Dispositivo para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos en elementos estructurales y estéticos y uso del mismo.

Un dispositivo (1) para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos que comprende:

un brazo (4) mecánico articulado;

medios (11, 12) para impulsar un brazo (4) mecánico articulado de acuerdo con una trayectoria horizontal,vertical o una combinación horizontal/vertical, y con una fuerza 5 predeterminada; y medios (21) paraestablecer, controlar y ajustar dicha trayectoria y dicha fuerza; caracterizado por el hecho de estar provistode un soporte (13) para un elemento (14) a ensayar estructural o estético, con una herramienta (10) deensayo soportada por el brazo mecánico articulado y con medios (35, 36) para evaluar el impacto entre laherramienta (10) de ensayo y la superficie del tramo (14) del elemento afectada por el contacto.

Dispositivo para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos en elementos estructurales y estéticos y uso del mismo El presente invento se refiere a un dispositivo para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos, provocados por medios y herramientas operativos de diferente tipo que impactan en elementos estructurales y estéticos, por ejemplo daños tales como perforaciones, abolladuras y arañazos provocados por cucharas excavadoras en elementos estructurales como por ejemplo tuberías subterráneas o submarinas.

El presente invento se refiere además a un método para utilizar el dispositivo anteriormente mencionado para evaluar la resistencia al impacto de elementos estructurales, por ejemplo tuberías incluso posiblemente sometidas a presión, y elementos estéticos, por ejemplo fachadas continuas de edificios.

En lo que sigue, con la denominación de elementos estructurales se hace referencia a elementos de tamaños enormes, normalmente fabricados de metal, hormigón pretensado, cemento reforzado y similares, que desempeñan una función estructural estática. Por ejemplo, es posible mencionar piezas de infraestructura, armazones, conductos enterrados, sumergidos o al aire, plataformas, suelos para almacenamiento o pistas de aterrizaje, contenedores, quillas y similares.

En lo que sigue, con la denominación de elementos estéticos se hace referencia a elementos de tamaño medio/grande, normalmente fabricados de vidrio, plástico, material compuesto, metal, hormigón y similares, que no desempeñan una función estructural estática, pero que deben ser capaces de soportar impactos o tensiones excepcionales. Por ejemplo, es posible mencionar piezas de infraestructura, armazones, fachadas continuas de edificios/barcos/aviones, paneles de insonorización y similares.

Este tipo de elementos pueden ser voluminosos y/o estar situados en una posición apenas controlable, en particular, por ejemplo pueden estar enterrados o en una posición difícilmente accesible y, por lo tanto, están sometidos potencialmente a accidentes en los cuales un cuerpo operativo exterior (por ejemplo una máquina operativa, el ancla de un barco, etc.) daña el elemento en cuestión.

Por ejemplo, en el campo de los conductos, una herramienta como por ejemplo el diente de una cuchara excavadora, una perforadora, una fresadora o una pala podrían golpear un conducto, un elemento de soporte o similar, provocando una perforación, una abolladura o un arañazo que podría reducir la capacidad del elemento para desempeñar su propia función estructural. En otros casos, el propio elemento estructural podría golpear un obstáculo fijo, en algún caso afilado, como por ejemplo una roca.

Lo que se necesita es predecir si, después del suceso de impacto, el elemento es capaz de seguir desempeñando su propia función de forma segura, y durante cuánto tiempo.

Por ejemplo, en el campo de conductos enterrados, se admite generalmente que los daños mecánicos debidos a excavadoras representan en el mundo una de las principales causas de fallo en la red de tuberías de gas terrestres. De hecho, debido al impacto con la cuchara de una excavadora, se puede producir un daño superficial o una perforación en la superficie exterior de la tubería, afectando a la integridad estructural del conducto.

En el caso de una perforación, se produce una pérdida inmediata de la capacidad de contención de la tubería y, dependiendo del tamaño de dicha perforación, se pueden producir consecuencias sobre la capacidad para transportar el fluido y sobre la integridad del entorno circundante.

Estudios llevados a cabo sobre este tipo de daños han conducido al desarrollo de diferentes modelos en la literatura (véanse, por ejemplo, las obras de British Gas, Gas de France, etc.) capaces de predecir los efectos de abolladuras y arañazos en términos de integridad estructural residual de la tubería dañada.

A pesar de la enorme cantidad de trabajo ya realizado, en realidad se han llevado a cabo pocos estudios para conectar los parámetros de la excavadora con el proceso de formación de daños y, por lo tanto, con los tamaños de la abolladura y del arañazo.

Para llenar este hueco es necesario realizar ensayos a escala real que reproduzcan el proceso de daño sobre el conducto presurizado.

Los resultados de tales ensayos son de máxima importancia para: 1) determinar la capacidad de una excavadora preestablecida para dañar un conducto de gas presurizado dado; y 2) proporcionar un modelo numérico de evaluación analítica del daño.

Las excavadoras reales no son apropiadas para ser usadas como “herramientas de ensayo”, dado que la controlabilidad y la reproducibilidad del ensayo no son satisfactorias.

Este ejemplo se puede llevar fácilmente a otros campos y a otros tipos de daños. A modo de ejemplo, se podría desear predecir la resistencia de una plataforma usada para el aterrizaje de un helicóptero, donde la herramienta que provoca el daño podría ser el tren de aterrizaje de tipo esquí del propio helicóptero.

El documento US 4.506.949 explica un dispositivo para la comprobación automática de soldaduras entre piezas tubulares, que incluye un rodillo que se mueve sobre raíles y que lleva un brazo telescópico orientable por rotación alrededor de su eje.

En el documento JP 07186036A se explica un dispositivo que comprende un brazo mecánico articulado; medios para impulsar el brazo mecánico de acuerdo con una trayectoria horizontal, vertical o una combinación horizontal/vertical y para ajustar dicha trayectoria y dicha fuerza.

El problema técnico subyacente al presente invento es proporcionar un dispositivo de evaluación que permita eludir los inconvenientes mencionados con referencia al estado del arte conocido, permitiendo obtener datos concretos y numerosos sobre los daños típicos para elementos estructurales y estéticos para los cuales también se quiere tener disponibles modelos que predigan los efectos de dichos daños.

Este problema es solucionado por un dispositivo para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos, que comprende:

un brazo mecánico articulado;

medios para impulsar un brazo mecánico articulado en una trayectoria horizontal o vertical, o en una combinación horizontal/vertical, y con una fuerza predeterminada y

medios para establecer, controlar y ajustar dicha trayectoria y dicha fuerza;

el cual está provisto de un soporte para un elemento estructural o estético a ensayar, de una herramienta de ensayo soportada por el brazo mecánico articulado y de medios para evaluar el impacto entre la herramienta de ensayo y la superficie del tramo de elemento afectado por el contacto.

La principal ventaja del dispositivo de acuerdo con el presente invento radica en la posibilidad de realizar ensayos con fuerza (estática y dinámica) , dirección de impacto y características de la herramienta variables dentro de un amplio rango de posibles objetos que impactan y de elementos estructurales y estéticos sometidos a impacto.

Por ejemplo, en el caso de tuberías, el dispositivo y el uso del mismo permiten obtener los parámetros útiles para predecir el comportamiento in situ de la propia tubería en el caso de daños mecánicos provocados por excavadoras.

A continuación se describirá el presente invento de acuerdo con una realización preferente del mismo, dada a modo de ejemplo y no con fines limitativos, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

* la figura 1 muestra una vista en perspectiva del dispositivo de evaluación de acuerdo con el invento;

* la figura 2 muestra una vista en alzado lateral del dispositivo de la figura 1;

* la figura 3 muestra una vista en perspectiva de un detalle del dispositivo de la figura 1;

* la figura 4 muestra un diagrama de bloques que ilustra el funcionamiento del dispositivo de la figura 1;

Se describe un dispositivo para evaluar tramos de tubería sometida a presión, diseñada para ser enterrada. La herramienta para la cual se ha concebido este ejemplo es el diente de una cuchara excavadora. Sin embargo, se debe tener en cuenta que, con la palabra “herramienta”, se hará referencia a cualquier objeto capaz de provocar un daño mecánico en cualquier elemento estructural, por ejemplo, taladros, cucharas sin dientes, fresadoras o arados mecánicos, palas, piedras. Además, también se podría desear ser capaz de simular la interferencia estática con objetos para provocar daños, por ejemplo el daño provocado al apoyar tuberías sobre las crestas puntiagudas de rocas, bases metálicas subterráneas, etc.

Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, se... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (1) para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos que comprende:

un brazo (4) mecánico articulado;

medios (11, 12) para impulsar un brazo (4) mecánico articulado de acuerdo con una trayectoria horizontal, vertical o una combinación horizontal/vertical, y con una fuerza predeterminada; y medios (21) para establecer, controlar y ajustar dicha trayectoria y dicha fuerza; caracterizado por el hecho de estar provisto de un soporte (13) para un elemento (14) a ensayar estructural o estético, con una herramienta (10) de ensayo soportada por el brazo mecánico articulado y con medios (35, 36) para evaluar el impacto entre la herramienta (10) de ensayo y la superficie del tramo (14) del elemento afectada por el contacto.

2. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una base (2) a la cual está conectado un primer elemento (3) fijo de dicho brazo (4) mecánico articulado, el cual además comprende, en el extremo del primer elemento (3) situado enfrente de la base (2) , una primera articulación (5) conectada a un segundo elemento (6) giratorio, a su vez provisto de una segunda articulación (7) conectada a un tercer elemento (8) giratorio.

3. El dispositivo (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, en el cual dichos medios para impulsión comprenden un primer actuador (11) extensible servo-controlado, situado entre el primer elemento (3) fijo y el segundo elemento (6) giratorio, y un segundo actuador (12) extensible servo-controlado, situado entre el segundo elemento (6) giratorio y el tercer elemento (8) giratorio.

4. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual dichos actuadores (11, 12) son del tipo en bucle cerrado colocados en realimentación sobre la posición.

5. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho soporte comprende una mesa (13) de soporte giratoria.

6. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual dicho tramo de elemento (14) a ensayar está fijado a la mesa (13) de soporte por medio de una estructura (17) de apoyo para fijar dicho elemento de manera transversal y longitudinal.

7. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual dicha estructura (17) de apoyo está provista de elementos con forma de U con tamaños seleccionados en el caso de que el elemento (14) a ensayar esté constituido por un tramo de tubería.

8. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual la estructura (17) de apoyo comprende soportes elastoméricos, para reproducir la restricción de apoyo.

9. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende medios (15, 16) para presurizar el elemento estructural a ensayar, en particular un tramo (14) de tubería.

10. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho soporte (13) se puede hacer girar hasta una posición predeterminada.

11. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un cabezal (9) de impacto portaherramientas que soporta a dicha herramienta (10) de ensayo, teniendo dicho cabezal (9) de impacto un cabezal

(19) porta-transductor al cual está fijada físicamente la herramienta (10) de ensayo, el cual tiene un transductor (32) de fuerza con tres componentes.

12. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un cabezal (9) de impacto portaherramientas que soporta a dicha herramienta (10) de ensayo, estando dicho cabezal (9) de impacto ensamblado con el deslizamiento permitido sobre guías y estando provisto de grupos de muelles (20) , para permitir el movimiento transversal de dicho cabezal de impacto de acuerdo con una ley de fuerza-desplazamiento preestablecida dependiendo de las características y del número de muelles utilizados.

13. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un cabezal (9) de impacto portaherramientas que soporta a dicha herramienta (10) de ensayo, teniendo dicho cabezal (9) de impacto un grupo de freno de zapata deslizante con precarga ajustable, implementando de esta forma una carrera inicial sin incrementar la fuerza de reacción transversal.

14. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la herramienta (10) de ensayo se elige dentro del grupo que comprende: un diente de cuchara, un taladro de perforadora, una fresadora, una pala, un tren de aterrizaje para helicóptero de tipo esquí o de tipo rueda, un elemento macizo con forma similar a una roca, un elemento parachoques.

15. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichos medios (21) de ajuste comprenden una unidad (22) de cálculo, en la cual se introducen los parámetros de acuerdo con los cuales se tiene que mover la

herramienta (10) de ensayo en el plano del dispositivo (1) y los cuales se transforman en una función operativa de los citados medios (11, 12) de accionamiento.

16. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicaciones 11 y 15, en el cual dicho transductor constituye una célula de carga (32) capaz de detectar a lo largo de las tres direcciones, por medio de sensores dinamométricos, los parámetros del impacto de la herramienta (10) de ensayo los cuales son transferidos a una unidad (26) servocontroladora para representar y registrar las fuerzas y posiciones importantes para el ensayo en curso y para proporcionar señales de realimentación para simular correctamente la rigidez del elemento de impacto limitando la fuerza aplicada.

17. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los medios para evaluar el impacto entre la herramienta (10) de ensayo y la superficie del tramo (14) de la tubería afectada por el impacto comprenden una videocámara (35) situada cerca del tramo (14) de la tubería, para poder registrar el impacto.

18. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los medios para evaluar el impacto entre la herramienta (10) de ensayo y la superficie del elemento (14) a ensayar afectado por el impacto comprenden un dispositivo para la detección tri-dimensional capaz de registrar el perfil del elemento a ensayar después del impacto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

19. Un método para evaluar la resistencia a la formación de daños mecánicos usando el dispositivo de las reivindicaciones 1 a 18, el cual comprende los pasos sucesivos de:

posicionar a lo largo de un eje (x) un tramo de un elemento (14) a ensayar, garantizando un área de continuidad superficial;

hacer girar alrededor de un eje (z) vertical el tramo del elemento (14) a ensayar dentro de un rango de entre 0 grados y 180 grados;

hacer girar el ángulo de impacto entre la herramienta (10) de ensayo y el tramo del elemento (14) a ensayar entre 0 y 90 grados; y

posible posicionamiento de forma desalineada de la herramienta (10) de ensayo, para implementar impactos en planos paralelos al plano de agresión vertical al elemento (14) a ensayar, conteniendo el plano los actuadores (11, 12) del dispositivo.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 19, en el cual la velocidad máxima de la herramienta (10) de ensayo es de al menos 5 m/s.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 19, en el cual se monitorizan las siguientes cantidades:

tres componentes de fuerza en las tres direcciones;

dos posiciones de los actuadores (11, 12) ;

tres componentes de fuerza en el sistema de referencia fijo con respecto al dispositivo (1) ;

dos componentes de posición sobre el plano de agresión (x, z) ;

dos componentes de velocidad sobre el plano de agresión (x, z) ; y

dos componentes de aceleración sobre el plano de agresión (x, z) .