PANORAMA DE LA MAMPOSTERÍA EN LOS EEUU DE AMÉRICA

Transcripción

1 PANORAMA DE LA MAMPOSTERÍA EN LOS EEUU DE AMÉRICA Prof. Richard E. Klingner Universidad de Texas en Austin 3er Simposio Nacional de Edificaciones de Mampostería y Vivienda Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Puebla, Puebla, MÉXICOM de Febrero 2004 Ferguson Structural Engineering Laboratory - The University of Texas at Austin 1

2 META - OBJETIVOS persuadirles a ver la mampostería desde perspectivas nuevas alentarles a usar la mampostería con más confianza retarles a usar la mampostería de una forma más honesta 2

3 EVITAR TENDENCIAS FATALES DE CUALQUIER PONENCIA CUYO TÍTULO TULO TIENE LA PALABRA PANORAMA un pábulo insípido de platitudes una lista inútil de provisiones normativas una serie somnífera de fotos vacacionales 3

4 OBJETIVOS DE PRESENTACIÓN Repasar el uso de la mampostería moderna en los EEUU de América materiales y configuraciones típicas base normativa ejemplos del uso exitoso contraste con la mampostería vieja no rehabilitada ejemplo del uso para vivienda social 4

5 LA PARADOJA DE LA MAMPOSTERÍA Todo el mundo vive bajo ella La suerte de muchos pórticos depende de ella Muchas veces se desprecia en el cálculo Se desconfía la calidad No se cuida en la construcción 5

6 LEMA FUNDAMENTAL Los edificios de mampostería deben ser puramente estructuras tipo muro. No son pórticos con toquecitos posteriores de mampostería. Si bien pueden llevar refuerzo en dalas y castillos, estos elementos no funcionan como vigas y columnas, sino como tensores. Los elementos de mampostería son más rígidos que los elementos de concreto que les rodean, y por lo tanto deben considerarse en el diseño estructural. 6

7 MATERIALES TÍPICAS T... Mampostería reforzada estructural unidades huecas, de concreto o arcilla cocida refuerzo vertical en celdas llenas de concreto líquido refuerzo horizontal en hiladas llenas de concreto líquido Mamposteria de fachada funciona simplemente como revestimiento unidades sólidas, sin refuerzo Mampostería confinada no se usa 7

8 Unidades... MATERIALES TÍPICAST concreto ( ASTM C 90 ) arcilla cocida ( ASTM C 62 o C 216 ) Mortero cemento, cal hidratada, arena y agua ASTM C 270 el caso omiso es por proporción Concreto Líquido cemento, arena, gravilla y agua ( revenimiento de 11 pulgadas ) el caso omiso es por proporción 8

9 unidades de concreto o de arcilla cocida refuerzo de acero concreto líquido... uso de materiales típicos de la mampostería reforzada concreto líquido mortero 9

10 CONFIGURACIONES TÍPICAST Sistema # 1 edificios bajos, tales como viviendas, pequeños centros comerciales, y edificios industriales Sistema # 2 edificios altos, tales como oficinas y viviendas multifamiliares Sistema # 3 edificios aporticados con fachadas de mampostería 10

11 Sistema # 1 ( edificios bajos )... Comportamiento básico Sistema estructural Configuración arquitectónica Detallamiento 11

12 por ejemplo... Sistema #1 escuela cerca de San Francisco, Califormia, EEUU 12

13 ... Sistema # 1 : comportamiento básico bajo cargas verticales muros longitudinales y transversales resisten cargas verticales según la orientación de apoyo del techo 13

14 ... Sistema # 1 : comportamiento básico bajo cargas laterales sísmicassmicas diafragma flexible de techo muros paralelos actúan an en su plano como muros a corte SISMO muros perpendiculares responden fuera de su plano a los movimientos de la losa y del techo 14

15 ... Sistema # 1 respuesta de muros perpendiculares diafragma del techo a(t) respuesta del techo franja vertical solicitada fuera del plano a(t) tiempo movimiento del terreno losa de cimentación tiempo 15

16 ... Sistema estructural # 1 Comportamiento últimamente frágil, pero fuerte Se mantiene esencialmente elástico Muros bajos de mampostería con refuerzo nominal Ensamblaje de diafragmas verticales ( muros ), ligados por diafragmas horizontales ( entrepisos ) 16

17 ... configuración arquitectónica # 1 Muros bajos de mampostería orientados en las dos direcciones principales de la estructura Diafragmas de techo o de entrepiso responden flexiblemente en su propio plano tienen que conectarse a los muros 17

18 ... detallamiento del Sistema # 1 Conexiones muro - techo Conexiones muro - muro 18

19 Sistema # 2 ( edificios altos )... Comportamiento básico Sistema estructural Configuración arquitectónica Detallamiento 19

20 un ejemplo... Sistema #2 hotel de 17 pisos, en Los Angeles, California, EEUU 20

21 ... Sistema # 2 : comportamiento básico bajo cargas verticales muros longitudinales y transversales resisten cargas verticales según la orientación de apoyo de los diafragmas horizontales 21

22 ... Sistema # 2 : comportamiento básico bajo cargas laterales sísmicassmicas diafragmas de entrepiso efectivamente rígidos en su plano muros paralelos actúan an en su plano como columnas, resistiendo volcamiento mediante su capacidad cortante y flectora SISMO muros perpendiculares, resistiendo volcamiento mediante su capacidad axial 22

23 ... Sistema estructural # 2 Muros de mampostería reforzada Muros ligeramente acoplados por elementos de entrepiso Muros cuyo comportamiento es dúctil y gobernado por flexión 23

24 ... configuración arquitectónica # 2 Múltiples muros de mampostería continuos a lo alto de la estructura repartidos uniformemente en la planta orientados en las dos direcciones principales de la estructura 24

25 ... detallamiento del Sistema # 2 Detallamiento dúctil de los muros Diseño por corte de los muros 25

26 Sistema # 3 ( edificios aporticados ) Comportamiento básico Sistema estructural Configuración arquitectónica Detallamiento 26

27 un ejemplo... Sistema #3 edificio universitario, Los Angeles, California, EEUU 27

28 ... Sistema # 3 : comportamiento básico bajo cargas verticales fachada de mampostería, que no contribuye estructuralmente columnas del pórtico resisten cargas verticales 28

29 ... Sistema # 3 : comportamiento básico bajo cargas laterales sísmicassmicas diafragmas de entrepiso efectivamente rígidos en su plano acción de pórtico SISMO fachada de mampostería, que no contribuye estructuralmente 29

30 ... Sistema estructural # 3 Pórticos bi - o tri - dimensionales Comportamiento dúctil 30

31 ... configuración arquitectónica # 3 Pórticos de concreto o acero continuos a lo alto de la estructura repartidos uniformemente en la planta orientados en las dos direcciones principales de la estructura tal vez con muros cortantes de concreto o pórticos arriostrados de acero para reducir derivas 31

32 ... detallamiento del Sistema # 3 Conexiones entre mampostería y pórtico Brecha sísmicasmica entre mampostería y pórtico De no existir suficiente brecha sísmicasmica, es imprescindible incluir los efectos de la mampostería, tanto en la respuesta global del sistema, como en el reparto interno de las fuerzas sísmicassmicas, y en la demanda de deriva local 32

33 BASE NORMATIVA Normas de diseño Especificaciones sobre materiales unidades, mortero, concreto líquido, accesorios ( refuerzo, conectores ) Especificaciones sobre ensayos esenciales muretes Aseguramiento de calidad en la obra materiales mano de obra 33

34 proceso normativo en los EEUU de América no hay norma nacional el proceso normativo es complejo organizaciones técnicast códigos modelos personería jurídica al adoptarse por jurisdicciones locales gubernamentales 34

35 normas sobre mampostería a en los EEUU proceso ANSI ( balance de intereses, balotas por escrito, resolución n de Negativos, comentario publico ) Organizaciones Técnicas BSSC Norma y Especificación ASTM MSJC Otros Códigos C Modelos ICC ( International Building Code ) ( adoptados por autoridades locales Building Code ( personería a jurídica ) ( contrato entre la sociedad y el ingeniero ) Especificaciones Materiales ( parte de un contrato civil entre dueño o y contratista ) 35

36 características de las provisiones MSJC las provisiones MSJC son anchas unidades de arcilla, concreto, vidrio, y algunos tipos de piedra mampostería a estructural y fachadas diseño o por resistencia, por esfuerzos admisibles, y empírico las normas MSJC pueden servir la mayoría de necesidades por mampostería 36

37 organización de la Norma MSJC... Ch. 1 - General Requirements MSJC Specification Ch. 2 Ch. 3 Ch. 4 Allowable Strength Prestressed Stress Design Masonry Design General SD RM URM General ASD URM RM Ch. 5 Ch. 6 Empirical Veneer Design General Anchored Adhered Ch. 7 Glass Block 37

38 ... el Capítulo 3 de diseño por resistencia mampostería no reforzada y reforzada capacidades nominales factores de disminución de capacidad y de mayoración de carga control estricto de cuantía máxima de refuerzo flector 38

39 ε s = 5 ε ye Carga Axial Refuerzo... control estricto de cuantía máxima de ε mue refuerzo flector mue = concreto arcilla 1.25 f ye Ubicar eje néutro por las deformaciones unitarias Calcular fuerza compresiva, C Refuerzo + Carga Axial = C 39

40 Norma vinculación n entre Norma y Especificación MSJC... Provisiones de diseño o en los Capítulos 2 a 7 Las Secciones y 1.14 requieren un programa de aseguramiento de calidad de acuerdo con la Especificación La Sección 1.4 invoca la Especificación Especificación verificar cumplimiento con el f m especificado cumplir con el programa de aseguramiento de calidad cumplir con los productos y mano de obra especificados 40

41 organización de la Especificación MSJC... MSJC Code MSJC Specification Part 1 General Part 2 Products Part 3 Execution 1.6 Quality assurance Mortar Grout 2.3 Masonry Units 2.4 Reinforcement 2.5 Accessories 2.6 Mixing Fabrication Inspection Preparation 3.3 Masonry erection 3.4 Reinforcement 3.5 Grout placement 3.6 Prestressing 3.7 Field quality control Cleaning 41

42 para más m s información Seminarios TMS ACI sobre la Norma y Especificación n MSJC sitios web TMS = ACI = int.org ASCE / SEI = MSJC = klingner@mail.utexas.edu 42

43 RESPALDO TÉCNICO T PARA LA CONFIABILIDAD DE LA MAMPOSTERÍA A MODERNA Programa TCCMAR, con patrocinio del gobierno estadounidense Experiencia en sismos fuertes 43

44 El programa TCCMAR... Bosquejo Un proyecto específico sobre muros cortantes con aperturas ( la Universidad de Texas en Austin ) 44

45 ... TCCMAR ( ) Patrocinado por la NSF Investigación integrada experimental y analítica, desarrollada para sentar las bases para un código estado límite de mampostería Investigación conducida por universidades y la industria privada 45

46 muros cortantes de dos pisos, con aperturas... investigaciones TCCMAR en la Universidad de Texas en Austin 46

47 .. investigaciones TCCMAR en la Universidad de Texas en Austin especímenes a escala completa, solicitados en el plano por carga cíclicaclica alternante 47

48 3... investigaciones TCCMAR en la Universidad de Texas en Austin diseño por mecanismo capacidad estable contra corte 1 refuerzo flector consistente con la ubicación deseada de rótulas plásticas 2 48

49 ... refuerzo flector consistente con mecanismo deseado Mecanismo tipo muros acoplados Si el mecanismo involucra rótulas plásticas en la base y en los dinteles, hay que poner menos acero flector allí, y más en los lugares que deban mantenerse elásticos. mucho refuerzo flector por las aperturas poco refuerzo flector en la base 49

50 ... diseño por capacidad contra corte V máx L M n El corte máximo en cada elemento depende sólamente de la capacidad flectora y del largo del elemento El momento máximo en cada elemento depende no de las acciones de diseño, sino de la capacidad flectora M n V máx V máx = 2 M n / L 50

51 comportamiento estable histerético tico... resultados corte - deriva 51

52 envolvente corte - desplazamiento de análisis no lineal con elementos finitos... estudios analíticos para R, C d BASE SHEAR VERSUS TIP DISPLACEMENT Base Shear, kips Tip Displacement, inches 52

53 respuesta dinámica del sistema equivalente de un sólo grado de libertad... estudios analíticos para R, Cd BASE SHEAR VERSUS TIP DISPLACEMENT (LPM/I) Base Shear, kips Tip Displacement, inches 53

54 Experiencia en sismos fuertes... Loma Prieta ( 1989 ) Northridge ( 1994 ) 54

55 por ejemplo... Loma Prieta (1989) escuela que resistió ordenadas espectrales del orden de 0.7 g 55

56 por ejemplo... Northridge (1994) hotel de 17 pisos, que resistió ordenadas espectrales del 0.20 g sin estar fuera de servicio 56

57 por ejemplo... Northridge (1994) edificio universitario, Los Angeles, California, EEUU, que resistió ordenadas espectrales del 0.20 g sin estar fuera de servicio 57

58 CONTRASTE CON LA MAMPOSTERÍA A VIEJA NO REHABILITADA falta de estructuración falta de calidad constructiva comportamiento pésimo necesidad de rehabilitación 58

59 comportamiento pésimo de estructuras viejas de mampostería no reforzada... Loma Prieta (1989) 59

60 comportamiento pésimo de viejas estructuras de madera con fachada de mampostería no reforzada... Loma Prieta (1989) 60

61 ... Northridge (1994) comportamiento pésimo de chimenéas de mampostería con mala construcción 61

62 ... rehabilitación de la mampostería vieja arriostramiento de parapetos en voladizo conexiones mecánicas entre muros y diafragmas horizontales revisión de estabilidad de muros fuera de plano aumento de integridad de mampostería mediante inyección de concreto líquido 62

63 ... medidas de rehabilitación sísmicasmica arriostrar parapetos vincular muros a diafragmas horizontales 63

64 EJEMPLO DEL USO DE LA MAMPOSTERÍA A MODERNA PARA VIVIENDA SOCIAL EN EL PASO, TEXAS, EEUU Con reconocimiento a la Corporación GEO ( México M, DF, MÉXICO M ), y con aprecio colegial al Ing. Álvaro Pérez Gómez Ing.. Francisco Flores Cruz Arq.. Roberto Cruz y Serrano 64

65 objetivos del ejemplo repasar unas opciones para la vivienda social en los EEUU de América repasar la planificación, diseño y construcción de una comunidad de vivienda social en El Paso, Texas, EEUU usar esa comunidad como ejemplo de una aplicación eficaz de la mampostería portante en la vivienda social 65

66 opciones EEUU para la vivienda social apartamentos privados alquiler $400 - $600 cada mes, ningún activo casas móviles letras $400 - $600 cada mes, altas tazas de interés, hipoteca tipo inmueble ( la casa puede quitarse legalmente por morosidad ) vivienda ocupada por el dueño letras normalmente por lo menos $1000 cada mes ( principal, interés, impuestos, seguro ) algunos subsidios disponibles 66

67 un modo de controlar el costo de vivienda ocupada por el dueño... uso eficaz de terreno disponible uso eficaz de espacio interior diseño y construcción eficaces resultado precios finales de venta ( incluyendo el terreno ) de unos $50 por pie cuadrado de espacio vivible letras finales mensuales de $400 a $600 67

68 uso eficaz de terreno disponible arreglo cuidadosamente planificado comodidad de vida estética tica uso eficaz de espacio compartido 68

69 uso eficaz de espacio interior... uso eficaz de espacio interior viviendas chicas, hasta con múltiples alcobas para familias con niños arreglo tipo duplex layout ( dos viviendas en un solo solar, separadas por un muro compartido ) Casa Tipo D 69

70 ... uso eficaz de espacio interior Tipo de Casa Área, m 2 Precio de Venta, $ EEUU Descripción A 67.3 $38,900 2 alcobas,, 1 baño, conexiones para lavadora / secadora, guardarropa integral, calefacción y aire acondicionado, cocina, estacionamiento fuera de la calle para 2 carros B 84.7 $45,900 3 alcobas,, 1 baño,,... C $53,990 3 alcobas,, 2 baños os,,... D $55,990 3 alcobas,, 1 sala familiar, 2 baños os,... 70

71 diseño y construcción eficaz... bosquejo muros portantes de mampostería de concreto, con elementos prefabricados de entrepiso y techo elementos de mampostería y concreto fabricados en obra, detalles estándar, y construcción industrializada sistema estructural diseño materiales constructivos métodostodos constructivos 71

72 ... diseño y construcción eficaz muros portantes exteriores e interiores de mampostería unidades huecas de 15 cm, parcialmente llenas con concreto líquido refuerzo vertical en celdas llenas aislamiento térmico de poliestireno inyectado en las demás celdas refuerzo horizontal en hiladas llenas con concreto líquido cumplen requisitos para estética tica, protección del intemperie, sistema estructural, aislamiento témico y acústico, resistencia pasiva contra incendio, y bajo costo de mantenimiento 72

73 diseño eficaz... efectuado en 1995 mediante normas mexicanas entonces vigentes revisado con el 1995 Southern Standard Building Code, el 1995 MSJC Code, y el ACI aprobado por la Ciudad de El Paso 73

74 diseño de muros portantes... diseño eficaz apoyo fuera de plano de diafragmas rígidos de entrepiso cargas de gravedad solicitaciones en y fuera del plano de sismo y viento varillas # 3 ( 9 mm ) en 1.3 m, refuerzo tipo escalerilla cada dos hiladas dinteles prefabricados de concreto aislamiento térmico R = 11 para muros portantes exteriores 74

75 diseño de losas elevadas viguetas prefabricadas de concreto bovedillas de poliestireno... diseño eficaz recubrimiento de concreto vaciado en sitio encima de bovedillas aislamiento térmico R = 22 para techos recubrimiento vaciado en sitio bovedillas de poliestireno viguetas prefabricadas de concreto 75

76 ... construcción eficaz materiales constructivos la comunidad se ubica cerca de agregados apropiados cemento disponible en bulto planta cercana para concreto, viguetas y dinteles prefabricados, unidades de mamposteria, y adoquines unidades de mampostería de concreto con aditivo hidrófugante integral, para impartir alta resistencia al agua, sin pintura ni capas protectoras 76

77 ... construcción eficaz métodos constructivos obras civiles por subcontratistas plantilladas para colocar muros y refuerzo detalles de refuerzo y secuencias constructivas estándar 10 cuadrillas constructivas cada cuadrilla terminó dos casas ( una unidad duplex ) cada mes se construyeron 430 casas en unos 2 años, después de completarse las obras civiles 77

78 resultados... casa típicat Tipo D 78

79 ... resultados vista global de communidad de vivienda social 79

80 CONCLUSIONES GLOBALES la mampostería moderna representa un elemento digno en el armamentario del diseñador estructural contra sismos y los demás estragos de la naturaleza sobre una buena base de materiales confiables, normativa bien pensada, y la buena construcción, la mampostería moderna sí puede usarse honestamente, con confianza y con éxito en los dos EEUU 80

81 Gracias por su atención 81