‘Compuestos’

Eladio Dieste: el arte de sacar el máximo partido a materiales estructurales en el siglo XX

Asistimos hoy en día a un desarrollo de nuevos materiales que se apoya en el empleo de técnicas que permiten estudiar en detalle la microestructura e incluso, en el caso de la nanotecnología, manipulaciones a escala de átomos y moléculas.

Sin embargo, en el ámbito de los materiales estructurales que se emplean en construcción de edificios e infraestructuras, se siguen empleando hoy fundamentalmente los materiales que ya se habían desarrollado ampliamente a mediados del siglo XX: acero, hormigón y cerámica (en forma de ladrillos u otras piezas). Incluso la madera, empleada desde la antiguedad, sigue diendo un material empleado exitosamente. Para los cuatro materiales se han introducido progresivamente mejoras que han aumentado su resistencia y durabilidad. También, se han optimizado las formas de combinar estos materiales, a partir de la idea más simple consistente en reforzar el hormigón con barras (hormigón armado) y cables (hormigón pretensado y postensado) de acero.

Por otro lado, el desarrollo de los ordenadores y de los métodos de cálculo numérico han generalizado en las últimas décadas el empleo de programas informáticos que facilitan enormemente el cálculo de las estructuras.

Sin embargo, antes de disponer de las herramientas informáticas, se realizaron a lo largo del siglo pasado espectaculares estructuras que requerían de la máxima capacidad de los ingenieros estructurales para obtener un modelo matemático adecuado y realizar el cálculo estructural. A veces, las maquetas podían ser una ayuda en la tarea.

Pues bien, es en esta situación, en medio del siglo pasado, cuando realizó su aportación el ingeniero estructural uruguayo Eladio Dieste. Se empeñó en el empleo optimizado de un material sencillo: la cerámica armada. Este material compuesto contiene simplemente cerámica en forma de ladrillos, además de mortero (como en cualquier muro de ladrillos) y barras de acero. Los esfuerzos de Dieste se dedicaron no tanto al desarrollo y mejora del material sino a obtener el máximo partido. Trabajó en el desarrollo de métodos de cálculo que permitían diseñar grandes bóvedas para cubrir grandes superficies, con espesores mínimos de cerámica armada.

Sus estructuras utilizaban cantidades mínimas de material, con la contrapartida de un elevado empleo de mano de obra. Por ello, eran económicamente apropiadas para regiones en las que los costes de los materiales eran relativamente elevadas frente a los de mano de obra. Independientemente de la justificación económica, el obtimizar la cantidad de material necesario en la estructura era parte de la filosofía personal de Eladio Dieste.

Pues bien, los que vivimos en la Comunidad de Madrid, o quienes se acercan a ella, tenemos la oportunidad de visitar algunos edificios proyectados por este singular ingeniero y que han sido construidos en Alcalá de Henares y su entorno. Los lectores interesados podrán encontrar la información con un pequeño tiempo de investigación.

Por G.R. Plaza (UPM)

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Materiales en la Fórmula 1: La evolución en la seguridad de los cascos de los pilotos

Por María Jesús Pérez (Universidad Politécnica de Madrid)

La evolución de las medidas de seguridad en competiciones automovilísticas como la F1 han provocado que hoy los cascos de los pilotos deban reunir tres cualidades difíciles de combinar: ligereza, resistencia y aerodinámica.; aunque no siempre fue así…
En los primeros días de carreras de Fórmula Uno, lo importante era la velocidad y no la seguridad, de hecho, en 1950 muchos pilotos ni siquiera usaban casco y algunos usaban gorros de cuero que sencillamente protegían del viento.

Juan Manuel Fangio con un pasamontañas

En 1960 se desarrolló el casco de cartón prensado. Eran muy incómodos para los pilotos, por lo que muchos ni lo usaban ya que no era obligatorio según la FIA.
El primer casco integral de fibra de vidrio no apareció hasta 1968. Pesaba casi tres kilos pero era mucho más efectivo que sus predecesores.
Poco a poco, se fue reduciendo el peso y el tamaño, ajustándose más a la cabeza del piloto. Lamentablemente, tuvo que ocurrir una tragedia para que la evolución en componentes de seguridad en este tipo de deportes apareciese. En el Gran Premio de Sudáfrica de 1977, el monoplaza de Tom Price golpeó a un bombero que cruzaba la pista en ese momento. El extintor del comisario de pista golpeó la cabeza de Pryce y causó la muerte instantánea del piloto.
A partir de este momento, los ingenieros se preocuparon más aún de mejorar el equilibrio seguridad-peso. De esta manera, en 1980 nació el Tricomp (aleación de fibra de carbono, fibra de vidrio y diversos polímeros) que cubría el exterior del casco proporcionándole mayor resistencia.
A mitad de los ’80, comenzaron las investigaciones aerodinámicas de los cascos en el túnel de viento (hoy en día, el casco presenta una parte importante del coche en cuanto a aerodinámica se refiere).
Con el avance de los años, los monoplazas mejoraban en rendimiento a la vez que sucesivos accidentes, algunos de ellos mortales (Peterson, Villeneuve, Senna…), hacían una llamada a una mejora sustancial en la seguridad del piloto.
A partir del año 2000, la seguridad en los cascos se complementó con la llegada del moderno sistema HANS (Head And Neck Support). El HANS tiene por objeto evitar las lesiones cervicales provocadas por “efecto látigo” cuando se produce una colisión a altas velocidades. Su inventor fue Robert Hubbard, un profesor de biomédica de la Universidad de Michigan. El HANS está fabricado con Kevlar y se engancha al respaldo del asiento del piloto y a su casco con resistentes ganchos. En la fórmula 1 su uso se hizo obligatorio a partir de 2003.

Head And Neck Support Device

Actualmente, el casco de F1 se fabrica a medida del piloto. Es una pieza de 1200 gramos formada por 18 capas de fibra de carbono que puede soportar el peso de un tanque de 55 toneladas sin deformarse. La estructura exterior puede resistir una temperatura de 800ºC durante 30 segundos sin que en el interior se superen los 70ºC. La estructura interior se elabora de forma artesanal a imagen y semejanza de los moldes en tres dimensiones de los pilotos.
Además, desde esta temporada, la estructura de los cascos lleva una tira de Zylon (polímero sintético) en la visera que mejora las debilidades detectadas en la fibra de carbono tras el accidente sufrido por Massa en el GP de Hungría en 2009 (un muelle desprendido del coche de Barrichello golpeó el casco de Massa a 270 km/h). El carbono es una de las fibras más sólidas, pero tiene el gran inconveniente de que a la vez que detiene un fuerte impacto, conduce muy fuertemente la energía hacia el interior. Sin embargo, el Zylon es una fibra blanda que tiene la capacidad de absorber la energía liberada en un impacto, deformándose ligeramente pero sin fracturarse.
La tira de Zylon, superpuesta en la visera de policarbonato, permite una protección extra pero sin limitar la visión del piloto. Este material también es utilizado en la fabricación de chalecos antibala, y en la F1 las cabinas de todos los coches van revestidos con él.

 

Casco reforzado con Zylon en la visera

La introducción del Zylon en los cascos de los pilotos es sólo la primera fase de mejoras previstas para la seguridad. El instituto de la FIA y los fabricantes de cascos están investigando el uso de materiales de alto rendimiento óptico (cerámica transparente) como el material principal para fabricar la visera.

Más información:
http://www.formula1.com/news/features/2011/3/11880.html
http://eduardojosecar.blogspot.com/2011/10/nuevas-viseras-en-los-cascos.html

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Materiales Compuestos en aeronáutica

Por Álvaro Ridruejo , Dr. Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

En esta entrada del blog, vamos a presentar dos aplicaciones en las que la utilización de materiales compuestos supone una importante ventaja.

1) Palas del rotor de un helicóptero

Las palas del rotor de un helicóptero se comportan como pequeñas alas que producen el empuje vertical que la aeronave necesita para volar. Desde el punto de vista del diseño, lo que necesitamos es un material que se deforme poco (suficientemente rígido) y que tenga el menor peso posible. Los materiales compuestos se han venido utilizando en el diseño de palas de rotor desde los años 60.
Las palas de helicóptero presentan un problema muy particular derivado de la combinación de los movimientos de rotación de las propias palas y hacia adelante de la aeronave: puesto que la velocidad de avance del helicóptero puede alcanzar 100 m/s y la velocidad lineal de la punta de la pala en su giro a menudo supera ligeramente los 200 m/s, la velocidad con la que la pala atraviesa el aire en la fase de avance del giro es sustancialmente mayor que la velocidad en la fase de retroceso (300 contra 100 m/s). Si el ángulo de ataque de las palas se mantuviera constante durante el giro, entonces el empuje vertical sería muy distinto en ambos lados del helicóptero y este se desestabilizaría gravemente.

Este efecto, detectado y solucionado por primera vez por el ingeniero español Juan de la Cierva, se puede compensar modificando el ángulo de ataque durante cada giro. Otras modificaciones del ángulo de ataque se utilizan para cambiar de dirección cuando el aparato maniobra.

Es por tanto de suma importancia que las palas tengan una alta rigidez a torsión para que puedan responder fiel y rápidamente a los cambios de ángulo de ataque impuestos por la base del rotor.

Del mismo modo, la rigidez a flexión también debe ser elevada para que la punta del ala no se retrase respecto de su base y para que las palas no se curven hacia arriba por efecto del peso del helicóptero. En la figura puede apreciarse un croquis de una sección de pala.

Las fibras de carbono orientadas a ± 45° respecto del eje de la pala le confieren la rigidez a torsión, mientras que la rigidez a flexión viene dada por las fibras de carbono y vidrio paralelas al eje. Esta configuración también proporciona a la pala una excelente resistencia a la fatiga, con lo que la vida de la pala alcanza las 10.000 horas.

2) Frenos de avión

Los frenos de un avión necesitan un conjunto tremendamente exigente de propiedades, que podemos citar a continuación:
 Buena estabilidad térmica y resistencia al choque térmico
 Baja densidad
 Buena resistencia a alta temperatura
 Alta capacidad térmica
 Alta conductividad del calor
 Buenas características de fricción
 Buena resistencia al desgaste

 

Freno de avión con pastillas de Carbono. Imagen de boeing.com

Durante un aterrizaje de emergencia o un despegue abortado (cuando el avión ya tiene una considerable velocidad en pista), los frenos deben absorber una enorme cantidad de energía sin desintegrarse ni agarrotarse. El diseño típico de un freno de aviación se basa en una serie de discos giratorios intercalados entre otros discos fijos. Cuando se accionan los frenos, el rozamiento entre los discos puede elevar la temperatura de los mismos hasta una media de 1500 °C, con picos de hasta 3000 °C en su superficie. Por esta razón, el material del disco debe tener una gran resistencia mecánica a alta temperatura y una excelente resistencia al choque térmico (capacidad de resistir elevadas diferencias de temperatura sin dañarse). Una buena conductividad térmica es básica para evitar el sobrecalentamiento de las superficies del disco. El carbono tiene una buena conductividad y estabilidad a alta temperatura (sus dimensiones cambian poco con la temperatura).

El carbono en forma de grafito sólido es un candidato, mucho más barato que un material compuesto de carbono/carbono (matriz y refuerzo de carbono), pero la resistencia y tenacidad del material compuesto son claramente superiores. Los discos se fabrican infiltrando fibras de carbono con una brea o una resina polimérica, calentando el conjunto a 1000 °C en ausencia de oxígeno para eliminar impurezas e ir dejando un esqueleto de carbono. El proceso se repite varias veces hasta alcanzar la densidad deseada y finalmente se calienta hasta unos 2500 °C para completar la grafitización.

El peso de los frenos es un asunto muy relevante. Un avión de pasajeros normalmente lleva ocho frenos. Con un diseño convencional (discos de acero y discos de un material friccional), el conjunto alcanza un peso de más de 1000 kg, mientras que un conjunto de frenos de carbono/carbono pesa algo menos de 700 kg. Este ahorro de peso es equivalente a cuatro pasajeros, y a la larga significa un importante ahorro de combustible.

La tecnología de frenos de carbono se introdujo en primer lugar en aviones de combate y en el Concorde, pero en la actualidad está presente en la mayoría de modelos de Boeing y Airbus.

La principal limitación que afecta a este material cuando se expone durante tiempos más prolongados a alta temperatura es su poca resistencia a la oxidación, aunque ya existen recubrimientos que evitan en gran medida este problema.

Fuente: D. Hull & T. W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, 2nd Edition, 1996.

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