ES2267366B1 - Sistema de sensado para la medicion de deformaciones en estructuras o maquinas. - Google Patents
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Abstract
Sistema de sensado para la medición de deformaciones en estructuras o máquinas. Especialmente idóneo para ser aplicado en estructuras de hormigón armado, como por ejemplo vigas, consiste en un sensor materializado al menos en una fibra de Bragg (1), embebida o adosada a dicha viga, que a través de un acoplador óptico (9) recibe un haz de luz generado por una fuente emisora (8), a través de una fibra óptica (16), de manera que las perturbaciones (2) de la fibra de Bragg (1) generan un espectro reflejado proporcional a la deformación de la viga por efecto de la carga en el punto en el que se encuentran tales perturbaciones, suministrando dicho espectro reflejado, a través de un segundo acoplador óptico (10) y de un filtro de Bragg (13) a un demodulador (14), que recibe también una señal de referencia, la correspondiente a la ausencia de deformación en la viga, demodulador que convierte la señal óptica recibida en una señal analógica o digital que puede ser tratada o analizada por un sistema de adquisición de datos (15), como por ejemplo un PC.
Description
Sistema de sensado para la medición de
deformaciones en estructuras o máquinas.
La presente invención se refiere a un sistema de
sensado, que ha sido especialmente concebido para detectar la
deformación sufrida por el material en cualquier tipo de estructura
o máquina, frente a cualquier esfuerzo que pueda afectar su
fiabilidad o nobleza.
El objeto de la invención es conseguir la medida
directa y en tiempo real de las citadas deformaciones, ya sean
internas o externas, así como la magnitud del trabajo que realizan
las citadas estructuras o máquinas, mejorando los aspectos de
seguridad, calidad y economía, de manera que son las propias
estructuras o máquinas las que indican el estado en que se
encuentran, de una forma rápida, inmediata y con un alto grado de
sensibilidad o fiabilidad.
La invención es aplicable al ámbito de la
construcción y las obras públicas, como por ejemplo para saber si
un muro de contención o un muro pantalla está trabajando
correctamente ante los esfuerzos de las tierras que contiene, o si
es necesario reforzar parte de una estructura debido a cualquier
fallo, inmediatamente detectable por la información que ofrece el
sistema. Éste es igualmente aplicable al ámbito de la industria en
general, como por ejemplo para saber si en todo momento un puente
grúa trabaja dentro del margen de seguridad para el que está
diseñado.
En el ámbito preferente de aplicación práctica
de la invención, el de estructuras a base de hormigón armado
endurecido, para conocer su correcto funcionamiento ante unos
esfuerzos para los cuales ha sido calculado se llevan a cabo
ensayos lentos, costosos y a veces destructivos.
Estos ensayos en el hormigón armado son
necesarios cuando se efectúa una mala ejecución de obra, por fallos
de cálculo, así como también como mero control periódico en las
estructuras, o en casos más particulares, como por ejemplo cuando
las estructuras pueden haberse visto afectadas por agentes
externos, tales como derrumbamientos, explosiones, movimientos
sísmicos, etc.
Todos estos ensayos presentan como denominador
común el hecho de que se llevan a cabo con la colaboración de
elementos ajenos a las propias estructuras, que se montan sobre
ellas en el momento de realizar el ensayo y se retiran
inmediatamente a continuación, lo que supone elevados costos de
manipulación, además de los inherentes a los propios equipos
utilizados, a lo que hay que añadir también que requieren de una
intencionalidad en la comprobación, es decir, que tales maniobras
deben efectuarse de forma deliberada, cuando el personal de
mantenimiento lo estime conveniente, de manera que en muchas
ocasiones los fallos son detectados con notable posterioridad al
momento en el que se han producido, impidiendo tomar de forma
inmediata las acciones que sean pertinentes para resolver el
problema, e incluso pudiendo producirse cualquier desastre, como
por ejemplo un derrumbamiento, por no haber actuado con la
debida
celeridad.
celeridad.
El sistema de sensado que la invención propone
resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática
anteriormente expuesta, de manera que las estructuras pasan a
comportarse como elementos "vivos" capaces de indicar en todo
momento el estado en que se encuentran, con los consecuentes y
beneficiosos efectos que ello supone, además de permitir aumentar
la precisión del cálculo de cualquier estructura, disminuyendo así
su coste y mejorando su puesta en obra.
Para ello y de forma más concreta dicho sistema
se basa en la utilización de una combinación de fibra óptica,
monomodo o multimodo, con paquetes de redes de difracción de Bragg,
comúnmente denominadas "fibras de Bragg", las cuales pueden
quedar embebidas o estar adosadas a las estructuras de hormigón o
del material de que se trate, con independencia de su
naturaleza.
A este circuito de fibra se conecta un emisor
lumínico, que puede ser tipo led o láser, a través de un acoplador
óptico, de manera que el haz lumínico se refleja en las
perturbaciones de la red de Bragg, con una componente de frecuencia
determinada por la separación entre las citadas perturbaciones, y
todo ello en función del índice de refracción que se introduce en
la fibra.
Evidentemente, las piezas de las estructuras
sufren una compresión y una tracción que están directamente
relacionadas con la cantidad de esfuerzo a que están sometidas, de
manera que estas deformaciones afectan a la separación entre las
perturbaciones de la red de Bragg y, en consecuencia, se produce un
cambio en las componentes espectrales de frecuencia que se reflejan
en la misma.
Esto permite medir cuánto se ha deformado la
estructura en comparación con el haz de luz teórico o esperado, la
correspondiente a aquella que se produciría en el caso de que la
pieza de la estructura no estuviese sometida a carga o
esfuerzo.
La componente de frecuencia reflejada se hace
pasar, a través de un filtro de Bragg que convierte la información
espectral recibida del acoplador óptico en una señal de amplitud
medible por fotodetectores, a un detector de alta velocidad, el
cual convierte la señal óptica recibida en una señal eléctrica que
puede ser analizada y/o tratada tanto por un ordenador como por un
analizador de espectros.
Consecuentemente, el haz de luz que, generado
por el emisor, viaja a través de la fibra óptica y de la fibra de
Bragg, sufre la reflexión de algunas de sus componentes de
frecuencia, que son recogidas por el receptor, de manera que cuando
la fibra de Bragg se tracciona o comprime, al suceder lo mismo con
la pieza de la estructura en la que está embebida o adosada,
cambian las componentes de frecuencia que se reflejan, pudiendo
conocer así la deformación que sufre la estructura, y todo ello de
forma permanente y en tiempo real.
Lógicamente la medición de deformaciones puede
realizarse en un punto predeterminado de la estructura o en todos
aquellos puntos que se estime conveniente.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra la descripción gráfica del
funcionamiento de una fibra de Bragg.
La figura 2.- Muestra un esquema correspondiente
al sistema de sensado en su conjunto, con participación en el mismo
de los elementos de una unidad básica para un punto de medida.
La figura 3.- Muestra, según una representación
esquemática en perspectiva, la extensión de la unidad básica de la
figura anterior a varios puntos de medida.
La figura 4.- Muestra, también según una
representación esquemática, en alzado lateral y en perfil, un
ejemplo de implantación de la sensor de Bragg sobre una pieza de
hormigón armado, en ausencia de carga para la misma.
La figura 5.- Muestra, finalmente, una
representación similar a la de la figura anterior, en la que la
pieza de hormigón armado aparece en situación de carga.
Tal como acaba de decirse, en la figura 1 se ha
representado una descripción gráfica del funcionamiento de una
fibra de Bragg (1) en la que existen una serie de perturbaciones
(2), de manera que la señal lumínica (3) emitida a la fibra genera
un espectro transmitido (4) y un espectro reflejado (5), este
último generado precisamente por las citadas perturbaciones (2) del
índice de refracción que se han grabado en dicha fibra (1).
Las fibras de Bragg (1) están destinadas a
asociarse a la pieza de hormigón armado (6) a controlar, por
ejemplo, quedando inmersas en su seno en la disposición mostrada en
la figura 4, de manera que cuando la pieza (6) sufre una
deformación debido a la carga (7), tal como se ha representado a su
vez en la figura 5, esta deformación afecta de forma proporcional a
las perturbaciones (2) y, en consecuencia, al espectro reflejado
(5).
Pues bien, partiendo de este "modus
operandi" de una fibra de Bragg, el sistema que la invención
propone, de acuerdo con la unidad básica representada en la figura
2, parte de una fuente de luz (8) que es suministrada de forma
directa, a través de una fibra óptica, al sensor o fibra de Bragg
(1) gracias a un acoplador óptico (9). Parte de la luz que llega a
la fibra de Bragg (1) es reflejada en sus perturbaciones (2) y es
dirigida a un segundo acoplador óptico (10) en el que se establecen
dos patas o salidas, una de filtrado (11) y una de referencia (12),
estableciéndose en la primera un filtro de Bragg (13), que
selecciona la información espectral que se desea medir, y llegando
ambas patas, tanto la de filtrado como la de referencia, a un
demodulador (14) de alta velocidad. La pata de referencia (12)
compensa las pérdidas de amplitud producidas por el sistema.
Finalmente, el demodulador (14) convierte la
señal óptica recibida en una señal eléctrica analógica o digital,
que puede ser tratada o analizada por un sistema de adquisición de
datos (15) adecuado tal como un PC, PDA's, etc.
A partir de esta unidad básica representada en
la figura 2, dicha unidad puede ser extendida a varios puntos de
medida, tal como muestra la figura 3, donde se observa la
existencia de un array (1') de fibra de Bragg, con diferentes
grupos de perturbaciones (2), (2'), (2''), ..., donde el
demodulador (14') es de cuatro canales y donde el elemento o
estructura (6) a controlar se relaciona con el sistema de
demodulación a través de un latiguillo (16) de fibra óptica, siendo
su funcionamiento idéntico al del caso anterior, con la única
salvedad de que en este caso y tal como muestra la figura 3,
existen cuatro puntos de medida, los correspondientes a los cuatro
grupos de perturbaciones (2), situados en correspondencia con los
puntos de sensado elegidos para la pieza estructural (6).
Volviendo nuevamente a las figuras 4 y 5, en las
que se aplica el sistema a una viga de hormigón armado, las fibras
de Bragg (1) se situarán en las zonas marginales superior e
inferior de la viga (6), que se corresponden respectivamente con la
zona comprimida y la zona traccionada de la misma, de manera que al
someter a la citada viga (6) a una carga, tal como muestra la
figura 5, la respuesta física de la fibra de Bragg (1) es
traccionarse en la zona traccionada y comprimirse en la zona
comprimida, debido a su adherencia con el hormigón. Se crea así un
trabajo en conjunto pudiendo relacionar los componentes de
frecuencia recibidas, diferentes a las emitidas por esta
deformación en común, con la cantidad de deformación de la viga.
Con el sistema de la invención y como
anteriormente se ha dicho, es el propio hormigón, ya sea armado, en
masa, pretensado o postensado, el que indica el estado en el que se
encuentra, de una forma rápida y con la sensibilidad que da una
fibra óptica.
Se consigue además que la propia estructura sea
la que indique cuál es su límite de trabajo, y consecuentemente si
está bien o no calculada o ejecutada.
Las ventajas o posibilidades que ofrece el
sistema son amplias, y entre ellas cabe destacar la siguiente:
- -
- Se consigue una mayor precisión en el cálculo estructural, lo que conlleva a una mayor eficacia y un trabajo más exacto de las estructuras, ahorrando un gasto que hoy día se realiza aplicando los coeficientes de mayoración y minoración en los cálculos estructurales.
- -
- Se consigue un aumento de seguridad en una obra durante su realización, pudiéndose comprobar paso a paso que no se corre ningún riesgo de cualquier tipo de accidente inesperado por mala ejecución, corrimientos de tierra, seismos, derrumbamientos, explosiones, etc.
- -
- El sistema resulta operativo durante todo el periodo de vida de una construcción y frente a cualquiera de los agentes anteriormente citados.
- -
- Permite su utilización como ensayo previo, para conocer mejor la forma de trabajo del hormigón.
- -
- Permite igualmente ensayos de control, para conocer el comportamiento de las estructuras a lo largo de la realización de la obra.
- -
- Permite también realizar ensayos de información, para conocer la evolución del hormigón.
Cabe señalar por último que el sistema es
aplicable como elemento de prevención en
grúas-pluma, ante cualquier anomalía que pueda
conllevar su desplome, pudiéndose conocer cómo se comporta en todo
momento.
Su aplicación se hace también extensiva a
cualquier tipo de maquinaria que se pueda ver afectada por agentes
externos y conlleve a un peligro inmi-
nente.
nente.
De forma general la aplicación del sistema se
puede extender a cualquier campo imaginable en el cual los
elementos que lo componen estén sometidos a cambios bruscos,
inesperados o violentos, que impidan la función para la que están
desarrollados, los cuales pueden ser prevenidos con la implantación
del sistema.
Claims (2)
1. Sistema de sensado para la medición de
deformaciones en estructuras o máquinas, que siendo de especial
aplicación en el ámbito de las estructuras a base de hormigón
armado, se caracteriza porque consiste en disponer, sobre el
elemento estructural (6) de que se trate, al menos una fibra de
Bragg (1), provista de al menos una agrupación de perturbaciones
(2) en el punto del elemento estructural en el que se desea realizar
la medición, fibra de Bragg que, a través de un acoplador óptico
(9), recibe un haz de luz de una fuente lumínica (8), habiéndose
previsto que el espectro reflejado (5) en dicho haz de luz retorne
al citado acoplador óptico (9) y a través de él acceda, también
mediante conducciones de fibra óptica (16) a un segundo acoplador
óptico (10), desde el que el espectro reflejado (5) accede, a
través de un filtro de Bragg (13), a un demodulador (14) de alta
velocidad, al que llega también una señal lumínica de referencia
desde una salida (12), correspondiente al espectro producido en
ausencia de deformación en el elemento estructural (6), demodulador
(14) que convierte la señal óptica recibida en una señal eléctrica
analógica o digital y la suministra a su vez a un sistema de
adquisición de datos (15), tal como un PC, donde dicha señal suele
ser tratada o analizada.
2. Sistema de sensado para la medición de
deformaciones en estructuras o máquinas, según reivindicación 1ª,
caracterizado porque cada fibra de Bragg (1) está embebida o
adosada al elemento estructural (6), sufriendo las mismas
deformaciones que este último, por efecto de la carga (7), tanto
las debidas a los efectos de compresión como a los efectos de
tracción, de manera que las características del espectro son
proporcionales al grado de deformación en uno u otro sentido,
sufrido por el elemento estructural.
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