La utilización de elementos constructivos compuestos, combinando distintos materiales con características complementarias, se ha extendido cada vez más. Los paneles sándwich, compuestos por capas externas de metal que les aporta resistencia y núcleo de espuma aislante térmica, que proporciona cualidades que mejoran el confort térmico en el interior de todo tipo de construcciones, se utilizan en cerramientos y cubiertas que conforman la envolvente de los edificios. De los distintos controles de calidad a que se han de someter, en este artículo se propone una mejora al indicado en las normas para la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante, consiguiendo evitar muchos resultados anómalos obtenidos por la utilización de placas rígidas en los apoyos. Finalmente, tanto el problema observado como la solución propuesta, se modelizan y simulan mediante el método de elementos finitos.
The use of the composite construction elements combining different materials with complementary characteristics, it has spread increasingly. The sandwich panels composed by external metallic sheets that they contributes resistance and core of rigid insulating thermal foam, that provides qualities that improve the thermal comfort inside all kinds of constructions. They are in use in closings and covers that shape the surrounding one of the buildings. Of the different quality controls to which they have to surrender. In this article one proposes an improvement to the indicated one in the procedure for the determination of the resistance to the shear strength, Managing to avoid many anomalous results obtained by the utilization of rigid plates in the supports. Finally, so much the problem observed as the proposed solution, they are modeled and simulate by means of the method of finite elements.
La utilización de paneles tipo sándwich se ha extendido en las últimas décadas, aumentando sus aplicaciones. Por ello, los fabricantes han optado por certificar sus productos, induciendo mejoras y actualizaciones en la normativa que controla los mismos. Este tipo de paneles se puede fabricar con diversas combinaciones de materiales en las capas externas y el núcleo, pero nos vamos a referir a los más extendidos y que adoptan la denominación que da título a esta aportación. En general están compuestos por dos finas capas exteriores de metal que aportan resistencia mecánica y un núcleo de distintos espesores, en función de su uso, muy superiores a los de las chapas metálicas (
La fabricación de los paneles sándwich ha estado regulada desde sus comienzos, en 1990 la
A partir de la
En el caso de los paneles sándwich sus investigaciones fueron aprovechadas por entidades surgidas mucho después, como la EOTA (European Organisation for Technical Approvals) para la redacción de la Guía DITE 016 parte
Con la aparición del Reglamento de Productos de Construcción (305/2011, de 9 de marzo), cuya entrada en vigor se ha producido, de forma efectiva, a partir del 1 de julio de 2013, se ha derogado la Directiva de Productos de Construcción DPC (89/106/CEE). Por lo que a partir de este momento se han de adaptar las normas armonizadas, como la que nos ocupa, al nuevo Reglamento en sus referencias a la anterior Directiva.
Este cambio afecta al marcado CE y es necesaria una cierta adaptación al nuevo Reglamento, pero éste no es el objeto actual del presente trabajo.
La caracterización de los paneles autoportantes se ha venido realizando según lo indicado en la
A pesar de que la literatura no es muy extensa, algunos autores han estudiado el comportamiento mecánico de los paneles sándwich, en algunos casos han apuntado el problema con los apoyos aunque no profundizan en sus causas como, por ejemplo, autores estudiosos como Oliver Raabe
De la experiencia de los múltiples ensayos realizados en el Laboratorio de Instalaciones del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja se observan los problemas que surgen en la realización de cada uno de los ensayos indicados en las normas. Uno de los ensayos a realizar más significativos es el Ensayo de Resistencia a esfuerzo cortante sobre el material del núcleo, indicado en el apartado A.3 de la norma UNE-EN 14509:2014. El citado ensayo plantea unos problemas al clavarse las chapas metálicas indicadas por la norma para el reparto de las cargas, provocando el colapso de las chapas de los paneles e impidiendo alcanzar la rotura por cortante deseada.
En este artículo se indica una solución adoptada que minimiza el citado problema, así como la modelización por el método de elementos finitos tanto del problema como de la solución.
Para el cumplimiento del objetivo se hace necesaria la realización de ensayos adecuados que reproduzcan el comportamiento de los citados elementos instalados en su ubicación definitiva. Para ello se realizan diferentes ensayos relativos a los propios materiales y ensayos funcionales relativos a la respuesta de los paneles ya conformados.
En este caso para el objeto de este trabajo reproducimos el Ensayo de Resistencia a esfuerzo cortante sobre el material del núcleo, indicado en el apartado A.3 de la norma UNE-EN 14509:2014.
En este trabajo se tratan los paneles con núcleo de espuma rígida PUR o PIR ya que son los más utilizados y las características de ambos son muy similares
En esta norma la resistencia a la cizalladura se define como el cociente entre la carga de rotura aplicada y dos veces la sección de la probeta ensayada. El módulo de elasticidad a la cizalladura es el determinado a partir de la flexión de la probeta de ensayo medida en la zona ideal de carga, sin precisar el procedimiento de cálculo.
Máquina de compresión: Se utiliza la máquina universal de ensayos de tracción-compresión.
Accesorios: Un perfil rígido para el reparto de la carga en dos puntos. Cuatro rodillos rígidos de 30 mm de diámetro, dos para los apoyos del perfil rígido de reparto de la carga y dos para el apoyo de la probeta. Cuatro placas rígidas de la anchura de la probeta por una longitud de Ls = 60 a 100 mm con un espesor de 8 a 12 mm para interponer entre los rodillos y los cuatro contactos con el panel. Las dimensiones de las mismas se elegirán para evitar el posible aplastamiento local. Si con cualquiera de las combinaciones de dimensiones de las placas rígidas se continúa produciendo el aplastamiento, se sustituyen por otras formadas por varias finas placas de acero templado que se adaptan a la curvatura del panel deformado y evitan así al empotramiento de los bordes de las placas rígidas.
Las probetas tienen el espesor del producto acabado, incluyendo sus capas de cobertura y revestimiento de las mismas: la anchura de la probeta
Las probetas se cortan de las muestras, en dirección longitudinal del panel, con una sierra de cinta con hoja de 32 dientes por pulgada, de forma que sus caras cumplan con unas tolerancias de paralelismo y planeidad entre ellas inferior al 0,5 % del lado de la probeta, con un máximo de 0,5 mm.
El número de probetas de ensayo fue de seis. Antes del ensayo las probetas permanecieron al menos 24 horas en el ambiente del laboratorio a una temperatura de 23 ± 2º C y una humedad relativa del 50 ± 5
Las probetas se centran entre los rodillos y apoyos de la máquina de compresión. Se apoya sobre dos rodillos rígidos e indeformables, uno de ellos horizontal fijo y el otro basculante para poder acoplarse a la probeta en el caso de que estuviera afectada de un posible alabeo y así evitar un apoyo parcial sobre una parte de la probeta.
Entre la probeta y los rodillos, tanto de apoyo como de carga, se interponen las placas indicadas en el apartado 2.1.1.
La separación entre apoyos es de una distancia L, en principio igual a 1.000 mm. Esta distancia se podrá ir reduciendo, en el caso de que la rotura no se produjera por cortante, hasta conseguirlo.
Sobre la probeta, centrados sobre su eje longitudinal y separados una distancia de 1/3 de
El perfil está fijado al plato superior de la máquina de compresión y se calibra la máquina a cero de fuerza, teniendo en cuenta el peso de los posibles elementos auxiliares en el caso de que se apoyaran sobre la probeta (
En la zona inferior de la probeta, en el centro entre apoyos, se fija el captador de desplazamiento, en este caso del tipo denominado «de hilo».
La velocidad de avance de la máquina es del 10 % del espesor ± 25 % mm/min. Se registra la curva de fuerza/desplazamiento, obteniéndose la resistencia a la cizalladura
Donde:
Δ
La fórmula para el cálculo del módulo de elasticidad a la cizalladura
Donde:
Δ
Hay multitud de ensayos adicionales a los expresados en el apartado anterior que ayudan a definir de una forma más precisa aportando parámetros de indudable importancia. No obstante, en este trabajo no se pretende realizar un informe experimental exhaustivo de todos ellos, pero sí los que pueden afectar más directamente a la resistencia mecánica y que se pueden ver afectados por sus métodos de obtención. En la
En la
Todas las roturas excepto las de las probetas 2 y 5 del panel se han producido por colapso de la chapa de cobertura superior.
Al realizar el ensayo es necesario que la rotura se produzca por cortante (
La tensión de arrugamiento
Puesto que los espesores de chapa de los paneles suelen ser los mismos para todos los espesores de panel, el aumento de la fuerza de ensayo contribuye a que se claven los bordes de las placas de apoyo más fácilmente, por lo que se hace imprescindible estudiar los apoyos y ver la forma en la que la fuerza se transmita en toda la superficie de las placas de apoyo y evitar que se canalice de forma puntual a una arista, esto nos proporcionará la posibilidad de que la fuerza de ensayo aumente más y pueda alcanzar la resistencia a esfuerzo cortante del panel que deseamos determinar.
El problema que se produce es el siguiente: al aplicar la carga, a medida que aumenta la carga, el panel se curva, pero la placa de reparto de la carga no, por lo que la fuerza que al principio se repartía a lo largo de la longitud de la placa, ahora se concentra de forma estrictamente puntual en los dos bordes de la placa provocando el colapso de la chapa del panel por clavado de la placa.
Cuanto mayor es el espesor de la probeta, mayor es la fuerza necesaria para provocar la rotura a cortante, y a su vez mayor es el riesgo de que la chapa de cobertura del panel colapse, debido a que se supera la tensión de arrugamiento de la misma.
Por lo tanto, un simple ensayo de carga en 4 puntos destinado a realizar una rotura por cortante se ve afectada por una serie de circunstancias imputables al propio ensayo, recordándonos en cierta forma el principio de indeterminación de Heisenberg, en el que el procedimiento de medida afectaba a la propia medida. Esto impide que se pueda determinar la resistencia a cortante real del panel, ya que es necesario ensayar una gran cantidad de probetas hasta conseguir alguna rotura fiable. En la
Se trata de desarrollar un sistema de ensayo en el que la placa de apoyo y reparto de la carga sea lo suficientemente rígida como para repartir la carga uniformemente, pero lo suficientemente flexible como para acoplarse a la curvatura del panel sin afectar a la misma.
El proceso que se produce actualmente es el siguiente que se muestra en la
Por lo tanto, es necesario desarrollar un sistema de apoyo flexible, como se muestra en la
En este punto se propone construir un apoyo de las mismas dimensiones con chapas de pequeño espesor, pero de acero templado, que tengan un elevado límite elástico para que se curve debido al pequeño espesor de cada una de ellas de forma que actúe a modo de ballesta, acoplándose a la curvatura del panel, pero sin punzonarse, permitiendo así el libre giro de la barra cilíndrica sobre la que se aplica la carga. Las chapas han de estar independientes para que permitan el movimiento entre ellas, a lo sumo para evitar deslizamientos incontrolados y poder ubicarlas de forma prismática se puede colocar un papel con leve adherencia a doble cara entre ellas que permite mantenerlas unidas, pero que no aporta resistencia mecánica que evite el deslizamiento entre ellas.
En la
En la
En la
A partir de aquí es necesario un trabajo de investigación contrastado experimentalmente comparando la tensión de arrugamiento de la chapa del panel con los resultados de la resistencia a esfuerzo cortante del mismo para ver las limitaciones del ensayo en lo referente a los espesores máximos de panel susceptibles de poder ser ensayados.
Una de las posibilidades de estudio es la realización de simulaciones por elementos finitos.
A la vista de los problemas detectados experimentalmente, y en concreto con los detectados en los apoyos, se ha optado por tratar de simular el ensayo y ver si es posible modelizarlo evitando así la realización de numerosos ensayos adicionales, realizando tan sólo los de comprobación con el modelo.
Esta simulación se ha realizado con el paquete de
Para tener en cuenta el efecto del apoyo se han realizado otros cálculos con chapas múltiples e independientes, hasta completar el mismo espesor de 8 mm, en las siguientes cantidades y espesores: 3 de 0,5 × 60 × 100 mm, más 3 de 0,5 × 55 × 100 mm, más 3 de 0,5 × 50 × 100 mm, más 3 de 0,5 × 45 × 100 mm y 4 de 0,5 × 40 × 100 mm.
Los valores de cargas y deformaciones simulados se comparan con los obtenidos en los experimentos:
El movimiento se provoca mediante un desplazamiento del apoyo de la carga hasta conseguir la flecha provocada por la misma, ambos parámetros se han obtenido de los ensayos experimentales.
En la
En la
Esta situación es en la que ya se habría producido dicha rotura, ya que la zona más rojiza de la espuma tiene valores superiores a los 0,15 MPa a los que se produce la rotura real.
En las imágenes de la
En las imágenes de la
En estos cálculos se alcanza una carga mayor, lo que permite distinguir las zonas de mayor tensión de la espuma. Se observa que la tensión de la espuma del panel ha aumentado en la zona de cortante hasta valores próximos a los 0,24 MPa; si recordamos que su rotura real ha sido de 0,15 MPa, esta situación está forzada ya que la rotura ya se habría producido.
Todas las distribuciones de tensión en la probeta, tanto en las chapas de cobertura del panel como en la espuma del núcleo, reproducen con bastante aproximación la situación real realizada en los ensayos experimentales, como puede observarse comparando ambas imágenes de la
A la vista del estudio realizado y de los resultados obtenidos se puede concluir que:
La caracterización de este tipo de paneles sándwich compuesto por la unión de varios materiales comporta algunos problemas en la determinación de ciertos parámetros que definen sus características funcionales.
Los ensayos fijados por las normas de aplicación son adecuados, pero han de observarse ciertos detalles que pueden afectar a los resultados:
Resistencia a esfuerzo cortante: El tipo de placas de reparto de la carga y el de apoyos ha de optimizarse para evitar el colapso de las capas de cobertura del panel La solución propuesta de sustituir el apoyo rígido de una chapa por otro con varias, lo evita.
En el presente trabajo se han realizado una serie de simulaciones por elementos finitos. Se ha demostrado que estas simulaciones reproducen en gran medida los ensayos experimentales y suponen una gran ayuda en la caracterización, si bien es necesario contrastar las mismas con pruebas reales.
A la vista de los resultados obtenidos se demuestra la necesidad de importantes trabajos de investigación tanto para el desarrollo de modelos más exactos como para la definición de procedimientos de medida más adecuados.
En cuanto a los ensayos experimentales en un futuro próximo se hace necesario el optimizar las condiciones de los ensayos y su análisis.
Mejorar el sistema de apoyo con chapas múltiples (cantidad, tipo de acero, etc.).
En las simulaciones se abre un capítulo muy interesante con un gran trabajo por hacer hasta conseguir reproducir lo más exactamente posible todos los procesos que ocurren en los ensayos:
En concreto definir en el modelo las zonas «frontera» de contacto entre los materiales.
Definir exactamente en el modelo las secciones perfiladas de las capas de cobertura del panel.
Finalmente y abundando en el campo de la simulación, existen una serie de ensayos de largo plazo, sobre probetas y panel completo, en los que se ha de someter a carga constante a los mismos durante tiempos prolongados, hasta alcanzar deformaciones límite e incluso hasta llegar a rotura, por lo que la simulación de este tipo de pruebas ahorraría mucho tiempo y podrían realizarse cambiando las condiciones de contorno sin necesidad de esperar meses hasta obtener resultados.
Riesgos técnicos:
El mayor riesgo técnico identificado radica en la dificultad de realizar correctamente la definición del modelo teórico para la adecuada interpretación por
Para minimizar este riesgo se deberán realizar diferentes modelos teóricos y contrastarlos inicialmente con ensayos reales.