Introducción
La provincia de
Misiones aparece en la historia argentina caracterizada desde sus inicios por la
demanda habitacional, la cual fue resuelta por diferentes medios de forma
empírica a lo largo de la historia de la provincia.
El campo de estudio de la situación edilicia
de las viviendas unifamiliares es extenso, debido a la variedad de ofertas de
materiales componentes en los sistemas de albañilería: Ladrillos macizos,
bloques cerámicos huecos, bloques de hormigón, como los más comunes. El
problema de estos sistemas constructivos radica en la falta de estudios, a
nivel regional, de caracterización del comportamiento mecánico de la mampostería.
Los sistemas de mamposterías, como parte
resistente en la estructura de un cuerpo edilicio, fueron estudiados con el
paso de los años de manera general y en varias ocasiones que su contacto con
elementos de hormigón armado mejora la calidad resistente global del sistema
como se comprobó en [1].
En términos de caracterización de propiedades
mecánicas, y con un número adecuado de muestras a ensayar, se puede implementar
un análisis estadístico a efectos de establecer medidas de tendencia central y
dispersión, así como definir el tipo de distribución de probabilidad que se
ajusta mejor para cada parámetro analizado de las propiedades mecánicas.
En el contexto de la comprobación de una
hipótesis referida a los sistemas de mampostería de la región, mediante la
implementación de un programa experimental, se analizaron las variables
principales de las propiedades mecánicas de los ladrillos cerámicos huecos
utilizados en la región en cuatro situaciones: (i) La primera corresponde a la
cerámica componente de dichos ladrillos; (ii) La segunda corresponde al
ladrillo LCH estudiado en forma aislada a efectos de compresión y tracción por
flexión; (iii) La tercera situación es un arreglo de ladrillos y morteros de
junta vertical y horizontal que conforman una “celda de mampostería” en la cual
se analiza su comportamiento a compresión; (iv) Por último, se analiza la
situación de un panel de mampostería de dimensiones normalizadas analizado en
compresión excéntrica sobre base rígida y compresión centrada sobre base flexible.
En la actualidad se han estudiado casos de
riesgo como en [2], en donde se concluye que las dimensiones del muro deben
limitarse cuando la acción sucede en forma perpendicular a su plano. En [3] se
menciona la importancia de establecer parámetros obtenidos en el ámbito
experimental a efectos de configurar adecuadamente los procedimientos de diseño
de este tipo de sistemas.
En [4] se establece la importancia de utilizar
modelos de mampostería confinada para reducir riesgos de fallas en problemas
referentes a la acción sísmica, además de establecer categorías de muros en
función del uso de refuerzos de hormigón armado y las direcciones de estos
refuerzos. Este documento muestra de forma práctica la importancia que adopta
el confinamiento de muros en la resistencia final del sistema constructivo.
En [5] se hace mención del hecho que las
mamposterías confinadas son concebidas como una opción estructural económica
que permite aprovechar de forma estructural los cerramientos de un sistema
constructivo y sumar su resistencia a la respuesta global del conjunto. A su
vez en [6] se establecen niveles de ductilidad y se clasifica para los sistemas
de mamposterías como de baja ductilidad dada su condición de elemento
confinado, y en función a esto se modifican en estos casos ciertos coeficientes
de respuesta al entender que se considera un diseño post-elástico.
El objetivo general del trabajo es
caracterizar en forma estadística las propiedades mecánicas de los materiales
componentes de ladrillos cerámicos huecos (LCH) de la zona, además de proponer
un aporte a la metodología de estudio de materiales estructurales. Una vez
obtenidos los resultados del análisis estadístico, en trabajos futuros servirán
como insumos para procedimientos de optimización con restricciones de
confiabilidad, que dan lugar a un proceso basado en la probabilidad de falla de
los elementos estudiados.
En el presente trabajo se presentaron
resultados correspondientes a la primera etapa de análisis y caracterización
del material cerámico componente de ladrillos LCH. Los resultados serán
utilizados como parámetros de configuración de modelos numéricos que puedan
reproducir con precisión y convergencia aceptables lo ocurrido en el ámbito
experimental.
Metodología
La metodología del presente trabajo consistió
en obtener datos experimentales de los parámetros mecánicos representativos del
material componente del elemento conocido como ladrillo cerámico hueco (LCH) en
las escalas de análisis mencionadas y caracterizarlos de manera probabilística.
Las escalas presentadas aquí son aquellas que involucraron el estudio de la
cerámica en diferentes comportamientos, específicamente las dos primeras etapas
de análisis experimental (correspondiente a la materia prima procesada y al
producto en calidad de “mampuesto”).
Con respecto a los materiales componentes se
constituye por acillas de río y de yacimientos ubicados en diferentes puntos
del departamento Libertador Gral. San martín. Además, se incorporan porcentajes
de áridos finos y residuos de aserrado de la madera con el objetivo de
establecer medidas de control para el fenómeno de contracción de la arcilla la
cual se intensifica en el proceso de cocción de los ladrillos.
La metodología de fabricación de las probetas
y de los ladrillos ensayados comprende: en primer lugar, el proceso de extracción
de las arcillas, en diferentes tipologías, y su traslado a la planta productiva.
El estacionamiento de las arcillas se mantiene al menos un año, luego se inicia
la etapa de preparación en donde se mezclan las arcillas mediante equipos de
mezclado, a continuación, se vuelve a estacionar por 7 días, para luego ser
extruido en diferentes moldes de acero y cerámica. Por último, se pasa a la
etapa de secado al ambiente y quemado en horno continuo a temperatura media de
900 °C para luego proceder a sector de embalaje en pallets y envoltura con filme
y su posterior distribución.
Respecto a las propiedades físicas de las
muestras ensayadas, se pudo constatar en laboratorio según [13] que el valor
medio de la densidad aparente es del orden de menos de 20000 N/m³.
Se realizaron ensayos sobre probetas cerámicas
a compresión, obteniendo una estimación experimental de los siguientes
parámetros: módulo de elasticidad de la cerámica, carga de rotura, acortamiento
en rotura, y relación tensión – deformación.
Luego se realizaron ensayos sobre probetas
cerámicas a tracción, obteniendo una estimación experimental de los parámetros:
energía de fractura, resistencia a tracción, carga en rotura, alargamiento en
rotura, y relación tensión – deformación.
Cada resultado de estos ensayos fue procesado
para la obtención de valores característicos representativos del material o del
elemento analizado según el caso dado considerando intervalos de confianza del
orden 90%. Los datos de partida del análisis son: geometría de las muestras,
valores de carga y desplazamiento en función del tiempo. El interés por
comparar resultados en probetas de cerámica y en ladrillos LCH ensayados en
forma aislada sin juntas de mortero, se basa en el objetivo de comparar el
comportamiento del material en forma pura y aquel que sucede dentro del elemento
moldeado (ladrillo extruido). La ecuación (1) a continuación descripta
establece la manera de considerar dicho tratamiento de caracterización, tomando
como ejemplo la tensión de rotura de las piezas ensayadas:
|
|
(1)
|
El mismo criterio se aplica a los diferentes parámetros obtenidos de los ensayos
experimentales como ser deformaciones, modulo elásticos, y energía de fractura,
entre otros. Cabe destacar que el factor de confianza adoptado fue de 95% para
los ensayos de las etapas 1 y 2.
A partir del registro experimental de valores
de fuerza aplicada y desplazamientos medidos se calcularon los siguientes
parámetros mecánicos: tensión, deformación específica y, finalmente, se
estimaron módulos de elasticidad obtenidos del análisis de las curvas de tensión-deformación
específica para cada una de las probetas ensayadas. A continuación, se realiza
una descripción detallada de los ensayos realizados.
Ensayos de caracterización de la materia
prima.
Se presenta a continuación una síntesis de los
resultados obtenidos en ensayos realizados en el Laboratorio de Ingeniería
Civil (LIC) de UNaM en probetas de cerámica moldeadas y cocidas en forma
específica. Dicho proceso de fabricación fue desarrollado de la misma manera
replicando el mismo proceso de fabricación de ladrillos LCH en fábrica.
Las muestras fueron elaboradas en dos formas:
cilíndricas y prismáticas. Este criterio se adoptó a efectos de poder comparar
resultados y establecer el orden de magnitud que tiene la forma en el
comportamiento mecánico.
Se debe tener en cuenta que la forma de las
paredes de la cerámica en el ladrillo LCH es prismática rectangular. Por otra parte,
es sabida la condición de la cerámica como material frágil similar al hormigón,
por lo tanto, se moldearon pequeñas probetas de relación lado/diámetro en el
orden de 2/1.
Las probetas de cerámica fueron ensayadas
utilizando un adaptador de prensa para tamaños del orden de 4 cm de lado dentro
de los cuales se colocaron las probetas tanto cilíndricas como prismáticas como
se puede apreciar en la figura 2. Respecto de la velocidad de carga se adoptó
como valor ensayar las probetas a un valor medio de velocidad de carga del
orden de 7 Kg/seg. Esta velocidad aseguró el resultado de aplicarle a la
probeta una carga de tipo monotónica. La tabla 1 muestra valores estadísticos
basados en procedimientos de caracterización geométrica de las probetas
ensayadas. Los resultados fueron obtenidos a partir de lotes de más de 20 probetas.
Tabla 1. Resumen estadístico de caracterización de probetas a) cilíndricas y b)
prismáticas.
|
a)
|
b)
|
|
Probetas cilíndricas
|
alto [mm]
|
Diámetro [mm]
|
|
Media
Desvío típico
|
47.53
0.78
|
24.38
0.23
|
|
Variación %
Sesgo
Curtosis
|
1.64 %
0.217
0.417
|
0.94 %
-0.185
-0.104
|
|
|
|
|
|
|
Probetas prismáticas
|
alto [mm]
|
Lado
[mm]
|
|
Media
Desvío típico
|
21.31
0.44
|
9.38
0.33
|
|
Variación %
Sesgo
Curtosis
|
2.06 %
0.094
0.329
|
3.5 %
0.507
0.579
|
|
La figura 1 muestran dos lotes de
probetas ensayadas en el LIC. Con respecto a las probetas prismáticas se adoptó
el criterio de moldearlas con dimensiones similares a las paredes de los ladrillos LCH (del
orden de 8 mm en valor medio) a efectos de darle contexto a los resultados
obtenidos.
La caracterización geométrica se realizó con
calibres mecánicos de lectura digital con precisión de décima de mm. Se aplicó
el criterio usual en estos casos que consistió en efectuar mediciones efectivas
en diferentes puntos y aristas de la probeta para luego calcular el valor medio
de altura y diámetro en el caso de probetas cilíndricas, y altura y lados en el
caso de probetas prismáticas.
Con respecto a las probetas ensayadas a
tracción fueron talladas de los mismos ladrillos LCH que fueron ensayados a
compresión. En estos experimentos se registraron no solo valores de carga, sino
también valores de alargamientos de las probetas hasta el punto de máxima
resistencia etapa de y luego se confeccionaron las curvas de ablandamiento.
El objetivo fue cuantificar la energía de
fractura de la cerámica componente de ladrillos LCH para utilizarse en futuros
procedimientos de simulación numérica.
Figura 1. Ensayo de resistencia a Compresión en probetas de
cerámica.
Con respecto a la cantidad de probetas
ensayadas en el caso de las probetas cilíndricas se recibieron 25 probetas de
las cuales se descartaron 3 unidades por no contar con la relación geométrica
adecuada, mientras que en el caso de las probetas prismáticas se descartaron 2
unidades de 30 en total.
En cuanto al intervalo de confianza
adoptado fue de 95% para establecer el cálculo de los valores característicos
en cada parámetro analizado. Con esto se trató de contemplar la variedad de resultados
obtenidos en los ensayos realizados.
Luego de obtenidos los resultados
experimentales directos (carga y desplazamientos) se procedió a calcular
valores de tensiones y deformaciones específicas para cada lote de datos
depurados y filtrados. Luego se construyeron gráficos de relación constitutiva
en donde se aproximó la pendiente de dichas curvas constitutivas con el
objetivo de efectuar una estimación del módulo de elasticidad, además de
estudiar la secuencia de toma de carga hasta la rotura y los fenómenos que
pudieran suceder durante el procedimiento.
En la figura 2 se observa una vista
general del ensayo y los equipos e instrumentales utilizados. El equipo consta
de una prensa para ensayos de tracción y compresión accionada en forma mecánica
mediante un motor con caja reductora.
La prensa utilizada para las probetas
cerámica es de tipo manual y tiene adaptado un equipo de accionamiento
electromecánico que permite trabajar en velocidades de presión del orden de los
4 MPa/min. Con respecto a la velocidad de avance de la prensa fue adoptada en
función de generar un estado de carga monotónico, para evitar distorsiones en
el resultado por efecto dinámico de aplicación de la carga.
La adquisición de datos se efectúa en
forma digital con capacidad de 5 Hz en términos de frecuencia de muestreo
disponible (para extensómetros y celdas de carga). El software de procesamiento
de datos fue elaborado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional
de Misiones.
Figura 2. Ejemplos de ensayos de resistencia a
Compresión/Tracción en probetas de cerámica.
La metodología adoptada para el
procesamiento de los resultados se detalla en las ecuaciones presentadas a
continuación:
|
|
(2)
|
|
|
(3)
|
fm: Resistencia a compresión/tracción en valor medio.
Pi: Carga máxima aplicada.
Ai: Area de probeta sometida a
carga.
Dli: Desplazamiento medido por
extensómetro.
lo: longitud de referencia
inicial de las probetas.
n: número de probetas.
em: Deformación específica en valor medio.
Como criterio, la misma expresión se aplica a la
cerámica y evalúa la resistencia característica para un cuantil 5% y
distribución normal.
|
|
(4)
|
fm: valor medio de la tensión.
CV: Coeficiente de
variación de la muestra.
Para analizar la resistencia
a tracción, se adoptó el modelo propuesto por Hillerborgh en [8] (ver
figura 3). En esta propuesta se desarrolló junto a otros investigadores en
trabajos paralelos un modelo de bandas en el cual la zona de fractura es
aproximada mediante un sistema de fisuras paralelas que son continuamente
separadas en el elemento finito, se establece un ancho de la zona de fractura
que se asume constante (hc) a fin de evitar la sensibilidad por tamaño de
malla, Esto asegura que la disipación de energía debida a fractura por unidad
de área sea constante y que sea equivalente a la energía de fractura del
material, GF.
Figura 3. Energía de fractura Gf según el modelo de
[Hillerborg, 1978].
En la figura 7 se puede
apreciar una imagen de los ensayos efectuados para completar el cálculo de la
energía de fractura del material cerámico, La energía de fractura GF
definida como la energía consumida en abrir la fisura de una banda viene dada
por:
|
|
(5)
|
La integral representa
el área bajo la curva esfuerzo –deformación, y si se adopta una relación entre
estas, se tiene:
|
|
(6)
|
hc:
ancho de zona de fractura
GF:
Energía de fractura de la probeta.
ft: tensión
de tracción en la probeta.
Donde las
variables pueden ser extraídas a partir de la curva tensión-deformación
registrada en forma experimental siendo CF la pendiente de la curva
de ablandamiento luego de ocurrida la rotura de la probeta.
Los ensayos se filmaron con cámara de
alta velocidad dejando como dato particular que a una velocidad de 3 cuadros
por segundo no se puedo apreciar en detalle el desarrollo de la línea de fisura
en la probeta, señalando el alto margen de fragilidad que presenta el material
cerámico, Es posible pensar que la resistencia a tracción de la cerámica juegue
un papel importante en el comportamiento mecánico del mampuesto entre otros
factores.
Análisis y
discusión de resultados.
Resistencia a
compresión del material cerámico.
Los resultados obtenidos en estos ensayos de
compresión se resumieron en la tabla 2 presentando estadísticos de cada
parámetro estudiado para el caso de probetas cilíndricas. Tomando como base la
expresión propuesta para ladrillos en [7] que dice “La resistencia especificada
o característica a la rotura a compresión de la sección neta del ladrillo hueco
se evaluará sobre una muestra representativa, compuesta de 10 o más unidades”.
Los modos de rotura en probetas cilíndricas se
observan en las figuras 5 a) b) y c). Entre los modos de falla más frecuentes
se encontraron la rotura en forma de cono doble, ver figura 4 a), y se pudo
observar que el proceso de desintegración de partículas del material mostró
cierta ductilidad al desarrollar las líneas y/o superficies de falla en el
material.
En la mayoría de los casos se observó
un salto en la curva experimental debido al agrietamiento y reacomodamiento de
las partículas de la probeta, lo que explica el hecho de poder acumular energía
interna de deformación.
Luego la curva se restableció
en forma lineal con reducción de la pendiente. En la figura 4 se observa el
registro de esfuerzos y deformaciones para una probeta sometida a una carga de
compresión centrada mediante una prensa mecánica a velocidad de 0.075 KN/seg
aproximadamente.
Los valores de modulo E
fueron obtenidos de las rectas marcadas en la gráfica del ensayo utilizando
interpolación lineal y los coeficientes de la función fueron calculados por el
método de mínimos cuadrados.
En primer lugar, se pudo
observar que las probetas utilizadas mostraron baja dispersión en sus
parámetros geométricos, indicando que el proceso de cocción de la cerámica no
genera dispersiones importantes en la geometría final de los mampuestos a pesar
de que existen diferencias en las medidas reales de cada pieza respecto de las
consideradas nominales.
Figura 4. Registro de un ensayo a Compresión aplicado a una probeta
de cerámica de forma cilíndrica.
Figura 5. Algunos modos de
falla en probetas de cerámica sometidas a Compresión.
Tabla 2. Resumen estadístico de ensayos de probetas
cilíndricas de cerámica a compresión.
|
Parámetro estadístico
|
Carga Máxima
[KN]
|
Tensión crítica
[MPa]
|
Deformación crítica
[mm/mm]
|
Tensión máxima
[MPa]
|
Deformación máxima
[mm/mm]
|
E [MPA]
Tramo 1
|
E [MPA]
Tramo 2
|
|
Media
Desvío típico
|
4,83
0,42
|
7,21
0,41
|
0,0079
0,0004
|
9,27
0,51
|
0,0137
0,0006
|
902,53
52,67
|
599,32
26,88
|
|
Variación %
Sesgo
Curtosis
|
8,7
0,0897
-0,5133
|
5,69
0,4099
-0.3573
|
5,06
0,1396
0,2386
|
5,50
-0,0325
0,2431
|
4,38
0,0687
-0,5399
|
5,84
-0,3208
-0,1218
|
4,49
-0,0806
-0,0961
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Luego en la tabla 3 se
resumieron los resultados de ensayos a compresión para probetas prismáticas de
relación aproximada 1:1:2 (ancho alto y largo respectivamente). También se
presentan datos estadísticos a manera de establecer comparaciones con el tipo
de probeta anterior. Se ensayaron este tipo de probetas por ser correspondiente
con la forma de las paredes de los ladrillos LCH estudiados.
Tabla 3. Resumen estadístico de ensayos de probetas prismáticas
de cerámica a compresión.
|
Parámetros estadísticos
|
Carga máxima [KN]
|
Tensión fisuración [MPa]
|
Tensión máxima [MPa]
|
E [MPa] Tramo 1
|
E [MPa] Tramo 2
|
|
Promedio
|
2,80
|
6,56
|
7,59
|
1235,27
|
887,62
|
|
Desvío
|
0,13
|
0,21
|
0,33
|
105,42
|
80,12
|
|
Coeficiente de variación %
|
4,64
|
3,20
|
4,35
|
8,53
|
9,03
|
|
Sesgo
|
0,6923
|
0,5801
|
-0,2744
|
0,0822
|
-0,1508
|
|
Curtosis
|
1,3117
|
0,1269
|
-0,2844
|
-0,3257
|
-0,0310
|
En la tabla anterior se
resumieron los resultados procesados de los ensayos a compresión efectuados en
probetas de cerámica prismáticas, Se pudo ver que los datos se han ajustado de mejor
manera descartando valores alejados en base a criterios estadísticos conocidos
(valores outliers).
Se observaron diferencias
en los valores de ambos tipos de probetas, La medida de dispersión de los datos
fue menor (tal como se esperaba) en las probetas cilíndricas que, en las
probetas prismáticas, diferencias en algunos casos superiores a 1,5 veces.
La dispersión observada en
la tensión de fisuración es aceptable y razonable con lo cual se adoptaron
estos valores para alimentar futuros procedimientos de simulación en la sección
de relaciones constitutivas, Por otra parte, las probetas prismáticas se analizaron
por motivo de ser compatibles en cuanto a su forma respecto de la forma que
tienen las paredes de los mampuestos.
Tabla 4. Valores
característicos adoptados de cerámica para LCH a compresión.
|
parámetros
|
Carga máxima [KN]
|
Tensión fisuración [MPa]
|
Deformación de Fisuración [mm/mm]
|
Tensión máxima [MPa]
|
Deformación máxima [MPa]
|
E [MPa] Tramo 1
|
E [MPa] Tramo 2
|
|
Promedio
|
4,83
|
7,21
|
0,0079
|
9,27
|
0,0137
|
902,53
|
599,32
|
|
Desvío
|
0,42
|
0,42
|
0,0004
|
0,51
|
0,00
|
52,67
|
26,88
|
|
Coeficiente de variación %
|
8,70
|
5,83
|
5,06
|
5,50
|
4,38
|
5,84
|
4,49
|
|
Sesgo
|
-0.3527
|
0.1167
|
0.3407
|
-0.0905
|
0.2007
|
0.4804
|
-0.6418
|
|
Curtosis
|
-0.3480
|
0.3679
|
-0.2661
|
0.6909
|
-0.5594
|
0.6426
|
0.6355
|
|
Valor característico
|
4,24
|
6,62
|
0,0074
|
8,56
|
0,0128
|
828,79
|
561,70
|
En la tabla 4 se resumen
los resultados estadísticos que serán utilizados en las etapas subsiguientes a
efectos de cotejar el comportamiento de la cerámica del material ladrillo
cerámico y el material compuesto mampostería de ladrillo LCH, a efectos de
utilizar estos parámetros en modelos de simulación numérica para diferentes
esquemas de comportamiento.
Cabe destacar que los
valores de deformación se han excluido de este segmento del presente trabajo
por adoptar el criterio de analizar las correspondientes al material mampuesto
en conjunto con el resto de los componentes del sistema constructivo, De todas
formas, su análisis está implícito en el Módulo Elástico obtenido a partir de
los tramos de carga 1 y 2 respectivamente.
Con respecto al análisis
de Varianza se contrastaron resultados de resistencia crítica y de Resistencia
máxima en probetas cilíndricas y probetas prismáticas. En dicho análisis se
observo baja correlación entre valores críticos y máximos y al establecer un
intervalo de confianza de 95% se observó que el valor de resistencia crítica
que define el inicio de la fisuración en piezas de este material se situó en un
orden de magnitud de 6.155 MPa como se puede observar en la figura 5 a
continuación. Cabe destacar que los valores obtenidos por la ecuación (3)
especificada en [7] arrojó valores de mayor magnitud. Es necesario mencionar
que analizando la variable para probetas cilíndricas el valor característico
para un intervalo de confianza de 955 asciende a 6.89 MPa lo cual permite
asumir que el valor a tener en cuenta en función de las probetas prismáticas en
conservador.
a) b)
Figura
6. Regresión lineal para un análisis de Varianza de resistencia: a) valores
críticos de fisuración. b) valores máximos de rotura.
Tabla 5. Valores estadísticos descriptivos de
Resistencia crítica y Resistencia máxima.
|
Variable
|
Observaciones
|
Obs. con datos perdidos
|
Obs. sin datos perdidos
|
Mínimo
|
Máximo
|
Media
|
Desv. típica
|
|
RCPCcrít
|
49
|
0
|
49
|
6.177
|
7.012
|
6.533
|
0.203
|
|
RCPPcrít
|
49
|
0
|
49
|
6.485
|
7.907
|
7.139
|
0.332
|
|
RCPCmáx
|
49
|
0
|
49
|
6.759
|
8.324
|
7.643
|
0.371
|
|
RCPPmáx
|
49
|
0
|
49
|
7.824
|
10.445
|
9.269
|
0.518
|
RCPCcrít: Valor de
resistencia en probetas cilíndricas en estado crítico (fisuración).
RCPPcrít: Valor de
resistencia en probetas prismáticas en estado crítico (fisuración).
RCPCmáx: Valor de resistencia
máxima en probetas cilíndricas (Rotura).
RCPPmáx: Valor de resistencia
máxima en probetas prismáticas (Rotura).
La tabla 5 muestra
comparativas de dispersión en términos de los valores analizados por método
ANOVA (análisis de varianza). Los valores obtenidos mostraron diferencias y se
observó un incremento del desvío hacia el instante de rotura lo cual es lógico
al considerar que a partir del estado de fisuración el comportamiento del
material se desarrolla sobre la base de patrones no lineales.
Resistencia a Tracción del
material cerámico.
La cerámica es un material
que tiene respuesta mecánica diferente para cada esfuerzo aplicado debido a su
anisotropía, Se lo puede considerar ortotrópico por el proceso de extrusión,
Luego, se evalúa su respuesta a compresión y a tracción.
Habiendo presentado en la
sección anterior el comportamiento y la resistencia a compresión en probetas de
cerámica, se trata ahora el comportamiento de las piezas sometidas a un
esfuerzo de tracción. En la figura 7 se aprecia una imagen del ensayo a
tracción aplicado a fragmentos de probetas talladas de mampuestos.
Figura 7. Probetas ensayadas a tracción.
En esta se pueden apreciar
las diferentes líneas de rotura obtenidas en los ensayos a tracción. En algunos
casos se apartan de la sección con la entalla, lo cual modifica la superficie
considerada para el cálculo de la resistencia a tracción.
La tabla 6 muestra
resultados en valor medio y desvío estándar de los ensayos de probetas de
cerámica sometidas a esfuerzos de tracción en dirección paralela a la línea de
extrusión del proceso de fabricación del ladrillo, para los cuales se estimó la
energía de fractura promedio siguiendo la metodología propuesta por [8].
Tabla 6. Valores característicos de cerámicas
sometidas a Tracción.
|
parámetros
|
Carga máxima [KN]
|
Resistencia a Tracción [MPa]
|
Deformación específica [mm/mm]
|
Energía de Fractura [N/mm]
|
Rigidez Axial [MPa]
|
E [MPa]
|
Cf [MPa]
|
|
Promedio
|
1,17
|
2,58
|
0,0087
|
0,21
|
15,43
|
680,51
|
692,38
|
|
Desvío
|
0,08
|
0,25
|
0,0008
|
0,02
|
0,909
|
53,24
|
60,05
|
|
Coeficiente de variación %
|
6,84
|
9,69
|
9,20
|
9,52
|
5,89
|
7,82
|
8,67
|
|
Sesgo
|
-0,0422
|
0,2253
|
0,2049
|
-0,0389
|
0,6036
|
0,1976
|
0,0681
|
|
Curtosis
|
-0,5690
|
0,0973
|
-0,5988
|
0,8581
|
-0,2595
|
0,7219
|
-0,8329
|
|
Valor característico
|
1,039
|
2,170
|
0,007
|
0,177
|
13,939
|
593,196
|
593.898
|
Se analizó varianzas por
método ANOVA para las probetas ensayadas a tracción y se obtuvieron los
resultados presentados en la figura 8. El valor característico para un
intervalo de confianza de 95% fue del orden de 2.1 MPa frente a valor calculado
según recomendación de [7] el cual fue de 2.17 MPa. Por lo tanto, se pudo
asumir que valores característicos de diseño que propone el reglamento son
razonables con algunas reservas en términos del nivel de precisión que se
pretenda establecer
Figura 8. Resultados ANOVA en Probetas ensayadas a tracción.
Energía de fractura del
material cerámico.
En la figura 9 se presenta una imagen de
la curva experimental de ensayo a tracción, Se observa un comportamiento lineal
en tramos pre y post fisuración, La frecuencia de muestreo del equipo
adquisidor de datos (5 Hz) permitió registrar un acomodamiento que se estima se
debió al inicio de la fisuración en la probeta dado que posteriormente
prosiguió un ascenso de la curva experimental hasta alcanzar la rotura del
material.
Figura 9. Curva experimental de una probeta ensayada a Tracción.
En la tabla 4 se
presentaron los valores calculados de energía de fractura a partir de las
curvas experimentales de carga y desplazamiento obtenidas en laboratorio para
los ensayos mostrados en la figura 8, Se realizaron dos tipos de ensayos, (i)
El primero produce un efecto de tracción directa analizado en probetas talladas
de las paredes interiores de los mampuestos ensayados a compresión, figura 7
a,), (ii) El segundo produce un efecto de tracción por flexión haciendo que la
carga aplicada presente una excentricidad respecto del eje mecánico de la
probeta.
|
|
|
|
a)
|
b)
|
Figura 10, Ensayo
a Tracción: a) Tracción Directa. b) Tracción por Flexión.
En los extremos de la probeta se
colocaron vainas de polímero para evitar distorsiones en el registro de datos
durante en el procedimiento experimental dado que la fricción entre la cerámica
y los dispositivos de anclajes.
Cabe señalar que la línea falla observada
en probetas ensayadas a tracción mostró coincidencia con la presencia de
partículas de grano relativamente grande en función del espesor de tales
probetas, Es sabido que las mezclas utilizadas para extruir ladrillos LCH
contienen un porcentaje de arenas lo cual se estima tiene impacto directo en
cuestiones como resistencia mecánica y trayectoria de patrones de
agrietamiento.
La referencia [12] propone criterios de
consideración para la zona de ablandamiento de la curva de resistencia del
sistema, Por lo tanto, es importante el estudio experimental luego de ocurrida
la fisuración.
Propiedades Físicas de la cerámica.
Otro factor a tener en cuenta es el
proceso de extrusión para la fabricación de los mampuestos que puede inducir
una orientación de las escamas de partículas que conforman la arcilla usada
como materia, Dicha arcilla es mezclada en proporciones dosificadas con
residuos derivados de la madera (aserrín) y contenido de agregados finos, Se
puede observar en la figura 10 que los planos de falla están condicionados por
la concentración de tensiones producida alrededor de las partículas de agregado
fino y por la orientación de las escamas que conforman la arcilla.
Figura 10. Trayectoria de las fisuras en probetas de cerámica.
Con esto quedó definido el conjunto de parámetros característicos
propuestos para las propiedades mecánicas de la cerámica componente de los
mampuestos LCH.
Conclusiones.
Se enuncian a continuación las
conclusiones del presente trabajo en el cual se lograron resultados en términos
de la caracterización de las cerámicas que componen los ladrillos LCH utilizados
en la construcción de mamposterías en la Provincia de Misiones y regiones
adyacentes.
Con respecto a la caracterización
experimental desarrollada se obtuvieron parámetros relevantes para definir el
comportamiento mecánico del material analizado obteniendo su resistencia a
compresión, su resistencia a tracción, y su energía de fractura.
La resistencia a tracción y la energía de
fractura son parámetros importantes para el análisis de las siguientes etapas
de evaluación del comportamiento, permitiendo la posibilidad de utilizarlos
como insumos de modelos numéricos de mayor complejidad.
Se confirmó que el modo de falla de la
cerámica como material homogéneo obedece a la forma de respuesta de materiales
frágiles como el hormigón o el vidrio con las diferencias lógicas en términos
del orden de magnitud de sus parámetros principales.
Respecto a la respuesta de la cerámica
como material estructural, la resistencia a tracción muestra valores del orden
del 15% en promedio de su resistencia a compresión lo cual refuerza el carácter
de material frágil como medio homogéneo sometido a acciones mecánicas.
Se mostró que el material cerámico
sometido a compresión en el instante de la primera fisura presenta un
reacomodamiento interno para continuar absorbiendo esfuerzos de compresión hasta
el instante de la rotura.
Los parámetros obtenidos son utilizables
en la configuración de procesos de simulación numérica que pueden servir para
la construcción de superficies de respuesta del material, A su vez los
resultados experimentales comprueban el carácter isotrópico de dicho material.
A futuro se deben tener presente los
siguientes aspectos: constatar el fenómeno de reacomodamiento del material
luego del inicio de la fisuración en ladrillos cerámicos huecos fabricados con
este tipo de cerámicas, analizar cómo impacta el valor de la resistencia a
tracción en el comportamiento de elementos estructurales fabricados con este
material, y por último encontrar la manera de predecir patrones de fisuración
en sistemas estructurales conformados por ladrillos cerámicos huecos.
Paralelamente se tendrá en cuenta la
relación de dimensiones geométricas y como impacta en la resistencia a tracción
para evaluar la necesidad de establecer el análisis tensional de una manera más
detallada. Es importe mencionar que los mecanismos de falla se asumen
condicionados por los valores de resistencia a tracción por lo tanto su
análisis como parámetro de diseño debe efectuarse en profundidad.
Otro conjunto de factores importantes
desde el enfoque de los insumos a disponer para alimentar códigos de simulación
numérica son los factores de intensidad de tensión. Estos factores a futuro
debieran estudiarse en profundidad para el caso de las cerámicas de la región
Nor-Este de la República Argentina y países limítrofes. Una vez recolectados y
determinados estos parámetros se puede analizar comportamiento de la cerámica
por simulación numérica lo cual implica una reducción considerable en los
costos de investigación para las empresas interesadas en impulsar procesos de
mejora continua en sus productos.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido llevado a cabo gracias al apoyo
del Laboratorio de Ingeniería Civil, dependiente del Departamento de Ingeniería
Civil de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Misiones. Los
autores agradecen a Fabio Gattelli, Maximiliano Galván y Ricardo Miranda por la
colaboración prestada en la preparación de este artículo.
Referencias
[1] Reinert H, O., evaluación de
solicitaciones por elementos finitos aplicada a medios continuos, Departamento
de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Misiones,
mecánica computacional, Volumen XXXII, Number 42, Structural Analysis, ISSN
2591-3522, 2013.
[2]Aviram A., Investigación del Colapso de un Muro de Mampostería de
Ladrillo no Reforzado Bajo Fuerzas de Viento Moderado, Universidad EAFIT,
Medellín, COLOMBIA, Revista Ingeniería de Construcción RIC Vol. 34 Nº1 2019 www,
ricuc, c.
[3] NSR10, reglamento colombiano de construcción sismo resistente,
comisión asesora permanente para el desarrollo de construcciones sismo
resistentes, ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial,
Colombia, 2010.
[4] Chandrupatla T, et Al., Introducción al Método de los Elementos
Finitos en Ingeniería, Rowan College, New jersey, Versión traducida de
Universidad Autónoma de México, segunda edición, ISBN 970-17-0260-3, 1999.
[5] Franco, Y., González, L., Milanés, C., Félix, N, y Calderín, F,
(2023), Mampostería confinada vs pórticos de hormigón: Selección de
alternativas para viviendas por esfuerzos propios en Cuba, MODULO ARQUITECTURA
CUC, 30, 99–126, http://doi,org/10,17981/mod,arq,cuc,30,1,2023,04.
[6] Normas de Seguridad Estructural para Guatemala Diseño de
Mampostería reforzada NSE 7,4 Edición 2018, Asociación Guatemalteca de
Ingeniería Estructural y Sísmica, AGIES Proyecto desarrollado por AGIES por
medio de la Dirección de Comités Técnicos.
[7] Reglamento CIRSOC 501, Estructuras de mampostería, Ministerio de
Planificación Federal, Inversión Pública y Servicios.
[8] HILLERBORG A.,
“A model for fracture analysis,” Division of Building Materials, Lund Institute
of Technology, Sweden, 1978, TVBM-3005.
[9] Reglamento CIRSOC 501-E Viviendas de mampostería bajo compromiso
estructural, Ministerio de Planificación Federal, Inversión Pública y
Servicios.
[10] Corcuera Sakamoto M., Estudio de investigación para el desarrollo
de viviendas sociales de bajo coste en la ciudad de lima – Perú, Universitat
politécnica de Catalunya, - http://es,scribd,com/doc/62623064/till-app - noviembre
de 2012.
[11] Schacher T., Construyendo Viviendas de Mampostería Confinada de
Uno y Dos Pisos: Una Guía Para Constructores y Arquitectos, ISBN:
978-1-932884-65-4, EERI Publication Number WHE - 2015- 01.
[12] Zúñiga C, O, evaluación basada en desplazamientos de Edificaciones
de mampostería confinada, Revista de Ingeniería Sísmica No, 79 25-48 (2008).
[13] Duarte, J.; Interacción estructural de cuerpos edilicios en
Misiones, Argentina. Tesis doctoral presentada en la carrera de Doctorado en
Ciencias aplicadas, mención tecnología de materiales, Facultad de Ciencias
Exactas Químicas y Naturales, Universidad Nacional de Misiones, (2021).
