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Trabajos de simulación

Análisis de elementos finitos: fallo por pandeo de muros de mampostería

Ernest Bernat Masó. Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras a la Ingeniería de la Etseiat (Escuela Técnica Superior de Ingenierías Industrial y Aeronáutica) de la UPC-BarcelonaTech17/06/2013
El estudio experimental del pandeo de las paredes de mampostería es una tarea costosa y compleja. La dispersión en las propiedades de los materiales y la amplia variedad de posibilidades de refuerzo frente a este problema estructural hacen imposible realizar investigaciones experimentales sin la ayuda de la simulación numérica. Realizar análisis de elementos finitos para modelar de forma precisa las pruebas experimentales conduce a ampliar el rango de resultados y a analizar una variedad de problemas ahorrando tiempo y costes propios de las investigaciones experimentales.

La prueba experimental a ser modelada consiste en muro de mampostería sometido a compresión excéntrica en el plano y articulado por ambos extremos. Para ello, tenemos que representar las rótulas reales. Y, como algunos muros se refuerzan con textiles embebidos en morteros (TRM), también modelamos este refuerzo superficial.

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Mallado típico. Se utilizó el software de Ansys para el análisis porque es un software de simulación de alcance mundial, disponible para los profesionales que estén interesados en el modelo presentado.

El modelo se basa en una hipótesis de deformación plana. Cada fila de mampostería (incluyendo una fila de ladrillos y la correspondiente media junta de mortero en cada lado) está modelada homogéneamente como una parte que está en contacto con las de alrededor. Las rótulas reales se han simplificado con dos triángulos, uno en cada extremo de la pared, y como el análisis de las mismas queda al margen de la investigación, la geometría de las rótulas reales no es necesaria.

Por cada fila, asociamos una parte rectangular a uno de los bordes libres de las partes que representan la mampostería. Esto está pensado para representar la capa de refuerzo TRM.

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Comportamiento de contacto cuando se produce el fallo por pandeo.

Propiedades materiales

El modo de fallo debería estar asociado a la inestabilidad geométrica (pandeo), por lo que las propiedades más importantes de los materiales son aquellas relacionadas con la deformación de la pared (módulo de elasticidad) y la resistencia a flexión de las juntas, la cual determina la apertura entre las filas facilitando que se produzca el pandeo. La resistencia a la compresión no es la propiedad más significativa de este análisis.

Por estas razones, se decide modelar la mampostería y la capa de refuerzo TRM como materiales isotrópicos homogéneos. Se modela con plasticidad perfecta el comportamiento a compresión más allá de la resistencia a compresión. Puede que ésta no sea el comportamiento más realista pero es sencillo y representa la mayoría de los casos en los que la tensión máxima está lejos de la resistencia a compresión.

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Compresión equivalente cuando se produce el fallo por pandeo.

Se modela el contacto entre las filas de mampostería y entre las capas de TRM con un criterio de zona cohesiva (CZM) para representar el comportamiento a la tracción de estos dos materiales compuestos, que se fracturan al alcanzar la resistencia a tracción. Esta resistencia y la energía de fractura del primer modo son los parámetros usados para definir los contactos.

Condiciones de contorno y proceso de carga

La pared está conectada con los cuerpos que representaban las dos rótulas de sus extremos (triángulos) con contactos fijos. El triángulo inferior tiene impedidos los movimientos de traslación del vértice libre y sólo puede girar modelando la rótula inferior. Del mismo modo, el triángulo superior tiene impedido el movimiento horizontal en el vértice libre, pero el movimiento vertical está impuesto por una rampa (100 pasos), siendo la condición de carga.

Mallado

El mallado de la pared y del TRM es homogéneo y estructurado mediante elementos de cuatro lados. Se utilizan opciones automáticas de mallado, pero se fija el tamaño (después de un estudio de convergencia) en un valor máximo de 10 mm para el mallado de mampostería y de 3 mm para el de TRM.

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Fallo experimental.

Configuración del análisis

Las dos principales características del modelo son la posibilidad de desarrollar grandes deformaciones y un análisis paso a paso a través de 100 pasos, durante el cual la carga se aplica gradualmente.

La simulación calcula siempre unos pasos más allá de la máxima capacidad de carga de la pared, por lo que se puede determinar el modo de colapso sin tener que entrar en un análisis explícito.

Resultados

Se realiza la simulación de diferentes muros y se comparan con los resultados de pruebas experimentales. Todas las simulaciones dan como resultado un colapso por pandeo debido a las condiciones de contorno y a la manera en la que se define el modelo. Se comprueba que existe una clara dependencia de la excentricidad de la carga y de la esbeltez del muro. Los efectos de las imperfecciones geométricas reales se representaron detalladamente porque se utilizó la geometría real de cada muro ensayado.

Una vez validado, el modelo permitió la ampliación del rango del estudio: analizar muros con mayor esbeltez o diferentes excentricidades de carga a las de las pruebas experimentales, con distintos sistemas de refuerzo TRM, con diferentes condiciones de contorno y con diferentes tipos de mampostería.

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Comparación con los resultados experimentales.

Conclusiones

Definir detalladamente el comportamiento a tracción en mampostería y TRM es esencial para realizar la simulación de la respuesta estructural de las paredes de mampostería (reforzadas o no) correctamente sujeta a condiciones geométricas, condiciones de contorno o condiciones de carga que hacen el pandeo la principal causa de colapso.

El modelo de zona cohesiva (CZM) aplicado en los contactos que representan las juntas de mortero horizontales de la pared real, es la mejor solución para el micromodelado en el entorno de Ansys.

Los resultados obtenidos representaban fielmente las pruebas experimentales. El análisis de elementos finitos realizado permitió ampliar el rango del estudio para obtener información práctica adicional sobre la aplicación de sistemas de refuerzo TRM o de comportamiento de estructuras más complejas, más parecidas a las aplicaciones reales de la mampostería.

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