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COMPORTAMIENTO DE PANELES ESTRUCTURALES PARA CUBIERTAS CARACTERIZADO MEDIANTE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Héctor Javier Guzmán Olguín1, Octavio García Domínguez2 y Miguel Ángel Zúñiga Bravo3

RESUMEN En este artículo se presentan los resultados un estudio experimental para la evaluación del comportamiento y capacidad de carga de una serie de paneles estructurales utilizados como muros y cubiertas, basado en la norma ASTM-E-72-05 para pruebas a flexión de paneles para la construcción. Las pruebas se monitorearon en fuerza y desplazamiento utilizando el Sistema de Adquisición de Datos desarrollado en el Laboratorio de Materiales de la Facultad de Ingeniería, UNAM. Se presentan tablas y gráficas de resultados, que se comparan con los límites admisibles de la reglamentación vigente y se emiten las recomendaciones y comentarios para su uso eficiente.

ABSTRACT An experimental study for the assessment of the behaviour and load-carrying capacity of a series of structural panels used as walls and covers, based on the standard ASTM-E-72-05 for bendingtests of panels for building, are presented in this article. The tests were monitored on force and displacement using the system of data acquisition (SAD) developed in the Materials Laboratory of the Faculty of Engineering, UNAM. Tables and graphs of resultsare presentedand are compared to the allowable limits of the regulations. Recommendations and comments for its efficient use are issued.

INTRODUCCIÓN

Actualmente la industria de la construcción requiere del uso de productos y sistemas novedosos que le permitan incrementar su competitividad y eficiencia, disminuyendo los tiempos y costos de ejecución, sin afectar la calidad de las obras. Uno de los productos que ha tenido un auge importante y que ha contribuido a alcanzar los objetivos antes mencionados han sido los Paneles Estructurales; cuya evolución en sus características físicas y mecánicas ha favorecido su empleo no solo como elementos arquitectónicos, sino también como elementos estructurales en muros, entrepisos y cubiertas. Entre las principales ventajas de estos elementos se tienen las siguientes:

La calidad y durabilidad de las superficies exteriores. La precisión y velocidad de montaje. La ligereza de los materiales que lo forman. Apariencia continua de los elementos estructurales. Flexibilidad en el uso: estructural o no estructural, aplicables en zonas sísmicas Adaptabilidad a las necesidades de la obra: delimitación de propiedad, poco espacio de excavación, espacios

reducidos para maniobrar. Reducción en el uso de mano de obra y de materiales. Acorde con el medio ambiente: reducción de ruido, de residuos de obra, etc. Seguridad: elementos prefabricados con accesorios para elevación adecuados para garantizar un manejo

seguro y eficiente, ya sea en fábrica, en el proceso de carga, descarga o montaje en obra; Disminución de efectos térmicos: si se utilizan paneles de aislamiento térmico y uniones de fibra de vidrio

sin conductividad térmica es posible conseguir espacios con un confort térmico elevado. El Laboratorio de Materiales es una instalación del Departamento de Estructuras de la División de Ingenierías Civil y Geomática de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, que regularmente ha contribuido al estudio del comportamiento

XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014

mecánico de este tipo de productos, a solicitud de numerosas empresas vinculadas a la industria de la construcción. Para ello el Laboratorio cuenta con equipos que permiten la realización controlada de pruebas sobre elementos o sistemas estructurales diversos, sometidos a solicitaciones de carga estáticas y/o dinámicas mediante el uso de actuadores de gran capacidad y sensores de alta precisión. Entre estos equipos destacan las máquinas universales INSTRON y AMSLER, este último con un marco de carga que ofrece flexibilidad para el diseño e implementación de diversos tipos de ensayes. En este trabajo se presenta el estudio del comportamiento mecánico de paneles estructurales para la construcción sometidos a flexión, de acuerdo con lo establecido en la norma ASTM-E-72-05. Los paneles estudiados, denominados GLAMET® G3 y GLAMET® G4, fueron instrumentados utilizando sensores, uno para desplazamientos, ubicado en el centro del claro y otro para sensar los incrementos de carga aplicados durante las pruebas, controlados mediante un Sistema de Adquisición de Datos (SAD) desarrollado en el Laboratorio de Materiales de la Facultad de Ingeniería, UNAM, como parte del trabajo de tesis de uno de los coautores de este artículo. Los resultados obtenidos se presentan concentrados en tablas y gráficas, donde se indican los parámetros principales, entre los que se encuentran la capacidad de carga y la deflexión máxima, que determinan su comportamiento y que se recomiendan con fines de diseño.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Los sistemas de adquisición de datos (SAD) están formados por un conjunto de elementos de hardware y software que permiten medir y registrar señales obtenidas a partir de la medición directa de cantidades eléctricas que pueden incluir voltajes de CD y CA, frecuencia o resistencia o bien señales que se originan a partir de transductores como galgas extensiométricas, LVDT´s y temporales, entre otros. Sus aplicaciones son amplias, sin embargo, en el área de la experimentación de materiales, permite monitorear el comportamiento, en tiempo real, de pruebas o ensayes de laboratorio de elementos o sistemas sometidos a diversas solicitaciones. El SAD desarrollado en el Laboratorio de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, tuvo como propósito sustituir la instrumentación tradicional con dispositivos analógicos y digitales de trabajo independiente por una que articulara diversos sensores en un solo sistema que permitiera el control de los dispositivos y el registro preciso de la información derivada de ensayes. El SAD estuvo integrado por una serie de tarjetas de acondicionamiento y de adquisición de datos, controladas por un instrumento virtual desarrollado en ambiente LabView. En la fig. 1, se muestra una pantalla del panel frontal de ejecución de pruebas del SAD desarrollado, el cual se puede consultar con mayor detalle en ( Guzmán H, 2011).

Figura 1. Panel frontal de ejecución de pruebas del SAD.


DESCRIPCIÓN DE LOS PANELES.

A continuación se presentan las características de los paneles estructurales estudiados:

GLAMET® G3 es un panel conformado por dos revestimientos en lámina de acero galvanizado prepintado unidos entre ellos por una capa de aislante de poliuretano con espesor s = 50.8 mm (2”), que contiene 3 crestas/metro.

GLAMET® G4 es un panel conformado por dos revestimientos en lámina de acero galvanizado prepintado unidos entre ellos por una capa de aislante de poliuretano con espesor s = 50.8 mm (2”), que contiene 4 crestas/metro, figura 2.

En ambos casos la longitud de los paneles a ensayar fue de 4 m, aunque la longitud efectiva entre apoyos fue de 3.85 m.

Figura 2. Corte transversal del panel GLAMET® G4.

CARACTERÍSTICAS GENERALES. Las características físicas y especificaciones técnicas que poseen los materiales que constituyen los paneles estructurales son las siguientes: Lado exterior e interior (Acero)

Láminas de acero al carbono galvanizado por el proceso de inmersión en caliente según Normas ASTM A525, A653 y A755/A755M.

Acero: Fe E280 de la norma EN 10147 (según ASTM A755/A755M Gr. D). Espesores nominales: 0.4mm, 0.5mm y 0.6 mm, Calibres 28, 26, y 24 respectivamente. Límite de Fluencia: ≥ 254.97 MPa (2600 Kgf/cm2). Resistencia a la Tensión: ≥ 35.85 MPa5(2000 psi). Recubrimiento de Zinc: 1.76 N/m² (0.60 Oz/ft²) Alargamiento de Rotura: ≥ 16%. Limite elástico: ≥ 279.93 (40600 psi). Resistencia al Impacto: ≥ 19263 N/m (110 lbf/in). Propiedades químicas: Acero comercial CS Tipo B. Carbono 0.15%, Magnesio 0.60%, Cobre 0.25%, Níquel 0.20%, y Cromo 0.15%. Galvanizado: El recubrimiento de Zinc es por el proceso de inmersión en caliente para obtener un

galvanizado conforme con la Norma A525.


La lámina es obtenida de la elaboración de rollos de acero prepintado con sistema Metcolor® (según la norma UN-EN 10147), en los sistemas de pintado estándar, súper o PVF2.

El poliuretano

Densidad empacada: 40 ±2 kg/m³ (ASTM D1622) Porcentaje celda cerrada: ≥90% (ASTM D2856) Resistencia a la compresión al 10%: ≥ 0.11 MPa (1.12 kgf/cm²) (ASTM D1621) Resistencia a la tracción: ≥ 0.173 MPa (1.76 kgf/cm²) (ASTM D1623) Absorción de agua: ≤ 1.44 Pa (0.03 lb/ft²). Promedio de transmisión de agua: 2 perms (ASTM E1646) Reacción al fuego: Clase estándar. Coeficiente de conductividad térmica (λ) de 0.018 W/m°C con una tolerancia de ±0.002 a una temperatura

de 24°C que equivale a 0.125 btu x in/h.ft² según normas ASTM C518 y ASTM C1363. Agente expandente 141B, aprobado para su uso hasta el 2040 según el protocolo de Montreal. Estabilidad dimensional: ASTM D2126 En condiciones de temperatura a -28°C.

-0.9% Vol. (máximo) a los 3 días -0.8% Vol. (máximo) a los 14 días

En condiciones de temperatura a 70°C y HR 97%. +2.6% Vol. (máximo) a los 3 días +4.6% Vol. (máximo) a los 14 días

Temperaturas de servicio: Mínima – 40ºC y Máxima + 80ºC

DESARROLLO DE LOS ENSAYES Las pruebas se realizaron de acuerdo con la norma ASTM-E-72-05, cuyos requerimientos para la aplicación de la carga se ilustran en la figura 3. El diseño del ensaye se implementó en el marco de carga del equipo AMSLER, con capacidad máxima de 490.3 kN (50 toneladas), como se ilustra en la figura 3. Como se puede observar, la carga se aplicó a través de barras rígidas localizadas a los cuartos del claro, condición que permite que el medio central se encuentre exclusivamente sometido a momento flexionante.

Figura 3. Requerimiento detallado para aplicación de las cargas de acuerdo a la Norma ASTM-E-72-05.


Figura 4. Implementación de las pruebas de acuerdo con la norma ASTM-E-72-05. Los apoyos fueron fabricados especialmente para lograr una condición de viga simplemente apoyada, ver figura 5.

Figura 5.- Apoyos articulados móvil y fijo utilizados en los ensayes.

La instrumentación del ensaye para monitorear el comportamiento de los paneles se realizó con un dispositivo LVDT ubicado en el centro del claro, figura 6, mismo que permitió conocer la deflexión máxima registrada en los paneles. La magnitud de la fuerza aplicada por los actuadores fue registrada por medio de una celda de presión. Ambos dispositivos fueron controlados y monitoreados, en tiempo real, mediante el SAD.


Figura 6. Dispositivo LVDT para medir la deflexión al centro del claro.

RESULTADOS DE LOS ENSAYES. En la tabla 1 se proporcionan los resultados de capacidad de carga y deflexión obtenidos en los ensayes para ambos tipos de especímenes. En esta tabla se calculan dos deflexiones, la primera correspondiente al peso propio del dispositivo de carga (543.9 N) y peso propio del espécimen; la segunda corresponde a la carga aplicada por el equipo AMSLER. Es importante observar que los resultados presentados en la tabla 1 incluyen:

La carga y deflexión máximas El momento máximo asociado La carga lineal equivalente La carga asociada a la deflexión permisible de acuerdo con el RCDF (L/240 = 16 mm).

Tabla 1. Resultado de los ensayes

En las figuras 7 a 12 se presentan los resultados obtenidos para tres muestras de cada uno de los dos tipos de paneles estudiados. Como se puede observar, el comportamiento experimentado por los especímenes desarrolló una variación aproximadamente lineal hasta la falla.

Deflexión 1 Deflexión 2Deflexión

total

mm mm mm kN ( kgf ) kN ( kgf ) kN ( kgf ) kN-m ( Kgf-cm ) kN/m ( Kgf/m ) kN/m ( Kgf/m )4.00 73.45 77.45 7.46 ( 760.82 ) 0.35 ( 36.00 ) 8.36 ( 852.3 ) 4.02 ( 41015.50 ) 2.17 ( 221.40 ) 0.40 ( 41.00 )

GLAMET 4G 4.00 81.64 85.64 6.95 ( 708.34 ) 0.35 ( 36.15 ) 7.85 ( 799.9 ) 3.78 ( 38497.10 ) 2.04 ( 207.80 ) 0.66 ( 67.00 )4.00 73.56 77.56 6.12 ( 624.04 ) 0.36 ( 36.20 ) 7.02 ( 715.7 ) 3.38 ( 34442.60 ) 1.82 ( 185.90 ) 0.53 ( 54.00 )

PROMEDIO 4.00 76.22 80.22 6.84 ( 697.73 ) 0.35 ( 36.12 ) 7.74 ( 789.3 ) 3.73 ( 37985.06 ) 2.01 ( 205.01 ) 0.53 ( 54.00 )4.00 81.70 85.70 5.72 ( 583.00 ) 0.29 ( 29.90 ) 6.56 ( 668.4 ) 3.16 ( 32164.30 ) 1.70 ( 173.60 ) 0.35 ( 36.00 )

GLAMET 3G 4.00 83.00 87.00 5.63 ( 574.00 ) 0.29 ( 29.85 ) 6.47 ( 659.3 ) 3.11 ( 31728.80 ) 1.68 ( 171.20 ) 0.33 ( 34.00 )4.00 93.00 97.00 6.35 ( 647.00 ) 0.29 ( 30.05 ) 7.19 ( 733.4 ) 3.46 ( 35296.30 ) 1.87 ( 190.50 ) 0.28 ( 29.00 )

PROMEDIO 4.00 85.90 89.90 5.90 ( 601.64 ) 0.29 ( 29.93 ) 6.74 ( 687 ) 3.24 ( 33063.16 ) 1.75 ( 178.45 ) 0.32 ( 33.00 )

Carga w asociada a L/240

Carga aplicada Peso propio Carga máxima Momento máximo Carga w equivalente


Es de interés mencionar que el mecanismo de falla ocurrido en todos los especímenes fue por pandeo local de la lámina superior en la vecindad de la aplicación de la carga. En las figuras presentadas se omite la parte descendente de la curva por efecto de la falla.

Figura 7. Gráfica G3-1.








CONCLUSIONES Y COMENTARIOS De la revisión de los resultados presentados en la tabla 1, puede observarse que el panel tipo GLAMET® G4 presentó una mayor capacidad de carga (7.74 kN) y exhibe un mejor comportamiento estructural en función de la deformación máxima experimentada (80.22 mm), lo cual corresponde a un 15% de incremento en fuerza y 12% de disminución en desplazamiento, respecto al panel tipo GLAMET® G3. Estos valores se atribuyen al incremento de rigidez a flexión que proporciona la existencia de una cuarta cresta en la sección del panel. Con base en las curvas de comportamiento que resultaron de los ensayes se puede observar que existe una linealidad razonable entre la carga y la deformación.


Dado que la carga máxima registrada en la curva de comportamiento es la que produce la falla por pandeo en la lámina, es posible estimar con razonable precisión la carga aplicada en los paneles para diferentes longitudes de apoyo, la cual debe estar asociada al mismo valor de momento que causó dicha falla. Para los paneles ensayados, el valor promedio de carga máxima para condiciones de servicio fue de 0.53 kN/ m2 (54 kgf/m2) para un claro de 3.85 m en el panel tipo GLAMET® G4. Para condiciones de diseño se recomienda utilizar lo establecido en la normatividad ASD o LRFD. La información adquirida por el SAD permite ampliar bondades en su manejo, ya que se registran simultáneamente parámetros de fuerza, desplazamiento y tiempo durante la prueba, lo que permite realizar cálculos versátiles de mucha utilidad para la investigación. Con base en la capacidad de carga obtenida, se puede comentar que el potencial de este tipo de elementos estructurales es importante y combinado con la facilidad constructiva, su empleo resulta atractivo en la industria de la construcción. Sin embargo no hay que olvidar que en este tipo de sistemas prefabricados, las conexiones suelen ser un aspecto crítico, el cual se debe revisar con profundidad.

REFERENCIAS

American Society for Testing and Materials, ASTM E-72-05 (2005), “Standard test methods of conducting strength tests of panels for building”, 11 pp. Departamento del Distrito Federal, (2004) “Reglamento de Construcciones del Distrito Federal” Gaceta Oficial del Departamento del Distrito Federal, México, D.F. Gere J.M. y Timoshenko S.P. (1986), “Mecánica de materiales”, 2ª Ed. Grupo Editorial Iberoamérica, 825 pp. Guzmán O.H. (2011), “Desarrollo de un sistema de adquisición de datos para control de pruebas instrumentadas de laboratorio”, Tesis de Maestría, Secretaría de Posgrado e Investigación, Facultad de Ingeniería, UNAM. 102 pp. Laboratorio de Materiales, F.I., UNAM, (2014) “Estudio de comportamiento en flexión de paneles Glamet 4G y 3G, con alma de poliuretano expandido de acuerdo con la norma ASTM E-72-05, para la empresa METECNO S.A. de C.V.”, Reporte de estudio técnico, Facultad de Ingeniería, UNAM, 14 pp. Popov E.P. y Balan T.A. (1999), “Mecánica de sólidos”, 2ª Ed. Pearson Educación, 864 pp.

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