A new experimental approach to the investigation of contact forces at an interface |
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Authors: | M Di Prisco A Gandelli |
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Affiliation: | (1) Department of Structural Engineering, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italy;(2) Department of Electrical Engineering, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italy |
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Abstract: | The piezoelectric films recently developed permit the design of very efficient thin sensors which are suited to interesting
applications in contact problems, not only in industrial robotics but also in experimental research. After a brief introduction
exemplifying the electrical principles, the primary aspects of the technique are presented and discussed with reference to
possible structural engineering applications. A rather simple example regarding the interaction between a steel bar and a
block of concrete is also presented. The bar is excited by dynamic cyclic loads having variable frequency. The reliability
of forces detected via a PVDF sensor is evaluated by comparing the results with those obtained in parallel by means of a dynamometer
strain-gauge. The comparison is promising, even if some technological problems must be resolved before this experimental technique
may be applied extensively.
Resume L'étude expérimentale des forces qui se manifestent à une interface équivaut souvent à un problème technique insoluble car
chaque appareillage influe de manière significative sur le comportement mécanique. En outre, si l'interface se situe dans
un continuum, l'utilisation de transducteurs ou d'extensomètres devient aussi plus complexe. Dans tous les cas, les mesures
peuvent se faire éventuellement à proximité de l'interface, mais non à l'interface.
Des améliorations techniques récentes dans le domaine de la robotique permettent d'utiliser des films de polymères piézoélectriques
(fluoride de polyvinylidène, PVDF). En raison de l'épaisseur de ce capteur qui ne dépasse pas quelques micromètres, le comportement
mécanique n'est pas perturbé. Le principle électrique est typique du transducteur piézoélectrique: les charges crées par le
film piézoélectrique sollicité sont concentrées sur les surfaces métallisées qui le recouvrent. Cette technique permet d'étudier
de nombreux problèmes structurels. S'il s'agit de béton armé, par exemple, il est intéressant d'examiner la répartition de
la pression sur un appui de poutre ou bien à la surface d'un boulon d'ancrage, les contraintes interfaciales aussi bien d'une
barre d'armature chargée axialement et transversalement, que de goujons dans des structures composites.
Un exemple simple montre la fiabilité de la nouvelle technique: une haute barre d'adhérence enrobée dans un bloc de béton
est mise sous charge dynamique. On compare la force détectée par le capteur PVDF placé à l'interface barre d'acier-barre d'enrobage
avec celle qui est mesurée au moyen du dynamomètre traditionnel placé parallèlement au support. La comparaison, établie à
différentes fréquences, est satisfaisante. Cependant, pour utiliser cette nouvelle technique sur une grande échelle, il convient
de résoudre quelques problèmes techniques: l'améioration de la conductivité électrique des connexions entre les surfaces métallisées
de la couche sensible et les fils d'entrée et de sortie la prévention d'une éventuelle perforation du film par des particules
de granulats siliceux qui sont un des constituants de base des mortiers et bétons; l'évaluation de la sensibilité d'un capteur
multicouches à l'écrasement inévitable du matériau à proximité d'une barre d'acier, avec une microfissuration locale et un
glissement limité. La recherche se poursuit tant au niveau technologique qu'électronique.
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