IM REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA CON LAMINA DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) RECICLADO MAURICIO SERRANO TORRES

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REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA CON LAMINA DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) RECICLADO

MAURICIO SERRANO TORRES

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA D.C.

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REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA CON LAMINA DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) RECICLADO

MAURICIO SERRANO TORRES

Trabajo de grado presentado como

Requisito para optar al titulo de Ingeniero Mecánico

Asesor: JORGE ALBERTO MEDINA Ingeniero Mecánico, Dr. Ing. Ind.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA D.C.

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CONTENIDO Pág. Introducción 1 1 Objetivos 2 1.1 Objetivos específicos 2 2 Marco teórico 3

2.1 Estructuras de mampostería estructural y no estructural 3

2.1.1 Valores y requisitos para diseño 4

2.1.2 Comportamiento ante sismos 11

2.2 Tereftalato de polietileno - PET 13

2.2.1 Origen y propiedades del PET 14

3 Materiales y métodos experimentales 25

3.1 Métodos de obtención de propiedades de la lámina de PET 35

3.1.1 Ensayo de Tensión 35

3.1.2 Ensayo de ‘Creep’ 38

3.2 Métodos de obtención de propiedades de los muros de mampostería 40 3.2.1 Ensayo a compresión diagonal (cortante) 40 3.2.1.1 Ensayos sobre los sistemas de reforzamiento 42 3.2.2 Ensayo de resistencia por adherencia a flexión 48

4 Resultados 51

4.1 Propiedades de la lámina de PET 51

4.1.1 Resistencia a Tensión 51

4.1.2 ‘Creep’ 54

(4)

4.2.1 Resistencia a compresión diagonal (cortante) 58

4.2.1.1 Tensión sobre los adhesivos 58

4.2.2 Resistencia por adhesión a flexión 66

5 Análisis de resultados 69

5.1 Transmisión de cargas a la Lámina 71

5.2 Análisis de esfuerzos sobre la lámina 76

6 Conclusiones 83

BIBLIOGRAFÍA 84

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LISTA DE FIGURAS

Pag.

FIGURA 1. Mapa valores de la aceleración pico efectiva Aa, [2]. 7

FIGURA 2. Plano XY de muros de mampostería 11

FIGURA 3. Tipos de falla de estructuras de mampostería [5]. 12 FIGURA 4. Formas de falla en muros confinados [1]. 13

FIGURA 5. Reacción química del PET. [7]. 15

FIGURA 6. Consumo de materiales para lámina. [16]. 20 FIGURA 7. Material molido proveniente de las botellas de PET. 27

FIGURA 8. Horno de secado. 28

FIGURA 9. Control de temperaturas extrusora Brabender. 29 FIGURA 10. Sistema de pelletización: extrusora MPM y pelletizadora

bajo agua GALA. 30

FIGURA 11. Sistema de corte para pelletizado bajo agua. 31 FIGURA 12. Cordones para pelletizar extruidos por maquina MPM. 31

FIGURA 13. Pellets de PET. 32

FIGURA 14. Pellets de PET secos y húmedos. 32

FIGURA 15. Extrusora Brabender, Dado y Calandria. 34 FIGURA 16. Extrusión de lámina de PET reciclado 34

FIGURA 17. Lámina calandrada. 35

FIGURA 18. Probeta para pruebas de tensión en

(6)

FIGURA 19. Montaje prueba de tensión. 38

FIGURA 20. Muestras cargadas para ‘Creep’ 39

FIGURA 21. Formas de falla por compresión diagonal. [1]. 41 FIGURA 22. Muretes de prueba para ensayo de compresión diagonal

o corte. 42

FIGURA 23. Montaje preliminar de reforzamiento. 43 FIGURA 24. Proceso del sistema de reforzamiento para prueba 44 FIGURA 25. Proceso de prueba para el sistema de reforzamiento. 45 FIGURA 26. Probetas para ensayo de tensión para los adhesivos. 46 FIGURA 27. Montaje de ensayo a tensión de adhesivos. 46 FIGURA 28. Muretes de bloque reforzado con lámina de PET. 47 FIGURA 29. Desarrollo del ensayo a compresión diagonal

Murete de bloque reforzado. 48

FIGURA 30. Muretes para ensayo de resistencia por adherencia a flexión. 50 FIGURA 31 Montaje y falla de muretes. Ensayo de resistencia por

adherencia a flexión 50

FIGURA 32. Desarrollo de prueba de tensión. 51

FIGURA 33. Probetas de ensayo a tensión. 52

FIGURA 34. Ruptura en probetas de la lámina cristalizada. 54

FIGURA 35. Deformación por ‘Creep’. 56

FIGURA 36a. Modulo de ‘Creep’ para el PET. 56

FIGURA 36b. Modulo de ‘Creep’ para el PET. 57

FIGURA 36c. Modulo de ‘Creep’ para el PET. 57

FIGURA 37. Probetas falladas del adhesivo 495. 59 FIGURA 38. Grafica Fuerza – Deformación en probetas con adhesivo 495. 60 FIGURA 39. Probetas falladas del adhesivo 414. 61 FIGURA 40. Grafica Fuerza vs Deformación para probetas con adhesivo 414. 62 FIGURA 41. Falla por compresión diagonal en murete de tolete 63

(7)

FIGURA 42. Falla del murete y trabajo de la lámina sobre el mismo. 65 FIGURA 43a. Ensayo de resistencia por adherencia a flexión sobre

muretes reforzados (Bloque) 66

FIGURA 43b. Ensayo de resistencia por adherencia a flexión sobre

muretes reforzados (Tolete) 67

FIGURA 44. Descomposición de carga de tracción diagonal P en dos

componentes. 72

FIGURA 45. Transmisión de la carga cortante a la lámina como carga

de tensión 73

FIGURA 46. Diagrama de cuerpo libre de la lámina. 73 FIGURA 47. Elementos diferenciales de análisis de esfuerzos sobre

la lámina de PET. 76

FIGURA 48. Esfuerzo cortante máximo, para diferentes formas. [15] 77 FIGURA 49. Componentes de esfuerzo sobre el elemento diferencial # 5. 79 FIGURA 50. Componentes de esfuerzo para los elementos diferenciales

(8)

LISTA DE TABLAS

Pag.

TABLA 1. Valor de Aa, y nivel de amenaza sísmica según la región la

figura 1. [2]. 8

TABLA 2. Coeficiente de Importancia I. [2]. 9 TABLA 3. Coeficiente de amplificación dinámica ap y coeficiente de

disipación de energía mínimo requerido Rp, para elementos

arquitectónicos. [2]. 10

TABLA 4. Propiedades del PET. [10]. 19

TABLA 5. Propiedades de adhesivos LOCTITE para plástico. [18]. 24 TABLA 6. Temperaturas de operación para el perfil de extrusión de la

lámina. 29

TABLA 7. Parámetros de pelletización. 32

TABLA 8. Perfil de extrusión y calandrado de la lámina de PET reciclado. 33 TABLA 9. Dimensiones de las probetas para pruebas de tensión en

plásticos. [ASTM D 638M]. 37

TABLA 10. Designación para la velocidad de prueba de

tensión. [ASTM D 638M] 37

TABLA 11. Características de los muretes. Ensayo a flexión. 49 TABLA 12. Resistencia a tensión Sy, Modulo de Elasticidad E y carga

máxima. 53

TABLA 13. Ensayos de tensión para muestras cristalizadas. 54

TABLA 14. Datos obtenidos por ‘Creep’. 55

TABLA 15. Fuerzas y esfuerzos máximos en probetas con adhesivo 495. 59 TABLA 16. Fuerzas y esfuerzos máximos en probetas con adhesivo 414. 61 TABLA 17. Resultados del ensayo a compresión diagonal o cortante. 63

(9)

TABLA 18. Ensayo de compresión diagonal vs tiempo de falla. 64 TABLA 19. Resultado del ensayo de resistencia por adhesión a flexión. 68 TABLA 20. Propiedades de la lámina de PET reciclado 70 TABLA 21. Carga, esfuerzo y deformación admisibles para la precarga

de la lámina. 71

TABLA 22. Valores de las propiedades de la estructura de

mampostería. Resistencia al corte Fv, Resistencia a la compresión

Fm y Modulo de elasticidad E 71

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INTRODUCCIÓN

En la búsqueda del mejoramiento del medio ambiente, el reciclaje es una alternativa tecnológica que requiere de maduración en Colombia. Partiendo de esta premisa, el proyecto desarrollará una alternativa al ciclo del tereftalato de polietileno PET que en principio es tratado como desecho. El trabajo pretende encontrar un uso práctico al reciclaje del tereftalato de polietileno, más conocido como PET, en láminas para el reforzamiento de estructuras de mampostería. Estas, no reforzadas, son la mayor causa de muertes y daños en casos de sismos.

El proyecto parte de la escogencia del material de desecho, pues entre más se especifique el producto que se recicle, el material obtenido es más uniforme, evitando discontinuidades y por ende concentraciones de esfuerzo no deseadas. Continua con la molienda del producto desechado y el lavado del mismo, luego pasa al proceso de peletizado para finalizar con la extrusión de la lámina que se utilizará para reforzar las estructuras de mampostería.

Se hace un diseño del área transversal de la misma para así comparar el reforzamiento con los ensayos sobre las estructuras de mampostería (muros) reforzadas con la lámina y así inferir si este uso es apropiado o no para el material reciclado.

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1 OBJETIVOS

Proporcionar las bases teóricas y experimentales para la utilización del PET reciclado como reforzamiento de estructuras de mampostería residenciales.

1.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Reciclar y procesar el PET para la obtención de láminas de reforzamiento en estructuras de mampostería.

Caracterizar la lámina de PET, por medio de la medición de propiedades termomecánicas.

Estudiar el comportamiento de este material al ser incorporado en el material de mampostería, en términos de la adhesión y la transmisión de carga.

Obtener valores críticos de esfuerzos de la estructura de mampostería reforzada con el PET.

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2 MARCO TEORICO

La mampostería es una estructura para construcción y está conformada por el conjunto ladrillos y mortero. Los materiales de los ladrillos son una alternativa entre cemento y agregados, arcilla o una combinación de sílice y cal. Las estructuras de mampostería tienen características frágiles donde los planos débiles de los muros se dan a través de las juntas del mortero con el ladrillo. [1].

2.1 ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA ESTRUCTURAL Y NO ESTRUCTURAL

Las estructuras de mampostería o muros en las construcciones pueden tener funciones estructurales o no estructurales. Los muros estructurales presentan reforzamiento con varilla de acero en su interior que conecta cada unidad, así como un material de pega, más fuerte que el usado en los no estructurales. Cuando son sometidos a esfuerzos naturales como sismos o presiones por derrumbes, estos están diseñados para soportarlos, por lo que permanecen casi siempre de pie.

El muro no estructural es simplemente la unión de la unidades de mampostería con el mortero sin ningún refuerzo y con la funcionalidad de encerrar y separar espacios siendo generalmente llamados muros divisorios.

Un muro no estructural, contiene unidades de mampostería unidas únicamente por el material de pega, que en este caso es llamado mortero tipo M, que es en si una mezcla entre arena y cemento en proporción 4 a 1 respectivamente [2]. Estos muros son los que representan el mayor peligro, ya que se derrumban a consecuencia de un sismo o un derrumbe, provocando pérdida de vidas y daños

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materiales considerables. Esta situación se agrava por el tipo de construcción que se realiza en Colombia, es decir, es muy grande la proporción de barrios y sectores en las ciudades y pueblos en los que poco o nada se toman en cuenta las diferentes especificaciones para construcción residencial, tipos de materiales y calidad de los mismos, aumentando el potencial peligro.

2.1.1 VALORES Y REQUISITOS PARA DISEÑO

Según la norma Colombiana sismo resistente, NSR-98, para efectos de diseño de la estructura, esta debe localizarse dentro de una de las zonas de amenaza sísmica, baja intermedia o alta, con la cual se determinan los factores de corrección por efecto dinámico llamado coeficiente de amplificación dinámica, ap, y por la capacidad de disipación de energía mínimo requerido de la estructura, Rp.

Dependiendo de la rigidez, distribución de su masa y características de apoyo sobre la estructura, el elemento no estructural amplifica las aceleraciones que se presentan en su punto de soporte debido a efectos de resonancia. Estos efectos de resonancia dependen de la relación que existe entre el periodo fundamental de la estructura y el elemento no estructural, incluyendo la acción de sus soportes. Cuando el elemento no estructural es rígido, su masa se encuentra localizada cerca del punto de apoyo y está firmemente anclado a la estructura, su amplificación dinámica es menor; esto se presenta en elementos no estructurales con periodos de vibración del orden de 0.06s o menos. Cuando el elemento estructural es flexible, o su masa se encuentra distribuida en la altura, o concentrada lejos del punto de soporte, o sus apoyos permiten desplazamientos apreciables, las aceleraciones a que se ve sometido se amplifican apreciablemente con respecto a las aceleraciones que se presentan en su punto de soporte.

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El coeficiente de disipación de energía en el rango inelástico del elemento no estructural Rp, representa, en conjunto, la capacidad de disipación de energía en el

rango inelástico de respuesta del elemento en sí y de su sistema de anclaje o amarre a la estructura de la edificación. Un valor bajo, cercano a la unidad, indica fragilidad, poca capacidad de disipación de energía, y anclajes o amarres a la estructura con poca capacidad de deformarse inelásticamente. En la medida que se atienden estos grados potenciales de comportamiento deficientes es posible incrementar los valores del coeficiente.

Los movimientos sísmicos de diseño y clasificación se definen, para una probabilidad del diez por ciento de ser excedidos (Factor de seguridad) en un lapso de cincuenta años, en función de la aceleración pico efectiva Aa, según la región en

que se encuentre. Estos son el nivel de amenaza sísmica y el coeficiente de importancia, por medio de los cuales se determinan los coeficientes de corrección:

1. Se determina la región donde esta localizada la edificación en base al mapa de la figura 1, donde se da la aceleración pico efectiva Aa correspondiente.

2. Con el valor de Aa, se pasa a la tabla 1, con la que se determina el nivel de

amenaza sísmica.

Una medida estándar de la fuerza de un terremoto es una aceleración pico horizontal del terreno, Aa experimentada durante el mismo. Para comparar las susceptibilidades diferidas en las ciudades por fuertes terremotos, asignamos a cada ciudad un valor de Aa correspondiente al Aa con un 10% de probabilidad de ser excedido en 50 años, o su equivalente, el Aa, cuyo retorno en el tiempo es de 475 años. En lo sucesivo el acrónimo Aa querrá decir que este punto particular es la distribución de las aceleraciones que una ciudad pueda experimentar. Muchas

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ciudades, como las atravesadas por fallas, cubren totalmente áreas con gran variedad de distribuciones de aceleraciones del terreno. A esas ciudades les asignamos el promedio de Aa 475 –año sobre sus áreas. A través de todo el modelo, Aa esta expresado en términos de por ciento de gravedad (%g).

En un análisis de escenario, el uso de una sola aceleración de terreno para toda la ciudad correspondería a la suposición uniforme de movimiento sobre todos los sitios de terrenos firmes, algo que sería poco común de ocurrir un terremoto. Por otro lado, la mayoría de las estimaciones de pérdida integrarían las pérdidas esperadas en toda la distribución de posibles terremotos, en lugar de recoger a los relacionados con un período de retorno específico. En lugar de estimar las consecuencias de un solo "escenario", eventos o promedios de tales eventos, consideramos el temblor máximo probable que en cada parte de una ciudad se espera experimentar en un período de 475-años, aunque diferentes partes de la ciudad puedan experimentar estas sacudidas en diferentes terremotos.

Se usa la aceleración pico efectiva, Aa para medir el movimiento del terreno porque puede ser mucho más fidedigno en todo el mundo. En sí mismo, no siempre es bueno para predecir el daño, pero medidas más sofisticadas no están disponibles en todo el mundo. La otra información ya disponible sobre el movimiento del terreno, es subjetiva y posiblemente inconsistente entre diferentes partes del mundo.

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Región Nº Aa Amenaza Sísmica 10 0.45 Alta 9 0.40 Alta 8 0.35 Alta 7 0.30 Alta 6 0.25 Alta 5 0.20 Media 4 0.15 Media3 3 0.10 Baja 2 0.075 Baja 1 0.05 Baja

TABLA 1. Valor de Aa, y nivel de amenaza sísmica según la región la figura 1. [2].

Para el desarrollo del trabajo, la estructura se ubica dentro de la ciudad de Bogotá, que está a la región Nº5 con un valor de Aa = 0.2 correspondiendo un nivel de

amenaza sísmica media según la tabla 1.

La norma también da importancia al uso de la estructura de mampostería dándole un valor de corrección llamado coeficiente de importancia I, el cual es determinado por la clasificación dentro de uno de los grupos de uso, los cuales se clasifican así:

• Grupo IV Edificaciones indispensables. Son aquellas edificaciones de atención a la comunidad que deben funcionar durante y después de un sismo y cuya operación no puede ser trasladada rápidamente a un lugar alterno, Ej. Hospitales, centros de salud y atención de urgencias. El grado de desempeño de estas estructura debe ser Superior es decir que sufran daño mínimo.

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• Grupo III Edificaciones de atención a la comunidad. Son aquellas que son indispensables después de un temblor para atender la emergencia, preservar la salud y la seguridad, Ej. Bomberos, defensa civil, policía, cuarteles fuerzas armadas y atención de desastres. El grado de desempeño debe ser Bueno es decir que sufran daños reparables.

• Grupo II Edificaciones de ocupación especial como aquellas donde se puedan reunir más de 200 personas, guarderías, escuelas, colegios, universidades, estadios, almacenes de cadena, centros comerciales, etc. El grado de desempeño debe ser Bueno.

• Grupo I Edificaciones de ocupación normal. Aquellas edificaciones que no se han incluido en los grupos anteriores. El grado de desempeño es Bajo queriendo decir que se presentan daños graves e inclusive no reparables.

Ubicado el grupo de uso se determina el coeficiente de importancia con la tabla 2.

Grupo de Uso IV III II I

I 1.3 1.2 1.1 1.0

TABLA 2. Coeficiente de Importancia I. [2].

Las edificaciones residenciales son las que trabajan con muros divisorios no estructurales de altura total, por lo que el desarrollo del trabajo se centra en este tipo de estructura. Las edificaciones residenciales pertenecen al grupo de uso I correspondiendo un valor para el coeficiente de importancia de I = 1.0, no habiendo corrección por este concepto, pero si determinando el Rp por su grado de

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Con los valores encontrados anteriormente, se usa la tabla 3, para determinar los valores de ap y Rp.

Rp

Grado de desempeño

Elemento no estructural ap Superior Bueno Bajo

Fachadas

Paneles prefabricados apoyados arriba y abajo 1 3 1,5 1,5

De vidrio apoyadas arriba y abajo 1 3 1,5 1,5

Lamina de yeso con costillas de acero 1 1,5 1,5 1,5

Mampostería reforzada separada de la estructura lateralmente 1 3 1,5 1,5 Mampostería reforzada separada de la estructura lateralmente apoyo abajo 2,5 3 1,5 1,5 Mampostería no reforzada separada de la estructura lateralmente 1 No No 1,5 Mampostería no reforzada separada de estructura lateralmente apoyo abajo 2,5 No No 1,5 Mampostería no reforzada confinada por la estructura 1 No No 1,5 Muros que encierran puntos fijos, ductos, escaleras, ascensores 1 3 1,5 0,5

Muros divisorios y particiones

Corredores en áreas públicas 1 3 1,5 0,5

Muros divisorios de altura total 1 1,5 1,5 0,5

Muros divisorios de altura parcial 2,5 1,5 1,5 0,5

Elementos en voladizo vertical áticos, parapetos y chimeneas 2,5 3 1,5 1,5

Anclaje en enchapes de fachada 1 3 1,5 0,5

Altillos 1,5 3 1,5 1,5

Cielos rasos 1 1,5 1,5 No

Anaqueles, estanterías y bibliotecas de más de 2,5 m de altura

Diseñadas de acuerdo con el título F de NSR-98 2,5 6 3 No

Otras 2,5 3 1,5 No

Tejas 1

TABLA 3. Coeficiente de amplificación dinámica ap y coeficiente de disipación de energía

mínimo requerido Rp, para elementos arquitectónicos. [2].

Como se determinó el diseño para muros divisorios de altura total, los valores correspondientes de los factores de corrección son ap = 1 y Rp = 0.5. Entonces el

esfuerzo sobre el muro será:

A

F

A

F

Area

R

Fuerza

a

p p

2

5

.

0

1

*

*

=

=

=

σ

2.1

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2.1.2 COMPORTAMIENTO ANTE SISMOS

Las estructuras de mampostería no estructural son muros que soportan su propio peso con poca capacidad para soportar cargas laterales en Y, así como para absorber deformaciones significativas en su plano XY (Figura 2) [3].

FIGURA 2. Plano XY de muros de mampostería

Cuando aparecen grietas en el plano XY hay señales de perdida de capacidad al cortante y por tanto de falla grave. Los muros le dan rigidez a la edificación hasta el momento en que estos comienzan a fallar por la interacción con la estructura (columnas y planchas) que tiene mayor flexibilidad y que confinan al muro.

Existen 4 tipos de falla sobre la mampostería 3 de los cuales son mostrados por la figura 3: a) falla por flexión debido a momentos de volcamiento, b) falla por tracción diagonal dada por la combinación de momentos y cortantes causados por cargas inerciales. La falla se da cerca de los apoyos por agrietamiento y por falla a

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tracción diagonal. c) falla por deslizamiento debido al cortante sobre los planos horizontales de unión [4,5].

FIGURA 3. Tipos de falla de estructuras de mampostería [5].

El cuarto tipo de falla es la combinación de las tres anteriores.

Como los muros no se aíslan de la estructura de concreto, estos tienen un comportamiento de muro confinado en donde se presentan tres formas de falla que se muestran en la figura 4.

La falla por flexión en mampostería y la falla por rotura en esquinas y rotura diagonal, son las formas de falla que más importancia tienen en el proyecto, ya que estas son debidas a esfuerzos de tracción o tensión sobre el muro, y como este es frágil, es aquí donde la lámina entrará a mejorar el comportamiento del mismo. Para hacer esto posible se hará el diseño de la lámina en base al comportamiento de los muros por medio de ensayos que representen de la manera más adecuada y real el comportamiento de los mismos. Esto se desarrollara mas adelante en la sección de transmisión de cargas a la lámina y de ensayos sobre los muros.

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Figura 4. Formas de falla en muros confinados [1].

2.2 TEREFTALATO DE POLIETILENO – PET

El más importante de los poliesteres es el tereftelato de polietileno (PET). Esta resina ha sido usada ampliamente en tres principales tipos de productos, fibras, películas y como resina de moldeado. Las fibras han sido usadas para aplicaciones textiles. El poliéster tiene resistencia a doblarse, capacidad de trenzado permanente y una resistencia al desteñido de la tela. Fibras hechas de poliéster son también usadas como reforzamiento de llantas, bandas y mangueras especialmente en usos para agua caliente donde el nylon es inapropiado [6].

Las películas de PET son extensamente usadas por su baja rugosidad y transparencia. Son usadas en cintas magnéticas, películas fotográficas, láminas para dibujo y por su capacidad de trabajo a altas temperaturas es usado para almacenar y contener medicamentos.

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El uso del Pet para botellas de bebidas requiere que la resina sea impermeable, inexpansible y que tenga baja permeabilidad al dióxido de carbono. Estos requerimientos son de buena manera cumplidos por el PET.

2.2.1 ORIGEN Y PROPIEDADES DEL PET

El PET es un poliéster termoplástico inventado en 1941. Su nombre químico es Polietilentereftalato. Se ha distinguido de otros plásticos debido a sus excelentes propiedades químicas y físicas, las cuales lo convierten en un material apto para aplicaciones de alto desempeño. Para productos tales como hilos, películas y botellas, estas propiedades se obtienen estirando el PET. Al hacerlo, las moléculas de PET son orientadas, lo cual mejora sustancialmente sus propiedades mecánicas específicas. El éxito del PET se debe a una combinación balanceada de propiedades [7]:

• Aprobado para alimentos • Irrompible

• Bajo peso

• Excelente transparencia y brillo • Facilidad de colorear

• Posibilidad de diferentes formas • Ambientalmente seguro

• Fácil disponibilidad

La materia prima del PET es el petróleo crudo, con el cual se producen el P-Xileno y el Etilen Glicol en refinerías. El ácido Tereftalatico (PTA) o el Dimetril Tereftalatico (DMT) se obtienen del P-Xileno. El etileno gaseoso es convertido en Etilen Glicol. EL PTA o el DMT y el Glicol son las materias principales del PET, juntos forman un monómero que se convierte en un polímero a través de la

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policondensación. El polímero tiene una longitud de cadena que, dependiendo de la viscosidad, es aproximadamente 100 unidades monoméricas enlazadas. La reacción la vemos en la figura 5.

FIGURA 5. Reacción química del PET. [7].

El producto final sale fundido del autoclave. Luego, el material es presionado a través de un dado de extrusión con orificios circulares. Los hilos así obtenidos son luego enfriados con agua y cortados en gránulos cilíndricos.

Para la obtención de botellas, el peso molecular de estos gránulos es demasiado bajo. A través de la llamada poscondensación en fase sólida, el peso molecular promedio (o grado de polimerización Pn) se eleva hasta el nivel requerido (Pn>>100), adquiriendo además cristalinidad de los gránulos, menor contenido de acetaldehído (reducción del sabor a botella) y menor contenido de humedad haciendo que el proceso sea optimo.

El grado de polimerización es la longitud promedio de la cadena expresada como el número de unidades monoméricas enlazadas. Este grado de polimerización es

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decisivo para las propiedades como la viscosidad del polímero fundido. A mayor grado de polimerización, mayor la viscosidad del polímero fundido.

Los termoplásticos, como el PET, aparte de ser plásticos cuyas propiedades físicas dependen mucho de la temperatura, se caracterizan porque sus moléculas se pueden distribuir principalmente en dos formas estructurales. Esta distribución puede ser ordenada (cristalina) o desordenada (amorfa) [8]. Esta forma estructural depende de cinco factores:

1. Temperatura de transición vítrea 2. Habilidad del polímero para cristalizar 3. Punto de fusión

4. Orientación inducida de las moléculas o de las estructuras cristalinas 5. El tipo de entrecruzamiento

El Pet es un polímero cristalizable, es decir, su cristalinidad se puede controlar. La cristalinidad del PET varía entre 0% y 60% en peso. Existen dos formas de formar cristales de PET. Una es por medio del calor y otra por métodos mecánicos de orientación. Cuando enfriamos este plástico desde una temperatura por encima de la temperatura vítrea (67ºC) se forman cristales esferuliticos. El tiempo en que se logra determinado nivel de cristalinidad es afectado por la cercanía a la temperatura de transición vítrea y a la temperatura de fusión (280ºC). Estos cristales esferulíticos son tan largos que alcanzan a refractar la luz dando un color blanco al polímero [9].

Cuando se orientan los polímeros de PET por métodos mecánicos estos obtiene un ordenamiento que puede ser axial como las fibras o biaxial como las películas de rollos de cámara. Consiste principalmente en forzar las moléculas a alinearse y a

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posicionarse en una forma ordenada con respecto a sus moléculas adyacentes. Es importante aclarar que por este método no se producen los mismos cristales esferulíticos, sino cristales más pequeños llamados cristales de esfuerzo inducido y son tan pequeños que no refractan la luz haciendo el PET transparente. Después de este proceso se induce la cristalización por calor aumentando el nivel de cristalinidad, conservando la transparencia y propiedades mecánicas por la orientación. En la práctica se sabe que la tracción aumenta de 55 a 345 MPa con la orientación uniaxial y a 172 MPa con la orientación biaxial [9]. Por ejemplo la presión de reviente de una botella es mayor a 1.5 MPa. Pueden dejarse caer desde una altura de 2.5m.

El PET presenta una deformación a presión (botellas) o esfuerzo (lámina) constante llamada Fluencia lenta. Esta deformación se reduce sustancialmente con la orientación que se le dé: en botellas por ser soplada adquieren una orientación biaxial en sentido circunferencial como en sentido longitudinal, reduciendo considerablemente el ‘Creep’ [7].

La propiedad de ‘Creep’ es definida como la deformación gradual del material bajo una carga que es menor que la de la resistencia a cedencia del material. Cuando las cargas aplicadas en cualquier material, son mayores a la de cedencia, este queda permanentemente deformado. Cuando la carga es removida, una pequeña cantidad de la deformación es recuperada inmediatamente, sin embargo la mayor parte no se recupera. Esta porción es mucho más lenta de recuperar y en algunos casos no se recupera completamente [6].

La cantidad de ‘Creep’ es fuertemente dependiente de la cantidad de la carga aplicada, el tiempo de carga aplicado y la temperatura del material. Cualquier incremento en uno de estos tres parámetros hace que crezca la deformación por

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‘Creep’. Esta relación puede expresarse por la ecuación modificada de esfuerzo-deformación:

)

,

(

)

,

(

t

T

t

T

E

ε

σ

=

2.2

donde σ es el esfuerzo aplicado, E es el módulo de ‘Creep’ y ε es la deformación por ‘Creep’. El módulo y la deformación son funciones del tiempo y la temperatura. Además, un incremento en la cantidad de esfuerzo de un experimento a otro también incrementa la deformación.

El ‘Creep’ resulta del estiramiento y el desenrrollamiento gradual de las moléculas. Inicialmente solo el estiramiento del polímero ocurre, pero en periodos largos de tiempo, las moléculas gradualmente se desenrollan y eventualmente comienzan a deslizarse entre ellas. Todo este fenómeno resulta en deformación. Con el incremento de temperatura, se da más energía para que ocurra la deformación por el movimiento de las moléculas. Propiedades como la cristalinidad reducen el ‘Creep’ porque las fuerzas intermoleculares lo reducen. Grandes cadenas de polímero también reducen el ‘Creep’ ya que requieren mucha energía para provocar desplazamiento.

Algunos valores de propiedades termomecánicas del PET se mencionan en la tabla 4.

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Densidad 1,37g/cm^3 0,0492lb/in^3 Propiedades Mecánicas

Resistencia a la tensión 47 N/mm^2 6680 psi

Elongación a la fractura 50/300 %

Modulo de elasticidad 3100 N/mm^2 441 kpsi

Dureza a identación 200 (10s value) 28400 (10s value)psi

Resistencia al impacto No rompe kJ/m^2

Resistencia al impacto con muesca 4 kJ/m^2 0,8/1 ft*lb/in de muesca Absorción de agua 18/20 mg (4 días) 0,30% (24 horas)

Propiedades Térmicas

Máxima Temperatura de servicio en corto tiempo 200ºC 392ºF Máxima Temperatura de servicio continuo 100ºC 212ºF Mínima Temperatura de servicio continuo `-20ºC `-4ºF

Coeficiente lineal de expansión 70 (1/K*E-6) 39 in/in/ºF*E-6

Conductividad térmica 0,24 W/mK 1,65 BTUin/ft^2hºF

Calor especifico 1,05 kJ/kgK 4,40 BTU/lbºF

Propiedades Eléctricas

Resistividad volumétrica 10E16 Omh*cm

Resistividad superficial 10E16 Omh

Constante dieléctrica 4 (50Hz) 4 (10E16Hz)

Resistencia dieléctrica 500 kV/25micrometros 420 kV/cm

Resistencia de arrastre 2 KA

TABLA 4. Propiedades del PET. [10].

En la figura 6 se presenta la distribución del consumo de materiales para la fabricación de lámina, haciendo un compendio de los resultados presentados por 18 empresas transformadoras.

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FIGURA 6. Consumo de materiales para lámina. [16].

El sector industrial de productos plásticos de Colombia está representado por 428 establecimientos, de más de 10 empleados, distribuidos, de acuerdo con el volumen de su producción, así: 35% gran industria; 50% mediana industria; y 15% pequeña industria, según datos del Departamento Administrativo Nacional de Estadística de Colombia, DANE. El sector generó aproximadamente 31.675 empleos con una producción de 1.142 millones de dólares en el año 2003.

El sector industrial de productos plásticos en Colombia ha sobresalido por el dinamismo y crecimiento dentro de la manufactura colombiana que lo ha llevado a ser de los sectores de mayor auge y desarrollo en los últimos años. En 1974, la industria de productos plásticos representaba 1.8% de la industria manufacturera, para 1980 su participación ascendió a 2.3%, en 1990 a 3.0% y en el 2003 a 4.3%. La producción de resinas para la industria del plástico en Colombia fue de 671 mil toneladas de resinas plásticas en el 2003, con un crecimiento promedio anual de 3.2% desde 1997. El crecimiento en la producción de resinas fue dado por incrementos en poliestirenos, en resinas PET para envases y en PVC, según la Asociación Colombiana de Industrias Plásticas, Acoplásticos.

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En el año 2003, el sector registró un crecimiento de 9.3% con respecto a 1999, según el DANE, pero a partir del primer trimestre de 2001 se presenta un cambio de tendencia como consecuencia de la desaceleración de la industria manufacturera y la economía en general. Al finalizar el año 2002, el sector registra un decrecimiento de 0.15% en producción, el empleo generado se contrajo 1.1% y las exportaciones aumentaron 24.2%.

El mercado de las botellas sopladas de PET continúa creciendo a una tasa de 7%, proyectada hasta el presente año, impulsado por varios factores. Algunos de ellos, la aparición de las botellas para cerveza en PET en Estados Unidos y en Europa, el uso creciente de esta resina para hacer botellas para aguas, la incursión en el mercado de los empaques para leche, la sustitución continua de otros materiales plásticos para empacar productos de aseo personal y del hogar.

El PET ofrece una lista importante de cualidades que aseguran la existencia en el futuro de varias opciones efectivas de reciclaje, para atender los volúmenes de desperdicio que se están generando en el momento y que aparecerán en el futuro. Entre las cualidades más importantes del PET, desde el punto de vista del reciclaje, podemos mencionar las siguientes [11]:

• El PET es una resina de condensación y por lo tanto, su costo es mayor que el de las resinas de consumo masivo. Es así como cada kilo de PET recuperado tiene un mayor valor en el mercado de reciclados.

• El PET puede ser reciclado con propiedades mecánicas que son superiores a las del material desechado como desperdicio. Esto se debe también a la naturaleza de la reacción de polimerización que le da origen. La reacción de condensación del PET es reversible y por lo tanto, en el proceso de reciclaje se puede someter a condiciones de tratamiento que favorecen la reacción de polimerización sobre la de degradación. Particularmente, el vacío aplicado a alta

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efecto de la extracción de agua. Esta propiedad no la tienen las resinas de consumo masivo convencionales y apunta a aumentar el valor agregado del material reciclado.

• Existen procesos comprobados tecnológicamente que pueden llevar los desperdicios de PET a la forma de sus precursores químicos, para recomponer la resina mediante la repolimerización a partir de los monómeros recuperados. Estos procesos buscan asegurar que la pureza de la resina recuperada sea igual a la del material virgen. Este tipo de proceso pertenece al grupo denominado de recuperación regenerativa y que tiene varias opciones alternas comprobadas comercialmente. Se afirma por parte de un grupo de empresas reconocidas que la regeneración química es también un proceso viable económicamente y como tal podrá ser una solución efectiva en el reciclaje de PET.

• El reciclaje mecánico de PET es también una opción abierta, especialmente porque se ha podido comprobar que puede generar resina recuperada apta para ser usada en contacto con alimentos. Tal característica no se encuentra con facilidad en los otros tipos de plásticos de consumo masivo. En estos procesos, el material recuperado, clasificado y molido, se somete a un proceso de lavado químico que retira una piel superficial del remolido. Se estima que el lavado también retira los contaminantes a los cuales pudo estar expuesto el PET en forma de desperdicio de posconsumo. Acto seguido, el remolido se enjuaga, seca y se somete a un proceso de repolimerización en "estado sólido", como se mencionó anteriormente. Existen varios procesos comerciales que ya cuentan con aprobaciones de las agencias de salud y medio ambiente de Estados Unidos y Europa, para ser usados en el reciclaje de PET para contacto con alimentos.

Antes de comenzar cualquier proceso sobre el PET, es necesario conocer como es su comportamiento ante la temperatura. La resina de PET como todos los polímeros es un material vítreo. En estos materiales, la estructura de cadenas

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enmarañadas se congela de tal manera que se restringe mucho el movimiento molecular. Dichos polímeros son amorfos, es decir, no cristalinos, y también, al igual que otros vidrios, son frágiles y duros. Si se calientan, se reblandecen con el tiempo y se vuelven bastante gomosos. Esto sucede en un intervalo de temperaturas bien definido. La temperatura media de este intervalo se conoce como temperatura de transición vítrea y para el PET es de Tg = 67ºC. A cualquier temperatura mayor a Tg, el movimiento molecular es posible y las propiedades de las cadena enmarañada dependen únicamente de las fuerzas de Van der Waals entre las cadenas en el estado gomoso. El calentamiento a una temperatura mayor que la de transición vítrea conduce a que el polímero, con el tiempo y al llegar a su temperatura de fusión Tm = 280ºC, se reblandezca y se funda [17].

El procesamiento del PET esta influenciado por varios factores. El principal es la influencia de la humedad. Los gránulos, hojuelas y pellets, absorben humedad del medio ambiente siendo el PET por esto un material higroscopico. A altas temperaturas el PET reacciona con la humedad haciendo que las cadenas de polímero se rompan y reduciendo la longitud promedio de las cadenas. Este fenómeno se observa a 150ºC y se manifiesta fuertemente por encima del punto de fusión, se llama degradación hidrolítica. Esta influencia es adversa sobre las propiedades del PET[7].

El PET al tener la longitud de cadena más corta, reduce su viscosidad haciendo que se cristalice a una velocidad más rápida y visible. Al cristalizarse más rápidamente aumenta la fragilidad por endurecerse, así la sensibilidad a los impactos aumenta y pasa a ser un material con poca deformación plástica antes de su falla [7].

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En el siguiente capitulo se trabajara el reforzamiento de los muros de mampostería por medio de dos métodos. El primero es por medio de la utilización de un marco de madera; el segundo método es por medio del uso de un adhesivo, para lo cual es necesario conocer propiedades de los mismos, Para ello se recurrió a la empresa HEINKEL quienes proporcionan todo tipo de adhesivos de LOCTITE. Se probaron 3 referencias de adhesivo para plásticos, para escoger el de mejor comportamiento. En la tabla 5 se muestran las propiedades de los adhesivos de prueba.

Adhesivos

Ref Tipo Color Viscosidad Holgura max Resistencia kg/cm^2

Rango de temperatura Cps mm Cizallamiento Tracción ºC

410 Ciano Modificado negro 3500 0,2 150 145 - 54º a 107º 414 Cianoacrilato incoloro 110 0,15 210 280 -54º a 82º 495 Cianoacrilato incoloro 40 0,07 180 220 -54º a 82º

TABLA 5. Propiedades de adhesivos Loctite para plástico. [18].

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3 MATERIALES Y METODOS EXPERIMENTALES

El proyecto se divide en dos partes de trabajo. La primera se relaciona con el PET. La segunda parte es dedicada a las estructuras de mampostería.

La primera parte comienza con la recolección y clasificación de los productos desechados, para separar el PET de estos. Es necesario especificar el producto a recolectar ahorrando tiempo y costos, ya que es necesario obtener un producto homogéneo. Por ello se decidió escoger y recolectar botellas transparentes para agua y bebidas carbonatadas, de todas las capacidades, para luego continuar el proceso hasta extruir lámina de PET.

La segunda parte es el trabajo realizado sobre las estructuras de mampostería. Primero se escoge el material de la mampostería para la construcción de los muros. Se optó por ladrillo común y por bloque no estructural, ambos de arcilla. Para el mortero de pega se determino el tipo M que tiene una relación de 1 de cemento por 4 de arena [2].

A continuación se enumera la lista de etapas y procesos que trabajará el capitulo, desde la recolección de PET hasta conseguir la lámina caracterizada y los métodos para ensayar los muros:

1. Clasificación y recolección. 2. Prelavado.

3. Primer secado. 4. Molienda.

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6. Segundo secado. 7. Pelletizado. 8. Tercer secado. 9. Extrusión de lámina.

10. Métodos experimentales para caracterizar la lámina, • Ensayo de tensión.

• Ensayo de ‘‘Creep’’.

11. Métodos experimentales para caracterizar los muros. • Compresión diagonal.

a. Sistemas de reforzamiento. • Adhesión a flexión.

La primera parte del proyecto inicia con la recolección de 50 botellas con diferente capacidad, 300ml, 600ml, 2lt y 2.5 lt. La mayor parte de este lote (30 botellas), son de la máxima capacidad.

Las botellas son despojadas de las etiquetas, lluego se cortan a la mitad y se les hace un prelavado, para quitar lo mejor posible los residuos del producto que hayan contenido.

Se secaron al medio ambiente y se colocaron en la moledora Rapid Granulator 600-RC [Anexo 6]. Se obtuvo alrededor de 2.3kg de material molido (HOLUELAS) con un tamaño promedio de 1.12mm2. Este material molido lo podemos observar

en la figura 7. Como la cantidad obtenida de PET molido comparado al recolectado no fue suficiente, se decidió recurrir a la empresa privada para conseguir los kilos necesario para la experimentación y producción de lámina para la aplicación en los muros. Se adquirieron 50 kg de PET molido y específicamente transparente, proveniente de botellas.

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FIGURA 7. Material molido proveniente de las botellas de PET.

Suponiendo que la humedad se difunde a través del granulo, es necesario secarlo a altas temperaturas para asegurar una rápida difusión de la humedad a la superficie. Se requiere una temperatura mínima de 150ºC. Con el fin de evitar reacciones de degradación indeseables se aconseja una temperatura máxima de secado de 180ºC [7]. Si los gránulos contienen mucha humedad debe evitarse el secado a temperaturas muy altas. Por encima de 180ºC las reacciones de degradación debido a la humedad, son muy frecuentes. En un secado continuo es aconsejable disminuir la temperatura de secado por debajo de 150ºC. Se recomienda un tiempo de secado antes de cualquier proceso de mínimo 4 horas a esta temperatura.

Para el proceso se utilizó el horno mostrado en la figura 8[Anexo 6], donde se dejó secar el material antes de cualquier proceso, durante 4 horas a 150ºC.

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FIGURA 8. Horno de secado.

Cuando el secado es una operación separada del proceso de extrusión, es necesario transportar herméticamente el material secado en un recipiente a la etapa de alimentación del proceso.

La extrusión de perfiles es la manufactura directa de un producto en el dado de extrusión. Estos productos, como la lámina de PET, son largos y continuos cuyo perfil de sección transversal se obtiene mediante la forma del dado. Este perfil depende también de los parámetros de operación del proceso [17].

El siguiente paso es el de encontrar una ventana de operación para el perfil de la lámina de PET. Los 4 parámetros de operación y calentamiento del material en el proceso de extrusión, son: Alimentación, Transición, Dosificación y Dado.

El manual de pruebas de la extrusora Brabender, [12], dice que si se desconoce esta ventana de operación del proceso o el punto de fusión del material,

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cuidadosamente se deben hacer las pruebas necesarias para determinar estas condiciones óptimas de trabajo. Del PET se conoce el punto de Fusión que esta alrededor de los 280ºC. En la tabla 6 se muestra los parámetros de operación del proceso de extrusión. En la figura 9 se observa el control de temperaturas de la extrusora.

T de Alimentación T de Transición T de Dosificación T del Dado

250ºC 240ºC 260ºC 235ºC

TABLA 6. Temperaturas de operación para el perfil de extrusión de la lámina.

FIGURA 9. Control de temperaturas extrusora Brabender.

El Pet molido no tiene, por ello se decidió pelletizar por medio de la extrusora MPM y la pelletizadora bajo agua GALA [Anexo 6], que vemos en la figura 10.

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FIGURA 10. Sistema de pelletización: extrusora MPM y pelletizadora bajo agua GALA.

Las hojuelas de PET son extruidas en la extrusora MPM [Anexo 6]. Antes de pasar por el dado, el material fundido pasa por dos filtros hechos por mallas de acero de diferente calibre que cumplen el papel de retener la suciedad. El dado forma dos perfiles cilíndricos o cordones, que serán cortados (figura 11) bajo agua con el fin de formar los pellets. Si los cordones de plástico no fluyen correctamente (figura 12), será necesario cambiar las mallas.

Los plásticos son cortados en la cara del dado que esta completamente sumergida bajo agua durante todo el proceso. Mediante el sistema de agua acondicionada, los pellets son transportados y enfriados. Una secadora centrífuga separa los pellets del agua para luego secarlos.

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FIGURA 11. Sistema de corte para pelletizado bajo agua.

FIGURA 12. Cordones para pelletizar extruidos por el dado del sistema pelletizador.

El PET es ligeramente difícil de pelletizar y requiere de los parámetros de procesamiento mostrados en la tabla 7.

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Temperatura de alimentación Temperatura de Transición Temperatura de Dosificación Temperatura del Dado Temperatura del agua Velocidad de extrusión Velocidad de Pelletizado 244.44ºC 234.44ºC 260ºC 265.55ºC 60ºC 50 rpm 3000 rpm

Tabla 7. Parámetros de pelletización.

Los pellets obtenidos son de forma esférica y transparentes como se ve en la figura 13, pero como están húmedos, al ser secados se cristalizan y están listos para ser llevados a extrusión (figura 14).

FIGURA 13. Pellets de PET.

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Para encontrar una lámina que diera la máxima área transversal posible, se debieron tener en cuenta otros parámetros, que involucran a la calandria, el torque de extrusión, la velocidad de extrusión y la temperatura de calandrado. Estos parámetros nuevamente fueron optimizados por varias pruebas hechas, encontrando el perfil completo y definitivo indicado en la tabla 8.

El valor máximo del espesor obtenido de la extrusión fue de 0.8mm con un ancho máximo de 100mm. Esto nos da un valor máximo de área transversal de A = 80mm2 = 0.8 cm2 = 0.00008 m2. Temperatura Alimentación Temperatura de Transición Temperatura de Dosificación Temperatura del Dado Velocidad de extrusión Torque 250ºC 240ºC 260ºC 235ºC 75 rpm 25-35 Nm

Temperatura de rodillos Velocidad de calandrado Separación entre rodillos

32ºC 10 rpm 0.8 mm

TABLA 8. Perfil de extrusión y calandrado de la lámina de PET reciclado.

La Figura 15 muestra la extrusora Brabender y el dado con los rodillos de la calandria. La extrusión de la lámina es mostrada en la figura 16 y finalmente se ve como es calandrada la lámina de PET en la figura 17.

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FIGURA 15. Extrusora Brabender, Dado y Calandria.

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FIGURA 17. Lámina calandrada.

3.1 METODOS DE OBTENCIÓN DE PROPIEDADES DE LA LAMINA

Para encontrar las propiedades más relevantes para el diseño de la lámina como reforzamiento de los muros de mampostería, se optó por hacer 2 ensayos, el primero es el ensayo a tensión basado en la norma ASTM D 638M, ‘Método de prueba estándar para las propiedades a tensión de plásticos’. El segundo ensayo es ‘Creep’ dado por la norma ASTM D 2990 – 77, ‘Método de prueba estándar para ‘Creep’ a tensión, compresión y flexión y ruptura por ‘Creep’ de plásticos’.

3.1.1 ENSAYO A TENSION

El método estándar a tensión esta diseñado para obtener la propiedad de resistencia a tensión de materiales plásticos. Estos datos son usados para propósitos de caracterización para desarrollo e investigación.

Las propiedades a tensión pueden variar con la preparación de cada muestra, con la velocidad y con el entorno de prueba. A consecuencia es necesario controlar cuidadosamente estos factores para poder hacer comparaciones. Todas las

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muestras son preparadas y acondicionadas exactamente de la misma manera. Los factores del entorno de prueba como la humedad y la temperatura, son controlados en el laboratorio.

Las dimensiones de las muestras son tomadas según el material sea rígido, semirígido o no rígido. La lámina obtenida es flexible, por lo que las muestras o probetas son del tipo M – II con dimensiones tomadas de la figura 18 y la tabla 9 de la norma ASTM D 638M. Estas probetas son obtenidas por un molde de troquelado.

El entorno de prueba debe tener una temperatura de 23 ± 2ºC y 50 ± 5 % de humedad relativa. Estos factores son tanto para el acondicionamiento de probetas como para la ejecución de la prueba.

En el laboratorio estos factores controlados son de 23ºC y 55% de humedad relativa.

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Dimensiones en mm ( Ver Figura 18) Espesor T = 4mm o menor Tolerancias Tipo M - II

W - Ancho sección estrecha 6 ± 0,5

L -Longitud sección estrecha 33 ± 0,5

WO - Ancho total 25 ± 0,5

LO - Longitud total 115 no max

G - Longitud inicial entre marcas de prueba -' ± 0,25 G - Longitud inicial entre marcas de prueba 25 ± 0,5

D - Distancia entre mordazas 80 ± 5

R - Radio de filete 14 ± 1

RO - Radio externo (Tipo II) 25 ± 1

TABLA 9. Dimensiones de las probetas para pruebas de tensión en plásticos. [ASTM D 638M].

El número de muestras según la norma, depende si el material es isotrópico o anisotrópico. Como no es comprobado que al ser calandrada la lámina esta queda orientada o biorientada, es decir, no se conoce si la lámina es isotrópica o anisotrópica, se asume que es anisotrópica. La norma dice que se escogen por lo menos 10 muestras, 5 paralelas y 5 perpendiculares al eje axial, para materiales anisotrópicos.

La velocidad de prueba se escoge de la tabla 10. Cuando esta no es especificada, se usa la menor velocidad del tipo de geometría. Para el caso de la lámina es de 50mm/min.

Clasificación Tipo de muestra Velocidad mm/min Deformación nominal mm/mm*min

Rígido y Semirígido M - II 5 ± 25 % 0,15

50 ± 10 % 1,5

500 ± 10% 15

No Rígido M - II 50 ± 10 % 1,5

500 ± 10% 15

TABLA 10. Designación para la velocidad de prueba de tensión. [ASTM D 638M]

El procedimiento se llevo a cabo en la maquina universal Instron con el montaje observado en la figura 19.

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FIGURA 19. Montaje prueba de tensión.

3.1.2 ENSAYO DE ‘CREEP’

Si un material vicoelástico es cargado por un periodo largo de tiempo, bajo una temperatura alta y una carga significativa, este se romperá eventualmente. Esto es llamado ruptura por ‘Creep’. Si el ensayo de esfuerzo a ruptura por ‘Creep’ es desarrollado para varias cargas, asumiendo temperatura constante, los tiempos de ruptura serán diferentes. Una grafica de los niveles de esfuerzo vs el tiempo de falla (graficados en escala log-log) dan los esfuerzos permisibles para las consideraciones de diseño.

Los métodos descritos por la norma ASTM D 2990 – 77 ‘Métodos estándar para ‘Creep’ por tensión, compresión y flexión y ruptura por ‘Creep’ para plásticos’, consisten en medir la extensión como función del tiempo y del tiempo de ruptura o falla de una muestra, bajo condiciones especificas de esfuerzo. De los datos

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obtenidos en los ensayos se puede predecir el modulo de ‘Creep’, la resistencia de materiales a el cambio dimensional bajo cargas constantes. Estos datos pueden caracterizar la estabilidad dimencional del material. El módulo de ‘Creep’ es definido como el promedio del esfuerzo inicial aplicado por deformación por ‘Creep’, donde la deformación por ‘Creep’ es la deformación total producida por el esfuerzo en cada determinado tiempo.

Las muestras o probetas, las condiciones de acondicionamiento de probetas y los factores del entorno, son los mismos que se determinaron para los ensayos a tensión.

Para caracterizar el material a la temperatura de trabajo (T del laboratorio), se hacen mediciones de la extensión de la probeta en tiempos que van de 1 a 30 min. luego de 1, 2, 5, 20, 50, 100, 200, 500, 700 a 1000 horas. Estos datos forman la tabla 14 en el capitulo de resultados, que es basada en la carga critica a cedencia, la cual se encuentra alrededor de los 25 kg. Comenzando a 2/3 de la carga critica a cedencia, se va reduciendo el esfuerzo aplicado sobre las probetas. La figura 20 muestra varias probetas cargadas con diferentes pesos.

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3.2 METODOS DE OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS MUROS DE MAMPOSTERÍA.

La escogencia de los ensayos que más se acerquen a la realidad y que estén relacionados con el funcionamiento del muro, son los que determinarán la carga a la que estará sometida la lámina.

3.2.1 ENSAYO A COMPRESIÓN DIAGONAL (CORTANTE).

El ensayo de compresión diagonal (cortante), es el ensayo más utilizado para determinar la resistencia al corte o resistencia a la tracción diagonal. Este ensayo ha sido tomado como representativo por muchos investigadores debido a la similitud que hay entre la forma de falla dada en el ensayo con la que se presenta en los muros sometidos a la acción sísmica que se ve representada por la figura 4 y por la comparación hecha en la figura 21 [1].

Aunque la similitud es clara, este ensayo debe ser solo un método simple y practico de evaluar las resistencias al corte y a la tracción diagonal del muro. Este ensayo se lleva a cabo siguiendo la norma ASTM E 519 – 81, Método estándar para ensayo de Resistencia a la tensión en mampostería.

La falla de un muro por efectos de fuerzas cortantes ocurre generalmente a través de grietas inclinadas debidas a tensiones diagonales. Estas grietas se forman generalmente a lo largo de las juntas, propiciadas por la debilidad de la unión pieza mortero; sin embargo para piezas con baja resistencia y buena adherencia con el mortero, las grietas atraviesan indistintamente piezas y mortero.

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FIGURA 21. Formas de falla por compresión diagonal. [1].

Las probetas de ensayo o muretes según la norma tienen una longitud nominal de 1.2m por 1.2m mínima. El número de especimenes a utilizar debe ser por lo menos de tres especimenes construidos con el mismo mortero, unidad de mampostería y mano de obra. El mortero el de tipo M que tiene una medida de cemento por 4 de arena [2]. Los bloques y ladrillos se adquirieron de la misma fuente y de la misma calidad.

Cada murete de prueba debe tener un periodo de fraguado mínimo de 28 días antes de ser fallados. La figura 22, muestra los muretes construidos y fraguados, tanto de bloque como de tolete.

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FIGURA 22. Muretes de prueba para ensayo de compresión diagonal o corte.

Se construyeron 13 muretes, 10 de bloque y 3 de tolete. 5 muretes de bloque y 2 de tolete son para encontrar la resistencia al cortante. Los otros 5 de bloque y 1 de tolete son para ensayar el refuerzo de la lámina.

3.2.1.1 ENSAYOS SOBRE LOS SISTEMAS DE REFORZAMIENTO

El primer sistema de reforzamiento, utiliza un marco de madera que rodea a el murete de prueba. Este marco tiene tres propósitos, el primero es el de reducir el cortante producido en el cambio de dirección al rodear la lámina cada murete. El segundo es de poder tensionar la lámina y mantener la precarga. En la Figura 23, se muestra el montaje de reforzamiento que se utilizaría con el marco de madera que soportaría la lámina de PET.

El tercer propósito es el tipo de diseño de elementos no estructurales, donde se disponen de elementos no estructurales que tocan la estructura y que por tanto, deben ser lo suficientemente flexibles para poder resistir las deformaciones que la estructura les impone sin sufrir daño mayor que el que admite el grado de desempeño prefijado para los elementos no estructurales [2].

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Este marco surge de este criterio de diseño recomendado por la norma de diseño y construcción sismo resistente. En este el aislamiento entre la estructura (conformada por columnas y placas de concreto) y los muros o paredes divisorias, es el marco. Existiendo un material entre el muro y la estructura, se permite que la estructura se flecte sin afectar directamente a el muro. El material de aislamiento es el que se vera deformado permisiblemente antes de que se deforme el muro y falle.

FIGURA 23. Montaje preliminar de reforzamiento.

La lamina será tensionada y luego por la acción de cuñas que entrarían entre el marco, por el paso de la lámina, harían la traba mecánica para evitar el deslizamiento. El proceso de este sistema se muestra en la Figura 24, que inicialmente será sometido a prueba, para verificar su validez.

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FIGURA 24. Proceso del sistema de reforzamiento para prueba

Una ves se tiene este sistema de reforzamiento, se procede a hacer una probeta de prueba, para verificar que no exista deslizamiento. Este proceso de prueba es basado en la prueba de tensión de plásticos y se muestra en la Figura 25.

La prueba de tensión sobre el marco de reforzamiento, dio un resultado negativo, al haber deslizamiento. Por ello este sistema es descartado.

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FIGURA 25. Proceso de prueba para el sistema de reforzamiento de marco de madera.

El segundo sistema para reforzar los muros, es por medio de la utilización de un adhesivo que una los dos extremos de la lámina una vez envolvieran al murete. Para probar la resistencia del adhesivo, se hicieron probetas, por medio de tiras rectangulares unidas con las diferentes referencias de adhesivo proporcionado por LOCTITE.

El adhesivo 410 no fragua en un tiempo prudente, que sería de máximo 20 seg. Además ataca fuertemente la lámina, degradándola. Debido a esto, esta referencia es descartada.

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Los otros dos adhesivos 414 y 410, tienen un tiempo de fraguado de 5 a 10 segundos máximo. En principio la degradación del material no es notable, por lo que se pasa a realizar pruebas de tensión y así determinar cual de los dos se escoge. En la Figura 26 se muestran las probetas para el ensayo de tensión. En la Figura 27 se muestra el montaje correspondiente para este ensayo de tensión de los adhesivos.

FIGURA 26. Probetas para ensayo de tensión para los adhesivos.

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El reforzamiento del murete se hace con la ayuda de un tensor de cables y cadenas. El problema con este aparato es que no controla la tensión que ejerce sobre la lámina. Los muretes de bloque reforzado se muestran en la Figura 28. El montaje y el desarrollo del ensayo a compresión diagonal sobre los muretes de bloque se muestra en la Figura 29. El progreso de uno de los ensayos involucra la falla del murete y la posterior falla de la lámina.

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FIGURA 29. Desarrollo del ensayo a compresión diagonal. Murete de bloque reforzado.

3.2.2 ENSAYO DE RESISTENCIA POR ADHERENCIA A FLEXION

El objetivo de este segundo ensayo es determinar la resistencia por adherencia a flexión de las unidades de mampostería mediante el método de carga a puntos tercios del murete. Es importante conocer su valor ya que es una de las formas de falla que se observan en edificaciones que son sometidas a esfuerzos debidos a movimientos sísmicos [4]. Representa las acciones de los derrumbes exteriores que caen sobre las paredes de las edificaciones y las acciones sobre el plano del muro. Estas acciones son esfuerzos perpendiculares al plano XY del muro (Figura 2) y representan las fuerzas de masas externas así como a las fuerzas inerciales

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del muro debidas a los movimientos sísmicos. Este ensayo sigue la norma ASTM E 518 – 80, Método de ensayo estándar para la resistencia por adherencia a flexión.

Los especimenes de prueba son muretes construidos con un mínimo 460 mm de altura adheridas con juntas de mortero tipo M. Mínimo se deben elaborar 5 muretes por cada ensayo. Estos deben fraguar en un periodo de tiempo de mínimo 28 días. En la figura 30 se muestran los muretes de prueba para este ensayo. Para el ensayo del proyecto se construyeron 20 muretes, 10 de bloque y 10 de tolete. 5 muretes de cada tipo se refuerzan con la lámina de PET. El montaje y la falla del ensayo para los dos tipos de muretes sin refuerzo, se muestran en la figura 31.

Los cálculos se hacen en base a la ecuación:

2

*

*

)

*

75

.

0

(

d

b

l

Ps

P

R

=

+

3.1

donde R es el modulo de ruptura, P la carga máxima aplicada, Ps es el peso del murete, L la longitud del murete, b el ancho del murete y d la profundidad del murete. La tabla 11 muestra estas características para los muretes de bloque de tolete.

TABLA 11. Características de los muretes. Ensayo a flexión.

Características promedio de los muretes para el ensayo a flexión

Muretes de Tolete

Peso Ps (N) Longitud L (mm) Ancho b (mm) Profundidad d (mm) S = b*d^2 mm2

418,46 460 220 100 2200000

Muretes de Bloque

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FIGURA 30. Muretes para ensayo de resistencia por adherencia a flexión.

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4 RESULTADOS

4.1 PROPIEDADES DE LA LÁMINA DE PET.

Los resultados de los ensayos serán descritos a continuación y por medio de estadística, se determinara el valor medio de cada propiedad evaluada experimentalmente.

4.1.1 RESISTENCIA A LA TENSIÓN

En la figura 32, se muestra el desarrollo de la prueba, la cual se realiza hasta la ruptura. Los cálculos para las propiedades se realizan según la norma: la resistencia a la tensión se obtiene dividiendo la carga máxima en Newtons entre el área transversal inicial en metros cuadrados de la muestra.

(61)

En la figura 33 se muestra las probetas antes y después del ensayo a tensión. En total se ensayaron 12 muestras en dirección axial y 12 muestra en dirección transversal. Estos datos generan los resultados mostrados en la tabla 12, provenientes de los ANEXOS 1 y 2.

FIGURA 33. Probetas de ensayo a tensión.

Se realizaron pruebas de tensión para muestras de lámina rígida cristalizada a 150ºC durante 5 min., con el fin de comparar propiedades con la lámina amorfa flexible. La tabla 13 muestra los resultados provenientes del anexo 3.

(62)

Pruebas de Tensión eje axial

Probeta Area m^2 Carga max kN Resistencia a la cedenca Sy Mpa Modulo de Elasticidad E Mpa

1 5,08E-06 0,2368 46,61 2067 2 4,83E-06 0,234 48,5 1998 3 5,46E-06 0,275 50,41 2487 4 3,97E-06 0,189 47,83 1968 5 5,03E-06 0,2541 50,52 2139 6 5,08E-06 0,26418 52 2248 7 5,13E-06 0,2811 54,81 2148 8 4,90E-06 0,2504 51,1 2011 9 3,89E-06 0,1975 50,85 2309 10 5,55E-06 0,2719 48,95 2142 11 5,87E-06 0,3023 51,5 2174 12 5,67E-06 0,2895 51,17 2127 Suma 6,05E-05 3,04578 604,25 25818 Media 0,000005038 0,2538 50,3542 2151,5, DesvEst ±0,0350 ± 2,156 ± 145,277

Pruebas de Tensión eje transversal

1 5,10E-06 0,2301 45,29 1794 2 5,08E-06 0,2351 46,28 2634 3 5,48E-06 0,2616 47,74 2383 4 5,03E-06 0,2411 47,93 2308 5 5,75E-06 0,2515 43,74 2062 6 4,98E-06 0,2383 47,85 2111 7 5,05E-06 0,2457 48,66 2594 8 4,69E-06 0,2268 48,26 2222 9 5,67E-06 0,1948 34,35 1893 10 4,44E-06 0,1904 42,88 2049 11 5,38E-06 0,2465 45,82 2257 12 4,56E-06 0,2315 47,63 2150 Suma 6,12E-05 2,7934 546,43 26457 Media 5,10E-06 0,233 45,536 2204,8, DesEst ± 0,0184 ± 3,97 ± 252,42

(63)

Pruebas de tensión en muestras rígidas

Probeta Area m^2 Carga max kN Resistencia a Ruptura Su Mpa Modulo de Elasticidad E Mpa

1 5,36E-06 0,2911 54,31 2960 2 5,37E-06 0,36159 68,28 7164 3 5,36E-06 0,33054 61,66 4469 4 5,36E-06 0,35804 66,798 7358 5 5,14E-06 0,32757 63,72 5139,8 Suma 2,66E-05 1,66884 314,768 27090,8 Media 5,32E-06 0,3338 62,95 5.418,2 DesvEst ± 0,0279 ± 5,53 ± 1859,42

TABLA 13. Ensayos de tensión para muestras cristalizadas.

La lámina cristalizada tiene muy poca deformación, con aumento de la resistencia a ruptura y del módulo de elasticidad. La figura 34 muestra la ruptura por tracción de las probetas de la lámina rígida.En este caso la lámina es de un material frágil que se caracteriza por la falla o ruptura súbita, sin fluencia previa. En este caso el esfuerzo que causa falla es igual a la resistencia final o ultima del material Su.

FIGURA 34. Ruptura en probetas de la lámina cristalizada.

4.1.2 ENSAYOS DE ‘CREEP’

La tabla 14 corresponde a los datos obtenidos debido al ‘Creep’ sobre las 6 muestras de la lámina flexible.

(64)

‘CREEP’

Probeta 1 2 3 4 5 6

Ancho mm 6,35 6,35 6,35 6,35 6,35 6,35

Espesor mm 0,61 0,965 0,6025 0,785 0,71 0,72

Área m^2 3,87E-06 6,13E-06 3,83E-06 4,98E-06 4,50E-06 4,57E-06

Carga kg 17,05 9,6 7,5 11,385 15,385 12,356

Carga N 167091,764 94,08 73,5 111,573 150,773 121,0888 Esfuerzo Mpa 43176,17 1,53E+07 1,92E+07 2,24E+07 3,35E+07 2,65E+07 Distancia inicial mm 37,35 35,25 34,75 34,75 34,75 34,75

Distancia a 1min FALLA 35,27 34,8 35 35,5 34,9

Distancia a 12 min 35,3 35 35,2 35,5 35

Distancia 30 min 35,4 35,2 35,5 36 35

Distancia a 1h 35,5 35,5 35,7 36 35

Distancia a 4h 35,5 35,5 35,8 Falla 1h54min 35,5

Distancia a 20h 35,5 35,9 36,6 36,8

Distancia a 170h 35,6 35,9 36,65 71,25

Distancia a 500h 35,95 36,1 36,95 90,55

Distancia a 700h 36,35 36,55 37 91

Distancia a 1000h 36,75 36,6 37 91,9

TABLA 14. Datos obtenidos por ‘Creep’.

Para hacer los cálculos correspondientes, primero se expresa la deformación por ‘Creep’ en porcentaje, esto es dividir la deformación por la longitud inicial y multiplicar por 100. El grafico % deformación por ‘Creep’ de las probetas 2, 3, 4 y 6 es el correspondiente a la figura 35. La deformación por ‘Creep’ de la probeta 1 no se grafica, debido a que su ruptura ocurrió a menos de 1 minuto. La probeta 5 tampoco tiene grafica; ella falló antes de las 4 horas, pero no por ruptura sino por elongación, llegando al 164% de deformación sin ruptura. En las figuras 36a y 36b son las graficas correspondientes al Modulo de ‘Creep’ en (Pa) para las probetas. La figura 36c representa el Modulo de ‘Creep’ para el material.

(65)

Deformacion por Creep

0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.017 0.2 0.5 1 4 20 170 500 700 1000 Tiempo (h) Defo rm aci ó n (% )

1,53E+10 Pa 1,91E+10 Pa 2,24E+10 Pa 3,35E+10 Pa

FIGURA 35. % Deformación por ‘Creep’.

Modulo de Creep 0.E+00 5.E+07 1.E+08 2.E+08 2.E+08 3.E+08 3.E+08 0.017 0.2 0.5 1 4 20 170 500 700 1000 Tiempo (h) M odul o de Cr e e p ( P a )

1,53E+10 PA 1,91E+10 Pa 2,24E+10 Pa 3,35E+10 Pa 2,65E+10 Pa FIGURA 36a. Modulo de ‘Creep’ para el PET.

(66)

Modulo de Creep para cada probeta 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 -1.77 -0.70 -0.30 0.00 0.60 1.30 2.23 2.70 2.85 3.00 Tiempo E s fuer z o (P a)

1,53E+10 PA 1,91E+10 Pa 2,24E+10 Pa 3,35E+10 Pa

FIGURA 36b. Modulo de ‘Creep’ LOG-LOG para el PET.

Módulo de 'Creep'

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 -1.77 -0.70 -0.30 0.00 0.60 1.30 2.23 2.70 2.85 3.00 Tiempo h E s fuer z o (P a) Y Pronóstico para Y

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