Modelo probalístico para el dimensionamiento de elementos de vidrio estructural bajo solicitación estática y dinámica

Abstract

Hasta mediados del siglo XX el uso del vidrio se limitaba esencialmente a ventanas y conjuntos acristalados. Actualmente las continuas mejoras en los procesos de fabricación y los nuevos métodos de cálculo permiten que los elementos de vidrio puedan desempeñar un papel estructural cada vez más importante. Para el dimensionamiento de estos componentes se deben cumplir criterios de integridad estructural que aseguren su buen uso. Sin embargo, algunos métodos de diseño presentan incoherencias y dan resultados poco realistas. Asimismo, no existe uniformidad en los resultados de diferentes modelos y se han expresado dudas sobre la idoneidad de los métodos habituales de diseño del vidrio. Dado que el comportamiento frágil del vidrio implica una gran dispersión en los resultados de ensayos a rotura, debida principalmente a la inevitable presencia de microfisuras superficiales (defectos de borde y en las caras) es necesario el uso de criterios de fallo apropiados de tipo probabilístico, en lugar de la utilización de criterios más clásicos de tipo determinista. En varios casos los modelos probabilistas usados por la comunidad científica internacional realizan sus ajustes estadísticos en base a un valor máximo y local del criterio de fallo, obviando su distribución en el conjunto de la probeta ensayada. Esto, a efectos estadísticos, supone atribuir ese valor máximo a todo el elemento estudiado, sin tener en cuenta que puedan existir zonas con una probabilidad de fallo menor. En esta tesis doctoral se aplica el modelo probabilístico denominado Modelo Local Generalizado (GLM) que, a partir de la definición de un criterio de fallo y la consideración de un parámetro generalizado (GP) adecuados, predice satisfactoriamente la probabilidad de fallo de un componente. Utilizando funciones de distribución triparamétricas de Weibull, este análisis comprende la derivación de la función de distribución primaria de fallo (PFCDF) a partir de la función de distribución experimental de fallo (EFCDF). La PFCDF se considera una propiedad del material, independientemente del tamaño y geometría de las probetas, así como del tipo de ensayo y solicitación aplicada. La distribución del parámetro generalizado (GP) considerado se determina mediante el cálculo por elementos del elemento estructural de vidrio en estudio. Con el fin de analizar y validar el modelo probabilístico se planificó un amplio programa experimental con probetas de vidrio de diferentes dimensiones bajo distintos tipos de solicitación. Por otra parte, se desarrollaron modelos numéricos (MEF) representativos de cada tipo de ensayo, eligiendo el parámetro generalizado para el cálculo de las probabilidades y predicciones de fallo del estado tensional obtenido. El programa experimental de la tesis consiste en varias campañas de ensayos. En primer lugar, con el fin de comparar las características mecánicas de distintos tipos de vidrios, se realizaron ensayos de flexión a cuatro puntos y de anillos concéntricos dobles de pequeña superficie de solicitación con probetas de vidrio templado, termoendurecido y recocido. En segundo lugar, para estudiar el efecto de escala y tipo de solicitación, se llevaron a cabo ensayos de flexión a cuatro puntos y de anillos concéntricos con probetas de vidrio recocido de pequeñas y grandes dimensiones. En tercer lugar, para analizar la influencia de la orientación de los defectos superficiales, se ensayaron bajo flexión a cuatro puntos probetas pequeñas de vidrio recocido cortadas a distintos ángulos respecto a la dirección de laminación. Por último, en cuarto lugar, se estudió el comportamiento de placas de vidrio templado bajo solicitación dinámica con ensayos de impacto blando y técnicas de análisis modal operacional.