AyP24-40_SimulacionAnalisisLaboratorio

Simulación y análisis en laboratorio de la rotura de pavimentos cerámicos urbanos bajo

cargas estáticas

Fecha de Recepción Artículo: MARZOFecha de Aceptación Artículo: ABRIL

VICENTE CANTAVELLA SOLERInstituto de Tecnología Cerámica (ITC)

Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas (AICE)

Universidad Jaume I. Castellón. Españ[email protected]

GONZALO SILVA MORENOInstituto de Tecnología Cerámica (ITC)


Universidad Jaume I. Castellón. España.

ADORACIÓN MUÑOZ LÁZAROInstituto de Tecnología Cerámica (ITC)



FRANCISCO ANTONIO GILABERT VILLEGASInstituto de Tecnología Cerámica (ITC)



Simulation and laboratory analysis of the breakage of urban ceramic tiles under static loads

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ResumenEn este trabajo se estudian los esfuerzos

mecánicos que aparecen en pavimentos cerámicos urbanos bajo la acción de cargas estáticas. Se plantea un estudio de laboratorio en el que se verifica el papel de ciertas variables como como el formato (longitud y anchura) y el espesor de las baldosas, o el tipo de adhesión entre baldosa y sustrato. Asimismo se ha desarrollado un modelo de elementos finitos (MEF) con el que es posible reproducir los resultados obtenidos en condiciones de laboratorio. Este modelo se puede utilizar para predecir el comportamiento de otras variables no fácilmente modificables en condiciones de laboratorio, y permite comprender mejor los esfuerzos que aparecen durante la aplicación de cargas estáticas.

Palabras clave: Baldosas cerámicas, pavimento urbano, simulación

AbstractIn this paper we study the mechanical stresses in

urban ceramic tiles under the action of static loads. It presents a laboratory study, which verifies the role of certain variables such as tile size, thickness or type of adhesion between tile and substrate. A finite element model (FEM) has been developed and successfully used to reproduce the results obtained in laboratory conditions. This model can be used to predict the behavior of other variables not easy to modify in the laboratory, and allows a better understanding of the stresses that appear during the application of static loads.

Keywords: Ceramic tiles, urban pavement, simulation

IntroducciónEn los últimos años estamos asistiendo a

un progresivo aumento de las instalaciones de pavimentos cerámicos en aceras, urbanizaciones, espacios públicos como plazas, paseos, etc. En este tipo de pavimentaciones, dada su condición de exteriores, se requieren prestaciones mecánicas muy superiores a otro tipo de pavimentos interiores, y condicionantes específicos relativos a la metodología de instalación.

Si bien la progresiva mejora de las prestaciones de los pavimentos cerámicos, con el desarrollo de baldosas con porosidad abierta prácticamente nula como el gres porcelánico, ha permitido abordar aplicaciones con mayores exigencias mecánicas como la pavimentación urbana, también ha tenido una contribución muy notoria la evolución de los métodos de colocación y la profesionalización de los colocadores.

Las técnicas de instalación de baldosas cerámicas han cambiado radicalmente en las últimas décadas, pasando desde la instalación tradicional mediante mortero de cemento y arena en capa gruesa utilizada para pavimentos cerámicos de porosidad media, a los actuales sistemas de instalación en capa fina sobre base regularizada utilizados para la colocación de las baldosas de gres porcelánico. Este cambio en las técnicas de instalación ha sido necesario no solamente por la drástica reducción de la capacidad de absorción que presenta el gres porcelánico, sino también por el progresivo aumento de la inestabilidad o inmadurez de los elementos constructivos y el elevado tamaño de las baldosas cerámicas. Estas nuevas técnicas evitan, asimismo, las patologías derivadas de una inadecuada preparación in situ o utilización de los materiales de agarre. Todo ello ha contribuido a reducir en gran medida las patologías de fractura y desprendimientos que se manifestaban en la pavimentación urbana.

Para abordar el desarrollo de los sistemas de pavimentación urbana con baldosas cerámicas, con suficientes garantías de que no se producirán

Edición No. 24 Enero - Junio de 2012 Bucaramanga · Colombia ISSN 0123-8574 AsfaltosyPavimentos

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Simulación y análisis en laboratorio de la rotura de pavimentos cerámicos urbanos bajo cargas estáticasSimulation and laboratory analysis of the breakage of urban ceramic tiles under static loads

las patologías de roturas que se manifiestan en los pavimentos de base hidráulica y de piedra natural, se realizó un estudio del comportamiento mecánico en condiciones de uso, al objeto de definir los requisitos mínimos tanto del material cerámico como del sistema de instalación. Para ello, se consideraron los límites de cargas relativos a pavimentos urbanos con acceso ocasional de vehículos de reparto de mercancías (carga por rueda inferior a 900 kg). Aunque en otras aplicaciones, como calzadas sometidas al tráfico de vehículos a baja velocidad, sería factible la pavimentación con baldosas cerámicas de formato (tamaño) reducido y alto espesor, para estas situaciones se requeriría de un análisis pormenorizado de las condiciones del soporte y una adaptación de sistema de instalación.

Materiales y métodos

En la figura 1 se muestra el sistema de instalación de pavimentos cerámicos urbanos [1]. Estas capas pueden dividirse en tres grupos:

- El soporte base, que constituye la base resistente sobre la que se asentará el recubrimiento cerámico y que tiene una clara función estructural.

- Las capas intermedias formadas por todos aquellos estratos situados entre el soporte base y el material de agarre de las baldosas cerámicas. Estratos con una función propia dentro del sistema (regularizar la superficie, desolidarizar, etc.) o con una función complementaria del recubrimiento cerámico (impermeabilización, drenaje, etc.)

- La superficie de colocación o superficie en contacto con el material de agarre y encargada de recibir el recubrimiento cerámico.

Figura 1.Sistema de instalación de pavimentos cerámicos urbanos.

Esta división en tres partes diferenciadas permite asignar a cada una de ellas las características que definan bien su estado o bien su comportamiento frente a acciones externas o internas del propio sistema. Se pueden establecer unos parámetros de identificación de características y asociar a esos parámetros unos niveles o clases con los que diagnosticar su estado o comportamiento para actuar en consecuencia a la hora de planificar el sistema de recubrimiento. Las características fundamentales que definen cada una de las partes anteriormente descritas son:

- En el soporte base el parámetro estabilidad, en cuanto a la posibilidad de prever los movimientos esperados de esa capa respecto a variaciones dimensionales de diferente causa, y también la estabilidad derivada de los fenómenos de corrosión.

- En las capas intermedias, en las que se considera la compresibilidad como parámetro o característica fundamental para definir su comportamiento de cara a la colocación cerámica.

1. explanada2. zahorra compactada3. hormigón armado4. capa de arena5. capa de regularización6. adhesivo7. baldosa cerámica y rejuntado8. muro9. bardillo

Vicente Cantavella Soler • Gonzalo Silva Moreno • Adoración Muñoz Lázaro • Francisco Antonio Gilabert Villegas

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- En la superficie de colocación donde ya se toman en cuenta otras características que definirán el tipo de materiales y la técnica de colocación más adecuados: la planitud y textura superficial, la cohesión del material que constituye esa superficie, su absorción/ succión, el comportamiento frente al agua y la humedad, la compatibilidad química con los materiales de agarre y, por último, el estado superficial (humedad y presencia de materiales extraños).

El estudio desarrollado combinaba ensayos mecánicos experimentales sobre maquetas del sistema de instalación con la simulación por elementos finitos (MEF), utilizando el programa Code_Aster [2]. La modelización se realizó con elementos tridimensionales, considerando incluso la separación entre baldosas. En la tabla 1 se recogen las características de las diferentes capas empleadas en la simulación del sistema de instalación de pavimento urbano cerámico.

Tabla 1.Características de las diferentes capas empleadas en la simulación

del sistema de instalación de pavimento urbano cerámico.

Capa Descripción Características

K1 Baldosas cerámicas

Formato variable: 200x200 mm - 600x600 mm

Módulo de elasticidad variable Módulo de elasticidad junta: 5 GPa

Espesor de junta: 5 mm

K2 Adhesivo cementoso C2

Módulo de elasticidad: 5 GPa Espesor: 3 mm

K3Capa de

regularización (mortero)

Módulo de elasticidad: dos casos límite (2 y 11 GPa) Espesor variable

K4 Capa de arenaMódulo de elasticidad: 1 MPa

Espesor: 200 mm

K5 Base no deformable

Indeformable

Se analizaron un total de 8 modelos de piezas de gres porcelánico, de diferentes fabricantes y formatos. Las piezas se ensayaron mecánicamente, determinándose el módulo de elasticidad (E) y el módulo de rotura (σR), indicándose los resultados en la tabla 2.

Tabla 2.Geometría, módulo de elasticidad (E) y módulo de rotura (σR) de

los modelos ensayados.

Modelo

Formato anchura x longitud

(mm)

Espesor (mm)

E (GPa)

sR (MPa)

M1 500x500 12 66.0 37.9

M2 400x400 14 72.4 44.4

M3 300x600 8 81.4 60.8

M4 400x400 9 61.5 38.3

M5 300x600 11 68.9 41.0

M6 600x600 11 68.9 41.0

M7 200x200 12 68.9 41.0

M8 400x400 14 58.5 38.6

El montaje simplificado, constituido por baldosas cerámicas + adhesivo + bloque de mortero fue ensayado aplicando una carga sobre una superficie de 25 cm2 o de 14 cm2, tal como se muestra en la figura 2(a). En la figura 2(b) se muestra el mallado de elementos finitos empleado en la simulación.


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Figura 2.(a) Montaje experimental con el sistema de aplicación de carga.

(b) Mallado de elementos finitos empleado en la simulación.

ResultadosLa figura 3 presenta el resultado típico del cálculo

por elementos finitos (MEF), donde se muestra el perfil de tensiones en la superficie superior (cara vista) de las baldosas, y en la inferior (superficie de la costilla). La superficie superior se encuentra en compresión y la inferior en tracción; este resultado, unido a que los materiales cerámicos resisten mucho mejor la compresión que la tracción [3], hace que la rotura por carga estática se inicie siempre en la parte inferior de las piezas.

Figura 3.Resultado típico del cálculo por elementos finitos. Perfil de

tensiones en las baldosas cerámicas. (a) Tensiones en la cara vista (b) Tensiones en la superficie de la costilla.

En la figura 4 se compara la carga de rotura determinada experimentalmente, y la simulada mediante MEF. Como puede comprobarse, en todos los casos analizados se obtiene una buena correlación, lo que permite emplear el método MEF para estimar el papel de determinadas variables.

La deformabilidad de la capa de mortero y el asentamiento de las baldosas sobre el sustrato que la sustenta son dos de las variables que más pueden


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contribuir a reducir las prestaciones mecánicas del sistema de pavimentación.

Se llevaron a cabo cálculos considerando baldosas cerámicas de formato 400x400 mm, un módulo de rotura σR= 40 MPa y un espesor de 12 mm, que es la configuración mínima que mediante su instalación con doble encolado de adhesivo cementoso C2 se había comprobado que era la adecuada para evitar roturas en ensayos de impacto. Con esta configuración se analizó el efecto del mortero, modificando su módulo de elasticidad entre un valor E = 2 GPa para una mala ejecución y E = 11 GPa para una buena ejecución. En todos los caso la base de soporte tenía una alta capacidad de asentamiento (E = 1 MPa).

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M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

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ExperimentalSimulación MEF

Superficie de carga: 25 cm2

Superficie de carga: 14 cm2

Figura 4.Comparación de la carga de rotura experimental y la teórica

(simulación MEF), correspondientes a una instalación correcta de las baldosas.

En la figura 5(a) se muestra la tensión máxima en superficie inferior de la baldosa como consecuencia de la aplicación de una carga de 1000 kg dividida por la tensión máxima de rotura.

Al reducirse el espesor del mortero o su módulo de elasticidad, la tensión en las baldosas aumenta. Esto se debe a que la capa que hay debajo del mortero es muy deformable (capa de arena de 1 GPa y 200 mm de espesor). Las tensiones básicamente son soportadas por el sistema baldosa + mortero; si baja el módulo de elasticidad o el espesor del mortero, esta capa se deformará más, y la mayor deformación de las baldosas conducirá a tensiones

más elevadas en ellas. En todo caso, con espesores de mortero superiores a 4 mm no se produce rotura.

El anclaje de la baldosa sobre el sustrato se analizó experimentalmente considerando tres configuraciones: (1) mala instalación, correspondiente a una aplicación no uniforme del adhesivo, (2) sin adherencia, introduciendo una hoja de desolidarización entre la baldosa y el sustrato y (3) un doble encolado, aplicando adhesivo en la baldosa y en el sustrato. En la figura 5(b) se presentan los resultados para piezas de dos formatos y espesores. Se comprueba que la mejora de la adhesión puede multiplicar por un factor 2.5 la carga de rotura que es capaz de soportar una pieza.

Figura 5.(a) Efecto del espesor de la capa de mortero y de su módulo de elasticidad sobre la tensión. (b) Efecto de la adherencia entre la baldosa y el sustrato sobre la carga a la que se produce la

rotura.

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4 6 8Espesor de mortero (cm)

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(%) Mortero mal ejecutado (E = 2 GPa)

Mortero bien ejecutado (E = 11GPa)

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2500

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3500

300x600x8 400x400x9

Car

ga d

e ro

tura

(kg)

Doble encoladoSin adherenciaMal instalado

(b)


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Finalmente se analizó el efecto del formato de la pieza. En la figura 6(a) se ha representado la tensión a 1000 kg para diferentes superficies de carga y formato de pieza. A medida de la superficie de carga disminuye el nivel de tensión, como era de esperar, se incrementa: pasa de una superficie de 16x16 cm a 8x8 cm implica que la tensión prácticamente se duplica. También se comprueba que al trabajar con formatos mayores las tensiones son más elevadas; esto se debe a que las juntas entre piezas pueden actuar como elementos de liberación de tensiones, en cierta medida de manera análoga a las juntas de dilatación en un edificio.

Por último, en la figura 6(b) se presenta la tensión para formatos con diferente relación entre la longitud del lado largo y corto. En general se observa que los formatos cuadrados suelen presentar tensiones más bajas y son, por tanto, preferibles desde el punto de vista técnico.

Figura 6.(a) Tensión máxima, para diferentes formatos, en función de la superficie de aplicación de la carga. (b) Efecto combinado de la

ejecución del mortero y del formato de las baldosas.

ConclusionesSe ha llevado a cabo una modelización por

elementos finitos (MEF) en 3D que permite simular las tensiones que aparecen en baldosas cerámicas de pavimento urbano como consecuencia de la aplicación de cargas estáticas. Este modelo, junto con los ensayos de laboratorio, ha permitido establecer cuantitativamente el papel que tienen determinados parámetros de diseño de sistemas de colocación.

- Las tensiones más elevadas en las baldosas cerámicas se producen en la superficie de la costilla; por tanto, será en este punto donde se inicie la rotura durante la aplicación de una carga estática.

- Cuando el mortero está mal ejecutado (bajo módulo de elasticidad) las tensiones sobre las piezas aumentan significativamente.

- Al reducirse el espesor de la capa de mortero las tensiones sobre las piezas se incrementas. En todo caso, en condiciones normales una capa de 4 mm de espesor debería ser suficiente para evitar roturas.

- La adhesión entre las baldosas y el sustrato es un parámetro clave en la carga de rotura que son capaces de soportar las piezas. Una deficiente extensión y macizado de la capa de adhesivo cementoso C2 en la instalación de las baldosas cerámicas puede reducir en un factor 2.5 la carga de rotura que son capaces de soportar.

- Al reducirse la superficie de aplicación de la carga las tensiones sobre la pieza aumentan significativamente. Al aumentar el tamaño de las piezas (formato) las tensiones son también mayores; esto se debe a que las juntas entre piezas actúan como elemento liberador de tensiones.

- Los formatos cuadrados de baldosas presentan tensiones más bajas que los rectangulares siendo, por tanto, preferibles en soluciones de pavimento urbano.

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8x8 12x12 16x16

Superficie de carga (cm2)

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(%) Formato 200x200

Formato 400x400

Formato 600x600

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200x200 200x400 400x400 300x600 600x600

Formato de baldosa (mm)

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(%)

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AgradecimientosEl presente estudio se ha realizado con el apoyo

de la Asociación Española de Fabricantes de Azulejos y Pavimentos Cerámicos (ASCER), en el marco del Proyecto “Promoción del mercado de la cerámica para usos urbanos”

Referencias[1] Manual de instalación en aplicaciones especiales de

recubrimientos Cerámicos. http://www.proalso.es/uploads/File/CPAS/manual cpas2 especiales web.pdf

[2] Code_Aster. Électricité de France (EDF). [on-line] [acceso 24/02/2012]. http://www.code-aster.org/V2/spip.php?rubrique4

[3] Roman Pampuch. Constitution and properties of ceramic materials. p. 200. Amsterdam: Elsevier, 1991. ISBN: 0-444-98794-0.


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