ES2355344A1 - Dispositivo y método para la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y método para la medida de cuantía y
orientación de fibras metálicas integradas en hormigón
reforzado.
El dispositivo comprende una disposición de
bobinas con al menos una bobina (B1) cuyo arrollamiento define un
cuerpo tubular con un volumen interior libre (V), y prevista para
generar un campo magnético detectable por un sistema de detección
(Sd) previsto para detectar cambios en dicho campo magnético
provocados al insertar una muestra (M) de hormigón con fibras
metálicas (F) en dicho volumen (V), o al aproximarlo a una porción
de hormigón.
El arrollamiento de como mínimo una bobina de la
disposición de bobinas es más denso en una o en ambas de sus zonas
extremas (Ze1, Ze2).
El método comprende utilizar el dispositivo para
medir la cuantía y orientación de fibras de una muestra de hormigón
reforzado o para medidas superficiales de cuantía de fibras en una
estructura de hormigón reforzado.
Description
Dispositivo y método para la medida de cuantía y
orientación de fibras metálicas integradas en hormigón
reforzado.
La presente invención concierne en general, en
un primer aspecto, a un dispositivo para la medida de cuantía y
orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado,
mediante la detección de las variaciones en un campo magnético
provocadas por la presencia o proximidad de dichas fibras, y en
particular a un dispositivo que comprende una disposición de bobinas
con como mínimo una bobina constituida por un arrollamiento de
espiras, el cual no es uniforme a lo largo de toda la longitud de la
bobina.
Un segundo aspecto de la invención concierne a
un método que comprende utilizar el dispositivo propuesto por el
primer aspecto para medir la cuantía y orientación de fibras
metálicas integradas en una muestra de hormigón reforzado.
Un tercer aspecto de la invención concierne a un
método que comprende utilizar el dispositivo propuesto por el primer
aspecto de la invención para realizar una medida superficial de
cuantía de fibras metálicas en una estructura o elemento de hormigón
reforzado.
Son conocidas diversas propuestas relativas a
métodos y aparatos cuyo fin es el de aplicar un método inductivo
para realizar una medida de la cuantía, y en algunos casos también
de la orientación, de fibras metálicas integradas en hormigón
reforzado, ya sea en una muestra o directamente en la superficie de
una estructura fija sin la necesidad de romperla.
Dichos métodos inductivos, también conocidos
como ensayos por inducción electromagnética (según la norma UNE
83512-1 del año 2005), son una aplicación de la ley
de Faraday de electromagnetismo: Las probetas o muestras de hormigón
reforzado deben situarse dentro de un contenedor a tal efecto y de
geometría determinada. Circundando ese contenedor, se sitúan, en
general, dos devanados o bobinas de hilo de cobre o aluminio.
Contenedor más bobinas conforman el elemento sensor del sistema. Por
una de las bobinas (la primaria), circula una corriente eléctrica
que genera un campo magnético y por ende un flujo magnético
que pasa por el centro de la bobina. Si este flujo es variable, se
induce una corriente en la otra bobina (la secundaria). Existe
reciprocidad entre flujo generado por una bobina y corriente
inducida en la otra, y su relación se llama coeficiente de inducción
mutua que es una medida de la influencia magnética entre las dos
bobinas. Puede demostrarse que este coeficiente de inducción sólo
depende de la forma y la distancia entre las bobinas así como de la
naturaleza (ferromagnética) de los materiales cercanos a las
bobinas. Por lo tanto, si el material de las probetas o la propia
muestra cambia, el coeficiente de inducción también cambia.
En la patente RU2170429 se propone uno de tales
métodos inductivos, para determinar el coeficiente de orientación de
fibras de acero en hormigón, midiendo la inductancia de una bobina
electromagnética con una muestra dispuesta en su interior, y
comparándola con diferentes valores de inductancia de diferentes
muestras con coeficientes conocidos.
La patente JP10054824 hace referencia a un
aparato y método de detección superficial de fibras metálicas en
estructuras de hormigón, utilizando dos bobinas, una emisora y una
receptora, que detecta el cambio en el flujo magnético generado por
la bobina emisora, provocado por las fibras metálicas contenidas en
una estructura de hormigón reforzado en la superficie de la cual se
ha dispuesto dicho aparato para aplicarle dicho flujo magnético.
Otra de dichos aparatos es el equipo
BSM-100, desarrollado por la empresa HERTZ
Systemtechnik GmbH. Éste está formado por dos bobinas arrolladas
sobre un soporte tubular en el interior del cual disponer unas
muestras o probetas cúbicas de 15x15x15 cm. La bobina primaria del
equipo de HERTZ genera un campo magnético en el centro de la bobina
de dirección perpendicular a la de las espiras de la bobina. Con
ello, se inducen diferencias de corriente en la bobina secundaria en
función de la diferente cuantía de fibras contenidas en las probetas
que se miden. El sistema realiza una curva de calibración a partir
de la medida de un determinado número de probetas patrón con
diferentes dosificaciones de fibra, y posteriormente calcula el
contenido de fibras de las probetas medidas a partir de un ajuste a
la curva obtenida. El protocolo de medida requiere introducir la
probeta según sus tres ejes, para determinar la fracción de fibras
que se encuentran orientadas en cada dirección (una fibra a lo largo
del flujo magnético modifica el coeficiente de inducción mientras
que una que lo atraviesa prácticamente no lo modifica). Como
resultado, el equipo ofrece una estimación de la cuantía de fibras y
el reparto de éstas en cada una de las direcciones medidas. El mismo
equipo también puede utilizarse en hormigón fresco gracias a unas
cubetas disponibles para tal efecto.
Se ha evaluado el equipo de HERTZ, y realizado
una serie de medidas sobre una serie de muestras o probetas usadas
como patrón, que han aportado como resultado una curva de
calibración globalmente lineal. El ajuste de las demás probetas a
esta curva aporta valores de contenido de fibra cercanos al nominal
(diferencias inferiores al 10%) y distribuciones generalmente
uniformes en la orientación.
Sin embargo, la geometría de la bobina
(primaria) de HERTZ sugiere que el campo magnético no es uniforme en
todo el espacio central donde se ubican las probetas. Es decir, una
fibra situada en una zona con una intensidad de campo mayor,
modifica más el coeficiente de inducción que la misma fibra situada
en una zona de intensidad de campo menor.
Para comprobar dicho efecto, se realizaron dos
experimentos sobre el equipo de Hertz: Para el primero, se construyó
una bobina secundaria de tamaño muy inferior (Øhilo=1,5 mm y
Øbobina=90 mm, N=4 espiras) al de la primaria, y con un valor medido
de 4 \muH, a fin de medir los campos inducidos en cada una de las
zonas del espacio.
Para medir la amplitud de señal captada, se
conectó la bobina secundaria a un osciloscopio convencional (ancho
de banda 300 MHz). Se midió frecuencia y amplitud en distintos
lugares del interior y exterior de la bobina primaria. Se comprobó
que el equipo trabaja a una frecuencia única de 60 Hz (valor
adecuado según las referencias consultadas de experiencias
similares, que recomiendan un margen de 50 a 200 Hz). Se midió una
amplitud máxima en el centro de la bobina primaria de 25 mVpp y un
valor en los extremos superior e inferior de la misma de 15 mVpp, lo
que supone una caída de señal de 4 dB. Por contra, no se aprecian
diferencias significativas entre puntos de un mismo plano horizontal
en el interior de la bobina primaria.
Para el segundo experimento, se dispuso una
cantidad significativa de fibras de acero en el lecho de un cubo de
metacrilato de las dimensiones de las probetas cúbicas de 15x15x15
cm y se introdujo en el interior del soporte tubular que contiene
las bobinas. Las fibras se situaron en la base del cubo con un
grosor inferior a 0,5 cm. Se comprobó que medía diferente cantidad
de fibra cuando la misma cantidad y disposición de fibras en el
interior del cubo de metacrilato se situaba en la base del soporte
tubular o a media altura (7,5 cm). La medida indicó una presencia
superior en más del 20% cuando las fibras se situaban a media
altura.
Así, se comprueba lo que sugería la geometría de
la bobina primaria, que dentro de la muestra cúbica aquellas fibras
ubicadas en la zona central de la misma tendrán un mayor peso que
aquellas ubicadas en los extremos. De forma que si las fibras se
encuentran distribuidas de forma uniforme, la medida final será
adecuada, pero si por contra existen distribuciones especiales o
acumulaciones de fibras (erizos) en determinadas zonas del espacio,
tendrán un efecto distinto en la lectura final en función de si
éstas se encuentran en la zona central o en las zonas superior e
inferior de la probeta bajo prueba. Como el protocolo de medida
requiere realizar una medida global de la muestra introduciéndola en
el interior del equipo según sus tres ejes, en la medida final el
resultado ponderará de forma mayor el punto central y la ponderación
decaerá de forma uniforme según cada uno de los tres ejes.
Los inconvenientes hallados en el equipo
BSM-100, provocados por la utilización de un
bobinado uniforme que conduce a ciertas diferencias por efectos de
borde, son comunes a la mayoría de propuestas conocidas.
No obstante existe una patente que sí que tiene
en cuenta tal falta de uniformidad en el campo magnético generado
por la bobina primaria, en concreto la disminución del mismo en las
zonas próximas a los bordes, que provoca los mencionados errores de
medida.
Dicha patente es la patente JP58211651, que
propone realizar la medida solamente en una pequeña zona central de
la bobina primaria, la cual a su vez tampoco discurre por las zonas
marginales extremas del soporte tubular alrededor del cual se
encuentran enrolladas.
En concreto, la patente JP58211651 propone un
cilindro para medir el contenido en fibras de acero de una muestra
de hormigón introducida en el cilindro. El cilindro propuesto en
dicha patente japonesa está constituido por un material que no
afecta al magnetismo, y alrededor del mismo se encuentra enrollada
una bobina primaria, alrededor de la cual se encuentra enrollada una
bobina secundaria, aislada de la primera. Se propone realizar la
medida del contenido en fibras de acero de la muestra evaluando la
inductancia mutua entre las dos bobinas. La primera bobina cubre, en
altura, un área del cilindro que no incluye sus zonas extremas, y el
arrollamiento de la segunda bobina abarca, en altura, solamente una
zona central del de la primera bobina. Con tal disposición se
consigue realizar una medida del contenido en fibras de la muestra
solamente en una zona central de la misma, a partir de la cual
calculan un valor medio de la relación de la cantidad de fibras de
acero en la muestra, valor el cual, si la distribución de las fibras
en el interior de la muestra no es uniforme, puede ser muy erróneo
al extrapolarlo a toda la muestra.
Aparece necesario ofrecer una alternativa al
estado de la técnica que solvente los inconvenientes de los que
adolecen los aparatos y métodos convencionales de cuantificación y
medida de orientación de fibras metálicas integradas en hormigón
reforzado, que, al contrario de la patente JP58211651, permita
realizar medidas directas en toda la superficie de la muestra, y no
solamente en una zona central de la misma, y que, al contrario del
equipo BSM-100 de HERTZ, permita que dichas medidas
sean tan fiables en la zona central como en las zonas extremas de la
muestra.
Para ello la presente invención aporta, en un
primer aspecto, un dispositivo para la medida de cuantía y
orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado,
del tipo que comprende una disposición de bobinas que incluye como
mínimo una bobina constituida por un arrollamiento de espiras que
define un cuerpo tubular con un volumen interior libre, estando
dicha bobina prevista para, al hacer circular una corriente
eléctrica variable entre sus bornes, al menos generar un campo
magnético sobre como mínimo dicho volumen interior libre, preparado
para recibir por inserción, o al que aproximar con una orientación
determinada, una muestra o porción de hormigón reforzado con fibras
metálicas.
El campo magnético generado es detectable por un
sistema de detección, asociado a dicha disposición de bobinas, y
previsto para detectar los cambios en dicho campo magnético
provocados por la inserción de dicha muestra en dicho volumen
interior libre, o la aproximación del mismo a dicha porción de
hormigón.
A diferencia de las propuestas convencionales,
en el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la presente
invención el arrollamiento de como mínimo una de las bobinas de la
disposición de bobinas no es uniforme a lo largo de toda su
longitud, siendo más denso en como mínimo una de sus zonas extremas,
en general en sus dos zonas extremas, con el fin de compensar las
caídas del campo magnético por efectos de borde de las que adolecen
las propuestas convencionales, y por tanto permitir realizar unas
medidas mucho más exactas y precisas que las llevadas a cabo en el
estado de la técnica, que son independientes de la posición espacial
de la fibra metálica, siempre que se encuentre ubicada en el
interior de dicho volumen interior libre.
Para un ejemplo de realización dicha disposición
de bobinas comprende una única bobina, de arrollamiento no uniforme,
y prevista para generar dicho campo magnético, el cual es mucho más
uniforme que los de las propuestas convencionales, lo que permite
realizar medidas de fibras situadas próximas a los extremos del
volumen interior libre tan exactas como las de las fibras ubicadas
en una zona central. En dicho ejemplo de realización dicha única
bobina actúa como primaria y como secundaria al resultar afectado su
coeficiente de autoinducción por la presencia de la citada muestra
porción de hormigón, estando el mencionado sistema de detección
previsto para detectar las variaciones en la inductancia de dicha
única bobina.
Para dicho ejemplo de realización relativo a la
utilización de una única bobina, el dispositivo comprende un
generador de señal en conexión con dicha bobina, para suministrarle
una señal eléctrica de corriente alterna con al menos una frecuencia
determinada, y también comprende dicho sistema de detección, el cual
incluye o constituye un elemento capaz de detectar variaciones de
inductancia, tal como un analizador de impedancias conectado a los
bornes de dicha bobina.
Para una variante de dicho ejemplo de
realización el propio analizador de impedancias incluye al
mencionado generador de señal, siendo dicha señal eléctrica generada
de pequeña magnitud, suficiente como para generar dicho campo
magnético y posibilitar la detección de sus posibles
variaciones.
Para un ejemplo de realización alternativo al
descrito anteriormente referente a la inclusión de una única bobina,
en el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención
dicha disposición de bobinas es una disposición de dos bobinas que
incluye a dicha bobina, la cual es una primera bobina en funciones
de bobina primaria, y una segunda bobina en funciones de bobina
secundaria asociada a dicho sistema de detección, estando el
mencionado volumen interior libre delimitado por uno u otro de los
arrollamientos de dichas bobinas primaria y secundaria, o por
ambos.
Para dicho ejemplo de realización que incluye a
una disposición de dos bobinas, la bobina de arrollamiento no
uniforme mencionada anteriormente es, en un caso, dicha bobina
primaria, de manera que ésta está prevista para generar un campo
magnético mucho más uniforme que los de las propuestas
convencionales. En este caso la bobina secundaria o de detección
mantiene un arrollamiento uniforme.
Para otra variante de dicho ejemplo de
realización que incluye a una disposición de dos bobinas, la bobina
de arrollamiento no uniforme mencionada anteriormente es dicha
bobina secundaria. En este caso, si la bobina primaria es de
arrollamiento uniforme, el campo magnético generado también adolece
de las caídas provocadas por el efecto borde descrito anteriormente,
pero dicho efecto es compensado al tener el arrollamiento de la
bobina secundaria un mayor número de vueltas en sus extremos, de
manera que el campo magnético más pequeño existente en las
proximidades a los bordes del volumen interior libre es captado un
mayor número de veces que el campo magnético mayor existente en la
zona central.
Para otra variante más de dicho ejemplo de
realización que incluye a una disposición de dos bobinas, el
arrollamiento de ambas bobinas, la primaria y la secundaria, no es
uniforme a lo largo de toda su longitud.
Siguiendo con dicho ejemplo de realización
relativo a la inclusión de una disposición de dos bobinas, el
dispositivo comprende un generador de señal en conexión con dicha
bobina primaria, para suministrarle una señal eléctrica de corriente
alterna con al menos una frecuencia determinada, y también comprende
a dicho sistema de detección, el cual se encuentra conectado a dicha
bobina secundaria y está previsto para medir la amplitud y o la fase
de la señal eléctrica inducida en sus bornes, detectando así los
cambios en el campo magnético provocados por el contenido y
orientación de las fibras metálicas embebidas en la muestra de
hormigón.
Un segundo aspecto de la presente invención
concierne a un método aplicado a la medida de cuantía y orientación
de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, que comprende
utilizar el dispositivo propuesto por el primer aspecto.
El método propuesto por el segundo aspecto de la
invención comprende insertar en dicho volumen interior libre a una
muestra de hormigón reforzado como mínimo tres veces, cada una de
ellas con una posición diferente, según al menos tres ejes
coordenados, y realizar la medida de la cuantía y orientación de
fibras metálicas para cada una de dichas posiciones.
Para un ejemplo de realización el método
comprende operar, de manera directa o ponderada, los resultados
obtenidos para cada una de dichas posiciones de la muestra, para
obtener una medida final de cuantía y orientación de fibras
metálicas.
Un tercer aspecto de la invención concierne a un
método aplicado a la medida de cuantía de fibras metálicas
integradas en hormigón reforzado, que comprende utilizar el
dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención para
realizar una medida superficial de cuantía de fibras metálicas en
una estructura o elemento de hormigón reforzado, mediante la
aproximación del dispositivo a la superficie de como mínimo una
porción de dicha estructura o elemento de hormigón reforzado.
Las anteriores y otras ventajas y
características se comprenderán más plenamente a partir de la
siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con
referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título
ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1 es una vista esquemática del
dispositivo propuesto por el primer aspecto de la presente
invención, para un ejemplo de realización para el que éste incluye
una disposición de bobinas que incluye una única bobina; y
la Fig. 2 es una vista esquemática del
dispositivo propuesto por el primer aspecto de la presente
invención, para otro ejemplo de realización para el que éste incluye
una disposición de bobinas que incluye dos bobinas, una primaria,
generadora de un campo magnético, y una secundaria, utilizada para
detectar las variaciones en dicho campo magnético.
Haciendo referencia a las figuras adjuntas, en
ellas se ilustran los dos ejemplos de realización anteriormente
descritos relativos al dispositivo propuesto por el primer aspecto
de la invención.
Tanto en la Fig. 1 como en la Fig. 2 se ilustran
una serie de elementos comunes a ambos ejemplos de realización, en
concreto el volumen interior libre V en el que insertar (según
indica la flecha allí ilustrada) la muestra de hormigón M con fibras
metálicas F, en general de acero, así como la bobina B1 generadora
de un campo magnético sobre el volumen interior libre V al hacer
circular una corriente eléctrica entre sus bornes.
En ambas Figuras el mencionado volumen interior
libre V se encuentra definido por un cuerpo de soporte tubular C
alrededor del cual se encuentran arrolladas la bobina B1 (Fig. 1) o
ambas bobinas B1, B2 (Fig. 2), debidamente aisladas entre sí.
Para los dos ejemplos de realización ilustrados,
tanto el cuerpo de soporte tubular C como los arrollamientos de las
bobinas B1, B2, tienen forma prismática, en particular de prisma
rectangular, ya que están previstos para insertar la muestra M
ilustrada, que tiene forma de cubo, inserción la cual es realizada
preferentemente de acuerdo al método propuesto por el segundo
aspecto de la invención, anteriormente descrito, es decir insertando
la muestra M en el volumen interior libre V tres veces, cada una de
ellas con una posición diferente, según sus tres ejes coordenados, y
realizar la medida de la cuantía y orientación de fibras metálicas
para cada una de dichas posiciones.
Haciendo ahora incidencia en las diferencias
entre los elementos ilustrados en las Figs. 1 y 2, y en particular
haciendo en primer lugar referencia a la Fig. 1, en ella puede
apreciarse cómo la disposición allí ilustrada implanta el
anteriormente descrito ejemplo de realización relativo a la
inclusión de una única bobina B1, en funciones de bobina primaria y
secundaria.
Puede apreciarse en dicha Fig. 1 cómo el
arrollamiento de la bobina B1 no es uniforme a lo largo de toda su
longitud, siendo más denso en sus dos zonas extremas Ze1, Ze2.
Ha de resaltarse que tanto en dicha Fig. 1 como
en la Fig. 2, los distintos arrollamientos se han dibujado de manera
muy esquemática, con un número de espiras muy pequeño, con el fin de
permitir apreciar las diferencias de densidades indicada.
En la Fig. 1 se ha ilustrado el sistema de
detección Sd y el generador de señal G como un único bloque, ya que,
para el ejemplo de realización allí ilustrado ambos se encuentran
integrados en un analizador de impedancias conectado a los bornes de
la bobina B1, y apto tanto para generar la pequeña señal eléctrica
necesaria para realizar la detección de la variación de su
inductancia, provocada por la presencia de las fibras F en el
interior del campo magnético generado, como para llevar a cabo la
propia detección.
Haciendo ahora referencia a la Fig. 2, en ella
se aprecian una primera bobina B1, o bobina primaria, y una segunda
bobina B2, o bobina secundaria, con sus respectivos arrollamientos
intercalados (debidamente aisladas entre sí), y con una mayor
densidad en sus dos zonas extremas Ze1 y Ze2 que en su zona central
Zc. Las densidades por zonas (Ze1, Zc y Ze2) en bobina B1 y bobina
B2 pueden coincidir o no.
Para otro ejemplo de realización, no ilustrado,
el arrollamiento de la segunda bobina B2 es uniforme, para lo cual
éste debe situarse alrededor o rodeado por el arrollamiento de la
primera bobina B1 (debidamente aislados entre sí). En cualquier
caso, el eje longitudinal de ambas bobinas es paralelo, y en general
ambas bobinas son coaxiales.
Para el ejemplo de realización de la Fig. 2 el
dispositivo comprende al generador de señal G en conexión con la
bobina primaria B1, para suministrarle la mencionada corriente
eléctrica alterna con una frecuencia determinada, y comprende
también al sistema de detección Sd en conexión con los bornes de la
bobina secundaria B2 y previsto para medir la amplitud y fase de la
señal eléctrica inducida en sus bornes por el campo magnético
generado con la bobina primaria B1, así como las variaciones que
dicho campo inducido sufre por la presencia de las fibras metálicas
F en su interior.
En ambas Figuras el generador de señal G y la
bobina B1 en funciones de bobina primaria están previstos para
generar el campo magnético en el volumen interior libre V, con una
dirección perpendicular a la de las espiras de la bobina B1 o
bobinas B1, B2.
Con el fin de validar la idoneidad del
dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención, se han
realizado una serie de pruebas con dos prototipos, uno
representativo de los dispositivos convencionales y otro
correspondiente al propuesto por la invención, y se ha sometido a
ambos a una serie de pruebas, cuyos resultados se expondrán
seguidamente.
Para implantar el primer prototipo, relativo a
un dispositivo convencional, se ha construido una bobina rectangular
con dimensiones interiores de 17x17x15 cm con cerca de 8800 espiras
con devanado uniforme.
Para implantar el dispositivo propuesto por la
presente invención se ha construido una bobina rectangular con
dimensiones interiores de 17x17x15 cm, de 2200 espiras con devanado
más denso en los extremos respecto el centro, variando la densidad
de manera progresiva según una gráfica piramidal que represente
variación de densidad vs. longitud de la bobina, implantando el
ejemplo de realización ilustrado por la Fig. 1, y se ha procedido a
introducir una muestra con fibras de acero en su interior, y
utilizado un analizador de impedancias (en concreto el HP4192A) para
determinar la variación de su inductancia en función del contenido y
orientación de las fibras. Las medidas se han realizado para una
frecuencia de 80 Hz.
Las pruebas realizadas han constatado que con la
bobina construida se consigue, si no obtener un campo completamente
uniforme, sí disminuir la diferencia entre el centro y los extremos,
logrando una ponderación más equilibrada entre todas las fibras
presentes en la muestra, independientemente de su ubicación
geométrica. Con esta configuración se logra disminuir la caída de
campo de 4 dB, que presentan tanto el equipo BSM-100
de HERTZ como en la bobina convencional con cerca de 8800 espiras,
hasta por debajo de 1 dB en la bobina de 2200 espiras con devanado
no uniforme, mejorando la uniformidad del campo en el interior de la
bobina.
A continuación se exponen las diferentes pruebas
a las que se han sometido ambos prototipos.
Para realizar dichas pruebas se ha dispuesto una
cantidad significativa de fibras de acero en un cubo de metacrilato
de las dimensiones de la bobina construida y se ha introducido en su
interior; primero se han situado las fibras en el centro de la
bobina y en segundo lugar en el extremo de la misma. Ambos con un
grosor de fibras inferior a 0,5 cm. La diferencia entre ambas
medidas dará idea de la uniformidad del campo, ya que la cantidad y
distribución de fibras no habrá variado. Este experimento es
equivalente al segundo experimento descrito en el apartado "Estado
de la técnica anterior".
Se han realizado medidas tanto con la bobina
convencional como con la incluida en el dispositivo propuesto por la
invención, y se ha comprobado que la diferencia entre las medidas
realizadas situando las fibras en el centro de la bobina respecto a
las realizadas situándolas en un extremo de la misma, son para la
bobina convencional (devanado uniforme) de un 25%, mientras que
usando la bobina de devanado no uniforme, en adelante referida como
bobina piramidal, la diferencia disminuye hasta el 8%.
En concreto para una bobina convencional vacía
se ha medido una inductancia de 12,24 H, que ha variado hasta ser de
12,51 H cuando se han introducido las fibras metálicas en el extremo
de la bobina, y hasta 12,60 H cuando éstas se han situado en el
centro de la bobina (sin cambiar su orientación).
En cambio para la bobina piramidal construida se
ha medido una inductancia de 0,5395 H cuando estaba vacía, de 0,5520
H cuando se han introducido las fibras metálicas en el extremo de la
bobina, y de 0,5510 H cuando éstas se han situado en el centro de la
bobina.
Por tanto, en el caso de la bobina uniforme, el
incremento para fibras en el extremo es de \DeltaL_{E}= (12,51
H-12,24 H)=0,27 H y para fibras en el centro
\DeltaL_{C}= (12,60 H-12,24 H)=0,36 H. Así, la
diferencia en las medidas es de un 25% mayor según las fibras se
sitúen en el centro respecto el extremo del volumen de medida:
100*(\DeltaL_{C}-\DeltaL_{E})/\DeltaL_{C}=25%.
En cambio, en la bobina piramidal construida, la diferencia entre
ambos resultados es menor como se pretendía; para fibras en el
extremo es de \DeltaL_{E}= (0,5520 H-0,5395
H)=0,0125 H y para fibras en el centro \DeltaL_{C}= (0,5510
H-0,5395 H)=0,0115 H. Así, la diferencia es tan solo
del 8%, en este caso, con un campo en los extremos un poco mayor que
en el centro:
100*(\DeltaL_{C}-\DeltaL_{E})/\DeltaL_{C}=-8%.
Podría disminuirse aún más esa diferencia si se
optimizara el número de devanados en cada porción del bobinado, ya
que en el ejemplo de realización se ha excedido un poco el número de
arrollamientos en los extremos.
Se conoce que, por la naturaleza física de los
campos magnéticos, las fibras metálicas que se encuentren paralelas
a la dirección del campo variarán la inductancia de la bobina,
mientras que las que se encuentren de forma perpendicular no
presentarán prácticamente ninguna variación. En el interior del cubo
de metacrilato antes mencionado se han suspendido (con la ayuda de
una esponja de la medida interior del cubo) las fibras en una única
dirección y se ha medido la inductancia en la bobina convencional y
en la piramidal. Se han repetido las medidas con las fibras situadas
de forma paralela y perpendicular al campo magnético.
La detección de la orientación de las fibras es
evidente, ya que la diferencia entre la bobina vacía y la bobina con
las fibras perpendiculares al campo es muy pequeña (el volumen
equivalente de acero que atraviesa el campo es casi nulo).
Se ha asumido que la contribución de las fibras
a la inductancia es el valor de la inductancia medido con fibras
menos el valor de la bobina en vacío. Se ha consignado el 100% a la
suma de las variaciones con fibras perpendiculares y con fibras
paralelas al campo.
Los resultados obtenidos han sido los
siguientes:
Para la bobina convencional se ha medido una
inductancia de 12,29 H cuando se ha introducido el cubo de
metacrilato con las fibras suspendidas orientadas perpendicularmente
a la dirección del campo magnético, y una inductancia de 12,64 H
cuando las fibras suspendidas estaban orientadas de manera paralela
a dicha dirección del campo magnético.
Por lo que se refiere a la bobina piramidal, se
ha medido una inductancia de 0,5420 H cuando se ha introducido el
cubo de metacrilato con las fibras suspendidas orientadas
perpendicularmente a la dirección del campo magnético, y una
inductancia de 0,5555 H cuando las fibras suspendidas estaban
orientadas de manera paralela a dicha dirección del campo
magnético.
Por tanto, en el caso de la bobina uniforme, el
incremento para fibras perpendiculares es de \DeltaL\perp=
(12,29 H-12,24 H)=0,05 H y para fibras paralelas
\DeltaL\parallel = (12,64 H-12,24 H)=0,40 H.
Así, el crecimiento es de un 11% para las fibras perpendiculares
100*\DeltaL\perp/(\DeltaL\perp+\DeltaL\parallel) y de un
89% para las fibras paralelas
100*\DeltaL\parallel/(\DeltaL\perp+\DeltaL\parallel).
Con la piramidal, en cambio, es de un 13% en situación perpendicular
y un 87% en paralelo. En ambos casos la diferencia es notable.
Mediante estas pruebas se ha constatado que el
hecho de haber aumentado la densidad del arrollamiento de la bobina
en sus extremos no ha alterado el funcionamiento conocido de que las
fibras metálicas que se encuentren paralelas a la dirección del
campo variarán la inductancia de la bobina mucho más que las que se
encuentren de forma perpendicular.
Estas pruebas se han dividido en dos fases: una
primera fase en la cual se ha medido la capacidad de detección de
distribución de fibras a partir de una serie de probetas cúbicas de
hormigón (15x15x15 cm) con contenidos en fibras de 0, 20, 30, 40 y
60 kg/m^{3} distribuidas uniformemente por el interior de las
probetas, y una segunda fase donde las medidas se han llevado a cabo
con unas probetas cuyas fibras se encuentran distribuidas de manera
no uniforme por su interior, formando acumulaciones de fibras
(erizos) en determinadas zonas del espacio, y en particular con
concentraciones de fibras en las zonas extremas de las probetas
diferentes respecto a las del centro de las mismas.
Con un analizador de impedancias se ha medido
directamente la variación de la inductancia en ambas fases de la
prueba. Se ha comprobado que, así como para dosificaciones pequeñas
en el contenido de fibras la variación en la inductancia es notable,
a medida que las dosificaciones son más elevadas, las variaciones en
la inductancia son menos significativas. Igualmente, se ha
comprobado que los valores medidos con la bobina vacía y con las
probetas sin fibras son prácticamente idénticos, hecho esperable ya
que la presencia de hormigón casi no afecta al campo magnético.
Los resultados obtenidos han demostrado que
durante la primera fase, las medidas realizadas con ambas bobinas,
la convencional y la piramidal, ofrecen unos resultados válidos.
Por el contrario, las medidas realizadas durante
la segunda fase han producido unos resultados bastante diferentes,
siendo, para el caso de la bobina convencional, completamente
dependientes de la ubicación espacial de las concentraciones de
fibras, y prácticamente independientes de dicha ubicación espacial
para las medidas realizadas con la bobina incluida en el dispositivo
propuesto por el primer aspecto de la invención.
Las diferentes pruebas realizadas han demostrado
que, el uso de una bobina con densidad de arrollamiento variable
hace los resultados más representativos, ya que pondera de forma más
paritaria cada una de las fibras presentes independientemente del
lugar en el que se encuentren.
Si bien en la presente invención se ha descrito
el dispositivo y el método propuesto para llevar a cabo la medida de
cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón
reforzado, tanto el dispositivo como los métodos descritos, y
reivindicados, también son aplicables a la medida de cuantía y
orientación de cualquier clase de inclusiones ferromagnéticas, que
no sean necesariamente fibras metálicas, integradas en una muestra o
estructura de material no ferromagnético, que no sea necesariamente
hormigón reforzado, o con ferromagnetismo diferente al de las
inclusiones.
Un experto en la materia podría introducir
cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos
sin salirse del alcance de la invención según está definido en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Dispositivo para la medida de cuantía y
orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado,
del tipo que comprende:
- una disposición de bobinas, que incluye al
menos una bobina (B1) constituida por un arrollamiento de espiras
que define un cuerpo tubular con un volumen interior libre (V),
estando dicha bobina (B1) prevista para, al hacer circular una
corriente eléctrica variable entre sus bornes, al menos generar un
campo magnético sobre al menos dicho volumen interior libre (V),
preparado para recibir por inserción, o al que aproximar con una
orientación determinada, una muestra (M) o porción de hormigón
reforzado con fibras metálicas (F),
siendo dicho campo magnético detectable por un
sistema de detección (Sd) asociado a dicha disposición de bobinas, y
previsto para detectar los cambios en dicho campo magnético
provocados por la inserción de dicha muestra (M) en dicho volumen
interior libre (V), o la aproximación del mismo a dicha porción de
hormigón, y
estando dicho dispositivo caracterizado
porque el arrollamiento de al menos una bobina de dicha disposición
de bobinas no es uniforme a lo largo de toda su longitud, siendo más
denso en al menos una zona extrema (Ze1, Ze2).
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho arrollamiento no uniforme de al
menos dicha bobina de dicha disposición de bobinas es más denso en
sus dos zonas extremas (Ze1, Ze2).
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque dicha disposición de bobinas comprende
únicamente a dicha bobina (B1), de arrollamiento no uniforme,
prevista para generar dicho campo magnético y actuando la misma como
primaria y como secundaria, estando dicho sistema de detección (Sd)
previsto para detectar las variaciones en la inductancia de dicha
bobina (B1) al resultar afectado su coeficiente de autoinducción por
la citada muestra (M) o porción de hormigón.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque comprende un generador de señal (G) en
conexión con dicha bobina (B1), para suministrarle una señal
eléctrica de corriente alterna con al menos una frecuencia
determinada, y porque comprende a dicho sistema de detección (Sd),
el cual comprende al menos un elemento capaz de detectar variaciones
de inductancia.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho sistema de detección (Sd) incluye
a dicho generador de señal (G).
6. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque dicha disposición de bobinas es una
disposición de dos bobinas que incluye a dicha bobina (B1), la cual
es una primera bobina (B1) en funciones de bobina primaria, y una
segunda bobina (B2) en funciones de bobina secundaria asociada a
dicho sistema de detección (Sd), y porque dicho volumen interior
libre (V) está delimitado por uno u otro de los arrollamientos de
dichas bobinas primaria (B1) y secundaria (B2), o por ambos.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque dicha bobina de arrollamiento no
uniforme es dicha bobina primaria (B1) o dicha bobina secundaria
(B2).
8. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el arrollamiento de ambas bobinas, la
primaria (B1) y la secundaria (B2), no son uniformes a lo largo de
toda su longitud, siendo más denso en una o ambas de sus zonas
extremas (Ze1, Ze2).
9. Dispositivo según la reivindicación 6, 7 u 8,
caracterizado porque comprende un generador de señal (G) en
conexión con dicha bobina primaria (B1), para suministrarle una
señal eléctrica de corriente alterna con al menos una frecuencia
determinada, y porque comprende a dicho sistema de detección (Sd),
el cual se encuentra conectado a dicha bobina secundaria (B2) y está
previsto para al menos medir la amplitud de la señal eléctrica
inducida en sus bor-
nes.
nes.
10. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
un cuerpo de soporte tubular (C) alrededor del cual se encuentran
arrolladas dicha o dichas bobinas (B1, B2), estando definido dicho
volumen interior libre (V) por dicho cuerpo de soporte tubular
(C).
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque dicho cuerpo de soporte tubular (C) y el
arrollamiento o arrollamientos de dicha o dichas bobinas (B1, B2),
tienen forma prismática.
12. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 9,
caracterizado porque dicho generador de señal (G) y dicha
bobina (B1) en funciones de bobina primaria están previstos para
generar dicho campo magnético en dicho volumen interior libre (V),
con una dirección perpendicular a la de las espiras de dicha o
dichas bobinas (B1, B2).
13. Método aplicado a la medida de cuantía y
orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado,
que comprende utilizar un dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, e insertar en dicho volumen interior libre
(V) a dicha muestra (M) de hormigón al menos tres veces, cada una de
ellas con una posición diferente, según al menos tres ejes
coordenados, y realizar la medida de la cuantía y orientación de
fibras metálicas para al menos cada una de dichas posiciones.
14. Método según la reivindicación 13,
caracterizado porque comprende operar, de manera directa o
ponderada, los resultados obtenidos para cada una de dichas
posiciones de la muestra (M), para obtener una medida final de
cuantía y orientación de fibras metálicas.
15. Método aplicado a la medida de cuantía de
fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, que comprende
utilizar un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 12, caracterizado porque comprende realizar una medida
superficial de cuantía de fibras metálicas en una estructura o
elemento de hormigón reforzado, mediante la aproximación del
dispositivo a la superficie de al menos una porción de dicha
estructura o elemento de hormigón reforzado.
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---|---|---|---|
ES200901076A ES2355344B1 (es) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | Dispositivo y método para la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado. |
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2009
- 2009-04-17 ES ES200901076A patent/ES2355344B1/es active Active
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Resumen de la base de datos EPODOC. Recuperado de EPOQUE [recuperado el 01.03.2011] & JP 58211651 A (MARUTOU SANYUU SEISAKUSHO KK) 09/12/1983 * |
Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE [recuperado el 01.03.2011] & JP 2001091502 A (UEDA SENI KAGAKU SHINKOKAI ET AL.) 06/04/2001 * |
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