Tesis:
Método alternativo para registrar el nivel de excitación en ensayos de impacto humano
- Autor: PARRA HIDALGO, José Antonio
- Título: Método alternativo para registrar el nivel de excitación en ensayos de impacto humano
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: MECANICA ESTRUCTURAL Y CONSTRUCCIONES INDUSTRIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69171/
- Director/a 1º: HUERTA GÓMEZ DE MERODIO, María Consuelo
- Resumen: Este trabajo se enmarca dentro de un extenso proyecto de investigación que tiene como objetivo profundizar en el estudio experimental y teórico de impactos de personas sobre acristalamientos de seguridad para edificios. En concreto se centra más en la parte experimental y propone un método alternativo para registrar el nivel de excitación en ensayos de impacto humano. La parte experimental del estudio proviene de dos campañas de ensayos. La primera, que se realizó en 2006 previa a este trabajo, se centra en el impacto con péndulo sobre placas de vidrio siguiendo la norma UNE-EN-12600:2003 y se utilizan los resultados para profundizar en el fenómeno, especialmente el nivel de carga. El banco de ensayos utilizado cumple con la normativa correspondiente y es el que se vuelve a utilizar en la segunda campaña de ensayos. Ésta segunda campaña de ensayos, realizada durante el desarrollo de este trabajo en 2014, busca comparar los ensayos realizados con el péndulo según la norma con un nuevo método de ensayos alternativo en el que se utiliza una máquina de diseño propio. Para este contraste se han ensayado configuraciones de placas de vidrio que abarcan diferentes espesores, dimensiones, tipologías y condiciones de contorno, con un total de 4 configuraciones diferentes ensayadas y 200 impactos. Partiendo de los datos aportados por la primera campaña de ensayos se realiza un estudio para la cuantificación de la carga aplicada sobre el vidrio. Se propone un modelo teórico-experimental basado en las alturas inicial y final del péndulo y en la historia temporal de la aceleración de la cabeza registrada durante los impactos. De la utilización de dicho modelo, cabe destacar que solo entre el 60% y el 80% de la energía estimada a partir de la altura de caída del péndulo es aplicada al vidrio para los casos ensayados, el resto se reparte entre los diferentes componentes del banco de ensayo. Este modelo se considera una de las aportaciones principales de este trabajo y para su uso solo se necesita conocer la aceleración del elemento de impacto durante la etapa de contacto y el amortiguamiento de la placa de vidrio y la cabeza impactadora, sin necesidad de recurrir a la altura de caída del péndulo. Teniendo en cuenta las dificultades para la aplicación del ensayo del péndulo “in situ”, fuera de un laboratorio, se diseña una máquina alternativa y se fabrica un prototipo completamente funcional de la misma, buscando una respuesta del vidrio equivalente a la del péndulo. Sus innovaciones tecnológicas se recogen en la patente ES-2606331. Este diseño es independiente de la estructura o vidrio a ensayar, se puede desplazar fácilmente a entornos propios de la construcción de edificios, es independiente de fuentes de energía externa y el control del impacto aplicado es más preciso. Otras características importantes del diseño son que utiliza la energía potencial elástica de un muelle para realizar el impacto y que cuenta con cabezas impactadoras intercambiables que permiten variar la masa, la rigidez y el tamaño de la huella de las mismas. Este prototipo funcional queda totalmente caracterizado a través de una campaña de ensayos elementales y unos modelos de comportamiento que presentan gran congruencia con las historias temporales de la aceleración de la cabeza impactadora obtenidas en los ensayos. La segunda campaña de ensayos permite establecer el paralelismo con la primera, gracias a los ensayos con el péndulo. No obstante, lo más importante de esta campaña es que permite comparar impactos del péndulo y de la máquina alternativa. En este caso se recurre tanto a las historias temporales de aceleración como a las de microdeformaciones. Para la comparación de las historias temporales generadas, ya sea entre simulaciones y ensayos o entre ensayos mismos, se desarrolla un criterio de comparación paralelo al Índice de Similitud (IS), desarrollado dentro del grupo de trabajo y que sólo se enfoca en la aceleración del elemento de impacto. El nuevo criterio de comparación entre impactos se llama Índice de Similitud de comportamiento (ISC) e incluye las historias temporales de aceleración y deformaciones de las placas de vidrio. Utilizando dicho criterio para la comparación entre el péndulo y el nuevo método alternativo de ensayos se obtienen valores por los que se puede considerar que el estado tensional generado sobre las placas de vidrio ensayadas es equivalente para ambos métodos de ensayo. ----------ABSTRACT---------- This work forms part of an extensive research project that aims to deepen the experimental and theoretical study of human impact on security glazing in buildings. In particular, it mainly focuses on the experimental part and proposes an alternative method to record the level of excitation in human impact tests. The experimental part of the study is based on two test campaigns. The first campaign, which was carried out in 2006, prior to this work, focuses on the impact with a pendulum on glass plates following the UNE-EN-12600: 2003 standard and the results are specifically used to study in greater depth the phenomenon, with focus on the applied load level. The test bench utilized fulfills the corresponding standards and is used again in the second test campaign. This second test campaign, conducted during the development of this work in 2014, seeks to compare the tests carried out with the pendulum according to the standard with a new alternative test method by using a machine of own design. For this comparison, configurations of glass plates of different thickness, dimension, type and contour condition have been tested, reaching a total of 4 different tested configurations and 200 impacts. Starting from the data provided by the first test campaign, a study is carried out to quantify the load applied to the glass. A theoretical-experimental model is proposed which is based on the initial and final heights of the pendulum and on the time history of acceleration of the head recorded during impacts. After the use of this model, it is to be pointed out that only between 60% and 80% of the estimated energy from the initial height is applied to the glass in the cases tested. The remaining energy is distributed among the different components of the test set-up. This model is considered one of the main contributions of this work and for its use it is only necessary to know the acceleration of the impact element during the contact stage and the damping of the glass plate as well as of the impactor element. The initial height of the pendulum is not required anymore. Considering the difficulties for the application of the pendulum test "in situ", outside a laboratory, an alternative machine is designed and a fully functional prototype of it is manufactured, seeking a response of the glass equivalent to the response obtained by the pendulum. Its technologic innovations are collected in patent ES-2606331. This design is independent of the structure or glass to be tested, can easily be moved to typical building environments, does not require external energy sources and facilitates a more accurate control of the applied impact. Further important characteristics of the design to be pointed out are the application of elastic potential energy of a spring for the impact and the use of interchangeable impactor heads that permit a variation of mass, stiffness and size of its footprint. This functional prototype is fully characterized by a campaign of elementary tests and behavioral models that are highly congruent with the time histories of acceleration of the impactor head obtained from the tests. The second test campaign makes it possible to establish a parallelism with the first campaign, thanks to the pendulum tests. However, the most important thing about this campaign is that it allows us to compare the impacts of the pendulum and the alternative machine. In this case, both acceleration time histories and strains are used. For the comparison of the time histories generated, either between simulations and tests or between tests themselves, a comparison criterion is developed parallel to the Similarity Index (SI). It is developed within the working group and only focuses on the acceleration of the impact element. The new criterion for comparing impacts is called the Behavior Similarity Index (ISC) and includes the temporal histories of acceleration and strains of the glass plates. Using this criterion in order to compare the pendulum test method and the new alternative test method, values are obtained which lead to the consideration that the tension state generated on the tested glass plates is equivalent in case of both test methods.