Universidad de Costa Rica Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales LanammeUCR

1. Universidad de Costa RicaLaboratorio Nacional de Materialesy Modelos EstructuralesLanammeUCR Metrología de fuerza aplicada a laboratorios de ensayo Preparado por: Ing. Humberto Tioli Ing. Alejandro Navas 23 de Mayo 2012

2. Introducción La magnitud fuerza está presente en muchos aspectos de nuestro quehacer cotidiano. Entre las aplicaciones más comunes de la metrología de fuerza se tienen: • Industria: procesos de fabricación, control de calidad de producto terminado. • Ingeniería: diseño.

3. Introducción • Construcción: control de calidad de materiales.

4. Introducción • Salud: biomecánica y ciencia del deporte. • Investigación

5. Introducción En los campos de aplicación mencionados, una de sus funciones principales se da en la parte de ensayos de laboratorio. De ahí la importancia de profundizar en el rol que cumple la magnitud fuerza en la realización de ensayos, con el fin de garantizar la validez técnica de las mediciones que se realizan.

6. Introducción Esta entrega se enfoca de manera general en aquellos factores que se deben tomar en cuenta para mantener apropiadamente el equipo de fuerza que se utiliza en los laboratorios de ensayo, específicamente las máquinas de fuerza, desde el punto de vista metrológico y de mantenimiento. La información que se presenta es útil para cualquier laboratorio de ensayo que utilice máquinas de fuerza, independientemente si operan o no bajo un sistema de gestión de calidad basado en la norma INTE-ISO/IEC 17025:2005.

7. Concepto de fuerza Concepto de fuerza: segunda ley de Newton, la cual establece que la fuerza es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. Lo anterior se resume en la siguiente expresión matemática: F = ma m: masa del cuerpo a: es la aceleración. La magnitud fuerza es una unidad derivada de la magnitud masa.

8. Conceptos de fuerza De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades, la fuerza se expresa en newton (N). En nuestro país es obligatorio el uso del SI. Las mediciones de fuerza se deben reportar en newton o utilizando sus múltiplos o submúltiplos. Es muy común el uso del kilonewton (kN), o el meganewton (MN) debido a que el newton como tal, representa una fuerza muy pequeña.

9. Unidades de Fuerza Existen otra unidades para la magnitud fuerza que poco a poco van dejando de utilizarse con el fin de ir dando paso al SI. 1 kgf equivale a 9,80665 N 1 lbf equivale a 4,448222 N 1 dina equivale a 0,00001 N

10. Dispositivos para medición de fuerza No es posible ver una fuerza, pero si es posible observar sus efectos o manifestaciones: movimiento, deformación. Ejemplo: la fuerza de la gravedad

11. Dispositivos para medición de fuerza F = k x Utilizar dispositivos para la medición de fuerza basados en su definición es poco práctico. Por eso se han ideado instrumentos para la medición de fuerza basados en una de sus manifestaciones: la deformación (Ley de Hooke) y que aprovechan las propiedades elásticas de ciertos materiales, como el acero. La cantidad de estiramiento (x) o de compresión (cambio de longitud), es directamente proporcional a la fuerza aplicada (F).

12. Dispositivos para medición de fuerza Los dispositivos más comunes para la medición de fuerza es el anillo de carga, también conocido como anillo de prueba o anillo elástico y los transductores de fuerza, también llamados celdas de carga.

13. Fuerza y Laboratorios de Ensayo En Costa Rica, la magnitud fuerza se utiliza para ensayos en: • Papel y cartón

14. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Cemento y concreto, • Geotécnia , suelos

15. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Estructuras

16. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Cables eléctricos

17. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Láminas de Fibrocemento • Adhesión de pinturas, morteros y pegamentos

18. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Mezclas bituminosas (mezcla asfáltica)

19. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Ensayos de tela

20. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Aceros • Hules

21. Fuerza y Laboratorios de Ensayo La mayoría de los laboratorios de ensayo realizan pruebas destructivas en materiales, piezas o componentes, donde la magnitud fuerza interviene directamente, con el fin de determinar propiedades mecánicas, donde la principal es la resistencia.

22. Fuerza y Laboratorios de Ensayo En Costa Rica, una buena parte de los laboratorios de ensayo están enfocados en materiales de construcción Las máquinas de ensayo más comunes son las de falla de cilindros de concreto.

23. Fuerza y Laboratorios de Ensayo Máquinas de ensayos para mezclas asfálticas y suelos

24. Fuerza y Laboratorios de Ensayo • Máquinas de ensayos universales

25. Configuraciones típicas de las máquinas de ensayos Máquina de falla de cilindros de concreto

26. Configuraciones típicas de las máquinas de ensayos Máquina de ensayos baja capacidad

27. Cuidados del equipo • Máquina de ensayos bien instalada, en un sitio donde quede firmemente apoyada, minimizando el riesgo de que se vaya a caer.

28. Cuidados del equipo • Máquina de ensayo limpia. • Cabeza de carga en buen estado y bien aceitada.

29. Cuidados del equipo • Es deseable que cuando se utilizan indicadores electrónicos, estos cuenten con protección contra picos de voltaje (supresor de picos o una ups). • Cuando el equipo lo permita, durante una calibración se debe liberar la carga gradualmente cuando se ha alcanzado el punto de calibración máximo.

30. Cuidados del equipo Atención IMPORTANTE! En el caso de máquinas de ensayo hidráulicas, se debe prestar especial atención a no sobrepasar la carrera máxima del pistón, pero tampoco el pistón debe trabajar en la posición de cero desplazamiento (totalmente sentado).

31. Mantenimiento del equipo • Revisión y lubricación periódica de la cabeza de carga. Usar aceite, no grasa. • Revisión y corrección de fugas de líquido hidráulico. • Cambio de líquido hidráulico. Seguir indicaciones del manual del fabricante para especificaciones de este líquido. • Calibración periódica.

32. Mantenimiento del equipo • Se debe calibrar o por lo menos comprobar el equipo después de una reparación, cambio de aceite u otro relacionado, para asegurarse de que la máquina sigue reportando datos confiables. • Revisión o cambio de fajas (máquinas con mecanismos tipo motor-tornillo). • Revisión de conectores de cables de celda de carga.

33. Calibración Métodos de calibración, basados en las normas internacionales: • ASTM E4 • ISO 7500-1

34. Calibración

35. Calibración Patrones típicos para calibración de máquinas de fuerza para ensayos

36. Calibración Trazabilidad hacia patrones primarios de fuerza. Ejemplos de patrones de masas suspendidas: NIST, Estados Unidos

37. Calibración Trazabilidad hacia patrones primarios de fuerza. Ejemplos de patrones de masas suspendidas: SIC, Bogotá, Colombia

38. Calibración No olvidar que aquellas máquinas de fuerza para ensayos que tienen medidores de deformación o de desplazamiento, también deben ser calibrados con patrones adecuados Bloques patrón, deformímetros patrón o LVDT de referencia.

39. Calibración Calibración ≠ ajuste Calibración comparar contra el patrón, reportar el error y la incertidumbre expandida Ajuste: manipular la máquina o instrumento para compensar o minimizar el efecto sistemático de las diferencias con el patrón

40. Calibración Fuente: norma ISO 7500-1, año 2004, versión en español Parámetros y errores máximos permisibles ASTM E4: 1 %L ISO 7500-1: entre 0,5 %L y 3 %L

41. Qué pasa si la máquina está fuera de especificación y no se puede ajustar? No permitido por ASTM E4 Corregir lecturas. Ecuaciones de ajuste • Declarar que no se cumple con ese parámetro de ASTM E4. • De acuerdo con lo que especifica INTE-ISO/IEC 17025:2005, se deben validar las desviaciones a los métodos de ensayos, en este caso, donde se aplica la corrección de datos

42. Definición de intervalos de calibración De acuerdo con INTE-ISO/IEC 17025:2005 se debe calibrar antes de su puesta en operación, o al menos comprobar. No se puede asumir que por el simple hecho de que el equipo está nuevo, sus errores están dentro de especificación.

43. Definición de intervalos de calibración Definidos por el usuario basado en historial de calibraciones previo, severidad de uso y su experiencia. Orientación basada en normas internacionales: ASTM E4-09: 1 año, o más seguido si se requiere, sin sobrepasar los 18 meses. ISO 7500-1 (2004): 1 año.

44. Comprobaciones intermedias • Sirven para mantener la confianza en el estado de calibración de los equipos. • Se deben realizar de acuerdo con un procedimiento definido. • La periodicidad de estas comprobaciones las define el usuario con base en la severidad e uso del equipo y su experiencia. El historial puede ser útil para determinar estos intervalos. • Los patrones utilizados deben estar calibrados y con trazabilidad.

45. Factores que afectan las mediciones en máquinas de fuerza para ensayos • Velocidad de carga, seguir parámetros de normas de ensayo. • Pericia del operador • Calibración y ajuste de dispositivos complementarios para medición de deformaciones o desplazamiento. • Mantenimiento, principalmente de las cabezas de carga • Calidad de la corriente eléctrica. Protección del indicador. • Fugas, en el caso del equipo hidráulico. • Alineamiento de los marcos de carga. • Intercambio de piezas, indicadores u otros componentes entre máquinas sin realizar ajustes o calibraciones.

46. Conclusión En general, los laboratorios de ensayo, independientemente si funcionan bajo un esquema de calidad apegado a la norma INTE ISO/IEC 17025:2005 o no, deben velar por la validez técnica de las mediciones que realizan, en este caso específico, las relacionadas con la magnitud fuerza.

47. Conclusión Las mediciones que realizan los laboratorios de ensayo, principalmente en fuerza, repercuten directamente en nuestra vida cotidiana, porque generalmente van relacionadas con la seguridad humana en obras civiles (edificios, carreteras, puentes) o máquinas, entre ellas automóviles y aviones.

48. Conclusión Para ello se deben atender aspectos que van desde su mantenimiento, calibración hasta las buenas prácticas de laboratorio, para asegurar y demostrar que los equipos de fuerza son adecuados para el fin propuesto.

49. LanammeUCR ¡Gracias por su atención!