ES2606331B2 - Máquina portable y procedimiento para realizar ensayos de impacto blando, con área de aplicación de carga grande, sobre materiales frágiles - Google Patents
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Abstract
Máquina portable y procedimiento para realizar ensayos de impacto blando, con área de aplicación de carga grande, sobre materiales frágiles.#Impacto blando a través de un elemento de impacto (5) de masa reducida y variable que permite aplicar con alta precisión impactos en áreas de aplicación de carga grandes, con variación del ángulo de incidencia. El elemento de impacto (5) comprende una cabeza (51) impactadora, de masa reducida, lanzada a partir de la actuación de un elemento elástico, p.e. compresión de un muelle, a través de un sistema de precarga (2) variable situado sobre una estructura fija (1). La máquina comprende un sistema de disparo (4) que es independiente del sistema de precarga (2). Para realizar un impacto se elige un tipo de cabeza (51) impactadora y una precarga determinadas. Se inicia la actuación mediante el sistema de disparo (4) que incorpora un balancín (42) y un tirador (41). Una vez realizado el impacto un sistema de retención (6) evita que la cabeza (51) impactadora vuelva a golpear el espécimen o probeta (7) a ensayar El sistema de retención (6) incorpora una goma de retención (63) y una bisagra (64). Se realiza un registro temporal continuo de la aceleración, cantidad de movimiento y deformación de los vidrios desde el inicio del impacto hasta la finalización del mismo que permite conocer el efecto sobre el vidrio de la carga equivalente.
Description
Máquina portable y procedimiento para realizar ensayos de impacto blando, con área de aplicación de carga grande, sobre materiales frágiles.
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCiÓN
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una maquina portable para realizar ensayos de impacto blando sobre materiales frágiles, que permite simular la aplicación de la carga de impacto humano en vidrios o elementos frágiles. La máquina de la invención, además de incorporar un sistema de precarga variable, un sistema de disparo y un sistema de retención , dispone de un elemento de impacto, que a su vez dispone de una cabeza impactadora intercambiable de manera que puede seleccionarse su rigidez, masa y el área de aplicación de la carga, lo que permite reproducir una pluralidad de rangos de frecuencia asociados a los impactos blandos, y es válido para elementos de grandes superficies, como los vidrios de seguridad en el sector de la construcción.
Un segundo aspecto de la invención se refiere igualmente a un procedimiento para realizar ensayos de impacto blando sobre materiales frágiles mediante el uso de la máquina de la invención, lo que permite determinar los niveles de carga equivalente del material y simular las solicitaciones a las que se encontrará sometido una vez instalado durante su vida útil.
La invención permite comprobar in situ, con las condiciones de contorno reales, la respuesta de los elementos que se ensayan .
La presente invención tiene aplicación en la industria de los materiales frágiles, y más concretamente en el ámbito de la edificación, permitiendo determinar la resistencia de elementos frágiles como los vidrios de seguridad en acristalamientos y cerramientos en edificación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
En la actualidad se conoce un primer tipo de máquinas de ensayo diseñadas para medir la respuesta en elementos de grandes dimensiones que utilizan para ello la gravedad, bien mediante un movimiento de péndulo o mediante caída de masa libre. Estas máquinas tienen limitaciones en lo que se refiere a su uso, dado que como consecuencia de sus dimensiones
y las fijaciones a la base, únicamente son adecuadas para ser utilizadas en laboratorio; si se desplazan a obra, no garantizan la reproducibilidad de los resultados.
No obstante, se considera que el péndulo de impacto descrito en la norma UNE-EN 12600 es el equipo que proporciona una mejor respuesta a las características del impacto blando en vidrios de seguridad. La norma homogeneiza los ensayos de impactos de cuerpo blando, a fin de poder comparar los resultados y establecer un criterio común. Los requisitos de ensayo contemplan tres partes diferenciadas: las probetas de ensayo, el procedimiento de ensayo de impacto y el aparato o máquina de ensayo. Sobre los dos primeros la norma no ofrece ambigüedad alguna ya que define pormenorizada mente las probetas a ensayar y el procedimiento. Sin embargo, en lo referente al aparato o máquina de ensayo la norma sólo plantea los requisitos de calibración que éste debe cumplir, sin establecer criterios de diseño que limiten la fabricación del equipo necesario para la realización de los ensayos, siendo muy difícil reproducir ensayos. Por ejemplo deja abierto el control de la energía de impacto o la rigidez del banco de ensayos, que han demostrado ser características críticas para garantizar la reproducibilidad de los ensayos. Otra desventaja es que estos ensayos solamente se pueden realizar en laboratorio sin reproducir las condiciones de bordes reales en obra.
Por otra parte, existe un segundo tipo de máquinas para generar impactos en estructuras que no se sirven de la gravedad, con lo que se asegura la reproducibilidad de los resultados cuando se utilizan para ensayar materiales de grandes dimensiones que se encuentran ya instalados en obra. Todas estas máquinas presentan una serie de componentes comunes o al menos que tienen una función similar, como son un sistema de precarga y un sistema de retención.
Los mecanismos utilizados para la precarga a su vez suelen ser de dos tipos, neumáticos o mecánicos. Por su parte, la mayoría de los sistemas de retención utilizan un electroimán. La aplicación industrial de este segundo tipo de máquinas es la realización de ensayos de componentes en el sector aeronáutico y particularmente a materiales compuestos.
Un ejemplo de este tipo de máquinas puede encontrarse en la solicitud de patente europea
n.OEP-1553393-A1 , cuya aplicación es para impactos a baja velocidad, ofreciendo un amplio rango de energías. Esta máquina se puede utilizar con diferentes ángulos de inclinación, tiene una masa adecuada al rango de energía a aplicar, mide la energía entregada y devuelta y dispone de un sistema absorbedor de energía de emergencia. Su uso está destinado al ensayo de materiales compuestos en componentes del sector aeronáutico. Los sistemas de carga mecánicos almacenan la energía como energía potencial elástica en un muelle o ballesta. Si el sistema de precarga es manual, no necesitan una fuente de alimentación. El principal inconveniente de esta máquina es que el sistema de carga no puede acumular demasiada energía ya que la precarga necesaria para el muelle no se pOdría realizar manualmente, a no ser que se dispusiera de un muelle demasiado largo, con las desventajas que ello conllevaría.
Asimismo, la solicitud internacional n.o WO-200B006822-A1 describe una máquina para generar impactos de baja energía sobre estructuras de materiales compuestos, que comprende un cuerpo, una cabeza impactadora con un elemento de impacto en uno de sus extremos, unas guías, unos muelles, un electroimán que retiene la cabeza en la posición de reposo y elementos anti-rebote. La forma del elemento de impacto puede seleccionarse entre semiesférica, cilíndrica, cónica, y la masa también mediante el cambio del material. La tensión de los muelles se puede ajustar por medio del tornillo y permite variar la velocidad de carga, siendo la velocidad inferior o igual a 5 mIs. Se puede determinar la fuerza absorbida por la estructura durante el impacto por medio de galgas extensométricas.
Las limitaciones de esta máquina para aplicar cargas de impacto humano están principalmente en el elemento de impacto, por las reducidas dimensiones, y en que este sistema no reproduce adecuadamente los impactos blandos en los que se necesita una cabeza altamente deformable y que durante el impacto absorbe energía. Esto requeriría que además que el elemento de impacto cambiara en forma y tamaño, pudiera disponer de elementos de tamaño superior y con rigidez variable. Lo primero no es posible debido a las limitaciones del sistema de doble guía; lo segundo no se contempla dado que no reproduce el impacto blando.
Por otra parte, en la solicitud de patente estadounidense n.o US-2010300177-A1 se describe una máquina para ensayo para impacto de alta frecuencia sobre estructuras aeronáuticas en la que el elemento de acumulación de energía es un muelle, lo que permite realizar impactos de altas frecuencias. La máquina dispone de un elemento de aplicación de carga; pero no dispone de elemento de retención, de manera que reproduce un impacto duro, no blando, dado que el elemento de impacto es una bola de acero de dimensiones reducidas.
La bola se mantiene unida al muelle antes del ensayo por medio de unos imanes. Para regular la velocidad de la bola se puede ajustar la distancia de compresión del muelle y/o seleccionar un muelle con diferentes características. El sistema de precarga incluye un cabrestante convencional, un mango, y una correa. El sistema de disparo se activa cuando se tira del cable. La estructura a ensayar dispone de sensores de aceleración estándar conectadas con un procesador, a una pantalla de visualización.
Las limitaciones de esta máquina para aplicar cargas de impacto son que no permite grandes áreas de aplicación de la carga, no tiene retención, no mide aceleraciones en el elemento de impacto, usa elementos de impacto muy rígidos para altas frecuencias con duraciones demasiado cortas lo que imposibilita su aplicación para la simulación de impactos blandos.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una máquina portable para realizar ensayos de impacto blando sobre materiales frágiles, tal y como se define en la reivindicación 1, que comprende una estructura fija, un muelle o elemento elástico equivalente, un sistema de precarga variable, un sistema de disparo, un elemento de impacto y un sistema de retención .
Pues bien, de acuerdo con la invención, el elemento de impacto comprende una cabeza impactadora intercambiable. Asimismo el sistema de precarga es independiente del sistema de disparo. Dicho sistema de precarga, a su vez, comprende un cable de precarga y un cabrestante al que puede quedar fijado.
Por su parte, el sistema de disparo es mecánico y comprende un tirador y un balancín, de manera que la actuación sobre el tirador produce la retirada del cable de precarga, de manera que el muelle empuja al balancín , quedando libre el elemento de impacto.
La invención desarrollada se constituye como una solución sencilla que permite disponer de una máquina ligera para reproducir la carga de impacto humano en elementos frágiles, con un elemento de impacto de masa y rigidez variable.
la invención permite simular la aplicación de la carga de impacto blando en vidrios de seguridad ya instalados, siendo extensible a otros elementos frágiles, que además de incorporar un sistema de precarga variable y un sistema de disparo y de retención, dispone de un elemento de impacto, con cabezas de rigidez y masa variable que reproducen los
rangos de frecuencia asociados a los impactos blandos, las áreas de impacto, también variables, asociadas a los impactos blandos, y es válido para elementos de grandes superficies.
Por lo tanto, entre las ventajas que conlleva la invención hay que destacar que:
Es portable, de dimensiones reducidas, pudiendo desplazarse para realizar ensayos in situ y por lo tanto con configuraciones de contorno reales.
La masa, rigidez y el área de aplicación de la carga del elemento de impacto son variables.
Se contempla que comprenda medios informatizados para registrar la cantidad de movimiento del impacto y deformaciones de los especímenes ensayados.
Utilizar un elemento de impacto que sea portátil y versátil, requiere reducir la masa de dicho elemento mientras se reproduce el mismo efecto sobre el espécimen a impactar generado por el péndulo de la norma UNE-EN 12600. Como ya se ha visto anteriormente este efecto depende de la energía del impacto y de las condiciones de contorno del vidrio. La invención garantiza la seguridad en la operación de la máquina al tener un sistema de precarga y disparo independientes, difícil de activar accidentalmente puesto que hasta que no se ha retirado el primero no se puede producir el impacto.
Disponer de un sistema mecánico de disparo manual aporta gran versatilidad a la invención puesto que no depende de fuentes de energía externa, una característica importante a la hora de ensayar "in situ" puesto que no siempre se dispone de fuentes de electricidad o neumáticas.
En el caso de la invención, con el elemento de impacto de masa reducida se reproduce el efecto generado por la masa de 50 kg hasta altura de caídas del péndulo de 500 mm. Para ello se ha optado por disponer de un sistema intercambiable de elementos de impacto que cubren unas rigideces (10 -100 KN/m) necesarias para mantener la dinámica del sistema.
Otra característica ventajosa es que el sistema de recuperación entra en acción solamente después de que se haya producido el impacto, teniendo la menor interferencia posible antes del mismo. Este sistema retiene el elemento de impacto de forma suave y evita que haya rebotes dado que si detiene el impactador bruscamente se pueden obtener aceleraciones superiores a las registradas en el momento de la suelta del muelle.
Asimismo, otra característica ventajosa es que permite calcular en tiempo real el impulso aplicado en cada impacto y su efecto sobre el espécimen que se ensaya, al incorporar instrumentación en el espécimen y el elemento de impacto y software propio para la adquisición y análisis de los resultados.
Se contempla disponer de una carcasa exterior, que cubra el conjunto y asegure la seguridad durante el transporte y la realización del ensayo.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para determinar los niveles de carga equivalente , mediante el registro de la cantidad de movimiento, que comprende utilizar la máquina anteriormente descrita.
De acuerdo con la invención el procedimiento comprende la obtención in situ, y por lo tanto con condiciones de contorno reales, de respuesta asociada a un impacto de carga equivalente sobre elementos frágiles acorde con ensayos normalizados en laboratorios.
DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS
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 dos vistas esquemática en alzado de una realización de la máquina de la invención, en la que la vista 1 a muestra la máquina en posición de precarga, mientras que la vista 1b muestra la máquina en posición de impacto.
La figura 2.-Muestra una vista en perspectiva del elemento de impacto y sus componentes.
La figura 3.-Muestra una vista en perspectiva y un detalle del sistema de precarga y la base.
La figura 4.-Muestra una vista en perspectiva del sistema de disparo y el chasis.
La figura 5.-Muestra una vista en perspectiva de los elementos que comprende el sistema de retención y el muelle.
REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse cómo en una de las posibles realizaciones de la invención la máquina que la invención propone comprende una estructura fija (1 ), un muelle (3), un sistema de precarga (2) variable que es independiente de un sistema de disparo (4), un elemento de impacto (5) y un sistema de retención (6).
El elemento de impacto (5) comprende una cabeza (51 ) impactadora intercambiable, el sistema de precarga (2) que comprende un cable de precarga (21) Y un cabrestante (23). El sistema de disparo (4) es mecánico y comprende un tirador (41) y un balancín (42), de manera que la actuación sobre el tirador (41 ) produce la retirada del cable de precarga (21 ), de manera que el muelle (3) empuja al balancín (42), quedando libre el elemento de impacto (5).
Tal y como puede apreciarse en las vistas 1 a y 1 b de la figura 1, la invención permite determinar la resistencia al impacto blando de elementos frágiles mediante un impacto del elemento de impacto (5). Al tratarse de un diseño desmontable los elementos pueden ser separados en partes independientes según las figuras de la 2 a la 5, disminuyendo el espacio que ocupa la máquina para su transporte. Una vez en el lugar del ensayo se montan
o unen entre sí una base (11) Y un chasis (12) con uniones roscadas para formar una única estructura fija (1 ).
Antes del impacto se coloca una cabeza (51 ) impactadora, acorde con la probeta (7) o espécimen a ensayar, que se fija un cuerpo principal (52) mediante tornillos, tal y como se ha representado en la figura 2. El elemento de impacto (5) tiene dos cojinetes de teflón para minimizar las perdidas cuando desliza sobre el tubo guía.
Una vez situada la máquina delante del espécimen (7) a ensayar y con el muelle (3) en la posición de reposo se procede a la fase de precarga. Mediante el sistema de precarga (2) detallado en la figura 3, se pasa el cable de precarga (21 ) a través de un cáncamo (53) que comprende el elemento de impacto (5) y se engancha un extremo (24) del cable de precarga
- (21)
- en un gancho (25), tal y como puede apreciarse en el detalle A de la figura 3. El gancho
- (25)
- está fijo en unas barras de precarga (22) que están unidas a la base (11 ).
Tal y como se puede apreciar en la figura 4, para la selección de la precarga se modifica la posición de un selector de precarga (43) que se puede deslizar y fijar sobre el chasis (12) a una distancia predeterminada por la carga equivalente o impulso que se desea aplicar a la probeta (7). Se realiza la precarga a través de un cabrestante (23) hasta que el cuerpo principal (52) está situado a la altura del balancín (42), subiéndose éste y bloqueándolo con el tirador (41). Con ello y la cabeza impactadora intercambiable se consigue que el nivel de carga equivalente sea variable y seleccionable en el momento de realizar el ensayo.
Para armar el sistema de retención (6) representado en la figura 5, que se encuentra colocado sobre el muelle (3), se separa la parte móvil (62) de la parte fija (61) con un giro respecto a una bisagra (64) produciéndose una elongación de la goma de retención (63).
Entre el espacio que queda entre la parte móvil (62) y la parte fija (61 ) del sistema de retención (6) se sitúa un enganche de retención (54) que está atornillado al cuerpo principal (52). En este momento la máquina se encuentra en la situación representada en la figura 1 a.
A continuación se retira el cable de precarga (21) quitando el extremo (24) del cable (21) del gancho (25), a partir de este instante el muelle (3) únicamente es retenido por el balancín (42), empieza la fase de disparo a través del sistema de disparo (4) representado en la figura 4. Se retira manualmente el tirador (41) Y por acción del muelle (3), el balancín (42) se gira quedando libre el conjunto de elemento de impacto (5) más muelle (3). Dicho muelle (3) ejerce fuerza hasta su posición de reposo acelerando el elemento de impacto (5), instante en el que el elemento de impacto (5) se desliza a través del tubo guía del chasis (12) hasta que impacta sobre la probeta (7); en este momento la máquina se encuentra en la situación que se observa en la figura 1 b, rebotando en la probeta (7) a ensayar y volviendo a entrar en contacto con el muelle (3).
Mientras se está produciendo el choque entre elemento de impacto (5) y probeta (7) empieza la fase de retención, en la que la goma de retención (63) hace que la parte móvil
(62) gire a través de la bisagra (64) hasta juntarse con la parte fija (61). Al volver rebotado el elemento de impacto (5) se acopla el enganche de retención (54) con la parte móvil (62) de retención impidiendo así que el elemento de impacto (5) vuelva a chocar contra la probeta (7).
Antes de la fase de disparo, se activa el sistema de adquisición de datos y se monitorizan los canales que se consideren necesarios para caracterizar el ensayo, registrando toda la historia temporal del impacto. Se dispone de un acelerómetro en el elemento de impacto con el cual se registra la historia temporal en aceleraciones, importante para conocer su comportamiento dinámico, y para obtener la carga equivalente o impulso de forma exacta. En el espécimen a ensayar se dispone de al menos una galga extensiométrica para ver el
5 efecto del impacto. Tanto el número como la posición de las galgas sobre el espécimen vienen determinados por cada caso concreto del elemento a ensayar.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples
10 maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.
Claims (3)
- REIVINDICACIONES1.-Máquina portable de masa reducida para realizar ensayos de impacto blando sobre materiales frágiles que comprende una estructura fija (1), un muelle (3), un sistema de precarga (2) variable, un sistema de disparo (4), un elemento de impacto (5) y un sistema de retención (6), caracterizada por que el elemento de impacto (5) comprende una cabeza (51) impactadora intercambiable, el sistema de precarga (2) es independiente del sistema de disparo (4), donde dicho sistema de precarga (2) comprende un cable de precarga (21) Y un cabrestante (23), siendo el sistema de disparo (4) mecánico y comprendiendo un tirador (41) Y un balancín (42), activándose el sistema de disparo una vez se retira el cable de precarga(21) y el tirador (41) de manera que el muelle (3) empuja al balancín (42), quedando libre el elemento de impacto (5).
- 2.-Máquina según la reivindicación 1, en la que el sistema de retención (6) es mecánico y comprende una parte fija (61), una parte móvil (62) y una goma de retención (63) que hace que la parte móvil (62) gire a través de una bisagra (64) hasta juntarse con la parte fija (61), de manera que se acoplan ambas partes (61 , 62) del sistema de retención (6) impiden que el elemento de impacto (5) rebote contra una probeta (7) a ensayar .
- 3.-Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el elemento de impacto (5) se desplaza sobre un tubo guía.4-.-Procedimiento para realizar ensayos de impacto blando sobre materiales fragiles, caracterizado porque comprende utilizar una máquina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2606331 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20170725 |