ES2214447T3

ES2214447T3 - Sensor para captacion de dilatacion y tension en materiales solidos.

Info

Publication number: ES2214447T3
Application number: ES01984040T
Authority: ES
Inventors: Falk Tegtmeier; Manfred Peters
Original assignee: BRD VERTR DURCH DAS BM fur WIR; Brd Vertr Durch Das Bm fur Wirtsc und Arbeit Dieses Vertr Durch Den Pras Phys-Tech Bundesan
Current assignee: BRD VERTR DURCH DAS BM fur WIR; Brd Vertr Durch Das Bm fur Wirtsc und Arbeit Dieses Vertr Durch Den Pras Phys-Tech Bundesan
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2001-06-16
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: DE10192551D2; DE50101721D1; AU2002215492A1; EP1292809B1; DE10030099C2; ATE262165T1; DE10030099A1; WO2001098742A3; US6805011B2; WO2001098742A2; US20040025596A1; EP1292809A2

Abstract

Sensor para la medición de fuerza y dilatación de materiales sólidos, con: a) un cuerpo cónico de trasmisión de la dilatación en disposición longitudinal, denominado aquí parte interior, que se sujeta mediante fuerza de atracción en un cuerpo de deformación del mismo tipo de conicidad, denominado aquí parte exterior, b) en donde la parte exterior está ranurada varias veces en sentido axial alternando el lado anterior y el posterior, c) y porque la parte interior está equipada con sensores de medida, caracterizado porque la parte exterior está ejecutada al menos como triángulo y, así, el taladro del objeto a medir sólo se toca con nervios de contacto axiales en forma de línea.

Description

Sensor para captación de dilatación y tensión en materiales sólidos.

Ámbito de aplicación

La invención se refiere a un sensor para la captación de estados de tensión y dilatación de múltiples componentes en materiales sólidos, que se introduce en un taladro practicado en el material y allí puede medir las deformaciones elásticas provocadas por los estados de tensión circundantes. La invención, entre otros, se puede aplicar en el sector de la construcción, donde para conservar y supervisar de forma óptima las edificaciones es necesario supervisar la solicitación en distintos segmentos a través de mediciones exactas y de larga duración.

Estado de la técnica

a): es la medición de los estados de tensión planos en cuerpos sólidos que se realiza mediante aplicación directa de bandas extensométricas sobre el material. Debido a la sensibilidad química del pegado entre material y banda extensométrica, este dispositivo sólo se puede utilizar durante un tiempo limitado. Además, la aplicación directa de bandas extensométricas, por la necesidad de un estado altamente limpio del lugar de aplicación en un entorno técnico de construcción, sólo se puede lograr con tratamientos previos muy costosos.

b): son bandas extensométricas individuales que se pegan sobre una plancha de acero sin óxido y se sueldan en una estructura. La colocación en la estructura no es posible en esta construcción. Sólo se pueden medir estados de tensión planos. Las repercusiones del proceso de soldadura y la dependencia que tienen los puntos de soldadura de las condiciones externas pueden producir mediciones defectuosas.

c): es la medición de fuerzas por un sensor que se embute en un taladro como anillo sobresaliente con un moleteado externo fino. Es característico de este tipo de sensor que la banda de medición está limitada por la necesidad de una trasmisión de fuerza sin deslizamiento a lo largo de todo el perímetro de contacto. El límite lo establece una fuerza de compresión finita debida al material y el coeficiente de fricción. Así, en la práctica se menciona un límite de dilatación inferior al 0,02% para la banda de medición. Este límite de dilatación, según indica la experiencia, se supera continuamente para la supervisión de puntos interesantes en construcciones. El sensor necesita una alta precisión del taladro en cuanto a las tolerancias y se debe embutir con extremada precisión. Por eso, este tipo de sensor sólo se utiliza en aplicaciones con límites de carga pequeños, como por ejemplo mediciones de nivel de llenado. Además, la banda sólo puede presentar los bajos valores de dilatación antes mencionados. Para garantizar que así sea se necesita un previo análisis de los estados de tensión, para que diversos componentes no provoquen mediciones erróneas.

: Por lo demás se hace referencia al documento US4542655, que presenta un medidor de tensión del taladro con una pieza interior cónica equipada con elementos de medición, que se comprime contra una parte exterior hueca también cónica.

: En el documento EP0344496 se describe un soporte para un calibre extensométrico en forma de disco, en el que el revestimiento exterior del soporte presenta superficies de contacto abombadas.

Objeto

Desarrollo de un sensor que permita una captación reproducible de los estados de tensión en toda la banda de deformación elástica de materiales típicos de construcción, en especial acero, hormigón y rocas. La ampliación de la banda de medición a todas las magnitudes de dilatación elástica que se presentan en la zona de obra son inevitables en estructuras de alto aprovechamiento en una edificación racional. Así se pretende lograr una supervisión de la obra que reconozca daños en un estadio precoz y en este estadio permita tomar contramedidas económicas para conservar la estructura.

Solución

Este objeto se resuelve según la invención

a): porque un cuerpo longitudinalmente cónico de trasmisión de la dilatación, mencionado aquí como pieza interior 2, se comprime en un cuerpo cónico de deformación del mismo tipo, designado aquí como pieza exterior 1, mediante una fuerza de atracción,

b): porque la pieza exterior 1 tiene múltiples ranuras en sentido axial alternadas entre el lado anterior y el posterior,

c): porque la pieza exterior 1 está ejecutada al menos en triángulo y, así, el taladro del objeto a medir sólo toca los nervios de contacto axiales en forma de línea,

d): y porque la pieza interior 2 está equipada con sensores de medida 3.

Descripción

El sensor está compuesto por una parte exterior 1 y una parte interior 2. La superficie de contacto entre la superficie interior 1 y la exterior 2 tiene forma cónica en la disposición longitudinal. Mediante cualquier inducción de fuerza, por ejemplo tornillos de tracción o prensas hidráulicas, la parte interior 2 se comprime en la parte exterior 1. El ángulo cónico debería ser preferentemente inferior a 4,5 grados para que el sensor encaje con autorretención.

Para mantener reducidos los requisitos de tolerancia en el taladro, la parte exterior 1 está ranurada en el sentido del taladro alternando entre la parte delantera y la trasera, de modo que en su perímetro se puede dilatar como un elemento elástico y mediante la parte interior cónica 2 se adapta al diámetro del taladro.

Las superficies externas de la parte exterior 1 que dan al taladro se configuran como polígono, al menos como triángulo, de modo que sólo entran en contacto con la superficie interior del taladro de un objeto a medir con líneas de anchura finita.

La parte interior 2 se ejecuta en forma angular o redonda. En un modelo angular, la parte interior 2 tampoco se configura totalmente como polígono en su sentido tangencial al eje del taladro. La ejecución de la zona de contacto con la parte exterior 1 como superficie en lugar de cómo línea es necesaria para estabilizar las lengüetas de contacto de la parte exterior 1 sensibles a la torsión, es decir, para evitar en estos segmentos el estado de un sistema estáticamente indeterminado. La parte interior 2 se debe colocar en la parte exterior 1 de modo que los puntos angulares de la parte interior y la exterior se encuentren en las mismas diagonales en torno al centro del taladro. En caso de configuración redonda de la parte interior 2, la superficie limitada de contacto con la parte exterior 1 redonda en su interior, de desarrollo cónico, se debe generar mediante un ranurado adecuadamente ancho de la parte exterior 1. En ambos casos, la dilatación se trasmite a las superficies de la parte interior 2 que no tienen contacto con la parte exterior 1. Por lo tanto se integra entre los contactos exteriores a través de los ángulos en torno al centro del taladro del sensor y se representa en la deformación elástica de esta superficie de la parte interior 2. Allí se describe con cualquier método de medida, por ejemplo banda extensométrica 3.

Para la medición de las dilataciones que se trasfieren al perímetro interno de la parte interior 2 se pueden considerar todas las formas posibles de descripción para medir la dilatación. El taladro interior también se puede utilizar en la técnica de medición con otras construcciones, como por ejemplo barras de tracción que corten el espacio o membranas. También es pensable la utilización de sensores de medida sin contacto.

En interés de la precisión de medida hay que cuidar de que las uniones transversales entre los segmentos de la parte exterior 1 dirigidos en el sentido del taladro y producidos por el ranurado no entren en contacto con la zona importante para la medición técnica de la parte interior 2. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante un giro libre adecuado del taladro interior cónico en la parte exterior 1.

Los nervios de contacto en forma de línea del sensor angular pueden estar interrumpidos en su centro por rebajes adecuados, de modo que las zonas de contacto sólo sean ya aproximadamente puntuales, conservándose preferentemente en los bordes exteriores del taladro. Así, el sensor también puede captar componentes de carga, fuera del plano de carga propiamente dicho, perpendiculares al eje del taladro.

El sensor se puede construir con diversos materiales. Éstos se pueden adaptar al objeto de medida 4, por ejemplo materiales blandos para plásticos o madera y acero para hormigón y metales. A título de ejemplo, se podría utilizar titanio para una banda de medida muy alta.

Forma de ejecución preferida

El sensor según la invención resulta especialmente adecuado para la captación de la matriz de tensión en un entorno de estructura. Para esta finalidad de uso, en hormigón y acero resulta adecuada una ejecución en acero fino, debido a las propiedades elásticas y a su resistencia a la corrosión. En la práctica resulta ventajoso y de manejo sencillo un tensado externo con cuatro tornillos de tracción. Para obtener información sobre un caso de carga plana con componentes de tracción y empuje que se presente en la técnica de construcción resulta más adecuada la ejecución octogonal, para asignar distintas señales de medida a los componentes de carga. En este caso se puede utilizar una ejecución de sensores de medida con banda extensométrica en el taladro interior de la pieza interior.

Para el sensor se desarrolló un procedimiento de medida para detectar daños, que permite una supervisión sencilla de puntos débiles potenciales en la estructura mediante comparación de matrices de tensión. Para ello se comparan entre sí los comportamientos de las señales en las mediciones de un sensor de detección, que proporciona señales sobre daños existentes en la estructura, y las mediciones de un sensor de referencia que proporciona información sobre los estados de carga en la estructura. El lugar de adaptación de ambos sensores se debe escoger de modo que las señales de salida en función de la carga sólo se diferencien en un factor constante en estado sin daños. Por medio de una adaptación de sensibilidad se ajustan las señales en un amplificador de medida de modo que su diferencia sea igual a cero. Ya que las modificaciones del material sólo tienen efectos locales en su fase inicial, sólo resulta afectada la matriz de tensión del sensor próximo al defecto. La variación de la señal en función de la carga se modifica y se produce una señal diferencial finita entre los sensores. La ubicación adecuada se puede determinar mediante un análisis por método de elementos finitos (análisis FEM). Pero también es posible formular los valores empíricos de estos análisis con carácter general en un sistema tabular para distintos puntos débiles. El procedimiento de medición se puede ampliar incorporando más sensores de referencia, de modo que se determinen el lugar de la carga y la magnitud de la misma. Con la combinación de magnitud de carga y lugar de carga se puede calcular una señal para uno de los varios sensores de detección posibles.

La actuación en el procedimiento de medida garantiza que ningún desperfecto del sensor quede sin descubrir. Si falla un sensor, la diferencia de señal es distinta de cero.

Ventajas

En comparación con los métodos descritos por el estado de la técnica, el sensor según la invención ofrece las siguientes ventajas:

La parte exterior permite una gran dilatación gracias al ranurado múltiple, de modo que sólo hay que plantear escasos requisitos al taladro en el que se coloca el sensor. Esto permite un montaje rápido, y por lo tanto económico, con herramientas típicas de construcción, sin que sea necesaria una formación especial de los montadores.

Gracias a la estructura angular, el sensor según la invención permite elevar la banda de medida por encima del límite determinado por la relación entre la fuerza de adherencia y la fuerza de compresión radial mediante el coeficiente de adherencia bajo condiciones ideales, es decir, en acero aproximadamente con una dilatación de 0,1%. Una fuerza de compresión vertical finita en función del material produce una fuerza de medida tangencial reducida en el valor del coeficiente de adherencia. Esta fuerza no se puede superar en ninguna posición sobre la superficie interna del taladro, ya que en caso contrario se produce una histéresis debida a la fricción. En el sensor según la invención se evita esta limitación de la trasmisión superficial de la dilatación por medio de contactos axiales en forma de nervios. Entre éstos se integra la dilatación en sentido perimétrico y se trasmite a la parte interior en la que está aplicada la banda extensométrica.

Mediante un dimensionado óptimo se puede lograr la mejor relación posible para la compresión radial de los contactos lineales que produce la adherencia y la elasticidad tangencial del sensor, de modo que, por ejemplo, dentro de la zona elástica del acero como material típico de construcción se puede determinar un comportamiento de trasmisión lineal prácticamente sin histéresis.

A través de rebajes centrados en los contactos de líneas de la parte exterior, el sensor según la invención se puede ampliar a una medición espacial de varios componentes.

Claims

1. Sensor para la medición de fuerza y dilatación de materiales sólidos, con

a): un cuerpo cónico de trasmisión de la dilatación en disposición longitudinal, denominado aquí parte interior, que se sujeta mediante fuerza de atracción en un cuerpo de deformación del mismo tipo de conicidad, denominado aquí parte exterior,

b): en donde la parte exterior está ranurada varias veces en sentido axial alternando el lado anterior y el posterior,

c): y porque la parte interior está equipada con sensores de medida, caracterizado porque

: la parte exterior está ejecutada al menos como triángulo y, así, el taladro del objeto a medir sólo se toca con nervios de contacto axiales en forma de línea.

2. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado porque en la zona de contacto de la parte interior y exterior las ranuras en la parte exterior seccionan la superficie de contacto en su totalidad o en parte.

3. Sensor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la parte exterior está interrumpida en sus nervios de contacto con el taladro lineales, formados por las esquinas.

4. Procedimiento para la detección de daños, caracterizado porque un sensor según la reivindicación 1, 2 ó 3 se emplea en combinación con otros sensores de referencia y detección, y permite la comparación entre puntos influidos por las variaciones del material y los no influidos por las variaciones del material.