Elaboración de un modelo de simulación, por la metodología de Elementos Discretos, del Ensayo de Tensión Indirecta para la caracterización mecánica de mezclas asfálticas

Abstract

Las solicitaciones climáticas extremas, en conjunto con el incremento de los volúmenes de tráfico y de las cargas vehiculares, y aunado a la necesidad de mitigación ambiental asociada a las actividades de construcción, son los nuevos desafíos técnicos a enfrentar por parte de los ingenieros en los proyectos de infraestructura vial. Bajo el marco anterior, el presente trabajo de grado buscó planificar, desarrollar, programar y validar un algoritmo o modelo numérico computacional fundamentado en el método numérico de los Elementos Discretos (en adelante DEM “Discrete Element Method”), que simule o represente bajo condiciones de parámetros mecánicos específicos y en entorno bidimensional, el ensayo de tensión indirecta ejecutado sobre probetas cilíndricas de mezclas de concreto asfáltico, tal que permita evaluar y predecir el desempeño y comportamiento mecánico de manera preliminar de este tipo de materiales, como posible beneficio técnico para los proyectos de diseño y construcción de estructuras de pavimentos flexibles. El programa propuesto, desde el punto de vista lógico y dadas las ventajas computacionales que esto implica, fue escrito y desarrollado empleando para ello el entorno asociado al lenguaje de programación visual basic.net, buscando generar el código fuente y el ambiente de ejecución agradables al usuario y de fácil entendimiento para que cualquier interesado pueda estudiarlo, mejorarlo o replicarlo en un tema complementario. En concordancia a todo lo anterior, se pretendió aproximar la Resistencia a la Tracción Indirecta (RTI) de mezclas asfálticas a partir de relaciones de fuerza de compresión y deformación diametral obtenidas, siguiendo para ello los requerimientos técnicos establecidos para la ejecución del ensayo de laboratorio, estipulados para Colombia por la normativa del Instituto Nacional de Vías, INVÍAS. Finalmente, y como complemento al presente trabajo de grado, se procedió a adelantar la validación del modelo computacional generado, a partir del desarrollo de un proceso de comparación de los resultados obtenidos por el software implementado, con los resultados referidos de datos experimentales característicos para materiales asfálticos fabricados e instalados en la infraestructura vial del sur occidente del país. Como resultado del proceso de validación del modelo se obtuvo que los valores de RTI simulados se encuentran dentro del orden numérico y de tendencia de los resultados experimentales consultados para los diferentes materiales asfálticos considerados, permitiendo inferir que el modelo matemático y computacional implementado, se acerca de manera razonable a los datos de laboratorio correspondientes.

Extreme weather demands, together with the increase in traffic volumes and vehicular loads, coupled with the need for environmental mitigation associated with construction activities, are the new technical challenges to be faced by engineers in road infrastructure projects. Under the above framework, this degree work sought to plan, develop, program and validate an algorithm or computational numerical model based on the Numerical Method of Discrete Elements (hereinafter DEM), which simulates or represents under conditions of specific mechanical parameters in a two-dimensional environment, the indirect tension test carried out on cylindrical specimens of asphalt concrete mixtures, in order to evaluate and predict the performance and mechanical behavior of this type of materials in a preliminary way, as a possible technical benefit for the design and construction projects of flexible pavement structures. The proposed algorithm or software, from a logical point of view and given the computational advantages that this implies, was written and developed using the environment associated with the visual basic .net programming language, seeking to generate a pleasant source code and easy to understand execution environment to the user, so that anyone interested can study it, improve it or replicate it in a complementary topic. In accordance with all of the above, it was intended to approximate the Indirect Tensile Strength (ITS) of asphalt mixtures from the compression force and diametrical deformation ratios obtained, following the technical requirements established for the execution of the laboratory test, stipulated for Colombia by the regulations of the National Roads Agency (INVÍAS). Finally, and as a complement to this degree work, the validation of the generated computational model was proceeded, based on the development of a process of comparison of the results obtained by the implemented software, with the referred results of characteristic experimental data for asphalt materials manufactured in installed in the road infrastructure of the local area. As result of the validation process of the model, it was obtained that the simulated RTI values are within the numerical order and trend of the experimental results consulted for the different asphalt materials considered, allowing to infer that the mathematical and computational model implemented, is reasonably close to the corresponding laboratory data.