Modernizarea laboratoarelor de incercari in constructii. Masini hidraulice pentru incercari la compresiune si tractiune

Pentru societatile care doresc sa-si modernizeze dotarea existenta, prezentam modul de reabilitare tehnica a masinilor hidraulice pentru incercarea la compresiune si tractiune a probelor de beton si otel, din Laboratorul de incercari pentru constructii al SC Confort SA Galati.

Prin automatizarea acestor instalatii, se ofera posibilitatea reprezentarii grafice a deformatiilor suferite de probele supuse testarii in functie de forta aplicata. Graficul este reprodus in mod automat pe PC in timpul testarii, se salveaza pe HDD si se tipareste la imprimanta in scopul anexarii la Buletinul de incercari livrat beneficiarului. Periodic, aceste grafice pot fi salvate pe CD si arhivate cu documentele scrise insotitoare, ramase in laborator.

Situatia existenta inainte de modernizare

Masina hidraulica pentru testarea la compresiune a probelor de beton avea, din conceptie, un sistem mecanic de trasare a graficelor pe hartie special gradata, cu linii verticale si orizontale echidistante care functiona in modul urmator:

• hartia gradata era fixata in sistemul de trasare a graficului, pe un suport cilindric rotit in jurul axului prin intermediul unui mecanism cuplat cu masina, cu un unghi proportional cu deformatia probei supuse testarii. Suportul cilindric al hartiei a fost dimensionat astfel incat sa existe o corespondenta intre distanta dintre gradatiile orizontale de pe hartie si o unitate de deformatie;

• un creion special (tip carioca) in contact cu hartia de pe cilindru era prins de un suport antrenat liniar de-a lungul generatoarei rolei, pe o distanta proportionala cu forta aplicata probei de testat, transmisa hidraulic de la masina. Cand acul indicator al aparatului de vizualizare a fortei de testare se roteste intre 0 si valoarea maxima gradata, indiferent de scala de citire (deci cand forta de testare variaza de la 0 la valoarea maxima, indiferent de scala de masura selectata), cursa totala a creionului (si implicit lungimea maxima a liniei trasate pe hartie in lipsa rotirii suportului acesteia) este de 150 mm (acest suport are profilata la partea sa superioara o cremaliera ce actioneaza printr-o roata dintata si acul indicator al cadranului pe care se verifica vizual forta de testare);

• in timpul testarii, din combinatia celor doua miscari (rotirea suportului hartiei gradate si trans­latia pe generatoare a creionului), se obtinea graficul deformatiei in functie de forta. Cu ajutorul liniilor orizontale si verticale preimprimate pe hartie, se stabileau forta maxima la care a cedat proba si deformatia acesteia pana la sfaramare. In plus, un martor al indicatorului rotativ gradat al masinii ramane fixat pe valoa­rea maxima a fortei.

Dupa o mutare a masinilor in alta locatie, nu s-a mai respectat pozitia relativa intre masina propriu-zisa si sistemul de inregistrare grafica deformatie – forta, astfel incat nu a mai functionat mecanismul de rotire al suportului hartiei. Din acest motiv, un timp s-a inregistrat pe hartia gradata numai forta de testare sub forma de linie, lungimea fiind proportionala cu valoarea maxima a fortei.

In ultimul timp, s-a defectat si suportul creionului, laboratorul putand sa inregistreze in documente numai forta maxima marcata de martorul indicatorului rotativ al fortei de testare si citita de operator, fara inregistrare grafica pe hartie.

Aceeasi problema se poate intalni si la masina hidraulica pentru incercarea la tractiune pentru testarea otelurilor, care are, din constructie, un sistem mecanic de trasare a graficelor identic conceptual cu cel al masinii hidraulice pentru incercarea la compresiune, cu deosebirea ca deplasarea proportionala cu forta a creionului de marcare se face pe maximum 200 mm. La fel ca la masina de mai sus, nu functiona sistemul de trasare a graficelor, iar valorile importante ale fortei in timpul testarii se citeau de operator de pe cadranul indicatorului gradat al masinii in timpul testarii, cu aproximarile de rigoare, iar valoarea maxima, cu ajutorul acului indicator martor.

Solutia adoptata

Pentru trasarea pe calculator a graficului deformatie – forta la fiecare masina, este necesara achizitia informatiilor electronice referitoare la aceste marimi. Pentru aceasta, s-au ales solutii care sa nu necesite modi­ficari constructive ale celor doua masini hidraulice. Prezentam in tabelul 1 principalele caracteristici ale acestor masini.

Pentru masurarea deformatiei (care este de fapt o deplasare), s-a utilizat la cele doua masini cate un encoder incremental. Deoarece in constructia initiala a ambelor masini deformatia era transformata in rotatie, s-a utilizat acelasi principiu, doar ca, in locul rotirii cilindrului suport pentru hartie original, este rotit axul a cate unui encoder incremental. Numarul de impulsuri electronice generate de un astfel de encoder este proportional cu unghiul de rotire a axului acestuia. Modul de actio­nare a axului encoderului poate fi urmarit simplificat in figura 1.

Sub actiunea fortei F, partea mobila a masinii (7) preseaza cubul de beton (6) asezat pe masa fixa (8). Sub actiunea contragreutatii (3), firul (5) actioneaza roata de masura (1) montata pe axul encoderului incremental, reprezentat cu linie intrerupta (2), care este fixat pe suportul (4). Encoderul va transmite un numar de impulsuri proportional cu deplasarea partii mobile (7), deci cu deformatia cubului de beton (6) catre modulul electronic la care este conectat. Exact aceeasi constructie cinematica actiona rola suport a hartiei pe care se trasa mecanic graficul in constructia originala a masinii.

La masina de testare a otelurilor, schema cinematica de actionare a encoderului este similara, cu deo­sebirea ca forta F are sens contrar, iar proba de otel este fixata in bacuri de strangere atat in partea mobila (7), cat si in cea fixa (8). Traseul firului de actionare dupa prima parte verticala este mai complicat din constructia acestei masini.

Trebuie facuta observatia ca este foarte important paralelismul intre prima portiune dreapta a firului care transmite informatia de deplasare la encoder si directia de deplasare a partii mobile (7) a masinii.

Daca cele doua directii formeaza unghiul a, atunci intre deformatia reala d_r si deformatia masurata a probei d_m exista relatia:

d_r = d_m x cosa

Cu alte cuvinte, deformatia masurata va fi mai mare decat cea reala.

Acest paralelism este rezolvat din constructie, rola inferioara, suportul acesteia si punctul de fixare a firului fiind cele originale la ambele masinii.

Pentru masurarea fortei de testare a probei, s-a utilizat deplasarea proportionala cu forta a suportului creionului de trasare a graficului, care este functional la ambele masini. Acest suport este danturat pe o parte, deoarece in timpul testarii actioneaza printr-o roata dintata si acul indicator al aparatului de afisare a fortei.

Principiul de masura reiese din figura 2.

In timpul testarii, bara suport (1) este deplasata spre dreapta, pe o distanta proportionala cu forta de actionare.

Acest lucru este rezolvat din constructia ambelor masini. Prin intermediul rotii de masura (2), aceasta miscare este transmisa axului encoderului incremental rotativ, desenat cu o linie intrerupta (3) (encoderul este montat pe un suport fix nedesenat).

Ca urmare, encoderul incremental va transmite catre modulul electronic la care este conectat un numar de impulsuri proportional cu deplasarea barei suport (1), deci proportional cu forta aplicata probei de testat pe fiecare masina.

Dimensionarea sistemului de masura electrica

• Sistemul de masura forta

Cadranul indicatorului pentru afisarea fortei de testare la masina hidraulica pentru incercarea la compresiune are trei game de masura (tabelul 2).

Deplasarea barei suport (1) se realizeaza pe distanta de 150 mm pe fiecare gama (este o constanta a masinii hidraulice pentru incercarea la compresiune).

Acelasi indicator la masina hidraulica pentru incercarea la tractiune are tot trei game de masura (tabelul 3).

Deplasarea barei suport la aceasta masina se realizeaza pe 200 mm pe fiecare gama, tot o constanta a acestei masini.

Se constata ca, la masina hidraulica pentru incercarea la compresiune pe scala C, este necesar cel mai mare numar de impulsuri generate de encoderul rotativ (minim 3.000 de impulsuri pentru a miza pe rezolutia de 1 increment / KN).

Sunt disponibile pe piata roti de masura, cu circumferinta de valoare fixa (200 mm, 400 mm, 500 mm etc.), construite din materiale avand stabilitate dimensionala ridicata cu temperatura si placate cu cauciuc.

A fost ales un encoder avand 1.000 imp/rotatie si o roata de masura cu circumferinta de 200 mm.

Avand in vedere ca modulul electronic interfata traductor are un bloc multiplicator de impulsuri x 4 (avand suport fizic!), obtinem 4.000 imp/rotatie pentru encoder si 20 imp/mm de deplasare a barei suport (1) din desenul de mai sus, cu roata de masura aleasa.

Pentru masina hidraulica pentru incercarea la compresiune  se obtin pentru capatul de scala:

Nb = 20 imp/mm x 150 mm = 3.000 imp (tabelul 4).

Pentru masina hidraulica pentru incercarea la tractiune, se obtin simi­lar pentru capatul de scala:

Nb = 20 imp/mm x 200 mm = 4.000 imp (tabelul 5).

Pe panoul sinoptic la softului ce completeaza aplicatia, forta de testare se va reprezenta grafic cu o precizie de 1 KN pe toate gamele, iar coeficientii K_Cb, K_Bb, K_Ab, K_C0, K_B0 si K_A0 vor fi utilizati in soft pentru divizarea numarului de incrementi receptionati de la encoderele res­pective in scopul afisarii valorii corecte a fortei in functie de gama de masura selectionata.

• Sistemul de masura deformatie

La masina hidraulica pentru incercarea la compresiune, deformatiile totale au valoare absoluta mai redusa pana la distrugerea probei (de ordinul a cativa mm). Din acest motiv, este de dorit sa afisam in grafic deformatia cel putin cu o precizie de 0,1 mm.

Vom utiliza acelasi tip de traductor incremental ca la masurarea fortei (de 1.000 imp/rot) si vom costrui o roata de masura cu circumferinta de 100 mm.

La dimensionarea rotii s-a tinut seama ca firul de antrenare are sectiunea rotunda de f_rm = 0,35 mm, iar diametrul acesteia va fi:

f_rm = (100 – 0,35)/p = 31,72 mm

deoarece diametrul de rostogolire este pe axa firului de antrenare.

Cu acest ansamblu roata-encoder si tinand cont de multiplicarea cu 4 a impulsurilor data de modulul interfata traductor, avem o rezolutie:

K_d = 4.000 imp/100mm = 40 imp/ mm la ambele masini.

Pe panoul sinoptic al softului ce completeaza aplicatia, deformatia probei se va reprezenta cu precizia de 0,1 mm, numarul de impulsuri generat de encoderul respectiv fiind divizat soft cu 4.

Sistemul de achizitie a datelor (fig. 3)

Sistemul este alcatuit din:

1. un sertar rack ce contine trei module electronice:

• un modul alimentator tip S25W24, 230V, 50Hz //24Vcc 1A;

• doua module interfata traductor 1 si 2, care receptioneaza impulsurile generate de cele doua encodere de pe aceeasi masina si le stocheaza intr-un numarator binar de 16 biti. Codul format de iesirile acestui numarator sunt transmise, la cerere, pe retea catre PC de fiecare modul, succesiv de aprox. 100 ori/ sec;

• un releu cu 4 contacte comutatoare care transmit la intrarile modu­lelor fie semnalele de la encoderele de pe masina de testat oteluri (in stare neactionata), fie encoderele de pe masina de testat betoane (in stare actionata);

2. o retea de date pe standard 485 care porneste din convertorul RS232-485 si ajunge la cele doua module interfata din rack;

3. un convertor de retea RS232-485 care lucreaza pe 57.600 biti/sec;

4. un PC desktop pe care ruleaza programul de aplicatie.

Softul de aplicatie

Este realizat utilizand butoane, indicatoare si controlere virtuale pe ecranul monitorului PC-ului (fig. 4). Comenzile se pot da prin doua metode:

– click stanga cu mouse-ul pe butonul dorit;

– din tastatura, actionand tasta al carei simbol este scris pe ecran langa butonul pe care dorim sa-l actionam;

– daca s-ar utiliza un monitor cu touch-screen, ar fi posibil sa se actioneze butoanele si prin simpla atingere a acestora cu degetul pe ecran.

Pe suprafata hasurata, se desfasoara graficul in timpul functionarii. Valorile maxime ale fortei si deformatiei masurabile nu sunt cele inscrise in grafic pe abscisa si pe ordonata pe acest panou virtual!

Acest grafic este cu autoscalare, adica in timpul trasarii lui in extre­mitatile de pe abscisa si de pe ordonata se inscriu automat valorile maxime atinse pana in acel moment de valorile marimilor reprezentate, iar graficul este permanent tangent la extremitatile din stanga si de sus ale suprafetei avute la dispozitie.

Softul se utilizeaza in modul urmator:

• din butonul cu eticheta F3 se selecteaza masina pe care se face testarea;

• din controlerul cu eticheta F4 se selecteaza gama de masura pentru masina selectata;

• in campul etichetat „Date de identificare“ se scriu informatii necesare de identificare a probei testate;

• se porneste masina si se da comanda „START“;

• graficul se traseaza in mod automat din acest moment.

Prezentam in continuare un exemplu de grafic trasat pe masina hidraulica pentru incercare la tractiune (fig. 5) si unul pe masina hidraulica pentru incercare la compresiune (fig. 6).

Din figura 5 se observa ca domeniul elastic a fost pana la aproximativ 45 kN, pana la care proba s-a alungit cu 10 mm, dupa care incepe curgerea. Valoarea maxima a fortei de testat a fost de 72 kN, si se observa scaderea abrupta a fortei dupa ruperea epruvetei.

Se mai observa ca au fost receptionate 3.381 perechi de valori forta-deformatie (mai multe decat rezolutia pe orizontala a oricarui monitor de PC!), si graficul este continuu.

Din figura 6 se observa si pentru proba de beton un domeniu elastic (intre 100 si 700 KN), dupa care are loc distrugerea prin fisurare a probei si forta scade.

Caracteristicile tehnice ale sistemului de inregistrare grafica sunt prezentate in tabelul 6.

Concluzii

Sistemul de operare prezentat este in functiune cu rezultate foarte bune, apreciate de beneficiarii laboratorului. Rezultatele masuratorilor sunt foarte exacte. Sistemul de mai sus se adreseaza in special societatilor care doresc sa-si modernizeze dotarea existenta cu costuri relativ mici.

BiblIografie

[1] Cartea tehnica a masinii hidraulice pentru incercarea la compresiune, model VEB-WPM RDG;

[2] Cartea tehnica a masinii hidraulice pentru incercarea la tractiune model WE-100 RP Chineza;

[3] Soft specializat;

[4] SR EN 12390-1:2002 – Incercare pe beton intarit. Partea 1: Forma, dimensiuni si alte conditii pentru epruvete si tipare;

[5] SR EN 12390-3:2002 – Incercare pe beton intarit. Partea 3: Rezistenta la compresiune a epruvetelor;

[6] SR EN 12390-4:2002 Incercare pe beton intarit. Partea 4: Rezistenta la compresiune. Caracteristicile masinilor de incercare;

[7] SR EN 12390-5:2002 Incercare pe beton intarit. Partea 5: Rezistenta la intindere prin inco­voiere a epruvetelor;

[8] STAS 438/1-1989 – Produse de otel pentru armarea betonului. Otel beton laminat la cald. Marci si conditii tehnice de calitate.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 33 – decembrie 2007

Autori:
ing. Liviu Sorin Arsene,
dr. ing. Marian Badiu,
drd. ing. Roza Paiovici – ICECON Bucuresti