MX2013014188A - Procedimiento de determinacion de capital de fatiga de un cable. - Google Patents

Abstract

El procedimiento de determinación del capital de fatiga de un cable que soporta una estructura de ingeniería civil, el procedimiento comprende: una etapa de cálculo (S1, S2), durante la cual el esfuerzo normal de tracción en el cable y el esfuerzo de flexión en el cable se calculan de manera sincronizada para obtener de este modo un esfuerzo compuesto en el cable, una etapa de conteo (S3), durante la cual a partir de los esfuerzos compuestos calculados, se realiza un conteo del número del ciclo de esfuerzo en función de la amplitud del esfuerzo, una etapa de evaluación del capital de fatiga del cable (S4), durante la cual el capital de fatiga del cable se determina en comparación con la realización del conteo durante la etapa de conteo con una curva preestablecida tipo Wöhler para el cable.

Description

PROCEDIMIENTO DE DETERMINACIÓN DE CAPITAL DE FATIGA DE UN CABLE MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se relaciona con un procedimiento de determinación de capital de fatiga de un cable que soporta una estructura de ingeniería civil, así como con un dispositivo que permite determinar el capital de fatiga de dicho cable.

Un gran número de estructuras de ingeniería civil están soportadas por cables, en particular, pero no exclusivamente, los puentes de cables o puentes colgantes.

Por lo general, los cables están anclados a la estructura de ingeniería civil mediante un medio de anclaje que se puede comparar con una instalación posiblemente imperfecta. Esto resulta en que los cables se someten a un esfuerzo de tensión longitudinal de las esfuerzos de flexión longitudinal parásitas que de manera local crean presiones de flexión.

Los cables se someten a varios tipos de esfuerzos, en particular, los llamados esfuerzos estáticos y dinámicos.

Por lo general, los esfuerzos estáticos se deben a variaciones lentas, por ejemplo, variaciones de temperatura o variaciones globales en la carga de la estructura de ingeniería civil.

Los esfuerzos dinámicos corresponden a las variaciones más rápidas, por ejemplo, las ráfagas de viento o al paso de un camión sobre la estructura de ingeniería civil.

Las presiones derivadas de estos esfuerzos, incluso si son inferiores a la capacidad de resistencia del cable, pueden dar lugar a la ruptura de dicho cable si se repiten un gran número de veces. A esto se le llama ruptura por fatiga del material que constituye el cable.

Existen reglas de cálculo que permiten verificar que las dimensiones de los cables son compatibles con los esfuerzos a los que se debe someter la estructura durante su vida útil.

Por lo general, estas reglas de cálculo consisten, en primer lugar, en determinar el capital de fatiga o bien, el capital inicial del cable. En segundo lugar, se evalúan los esfuerzos a los que se va a someter la estructura durante su vida útil y la frecuencia de estos esfuerzos. Por último, se verifica que los esfuerzos evaluados no mermarán parcialmente el capital inicial del cable.

Los cables están sujetos a la fatiga, principalmente en su zona de anclaje en donde las fluctuaciones de tensión o presiones axiales se acumulan con las presiones de flexión. Las presiones de flexión pueden ser importantes porque el cable se somete a variaciones angulares que hacen que dicho cable no esté perfectamente alineado con el anclaje. La fluctuación de ese ángulo de anclaje debido a los movimientos de la estructura, a las vibraciones del cable o su variación de su cadena ligada a las variaciones de tensión, hace que las presiones de flexión sean variables e importantes.

Si los cálculos permiten evaluar durante el diseño del deterioro por fatiga de los cables y por lo tanto su vida útil, estos cálculos están limitados por supuestos.

Por ejemplo, en el caso de un puente, la fatiga de los cables ligada al tráfico de automóviles sobre el puente se basan en estimaciones que pueden sobrepasar en el tiempo.

Por otra parte, los efectos dinámicos relacionados con el paso de convoyes, incluidos los convoyes de camiones, no están, hoy en día, bien contemplados por el cálculo. Por último, ciertos efectos dinámicos, relacionados con las condiciones del camino, simplemente no son predecibles.

Los efectos dinámicos del viento también son difíciles de cuantificar. Las vibraciones, su amplitud y las frecuencias de ocurrencia son, en gran medida, desconocidas en el momento del diseño del sistema.

Por lo tanto, es interesante poder rastrear la evolución del capital de fatiga inicial del cable que soporta una estructura durante la vida útil de la dicha estructura.

De esta manera, las acciones de mantenimiento o de mejora se pueden planificar en caso de consumo anormalmente rápido del capital de fatiga o cuando este está casi agotado.

El artículo de Gilíes Hovhanessian, "Health Monitoring of Cable Stayed Structures Experience and Impplementation", 2006 IMAC-XXIV, Conferencia y Exposición sobre Dinámicas Estructurales, noviembre de 2010, XP55010940, describe técnicas para supervisar la carga y para observar la respuesta de estructuras atirantadas.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento que permita determinar el capital de fatiga de un cable que soporta una estructura de ingeniería civil.

La invención también propone un procedimiento de determinación del capital de fatiga de un cable que soporta una estructura de ingeniería civil, el procedimiento se define en la reivindicación 1 anexa. Además, las reivindicaciones 2 a 9 definen las modalidades del procedimiento.

Ventajosamente, el procedimiento de acuerdo con la invención permite conocer la carga real experimentada por el cable y, mediante extrapolación, estimar la carga pasada y futura y la evolución del capital de fatiga de dicho cable.

Un procedimiento de determinación del capital de fatiga de un cable de acuerdo con la invención puede comprender además una o varias de las siguientes características opcionales, consideradas de manera individual o se de acuerdo con todas las combinaciones posibles: el cálculo de la esfuerzo de flexión en el cable se realiza a partir de uno o varios indicadores de nivel de deformación colocados sobre o en el anclaje o sobre el cable; y/o el cálculo de los desplazamientos se obtiene con la ayuda de mediciones acelerométricas integradas dos veces; y/o el cálculo de los desplazamientos se obtiene con la ayuda de velocidades obtenidas por medio de un geófono, integradas una vez; y/o - la etapa de cálculo se realiza durante un periodo de de cálculo lo más breve posible para que sea económica, pero lo suficientemente largo para que sea representativo y permita una extrapolación realista de las cargas anteriores y posteriores al periodo de cálculo; convencionalmente, esta dura de semanas o meses; y/o el sensor de desplazamiento utilizado para el cálculo de la flexión está integrado en un amortiguador utilizado para limitar las vibraciones de los cables; y/o el sensor de desplazamiento integrado en el amortiguador es utilizado igualmente para medir la trayectoria acumulada del amortiguador y monitorear su envejecimiento.

De igual forma, la invención se relaciona con un dispositivo que permite determinar el capital de fatiga de un cable que soporta una estructura de ingeniería civil, el dispositivo se define en la reivindicación 10, con una modalidad particular definida en la reivindicación 11.

La invención se comprenderá mejor con la lectura de la siguiente descripción, la cual se proporciona solo a título de ejemplo y que hace referencia a los dibujos anexos, en los que: la figura 1 ilustra diferentes etapas de un procedimiento de acuerdo con una modalidad de la invención, y la figura 2 es una vista esquemática de un puente con tirantes que comprende un dispositivo de acuerdo con la invención.

Por cuestiones de claridad, los diferentes elementos representados en las figuras no son necesariamente a escala.

La invención pretende permitir determinar el capital de fatiga de al menos un cable que soporta una estructura de ingeniería civil. La estructura de ingeniería civil puede ser de cualquier naturaleza, en particular, un puente suspendido o un puente con cables. , De acuerdo con una modalidad, el procedimiento según la invención comprende: una etapa de cálculo de tracción S1, una etapa de cálculo de flexión S2, - una etapa de conteo S3, y una etapa de determinación del capital de fatiga del cable S4.

Durante las etapas de cálculo de tracción S1 y de cálculo de flexión S2, los cálculos se realizan con el fin de estimar que las presiones o los esfuerzos son máximos, en general, en la zona de anclaje del cable de la estructura de Ingeniería civil. Además, las etapas de cálculo de tracción S1 y de cálculo de tracción S2 se realizan de manera sincronizada con el fin de obtener el esfuerzo compuesto en el cable.

De acuerdo con una modalidad de la invención, al momento de la etapa de cálculo de tracción S1 , el cálculo del esfuerzo normal de tracción en el cable se puede realizar directamente por cualquier medio conocido por el experto en la técnica. Por ejemplo, el cálculo del esfuerzo normal de tracción se puede realizar por medio de una celda de esfuerzo. En la presente memoria descriptiva se denomina "celda de esfuerzo" a un sensor conocido específicamente para calcular la tensión en el cable o uno de los cabos del cable. Existen tres números de sensores de este tipo. Ventajosamente, esta modalidad proporciona una información que se puede utilizar de manera directa.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, al momento de la etapa de cálculo de tracción S1 , el cálculo del esfuerzo normal de tracción en el cable se puede realizar de manera indirecta por cualquier medio conocido por el experto en la técnica. Por ejemplo, el cálculo del esfuerzo normal de tracción se puede realizar por medio de un indicador de nivel de deformación colocado sobre el anclaje. En la presente memoria descriptiva "un indicador de nivel de deformación" se refiere a un sensor que permite calcular la variación de deformación del acero relacionada con una variación de esfuerzo. Algunas veces y por abuso del idioma se denomina a estos sensores indicadores de nivel de presión, ya que el conocimiento del módulo del acero permite calcular la presión local a partir de la deformación, (s = E e.). Existen tres números de sensores de este tipo, que funcionan con los principios eléctricos u ópticos. Una interpretación y, opcionalmente, una etapa de calibración pueden ser necesarias en este caso para estimar la tensión del cable a partir de los cálculos proporcionados por los sensores. En general, esta modalidad se utiliza si el cálculo directo no es posible, por ejemplo cuando no es posible implementar el sensor.

Otra manera de calcular indirectamente el esfuerzo normal de tracción en un cable de hebras múltiples que sigue un método de tipo isotensión que asegura una similitud de tensión entre las hebras (por ejemplo, como se describe en EP0421862) se puede basar en un cálculo de fuerza sobre una hebra.

Todavía otra manera de calcular indirectamente el esfuerzo normal de tracción en el cable puede implementar el método de la cuerda vibrante y utilizar un cálculo de las frecuencias propias de la vibración del cable.

Durante la etapa de calcular la flexión, el esfuerzo de flexión en el cable se mide cerca del anclaje de dicho cable a la estructura de anclaje, por ejemplo, a nivel del anclaje.

De acuerdo con una modalidad de la invención, el cálculo de flexión se puede realizar al medir la inclinación relativa del cable en relación con su anclaje en la estructura de ingeniería civil.

De acuerdo con una modalidad de la invención, el cálculo del esfuerzo de flexión en el cable se puede realizar directamente por cualquier medio conocido por el experto en la técnica.

Por ejemplo, a partir de uno o varios indicadores de nivel de deformación colocados sobre o en el anclaje o sobre el cable. Por ejemplo, se puede utilizar de manera ventajosa el mismo tipo de indicadores de nivel del tipo utilizado para el cálculo axial.

De acuerdo con una modalidad de la invención, el cálculo del esfuerzo de flexión en el cable se puede realizar indirectamente por cualquier medio conocido por el experto en la técnica. Por ejemplo, a partir de un cálculo de los desplazamientos del cable en un plano que corta su eje, por ejemplo, perpendicular a su eje y a una distancia predeterminada del anclaje. Ventajosamente, esta modalidad no requiere tener acceso a la zona de flexión máxima que a menudo es difícil, ni colocar sensores que permitan un cálculo directo que a menudo es imposible colocar ahí.

El esfuerzo global de flexión se puede determinar por medio de un sensor que permita calcular el ángulo que forma el cable con su anclaje. Este cálculo del ángulo permite conocer las presiones de flexión sufridas por el cable.

Con el fin de calcular el esfuerzo de flexión en el cable, es posible utilizar inclinómetros. De acuerdo con una modalidad de la invención, se dispone un primer inclinómetro sobre el cable a la salida del anclaje que permite conocer la inclinación absoluta de dicho cable.

Un segundo inclinómetro dispuesto sobre la estructura en la vecindad del anclaje, permite conocer la inclinación absoluta de dicha estructura. La diferencia de inclinaciones permite conocer la inclinación relativa del cable en su anclaje, el anclaje está fija a la estructura.

De acuerdo con otra modalidad, es posible determinar el esfuerzo de flexión al nivel del anclaje que mide el desplazamiento del cable en relación con la estructura a cierta distancia del anclaje.

De preferencia, esta distancia es lo suficientemente grande para que los desplazamientos sean significativos y se pueda medir, y lo suficientemente pequeño para poder simplificar el cálculo, al comparar el cable a una viga en voladizo sometido a una fuerza en el extremo. La dimensión grande convencional es de 1 a 10 m.

El cálculo del esfuerzo de flexión a partir del desplazamiento medido se debe adaptar a la configuración del cable y del anclaje (dimensiones, presencia del deflector, etc.).

Por ejemplo, para los cables en los que el anclaje bajo se sitúa en la cubierta de un puente, la distancia que corresponde a la salida del tubo encofrado está bien adaptada.

En ciertos puentes, la salida del tubo encofrado está equipada con un amortiguador. Entonces, el sensor de desplazamiento puede estar ventajosamente integrado al amortiguador. Este permite entonces que, además de evaluar el esfuerzo de flexión en el cable a la salida del anclaje, seguir la trayectoria acumulada del amortiguador, parámetro importante para rastrear en envejecimiento y programar su mantenimiento. Este cálculo se puede realizar por medio de sensores de desplazamiento o también por medio de una grabación de video relacionada con un análisis de imagen o por cualquier otro medio conocido por el experto en la técnica.

De acuerdo con una modalidad de la invención, las etapas de cálculo de tracción S1 y el cálculo de flexión S2 se pueden realizar a frecuencias superiores o iguales a 1 Hz, por ejemplo, superiores o iguales a 10 Hz, e inferiores o ¡guales a 1 kHz, por ejemplo, inferiores o iguales a 500 Hz, o también inferiores o iguales a 100 Hz. En la práctica, un valor de pocos Hz (es decir, 10 Hz para una obra "flexible", 50 Hz para una obra "rígida") suele ser suficiente para calcular las vibraciones asociadas a los primeros modos propios de vibración.

Sin embargo, para el muestreo puede ser ventajoso calcular las vibraciones relacionadas con el tráfico o la ¡mplementación de filtros numéricos y evitar fenómenos de repliegue.

De preferencia, la frecuencia de cálculo está adaptada a fin de realizar el mayor número posible de variaciones de esfuerzo en el cable, y, en particular, los valores extremos alcanzados durante cada ciclo.

Se pueden tomar en cuenta las frecuencias propias de vibración del cable y la velocidad de convoyes en la cercanía del cable. Por lo general, se lleva a cabo una cuarentena de cálculo por ciclo de oscilación y el cálculo se realiza aproximadamente cada 10 cm durante el paso de un convoy a máxima velocidad.

Por ejemplo, para un convoy rodante a 100 km/h, es decir 100,000/ 3,600 m/s, con un cálculo tomado cada 10 cm, los datos se registran a una frecuencia de 100,000/0.1/3600= alrededor de 300Hz.

Las etapas de cálculo de tracción S1 y de cálculo de flexión S2 realizan durante un periodo de cálculo lo más breve posible por razones económicas, pero lo suficiente largo como para ser representativo y permitir una extrapolación realista de las cargas anteriores y posteriores al período de medición. Convencionalmente, esta duración es de semanas o de meses.

El procedimiento de acuerdo con la invención comprende además una etapa de conteo (S3), durante la cual a partir de los esfuerzos compuestos y calculados, se realiza un conteo del número del ciclo de esfuerzo en función de la amplitud del esfuerzo.

De acuerdo con una modalidad de la invención, la etapa de conteo se realiza por medio de un conteo del tipo de gota de agua ("rainflow" en inglés).

El conteo del tipo de gota de agua se utiliza para traducir la carga de presión en función del tiempo de ciclos de presiones simples, caracterizados por una presión mínima y una presión máxima. Estas se descomponen por la carga en relación por pares mínimos crecientes y los máximos decrecientes. Sin embargo, esta es necesario analizar esta relación después de la carga completa en función del tiempo y se debe mantener un historial completo de la carga. Para evitar su almacenamiento, un algoritmo relaciona los pares de la mínima y de la máxima para obtener los ciclos parciales al momento de la carga.

La etapa de determinación del capital de fatiga del cable permite determinar el capital de fatiga de cable en comparación con el conteo realizado durante la etapa de conteo con una curva preestablecida de tipo Wóhler para el cable.

La curva de Wóhler define una relación entre la presión aplicada s, sigma a veces denotada S, y el número de ciclos hasta la ruptura NR, es decir, el número de ciclos para el que se observa P% de rupturas. En la práctica, la curva de Wóhler se proporciona generalmente para una probabilidad de ruptura P= 0.5.

Ventajosamente, el historial o la extrapolación de esfuerzos pasados se pueden comparar con la fatiga realmente sufrida por el cable, a fin de verificar el supuesto previsto al momento de construir la obra.

Por el contrario, es posible utilizar las extrapolaciones de los esfuerzos futuros para estimar una capacidad o una duración de vida útil restante del cable con respecto a la fatiga.

La invención se relaciona de igual forma con un dispositivo que permite determinar el capital de fatiga de cable que soporta una estructura de ingeniería civil.

En la figura 2, se representa un ejemplo de estructura de ingeniería civil soportada por los cables.

La figura 2 representa una vista esquemática de un puente con tirantes 1. El puente con tirantes 1 comprende los cables oblicuos 2 que parten de un pilón 6 y que soportan la cubierta 4.

El puente representado en la figura 2 está equipado con un dispositivo de acuerdo con una modalidad de la invención.

Los medios de cálculo del esfuerzo global de tracción 8 en el cable están dispuestos al nivel del anclaje del cable 2 en la cubierta 4.

Los medios de cálculo del esfuerzo global de flexión 10 en el cable 2 están dispuestos a lo largo del cable 2.

Los medios de cálculo del esfuerzo global de tracción 8 y de flexión 10 están conectados a un medio de conteo 12. El medio de conteo 12 permite contar el número de ciclos de esfuerzo en función de la amplitud de los esfuerzos de tracción y de flexión sufridos por el cable. Por ejemplo, el medio de conteo puede ser un procesador programado a fin de realizar el conteo.

De acuerdo con una modalidad de la figura 2, el medio de conteo 12 transmite a los medios de comparación 14 el resultado del conteo realizado. Los medios de comparación 14 permiten comparar el conteo realizado por el medio de conteo con una curva del tipo Wóhler previamente establecida para el cable 2.

De acuerdo con una modalidad, el dispositivo de acuerdo con la invención puede comprender medios de alerta 16 que permiten informar cuando la capacidad del cable o de su duración de vida útil restante se reduce por debajo de un umbral predeterminado.

La invención no se limita a las modalidades y se debe interpretar de manera no limitante, y que abarca todas las modalidades equivalentes.

Claims (11)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de determinación del capital de fatiga de un cable que soporta una estructura de ingeniería civil, el procedimiento comprende: una etapa de cálculo (S1 , S2), durante la cual el esfuerzo normal de tracción en el cable y el esfuerzo de flexión en el cable se calculan de manera sincronizada para obtener el esfuerzo compuesto en el cable; una etapa de conteo (S3), durante la cual a partir de los esfuerzos compuestos calculados, se realiza un conteo del número del ciclo de esfuerzo en función de la amplitud del esfuerzo; una etapa de evaluación del capital de fatiga del cable (S4), durante la cual el capital de fatiga del cable se determina en comparación con el conteo realizado durante la etapa de conteo con una curva preestablecida tipo Wohler para el cable, en donde el cálculo del esfuerzo de flexión en el cable se realiza de manera indirecta, por ejemplo, a partir de un cálculo de desplazamientos del cable en un plano que corta su eje y a una distancia conocida desde el anclaje, y en el que el cálculo de los desplazamientos del cable se realiza en un amortiguador colocado sobre el cable para amortiguar las vibraciones transversales.

2. El procedimiento de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado además porque el cálculo del esfuerzo normal de tracción en el cable se realiza directamente, por ejemplo, con la ayuda de una celda de esfuerzo.

3. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el cálculo del esfuerzo normal de tracción en el cable se realiza de manera indirecta, por ejemplo, con la ayuda de un indicador de nivel de deformación colocado sobre el anclaje o sobre el cable, con la ayuda de un cálculo de fuerza en una cadena de una pluralidad de cadenas del cable, o también mediante el método de la cuerda vibrante y con la ayuda de un cálculo de las frecuencias propias de vibración del cable.

4. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque los cálculos de tracción y/o de flexión se realizan con una frecuencia de 1 Hz a 1 kHz.

5. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la etapa de cálculo no se realiza de forma continua después de la instalación el cable, y en donde los datos calculados se utilizan para realizar una extrapolación de las cargas anteriores y posteriores al periodo de cálculo.

6. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la etapa de cálculo se realiza de forma continua después de la instalación del cable de manera que mide los esfuerzos de tracción y de flexión en el cable después de su instalación.

7. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la etapa de conteo se realiza por medio de un conteo del tipo de gota de agua.

8. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el historial o la extrapolación de los esfuerzos pasados se utiliza para comparar la fatiga realmente sufrida por el cable con el supuesto previsto al momento de la construcción.

9. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las extrapolaciones de los esfuerzos futuros se utilizan para estimar una capacidad o una duración de vida útil restante del cable con respecto a la fatiga.

10. Un dispositivo que permite determinar el capital de fatiga de un cable (2) que soporta una estructura de ingeniería civil (1), el dispositivo los medios para la implementación de un método de acuerdo con cualquier reivindicaciones anteriores, que comprende: los medios para calcular el esfuerzo global de tracción (8) en el cable (2); los medios para calcular el esfuerzo global de flexión (10) en el cable (2) con la ayuda de un sensor integrado en un amortiguador que comprende un dispositivo de anclaje de cable en la estructura de ingeniería civil: los medios para conteo (12) del número de ciclos de esfuerzo en función de la amplitud de los esfuerzos de tracción y de flexión sufridos por el cable; y los medios para comparar (14) el conteo realizado por los medios de conteo con una curva del tipo Wóhier previamente establecida para el cable.

11. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque adicionalmente comprende los medios de alerta (16) que permiten informar de manera automática cuando la capacidad del cable o de su duración de vida útil restante se reduce por debajo de un umbral predeterminado.