Numerical modeling of cracked coating structure: evaluation of degradation and fatigue

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2019.As fachadas das edificações apresentam um papel primordial em relação à vida útil dos edifícios, uma vez que as mesmas visam proporcionar resistência às ações exógenas. Os carregamentos atmosféricos por atuarem de forma cíclica levam o invólucro das edificações a certos níveis de degradação, sendo o descolamento cerâmico e de suas camadas uma das principais patologias observadas nas edificações. Resulta-se ainda que, no processo de confecção do revestimento cerâmico sem planejamento adequado as camadas do revestimento apresentam certos níveis de fissuração mesmo antes de serem concluídas. Dessa forma, associando a ação cíclica do efeito térmico sobre as estruturas de revestimento cerâmico ao nível de fissuração das camadas, o desempenho das fachadas é levado a um nível insatisfatório. Este trabalho visa estudar ação térmica sobre as estruturas de revestimento com camadas fissuradas, bem como o impacto das fissuras sobre a vida útil das camadas da estrutura. Para isto foi utilizado o software WUFI® Pro. 6.3, para quantificar a temperatura no interior do revestimento cerâmico, bem como da amplitude térmica superficial ao longo das orientações cardeais (Norte, Sul, Leste e Oeste) visando determinar a orientação mais suscetível a patologias de cunho térmico e a distribuição de temperatura mais severa nas interfaces das camadas da estrutura. Conhecida a distribuição de temperatura foi realizada uma análise numérica via Métodos dos Elementos Finitos para determinar as tensões principais proveniente do processo de dilatação e contração das camadas no interior das estruturas com e sem fissuras. Por fim, considerando os trabalhos de pesquisas voltados à modelagem das camadas do revestimento cerâmico via elementos finitos, verifica-se a influência de tensões termomecânicas na ruptura por fadiga das camadas de emboço e argamassa colante da estrutura de revestimento. Observando os resultados obtidos por meio da modelagem numérica e com base na avaliação de fadiga das camadas, constata-se que a presença de fissuras na estrutura é um fator preponderante na intensificação das tensões no interior das camadas, resultando em perda significativa do desempenho das fachadas das edificações, e com isso na redução da vida útil das mesmas.The buildings facades present a major role regarding the service life, since these provide the strength to exogenous actions. The cyclic atmospheric loads lead the building envelope to certain levels of degradation wherein the ceramic detachment and mortar spalling are the main pathologies observed in such cases. Indeed, in a ceramic coating built without proper planning, its layers present certain levels of cracking even before the fabrication process is completed. Thus, by associating the cyclic action of the thermal effect on the coating structure with the cracking level of the layers, the performance of the facades is led to an unsatisfactory level. This work aims to study thermal action on cracked coating structures, as well as the impact of cracking on the service life of the structure layers. For this purpose, the software WUFI® Pro 6.3 was used to quantify the temperature inside the ceramic cladding, as well as the surface thermal amplitude along the cardinal orientations (North, South, East and West) aiming to determine the orientation most susceptible to thermal pathologies and the most severe temperature distribution at the structure layer interfaces. Through the temperature distribution, it was performed a numerical analysis via Finite Element Methods to determine the main stresses arising from the process of expansion and shrinkage of the layers inside the structures with and without cracks. Finally, considering researches regarding the modeling of the ceramic coating layers via finite elements, it is verified the influence of thermomechanical stresses on the fatigue rupture of the plaster layers and adhesive mortar of the coating structure. Observing the results obtained through numerical modeling and based on the evaluation of the layers fatigue, it can be seen that the presence of cracks in the structure is a major factor in the intensification of stresses inside the layers, resulting in a significant loss in the building facade performance and a reduction of its service life