Tesis:
Evaluación de modelos de cálculo y comportamiento a flexión de paneles sándwich de madera de fabricación española
- Autor: LUENGO CUADRADO, Emilio
- Título: Evaluación de modelos de cálculo y comportamiento a flexión de paneles sándwich de madera de fabricación española
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. DE MONTES, FORESTAL Y DEL MEDIO NATURAL
- Departamentos: INGENIERIA Y GESTION FORESTAL Y AMBIENTAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/75914/
- Director/a 1º: HERMOSO PRIETO, Eva
- Director/a 2º: ARRIAGA MARTITEGUI, Francisco
- Resumen: Los paneles sándwich de madera son elementos constructivos formados por dos caras encoladas a un alma central gruesa, ligera, continua y de cierta rigidez, en los que al menos una de las caras es un producto derivado de la madera. El conjunto presenta una alta relación rigidez-peso y función múltiple.
Pese a ser un sistema con una amplia andadura su aplicación a nivel comercial como elemento portante en edificación es relativamente reciente, comenzando a ser relevante en Europa en los años 80 del siglo pasado. Por ello su normalización de producto y de cálculo es aún muy incompleta, especialmente si se compara con otros materiales o sistemas constructivos de madera más asentados.
En las guías europeas para la evaluación de este producto los ensayos mecánicos están poco definidos, y no se incluyen en muchos casos, especialmente en paneles de cerramiento, especificaciones a cumplir por los materiales o el control de calidad. También se observa que pese a existir modelos para el análisis teórico de elementos compuestos, tanto procedentes del ámbito general como del análisis de elementos de madera, su uso es muy escaso. Así mismo, no están disponibles comparaciones de los resultados de estos métodos para sándwich de madera de fabricación comercial.
Debido a la falta de información en los aspectos señalados anteriormente este trabajo busca incrementar el conocimiento disponible para la racionalización del diseño, evaluación, control y cálculo de paneles sándwich de fabricación comercial. Para ello se realiza un análisis comparado del producto a través de ensayos y modelos teóricos de predicción.
Se trata de un estudio exploratorio como via para enfocar el análisis del comportamiento del producto a flexión, para su posible confirmación posterior con trabajos más específicos y que contemplen un mayor número de muestras.
Para lograr los objetivos propuestos se estudiaron resultados de ensayos a flexión de paneles sándwich de fabricación española, sobre dos y tres apoyos, de varios lotes comerciales. Este producto presenta ciertas características específicas que hacen interesante su analisis. Se evaluaron tendencias, se estudió la regularidad de los paneles y se compararon los resultados de los ensayos biapoyados y triapoyados.
Así mismo, se realizaron ensayos específicos con el fin de valorar las propiedades mecánicas de los componentes, el efecto de los encolados, o la compresión en los apoyos en los ensayos a flexión. También se valoraron detalles de ejecución de los ensayos, como la forma de realizar la aplicación de la carga, y los resultados obtenidos fueron tenidos en consideración en los análisis.
Se compararon los ensayos a flexión con varios modelos teóricos de predicción de rigidez aparente. En paneles biapoyados se estudiaron tres métodos: uno de ámbito general basado en la teoría de vigas de Timoshenko; y dos modelos de análisis de elementos compuestos de madera, modelo de la gamma modificado, y modelo de Kreuzinger o de analogía del cortante. Así mismo en paneles triapoyados se estudió un modelo de caras delgadas que se señala en la bibliografia como referencia para paneles metálicos.
También se realizó un análisis teórico de los fenómenos de rotura. Para ello se compararon los resultados de los ensayos con el método analítico más habitual aplicado en la bibliografía, tanto para paneles biapoyados como triapoyados, obteniendo en los últimos los esfuerzos a partir del modelo usado en el estudio teórico de rigidez.
Finalmente se ha propuesto y estudiado un método de ensayo de flexión con probeta pequeña para control de calidad de los paneles, analizando su capacidad para detectar efectos asociados al encolado.
Los resultados de los ensayos de flexión sobre lotes comerciales indican que como era esperable el efecto de la deformación por cortante es muy significativo y produce diversos efectos. Por ejemplo variación en la rigidez aparente del panel con la luz, o que la reducción de la deformación en el caso de paneles triapoyados respecto a biapoyados, en la misma luz, es muy inferior a la de una viga que siguiese la teoría de Euler-Bernoulli.
Además como era esperable los resultados de carga de fallo por unidad de longitud del panel son decrecientes, no linealmente con la luz, y se observa que los fallos están muy influidos por los materiales, así como por el encolado, y la disposición de ensayo. En cuanto a la regularidad, se han observado lotes de paneles con valores de rigidez y resistencia homogéneos y ajustados a una tendencia clara, junto a otros con menor regularidad y que presentan fallos por el encolado.
El estudio experimental de efectos locales indica que en los ensayos de flexión se producen deformaciones por compresión en los apoyos, que incrementan la deformación global de los paneles. Su importancia es moderada y decrece en proporción con el aumento de la luz, siendo mayor en paneles gruesos y luces cortas.
El análisis mediante ensayos de cortante valorando el porcentaje de superficie encolada entre las caras y el alma resultó eficaz para estudiar el efecto mecánico asociado a la cobertura del encolado. Se definieron coeficientes de eficiencia mecánica que responden a modelos no lineales. Se observa que la eficiencia mecánica a cortante es mayor que la que sería proporcional a la superficie encolada.
El análisis de modelos de predicción de rigidez a flexión para paneles biapoyados muestra relativo buen acuerdo de estos con los valores experimentales en los lotes de paneles que presentan regularidad. Los modelos de la gamma y Kreuzinger sobreestiman ligeramente la rigidez, mientras que el modelo basado en la viga de Timoshenko la subestima, siendo impreciso para luces cortas en paneles de alma delgada. Por otro lado, el modelo de predicción de rigidez a flexión para paneles de caras delgadas aplicado a sándwich triapoyados no describe adecuadamente el comportamiento experimental, subestimándolo y siendo menos próximo al comportamiento de ensayo cuanto más delgada es el alma.
En el estudio teórico de los fenómenos de rotura para los ensayos biapoyados se aprecia que los modos de fallo observados y sus cargas experimentales se corresponden de forma razonable con las predicciones teóricas, salvo en luces cortas, y en estas de forma más marcada en paneles de alma delgada, y como era esperable in fallos por el encolado. Sin embargo, de nuevo la modelización realizada en paneles sobre tres apoyos, modelo de caras delgadas, no se ajusta en general a las observaciones.
El ensayo de flexión de probeta pequeña propuesto resulta adecuado para control de calidad en fábrica por su sencillez de aplicación y su sensibilidad a las características del encolado y los componentes. Complementa a los ensayos habituales de control de tracción perpendicular a las caras, en los que se observa que el uso del porcentaje de superficie encolada aporta información relevante.
Se concluye que las variabilidades relativamente altas observadas en el análisis de varios lotes combinados de paneles del mismo tipo, asociadas a la variación en componentes o encolados, implican la necesidad de una mayor definición de las especificaciones y el control de calidad del producto. Esto se refuerza al observar el peor seguimiento por algunos lotes de la tendencia marcada por los modelos.
El modelo más exacto de análisis de deformaciones en paneles biapoyados para los diferentes grosores de alma estudiados fue el modelo de Kreuzinger, que no obstante sobrestima la rigidez. Todos los modelos de predicción de rigidez estudiados son inexactos en cierta medida por no considerar el fenómeno de compresión en los apoyos, especialmente en luces cortas y medias. Por ello se propuso una corrección sobre el modelo de Kreuzinger con el fin de tener en cuenta tanto el porcentaje de superficie encolada como el efecto de compresión en los apoyos.
ABSTRACT
Wood-based sandwich panels are building elements composed of two faces bonded to a continuous, thick and lightweight core of certain stiffness, in which at least one of the faces is a wood-based product. These elements show a high stiffness-weight ratio and multiple functions.
Being a product known since long time ago its application as a commercial load-bearing element for buildings is to some extent recent, beginning to be relevant in Europe in the ‘80s of last century. For that reason its standardization as a product and in what relates to structural design is still very incomplete, especially when compared to other more stablished wood-based building products or systems.
The current European guidelines used to assess this product contain information on testing, however their detail level is low and in many cases do not include specifications for the components or the quality control. On the other hand, although theoretical models for the design of multilayered panels and beams are available, some of general use and other more specifically developed for wood-based elements, the use of such methods applied to wood-based sandwich panels is uncommon in practice. Moreover, there is a lack of compared analysis of the results of these methods applied to wood-based commercially produced sandwich panels.
Due to the lack of information in the aspects mentioned previously, this works aims to increase the available knowledge for improving the design, assessment and control of commercially manufactured wood-based sandwich panels. To achieve this a compared analysis was performed using test results and theoretical models.
The study is an exploratory analysis focused on the assessment of the bending mechanical behaviour of the product, obtaining guidance on phenomena an conclusions that could be explored and assessed more in depth in other specific studies in the future, including a higher number of samples.
In order to reach the proposed objectives bending test results, simply supported and continuous panels, of several commercial sandwich panels batches manufactured in Spain were studied. The product has some specific features that make interesting its analysis. The assessment included trend analysis, product regularity and the comparison of the results obtained on simply and three supported panel tests.
In addition specific tests were performed in order to assess the mechanical properties of the panel’s components, the adhesive bonding performance, and the presence of local compression effects at the supports’ area. Also details on the test method used, such as the load transmission method were investigated and the results were subsequently included in the analysis.
The bending tests results were compared with models for predicting the effective stiffness. Three method were assessed for simply supported sandwich panels: a general model based on the Timoshenko’s beam theory; and two models derived from timber composite elements, the gamma method and Kreuzinger’s method or shear analogy model. Also for panels on three supports a thin faces method that is referred to as one of the most used in metal-faced sandwich panels was assessed.
A theoretical analysis of the failure modes was performed comparing the test results with the most commonly used calculation method according to the main references used, for simply supported and three supported sandwich panels, obtaining in the last case the forces using the model assessed in the effective stiffness analysis.
Finally a small scale bending test for quality control of wood-based sandwich panels was proposed and studied, assessing its use as a method to evaluate the bonding performance.
The results of the bending tests performed on commercial batches of sandwich panels show that as expected the shear deformation effect is significantly high, having important effects as the variation of the effective stiffness with the span, or the fact that the deflection reduction for panels on three supports compared to simply supported panels is remarkably inferior to the one expected in beams following the usual Euler-Bernoulli theory.
Also as expected the results of the failure load per length unit of the panel decrease with the increment of the span, not linearly, and it is observed that the failures modes are very influenced by the component materials, the bonding and the test setup. Regarding product regularity, some batches of panels show an homogeneous behaviour, fitting clear trends, while other show less regularity and bonding failures.
The experimental analysis of localised load effects in the bending tests shows the existence of deformations associated with the compression loads at the supports. These increase the total deformation of the panels, being of moderate importance and decreasing in proportion to the total deflection as the span rises, resulting more important in thick cored panels in short spans.
The assessment performed using shear tests and the bonded surface percentage proved to be useful to analyse the mechanical behaviour related to the glued surface ratio. New mechanical efficiency coefficients were defined, fitting non linear models and showing that the mechanical behaviour is better than the expected if only the bonded areas of core were working.
The compared analysis of effective stiffness prediction models performed for simply supported sandwich panels reveals that the three models assessed show a reasonable good fitting to the experimental values of batches showing regularity, except the Timoshenko method for short spans and thin cored panels. The gamma and Kreuzinger methods sligthtly overstimate the stiffness, while the Timoshenko beam model understimates it. On the other hand, the model evaluated for panels on three supports is not describing properly the experimental behaviour, underestimating the stiffness, in particular its performance is worst for thin cored panels.
The theoretical study of the failure phenomena for simply supported panels shows a good agreement of the model used with the observed failures and ultimate loads, again except in short spans and whithin these specially on thin cored panels, and, as expected, in failures associated with bonding. On the other hand the method used for panels on three supports does not fit in general the experimental results.
The small specimen bending test proposed showed to be useful for factory quality control due to its simplicity of use and sensitivity to changes in the component materials and bonding. It is considered a good complementary control method in addition to the usual tensile tests, specially with the supplementary use of the glued surface percentage assessment.
As a result of the high variability rates found in the analysis of combined batches of panels of the same type, that are interpreted as due to variations in materials and bonding performance, it is concluded that a better definition of the specifications and quality control of the product is required.
The most accurate stiffness prediction theoretical model among the assessed was Kreuzinger method, although slightly overestimate the stiffness. However all these models are to some extent inaccurate as they are not considering the compression deformation detected in the supports, specially in shortmedium spans. For that reason an improvement using the Kreuzinger model as a base was proposed in order to include the effects of localised compression and the effect of the glued surface.