CARGA AXIAL RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN

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1 FLEXIÓN FUERA DEL PLANO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CONFINADA: EFECTO DE LA CARGA AXIAL Jorge Luis Varela Rivera 1, Manuel Polanco May 2 y Luis Enrique Fernández Baqueiro 1 RESUMEN En este trabajo se evalúa el comportamiento de tres muros de mampostería confinada sujetos a incrementos de presiones uniformes fuera del plano. Un muro se ensayó sin carga a axial y dos con cargas axial constante diferente. Las dimensiones de los muros fue 3.67 m x 2.71 m (longitudd x altura). Se presentan las curvas presión desplazamiento horizontal y se describe la evolución del patrón de agrietamiento. Se concluye que la resistencia fuera del plano de los muros fue al menos tres veces mayor que laa resistencia dee agrietamiento. Al incrementar la carga axial se incrementa la resistencia fuera del plano de los muros. ABSTRACT In this work the behavior of three confined masonry walls subjected to out-of-plane uniform pressures is evaluated. One wall was tested without axial load and two with different axial loads. Wall dimensions were 3.67 m x 2.71 m (length x height). Pressure-horizontal displacement curves and cracking patterns are presented. It is concluded that the out-of-planincreases, the out-of-plane strength of the walls increases. INTRODUCCIÓN En muchas partes de México se carecen de normas de mampostería regionaless por lo que se emplea de manera strength of the walls was approximately three times the cracking strength. As the axial load supletoria las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería (NTCM) ( GDF, 2004a) del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (GDF, 2004b). Lo anterior resulta en ocasiones inadecuado debido a que las piezas y morteros utilizados en ciertas regiones del país no cumplen con los requisitos mínimos de resistencia especificados para los materiales en las NTCM (González, 2006; Cárdenas et al., 2009; Sánchez et al., 2010, Basilia et al., 2010). Por otra parte, los requisitos mínimos de confinamiento especificados en dichas normas probablemente no sean los adecuados para el diseño fuera del plano de muros de mampostería en regiones de intensa actividad de huracanes. Lo anterior se debe a que dichos requisitos se basan en el comportamiento de muros de mampostería sujetoss a cargas laterales en el plano simulando cargas sísmicas. En general, los muros de mampostería se construyen en dos direcciones ortogonales en planta, por tanto, las cargas generadas por los huracanes pueden actuar de manera paralela o perpendicular al plano de los muros. Cuando la carga se aplica en dirección paralela se refiere al comportamiento en el plano y cuando se aplica perpendicular se refiere a las cargas fuera del plano de los muros. El comportamiento fuera del plano de muros de mampostería confinada ha sido poco estudiado en el país por lo que es necesario realizar nuevas investigaciones relacionadas con este tema. En este trabajo se evalúa el comportamiento de muros de mampostería confinada sujetos a incrementos de presiones uniformes fuera del plano. La variable de estudio fue la carga axial de los muros. Se ensayaron en el laboratorio tres muros a escala natural. Se reportan los patrones de agrietamiento, las curvas presión-desplazamiento horizontal de los muros y presión-desplazamiento vertical de las cadenas superiores, así como los mecanismoss de falla observados. 1 2 Profesorr del Cuerpo Académico de Estructuras y Materiales. Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán. Av. Industrias No Contaminantes por Anillo Periférico Norte s/n. A. P. 150 Cordemex, Mérida, Yucatán, México. Teléfono: (999) , extensiones 1021 y 1074; Fax: (999) ; vrivera@uady.mx, luis.fernandez@uady.mx Anteriormente: Estudiante de la Maestría en Ingeniería opción Estructuras de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán; mpolanco@nona acsa.com 1

2 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 METODOLOGÍA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ESPECÍMENES Se consideraron tres muros de mampostería confinadaa con una geometría de 3.67 m x 2.71 m (longitud x altura). La relación de aspecto de dichos muros fue de aproximadamente Los muros se construyeron utilizando bloques huecos de concreto con dimensiones nominales de 0.15 m x 0.20 m x 0.40 m (espesor x altura x longitud) ). Los bloques tienen tres celdas verticales. Los espesores de las paredes de las celdas son en promedio de 26 mm. El mortero utilizado fue 1:2:7 (cemento Portland: cal: arena), en proporción por volumen. El mortero se colocó tanto en las caras horizontales como las verticales de los bloques. En las primeras se colocó sobre las paredes de las celdas exteriores (paralelas a la longitud de los bloques) y en las segundass sobre toda el área, de acuerdo a la práctica en el sureste de México. Los espesores promedio de las juntas fueron dee 10 mm aproximadamente. Se consideraron tres niveles de carga axial. El primer muro (E-1) se ensayó sin carga axial, el segundo (E-2) con una carga axial que corresponde a una estructura de un nivel, y el tercero (E-3) con unaa carga axial que corresponde a una estructura de tres niveles. Las cargas axiales fueron de 0 kn, 36.3 kn y kn, respectivamente. El confinamiento de los muros consistió en cadenas y castillos de concreto reforzado con una sección transversal de 0.15 m x 0.20 m. La resistencia a la compresión axial especificada a de diseño del concreto fue de 15 MPa. El acero de refuerzo longitudinall consistió en barras de acero corrugadoo de 9.5 mm de diámetro, con una resistencia especificada a la fluencia de 420 MPa. El acero de refuerzo transversal consistió en estribos lisos de 6.2 mm de diámetro. La resistencia especificada a la fluencia para dicho acero fue de 232 MPa. La cantidad de acero de refuerzo longitudinal y transversal de los elementos confinantes see seleccionó para inducir la falla del panel de los muros. Se consideraronn apoyos simples en toda la periferia dee los muros. En la Figura 1 se presentan las dimensiones y la distribución de los bloques de los muros estudiados. Figura 1 Dimensiones y distribución de bloques en muros Antes de la construcción se realizaron pruebas a compresión axial de los bloquess de acuerdo con las normas NMX- para determinar sus correspondientes resistencias a compresión axial; las primerass de acuerdo con las normas NMX- C-036-ONNCCE (ONNCCE, 2004). A su vez, durante la construcción se tomaron muestras del mortero y concreto C-061-ONNCCE (ONNCCE, 2001) y las segundas con las NMX-C-083-ONNCCE (ONNCCE, 2003). En todos los casos anteriores se ensayaron seis muestras. Para la elaboraciónn del mortero y del concretoo se utilizó cemento portland compuesto 30-R (CPC-30R). DISEÑO DEL SISTEMA DE CARGAA E INSTRUMENTACIÓNN Los muros fueron ensayados bajo combinaciones de carga axial constante e incrementos de presiones uniformes hasta alcanzar la falla. La carga axial se aplicó utilizando dos sistemas conformados por vigas actuantes, vigas de repartición de carga y tensores, junto con dos actuadores hidráulicos de 117 kn (Figura 2). Dichos actuadores se conectaronn a un servo control mecánico para mantener la carga axial contante durante el ensaye. La presión fuera del plano se aplicó utilizando dos bolsas de aire, cada una con dimensiones de 3.0 m x 1.2 m (longitud x altura). Las bolsas se colocaron entre el muro espécimen y un muro de reacción de mampostería confinada (Figura 2) ). Los apoyos simples de los muros, localizados al centro y a lo largo de los castillos y las cadenas, consistieron en

3 tubulares de acero estructural (PTR 102 x 102 x 32 mm). A cada tubular se le colocó, a lo largo de su longitud, una barra redonda de acero de 19 mm de diámetro para permitir la rotación de los muros. Se colocaron conectores entre los muros especímenes y el muro de reacción consistentes en barras de acero roscadas de 13 mm de diámetro espaciadas uniformemente en la periferia (Figura 2). La presión en las bolsas de aire se midió utilizando transductores de presión. En la bolsa superior se utilizó un transductor de 17.2 kpa y en la inferior uno de kpa. Para verificar las fuerzas transferidas de las bolsas de aire al muro se utilizaron cuatro celdas de carga de tipo dona. Estas celdas se colocaron en la parte posterior del muro de reacción. Las capacidades de dichas celdas fueron de y kn. Durante los ensayes se verificó que las fuerzas obtenidas con las celdas de cargaa y los transductores de presión fueran similares. Los desplazamientos horizontales fueraa del plano se midieron utilizando 6 potenciómetros lineales de 100 mm. Los desplazamientos en el plano (horizontales y verticales) se midieron utilizando 12 potenciómetros lineales de 50 mm (Figura 3). Figura 2 Sistema de aplicación de cargas Figura 3 Distribución de potenciómetros lineales 3

4 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 RESULTADOS PRUEBAS DE MATERIALES La resistencia a compresión axial promedio de los bloques (f p ), morteros (f j ) Tabla 1. Las resistencias de los bloques fueron calculadas sobre el área total. y concretos (f c ) se presenta en la Tablaa 1 Resistencia a compresión axial de blo COMPORTAMIENTO DE MUROS Muro fp (MPa) E E E f j (MPa) oques mortero f c (MPa) os y concretos Las presiones reportadas en este trabajo correspondenn al promedio de las medidas con los transductores de presión. A su vez, los desplazamientos horizontales (fuera del plano) corresponden a los promedios medidos al centro de los muros (LP1 y LP2). Los desplazamientos verticales (en el plano) a los promedios medidos en la longitud media de la cadena superior (LP7 y LP8) (Figura 3). El patrón de agrietamiento final de los tres muros fue en general similar. A continuación se describe la propagación del agrietamiento para el muro E-2. El primer evento observado fuee la aparición de una grieta horizontal por flexión en la cara frontal (cara que no está en contacto con las bolsas de aire) localizadaa entre la sexta y séptima hilada de bloques (Figura 4-a). Posteriormente se formaron nuevas grietas horizontales y verticales en la zona central del espécimen (Figura 4-b). Dicha grietas, se propagaron de forma escalonada haciaa las uniones de castillos y cadenas (Figura 4-c). Se observaron algunas grietas diagonales en la cadena superior del espécimen. El patrón de agrietamiento final para el muro E-2 se representa en la Figura 4-d. (a) (b) (c) (d) Figura 4 Propagación del agrietamiento en el muro E-2

5 Durante el ensaye se observó también el agrietamiento de la cara posterior de los muros en contacto con las bolsas de aire. Se observaron grietas horizontales entre la cadena inferior y la primera hilada de bloques, y entre la décima y décima primera hilada de bloques. Se observó que la hilada superior permaneció unida a la cadena superior después de la falla. Las grietas verticales se observaron aproximadamente a 200 mm de loss bloques cercanos a los castillos. En la Figura 6 se presenta la curva presión desplazamiento horizontal obtenida para los especímenes E-1, E-2 y E-3. En la Figura 7 se presenta la curva presión-desplazamiento vertical para dichos muros. La resistencia fuera del plano al primer agrietamiento fue de 2.63 kpa, 4.26 kpa y kp, respectivamente. La resistencia máxima fuera del plano de dichos muros fue de 8.79 kpa, 17.32, kpa y kpa, respectivamente. La falla del muro E-1 se relacionó con la inestabilidad de los segmentos del muro. Dicha inestabilidad se debe a los desplazamientos horizontales generados por las presiones aplicadas a los muros. Al aumentar dichos desplazamientos los segmentos del muro, definidos por el patrón final de agrietamiento final, rotan como un mecanismo y eventualmente colapsan. La falla de los muros E-2 y E-3 se relacionaron con el aplastamiento de la mampostería en las paredes frontales de las celdas de los bloques de la hilada 11. Figura 5 Curvas presión-desplazamiento horizontal Figura 6 Curvas presión desplazamiento vertical DISCUSIÓN DE RESULTADOS Inicialmente, los esfuerzos máximos de tensión por flexión se encuentran al centro de la sexta hilada de bloques de ambos muros. La primera grieta horizontal se presentó entre la sexta y séptima hilada. Lo anterior se debe a que la resistencia a tensión de los bloques fue mayor que la adherencia en la junta. Por otra parte, se observó que la hilada superior permaneció unida a la cadena superior, lo cual se debe a que al colocar el concreto de la cadena superior se llenó también la parte superior de las celdas de los bloques de dicha hilada. La resistencia máxima fuera del plano de los muros fue aproximadamente del triple de la correspondiente de agrietamiento. Lo anterior muestra que si la resistencia de los muros se determina utilizando criterios elásticos asociados al primer agrietamiento sería conservador. Por otro lado, las resistencias fuera del plano son, desde el 5

6 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 punto de vista práctico, mayores que las presiones que se obtendrían para los muros de un análisis de cargas de viento en el sureste de México. Por ejemplo, para muros de viviendas localizadas en zonas costeras se pueden generar presiones en muros de barlovento entre 1.5 y 2.5 kpa. Para muros de bardas aisladas localizadas en dichas zonas se pueden generar presiones entre 3.0 y 5.0 kpa. Para reducir la resistencia fuera del plano se puede aumentar la altura o la longitud de los muros. Esta solución implica que desde el punto vista del diseño eólico los espaciamientos de castillos y cadenas podrían llevar a separaciones de elementos confinantes mayores a las máximas especificadas en las NTCM. Se debe considerar, sin embargo, que los espaciamientos de elementos confinantes pueden estar limitados por otras acciones. Por otro lado, se observó que al incrementar la carga axial se incrementa la resistencia máxima fuera del plano de los muros (Figura 5). Sin embargo dicho incremento está limitado por el aplastamiento de la mampostería. Los muros E-2 y E-3 tuvieron una resistencia fuera del plano de al menos dos veces mayor que la del muro E-1. Sin embargo, la resistencia fuera del plano de los muros E-2 y E-3 fue en general similar. El mecanismo de falla observado en el espécimen E-1 fue la inestabilidad de los segmentos del muro. Lo anterior se debe a que la rigidez de los elementos confinantes no fue lo suficiente grande para inducir el aplastamiento de la mampostería. Para el caso del muro E-2 y E-3, la carga axial restringe el desplazamiento vertical de la cadena superior y por tanto induce la falla por aplastamiento de la mampostería. El desplazamiento máximo vertical del muro E-1 fue mayor que el de los muros E-2 y E-3 (Figura 6). Estos dos últimos desplazamientos fueron en general similares a la falla (Figura 6). CONCLUSIONES Con base en los resultados experimentales de tres muros de mampostería confinada sujetos a carga axial y presiones uniformes fuera del plano se presentan las siguientes conclusiones: 1) La resistencia fuera del plano de los muros estudiados fue al menos tres veces mayor que la resistencia de agrietamiento. Por lo tanto, sería conservador determinar la resistencia de los muros de mampostería confinada utilizando criterios elásticos asociados al primer agrietamiento. 2) Al incrementar la carga axial se incrementa la resistencia fuera del plano de los muros. Este incremento está limitado por el aplastamiento de la mampostería. 3) El muro sin carga axial presentó una falla por inestabilidad de los segmentos, mientras que los muros con carga axial presentaron una falla por aplastamiento de la mampostería. Lo anterior se debe a la restricción al desplazamiento vertical que proporciona la presencia de la carga axial. REFERENCIAS Basilia Quiñónez E., Velázquez Dimas J. H., Reyes Salazar A., Leal Graciano M., López López D. (2010). Caracterización de las propiedades físicas y mecánicas de piezas y mampostería de block de concreto producido en la ciudad de Culiacán, Sinaloa. XVII Congreso de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural. León, Guanajuato, México. Cárdenas S., Licea R. y Orduña A. (2009). Caracterización física y mecánica de piezas y pilas de mampostería utilizadas en la zona conurbada Colima-Villa de Álvarez. XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica. Puebla, Puebla, México. Gaceta Oficial del D. F. (2004a). Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería, publicado el 6 de Octubre del Gaceta Oficial del D. F. (2004b). Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, publicado el 6 de Octubre del González Torres V. J. (2006), Determinación de la resistencia a compresión axial de la mampostería de bloques de concreto usada en Yucatán. Tesis de Maestría en Ingeniería opción Construcción, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán. Mérida, Yucatán, México.

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