ENSAYOS DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA

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1 ENSAYOS DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA Autores: Francisco Zabala (*) José Luis Bustos (*) Alberto R. Masanet (*) Jorge R. Santalucía (*) (*) Instituto de Investigaciones Antisísmicas. Universidad Nacional de San Juan. Avenida Libertador General San Martín 129 (o) C.P.54 San Juan Argentina. TelFax: RESUMEN: En este trabajo se muestran resultados de ensayos de muros de mampostería encadenada y mampostería con armadura distribuida en escala real y algunas propuestas para mejorar su comportamiento bajo cargas sísmicas. La mampostería encadenada o confinada es una tipología estructural muy usada en América Latina y en la zona sísmica argentina en edificios de vivienda, y consiste en el uso de vigas y columnas de enmarcado para confinar muros que se construyen con diferentes tipos de mampuestos. La armadura vertical se provee solo en las columnas de encadenado y puede colocarse armadura horizontal en las hiladas. El comportamiento de este tipo de estructuras durante la ocurrencia de un sismo destructivo es complejo y sus propiedades de rigidez, resistencia y capacidad de deformación son altamente variables según el diseño adoptado y las características de los materiales. Tiene especial importancia el comportamiento en el rango plástico y la conservación de la resistencia y la capacidad de disipación de energía en ciclos de carga sucesivos. Se realizaron 6 ensayos sobre modelos de mampostería encadenada utilizando ladrillos cerámicos macizos, un ensayo de un modelo de mampostería encadenada utilizando mampuestos de suelo cemento y un modelo de muro de blocks de hormigón con armadura distribuída. Los modelos constan de un vano y un nivel y fueron ensayados hasta alcanzar su capacidad resistente última en la losa de carga y muro reactivo del Instituto de Investigaciones Antisísmicas. El diseño de los modelos de ladrillos cerámicos macizos se realizó a partir de un proyecto de edificio típico destinado a vivienda, de acuerdo a las Normas Argentinas InpresCirsoc 13, y construido siguiendo las prácticas habituales de nuestra zona. El muro ensayado de mampuestos suelo cemento, fue construido por el Instituto Provincial de la Vivienda de la Provincia de San Juan con el objeto de utilizarlo en viviendas rurales que reemplacen viviendas de adobes. El muro de blocks de hormigón se diseñó a partir de un proyecto de vivienda de acuerdo a las Normas antes mencionadas. Es de hace notar que las viviendas construidas en nuestra provincia con este sistema es muy reducido. Se describe en forma sintética el comportamiento de los modelos durante los ensayos, rigidez inicial, resistencia, modo de falla y capacidad de deformación plástica. 1

2 1. INTRODUCCIÓN: ENSAYOS DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA Las estructuras de mampostería encadenada tienen ventajas de tipo económico en construcciones de vivienda y se aplican normalmente en la zona sísmica argentina en edificios de hasta tres pisos. Están compuestas usualmente por muros en dos direcciones ortogonales principales unidos por los entrepisos y el techo de hormigón armado. En este sistema estructural la acción sísmica representada por fuerzas laterales aplicadas en cada piso y en el techo, es resistida por un mecanismo de muros, muchas veces acoplados por dinteles y antepechos, conectados por losas que actúan como diafragmas indeformables, capaces de repartir dichas fuerzas laterales en proporción a las rigideces relativas de los muros. Es posible estimar en forma simple la resistencia teórica a flexión de un muro de mampostería encadenada teniendo en cuenta la armadura vertical y la carga normal que soporte el muro a partir de un diagrama de deformaciones plano y el valor de tensión de fluencia del acero vertical. La resistencia al agrietamiento por corte y la resistencia máxima en cambio resultan más inciertas, porque dependen de varios factores como: la calidad del mampuesto, el mortero de asiento, la calidad de la mano de obra, el esfuerzo normal, la cantidad de acero vertical en las columnas y el acero horizontal. Las condiciones de ejecución de los mampuestos y de los muros son muy variables por lo que existe un alto grado de dispersión en los valores de los parámetros de diseño. 2. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS: 2.1. Muros de Ladrillos cerámico macizo: Con el objeto de obtener conocimientos sobre el comportamiento bajo cargas laterales de los muros de mampostería encadenada que se utilizan en la zona sísmica Argentina se ensayaron, en la losa de carga del Instituto de Investigaciones Antisísmicas de la Universidad Nacional de San Juan, una serie de 6 muros construidos con ladrillo común artesanal de 18 cm de espesor y columnas de encadenado de hormigón amado de 2 cm por el ancho del muro. Para diseñar los modelos a ensayar se estudiaron algunos proyectos tipo de edificios de viviendas construidos por el Instituto Provincial de la Vivienda de San Juan. Las dimensiones adoptadas se muestran en la Figura 1 y la disposición de armaduras se muestra en la Figura 2. Los materiales utilizados se estudiaron mediante ensayos de muretes y pilas según la Norma Inpres Cirsoc 13 [1]. Un resumen de estos ensayos se muestra en la tabla 1. Tabla 1. Resumen de ensayos en pilas y muretes. Mortero σ m [MN/m 2 ] σ c [MN/m 2 ] τ m [MN/m 2 ] Resistencia Normal 4,1 2,7,22 (1:1:5) Resistencia Intermedia 5, 2,9,28 (1:1/2:4) Resistencia Elevada 8,7 6,1,31 (1::3) σ m : Resistencia media a la compresión de pilas. σ c : Resistencia característica a la compresión de pilas. τ m : Resistencia media a la compresión diagonal de muretes. 2

3 Ladrillón: resistencia media 82 kg/cm 2, resistencia característica 45 kg/cm 2. Módulo de elasticidad medio medido en ensayos de pilas: E=16kg/cm 2 3, m,2 2,6,2,2,2 2,6 3,,2,5,5 3,8,7 Figura 1. Dimensiones del modelo. 4 Acero ADN Ø4.2 c/ Ø4.2 c/1 cm φ 12 Estribos φ 8 c/1 cm 3 φ Figura 2. Armaduras y detalles de armado muros 1 y 2. 3

4 Los muros se ensayaron manteniendo carga vertical constante y permitiendo el giro libre del extremo superior. La carga vertical se impuso mediante dos actuadores hidráulicos servocontrolados verticales a través de una viga metálica. Los ensayos se desarrollaron aplicando desplazamientos laterales cíclicos, que se miden y controlan con un sensor de desplazamiento horizontal. Un esquema de la disposición del ensayo y de la instrumentación utilizada se muestra en la figura 3. La instrumentación se compone de: sensor de desplazamiento para el control de desplazamiento horizontal (L.V.D.T. 1), sensores de desplazamiento en dirección vertical a ambos lados del modelo (L.V.D.T 2 y 3), sensores de desplazamiento en la dirección de las diagonales del modelo (L.V.D.T. 4 y 5), celdas de carga en serie, con los actuadores y puntos de medición de deformaciones en el acero mediante bandas extensométricas Muro de Ladrillos de suelocemento: Figura 3. El Instituto Provincial de la Vivienda de la Provincia de San Juan está desarrollando una alternativa para la construcción de viviendas económicas que se basa en el uso de mampuestos de suelo cemento. A solicitud del I.P.V. se ensayó un muro a escala 1:1 con el objetivo de obtener conocimientos sobre el comportamiento bajo cargas laterales de muros de mampostería encadenada armada construidos con mampuestos de suelocemento. El muro fue construido con mampuestos de 15 cm de espesor (28xcm15cmx7.5cm), columnas y vigas de encadenado de hormigón armado de 15 cm por el ancho del muro. Las dimensiones del panel ensayado fueron de:,15m de espesor, 3m de ancho y 3m de alto. Los materiales y mano de obra que se utilizaron para construir el modelo fueron provistos por el Instituto Provincial de la Vivienda. Los mampuestos se fabricaron en la dosificación de 1:6:3 (Cemento: Suelo: Arena) y se asentaron también con suelo cemento. La armadura de los encadenados está formada por 4 barras de 8mm de diámetro, con estribos diámetro 4,2 mm 4

5 cada 2 cm y densificados según establece la Norma INPRES CIRSOC 13. La armadura horizontal consistió en 2 barras de diámetro 4,2mm cada 5 cm, ancladas en los encadenados verticales y alojadas en mortero de cemento (1 de cemento por 3 de arena). La metodología de ensayo fue idéntica a la descripta para los muros de ladrillo cerámico macizo, pero con una carga vertical mucho menor simulando el peso de una cubierta liviana Muros de Ladrillos de blocks de hormigón: Se han construido 7 muros utilizando mampuestos de bloks de hormigón con distintas alternativas de armadura distribuida. En la Figura 4 se detallan las dimensiones de los modelos, y en la Figura 5 el detalle de armado. 3 cm cm 7 Figura 4. Figura 5 5

6 En la siguiente tabla se detallan las armaduras que se han utilizado en los primeros 6 modelos construidos. Tabla 2 Armaduras utilizadas. MURO Espesor (cm) Tipo Armadura Horizontal Armadura Vertical 1 19 Liso 4 x 2 φ 8 4 x 2 φ Liso 4 x 2 φ 12 4 x 2 φ Split 4 x 2 φ 12 4 x 2 φ Liso 4 x 2 φ 16 4 x 2 φ Liso 4 x 2 φ 16 4 x 2 φ Liso 4 x 2 φ 1 4 x 2 φ Liso 4 x 2 φ 8 2 x 2 φ 1 (extremos) + 5 x 1 φ 8(Dist.) Los blocks de la parte inferior fueron perforados para colar el mortero de la armadura vertical como se muestra en la foto de la Figura 6. Figura 6. Se ha ensayado el muro 1 utilizando la misma metodología que en los muros anteriores, y de los cuales se detallan los resultados. 3. ANÁLISIS DE RESULTADOS: 3.1. Muros de Ladrillos cerámicos macizos: En la Tabla 3 se muestra un resumen de las características de los seis muros ensayados: armaduras verticales en las columnas y horizontales en las hiladas, esfuerzo normal, resistencias teóricas de flexión, resistencia al corte estimada utilizando las expresiones de la norma InpresCirsoc 13 y las resistencias máximas medidas en los ensayos. Los valores de resistencia teórica a flexión, que varían con el esfuerzo normal y la armadura vertical de las columnas de encadenado, están calculados considerando la aplicación del esfuerzo horizontal a nivel del actuador y el valor nominal de fluencia del acero (42 MN/m2). 6

7 Muro Armadura vertical. Tabla 3. Características de los muros ensayados. Armadura Esfuerzo Horizontal. Normal. [kn] Resistencia teórica a flexión.(1) [kn] Resistencia estimada Al corte. (2) [kn] Resistencia máxima medida. [kn] φ 1 (3.12 cm 2 ) φ 1 (3.12 cm 2 ) φ 16 (8.5cm 2 ) φ 16 (8.5cm 2 ) φ 8 (2.1 cm 2 ) 4 φ 8 (2.1 cm 2 ) 2 φ 6 c/ 2 hiladas (3.1 cm2/m) 2 φ 6 c/ 2 hiladas (3.1 cm2/m) (3) (3) 169 Notas : (1) Fuerza horizontal a nivel del actuador para la capacidad teórica de flexión del muro considerando el esfuerzo normal aplicado y βs=42 MN/m2 (tensión de fluencia del acero) (2) Vur = (.3 σ +.6 τ mo) [1]. Donde σ: tensión de compresión actuante. τmo: resistencia a compresión diagonal de murete. Esta resistencia se estimó basándose en ensayos de compresión diagonal τmo=.3 MN/m2 (3) Resistencia al corte correspondiente a la armadura horizontal. Los muros 1 y 2 tienen una armadura vertical que genera una capacidad a flexión algo mayor que la resistencia al corte estimada utilizando las expresiones de la norma InpresCirsoc 13. En el caso de los muros 3 y 4 la capacidad a flexión es varias veces mayor que la resistencia al corte y en el tercer grupo de muros (5 y 6) la armadura vertical se redujo y se agregó armadura horizontal para asegurar que la resistencia al corte fuera mayor que la de flexión. Durante los ensayos de los muros 1 a 4 se observó un patrón de agrietamiento similar al que se indica en la sucesión de la Figura 8, en el que se combinan agrietamiento diagonal y separación parcial de las columnas de encadenado. Estos muros, cuya falla es claramente por corte, mantienen su resistencia para deformaciones de hasta 2 mm como puede observarse en el gráfico de la Figura 7 que resume las envolventes de ensayo. Ninguno de estos cuatro muros alcanzó su resistencia teórica de flexión y el estado final está controlado por la resistencia al corte de las columnas ya que el agrietamiento diagonal para grandes desplazamientos se propaga a estas. No se produjo rotura por compresión ni el vaciamiento del panel agrietado (Figuras 9 y 1). 7

8 25 P[kN] Muro 1 Muro 2 Muro 3 Muro 4 Muro 5 Muro Def.[mm] Figura 7. Curvas envolventes de los ensayos. Los muros 1 y 2 tienen una rigidez inicial y carga de agrietamiento similar a los 3 y 4. Estos últimos alcanzan mayores valores de carga horizontal máxima debido a un mecanismo mixto de reticulado y pórtico en el que la carga de compresión en la diagonal de mampostería está limitada solo por la resistencia al corte de la columna de encadenado, ya que el acero vertical no alcanza la fluencia por tracción. La capacidad a flexión y a corte de la rótula plástica en la columna son mayores en estos muros que en los 1 y 2. Se verificó además mayor separación entre columna y panel. Los muros 5 y 6, cuya resistencia al corte es claramente mayor que la de flexión, alcanzaron, por el endurecimiento del acero vertical, resistencias substancialmente mayores que la resistencia teórica de flexión. Los ciclos de desplazamientos crecientes muestran que estos muros (Figuras 11) sostienen su resistencia y mantienen su capacidad de disipación de energía para desplazamientos mayores que en el caso de los muros 1 a 4. El agrietamiento se produce por flexión y no existe separación entre columna y panel (Figura 13). El estado final está controlado nuevamente por la resistencia al corte de la columna en correspondencia con la viga de encadenado. La Figura 12 muestra la totalidad de los ciclos de desplazamiento aplicados para el muro 6, cada desplazamiento objetivo se aplicó dos veces y es posible observar la disminución de rigidez para el mismo desplazamiento en el segundo ciclo de carga. 8

9 MURO2 cargadeformación Ca rg a La t.[t n] MURO2 cargadeformación Car ga Lat. [tn] M URO2 cargadesplazam iento Carga Lat.[tn] MURO2 cargadesplazamiento Carga Lat.[tn] M URO 2 cargadeform ación Carga Lat.[tn] M U R O 2 carg ad efo rm a ció n 1 5 Carga Lat.[tn] Desp.[m m ] Figura 8. Secuencia de ensayos y progresión de daños para el muro 2. 9

10 Figura 9. Estado final de agrietamiento para el muro 4. Figura 1. Rotura de columna por corte en el muro 1. 1

11 Carga Lat.[kN] Carga Lat.[kN] Carga Lat.[kN] Carga Lat.[kN] Carga Lat.[kN] Carga Lat.[kN] Figura 11. Secuencia de ensayo y progresión de daños para el muro 6. 11

12 MURO 6 cargadeformación 15 1 Carga Lat.[kN] Figura 12. Ensayos en el muro 6. Figura 13. Estado final del muro 6. 12

13 Conclusiones: La norma InpresCirsoc permite una estimación razonable de la resistencia del muro, a partir de la resistencia en el ensayo de compresión diagonal en muretes, para cuantías bajas de armadura en las columnas de encadenado que no proporcionen capacidades mayores a flexión que a corte (Tabla 3). Para cuantías mayores la resistencia está condicionada por la resistencia al corte de la columna de enmarcado y el nudo. La norma debería requerir el diseño por capacidad de armaduras de las columnas y el nudo teniendo en cuenta el corte máximo que puede inducir la biela comprimida que se forma en el panel agrietado. Para este tipo de mampuesto es poco probable una falla de compresión de esa biela y por lo tanto el esfuerzo está limitado por la armadura vertical de las columnas. Las armaduras transversales en las zonas críticas de columnas y vigas de encadenado que se colocan normalmente en la práctica argentina son insuficientes para resistir estos esfuerzos de corte. La colocación de armadura horizontal con cuantía suficiente (.18 %) para controlar el agrietamiento diagonal y aumentar la resistencia al corte, junto con cuantías bajas de acero vertical, permitió modificar radicalmente el modo de falla de los muros ensayados y aumentar la rigidez inicial y la capacidad de deformación plástica. La norma InpresCirsoc debería incluir la posibilidad de tener en cuenta el acero horizontal en el cálculo de la resistencia al corte del muro. Se debe notar que la armadura que se colocó en los muros ensayados es mucho mayor que la mínima que recomienda la norma (2 φ 4.2 c/5 cm). Las rigideces secantes de muros sin armadura horizontal, para una deformación del 1 por mil, pueden estimarse en forma simple considerando la sección del muro como homogénea sin agrietamiento. En cambio, para los muros con armadura horizontal en los que la columna de encadenado y el panel no se separan, es posible estimar la rigidez inicial teniendo en cuenta la sección transformada y agrietada de las columnas de encadenado Muro de Ladrillos suelo cemento: Con la aplicación de los primeros valores de distorsión el agrietamiento inicial fue horizontal y a través de la interfase de separación entre el mortero y mampuesto. Las juntas horizontales ubicadas por debajo de las juntas con armadura presentaron mayor agrietamiento. Cuando se aumentó el desplazamiento lateral, se observó un agrietamiento diagonal escalonado entre las juntas con armadura horizontal y a través de la interfase mortero mampuesto como se muestra en la Foto de la Figura 14. Este comportamiento se repitió y acentuó en toda la altura del muro a medida que se impuso sucesivamente mayor desplazamiento lateral. En la etapa final del ensayo, para una deformación lateral de 3 mm, se propagaron las fisuras de la mampostería a un extremo inferior y a otro superior de cada columna de encadenado. Para estos niveles de deformación se produjo una separación en la interfase de la mampostería con el encadenado vertical. Las armaduras horizontales se cortaron cuando se alcanzó la deformación lateral de 4 mm. Durante la realización del ensayo no se produjo el vaciamiento del panel agrietado y tampoco la expulsión o caída de mampuestos o trozos de estos. En la Figura 16 se muestran los gráficos carga deformación para la totalidad de los ciclos de desplazamiento aplicados al muro. Cada desplazamiento objetivo se aplicó dos veces y es posible observar una fuerte disminución de la rigidez en el segundo ciclo de carga. 13

14 Figura 14. Agrietamiento del modelo para deformación lateral de 3mm. Una vez agrietado el muro presenta rigidez inicial baja, como se puede observar en las curvas carga deformación, debido a la baja resistencia friccional de la junta horizontal. La rigidez para bajos desplazamientos se reduce prácticamente a la rigidez a flexión de las columnas de encadenado. La rigidez del conjunto cambia para desplazamientos sucesivamente mayores, con un marcado aumento de pendiente, debido a que el panel se apoya en las columnas y se forma la biela de compresión diagonal (mecanismo de reticulado). La carga alcanzada para una deformación de 4 mm fue de 9.6 t que corresponde a una tensión nominal de corte de aproximadamente 2 kg/cm2. La rigidez secante para esa deformación fue de 2.4 t/cm. Para una deformación de 1 mm la rigidez secante fue de 2.8 t/cm. En la figura 17 se muestra el registro de la banda extensométrica pegada sobra la armadura de la columna derecha para los distintos ensayos. Se puede observar que para el ensayo de 7mm de desplazamiento lateral se llega al 2% de deformación de la barra para una carga lateral de 3tn aproximadamente. Para el ensayo correspondiente a 4mm de deformación lateral, el registro indica una deformación de 4,8 % para una carga lateral de 9,5tn. Figura 15 Agrietamiento final del modelo. 14

15 cargadesplazamiento 1 6 Carga Lat.[tn] mm 3mm 2mm 15mm 1mm 7mm 5mm 4mm 3mm 2mm 1mm Figura 16 Curvas Carga Deformación. 1 Carga lateral[tn] 1.5mm 3mm 5mm 5 1mm 2mm 3mm 4mm 7mm Def. esp. barra columna[%] Figura 17 Registro Bandas Extensométricas. Conclusiones: 1 La rigidez observada en los ensayos es muy baja si se la compara con resultados obtenidos para muros de mampostería de ladrillón. La rigidez secante para el 1/1 de distorsión es del orden de diez veces menor que la rigidez media de muros de ladrillón de las mismas dimensiones ancho y alto. 2 La resistencia de la interfase mortero mampuesto es muy baja debido a la utilización de suelocemento para asentar los mampuestos y por lo tanto la carga de agrietamiento inicial también es baja comparada con muros de mampostería de ladrillón. 3 La armadura horizontal ha resultado efectiva para disminuir y distribuir el agrietamiento diagonal. Se considera que se debe exigir su uso. 15

16 4 No se produjo el vaciamiento del panel agrietado durante los ensayos y tampoco la expulsión o caída de mampuestos o trozos de estos. 5 Se estima que es posible utilizar el muro como elemento de cierre en viviendas económicas con techo liviano. No se considera conveniente su aplicación para viviendas en que se utilice una losa de hormigón armado para el techo ya que, aunque es posible configurar un sistema resistente, el nivel de aceleración sísmica que provocaría el agrietamiento es substancialmente menor al correspondiente a un muro de mampostería de ladrillón Muros de Ladrillos de blocks de hormigón: La metodología de ensayo fue la misma que en los casos anteriores con la aplicación de una carga vertical total de 1tn. Con la aplicación de los primeros valores de distorsión el agrietamiento inicial fue a través de la interfase de separación entre el mortero y mampuesto. Cuando se aumentó el desplazamiento lateral, se observó un agrietamiento horizontal en la interfase muro fundación como se pude observar en la Foto de la Figura 14. Este comportamiento se repitió y acentuó en toda la altura del muro a medida que se impuso sucesivamente mayor desplazamiento lateral. Para un desplazamiento lateral de 12 mm se alcanza un valor de 19 tn de carga lateral medida en el actuador. Hasta este nivel de deformaciones el agrietamiento es como el descrito anteriormente, sin producirse el colapso del modelo. Para inducirle la falla, se reduce el valor de la carga vertical a la mitad, y se retoma el ensayo desde el mismo valor de desplazamiento horizontal. En la etapa final del ensayo, para una deformación lateral de 4 mm, se produce el colapso del muro con la rotura de las barras verticales distribuidas en el extremo del muro como se puede observar en la foto de la Figura N º 19. cargadesplazamiento Block Carga Lat.[tn] Figura 17 Curvas Carga Deformación. 16

17 Figura 18 Agrietamiento Muro de Blocks de Hormigón. Figura 19 Agrietamiento interfase muro fundación. Conclusiones: 1 La rigidez secante para el 1/1 de distorsión, es del orden de la rigidez media de muros de ladrillón de las mismas dimensiones ancho y alto. 2 La curva carga deformación comparada con la correspondiente a los muros de ladrillón muestra lazos más estrechos, lo que indica menor capacidad de disipación de energía. 3 El agrietamiento producido en el muro durante el ensayo muestra siempre la fisuración entre la interfase mortero mampuesto de block. No se produjo la rotura de ningún block. 4 El esfuerzo de corte resistido por este muro calculado según la fórmula dada por la Norma Inpres Cirsoc 13 para el block de hormigón utilizado (Tipo II) y el mortero (Resistencia 17

18 Intermedia), y considerando el esfuerzo normal actuante, es de 2tn. Idéntico valor es el obtenido como resistencia máxima medida en los ensayos. Figura Agradecimiento: Los autores agradecen al Instituto Provincial de la Vivienda de la Provincia de San Juan y a la Agencia Nacional de Promoción de la Ciencia y Tecnología (ANPCyT) por el financiamiento otorgado en el marco del proyecto PID 646 de la ANPCyT. 5. Referencias: [1]. InpresCirsoc 13. Normas Argentinas para construcciones sismorresistentes. Parte III. Construcciones de Mampostería.1983 [2]. Juan J. Muñoz. Estudio del comportamiento sismorresistente de edificios de mampostería. Trabajo final. Facultad de Ingeniería. U. Nacional de San Juan.1999 [3]. Francisco Zabala y otros. Informe Final Proyecto PID 646. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de San Juan. [4] Zabala, F, Bustos, J.L, Masanet, A,R y Santalucía J,R (22). Aspectos del diseño de muros de mampostería encadenada bajo cargas sísmicas. Jornadas SulAmericanas de Engenharia Estrutural. 18