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Ensayos de compresión y de compresión con entalladura (OHC, FHC)

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  • Folleto sectores: Composites PDF 7 MB

Objeto del ensayo

Los ensayos de compresión sirven para la caracterización de diferentes propiedades de compresión, tales como el módulo de compresión y la resistencia a la compresión. Se llevan a cabo en materiales compuestos con estructura unidireccional, en dirección 0° o en dirección 90°, laminados multidireccionales, fibras, o tejidos y materiales de matriz de materiales termoplásticos rígidos.

Además de los ensayos en laminados no dañados, también se emplean métodos para la caracterización de cómo influye el dañado en forma de orificio. Los ensayos de compresión con entalladura Open Hole Compression (OHC) y en forma de Filled Hole Compression (FHC) con tornillo o perno insertados representan el estado de una unión atornillada o remachada en una estructura de fibras.

Los ensayos de compresión suponen unas exigencias muy elevadas para la preparación de probetas, el personal de laboratorio que lleva a cabo el ensayo y para la misma tecnología de ensayos. Durante la aplicación de fuerza en el laminado deberán evitarse tanto los picos de tensión de cizalladura, como deformaciones por flexión para poder caracterizar las propiedades reales del material.

Durante las últimas décadas se han desarrollado métodos de ensayo que arrojan diferentes espesores en cada caso.

Ensayo de compresión con método de carga frontal (end loading compression)

Este procedimiento se basa en la norma ASTM D 695 y fue desarrollado en distintas normas.

Una ventaja es el montaje de ensayo relativamente simple que, como herramienta, requiere únicamente un soporte de pandeo posicionado verticalmente con precisión. 

Según este método, la probeta se carga entre dos placas de compresión en dirección longitudinal. Un soporte de pandeo evita que el material ceda antes de tiempo debido a la flexión.

El ensayo consta de dos partes:

  • Para la medición del módulo de compresión se utiliza una probeta sin tiras de refuerzo. La deformación se determina con bandas extensométricas.
  • Para la medición de la resistencia a la compresión, la probeta se refuerza con tiras de refuerzo para evitar que ceda antes de tiempo por los puntos de aplicación de la fuerza.

Actualmente, este método se describe en las normas ISO, ASTM, EN, DIN y en otras series de normas. Generalmente, si se lleva a cabo correctamente se consiguen valores reproducibles del módulo de compresión, mientras que la determinación de las resistencias a la compresión está sujeto a dispersiones más amplias.

Medición del módulo de compresión: 

En los niveles más bajos de deformación de probeta se pueden determinar valores reproducibles del módulo de compresión, mientras que, en los niveles de deformación más altos, una fisura de la probeta en el ámbito de puntos de aplicación de fuerza limita la metodología de ensayo.

Al aplicar tiras, la probeta se refuerza en los puntos frontales de aplicación de fuerzas, lo que provoca una rotura en el tramo de medición deseado. Las primeras delaminaciones se producen antes de la rotura completa de la probeta y se pueden apreciar en el diagrama. Este método requiere un mecanizado muy exacto del frontal de la probeta. 

Ensayo de compresión bajo carga de cizallamiento (shear Loading compression)

En este procedimiento, la fuerza de compresión se aplica fijando la probeta, es decir, a través de un cierre por rozamiento. Si la probeta es suficientemente larga se conseguirá una distribución homogénea del esfuerzo en el tramo de medición.

  • Una ventaja se encuentra en el buen guiado del eje de la probeta durante el ensayo, así como la omisión de la aplicación frontal de fuerza y la necesidad relacionada de mecanizar los frontales. 
  • Este método se normalizó en la década de los años 80 en la norma ASTM D 3410 como dispositivo de ensayo tipo Celanese con elementos de fijación cónicos y se desarrolló en diferentes normas. 
  • En el dispositivo tipo Celanese, las variaciones de espesor de probeta provocaron un apoyo lineal indeseado de los elementos de fijación. Las normas DIN 65375 y prEN 2850 ofrecen dispositivos tipo Celanese modificados que solucionan el problema del espesor de la probeta con cuñas planas.

Dispositivo con guías de columnas, desarrolladas por IITRI USA

  • El IITRI en Estados Unidos desarrolló un dispositivo similar con guía de columnas que hoy en día sustituye en ASTM al antiguo dispositivo de compresión tipo Celanese. Este dispositivo trabaja, al igual que el modelo anterior, con el principio de sujeción mediante cuñas.
  • Las mordazas de cuña se alinean en primer lugar a la probeta fuera del dispositivo de compresión y posteriormente se colocan en él.
  • La presión de apriete se genera durante el ensayo, a través de la fuerza longitudinal mediante el efecto palanca, generando movimientos de las cuñas que pueden provocar flexiones en la probeta.

Dispositivo de compresión hidráulico HCCF, IMA Dresden

  • IMA Dresden desarrolló y patentó el dispositivo de compresión hidráulico HCCF.
  • Este útil de compresión dispone de muy buena accesibilidad, se maneja con más facilidad y cuenta con mordazas fijas que también se mantienen alineadas entre ellas con precisión durante el proceso de ensayo.
  • Las mordazas hidráulicas de efecto paralelo, a diferencia de los principios de cuña no tienen efecto stick-slip. Se puede utilizar un extensómetro clip-on.

Ensayo de compresión con aplicación de fuerza combinada (Combined Loading Compression)

Este procedimiento es especialmente adecuado para ensayar materiales compuestos de fibra bajo elevados esfuerzos, como los que se producen con secciones de probeta más grandes. Una parte de la fuerza de compresión se transmite a través de la fijación de la probeta y el resto a sus extremos. La longitud de la probeta se adapta totalmente a la longitud de las mandíbulas y es mayor que en ensayos de compresión de carga final. El procesamiento de los extremos de la probeta demanda unas elevadas exigencias, al igual que ocurre con el método de carga final.

  • La norma ASTM D 6641 y el método 2 según la norma ISO 14126 describen una herramienta de ensayo mecánica que se compone de cuatro elementos unidos entre ellos a través de columnas de guía. La fuerza tensora se genera mediante 8 tornillos que se aprietan con una llave dinamométrica. El dispositivo de ensayo con la probeta integrada se coloca en la máquina de ensayo entre dos placas de compresión para su comprobación.
  • Se presentó un desarrollo mejorado del método en la norma Airbus AITM 1.0008 Edición 2010 que describe tanto el método de carga de cizallamiento como el método de carga combinada. La aplicación de la fuerza de fijación se describe como un principio de fijación paralela hidráulica. Los estudios han demostrado que se logran más imágenes de rotura válidas cuando las crestas de fijación de la transición entre la longitud libre y las superficies de fijación se reducen con el dimensionamiento constructivo de las mandíbulas. En la norma Airbus, esto se describe como "soft load introduction". 
  • El dispositivo de compresión HCCF desarrollado y patentado por la empresa IMA Dresden cumple las especificaciones de la norma ASTM D 6641. Con este dispositivo de compresión, la fuerza se aplica de forma hidráulica y puede ajustarse a través de la presión.
  • Para laboratorios que llevan a cabo ensayos de compresión regularmente, la buena accesibilidad frontal, la fácil manipulación y la gran facilidad de limpieza están en un primer plano.
  • El dispositivo de ensayo HCCF satisface los requisitos de la norma AITM 1.0008. Fue comprobado y homologado por Airbus en Bremen para este fin.

Ensayo de compresión con entalladura (OHC), ensayos de compresión unidos por perno (FHC)

  • Ensayo de compresión con entalladura:
    Este ensayo caracteriza la influencia de un orificio en la resistencia de un laminado. El resultado se representa normalmente como índice de concentración de esfuerzos, que refleja la relación entre probeta dañada y no dañada. Según la norma Airbus AITM 1.0008, este ensayo se realiza con los dispositivos de ensayo del ensayo de compresión. Las normas ASTM y Boeing utilizan una probeta de 300 mm de longitud que se inmoviliza con ayuda de un dispositivo de apoyo en una herramienta de sujeción paralela hidráulica.
  • Ensayo de compresión en laminados unidos mediante pernos:
    En este ensayo se utilizan las mismas probetas que en el ensayo de tracción con entalladura con el orificio cerrado mediante una unión roscada.

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Extensómetros

Los extensómetros son equipos de medición que se emplean en el ensayo de materiales para medir la deformación o alargamiento longitudinal en probetas de distinto material. La medición de la extensión longitudinal es uno de los puntos fuertes de ZwickRoell. La gama incluye extensómetros de diferentes resoluciones, que emplean distintos principios de medición y recorridos y que, además, pueden realizar la medición con o sin contacto.
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