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PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN DE EXTENSÓMETRO (STRAIN-GAGE) EN BARRAS DE ANCLAJE
CARLOS FRANCISCO RIVERA QUINTERO
BOGOTÁ
2017
PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN DE EXTENSÓMETRO (STRAIN-GAGE) EN BARRAS DE ANCLAJE
CARLOS FRANCISCO RIVERA QUINTERO
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ
2017
PROCEDIMIENTO DE INSTALACION DE EXTENSOMETRO EN BARRAS DE ANCLAJE (STRAIN-GAGE)
CARLOS FRANCISCO RIVERA QUINTERO
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE
INGENIERO CIVIL
DIRECTOR
JUAN CARLOS RUGE
INGENIERO CIVIL
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2017
5
Nota de Aceptación
________________________
________________________
________________________
________________________
________________________
____________________________
Firma del presidente del jurado
____________________________
Firma del jurado
____________________________
Firma del jurado
BOGOTÁ, 2017
6
TABLA DE CONTENIDO
GLOSARIO ....................................................................................................... 12
RESUMEN ........................................................................................................ 13
INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 14
1 GENERALIDADES .................................................................................. 15
1.1 ANTECEDENTE .................................................................................. 15
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................... 21
2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ....................................................... 21
2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ..................................................... 21
3 OBJETIVOS ............................................................................................ 22
3.1 OBJETIVO GENERAL ......................................................................... 22
3.2 OBJETIVO ESPECIFICO .................................................................... 22
4 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 23
5 DELIMITACIÓN ....................................................................................... 24
6 MARCO REFERENCIAL ......................................................................... 25
6.1 MARCO TEÓRICO .............................................................................. 25
6.1.1 Diseño de prueba de carga axial en una pila instrumentada colada in situ en depósitos interestratificados del oriente del Valle de México. .... 25
6.1.2 Comportamiento dinámico en tensión de uniones soldadas por los procesos TIG y FSW. ................................................................................ 31
6.2 MARCO CONCEPTUAL ...................................................................... 34
6.2.1 Galgas Extensométricas, extensómetros y/o strain gage. ............. 34
6.2.2 Relación de Poisson. ..................................................................... 35
6.2.3 Constatán. ..................................................................................... 35
6.2.4 Circuito de Medida de las Galgas.................................................. 36
6.2.5 Características del sensor. ............................................................ 36
6.2.5.1 Anchura y Longitud. ................................................................ 36
6.2.5.2 Peso. ...................................................................................... 36
6.2.5.3 Tensión medible ..................................................................... 36
6.2.5.4 Temperatura de funcionamiento ............................................. 36
6.2.5.5 Resistencia de la galga ........................................................... 36
6.2.5.6 Material de la lámina ............................................................... 37
6.2.5.7 Material de la base ................................................................. 37
6.2.6 Puente de Wheatstone. ................................................................. 37
6.2.7 Selección del Strain Gage. ............................................................ 38
6.2.8 Tipos de aleaciones para Strain Gages. ....................................... 39
7
6.2.9 Galgas (strain gage y/o extensómetro) cortas. .............................. 40
6.2.10 Galgas (strain gage y/o extensómetro) largas. .......................... 40
7 DISEÑO METODOLÓGICO .................................................................... 41
8 METODOLOGIA ..................................................................................... 43
8.1 MATERIALES ...................................................................................... 43
8.2 PROCEDIMIENTO DE INSTALACION DEL EXTENSÓMETRO ......... 45
8.2.1 Paso 1 ........................................................................................... 45
8.2.2 Paso 2 ........................................................................................... 45
8.2.3 Paso 3 ........................................................................................... 46
8.2.4 Paso 4 ........................................................................................... 47
8.2.5 Paso 5 ........................................................................................... 48
8.2.6 Paso 6 ........................................................................................... 49
8.2.7 Paso 7 ........................................................................................... 49
8.2.8 Paso 8 ........................................................................................... 50
8.3 TIPO DE ESTUDIO.............................................................................. 50
8.4 PRÁCTICA EN LABORATORIO PARA VERIFICACIÓN DEL DISPOSITIVO ............................................................................................... 50
8.4.1 Datos y resultados de la práctica .................................................. 51
8.4.1.1 Primer ensayo. ........................................................................ 51
8.4.1.2 Segundo ensayo. .................................................................... 52
9 CONCLUSIONES ................................................................................... 54
10 RECOMENDACIONES ........................................................................... 55
11 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 56
8
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Esquema de colocación de strain Gages de acero....................... 15
Ilustración 2 Sensores para sumergirse en concreto ....................................... 15
Ilustración 3 Dinamómetro de anillos extendidos empleado en la evaluación de
un órgano escarificador. ............................................................................ 16
Ilustración 4 Canal de Suelos. ......................................................................... 16
Ilustración 5 Flexible link robot set-up .............................................................. 17
Ilustración 6 Prototipo Sistema de arranque. .................................................... 19
Ilustración 7 Esfuerzos sobre la superficie del modelo .................................... 20
Ilustración 8 Esfuerzos sobre el espesor del modelo ........................................ 20
Ilustración 9 Localización de la prueba de carga .............................................. 26
Ilustración 10 Sistema de reacción en planta, para prueba de carga .............. 27
Ilustración 11 Celda colocada en la punta de la pila, previo a la introducción en
la perforación ............................................................................................. 28
Ilustración 12 Paso 1Esquema de colocación de strain gages de acero .......... 29
Ilustración 13 Paso 2 Esquema de colocación de strain gages de acero ......... 29
Ilustración 14 Paso 3 Esquema de colocación de strain gages de acero ......... 30
Ilustración 15 Paso 4 Esquema de colocación de strain gages de acero ......... 30
Ilustración 16 Ubicación del sensor en el acero ................................................ 30
Ilustración 17 Sensor para sumergir en concreto ............................................. 31
Ilustración 18 Soldadura en la lamina ............................................................... 32
Ilustración 19 Ilustración de la colocación y sujeción ....................................... 32
Ilustración 20 Fotografia de la sección transversal de la unión TIG mostrando
poros. ......................................................................................................... 33
Ilustración 21 Curvas esfuerzo-deformación cuasi estáticas: (a) sin daño y (b)
con daño. ................................................................................................... 33
Ilustración 22 Galga extensometrica ................................................................. 34
Ilustración 23 Esfuerzo de poisson ................................................................... 35
Ilustración 24 Puente de Wheatstone ............................................................... 38
Ilustración 25 Barra de acero ............................................................................ 43
Ilustración 26 Lijas ............................................................................................ 43
Ilustración 27 Elementos de limpieza ................................................................ 43
9
Ilustración 28 Strain Gage ................................................................................ 43
Ilustración 29 Cable .......................................................................................... 44
Ilustración 30 Esmalte de silicona ..................................................................... 44
Ilustración 31 Acetona ...................................................................................... 44
Ilustración 32 Pegante ...................................................................................... 44
Ilustración 33 Barra de acero con superficie Lisa. ............................................ 45
Ilustración 34 Proceso lijado con #80 ............................................................... 46
Ilustración 35 Proceso de lijado con #150 ........................................................ 46
Ilustración 36 proceso de lijado con #240 en diagonal ..................................... 46
Ilustración 37 proceso de lijado con #240 en diagonal ..................................... 46
Ilustración 38 Proceso de limpieza a una sola direccion ................................... 47
Ilustración 39 Proceso de limpieza a una sola dirección .................................. 47
Ilustración 40 Ubicación del dispositivo ............................................................ 47
Ilustración 41 Pegado del dispositivo ................................................................ 47
Ilustración 42 Retirado de cinta adhesiva ......................................................... 48
Ilustración 43 Ubicación de Terminales para soldar ......................................... 48
Ilustración 44 Ubicación de Terminales para soldar ......................................... 48
Ilustración 45 Instalación de hilos en los Terminales ........................................ 49
Ilustración 46 Instalación de cableado para caja de resultados ........................ 49
Ilustración 47 Proceso de sellado con resina de silicona .................................. 50
Ilustración 48 Proceso de sellado con resina de silicona .................................. 50
Ilustración 49 Proceso de sellado con resina de silicona .................................. 50
Ilustración 50 Proceso de sellado con resina de silicona .................................. 50
Ilustración 51 Maquina Universal para pruebas de Resistencia de Materiales . 51
10
LISTA DE GRAFICAS
Grafica 1 Comportamiento de deformación de la barra de acero .................... 52
Grafica 2 (Segunda prueba) Comportamiento de deformación de la barra de acero .......................................................................................................... 53
11
LISTA TABLAS
Tabla 1 Datos primera prueba de laboratorio ................................................... 51
Tabla 2 Datos segunda prueba de laboratorio .................................................. 52
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GLOSARIO
ACETONA: Componente orgánico de formula CH3 (CO) CH3 con fusión de ácido acético, o gases resultantes del petróleo, utilizado como disolventes en líquidos por su color y textura.
BARRA DE ANCLAJE: Barra de acero la cual consiente en ayudar a reforzar y asegurar transmisión de esfuerzos en material de tipo rocoso, hormigón entre otros.
DEFORMACIÓN: Cambio fisco que experimenta un material o cuerpo cuando es sometido a fuerzas externas.
ESFUERZO: Fuerza interna de aversión producida por la aplicación de fuerzas externa un cuerpo, materiales u objeto. El esfuerzo se denota con la letra griega σ (sigma).
Aplicación estática: Las concernientes a soportes o estructuras con resistencia alta sometidas a cargas precisas.
Aplicación mixta: Se realizan en estructuras y cuerpos de alta resistencia sometidos a la acción de cargas de variación rápida.
Aplicación dinámica: Realizadas sobre acciones de variación rápida: fenómenos de vibración. Impacto, etc. (Pereira, Mayo de 2007)
PATRÓN DE GRILLA: Número y orientación de las grillas en el extensómetro, multi-grillas o la alineación en forma de cuadricula. La diversidad en sus formas y ubicaciones, logran patrones diferentes para considerables de materiales.
RESINA SILICONADA: Polímero con textura viscosa, sin color y desarrollando para desempeñar una tapa de endurecimiento para el cubrimiento de un material.
SENSOR: Mecanismo normalmente eléctrico capacitado para determinar magnitudes reales en exteriores (físicas y químicas), transformando información en valores cuantitativos.
SOLDADURA: Proceso de adherencia entre dos cuerpos con diferentes procedimientos como calor, frio, presión entre otras.
TERMINALES INTEGRALES: Son soldados al final de las lengüetas de soldadura del extensómetro o strain gage, consiente en la fijación de extensómetros en materiales con áreas superiores desarrollando conexiones directas de conducciones largas.
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RESUMEN
El principal objetivo de este trabajo de grado ha sido el proceso de instalación de un extensómetro en una barra de anclaje, determinando un análisis de comportamiento en deformaciones de una barra de anclaje. Otorgando de manera tecnológica resultados en tiempo real, de comportamientos en deformación ocasionados por fuerzas externas en la barra de anclaje, arrojando información específica para analizar el material a utilizar en una obra civil.
Dando resultados favorables en actualización de métodos de medición de deformación, ayudando al hombre a tener un margen de error mínimo por su conocimiento y prácticas en laboratorio utilizando diferentes materiales constructivos, que concedan información fundamental de un material la vida útil.
PALABRAS CLAVES: DEFORMACION, EXTENSÓMETRO, STRAIN GAGE, SENSOR, PROCEDIMIENTO.
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INTRODUCCIÓN
El siguiente documento presenta de manera explícita, una forma de medición eficaz para determinar valores de deformación en barras de anclaje, con un proceso de instalación de un mecanismo llamado EXTENSÓMETRO y/o STRAIN-GAGE, instrumento sensorial que adopta de manera correcta en tiempo real, los valores de deformación que sufre el material, logrando dar como resultado el comportamiento de este.
A lo largo del avance tecnológico en estudios de las deformaciones en ingeniería civil, se emplearon fórmulas para hallar deformaciones en una barra de acero, teniendo en cuenta que se empleaban de forma escrita, lo cual tenía poca eficiencia y precisión para determinar un tiempo y un valor especifico que ayudara a realizar cálculos en corto tiempo.
Existe un mecanismo sensorial que ayuda a medir deformaciones, llamado EXTENSÓMETRO, el cual tiene un proceso de instalación detallado, este mecanismo surgió en el año 1856 por el profesor William Thomson, el cual demostró que la resistencia de alambre de hierro y cobre variaban por deformación, para ello utilizó el puente de Wheatstone, a mediados del años 1938 el extensómetro o también llamado strain gage fue perfeccionado, desde entonces este mecanismo ha tenido un extenso uso en distintas ramas de la ingeniería.
Por tanto, se empleara el proceso de instalación detallado, logrando exponer el paso a paso y la ejecución efectiva en el laboratorio por medio de sometimiento de fuerzas. Logrando como resultado final una gráfica de deformación vs esfuerzo, obteniendo un análisis del material y su comportamiento.
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1 GENERALIDADES
En este título se especifican los antecedentes y objetivos del diseño e implementación del proceso de instalación del EXTENSÓMETRO en barras de anclaje. Por otra parte se define la estructura y la metodología a utilizar.
1.1 ANTECEDENTE
En México, los ingenieros Paniagua, Ibarra y Gonzales en el año 2008, implementaron, un Diseño de prueba de carga axial en una pila instrumentada colada in situ en depósitos interestratificados del oriente del Valle de México. Utilizando EXTENSÓMETROS en barras, las cuales fueron sometidas a esfuerzos logrando así determinar valores reales en campo de su capacidad de carga.
Se presenta un diseño y construcción de un sistema el cual relaciona la aplicación de cargas para realizar pruebas en una pila. Este proceso se realizó para comprobar valores teóricos de la máxima capacidad de carga que puede soportar la pila. Desarrollando el mecanismo de instalación de EXTENSÓMETROS para las barras de acero que fueron utilizadas en la construcción, teniendo así los valores necesarios para los diseños adecuados y su respectiva construcción.
Fuente: (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Su implementación se desarrolló en las barras longitudinales teniendo en cuenta que son las que reciben el mayor porcentaje de carga y así tener datos reales de las deformaciones. Al realizar la construcción se empleó el mecanismo de impermeabilizante a los sensores mediante una plastilina epóxica la cual proporciona una coraza resistente y rígida que protege el cableado de los sensores.
Ilustración 1 Esquema de colocación de strain
Gages de acero
Ilustración 2 Sensores para sumergirse en
concreto
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El mecanismo de instalación del EXTENSÓMETRO, se realiza con el fin de demostrar de forma clara la medición de deformaciones en barras de anclaje, de una forma tecnológica, que lleve a un margen de error mínimo el cual tenga un comportamiento real con valores correctos para el diseño y construcción de cualquier estructura. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
El Cuba, Roberto Amado Albóniga Gil, Calixto Domínguez Vento, Ciro Enrique Iglesias Coronel y Astrid Fernández de Castro Fabre determino un Diseño de brazos de subsolador dinamométricos para la ejecución de ensayos en canal de suelos.
En la prueba en un Canal de tipo suelo, empleando una Hipótesis de Modelos, similitudes y de un dimensionamiento, para una valoración de partes de producción de suelos, requiere el uso de captadores de las fuerzas que se originan durante los ensayos, para tener que corresponder con otras medidas que interceden en el diseño del ensayo. Durante la ejecución de los ensayos en agricultura de conservación, para la preparación de los suelos se evidencia el desarrollo de extremidades como dinamómetros y extensométricos. (Diseño de brazos de subsolador dinamométricos, jul.-set. 2011)
Ilustración 3 Dinamómetro de anillos extendidos empleado en la evaluación de un órgano escarificador.
Fuente: (Diseño de brazos de subsolador dinamométricos, jul.-set. 2011)
Ilustración 4 Canal de Suelos.
Fuente: (Diseño de brazos de subsolador dinamométricos, jul.-set. 2011)
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El proceso de diseño, construcción y calibración de cuatro brazos de subsolador como dinamómetros extensométricos para la experimentación en Canal de Suelos, demuestra que es factible su construcción sin depender de firmas internacionales, que monopolizan esta actividad en el mundo y lo comercializan a muy altos precios.
La experimentación en Canal de Suelos brinda la posibilidad de optimizar los elementos constructivos de diferentes objetos que interactúan con el suelo. (Diseño de brazos de subsolador dinamométricos, jul.-set. 2011)
En México, Roberto Amado Albóniga Gil, Calixto Domínguez Vento, Ciro Enrique Iglesias Coronel, Astrid Fernández de Castro Fabre establecieron una Modelación y Control de Posición del Extremo de un Robot de Eslabón Flexible: Resultados Experimentales.
La modelación y control de una plataforma experimental de un robot con un eslabón flexible, se define con un movimiento restringido a un plano horizontal y cuyo eslabón flexible es una viga de acero larga y de poco espesor; su ecuación de movimiento está determinada por la ecuación de Euler Bernoulli, que representa un sistema de rigidez y masa distribuida a lo largo de su longitud.
Se define el diseño, la construcción e integración para esta plataforma experimental.
En el control de la posición del extremo libre, el enfoque basado en la retroalimentación pasiva de la velocidad y el enfoque conocido como retroalimentación del esfuerzo, son dos esquemas de control ampliamente utilizados, el desempeño dinámico del sistema en lazo cerrado se ilustra mediante algunos resultados experimentales. (Juan Fernando Peza Solís, Gerardo Silva Navarro and Rafael Castro Linares, 2009)
Ilustración 5 Flexible link robot set-up
Fuente: (Juan Fernando Peza Solís, Gerardo Silva Navarro and Rafael Castro Linares, 2009)
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En el informe se muestra que la salida se visualiza de modo negativo, produciendo resultados aceptables en la modelación y el control de la posición de punta de un brazo de un robot flexible de un solo enlace, haciendo posible derivar una función de transferencia pasiva estabilizando el sistema completo. Pesos modales son una alternativa de distribuir la energía y pueden ser usados para disminuir las vibraciones, sin embargo las vibraciones más pequeñas aumentan el movimiento en el nodo rígido. Para lograr un seguimiento de la salida asintótica de la posición de la punta final, obtener un sistema optimo, un buen rendimiento, incluyendo cuando los primeros tres nodos del sistema físico están siendo excitados. Además, una deformación se aplicó un esquema de control al robot de enlace flexible, obteniendo mejores resultados con una implementación más fácil y sintonización.se usa el sistema de control basado en pasividad PID. (Juan Fernando Peza Solís, Gerardo Silva Navarro and Rafael Castro Linares, 2009)
En EE.UU, ROMERO, TRUJILLO IGNACIO realizó un Diseño, construcción y pruebas de un sistema de arranque para el experimento articulado de control en un plano, teniendo un sistema de arranque para el Experimento Articulado de Control en un Plano (PACE), del Laboratorio Phillips, Base de las Fuerzas Aéreas de EE.UU., California. Este proyecto nace de la necesidad de incorporar un sistema de arranque para mantener el brazo flexible deformado con una fuerza conocida perpendicular al brazo. (ROMERO, 2011)
Las proposiciones para ampliar conocimientos de modelación y control de estructuras se han desarrollado de manera intensivamente desde hace mucho tiempo, pues aspectos como peso son importantes para lograr captar un conocimiento de reducción en elementos que ayuden a naves de exploración enviadas. (ROMERO, 2011)
Algún método que sostiene un brazo flexible y que determina su deformación y fuerza perpendicular, es el «Sistema de Arranque» condicionando algunos temas como lo son:
l. Determinar la fuerza asociada con mantener el brazo deformado.
2. No interferir con la dinámica del brazo.
3. No dañar la mesa de granito.
4. Poder removerse de la superficie de la mesa, rápidamente.
5. Soltar el brazo flexible «limpiamente» y en el momento preciso. (ROMERO, 2011)
Diseño para medir la fuerza que soporta el sistema de arranque: utilizando un dispositivo sensorial que ayuda determinar la deformaciones, llamado (strain gage), adherido a un material como un barra de acero de conocidas especificaciones físicas, se pueden obtener mediciones bastantes exactas de fuerza en relación con la deformación del elemento conocido. El medidor de deformación no es nada más que un elemento eléctrico muy fino y de pequeñas
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dimensiones que al deformarse el acero, al que está adherido, se deforma también, provocando un cambio en la resistencia de ese componente eléctrico. De esta forma, si se hace pasar una corriente constante y se produce un cambio en su resistencia, se pueden medir las fluctuaciones de la corriente y averiguar la fuerza en libras o Newton que el sistema está soportando.
El medidor se ha construido de acero con un «galgas extensométricas o strain gage» adherido para detectar la deformación del acero. El medidor se coloca entre el electroimán (que sujeta una extremidad) y el resto del aparato unido a la mesa. (ROMERO, 2011)
Ilustración 6 Prototipo Sistema de arranque.
Fuente: (ROMERO, 2011)
El diseño de un sistema de arranque ha sido completado y comprobado con la construcción del prototipo. Este prototipo final no representa el sistema de arranque en su totalidad, pero ha servido como base de pruebas para el diseño de todas las secciones del mismo. (ROMERO, 2011)
En México, Miguel A. Guzmán Barriga, Alberto López López, Vicente Torres Luna, estableció una simulación numérica y pruebas experimentales del método del barreno en el rango de comportamiento no lineal del material
Como parte de los estudios encaminados al establecimiento de una metodología numérica-experimental para la medición de los estados de esfuerzos en el rango de comportamiento no lineal del material para tuberías en operación, en este artículo se presentan los resultados obtenidos de la simulación numérica, mediante el método de los elementos finitos, del denominado método del barreno, aplicada a modelos sujetos a tensión simple. Los resultados numéricos parciales indican que el método del barreno puede ser de utilidad en el planteamiento de la metodología buscada. Paralelamente, se plantean ensayes experimentales con el fin de estudiar la sensibilidad de pruebas no destructivas del método del barreno y del Stresscan en el rango de comportamiento inelástico del material. (Miguel A. Guzmán Barriga, Alberto López López, Vicente Torres Luna, 2002)
Procedimiento de análisis: En el trabajo desarrollado se propuso simular numéricamente el MB buscando reproducir con la mejor precisión posible el procedimiento de ejecución de esta técnica experimental. Lo anterior llevó a la
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consideración de que a fin de ser representativos en la simulación del MB, el procedimiento de análisis debería consistir en someter primeramente el modelo a una tensión inicial y posteriormente simular la barrenación en el punto de medición de esfuerzos.
Esta opción, sin embargo, presenta el inconveniente de que al eliminar elementos súbitamente se altera significativamente la rigidez en la zona de eliminación del elemento, lo que tiene como consecuencia inmediata un cambio drástico en el comportamiento del modelo en estudio, lo que dificultaría la solución no lineal o la imposibilitaría. (Miguel A. Guzmán Barriga, Alberto López López, Vicente Torres Luna, 2002)
Ilustración 7 Esfuerzos sobre la superficie del modelo
(Miguel A. Guzmán Barriga, Alberto López López, Vicente Torres Luna, 2002)
Ilustración 8 Esfuerzos sobre el espesor del modelo
(Miguel A. Guzmán Barriga, Alberto López López, Vicente Torres Luna, 2002)
Las deformaciones en los puntos de ubicación de los deformímetros se obtuvieron aplicando repetitivamente el procedimiento de análisis descrito, para los diferentes valores de interés de tensión axial en el modelo, restando de las deformaciones obtenidas después de la degradación de la rigidez las deformaciones presentes al inicio de dicho proceso, lo cual equivale a las deformaciones en los deformímetros inducidas por la barrenación. (Miguel A. Guzmán Barriga, Alberto López López, Vicente Torres Luna, 2002)
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2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Mediante los estudios previos de instalación de sensores para determinar deformaciones de una barra de anclaje, en Colombia, no se ha tenido un proceso de estudio específico, el cual permita resolver de manera práctica y en un tiempo corto, realizando mediciones con un margen de error mínimo, que permita analizar el comportamiento de un material cuando sufre una deformación.
El procedimiento a ejecutar, plantea dar solución a una problemática bastante amplia, como lo es, el no tener tecnología que nos ayude a mitigar procesos para la medición y análisis de comportamientos de deformación en materiales constructivos, para ello es importante implementar mecanismos tecnológicos, que nos permitirán afianzar aún más los conocimientos necesarios para desarrollar ensayos de laboratorio que refuercen todo tipo de aspectos teóricos relacionados con la deformación en un material, como lo es en una barra de acero.
2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Mediante la instalación de un extensómetro (strain gage) en una barra de anclaje es posible medir el rango elástico en el espacio esfuerzo vs deformación?
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3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Proponer un procedimiento de instalación de extensómetros en barras de anclaje aplicable en la práctica de la ingeniería civil en Colombia
3.2 OBJETIVO ESPECIFICO
Establecer una metodología especifica de instalación del extensómetro (strain-gage) en barras de anclaje, de acuerdo a los elementos seleccionados para la práctica.
Diseñar la conexión apropiada del extensómetro (strain-gage) mediante Puente de Wheatstone.
Verificar mediante prueba laboratorial con registro de deformación, el correcto funcionamiento del espécimen en caja lectora de deformaciones.
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4 JUSTIFICACIÓN
En la ingeniería civil se pueden generar sobre costos, retrasos e inconvenientes en la realización de obras, puesto que con el trascurrir del tiempo, se evidencia el avance tecnológico que sufre un país a nivel constructivo, en donde todas las áreas que involucran el crecimiento intelectual del ingeniero civil hacen un aporte importante en el sector constructivo.
Es así como la Ingeniera Civil dará prioridad en sus investigaciones, ayudando a la industria, a generar proyectos de infraestructura con mayor nivel de rendimiento (horas de trabajo, materia prima, tiempos, planeación, etc), eficacia y eficiencia, en cada uno de los procesos que se llevaran a cabo en construcción.
El aporte tecnológico en el proceso de instalación de un EXTENSÓMETRO beneficiara de manera primordial el proceso constructivo de una obra, enfocado a la prevención de fallas y desastres ocasionados por las cargas o fuerzas excesivas, esto fomentara un interés por conocer de manera analítica y práctica, los materiales utilizados en obras de construcción. Desempeñando la correcta instalación de un extensómetro se pueden evitar aspectos primordiales para la salud humana y también de merma economía y tiempo.
Dando como prioridad a estudios previos en laboratorios, que otorguen resultados positivos, los cuales permitan de manera cómoda desarrollarlos en campo y que con el trascurso del tiempo una construcción tenga durabilidad y un comportamiento apto para el ser humano.
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5 DELIMITACIÓN
El proyecto va a determinar la correcta instalación de un extensómetro en una
barra de anclaje, con su verificación de funcionamiento en una prueba
laboratorial. El ensayo de laboratorio finalizara cuando la barra de anclaje sea
sometida a cargas y de respuesta de lectura de deformación.
Por una parte la instalación no va hacer probada en campo, puesto que se realizó
en un tamaño escala, solamente para ejecutar en laboratorio.
Además de ampliar conocimientos en comportamiento de deformación en
materiales de construcción, un aspecto clave es contribuir de manera académica
a los estudiantes de la Universidad Católica, ensayos prácticos e implementación
de tecnologías como el extensómetro que aporte a futuras investigaciones
directamente en campo.
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6 MARCO REFERENCIAL
6.1 MARCO TEÓRICO
Con el pasar de los años la construcción ha tenido un tecnológico importante, traducido en la optimización de los tiempos por diferentes técnicas y los materiales utilizados, que con alta calidad ayudan a realizar una obra con resultados muy favorables para las personas. Con el deber de llevar una estructura más allá de lo normal, es admisible tener una composición de estudios previos para lograr esta, teniendo claro los principios de la física y ramas que la componen, es por ello, que en el día a día el ingeniero quiere innovar de manera que las estructuras lleve aspectos importantes como su resistencia a desastres naturas y su arquitectura, que de manera significativa pueda dar un paso al desarrollo.
En Colombia se lleva a cabo un proceso que con el transcurrir del tiempo va tomando un camino positivo, en cuanto a infraestructura moderna se refiere, pues al analizar de manera analítica las obras realizadas durante estos últimos años, y podemos observar que en las grandes ciudades se ha logrado implementar y construir estructuras de alta resistencia como de una arquitectura no muy común en países vecinos.
La construcción es un parte importante para crecimiento de un país, estableciendo de manera explicativa, el porqué de llevar un país a grandes desarrollos en la construcción, puesto que de manera local podremos ver un crecimiento de empleo, que por medio de esté llevara a lograr una ampliación de estructuras que sirvan para la comunidad y se busque satisfacer en un futuro el crecimiento de una ciudad.
Logrando de manera comprensible, la utilización de materiales que ayuden a cuidar y proteger el medio ambiente, de manera que las estructuras tengan una composición compleja tanto estructural como arquitectónica.
Determinando estudios importantes para llevar una construcción de manera más eficaz y moderna, los ingenieros tendríamos que llevar la tecnología de la mano, para implementar en software simulaciones que aporten a la finalidad de tener una estructura con beneficios para el ser humano.
Algunos trabajos recientes utilizando strain gage en construcción son:
6.1.1 Diseño de prueba de carga axial en una pila instrumentada colada in situ en depósitos interestratificados del oriente del Valle de México.
En el siguiente trabajo como antecedentes ampliado, principalmente se menciona de manera adecuada el estudio basado en diseños de estructuras en
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concreto y barras de acero, logrando determinar por el proceso de instalación de strain gage, el comportamiento real para analizar de manera periódica la razón de un trabajo en tiempo y situaciones reales. A continuación se presenta la contextualización del trabajo realizado en México con resultados y fotos reales de la ejecución del mismo.
Se presenta el diseño y construcción de la instrumentación, sistema de reacción y de aplicación de cargas para realizar una prueba de carga axial en una pila colada in situ. La prueba se realizó para verificar las estimaciones teóricas de la capacidad de carga de los apoyos de un puente perteneciente a las vialidades rápidas construidas recientemente en el oriente del Valle, donde existen secuencias de arcillas blandas y arenas en forma alternada. La pila de prueba se construyó aledaña a uno de los apoyos del puente, con un diámetro menor, aunque con longitud similar al de las pilas definitivas. El diseño de la instrumentación se orientó a distinguir el aporte de la punta y del fuste a la capacidad de carga total de la pila, aunado al conocimiento de la carga y desplazamiento en la cabeza. Se destaca la conveniencia de una instrumentación como la descrita, eventuales desventajas y propuestas para su mejora. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
En el último lustro se ha ampliado la red de vialidades de cuota al Noreste del Valle de México, en donde se han construido entronques y distribuidores viales elevados. Entre esas obras se destaca un puente de 850m de longitud ubicado en el cruce de Av. Central y El gran Canal de Desagüe (siguiente ilustración), cuya cimentación está resuelta mediante zapatas rectangulares de concreto reforzado apoyadas sobre pilas coladas in situ de 1.5m de diámetro y longitudes aproximadas de 32m. Atendiendo a la importancia de esta obra, se consideró pertinente verificar las estimaciones teóricas de capacidad a través de una prueba de carga axial a la falla. La pila de prueba consta de una sección circular de 80cm de diámetro y 32m de longitud, cuyo cuerpo y punta se instrumentaron ampliamente. En otro artículo de estas memorias (Ibarra y Paniagua, 2008) se presentan los resultados de la prueba; aquí se describe el diseño de la prueba, destacando la instrumentación. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Ilustración 9 Localización de la prueba de carga
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Fuente: (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
La siguiente prueba tiene un enfoque donde se diseñó la instrumentación para la pila de prueba cuyo siguiendo los lineamientos generales de pruebas de carga precedentes (Mendoza et al., 2003, Ibarra y Mendoza, 2005). El enfoque fue registrar, no únicamente la carga aplicada en la cabeza y el desplazamiento asociado, que se obtienen típicamente en las pruebas de carga convencionales, sino registrar también deformaciones unitarias y carga que se presenta en todo el cuerpo de la pila; esto con el fin de conocer los mecanismos de transferencia de carga de la pila al suelo adyacente y distinguir claramente el aporte que da la capacidad de carga por fricción y por punta. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Descripción del experimento
El sistema de reacción para la aplicación de la carga axial a la pila de prueba se conformó por dos vigas de acero llamadas secundarias de sección H con peralte total de 1.35m y longitud de 5m, rigidizadas mediante atizadores de ¾” soldados perpendicularmente al alma de la viga. Sobre las vigas secundarias reacciona una viga denominada principal; igualmente que las vigas secundarias, ésta está rigidizada con atizadores y sellada con placas de acero formando una caja; la altura total de la viga Principal es de 1.85m y cuenta con una longitud de 5m. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Ilustración 10 Sistema de reacción en planta, para prueba de carga
(Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
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Carga en la punta Se colocaron cuatro celdas de carga en la punta, cada una formada por cuatro tubos de acero mecánico de alta resistencia, soldados a placas de acero estructural de 3.5cm de espesor, formando una unidad con altura total de 23 cm. El diámetro de las placas fue de 73cm esto pensado para permitir el paso libre de la celda dentro de la perforación de la pila, así evitar el arrastre de material al fondo de la excavación. En la siguiente ilustración se muestra un esquema y un corte de la celda de carga en conjunto. El espacio entre los tubos instrumentados se rellenó con microparafina para sellar el conjunto y proteger a la instrumentación, además de ofrecer una protección mecánica a los cilindros. La conexión de la instrumentación de la celda de carga sale de un barreno en la placa superior de la celda y se cubrió con poliflex hasta la superficie. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
La capacidad de carga individual de cada cilindro fue de 150t, que en conjunto formarían una celda con capacidad de carga 600t, cabe mencionar que cada uno de los tubos de acero instrumentados que conforman la celda fue calibrado individualmente antes de integrarse a las placas. Este instrumento de registro falló debido principalmente a la rudeza de las maniobras y, probablemente, a la hermeticidad deficiente del conjunto bajo agua; su diseño para otras pruebas deberá revisarse (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
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Ilustración 11 Celda colocada en la punta de la pila, previo a la introducción en la perforación
(Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
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Microdeformaciones unitarias en el concreto y en el acero estructural
Se colocaron deformímetros eléctricos soldados a las varillas de refuerzo longitudinal y otros más ahogados en el concreto dispuestos en cinco secciones a lo largo de la pila, estos deformímetros permitieron conocer las microdeformaciones que ocurrieron en la pila durante el proceso de aplicaciones de carga; conociendo así su variación a diferentes profundidades, de donde es posible inferir las cargas que van transmitiéndose estructuralmente por el cuerpo de la pila y con ello, es posible inferir también las curvas de distribución y de transferencia de carga. Para ello se representa un esquema de instalación (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Ilustración 12 Paso 1Esquema de colocación de strain gages de acero
Fuente: (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Ilustración 13 Paso 2 Esquema de colocación de strain gages de acero
Fuente: (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
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Ilustración 14 Paso 3 Esquema de colocación de strain gages de acero
Fuente: (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Ilustración 15 Paso 4 Esquema de colocación de strain gages de acero
(Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Logrando llevar este proceso a un espacio real para analizar sus resultados
Ilustración 16 Ubicación del sensor en el acero
(Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
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Ilustración 17 Sensor para sumergir en concreto
(Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
Llegando a concluir de forma textual que la instrumentación permitió conocer a detalle el aporte del fuste y de la punta en cada etapa de prueba, así como las curvas de transferencia de carga y de distribución de carga en toda la profundidad (Ibarra y Paniagua, 2008).
Los sistemas redundantes de medición resultaron muy convenientes debido a la falla, prácticamente inevitable, de un porcentaje de los sistemas de medición. Los sensores de concreto muestran un comportamiento muy estable en sus registros, además de que su instalación es rápida y sencilla. (Paniagua, W. I., Ibarra, E., González, J.L., 2008)
6.1.2 Comportamiento dinámico en tensión de uniones soldadas por los procesos TIG y FSW.
“Friction Stir Welding” (FSW) es un proceso de soldadura en fase solida con algunas ventajas respecto a los procesos de soldadura por fusión que producen una mayor distorsión debido a la transformación de fase. El propósito de este trabajo es investigar el efecto a altas velocidades de deformación y daño previo por fatiga en el comportamiento a tensión de las uniones soldadas de aleación de aluminio 6061-T6 por los procesos TIG (“Tungsten Inert Gas”) y FSW. El comportamiento cuasi-estático fue estudiado en especímenes con diferentes niveles de daño por fatiga. La respuesta dinámica a la tensión a diferentes velocidades de carga se evaluó por medio de la barra Hopkinson. La respuesta de las uniones soldadas fue comparada con la del material base. Se midieron microdureza, modos de falla y esfuerzos residuales para especímenes de TIG y FSW. La componente longitudinal del esfuerzo residual fue determinada empleando el método de contorno (“contour method”). Los resultados muestran las propiedades mecánicas obtenidas por los diferentes procesos. (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
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Para el proceso de soldadura en las láminas se llevó a cabo una soldadura TIG, dos placas a tope fueron soldadas usando un metal de aporte ER4043.
Ilustración 18 Soldadura en la lamina
Fuente: (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
La Figura 1(a) presenta un diagrama esquemático de la configuración de la soldadura, en la que se puede ver que dos placas son soldadas entre ellas con una distancia de separación de 2 mm de la raíz y una ranura conjunta en forma de V formando un ángulo de 60° entre ambas.
La prueba se desarrolló determinando las propiedades mecánicas cuasi-estáticas se obtuvieron en una máquina MTS810 aplicando una carga monotónica a una velocidad constante de 1 mm/min. (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
Ilustración 19 Ilustración de la colocación y sujeción
Fuente: (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
Arrojando como resultados con su respectivo análisis el poder observa en la siguiente ilustración, las uniones de TIG presentan defectos que afectan a la fatiga. Por esa razón, el daño por fatiga solo fue inducido en especímenes de FSW. (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
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Ilustración 20 Fotografia de la sección transversal de la unión TIG mostrando poros.
Fuente: (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
Desarrollando una prueba de cuasi-estáticas de tensión, pruebas cuasi-estáticas de tensión se realizaron en especímenes obtenidos de las uniones por TIG y FSW y las curvas de esfuerzo deformación se muestran (en la siguiente ilustración(a)). La curva esfuerzo-deformación del material base es incluida para comparación. Propiedades importantes obtenidas de las curvas tales como el módulo de Young, esfuerzo de fluencia y el esfuerzo. El esfuerzo último de las uniones de TIG y FSW es alrededor del 62% y 65%, respectivamente de la medida en el material base. Las curvas esfuerzo-deformación cuasi-estáticas de las uniones de FSW para diferente nivel de daño son mostradas en la siguiente ilustración (b), diferente número de ciclos fueron aplicados para inducir el daño por fatiga. La curva esfuerzo deformación del material con daño y libre de daño es incluida para comparación. De estos resultados es posible observar un efecto no significativo del daño previo por fatiga en la respuesta esfuerzo deformación a tensión de los especímenes de FSW. (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
Ilustración 21 Curvas esfuerzo-deformación cuasi estáticas: (a) sin daño y (b) con daño.
Fuente: (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
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Concluyendo que el comportamiento cuasi-estático fue estudiado en especímenes con diferentes niveles de daño previo por fatiga. No se observó un efecto significativo del daño previo por fatiga en la respuesta esfuerzo-deformación cuasi-estática de los especímenes FSW. La estabilidad de las propiedades mecánicas cuasi-estáticas mejora el comportamiento de esta estructura de unión soldada y el proceso de soldadura por fricción. La respuesta dinámica a tensión a diferentes cargas fue evaluada usando la barra Hopkinson. Se encontró que la velocidad de deformación no afecta significativamente la respuesta dinámica de las uniones obtenidas por ambos procesos. Se comparó la respuesta de las uniones soldadas y la del material base. (C. Rubio-González, J. L. Ortiz, A. Sánchez, SEPTIEMBRE, 2010)
6.2 MARCO CONCEPTUAL
6.2.1 Galgas Extensométricas, extensómetros y/o strain gage.
Dispositivo sensorial, añadido aun material, por medio de esta instalación el dispositivo arroja valores de magnitudes de medición electrónica como lo es la presión, carga, torque, deformación del cuerpo donde fue adherido el dispositivo.
Strain gage es aquel dispositivo que por medio de un proceso de instalación en un material mide deformaciones por medio de la ejecución de fuerzas externas y define como la fracción de cambio en longitud, como de demuestra la figura 22 a continuación: (Miguel Yapur M. Sc., 2015)
Ilustración 22 Galga extensometrica
(Miguel Yapur M. Sc., 2015)
La cuantificación de un dispositivo strain gage consigue resultados positivo en tensión y negativo en compresión. En ensayos, la dimensión de un strain gage (Extensometro o galga) es muy mínima por lo que constantemente se habla como unidad de microstrain (µε). Cuando una barra se somete a un proceso de tensión por unas fuerzas externas, como lo muestra la figura 23, un fenómeno conocido como relación de Poisson, causa que la parte transversal de la barra se contraiga en la trayectoria perpendicular. (Miguel Yapur M. Sc., 2015).
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Ilustración 23 Esfuerzo de poisson
.
(Miguel Yapur M. Sc., 2015)
Existe una medida esencial entre las tipos de strain gage (Extensometro o galgas extensométricas), que es la sensibilidad de elongación o llamado simplemente factor de galga (G). El factor de galga es definido como la relación de variación fraccional de resistencia eléctrica y la variación fraccional de longitud (Miguel Yapur M. Sc., 2015).
6.2.2 Relación de Poisson.
Un cuerpo o material que tenga comportamientos deformables, es dócil a una fuerza axial de tensión, no sólo se tiende a alarga, asimismo tiene un desarrollo de contracción lateral (Rodríguez., 2013)
6.2.3 Constatán.
El procedimiento constatán es básicamente una aleación de cobre y níquel que por medio de la ejecución esta tiene un autocompensación en la temperatura, que accede a obtener un conocimiento amplio cuando el material es fallado y el coeficiente de expansión entra en este proceso.
Este procedimiento de aleación de 55% de cobre y 45 % de níquel es una de la más antiguas, debido a que la aleación domina una conformación de diferentes aspectos de las medidas que deben corresponder y tener como prioridad a la hora de optar el material. (Strain Gages. Principios y aplicaciones en resistencia de materiales, 2006).
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6.2.4 Circuito de Medida de las Galgas.
Para las mediciones de galgas extensométricas (strain gage, extensómetros). Presenta un proceso complejo de medición por las resistencias utilizadas. Este requiere implementar el puente de Wheatstone para determinar el cambio en el material cuando es sometido a fuerzas externas y tiende a deformarse. (Miguel Yapur M. Sc., 2015).
6.2.5 Características del sensor.
El dispositivo sensorial tiene unas características básicas para desarrollar un conocimiento frente a su instalación:
6.2.5.1 Anchura y Longitud.
Dichos parámetros nos proporcionan las características constructivas de la galga. Nos permite escoger el tamaño del sensor que más se adecúe a nuestras necesidades. (CUENCA, 2005)
6.2.5.2 Peso.
Esta característica nos define el peso de la galga. Este suele ser del orden de gramos. (CUENCA, 2005)
6.2.5.3 Tensión medible Es el rango de variación de longitud de la galga, cuando ésta se somete a una deformación. Este rango viene expresado en un tanto por cien respecto a la longitud de la galga. (CUENCA, 2005)
6.2.5.4 Temperatura de funcionamiento Es aquella temperatura para la cual el funcionamiento de la galga se encuentra dentro de los parámetros proporcionados por el fabricante. (CUENCA, 2005)
6.2.5.5 Resistencia de la galga Es la resistencia de la galga cuando ésta no está sometida a ninguna deformación. Es la resistencia de referencia y suele acompañarse de un porcentaje de variación. (CUENCA, 2005)
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6.2.5.6 Material de la lámina Esta característica nos define el material del que está hecho el hilo conductor o el material semiconductor. (CUENCA, 2005)
6.2.5.7 Material de la base Esta característica nos define el material del que está constituida la base no conductora de la galga. (CUENCA, 2005)
6.2.6 Puente de Wheatstone.
Para determinar fácilmente el funcionamiento del puente de Wheatstone es necesario dejar claro, que este trata de un circuito diseñado para encontrar la resistencia, utilizado como un instrumento que aporta una precisión alta, en cuanto a evaluar mediciones desconocidas.
El comportamiento de ejecución del puente de wheatstone tiene como prioridad encontrar una resistencia, está se puede calcular mediante un equilibrio de las extremidades del puente, los cuales tiene una conformación de 4 resistencias que hacen parte del circuito cerrado.
Cuando el puente de wheatstone entra en desarrollo se logra que las resistencias tengan una instalación en forma de diamante y se ejecuta en corriente continua a través de dos puntos opuestos del mismo (Figura 24), conectándose un galvanómetro a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que fluyen por las extremidades del circuito se igualan, lo que elimina el flujo de corriente por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el puente puede ajustarse a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se calcula a partirlos valores de las otras resistencias. Se utilizan puentes de este tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de circuitos. Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas (SEPULVEDA, 2015)
Para entender de manera cómoda la instalación del puente de wheatstone utilizada en este trabajo, se puede dar como prioridad el hecho de poder tener 4 resistencias formando un diamante y logrando ubicar una resistencia en el medio para poder equilibrar de manera correcta el puente y que trabaje apropiadamente cuando los sensores tienen algún tipo de contacto.
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Ilustración 24 Puente de Wheatstone
(SEPULVEDA, 2015)
6.2.7 Selección del Strain Gage.
En el proceso de instalación de un strain gage, (galga extensometrica y/o extensómetro) es importante, tener un conocimiento que aplique al comportamiento apropiado de un material, esto quiere decir que la importancia de escoger apropiadamente un dispositivo es primordial, pues existen diferentes tipos de dispositivos que dependiendo del material este tendrá un comportamiento real al ser fallado. Por ello es necesario tener en cuanta:
Facilidad de instalación.
Obtener un conocimiento de material a manejar o donde va ser instalado el dispositivo.
La optimización del Strain Gage para condiciones de operación y condiciones ambientales específicas.
Minimizar el costo de instalación del Strain Gage.
La obtención de una medida de deformación confiable y precisa.
En el proceso de selección de un dispositivo Strain gage, considera establecer unos parámetros que sea lo más congruente con las situaciones de temperatura
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ambiental y de ejecución, esto lleva a tener una satisfacción del desarrollo del producto con su instalación y ejecución.
Estos requerimientos pueden ser:
Estabilidad.
Durabilidad.
Facilidad de instalación Precisión.
Resistencia cíclica -Resistencia ambiental.
(Rodríguez., 2013)
6.2.8 Tipos de aleaciones para Strain Gages.
Para desarrollar un mecanismo con strain gage (galgas extensométricas y/o extensómetros), el dispositivo lo compone una aleación que puede desarrollarse por medio de una sensibilidad que ayuda a la obtención de resultados más efectivos al fallar un espectro.
Tipo de Aleación A: Constantan, una aleación de cobre y nickel, autocompensado por temperatura.
Tipo de Aleación P: Constantan templado.
Tipo de Aleación D: Aleación isoelástica de cromo y nickel.
Tipo de Aleación K: Aleación de cromo y nickel, Karma autocompensado por temperatura.
(Rodríguez., 2013)
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6.2.9 Galgas (strain gage y/o extensómetro) cortas.
Las galgas extensométricas cuya longitud es de alrededor de 3 mm tienden a exhibir su rendimiento un tanto degradado particularmente con respecto a su máxima elongación, su estabilidad y durabilidad bajo mediciones de deformación cíclicas. Cuando cualquiera de estas características empobrece la precisión de la medición se justifica la utilización de una galga de mayor longitud. (Rodríguez., 2013)
6.2.10 Galgas (strain gage y/o extensómetro) largas.
Las galgas largas ofrecen ciertas ventajas que valen la pena mencionar, son más fáciles de manipular en todos los aspectos de la instalación y cableado, proveen una mejor disipación del calor. Estas consideraciones pueden ser muy importantes a la hora de trabajar sobre materiales plásticos u otros con pobre disipación de calor. Una inadecuada disipación de calor trae una sobre elevación de temperatura en la grilla, material de respaldo, adhesivo y superficie de prueba, y puede afectar notablemente el rendimiento y la precisión. (Rodríguez., 2013)
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7 DISEÑO METODOLÓGICO
Para el desarrollo de este trabajo de grado, se efectuaron algunas fases importantes que tenían como desempeño registrar y explicar de manera concisa un procedimiento de instalación de un dispositivo que al ser adherido a un material, este pudiese arrojar valores de deformación cuando dicho material fuera sometido a cargar externas.
Para tener presente las fases para desarrollar todo el proceso de construcción, investigación y ejecución del trabajo de grado es indispensable contextualizar y explicar el porqué del tema. Esto se comenzó a desarrollarse en el año 2015 cuando por medio del ingeniero Juan Carlos Ruge se logró participar de una conferencia y curso del proceso de instalación de un strain gage en una barra de acero.
Para realizar el proyecto se establecieron fases importantes, las cuales son:
Fase 1
Conocimiento y ubicación del extensómetro.
La primera fase del proyecto consta de adquirirá un conocimiento de la existencia de un dispositivo sensorial capaz de medir deformaciones. Esto se desarrolla en por medio de un semillero de la universidad dirigido por el ing. Ruge, con la participación en un curso, que tenía como objetivo la explicación del proceso de instalación de un strain gage en una barra de acero, desde la participación al curso se desarrollaron nuevos conocimientos, como el poder seguir estudiando esta manera tecnológica de medir deformaciones por medio de un dispositivo sensorial.
Fase 2
Recolección de información de trabajo de grado.
Ubicando el objetivo del desarrollo del tema, con la informaciones obtenidas se profundizara el porque y como ampliar un conocimiento de instalación de un extensómetro en un material capas de sufrir deformaciones. Llevando de manera periódica, investigaciones que aportaran al conocimiento ya obtenido por dicho curso, desarrollando estas investigaciones por medio de libros, videos, artículos e información en internet.
Fase 3
Adquirir el material necesario para un proceso de instalación del extensómetro en una barra de anclaje
Por medio de la realización del curso se lograra adquirir los materiales necesarios, por el ingeniero expositor del curso dado, resaltando que dichos materiales fueran los mismos para poder desarrollar el trabajo de grado, dando
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como objetivo la manera correcta del proceso de instalación del extensómetro en una barra de anclaje.
Fase 4
Instalación y ejecución del espectro para el desarrollo del trabajo de grado
Ya adquiriendo la información, los materiales correctos y teniendo como base los videos, se lograra realizar el procedimiento de instalación del extensómetro en una barra de anclaje, siguiendo de manera específica y minuciosa estos caminos para el realizar correctamente un espécimen, que trabajara y tuviese un comportamiento en laboratorio igual al realizado por el experto en el tema.
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8 METODOLOGIA
Para la instalación y funcionamiento del extensómetro y/o strain gage se empleara un paso a paso del proceso de instalación, explicando de manera breve y precisa la instalación de este mecanismo para que el proceso pueda tener unos resultados efectivos en su ejecución. Para ello conoceremos los materiales a utilizar.
A continuación se da una descripción de los materiales a utilizar.
8.1 MATERIALES
En la presente ilustración se observa una barra de acero, donde será instalado el dispositivo (strain gage), con una limadura en el centro de la misma, para el desarrollo adecuado de instalación del dispositivo. Ilustración 25 Barra de acero
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En la ilustración 27, se puede observar de izquierda a derecha los diferentes tipos de lija a utilizar, comenzando con la lija #80, #150 y #240 Ilustración 26 Lijas
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En la siguiente ilustración se puede observar el material para realizar el proceso de limpieza en la barra de acero (gasa). Ilustración 27 Elementos de limpieza
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En la ilustración 29 se puede observar el dispositivo strain gage, galga extensometrica y/o extensómetro, a utilizar en el proceso de instalación. Ilustración 28 Strain Gage
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En la presente ilustración se da a mostrar amarres de plástico para sujetar y un cable que es el encargado transmitir la información a la fuente. Ilustración 29 Cable
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En la ilustración 31, se puede ver los esmaltes de silicona, los cuales ayudan impermeabilizar todo el montaje y tener un recubrimiento sobre él. Ilustración 30 Esmalte de silicona
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En la siguiente ilustración se puede observar un líquido llamado acetona, es aquel líquido que nos ayuda en el proceso de limpieza para tener una superficie limpia sin ningún residuo. Es importante el buen manejo de este líquido por salud. Ilustración 31 Acetona
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En la ilustración 33 se puede ver el tipo de pegante a utilizar, se realiza con este tipo, pues su desempeño es el más apropiado para que el dispositivo quede bien adherido a la barra de acero. Ilustración 32 Pegante
Fuente: Autor
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8.2 PROCEDIMIENTO DE INSTALACION DEL EXTENSÓMETRO
A continuación se expondrá de manera ordenada el proceso de instalación.
8.2.1 Paso 1
Inicialmente, para instalar el extensómetro o strain gage en cualquier superficie o estructura, se debe tener ciertas recomendaciones y parámetros para adherir el dispositivo y que tenga un funcionamiento correcto.
Como se ve en los materiales a utilizar, el extensómetro se instalará en una barra de acero, esta barra tendrá que tener una superficie lisa, por ello, se le hace una pequeña limadura que removerá todas las nervaduras, arrojando un resultado de barra como lo muestra la siguiente imagen.
Ilustración 33 Barra de acero con superficie Lisa.
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8.2.2 Paso 2
Al tener ya la barra lista para seguir el procedimiento, se procederá a tener una superficie un poco más lisa sin ninguna imperfección, implementado manualmente un proceso de lijado. Este proceso se realiza con 3 tipos de lijas como lo son, la #80, #150 y #240, el proceso de lijado con la lija #80 y #150 se debe hacer en el punto donde se instalara el dispositivo, este es un proceso normal como cualquier otro lijado, con la lija #240 se realizan 4 pasadas en dirección diagonal de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, en seguida ser hará un marcando sutilmente en dos puntos que sean opuestos para la instalación del dispositivo, todo este procedimiento de lijado y marcado debe realizarse en dos caras con sentido opuesto, donde se instalara el dispositivo.
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Fuente: autor Fuente: autor
Fuente: autor Fuente: autor
8.2.3 Paso 3
El siguiente paso consta del proceso de limpieza de la barra de acero, este proceso requiere de materiales como ACETONA Y GASA, dejando claro que se puede realizar con otros materiales supliendo la acetona con alcohol isopropilico o alcohol medicinal, este procedimiento de debe realizar en una sola dirección las veces que sea necesario hasta que el ojo humano determine que la barra de acero no tenga ninguna suciedad al pasar la gasa. Este procedimiento de realiza en las dos caras opuestas donde se instalara el dispositivo.
Ilustración 34 Proceso lijado con #80 Ilustración 35 Proceso de lijado con #150
Ilustración 36 proceso de lijado con #240 en
diagonal
Ilustración 37 proceso de lijado con #240 en
diagonal
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Fuente: autor Fuente: autor
8.2.4 Paso 4
Mediante ayuda de cintas adhesivas, se empleara el proceso de pegado ayudando a no contaminar y pre-tensionar el dispositivo, este procedimiento se realiza con mucho cuidado, colocando el extensómetro en el punto correcto, despegando una parte de la cinta con el dispositivo y adicionando pegante industrial, en el punto y el área de ubicación del dispositivo, dejando así el dispositivo adherido a la barra de acero, logrando retirar la cinta adhesiva. Este procedimiento se realizara en las dos caras donde se instalara el dispositivo.
Ilustración 40 Ubicación del dispositivo
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Ilustración 41 Pegado del dispositivo
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Ilustración 38 Proceso de limpieza a una sola
direccion Ilustración 39 Proceso de limpieza a una sola
dirección
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Ilustración 42 Retirado de cinta adhesiva
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8.2.5 Paso 5
El paso a realizar se implementa para facilitar las conexiones que se realizan con los hilos que contienen el dispositivo y los cables que se encargan de llevar la información a la caja para obtener los valores de deformación.
Este proceso se realiza con terminales que ayudan y facilitan el proceso de soldadura, esto se realiza adhiriendo los terminales con pegante industrial al costado izquierdo y en la parte inferior de cada extensómetro, teniendo una distancia acorde a cada dispositivo. Este procedimiento se realiza en las dos caras donde se ubican los extensómetros.
Ilustración 43 Ubicación de Terminales para soldar
Fuente: autor
Ilustración 44 Ubicación de Terminales para soldar
Fuente: autor
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8.2.6 Paso 6
Para el proceso de soldadura de los hilos que contiene el extensómetro, se implementa el teorema del Puente de Wheatstone ayudando a que el circuito corresponda para que los resultados sean correctos al fallar la barra de acero
Con más detalle se expondrá el proceso de colocación de los hilos que contiene el extensómetro en los terminales ubicados anteriormente, de forma gráfica se hará una simulación para ubicar cada hilo, dejando claro que el ejercicio es solo para determinar la ubicación de las conexiones.
Ilustración 45 Instalación de hilos en los Terminales
Fuente: autor
8.2.7 Paso 7
En el siguiente paso de conexiones para el cable que llevara los datos a la caja de resultados, se hará un proceso de soldadura ubicándolos en los terminales donde posteriormente se adhirieron los hilos del dispositivo. Gráficamente se expondrá un ejemplo de la ubicación de estos, dando como resultado todas las conexiones necesarias para dar como terminado el proceso de instalación.
Ilustración 46 Instalación de cableado para caja de resultados
Fuente: autor
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8.2.8 Paso 8
Como último proceso después de su instalación en la barra de acero, tiene como finalización el aplicar una capa de resina de silicona para fijar e impermeabilizar el dispositivo.
Fuente: autor
8.3 TIPO DE ESTUDIO
El estudio abordado es de enfoque experimental debido a que se usan diferentes tipos de instrumentos y sensores, estos sensores llamados strain gage, galgas extensométricas y/o extensómetros, son dispositivos pequeños, (área aproximada de 1 cm²), que son adheridos a la barra de acero, los diferentes instrumentos que se utilizaron nombrados anteriormente, son materiales muy convencionales, la utilización e implementación de todo lo anterior da como resultado un espectro capaz de ser fallado suministrándole fuerzas externas arrojando de manera numérica valores que represente deformaciones.
8.4 PRÁCTICA EN LABORATORIO PARA VERIFICACIÓN DEL DISPOSITIVO
Esta práctica se elaboró en instalaciones de la Universidad Católica Colombia, en el laboratorio de mecánica de sólidos. Esta práctica es ejecutada por medio de un equipo que aplica fuerzas determinadas para que el material sufra un proceso de deformaciones, el cual arroje resultados positivos que ayuden a analizar su comportamiento cuando estos son sometidos a fuerzas externas.
Ilustración 47 Proceso de sellado con resina de silicona
Ilustración 48 Proceso de sellado con resina de silicona
Ilustración 49 Proceso de sellado con resina de silicona
Ilustración 50 Proceso de sellado con resina de silicona
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Ilustración 51 Maquina Universal para pruebas de Resistencia de Materiales
Fuente: Autor
8.4.1 Datos y resultados de la práctica
8.4.1.1 Primer ensayo.
Este ensayo se realizó tomando nota de deformaciones aplicando fuerzas cada 200Mpa.
Tabla 1 Datos primera prueba de laboratorio
ESFUERZO [σ]
(kN/m2)
DEFORMACIÓN [ε]
(%)
0 0
200 125 x10^-6
400 445 x10^-6
600 669 x10^-6
800 975 x10^-6
1000 1301 x10^-6
1200 1531 x10^-6
Fuente: Autor
52
Grafica 1 Comportamiento de deformación de la barra de acero
Fuente: Autor
Observando la gráfica 1, el comportamiento de la barra de acero tiende sufrir una elongación en dirección axial, logrando aumentar la temperatura en la parte central disminuyendo el área de la sección transversal, ocasionando una deformación en el material representada en la gráfica.
8.4.1.2 Segundo ensayo.
Este ensayo se realizó tomando nota de deformaciones aplicando fuerzas cada 300Mpa.
Tabla 2 Datos segunda prueba de laboratorio
ESFUERZO [σ]
(kN/m2)
DEFORMACIÓN [ε]
(%)
0 0
300 85 x10^-6
600 185 x10^-6
900 672 x10^-6
1200 1035 x10^-6
1500 1504 x10^-6
Fuente: Autor
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 500 1000 1500 2000
σ(k
N/m
2)
ε (%)
Esfuerzo vs Deformación
53
Grafica 2 (Segunda prueba) Comportamiento de deformación de la barra de acero
Fuente: Autor
Observando la gráfica 2, el comportamiento de la barra de acero es un poco más visible pues la fuerza aplicable es mayor, logrando que la barra de acero sufra un elongación en dirección axial, logrando aumentar la temperatura en la parte central disminuyendo el área de la sección transversal, ocasionando una deformación mayor que la del primer ensayo, como lo representa la gráfica.
0
500
1000
1500
2000
0 500 1000 1500 2000
σ(k
N/m
2)
ε (%)
Esfuerzo vs Deformacion
54
9 CONCLUSIONES
A través del tiempo los procesos de instrumentación tecnológica en métodos constructivos han tenido un lugar privilegiado dentro de las obras de ingeniería civil; sin duda alguna una contribución en el desarrollo académico y la modernización en Colombia son determinantes. En este sentido realizar un procedimiento de instalación de extensómetros en barras de anclaje incorporado de manera progresiva, estudios y análisis que ayudaran en la práctica de la ingeniería en el país.
La solución adoptada, destaca la metodología específica y correcta del proceso de instalación de un extensómetro en barras de anclaje.
Poseer un conocimiento básico en cuanto a la instalación de circuitos, utilizando la teoría del puente de Wheatstone, que daría como resultado el funcionamiento que requiere un extensómetro para ser ensayado en laboratorio.
La verificación del espectro en prueba laboratorial da como registro la deformación que sufre la barra de acero al ser sometida a cargas externas, esto dando como efectivo funcionamiento correcto del espécimen en caja lectora de deformaciones.
55
10 RECOMENDACIONES
Para desempeñar de manera adecuada el proceso de instalación de un extensómetro, se debe tener implicaciones en un estudio previo, como fue el curso extracurricular dictado por la Universidad Católica de Colombia, otorgando certificación del proceso de instalación de extensómetro (Strain Gage), al cual el autor tuvo la oportunidad de asistir.
Para realizar de manera correcta el debido proceso de instalación de extensómetros en barras de anclaje, es necesario poseer los materiales correctos mencionados anteriormente, los cuales implican el buen procedimiento y funcionamiento de instalación de un extensómetro.
Para desarrollar el procedimiento de limpieza del material (acero), es necesario utilizar guantes y tapa bocas, pues los implementos a utilizar pueden hacer daño a la salud humana.
De manera general, durante la manipulación de materiales en el proceso de instalación del extensómetro en la barra de acero, es importante mantener una limpieza adecuada para que el extensómetro no se contamine y pueda sufrir un daño.
Se recomienda que este procedimiento sea utilizado en trabajos futuros como la instalación de extensómetros en placas en voladizo o inclusive para medir deformaciones en el modelo físico de golpe de ariete existente en el laboratorio de hidráulica.
56
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