MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA LA ... / 1 MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA LA INTERPRETACIÓN DE...

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    MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA LA INTERPRETACIN DE

    LA FALLA POR FRACTURA EN ENSAYES DE TENSIN DIRECTA

    REALIZADOS EN MEZCLAS DE CONCRETO ASFLTICO.

    J. F. Prez-Landeros1, M. L. Prez-Rea2, P. Limn-Covarrubias3

    Resumen

    Este trabajo, busca el desarrollo de un modelo de elemento finito para la

    simulacin del comportamiento mecnico de una probeta de concreto asfltico

    sometida a tensin directa en un ensaye realizado en una mquina universal,

    llamado 8TD. El propsito de la modelacin es determinar las condiciones

    adecuadas de ensaye para lograr la mejor interpretacin de los resultados. Para la

    calibracin del modelo se prepararon probetas de concreto asfltico elaboradas con

    asfalto convencional las cuales fueron sometidas a estados de tensin directa bajo

    diferentes condiciones de prueba, variando la velocidad de deformacin,

    temperatura del espcimen y tamao de ranura para inducir la falla. Se considera

    que el modelo de comportamiento mecnico del concreto asfltico en la probeta

    puede cambiar de elstico a viscoelstico de acuerdo a la temperatura en el

    momento del ensaye. El anlisis de resultados de los ensayes realizados permiti

    determinar el valor de mximo esfuerzo cortante que lleva a la falla las probetas el

    cual es comparado con el mximo esfuerzo cortante determinado en los modelos.

    Mediante la interpretacin de los resultados de la modelacin y la calibracin, se

    determinaron las condiciones ms adecuadas para que el ensaye sea

    representativo y los valores obtenidos de resistencia al esfuerzo cortante en el

    momento de la falla sean ms confiables.

    PALABRAS CLAVE: Pavimento, Asfalto, Tensin, Fractura, Agrietamiento.

    1 Estudiante de la Maestra en Vas Terrestres y Movilidad. Universidad Autnoma de Quertaro. Becario

    CONACyT. Correo electrnico [email protected] 2 Profesora-Investigadora de la Divisin de Investigacin y Posgrado de la Facultad de Ingeniera. Universidad

    Autnoma de Quertaro. Correo electrnico: [email protected] 3 Investigador. Grupo Surfax. LASFALTO. Correo electrncio: [email protected]

    mailto:[email protected]
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    1. Introduccin

    En la actualidad el deterioro de los pavimentos asflticos representa uno de los

    problemas de mayor impacto en cuestin de vas terrestres, siendo los casos ms

    usuales el desgranamiento, la deformacin y el agrietamiento; en donde el ltimo

    de stos es el ms agresivo relacionndose directamente con la parte estructural

    de la carpeta asfltica. A causa de este problema pueden derivarse otros como lo

    son los hundimientos y las erosiones. El agrietamiento se presenta cuando al interior

    de la masa de concreto asfltico, los esfuerzos cortantes actuantes debido a fuerzas

    de tensin superan la resistencia al esfuerzo cortante del material.

    Hoy en da existen diversos tipos de ensayes enfocados al estudio del

    agrietamiento, los cuales miden la energa de fractura de una mezcla asfltica:

    muchos de stos muy complejos, otros con poca repetitividad y otros tantos que no

    generan un estado de tensin apropiado cuando se realizan ensayes enfocados a

    la mecnica de fractura. La dificultad para realizar ensayes de tensin directa en

    este tipo de materiales ha representado el principal obstculo para analizar

    correctamente el problema.

    El fenmeno de la fractura es una de las situaciones ms difciles del

    comportamiento de un pavimento flexible; las propiedades del material, la amplia

    gama de temperaturas, as como la reologa del material y las condiciones de carga

    a las cuales est sometido un asfalto, plantean un panorama en el cual los anlisis

    y tcnicas simples no son suficientes. Por lo tanto el enfoque bsico para abordar de

    manera comprensiva los problemas relacionados con la fractura en el mbito de los

    pavimentos flexibles es a travs de la mecnica de fractura.

    2. Anlisis de la mecnica de fractura.

    Durante mucho tiempo se han caracterizado distintas pruebas experimentales;

    como fue el ensayo Semi-Circular Bending Test (SCB) llevado a cabo por Wagoner

    et al. (2005) que describe y resalta las propiedades de la mezcla asfltica; al igual

    que la necesidad de obtener la tensin mxima antes de la fractura. Por otra parte,

    AASHTO dise una prueba diametral desarrollado por Kennedy et al. (1983), en la

    cual el objetivo primordial era determinar los desplazamientos verticales y las

    deformaciones horizontales de los especmenes que se encontraban bajo dicho

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    anlisis, los cuales presentaron ser de utilidad para muestras que suelen ser

    extradas en campo. A su vez Marsac (1992) realiz estudios ms enfocados a la

    flexin simple los cuales arrojaron conjeturas en las que los factores que llegaban a

    influenciar directamente en la fractura; eran la temperatura y las condiciones de

    carga; siendo congruentes con los resultados obtenidos por Prez et al. (2011) y

    Garca et al. (2009), si bien los resultados comprueban las tcnicas fundamentales

    para evaluar las mezclas, las validaciones de sus resultados se vean

    comprometidos con los de campo.

    Por otra parte, los estudios relacionados con la flexin simple han sido enfocados

    al anlisis de los desplazamientos longitudinales producidos por la aplicacin de

    cargas repetitivas, logrando nicamente obtener avances en el rubro de los mdulos

    de fatiga, debido a la dificultad para lograr la compatibilidad de los resultados

    esperados contra los obtenidos. Paralelamente, el estudio desarrollado por ASTM

    (referencia, ao), llamado Disk-Shaped Compact Tension Test (DC-T) es un

    modelo que caracteriza la resistencia de la mezcla asfltica bajo ambientes

    naturales; que establece trminos cuantitativos ms significantes para su

    desempeo, dejando de lado las variables de composicin del material, tratamiento

    por temperatura o fabricacin de la mezcla; adems de estar enfocado directamente

    al anlisis del efecto de la tensin pura en los especmenes.

    Una vez planteados los anlisis tericos realizados para la fractura de mezclas

    asflticas, puede decirse que algunos de ellos resultan poco viables, como le result

    a Majidzadeh et al. (1971) con la flexin apoyada debido a sus consideraciones

    operacionales, mientras que como bien sabemos, la propagacin de las fracturas

    analiza el comportamiento real de las mezclas asflticas.

    3. Metodologa

    La simulacin es una tcnica de experimentacin que busca imitar ciertos

    aspectos de la realidad; lo cual permite evaluar condiciones similares a las reales,

    pero empleando variables controladas. En este caso se emple un software

    comercial llamado ANSYSpara analizar el comportamiento mecnico del espcimen

    de pavimento flexible y su interaccin con las cargas que se le puedan aplicar.

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    Para realizar la simulacin, se deben recrear las condiciones fsicas del modelo;

    por lo que ANSYS emplea el Mtodo de Elementos Finitos (MEF), el cual permite

    la representacin de la geometra de las probetas, en particular la modelacin

    tridimensional, lo cual constituye una de las partes ms fundamentales de la

    solucin.

    La modelacin tridimensional en este sistema usualmente emplea elementos de

    punto, elementos de lnea, elementos de rea o elementos slidos; aunque stos

    se pueden llegar a entremezclar.

    La modelacin del ensayo en el software considera los siguientes aspectos:

    Comenzar con un planteamiento cercano al problema; es decir, determinar la forma bsica que tomar el modelo, secciones del elemento, as como establecer las propiedades mecnicas del material.

    Construir el modelo con las dimensiones del elemento.

    Establecer un plano de trabajo.

    Determinar el mtodo de anlisis.

    Analizar los resultados.

    ANSYS permite ciertos comandos para la generacin de geometras, aplicacin

    de cargas y restricciones, estableciendo diferentes tipos de anlisis y post-

    procesamiento.

    Una vez que hayan sido simuladas las condiciones tanto de carga, grados de

    libertad, propiedades fsicas y mecnicas de los elementos que sern sometidos a

    tensin directa, se proceder a obtener los parmetros que permitan relacionar

    directamente las condiciones tericas con las reacciones reales que puedan

    presentarse en dicho ensayo.

    Las probetas fueron realizadas de mezcla de concreto asfltico convencional en

    especmenes cilndricos y posteriormente se cortaron segn las medidas mostradas

    en la figura 1, en la cantidad necesaria para realizar tres repeticiones del diseo

    factorial contenido en la tabla 1. Los ensayes fueron realizados una mquina

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    universal marca CGTS de 10,200 kg de capacidad, la cual se instrument para

    realizar los ensayes a velocidades de deformacin controlada (ver figura 2)

    Figura 1. Fabricacin y corte de las probetas de asfalto.

    Variable Unidades Valor

    Temperatura C

    10

    20

    30

    Velocidad mm/min

    0.5

    1.0

    2.0

    Ranura cm

    1.0

    2.0

    3.0

    Tabla 1. Variables del ensayo 8TD.

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    Figura 2. Mquina Universal, adaptada para el ensayo 8TD

    Con los ensayes realizados se obtuvo suficiente informacin para analizar el

    comportamiento mecnico de todas las combinaciones y optar por la definicin de

    las condiciones ms adecuadas de ensaye de acuerdo a las primeras

    aproximaciones de