ES2931848B2 - Probeta de ensayo de traccion directa para hormigon y otros materiales conglomerantes secundarios - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
PROBETA DE ENSAYO DE TRACCIÓN DIRECTA PARA HORMIGÓN Y OTROS
MATERIALES CONGLOMERANTES SECUNDARIOS
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se engloba en el campo de la preparación de muestras para la investigación y análisis de las propiedades mecánicas de los materiales.
Específicamente, la invención se relaciona con la definición geométrica de una probeta para la realización de los ensayos de caracterización de la resistencia a la tracción del hormigón y otros materiales conglomerantes secundarios, específicamente, para ensayos de tracción directa de estos materiales. Los materiales conglomerantes secundarios son materiales de construcción que contienen en su composición algún conglomerante hidráulico primario, tales como el hormigón o los morteros de cemento, cal o yeso, entre otros.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad, los ensayos de caracterización a tracción del hormigón y otros materiales conglomerantes secundarios se realizan, fundamentalmente, mediante ensayos de tracción indirecta, por ejemplo, los ensayos de flexotracción y los ensayos de tracción por compresión. En el primero de ellos se estima la resistencia a la tracción del material mediante la aplicación de una carga de flexión, y en el segundo, la resistencia a la tracción se estima mediante la aplicación de una carga de compresión. Estos ensayos indirectos si bien son más sencillos desde el punto de vista de su ejecución, la determinación de la resistencia a la tracción se obtiene mediante la asunción de algunas hipótesis, que en ciertos casos no tienen por qué ser ciertas, lo cual resta fiabilidad a estos ensayos de tracción indirecta.
Los ensayos de tracción directa son menos habituales, pues su tecnología de realización es más compleja. No existe una geometría de probeta normalizada para estos ensayos, y se han utilizado probetas con muy diversas geometrías.
Normalmente, la probeta es diseñada con un tramo central, en el que se busca que se produzca la rotura, y dos extremos en los que se lleva a cabo el anclaje de la misma al elemento de tiro; por ejemplo, habitualmente se emplean mordazas que sujetan la probeta de ensayo a través de sus extremos, o bien, dichos extremos de la probeta se pegan al elemento de tiro, por ejemplo, mediante el empleo de resinas epoxídicas. La necesidad de incluir en la probeta unas regiones extremas, en las que se produce un incremento de la sección de la probeta, es para poder materializar el anclaje de la misma al elemento de tiro.
Por ejemplo, el documento de patente CN111413203 muestra una probeta para ensayos de tracción que está compuesta por un tramo central cilíndrico unido a dos tramos extremos troncocónicos que parten del diámetro del tramo central hasta alcanzar el máximo diámetro en dichos extremos de anclaje de la probeta. Como puede entenderse, la transición de diámetro en estos tramos troncocónicos es lineal, es decir, corresponde a una ecuación polinómica de grado 1.
Así mismo, en el documento de patente CN109781527, se muestra una probeta de ensayo, consistente en un cuerpo de revolución que incluye un tramo central cilíndrico y dos tramos extremos igualmente cilíndricos de mayor diámetro, y entre ellos, es decir, entre cada tramo externo y el tramo central, están dispuestos sendos tramos de transición, los cuales, son de sección circular de diámetro variable según una generatriz de arco de circunferencia, la cual está extendida desde un valor mínimo, que corresponde al diámetro de tramo central cilíndrico, hasta un valor máximo coincidente con el diámetro de los tramos externos.
Del mismo modo, el documento de patente KR20030032748, muestra una probeta de ensayo, la cual igualmente se trata de un cuerpo de revolución que incluye un tramo central cilíndrico, dos tramos adyacentes de transición y dos tramos extremos cilíndricos, donde, en los tramos de transición el diámetro de la probeta aumenta, según una generatriz de arco de círculo.
En las probetas de ensayo conocidas, debido a sus geometrías y/o sus condiciones de sujeción, en el entorno de sus extremos de anclaje se desarrollan campos tensionales complejos, de mayor valor numérico de los que se producen en su tramo central, que en ocasiones pueden ser lo suficientemente intensos como para ocasionar que la rotura
de la probeta se produzca en esta región de la probeta, es decir, fuera del tramo central, conllevando a un resultado "no válido” del ensayo, pues, la determinación adecuada de la resistencia a tracción del material solo se puede lograr de forma correcta cuando la rotura se produce en el tramo central de la probeta.
Por tanto, el diseño geométrico de la probeta de ensayo resulta ser un tema esencial para realizar con éxito el ensayo de tracción directa.
Con ello, se requiere alcanzar una geometría de probeta alternativa a las de las probetas de ensayo conocidas, con la cual se minimice el cociente entre la tensión máxima que se produce en la zona central de la probeta y la tensión máxima que se produce en cualquier punto de la misma (que en todo caso será superior a la unidad), de tal forma que se maximice la probabilidad de que la rotura se produzca en dicho tramo central, para que el ensayo alcance la condición de "válido”.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es una probeta de ensayo de tracción directa para hormigón y otros materiales conglomerantes secundarios. El problema técnico a resolver es cómo maximizar la probabilidad de que, como resultado del ensayo de tracción directa, la probeta rompa por su tramo central, y no por sus tramos extremos de anclaje. En otras palabras, cómo maximizar la probabilidad de que el ensayo de tracción directa sea válido.
A la vista de lo anteriormente enunciado, la probeta de presente invención comprende un cuerpo de revolución conformado por:
- un tramo recto central, que tiene un primer diámetro Di y una primera longitud Hi, - unos primer y segundo tramos rectos extremos que tienen un segundo diámetro D2 y una segunda longitud H2 , y
- sendos primer y segundo tramos curvos de transición que tienen una tercera longitud H3.
El primer tramo curvo de transición está dispuesto entre el tramo recto central y el primer tramo recto extremo, y el segundo tramo curvo de transición, está dispuesto entre el tramo recto central y el segundo tramo recto extremo. De manera que, en dichos tramos
curvos de transición, es donde se produce la transición tensional hasta el anclaje de la probeta con el elemento de tiro. La unión de la probeta con el elemento de tiro se realiza, preferiblemente, mediante pegado.
El segundo diámetro D2 de los tramos rectos extremos es mayor que el primer diámetro D1 del tramo recto central, y una longitud total H del cuerpo de revolución es igual a H 2H 2+2H 3, donde,
Donde, una generatriz del cuerpo de revolución está definida por una variación de radio en función de longitud de probeta r(z) que,
-en el primer tramo recto extremo, es de acuerdo con la ecuación:
-en el primer tramo curvo de transición, es de acuerdo con la ecuación polinómica:
-en el tramo recto central, es de acuerdo con la ecuación:
-en el segundo tramo curvo de transición, es de acuerdo con la ecuación polinómica:
H2+H3+H1 < z ≤ H2+2 H3+H1, y
-en el segundo tramo recto extremo, es de acuerdo con la ecuación:
donde,
n es un número entero mayor o igual que 0, que define el grado del polinomio, de grado 2 o superior, que conforma el correspondiente tramo curvo de transición, y
z es una variable de longitud de probeta, asociada a un eje longitudinal L del cuerpo de revolución, cuyo valor es igual a cero en una primera cara transversal del primer tramo recto extremo, y su valor es igual a la longitud total H del cuerpo de revolución en una segunda cara transversal del segundo tramo recto extremo.
Así, los primer y segundo tramos curvos de transición, medios de conexión entre el tramo recto central y los respectivos tramos rectos extremos de anclaje de la probeta, son configurados por sendas generatrices que corresponden a ecuaciones polinómicas de grado 2 o superior, lo cual, garantiza que el cociente entre las tensiones máximas en
cualquier punto de la probeta y en el tramo central recto se aproxime a uno (en todo caso, ligeramente mayor que uno). Con ello, se logra maximizar la probabilidad de que la probeta, sometida a un ensayo de tracción directa, rompa por su tramo central recto, y no por sus tramos rectos extremos de anclaje, no siendo afectado el ensayo por efectos locales derivados del anclaje de la probeta al elemento de tiro de aplicación de cargas, maximizando así las probabilidades de alcanzar un ensayo de tracción directa “válido”.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Se complementa la presente memoria descriptiva, con un juego de figuras, ilustrativas del ejemplo preferente, y nunca limitativas de la invención.
La figura 1 representa una vista en perspectiva de la probeta de ensayo de tracción directa.
La figura 2 representa una vista esquemática de la probeta de la figura 1, en la que se muestra la generatriz del cuerpo de revolución que la conforma, definida por una variación de radio en función de longitud de probeta.
Las figuras 3A-3F representan mapas de tensiones principales máximas relacionados con sendos ejemplos de probeta de las figuras 1 y 2, diferenciados por los grados de los polinomios que definen sus tramos curvos de transición, los cuales van, desde grado 2 (n=0), en la figura 3A, hasta grado 7 (n=5) en la figura 3F.
La figura 4 representa un mapa de tensiones principales máximas relacionados con un ejemplo de probeta conocido del estado de la técnica, con tramos de transición lineales, es decir, definidos por polinomios de grado 1.
La figura 5 representa un mapa de tensiones principales máximas relacionados con otro ejemplo de probeta conocido del estado de la técnica, con tramos curvos de transición definidos por arcos de circunferencia.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención es una probeta de ensayo de tracción directa para hormigón y otros materiales conglomerantes secundarios.
Como se muestra en las figuras 1 y 2, la probeta comprende un cuerpo de revolución (1) conformado por:
- un tramo recto central (1.1), que tiene un primer diámetro (D1) y una primera longitud (Hi),
- unos primer y segundo tramos rectos extremos (1.2, 1.2') que tienen un segundo diámetro (D2) y una segunda longitud (H2), y
- sendos primer y segundo tramos curvos de transición (1.3, 1.3') que tienen una tercera longitud (H3).
El primer tramo curvo de transición (1.3) está dispuesto entre el tramo recto central (1.1) y el primer tramo recto extremo (1.2) y el segundo tramo curvo de transición (1.3') está dispuesto entre el tramo recto central (1.1) y el segundo tramo recto extremo (1.2').
Así mismo, el segundo diámetro (D2) de los tramos rectos extremos (1.2, 1.2') es mayor que el primer diámetro (D1) del tramo recto central (1.1), y una longitud total (H) del H
cuerpo de revolución (1) es igual a H !+2H 2+2H 3, donde, 0 < H < H, 0 ≤ H2 ≤ - y
0 < H33 ≤ H 2.
Por ejemplo, la probeta de ensayo podría tener las siguientes dimensiones:
En cualquier caso, como se muestra en la figura 2, una generatriz del cuerpo de revolución (1) que conforma la probeta está definida por una variación de radio en
función de longitud de probeta (r(z)) que,
-en el primer tramo recto extremo (1.2), es de acuerdo con la ecuación:
-en el primer tramo curvo de transición (1.3), es de acuerdo con la ecuación polinómica:
-en el tramo recto central (1.1), es de acuerdo con la ecuación:
-en el segundo tramo curvo de transición (1.3'), es de acuerdo con la ecuación polinómica:
H2+H3+H < z ≤ H2+2H 3+ H , y
-en el segundo tramo recto extremo (1.2'), es de acuerdo con la ecuación:
donde,
n es un número entero mayor o igual que 0, que define el grado del polinomio, de grado 2 o superior, que conforma el correspondiente tramo curvo de transición (1.3, 1.3'), y z es una variable de longitud de probeta, asociada a un eje longitudinal (L) del cuerpo de revolución (1), cuyo valor es igual a cero en una primera cara transversal (1.21) del primer tramo recto extremo (1.2), y su valor es igual a la longitud total (H) del cuerpo de revolución (1) en una segunda cara transversal (1.21') del segundo tramo recto extremo (1.2').
Así, los primer y segundo tramos curvos de transición (1.3, 1.3') del cuerpo de revolución (1) son configurados por sendas generatrices que corresponden a ecuaciones polinómicas de grado 2 o superior, lo cual, garantiza que el cociente entre las tensiones máximas en cualquier punto de la probeta y en el tramo recto central (1.1) se aproxime a uno (en todo caso, ligeramente mayor que uno). Y con ello, se logra maximizar la probabilidad de que la probeta, sometida a un ensayo de tracción directa, rompa por su tramo recto central (1.1), y no, por sus tramos rectos extremos (1.2, 1.2') de anclaje, maximizando así, las probabilidades de alcanzar un ensayo de tracción directa "válido”.
A continuación, se demuestra cómo con la geometría de probeta propuesta por la
presente invención se logra reducir sustancialmente el cociente entre la máxima tensión en la probeta y la máxima tensión en el tramo recto central (1.1) de la misma, aproximándose a la unidad. Para ello, se han calculado los campos de tensiones principales máximas de tracción que aparecen en diferentes ejemplos de probetas, todas ellas, con geometría de revolución, sometidas a una carga de tracción uniforme, de tal modo que la máxima tensión principal en la zona del tramo recto central (1.1) sea la unidad.
Mapas de tensiones principales máximas, relacionados con estos ejemplos de probetas en estudio, son mostrados en las figuras 3A-3F, 4 y 5. En todos los casos, se ha representado la mitad de una sección de alzado de la probeta correspondiente a un plano de corte que contiene el eje de la probeta y una generatriz, puesto que, al tratarse de probetas con geometría de revolución, todas las secciones muestran idéntico resultado.
En las figuras de la 3A a la 3F, se muestran los mapas de tensiones principales máximas relacionados con seis ejemplos de probetas con la geometría de revolución propuesta por la presente invención. En todas ellas, la longitud total (H) es de 150 mm, la primera longitud (H1) del tramo recto central (1.1) es de 40 mm, la segunda longitud (H2) de los tramos rectos extremos (1.2, 1.2') es de 10 mm, la tercera longitud (H3) de los tramos curvos de transición (1.3, 1.3') es de 45 mm, el primer diámetro (D1) del tramo recto central (1.1) es de 40 mm y el segundo diámetro (D2) de los tramos rectos extremos (1.2, 1.2') es de 56,6 mm. Donde, la diferencia entre cada uno de dichos ejemplos de probeta es el valor del coeficiente "n” que describe, con un polinomio de grado 2 o superior, la curva que define los tramos curvos de transición (1.3, 1.3') de estos ejemplos de probeta, el cual, va desde n=0 (para el ejemplo de probeta de la figura 3A, polinomio de grado 2) hasta n=5 (para el ejemplo de probeta de la figura 3F, polinomio de grado 7).
Por su parte, la figura 4 muestra el mapa de tensiones principales máximas relacionado con un ejemplo de probeta conocido del estado de la técnica, el cual, comprende tramos de transición lineales, es decir, definidos por polinomios de grado 1. En este caso, se ha considerado una longitud total (H) de probeta de 111,1 mm, la longitud del tramo recto central (H1) es de 40 mm, la longitud de los tramos rectos extremos (H2) es de 10 mm, la longitud de los tramos de transición (H3) es de 25,5 mm, el diámetro del tramo
recto central (Di) es de 40 mm y el diámetro de los tramos rectos extremos (D2) es de 56.6 mm. De este modo, la geometría de la generatriz en el tramo de transición es una recta que forma un ángulo de 162 grados respecto al tramo recto central.
Así mismo, la figura 5 muestra el mapa de tensiones principales máximas relacionado con un ejemplo de probeta conocido del estado de la técnica, el cual, comprende tramos curvos de transición definidos por arcos de circunferencia. En este caso, se ha considerado una longitud total de probeta (H) de 91,9 mm, la longitud del tramo recto central (H1) es de 40 mm, la longitud de los tramos rectos extremos (H2) es de 10 mm, la longitud de los tramos curvos de transición (H3) es de 15,9 mm, el diámetro del tramo recto central (D1) es de 40 mm y el diámetro de los tramos rectos extremos (D2) es de 56.6 mm. De este modo, la geometría de la generatriz en el tramo de transición es un arco de circunferencia que es tangente a la generatriz del tramo recto central y forma un ángulo de 125 grados con la generatriz del correspondiente tramo recto extremo (y, por lo tanto, el citado arco de circunferencia presenta un ángulo de 55 grados).
Así, en todos los anteriores ejemplos de probeta objetos de estudio, la longitud del tramo recto central (H1), la longitud de los tramos rectos extremos (H2), el diámetro del tramo recto central (D1) y el diámetro de los tramos rectos extremos (D2) son iguales. En particular, el tramo recto central, en el que se busca que se produzca el fallo o rotura de la probeta, es idéntico en todos los ejemplos de probeta estudiados.
Como resultado del estudio, en la siguiente tabla se muestran los valores de tensión principal máxima relativa obtenidos para cada uno de los ejemplos de probeta estudiados, donde, dicho valor de tensión principal máxima relativa es definido como el cociente entre la tensión principal máxima de la probeta y la tensión principal del tramo recto central de la misma.
Tal y como se puede apreciar en la tabla anterior, para todos los ejemplos de probeta según la presente invención se obtienen valores cercanos a la unidad del cociente entre la tensión principal máxima de la probeta y la tensión principal del tramo recto central de la misma. Los valores más bajos de dicho cociente se obtienen en las probetas con n=1 y n=2.
En cambio, como puede verse, en el caso de los ejemplos de probeta con geometría conocida también estudiados, muestran valores claramente superiores del cociente entre la tensión principal máxima de la probeta y la tensión principal del tramo recto central de la misma, donde, dichos valores están alejados de la unidad, lo cual, significa que éstas geometrías de probeta conocidas tienen un riesgo elevado de que el fallo o rotura de la misma se produzca fuera de su tramo recto central, y con ello, altas probabilidades de que el ensayo sea considerado "no válido”.
Claims (1)
1.-Probeta de ensayo de tracción directa para hormigón y otros materiales conglomerantes secundarios, que comprende un cuerpo de revolución (1) conformado por:
- un tramo recto central (1.1), que tiene un primer diámetro (D1) y una primera longitud (Hi),
- unos primer y segundo tramos rectos extremos (1.2, 1.2') que tienen un segundo diámetro (D2) y una segunda longitud (H2), y
- sendos primer y segundo tramos curvos de transición (1.3, 1.3') que tienen una tercera longitud (H3), el primer tramo curvo de transición (1.3) está dispuesto entre el tramo recto central (1.1) y el primer tramo recto extremo (1.2) y el segundo tramo curvo de transición (1.3') está dispuesto entre el tramo recto central (1.1) y el segundo tramo recto extremo (1.2'),
donde, el segundo diámetro (D2) de los tramos rectos extremos (1.2, 1.2') es mayor que el primer diámetro (D1) del tramo recto central (1.1), y una longitud total (H) del cuerpo de revolución (1) es igual a H1 2H 2+2H 3, donde,
caracterizada por que una generatriz del cuerpo de revolución (1) está definida por una variación de radio en función de longitud de probeta (r(z)) que,
-en el primer tramo recto extremo (1.2), es de acuerdo con la ecuación:
-en el primer tramo curvo de transición (1.3), es de acuerdo con la ecuación polinómica:
-en el tramo recto central (1.1), es de acuerdo con la ecuación:
-en el segundo tramo curvo de transición (1.3'), es de acuerdo con la ecuación polinómica:
H2+H3+H1 < z ≤ H2+2·H3+H1, y
-en el segundo tramo recto extremo (1.2'), es de acuerdo con la ecuación:
donde,
n es un número entero mayor o igual que 0, que define el grado del polinomio, de grado 2 o superior, que conforma el correspondiente tramo curvo de transición (1.3, 1.3'), y z es una variable de longitud de probeta, asociada a un eje longitudinal (L) del cuerpo de revolución (1), cuyo valor es igual a cero en una primera cara transversal (1.21) del primer tramo recto extremo (1.2), y su valor es igual a la longitud total (H) del cuerpo de revolución (1) en una segunda cara transversal (1.21') del segundo tramo recto extremo (1.2').
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