CAPÍTULO 4 CAMPAÑA EXPERIMENTAL

CAPÍTULO 4 CAMPAÑA EXPERIMENTAL 4.1 INTRODUCCIÓN Los ensayos descritos a continuación se enmarcan dentro de uno de los proyectos de investigación del área de Estructuras Metálicas del Departamento de Ingeniería de la Construcción de la UPC. Dichos ensayos se realizaron entre Diciembre de 2005 y Abril de 2006 y forman parte de la presente tesina con el objetivo de caracterizar las vigas armadas híbridas sometidas a cargas concentradas, valorando la influencia de la distancia entre rigidizadores transversales. Para ello, se plantea el ensayo de cuatro vigas biapoyadas de gran canto sometidas a una carga concentrada en una pequeña longitud donde se desarrolla el fenómeno de abolladura local. La geometría de los especimenes a ensayar, detallada a lo largo del capítulo, ha sido previamente estudiada y analizada en el código ABAQUS para determinar cargas últimas y garantizar la seguridad en el laboratorio, tal y como se expone en el capítulo 3. En primer lugar se analizaron las imperfecciones iniciales en las vigas a ensayar (apartado 4.3). Posteriormente se dispuso la instrumentación pertinente en cada probeta (apartado 4.4) y se procedió a su ensayo. Todos los datos recogidos se almacenaron en un ordenador personal para su posterior análisis (capítulo 5)

44

4.2. DESCRIPCIÓN DE LAS VIGAS La campaña experimental constó de cuatro vigas híbridas de pequeña longitud y gran canto en las cuales se pretendió estudiar principalmente el comportamiento de las mismas ante cargas concentradas. Para ello, se planteó un estudio con una variación de la distancia entre los rigidizadores centrales, a fin de comparar las diferentes situaciones que se recogen actualmente en la normativa actual. Las vigas constan de tres paneles. En todos los ensayos se aplicó una carga concentrada repartida en una pequeña longitud de 150 mm. Asimismo en la tabla 4.1 y las figuras 4.1 y 4.2 se resumen las características geométricas de cada uno de los especimenes, así como los materiales utilizados (tabla 4.2). Para más detalle, se adjuntan en el Anejo 1 una serie de fichas descriptivas con las dimensiones exactas de cada viga.

100mm

b a b

100mm

520m

m ts=20mm

2700mm

Figura 4.1. Configuración general de los ensayos a cargas concentradas

tf=20mm

tw=4mm

520m

m

200mm

Figura 4.2. Sección acotada de las 4 vigas

Probeta VPL2500 VPL1500 VPL750 VPL450 a(mm) 2500 1500 750 450 b(mm) 0 500 875 1025

Tabla 4.1. Características variables de las vigas a ensayar

45Capítulo 4. Campaña experimental

Alas Almas Rigidizadores

Límites elásticos(N/mm2) 478 356 478

Tabla 4.2. Límites elásticos del acero empleado

4.3. IMPERFECCIONES INICIALES Para poder evaluar correctamente el comportamiento real de la viga, es necesario conocer perfectamente la geometría inicial de la misma. Nunca se dispondrá de la viga “ideal” diseñada en planos, pues, debido al proceso de la propia fabricación, una viga armada nunca será perfectamente plana. Es por ello que cabe caracterizar la geometría real de la viga, a fin de valorar su influencia en la resistencia última. Para ello, se requirió el servicio de la empresa ABROX, especializada en medidas tridimensionales de alta precisión (figura 4.3, [23] y anejo multimedia), que utilizaba un sistema de posicionamiento tridimensional (K-CMM) para la toma de datos. Mediante sistemas de triangulación electrónica, dicha tecnología permite almacenar las coordenadas locales de un punto en el espacio, referidas siempre a unos ejes locales conocidos. Así pues, discretizando cada panel en puntos clave, es posible dibujar la geometría de cada viga, estudiando con una malla de puntos más fina en las zonas donde se espera la aparición de la abolladura.

Figura 4.3. Técnico capturando datos de las imperfecciones iniciales y equipo de medición

Con este análisis, pudo determinarse la forma y la magnitud de la imperfección a la que estaban sometidas algunas de las vigas, hecho que, como ya se detallará más adelante, será fundamental para el análisis y la comprensión de los resultados. A continuación, se muestra gráficamente la geometría de la viga en su estado real, procesada a partir de los datos obtenidos con esta metodología de análisis.

46

Figura 4.4. Deformada real de la geometría del alma de las vigas (alzado y perfil)

-80

20

120

220

320

420

520

0 2 4 6

Profundidad alma (mm)

Altur

a viga

(mm

)

-80

20

120

220

320

420

520

0 2 4 6

Profundidad alma(mm)

Altur

a viga

(mm)

-80

20

120

220

320

420

520

-4 -2 0 2 4

Profundidad alma (mm)Alt

ura v

iga (m

m)

-80

20

120

220

320

420

520

-3 -2 -1 0 1

Profundidad alma (mm)

Altur

a viga

(mm

)


4.4. INSTRUMENTACIÓN 4.4.1. INTRODUCCIÓN El objetivo de la instrumentación es obtener medidas de parámetros representativos que permitan una buena caracterización y un posterior análisis del comportamiento de las vigas. Para ello, se utilizan galgas extensométricas y transductores de desplazamiento inductivos (LVDT). Las primeras permiten medir las deformaciones del acero, mientras que los segundos permiten medir en cada momento el desplazamiento de un punto fuera de su plano inicial. Asimismo, también puede obtenerse la carga aplicada a la viga en todo momento mediante una célula situada en el pistón de ensayo. Con ello se pueden obtener y estudiar las distintas cargas críticas y últimas del fenómeno. 4.4.2. GALGAS EXTENSOMÉTRICAS El funcionamiento de las galgas extensométricas se basa en la variación de resistencia de un conductor o semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Usando la ley de Ohm, puede demostrarse que existe una relación lineal entre la resistencia del conductor y su deformación, cuya constante de proporcionalidad se denomina factor de galga. Por tanto, a partir de la medida de los cambios de resistencia se podrán conocer los esfuerzos aplicados. Estos cambios de resistencia se miden a través de una señal eléctrica que se envía a la galga. Cabe considerar ciertas limitaciones en la aplicación de este principio para obtener una información útil. En primer lugar, el esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico de deformaciones, que no excede del 1% de la longitud de la misma y, en segundo lugar, la medida de un esfuerzo sólo será correcta si es transmitido totalmente a la galga. Ello se logra pegándola cuidadosamente mediante un adhesivo elástico que sea suficientemente estable con el tiempo y la temperatura. Otro aspecto a considerar es la configuración de las galgas en función de las direcciones en que miden las deformaciones. Por un lado, las más sencillas que utilizamos son las llamadas uniaxiales, en las que se recibe únicamente las deformaciones en una única dirección. Por otro lado, usamos también las llamadas rosetas triaxiales, donde se recogen las deformaciones en tres direcciones distintas. La elección entre una y otra depende fundamentalmente del grado de conocimiento de las direcciones de deformación en cada punto. En muchas ocasiones, bastará con una única dirección de medida.

Figura 4.5. Galga uniaxial y triaxial, respectivamente

48

Las galgas utilizadas en esta campaña representan un avance importante en relación a los modelos de galgas utilizadas en anteriores campañas. Este nuevo tipo de galgas lleva incorporado el cable conectador al elemento de recepción de datos, con lo que basta instrumentar la galga sobre la viga y conectar el cable al módulo de recepción de datos, sin necesidad ni de utilizar, ni de soldar, ningún cable extra. A diferencia de otros trabajos similares publicados, no se ha dedicado un capítulo específico al procedimiento de instrumentación, pues resultaría redundante e idéntico al de los trabajos citados en la bibliografía. Sí se ha preparado un breve anejo gráfico (Anejo 2), en forma de recetario, a fin de plasmar el proceso en si mismo. Para más información sobre el proceso de instrumentación de galgas puede consultarse el mencionado anejo y los trabajos realizados por Real [24] y Budó [25]. 4.4.3. TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO INDUCTIVOS Los transductores de desplazamiento nos permiten convertir una señal física, en nuestro caso una variación de posición, en una señal eléctrica. Su funcionamiento se basa en una transformación diferencial de variación lineal, que se designa comúnmente con las siglas LVDT (Linear Variation Diferencial Transformer) y que funciona analizando la variación de inductancia de un núcleo magnético que, al moverse, reproduce las diferencias de desplazamiento.

Figura 4.6. Distintas vistas de los tipos de transductores de desplazamiento


El parámetro distintivo entre los distintos LVDT es el rango de medida de cada uno. Este dato es especialmente importante en los trasductores situados en el alma, debido a que, a pesar de que se estima el desplazamiento en cada punto mediante el modelo numérico descrito anteriormente, no se sabe a priori hacia que lado se deformará el alma. Se ha detallado el rango esperado de cada LVDT en las fichas adjuntas del Anejo 3. De la misma forma que las galgas, van conectados mediante cables al centro de recepción de datos. Para sujetar dichos dispositivos se dispuso una estructura con barras de aluminio dónde podía situarse cada elemento en el punto deseado. A pesar de que se diseñaron diferentes tipos de estructuras en función de la localización de los LVDT (que fueron cambiando en cada ensayo), todas ellas se unían a la viga mediante piezas metálicas especialmente diseñadas, que evitaban cualquier coacción de la estructura con la viga. 4.4.4. LOCALIZACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN La localización de dicha instrumentación se ha realizado atendiendo al modelo numérico presentado en el capítulo 3 y a las necesidades propias de medición del fenómeno, a fin de situar las galgas en los puntos más representativos de cada probeta. La situación de cada galga y LVDT puede observarse en las figuras de croquis que siguen, así como en las fichas adjuntas en el Anejo 3.

55m

m

25m

m

20mm110mm

70mm

175mm

140m

m13

0mm 50mm

20mm51mm

235mm

LVDT

Galga triaxialGalga uniaxial

40m

m

20mm

Figura 4.7. Posición de la instrumentación en la viga VPL2500

50

55m

m

25m

m

20mm110mm

70mm

175mm

140m

m13

0mm 50mm

20mm51mm

235mm

LVDT


40m

m

20mm


55m

m

25m

m

20mm110mm

70mm

175mm

140m

m13

0mm 50mm

20mm51mm

235mm

LVDT


40m

m

20mm



40m

m

40mm

40mm20mm

20mm

100mm

125mm

25m

m

55m

m 20mm 38mm

107,5mm13

0mm

140m

m

LVDT


Figura 4.10. Posición de la instrumentación en la viga VPL450 Tal y como se puede observar, la disposición de los dispositivos LVDT ha ido variando a lo largo de los ensayos. Además, debido a un problema sucedido en el segundo ensayo, se decidió controlar la flecha de las dos caras del ala superior a partir del tercer ensayo, tal y como se describe en los apartados 4.6.3 y 4.6.4. En cuanto a la disposición de galgas, se puede observar como va variando en cada viga, a fin de cubrir la zona de abolladura prevista. Cabe comentar la ubicación de galgas en el ala y los rigidizadores en las vigas VPL750 y VPL450, debido a la influencia de estos al reducir la distancia entre rigidizadores con respecto a las otras dos vigas. También se observa como se reducen direcciones de medida de algunas de las galgas centrales, pasando de rosetas triaxiales a galgas unidireccionales. Esto es debido a la clara dirección de las tensiones principales en dicho eje que se observó a medida que transcurrían los ensayos. 4.5. PROCESO DE CARGA Y ADQUISICIÓN DE DATOS 4.5.1. PRENSA DE CARGA Para llevar a cabo estos ensayos, se ha utilizado un pistón MTS acoplado en un extremo por un pórtico de carga mediante una rótula tridimensional. Dicho pistón dispone también de rótula en el extremo de aplicación de carga, tal y como se observa en la figura 4.11.

52

Figura 4.11. Detalles del pistón de carga. La carga máxima estática que soporta es de 1000 kN. El pistón está gobernado por un control analógico que permite controlar el proceso de carga, a la vez que muestra las lecturas de carga y posición del pistón en un visor tipo led. Al mismo tiempo, el sistema de carga está conectado a un ordenador que permite configurar el proceso de carga mediante control de carga, o bien mediante control del desplazamiento del pistón. En esta campaña se ha procedido con el método de control de desplazamiento del pistón puesto que evita un exceso de carga que podría producir una rotura brusca de la probeta y además permite reproducir fenómenos de plasticidad. El pórtico de carga se encuentra sobre una losa armada que absorbe las reacciones de la aplicación de carga durante el ensayo. 4.5.2 APARATOS DE APOYO Se han utilizado apoyos fijos en ambos extremos de la viga. Cada uno de ellos se ha materializado mediante un cilindro macizo de 80 mm de diámetro situado encima de una placa metálica.


Figura 4.12. Aparato de apoyo. Las condiciones de estos aparatos permiten asimilar el apoyo como un apoyo simple en dos dimensiones (giro permitido y movimiento horizontal y vertical impedido). 4.5.3. VIGA SOPORTE Los aparatos de apoyo no descansan directamente sobre la losa de hormigón, sino que transmiten todos los esfuerzos a una viga auxiliar, llamada viga soporte o viga cargadera. Dicha viga está formada por dos IPE 400 unidas por chapas de acero de 12 mm soldadas en sus alas. Esta viga se une a la losa de hormigón mediante barras metálicas en cada extremo (figura 4.13). La viga soporte tiene doble función. Por un lado, levanta la probeta a ensayar y la dispone a la altura necesaria para que el pistón pueda recorrer su carrera sin ningún problema y, por otro lado, la viga dispone de 2 parejas de UPN soldadas verticalmente en los extremos, que impedirían el vuelco de la viga en caso de que la entrada de carga no fuera perfectamente recta y el pistón, en lugar de presionar la viga perpendicularmente a su plano de carga, la empujara hacia fuera.

Figura 4.13. Detalle de la viga de soporte.

54

4.5.4. DISPOSITIVO DE RECEPCIÓN DE DATOS Toda la instrumentación descrita hasta este punto debe conectarse a un centro de recepción de datos que permita canalizar, de forma digital, toda la información a un ordenador personal, a fin de poder tratar toda la información. Para ello y de forma expresa para esta campaña, se ha adquirido un nuevo módulo denominado MGCPLUS, mediante el cual se permite un tratamiento informático de la información mucho más sencillo que los métodos convencionales. Esto es debido a hechos como el de que este nuevo módulo calibra de forma automática todos los elementos que a él se conectan.

Figura 4.14. Vista del módulo de recepción de datos MGCPLUS. Además de las señales que transmiten las galgas y los transductores, también se conecta al módulo el pistón de carga, obteniendo una lectura de su desplazamiento vertical y la carga a la que somete la probeta. 4.6. RESULTADOS EXPERIMENTALES 4.6.1. INTRODUCCIÓN A continuación se presentan, de forma cronológica, un resumen del desarrollo, problemática y resultados de cada uno de los ensayos realizados, haciendo hincapié en las particularidades y singularidades de cada uno. El orden de las vigas a ensayar se dispuso teniendo en cuenta la distancia entre rigidizadores de forma decreciente. Así pues, se ensayó primero el espécimen VPL2500 (2.5m entre rigidizadores) y se finalizó por el VPL450 (0.45m entre rigidizadores). De esta forma, se pretendía analizar, de manera intuitiva, el efecto de los rigidizadores ante la abolladura local.


4.6.2. ENSAYO NÚM.1. VPL2500 La primera viga ensayada fue el espécimen VPL2500, caracterizado por ser la probeta con los rigidizadores más distanciados entre ellos (2.5 m). El ensayo se llevó a cabo el jueves día 23 de febrero de 2006 y tuvo una duración de unos 74 min (contando carga y descarga). La máxima alcanzada fue de 217.6 kN. Tal y como se muestra en la figura 4.15, donde se observa el descenso del ala superior en su centro de luz, se observa como la viga absorbe carga de forma más o menos lineal hasta la carga máxima comentada anteriormente, a partir de la cual se observa un breve periodo donde la viga no absorbe más carga, seguida de un descenso en la capacidad de carga absorbida. Este comportamiento será estudiado más adelante en el capítulo 5 de ánálisis de resultados, si bien cabe adelantar que este era el comportamiento esperado por el modelo numérico.

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25

Desplazamiento(mm)

Carg

a(KN

)

LVDT 1

Figura 4.15. Desplazamiento del ala superior en el centro de luz. VPL2500

En la misma gráfica puede observarse claramente la rama de carga y la de descarga. El proceso de descarga se realizo una vez se dio por estabilizado el comportamiento de la probeta. A continuación se muestran instantáneas del ensayo donde puede observarse la deformada de la viga antes y después de la carga.

56

Figura 4.16. Estado de la viga antes y después del ensayo

Figura 4.17. Detalle de la evolución de la deformada 4.6.3. ENSAYO NÚM.2. VPL1500 El segundo ensayo llevado a cabo fue el de la probeta VPL1500, cuyos rigidizadores estaban más juntos que en el caso anterior (1.5m). El ensayo se llevó a cabo el miércoles día 15 de marzo de 2006 y sobrepasó poco más de 85 minutos de duración (contando carga y descarga). En este ensayo se observó un fenómeno distinto al esperado. Debido a la geometría inicial de la pieza y a la visible deformación inicial del alma, la entrada de carga, que inicialmente era recta, no tardo en producirse con una cierta desviación. Dicha desviación, observable en la figura 4.18, produjo un movimiento del pistón considerable y, con ello, un proceso de abolladura totalmente distinto al esperado. Por todo, la validez del ensayo para el análisis del patch loading es más que discutible.


Figura 4.18. Detalle de la desviación del pistón Además, si analizamos brevemente como un primer resultado la curva carga flecha del ala superior en el centro de luz, la figura 4.19 muestra como la flecha pierde linealidad desde el primer momento y se llega a una carga máxima de 195.3 kN. A partir de este punto, se observa un descenso lineal en la entrada de carga que dista mucho de lo esperado en el modelo numérico.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

-5 0 5 10 15 20 25 30

Desplazamiento(mm)

Carg

a(KN

)

LVDT 1

Figura 4.19. Desplazamiento del ala superior en el centro de luz. VPL1500 Cabe destacar que, a medida que el ensayo fue transcurriendo, el pistón de carga fue volviendo otra vez a su posición inicial y, curiosamente, deformó la viga en la dirección contraria hasta ese punto, de modo que la deformada final de la viga acabó siendo parecida a la esperada por cargas concentradas, tal y como se muestra en el esquema de la figura 4.20. En la figura 4.21 se refleja estado inicial y final de la viga ensayada.

58

Figura 4.20. Esquema de la entrada de carga desviada y la abolladura consecuente


4.6.4. ENSAYO NÚM.3. VPL750 La tercera viga ensayada fue la VPL750, cuyos rigidizadores (0.75m) ya empezaban a estar a una distancia suficientemente cercana como para que, a partir de los datos obtenidos en el modelo numérico, pudiera considerarse necesario estudiar el efecto tensional en ellos mediante galgas. El ensayo fue llevado a cabo el jueves 23 de marzo de 2006 y duró, aproximadamente, un poco más de 76 min. (igual que en los anteriores casos, contando carga y descarga). Debido al problema sucedido en el anterior ensayo, se modificó la posición de los LVDT, de forma que se prescindió de uno de los transductores situados en uno de los apoyos, para situarlo debajo del ala superior. Con ello, se pretendía medir el descenso de las dos caras del ala superior y detectar, así, una posible desviación de la carga como la ocurrida en el segundo ensayo. Dicha configuración se muestra en el croquis de la figura 4.22


LVDT

Figura 4.22. Esquema de la situación de LVDT bajo el ala superior. (Acotaciones y numeración en el Anejo1)

El ensayo en si transcurrió sin ninguna problemática especial y se alcanzaron 251.88 kN como valor de carga máxima. En este ensayo, tal y como se observa en la gráfica carga-desplazamiento del ala superior en el centro de luz (figura 4.23), se observó una primera rama de carga lineal, seguida de una rama horizontal donde la viga no absorbía más carga y, como novedad, un incremento de resistencia una vez sobrepasada la pérdida de linealidad. Este aumento de resistencia, que ya preveía el modelo numérico, será analizado convenientemente en el capítulo 5.

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25

Desplazamiento(mm)

Carg

a(KN

)

LVDT 1


A continuación se muestran instantáneas de la evolución de la deformada en el proceso de carga de la probeta.

60

Figura 4.24. Estado de la viga antes y después del ensayo 4.6.5. ENSAYO NÚM.4. VPL450 El último ensayo llevado a cabo fue el espécimen VPL450, la probeta con los rigidizadores más juntos (0.45m), con lo que se esperaba obtener la carga crítica más elevada de las cuatro obtenidas hasta ahora. El ensayo se llevó a cabo el miércoles 29 de marzo de 2006 y duró alrededor de 90 minutos (carga y descarga). En este ensayo se dispusieron los LVDT de la misma forma que en el ensayo anterior, además de las correspondientes galgas en los rigidizadores para poder analizar su estado tensional. El comportamiento de la viga es similar al del anterior ensayo, pues a partir de la curva carga desplazamiento del ala superior (figura 4.25), puede observarse como, después de la pérdida de linealidad, existe un aumento de la capacidad de carga de la viga.

-50

0

50

100

150

200250

300

350

400

450

-5 0 5 10 15 20 25 30

Desplazamiento(mm)

Carg

a(KN

)

LVDT 1



La carga crítica alcanzó los 426.7 kN, si bien cabe comentar que el resultado en el valor de la carga última fue mayor de lo esperado, en base al modelo numérico presentado en el capítulo 3. A pesar de ello, la curva carga-flecha del ala superior en el centro de luz representada en la figura 4.25 sigue la tendencia y la forma, con valores mucho menores, de la obtenida en dicho modelo. A continuación se muestran instantáneas de la evolución de la deformada en el proceso de carga de la probeta.


Figura 4.27. Detalle de la evolución de la deformada

CAPÍTULO 4 CAMPAÑA EXPERIMENTAL

Documents

Transcript of CAPÍTULO 4 CAMPAÑA EXPERIMENTAL