Modelo de rompeolas de la Universidad Politécnica de Cataluña
Vista lateral del modelo de rompeolas

Protección frente a olas de gran altura: la tecnología de pruebas y medición de HBM garantiza datos fiables en un experimento científico en un rompeolas

Para que los rompeolas resistan los embates del mar, es esencial que sean sólidos y estables. Ahora bien, ¿qué ocurre cuando una gran ola golpea con fuerza un rompeolas? Hasta ahora, los científicos no disponían de datos experimentales y sus cálculos de fuerza y presión se basaban únicamente en fórmulas.

Ahora, por primera vez, los científicos de la Universidad Politécnica de Cataluña (Universitat Politècnica de Catalunya, UPC) de Barcelona, han desarrollado un enfoque experimental para determinar las fuerzas que ejerce el impacto de una ola.

En este experimento, los transductores de fuerza y presión y los amplificadores de medición de alta calidad de HBM han tenido un papel protagonista.

Pared frontal del modelo
Transductores de presión de HBM instalados en el modelo
Embate de una ola contra el modelo de rompeolas

Ubicación de sensores de presión en un modelo de rompeolas

El impacto de una ola que rompe contra una pared vertical es un fenómeno muy rápido y potente... y también muy difícil de cuantificar. Para predecir las cargas y diseñar un rompeolas adecuado es importante medir la fuerza total y el punto de aplicación que genera el impacto de la ola. Por otra parte, la presión es importante para el diseño de la armadura de hormigón armado.

Con este propósito, el Laboratorio de Ingeniería Marina de la Universidad Politécnica de Cataluña (LIM-UPC) ha construido un modelo físico de rompeolas. El modelo se equipó con 6 transductores de presión P8AP colocados en la zona de impacto, para medir la distribución vertical de la presión.

Dos células de carga de flexión de viga Z6C3 sirvieron como apoyo a la estructura, para medir la fuerza total y el impulso que genera el embate de la ola.

Transductor de presión absoluta P8AP

El P8AP es un transductor de presión absoluta basado en un sensor de galgas extensométricas con un margen de medida de 10 bar y clase de precisión 0.3. El transductor P8AP tiene protección IP67, lo que significa que resiste la intemperie pero que no es impermeable al agua. Por esta razón es necesario incluir una caja que aísle los sensores del agua.

Se practicaron 20 orificios en la pared frontal del modelo para probar diferentes patrones de colocación de los sensores de presión. Los sensores se introdujeron en seis de los orificios. Los demás orificios se taparon con tornillos, para dar una mayor impermeabilidad y continuidad a la pared delantera.

Después de varias pruebas con los sensores de presión en distintas ubicaciones, se decidió el patrón definitivo, con los seis sensores de presión situados en una misma vertical, separados por distancias de 25 mm.

Uso de la célula de carga Z6

La Z6 de HBM  es una célula de carga a flexión de viga con una carga nominal de 50 kg y una precisión del 0,009% de su capacidad máxima. Las células de carga se fijaron mecánicamente a las cajas protectoras de los sensores de presión y a la estructura reticular descrita anteriormente.

Era vital que la unión mecánica fuera muy rígida, para evitar que absorbiera las fuerzas y afectara con ello a la medición. Se utilizó una estructura reticular fijada a una superestructura de canalización de olas (independiente de la canalización de olas en sí) porque en una estructura reticular solo existen fuerzas normales y los nodos son fijos. La rigidez de las células de carga debía ser muy inferior a la de la estructura reticular, de modo que pudieran deformarse y medir la fuerza correctamente.

Igualmente, era necesario acoplar dos células de carga en dos posiciones diferentes, con el fin de obtener series temporales de la fuerza total, el impulso y el punto de aplicación de la fuerza.

Curva tiempo / presión
Curva fuerza / frecuencia
Datos de presión y carga

Un sistema de adquisición de datos para conectar todos los transductores

Como el fenómeno es muy rápido (del orden de unos pocos milisegundos) el amplificador de 8 canales QuantumX MX840 de HBM era la mejor opción disponible en el mercado, entre otras cosas por su frecuencia de muestreo máxima de 19200 Hz para todos los canales. Todos los transductores de presión y las células de carga se conectaron al amplificador QuantumX que, a su vez, se controlaba por medio del software catmanEasy.

La posibilidad de conectar los seis transductores de presión y las dos células de carga con el mismo sistema de adquisición de datos y de tomar lecturas a una velocidad muy alta era crucial para poder comparar los resultados obtenidos por los dos tipos de sensores.

Para verificar los resultados se hizo una comparación entre los resultados de los transductores de presión y de las células de carga, mediante la integración de la distribución de presión determinada por el P8AP a lo largo de la sección vertical.

Los resultados preliminares muestran una buena correlación entre los resultados de los transductores de presión y las células de carga a bajas frecuencias de muestreo. Esta correlación empeora a medida que aumenta la frecuencia de muestreo. Algunos sensores están ubicados en una zona húmeda/seca en la que la presencia de una mezcla de aire y agua durante el impacto y la geometría del P8AP puede afectar negativamente a la medición, como consecuencia de la compresibilidad del aire.

Para solucionar este problema, la abertura de los sensores se va a rellenar con glicerina y se va a crear vacío (para evitar vibraciones de la membrana de vacío y la pérdida de glicerina).

Una de las siguientes etapas en la serie de experimentos será mejorar la resolución de los sensores de presión; para ello se adquirirán 8 sensores más y otro amplificador QuantumX MX840.

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