3° Coloquio de Jóvenes Geotecnistas Ciudad de México 08 de agosto de 2014



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3° Coloquio de Jóvenes Geotecnistas



Ciudad de México – 08 de agosto de 2014



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Instrumentación, semi-automatización y puesta en operación de cuatro consolidómetros de palanca.

Instrumentation, semi-automation and the implementation of four consolidation apparatus.




M. Elena Acevedo Valle, Asistente de Investigación, Instituto de Ingeniería, UNAM.


Osvaldo Flores Castrellón, Académico, UNAM.

Enrique Gómez Rosas, Académico, UNAM

RESUMEN: El consolidómetro de palanca, es un instrumento de laboratorio que permite analizar el comportamiento de suelos compresibles considerando únicamente deformación axial en la probeta. La lectura de la deformación axial se suele hacer de forma manual utilizando un medidor de carátula, lo cual demanda que el usuario esté dedicado de tiempo completo para esta actividad cerca de doce días, tiempo que dura el ensaye.

El trabajo que aquí se expone se refiere a la colocación de un sensor de desplazamiento axial a cada uno de cuatro consolidómetros instrumentados y una celda de carga por todo el sistema, el diseño del software para calibrar los sensores y ejecución del ensaye, la calibración del sistema (sensores, constante del brazo de palanca y deformación del equipo) y la puesta en marcha de éstos, con la ejecución de ensayes en cada uno para verificar la correcta operación del sistema de adquisición de datos y cálculo de parámetros.




Se elaboró un programa de adquisición de datos que tuviese la capacidad de adquirir la información de los cinco sensores, permitiendo así operar con cuatro pruebas simultáneas. Permitirá ver en tiempo real los resultados de las curvas de consolidación y compresibilidad y guardara los datos en formato tipo texto que permitan un fácil manejo y visualización de los datos en cualquier hoja de cálculo.

ABSTRACT: The consolidation apparatus is a laboratory instrument for analyzing the behavior of compressible soils considering only axial deformation of the specimen. The reading of the axial deformation is usually done manually using a dial indicator, which requires that the user be dedicated all the time to this activity about twelve days, duration of the assay.

The work presented herein relates to the placement of an axial displacement sensor at each of four instrumented consolidation apparatus and a load cell for the whole system, the designed software for calibrating the sensors and executing the assay, the calibration system (sensors, constant lever arm and distortion of the equipment) and the implementation thereof, with the execution of assays on each one to verify the proper operation of the system data acquisition and the parameters calculation.

A program of data acquisition was developed with the ability to acquire information from the five sensors, allowing simultaneous operation of four tests. Allows to see in real time the results of the consolidation and compressibility curves and keep text data type to allow easy handling and display of data in any spreadsheet format.



introduccióN


El consolidómetro de palanca es un instrumento de laboratorio que permite analizar el comportamiento de suelos compresibles. La muestra es labrada en un anillo de acero que da condiciones de confinamiento a la muestra, teniendo así únicamente deformación axial en la probeta.

Para realizar pruebas en este equipo mecánico se requieren largas jornadas de trabajo debido a que la captura de datos se hace de manera manual.

Los avances tecnológicos en sensores electrónicos han permitido la implementación de estos en equipos de laboratorio que brindan al usuario un gran apoyo en el desarrollo de pruebas disminuyendo el tiempo invertido en toma de lecturas y arrojando resultados más precisos al tener la posibilidad de tomar lecturas en intervalos de tiempo muy pequeños, además de disminuir el error humano. Estos resultados permiten entender de mejor manera el comportamiento del suelo en todo el intervalo del incremento del esfuerzo.

2DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y PROCEDIMIENTO DE ENSAYE


A continuación se presenta una breve descripción del consolidómetro de palanca con las adecuaciones realizadas para su instrumentación.

2.1Descripción del equipo


El equipo consta de una cámara de lucita independiente del cuerpo del consolidómetro donde se aloja la probeta de suelo. Las dimensiones de la probeta a ensayar son de 8 cm de diámetro y 2 cm de alto, contenida en un anillo metálico que da condiciones de confinamiento a la muestra, permitiendo únicamente deformaciones axiales. La muestra queda en contacto con dos piedras porosas, del mismo diámetro de la probeta, una en la parte superior y otra en la inferior. Al montar la cámara sobre la base del consolidómetro se coloca sobre la muestra una placa metálica para transmitir de manera uniforme el esfuerzo axial.

La cámara es tapada con film plástico para mantener las condiciones de humedad de la muestra.

Por otra parte, la aplicación del esfuerzo axial proviene de pesas previamente medidas y que son colocadas en el porta pesas que a su vez transmite los esfuerzos a la probeta mediante un brazo de palanca con relación ~1:10.

En el soporte del consolidómetro se encuentra un sensor de desplazamiento tipo LVDT con el que se registra la deformación axial de la probeta durante todo el ensaye (fig. 1).



Fig. 1. Consolidómetro de palanca empleado en el estudio.


Adicionalmente a los elementos que intervienen durante un ensaye de consolidación el equipo cuenta con una celda de carga con la que se obtienen los brazos de palanca correspondientes a cada uno de los consolidómetro.

2.2Descripción de la prueba


Montaje

Para llevar a cabo el montaje de la muestra se coloca una piedra al centro de la cámara de lucita, luego se sitúa el anillo metálico con la muestra de suelo labrada, procurando que quede bien centrada, seguido de otra piedra porosa y una placa metálica que transmite la carga de manera uniforme en el espécimen. Ya que se montó la muestra se tapa la cámara con film plástico y posteriormente se fija el marco de carga al centro de la muestra.

Una vez colocado el marco de cara se debe ajustar el vástago del sensor de desplazamiento, de tal forma que se disponga de toda la carrera de medición disponible para comprimir la muestra.

Consolidación

En este equipo se ejecutan ensayes de carga incremental, es decir, se aplican incrementos de esfuerzo efectivo a la probeta que se dejan por un lapso de tiempo mínimo de 24 horas, durante el cual se registra la deformación axial. Los datos registrados permiten la construcción de las curvas de deformación vs tiempo en los formatos de Casagrande y Taylor y la curva de relación de vacíos vs esfuerzo efectivo (curva de compresibilidad) se determinan los parámetros de compresibilidad del suelo.


3DESCRIPCION DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y DE LOS MODULOS DE operación Y CALIBRACIÓN


Para la instrumentación de los consolidómetro se requirió de un sistema de sensores, acondicionamiento de señal y adquisición de datos que está compuesto por cuatro sensores de desplazamiento tipo LVDT de 17 mm de carrera total y una celda de carga tipo “S” que cuenta con un rango de 0 a 680.4 kg (fig. 2).

Fig. 2. Esquema general del sistema.
El acondicionador de señal está fabricado con ocho canales analógicos de los cuales solo se utilizaron cinco. Este acondicionador se encarga de efectuar una adecuación de voltaje para llevar las señales de los sensores al rango de voltaje para el que está configurada la tarjeta de adquisición de datos con la cual se hace el registro de las señales de los sensores durante la ejecución del ensaye.

La aplicación de adquisición de datos es un programa desarrollado en un lenguaje de programación conocido como LabView, que está bajo la plataforma de National Instruments y que opera en el sistema operativo de Windows.

El programa está dividido en dos módulos: el de calibración, en el cual se determinan de manera experimental las constantes de calibración que rigen a los sensores; y el de operación, que corresponde a la etapa de consolidación y que permite su monitorización constante.

3.1Módulo de calibración


En este módulo el operador tiene la posibilidad de determinar de manera experimental las constates de calibracion de cada uno de los sensores, o en caso de ya contar con el valor de dichas constantes hacer el cambio correspondiente en el registro de dichos datos.

Fig. 3. Selección del sensor a calibrar.
Al seleccionar el sensor a calibrar aparecen las constantes registradas en el programa así como la fecha de dicha calibración. Aparece también los parámetros del elemento patrón que se va a utilizar para calibrar. En el caso de los sensores de desplazamiento si se utiliza un tornillo milimétrico digital, por lo regular la pendiente es unitaria y la ordenada cero, para el caso de la celda de carga se utilizan pesas que de igual manera tiene como pendiente unitaria y ordenada cero (fig. 3).

Para poner en operación el sistema se requiere calibrar los sensores de desplazamiento, la celda de carga, los brazos de palanca y la deformación del equipo.

Para realizar la calibración de los sensores de desplazamiento y la celda de carga se van aplicando incrementos de desplazamiento o carga, según sea el caso, que vayan de un valor cero al valor máximo de la capacidad del sensor o del rango necesario para las pruebas que se llevaran a cabo.

Para obtener el valor de brazo de palanca se coloca la celda de carga en la base del consolidómetro y se fija el marco de carga a está utilizando un balín esférico, una vez hecho esto se aplican incrementos de carga en el porta pesas del consolidómetro.

Debido a que la deformación medida por los sensores de desplazamiento considera las deformaciones del equipo es necesario hacer las correcciones pertinentes para tener el registro únicamente de la deformación que presenta la muestra de suelo ensayada, para ello se hace una simulación de prueba utilizando una pastilla de metal ya que se considera prácticamente indeformable, la deformaciones que se registran son utilizadas para hacer una corrección a las deformaciones que se registran en los ensayes.

Como los sensores de desplazamiento y celda de carga así como el brazo de palanca tiene un comportamiento lineal, a los valores experimentales se les hace un ajuste con mínimos cuadrados, cuyos valores de pendiente y ordenada corresponden a las constantes de calibración del sensor, en el caso de la deformación del equipo se hace un ajuste polinomial.



Fig. 4. Obtención de las constantes de calibración de forma experimental.
Al terminar la calibración, las constantes de los sensores se actualizan de manera automática en el programa de operación (fig. 4).

Es recomendable imprimir las calibraciones y sin en algún momento se sufre la pérdida o corrupción del archivo de calibración de uno de los sensores, se puede entrar al programa de calibración, modificar las constantes y presionar continuar, con lo que se tiene nuevamente la calibración del sensor (fig. 5).



Fig. 5 Cambio de constantes de calibración de los sensores.


3.2Módulo de operación


El módulo de operación utiliza el concepto de pestañas, de tal modo que en el menú principal tenemos en la parte superior las pestañas que guían al usuario en el desarrollo de una prueba (recopilación de datos, configuración de la prueba, resultados), estas mismas pestañas desglosan una serie de subpestañas en el centro de la pantalla (fig. 6).

En el menú principal está compuesto por apartados descritos a continuación:


3.2.1Datos del suelo


En este apartado se recopila la información necesaria de la muestra (fig. 6):

Fig. 6. Captura de los datos generales de la muestra.
Archivos. Los resultados se guardan en una subcarpeta que se genera de manera automática en una carpeta con ruta C:/Resultados/Consolidometro 1 (según el consolidómetro en que se haga el montaje es el número de la carpeta), cobre el cual el usuario genera otra carpeta que represente la muestra que se va a ensayar. El programa genera en forma automática el nombre base de los archivos que se generaran como el mismo de la carpeta. El usuario puede, si así lo desea, cambiar libremente el nombre base.

Los archivos que se generan en la prueba son los siguientes:



  • Archivo_DG. Se guardan los datos generales de la muestra (peso, dimensiones, relaciones volumétricas iniciales y finales).

  • Archivo_ETP_001. Guarda los resultados de cada etapa de carga o descarga que se apliquen al espécimen, estos archivos pueden ser vistos como archivos de texto o de hoja de cálculo.

Generales. En esta sección se registra los datos generales de la muestra entre ellos sondeo, profundidad, localización, así como también el nombre de la persona que realizara la prueba y responsable de proyecto.

Datos de probeta. En este apartado se registran los datos de peso, dimensiones, contenido de agua y densidad relativa de sólidos.

Relaciones volumétricas iniciales. El programa hace un cálculo de las relaciones volumétricas que presenta la muestra utilizando los datos declarados en el apartado anterior, estos cálculos son guardados en el archivo de datos generales.

3.2.2Configuración de la prueba


En esta pestaña se hace la programación de la prueba a realizar, se configura el tiempo así como los esfuerzos a los que se someterá la muestra (fig. 7).

El tipo de prueba que se pueden realizar en un consolidómetro de palanca son de carga incremental, para este tipo de ensaye se deben cargar los archivos que contengan los vectores de tiempo para las etapas de carga y descarga y el vector de esfuerzos. Estos vectores se generan en el apartado de diseño de vectores.

Para indicar los vectores que regirán duración e incrementos de la prueba se presiona en el botón de cargar datos de archivo y los esfuerzos del vector se cargaran en la pantalla. Si se requiere hacer cambios en alguno de los esfuerzos se puede hacer siempre y cuando sea una etapa que aún no se lleva acabo, posteriormente se presiona el botón de adquirir puntos adicionales y de manera automática se actualiza la configuración de la prueba.

Fig. 7. Configuración de la prueba.

3.2.3Consolidómetro


En este apartado se da inicio y seguimiento a la prueba de consolidación, muestra en pantalla los datos correspondientes al incremento que se está realizando (número de etapa, lectura del sensor de desplazamiento, tiempo transcurrido).

Para iniciar la prueba se da clic en el botón de iniciar prueba y posteriormente un clic en iniciar etapa. Cabe señalar que el sistema instrumentado está diseñado para ser operado por un solo usuario razón por la cual después de indicar el inicio de una etapa el programa da el tiempo suficiente para que el usuario tima la pesa correspondiente al incremento y se prepare para colocarla en el momento en que el programa iniciara la adquisición de datos. Este procedimiento se realiza para aplicar cada incremento programado.

Al tiempo que el programa va registrando datos se van construyendo las curvas de consolidación en el formato de Taylor y Casagrande, esto permite dar seguimiento a cada etapa y según el comportamiento que presenta el suelo determinar en qué momento terminar cada etapa o si es necesario dejar que se capturen datos el tiempo para el que se programa cada incremento de la prueba (fig. 8.a).

Fig. 8. Etapa de ensaye.

Con los resultados de deformación axial inicial y final de cada etapa el programa determina los valores para el cálculo y graficado de la curva de compresibilidad, misma que también puede visualizarse en cualquier momento de la prueba (fig. 8.b).

3.2.4Rel. volumétricas finales


Con las dimensiones finales de la probeta se determinan las relaciones volumétricas finales, estos datos pueden ser almacenados aunque la prueba haya terminado en días anteriores y ya se esté realizando otro ensaye. Los datos generados son guardados en el archivo de datos generales.

3.2.5Reportes


Este módulo se puede tener el registro de todos los resultados obtenidos durante una prueba anterior, que permite visualizar las curvas de consolidación y compresibilidad de ensayes anteriores, además de tener la posibilidad de imprimir estos resultados.

Fig. 9. Diseño de vectores de tiempo o fuerza


3.2.6Diseño de vector de tiempo y carga


En este apartado se generan los vectores de tiempo y carga que regirán el desarrollo de la prueba de compresibilidad.

Vector de tiempos: El usuario puede crear vectores de forma manual o automática, para hacerlo de la primera forma se teclea cada uno de los valores de tiempo en la casilla correspondiente y la segunda forma es dando el número de puntos (número de lecturas) y el tiempo deseado, posteriormente se da clic en el botón de calcular tiempos. El programa utiliza una función logarítmica para el cálculo de los tiempos en que tomara las lecturas, de tal forma que en la gráfica de consolidación en formato de Casagrande los puntos estarán equidistantes (fig. 9.a).

Vector de esfuerzos: para crear un vector de esfuerzo se hace de forma manual ingresando la carga a la que se someterá la muestra, para indicar descargas solo es necesario escribir los valores en forma negativa, para indicar el término de etapas basta con colocar una casilla con valor de cero. El programa utilizara las dimensiones de la muestra a ensayar para calcular el esfuerzo que se estará aplicando en cada etapa (fig. 9.b).

4CONCLUSIONES


Con el nuevo sistema de adquisición de datos se obtienen mejores resultados en las pruebas de compresibilidad que se desarrollan, los ensayes se realizan de forma más sencilla y eficiente, con mayor certidumbre y confianza de los resultados que se obtienen, donde los errores humanos se minimizan y las jornadas de trabajo son más cortas a las que anteriormente se requerían.

El procesamiento en tiempo real de lo dates una herramienta permite tomar decisiones para el desarrollo del programa de incrementos programado en una muestra.

El uso de lenguajes de programación en un ambiente gráfico y una metodología simple parea el usuario hacen de este programa una herramienta accesible para su uso y con un enorme potencial para la generación de información que permita caracterizar de mejor manera el comportamiento en compresibilidad del suelo en estudio.

5RECONOCIMIENTO


Se agradece a Departamento de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la UNAM y al Instituto de Ingeniería el apoyo recibido para la realización del proyecto descrito en el presente artículo.

6REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA


- Flores, O., Gómez, E., Romo, M., Vázquez, A. (2010) Instrumentación y automatización de una celda Rowe. XXV Reunión de Mecánica de Suelos, Acapulco, Gro., Noviembre.

- Flores, O., Gómez, E., Hernández, S., Carreón, D. (2010) Automatización de un consolidómetro neumático. XXV Reunión de Mecánica de Suelos, Acapulco, Gro., Noviembre.

- Acevedo, V. M. (2014) Determinación experimental del índice de compresión en las arcillas del Valle de México y la relación que guarda con las propiedades índice. Tesis que para obtener el grado de Ingeniera Civil. Facultad de ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, México.

- Acevedo, V. J. (2012): Validación física del modelo de aerogeneradores por efectos disipativos, Tesis que para obtener el grado de Ingeniero Mecatrónico. Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, México



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