manual o automáticamente por medio de motores,
gatos hidráulicos o manivelas, etc. Para desplegar el plano que esta
en contacto con el suelo se podrá utilizar elementos que faciliten
el deslizamiento como ruedas.
Una vez la estructura en su posición final, se
fijara al suelo o se inmovilizará mediante peso muerto. Dependiendo
de las dimensiones de la estructura, del terreno y las diferentes
cargas tanto verticales como las cargas de viento horizontales se
dimensionara que tipo de anclaje o cimentación es necesaria.
La estructura puede ser completada una vez
desplegada con paramentos tanto verticales como horizontales. Los
paramentos horizontales servirán para crear diversas plataformas que
podrán ser utilizadas como pisos practicables o cubiertas y los
verticales como cerramiento, estos podrán ser rígidos o textiles.
Todos estos elementos adicionales a la estructura dependerán de la
aplicación particular de la misma.
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La principal aplicación propuesta es la creación
de edificios de varias plantas. En estos edificios se pueden
combinar varios niveles de subestructuras para densificar los planos
horizontales y poder cubrirlos para que puedan ser practicables. El
principal valor de estas construcciones será su rápida ejecución y
la reversibilidad de la estructura ya que puede ser fácilmente
desplegado y reutilizado en otra ubicación.
Este sistema también puede ser utilizado en la
construcción como estructura para andamiaje, apeos, cimbras,
encofrados o elementos auxiliares como grúas o soportes de
ascensores de obra.
Otros usos que podría dar respuesta la presenta
innovación son estructuras para refugios, carpas eventuales, garajes
de automóviles, hangares, escenarios para eventos y stands de
ferias. El sistema deberá adaptarse en cuanto a escala y
complementos necesarios para estos usos.
El sistema estructuras desplegable fractal
sirviéndose de su completo despliegue en el plano horizontal puede
utilizarse de cubierta retráctil de grandes instalaciones como
plazas de toros o estadios deportivos o de otros eventos. También
para cubrir espacios de otra escala cómo invernaderos o
piscinas.
Potenciando el desarrollo vertical del sistema
puede ser aplicado como mástil para luminarias y similares o como
chimenea de distinto uso. También puede ser utilizado como soporte
de elementos publicitarios.
En una escala más pequeña puede utilizarse para
la construcción de mobiliario, como puede ser en la fabricación de
sillas o mesas plegables.
Otros sectores donde la innovación puede tener
aplicaciones es la industria aeroespacial o las telecomunicaciones,
como estructura de satélite o antena desplegable.
Claims (11)
1. Sistema estructural desplegable
caracterizado por estar formado por pares de barras con un
nudo intermedio pivotante no central, articuladas entre los
distintos pares por sus extremos de tal manera que se despliegan
siguiendo una trayectoria curva y en su forma desplegada final, los
extremos del conjunto se unen y la estructura obtiene rigidez.
2. Sistema estructural desplegable según
reivindicación 1 caracterizado porque en los extremos de los
pares de barras se añaden transversal mente otros pares de barras
con un nudo intermedio pivotante central, que permiten un desarrollo
tridimensional.
3. Sistema estructural desplegable según
reivindicación 1 y 2 caracterizado porque se repite en planos
paralelos conectándose con los extremos de los pares de barras
transversales. Este sistema es repetitivo y se puede superponer
tantos conjuntos de pares de barras como se requieran.
4. Sistema estructural desplegable según
reivindicación 1 caracterizado porque se añaden
subestructuras, formadas por pares de barras de menor tamaño y con
el nudo intermedio pivotante no central que se unen a la estructura
principal y que se despliegan conjuntamente.
5. Sistema estructural desplegable según
reivindicación 1 y 4 caracterizado porque en los extremos de
los pares de barras se añaden transversalmente otros pares de barras
con un nudo intermedio pivotante central, que permiten un desarrollo
tridimensional.
6. Sistema estructural desplegable según
reivindicación 1 y 4 y 5 caracterizado porque se repite en
planos paralelos conectándose con los extremos de los pares de
barras transversales. Este sistema es repetitivo y se puede
superponer tantos conjuntos de pares de barras como se
requieran.
7. Sistema estructural desplegable según
reivindicaciones anteriores caracterizado porque se le añaden
a los pares de barras en sus extremos unas barras perimetrales
articuladas en su punto medio que aportan rigidez.
8. Sistema estructural desplegable según
reivindicaciones anteriores caracterizado por su uso como
edificio en altura.
9. Sistema estructural desplegable según
reivindicaciones anteriores caracterizado por su uso en la
construcción como andamiaje, apeo, cimbra, encofrado o parte de
elementos auxiliares como grúas o ascensores de obra.
10. Sistema estructural desplegable según
reivindicaciones anteriores caracterizado por su uso como
refugio, carpa, invernadero, garaje, hangar, escenario, stand, o
soporte publicitario.
11. Sistema estructural desplegable según
reivindicaciones anteriores caracterizado por su uso como
mástil, antena o cubierta retráctil.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200901789A ES2368639B1 (es) | 2009-08-21 | 2009-08-21 | Sistema estructural desplegable fractal. |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200901789A ES2368639B1 (es) | 2009-08-21 | 2009-08-21 | Sistema estructural desplegable fractal. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2368639A1 true ES2368639A1 (es) | 2011-11-21 |
| ES2368639B1 ES2368639B1 (es) | 2012-10-02 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200901789A Withdrawn - After Issue ES2368639B1 (es) | 2009-08-21 | 2009-08-21 | Sistema estructural desplegable fractal. |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| ES (1) | ES2368639B1 (es) |
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- 2009-08-21 ES ES200901789A patent/ES2368639B1/es not_active Withdrawn - After Issue
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2368639B1 (es) | 2012-10-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2368639 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20121002 |
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| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20130313 |