ESTUDIO EXPERIMENTAL DE MUROS DE MAMPOSTERÍA DE BLOCK CON ABERTURA SUJETOS A CARGA CÍCLICA EN EL PLANO RESUMEN

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1 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural ESTUDIO EXPERIMENTAL DE MUROS DE MAMPOSTERÍA DE BLOCK CON ABERTURA SUJETOS A CARGA CÍCLICA EN EL PLANO Juan Ignacio Velázquez Dimas 1, Basilia Quiñónez Esquivel 1, Reyes Salazar J. Alfredo 1, Edén Bojórquez Mora 1, J. Humberto Castorena González 2, Jorge Hilario González Cuevas 1, Alfredo Rodriguez Espinoza 3 y Roger Ulisses Hernández Zamora 32 RESUMEN Se presentan resultados experimentales de dos muros de mampostería confinada a escala natural, con abertura en el centro, construidos con piezas de block y mortero tipo III. Uno de los muros se e reforzó en el perímetro de la ventana mientras que el otro se dejó sin refuerzo. Los muros ensayados se sujetaron carga axial constante y carga lateral cíclica reversible en su plano. La distorsión de agrietamiento fue la misma para los dos muros, sin embargo, el muro reforzado en la ventana presentó un patrón de agrietamiento distribuido y de ancho menor que el correspondiente al muro sin refuerzo. Además éste exhibió una resistencia última 1.56 veces mayor que la del correspondiente sin refuerzo. ABSTRACT Experimental results of two naturally scaled confined block masonry walls with openings and type III mortar are herein presented. One of the walls was reinforced around the window while the other one did not. Both masonry walls were tested under constant axial load and in-plane reversible cyclic loading. From experimental data it is concluded that both walls showed the same cracking loading. However, the reinforced wall showed better cracking pattern and smaller crack width. The reinforced one supported an ultimate load 1.57 times larger than the unreinforced wall. INTRODUCCIÓN El sistema estructural mas empleado en la construcción de vivienda en México es a base de muros de mampostería, generalmente confinada con dalas y castillos. Existen diversas variables que influyen en la respuesta de dicho tipo de estructuración ante solicitaciones como sismos o asentamientos diferenciales. Una de las variables que afectan el comportamiento de estructuras de mampostería confinada sometidas a fuerzas laterales es el efecto de las aberturas (ventanas o puertas) que, por razones arquitectónicas y de funcionalidad, se presentan en los muros de las edificaciones. En los diversos reglamentos de construcción de México, se especifican requisitos de refuerzo en el perímetro de las aberturas de muros de mampostería, sin embargo, en muchos casos, dichos requisitos de refuerzo no se satisfacen adecuadamente, lo que provoca un mal comportamiento en los muros que quedan a un lado de ellas, por lo que sufren daño considerable ante la acción de sismos o asentamientos diferenciales. Un primer efecto de la presencia de aberturas en los muros es la de disminuir su rigidez lateral, por lo que para la misma carga lateral, una vivienda con aberturas en sus muros tendrá mayores desplazamientos laterales que una vivienda con muros sólidos. La presencia de aberturas cuadradas o rectangulares provoca concentraciones de esfuerzos de tensión en las esquinas éstas, de ahí la enorme importancia de colocar refuerzo en el perímetro de puertas y ventanas. El no hacerlo o hacerlo de manera inadecuada hace que se presenten con frecuencia agrietamientos por tensión diagonal que se inician en las esquinas de las aberturas 1 Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Sinaloa, Ciudad Universitaria, Culiacán, Sinaloa, México; cating@uas.uasnet.mx, juanv@uas.uasnet.mx, 2 Profesor, Facultad de Ingeniería Mochis, Universidad Autónoma de Sinaloa, Ciudad Universitaria 3 Tesista, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Sinaloa, Ciudad Universitaria, Culiacán. Sinaloa, México. 1

2 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato El refuerzo con dalas y castillo en el perímetro de las aberturas es la solución recomendada por los diversos Reglamento de Construcción, este refuerzo, reduce el daño en las esquinas, aumenta la capacidad de deformación e incrementa su resistencia al cortante último (Flores y otros, 2004). Aunque en las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería del Reglamento de Construcciones para el D.F. contiene recomendaciones de refuerzo en las aberturas de muros, según se muestra en la figura 1, es común ver en la autoconstrucción y aún en la práctica profesional que éstas no se cumplen, por lo que los muros en esas condiciones, aunque tengan dalas y castillos perimetrales, no cumplen los requisitos para considerarse como mampostería confinada y por lo tanto deberían utilizarse factores de reducción de resistencia correspondiente a mampostería no confinada para prevenir daños severos. Este trabajo forma parte de un programa experimental que se lleva a cabo en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Sinaloa, cuyo objetivo es caracterizar las propiedades físicas y mecánicas de las piezas y la mampostería producidas en la ciudad de Culiacán, estudiar el comportamiento de muros construidos con dicha mampostería y revisar la aplicabilidad de los materiales compuestos en su reparación. En esta etapa del programa se ensayaron dos muros de mampostería de block con aberturas en la parte central. Se seleccionó dicha mampostería para este estudio debido a que actualmente, en nuestro estado, es la más utilizada en el desarrollo de vivienda de interés social. La variable entre ambos especímenes fue el refuerzo en las aberturas, uno no tuvo refuerzo alrededor de la abertura, mientras que el segundo espécimen si se reforzó. Figura 1. Dimensiones de aberturas que requieren de refuerzo PROGRAMA EXPERIMENTAL Se construyeron dos muros de mampostería de block unidos con mortero tipo III, con abertura en el centro de modo que la relación área neta a área total del muro es ß = Para simular los efectos de las cargas gravitacionales durante el ensaye en el laboratorio en ambos modelos se aplicó un esfuerzo vertical constante de 0.19 MPa (2 kg/cm 2 ); posteriormente, los especímenes fueron ensayados aplicando cargas horizontales cíclicas reversibles. En el análisis, primeramente se aplicó también el mismo esfuerzo vertical y después se aplicaron incrementos de carga horizontal monótona hasta la falla. Al primer muro (MSR-1) no se le colocó ningún tipo de refuerzo en el perímetro de la abertura y al segundo (MCR.2), se le colocó confinamiento de concreto reforzado. Se determinaron las propiedades físicas y mecánicas de los materiales utilizados en la construcción de los muros. Los muros fueron ensayados con carga vertical constante y carga lateral cíclica reversible. En esta etapa del programa experimental, el comportamiento de ambos muros se establece en términos de la comparación entre ellos de la distorsión y de las curvas envolventes de los ciclos así como del 2

3 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural patrón de agrietamiento. Todos los muros se construyeron y ensayaron en el Laboratorio de Estructuras de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Sinaloa. MATERIALES Los muros se construyeron con block, con dimensiones nominales 12 x 20 x 40 cm. Se adquirieron piezas en número suficiente para la construcción de los muros y para la determinación de las propiedades tanto de ellas como del conjunto pieza-mortero. A las piezas se les determinaron las dimensiones (NMX-C-038- ONNCCE-2004), el peso volumétrico neto seco, el peso volumétrico neto saturado, la absorción inicial, la absorción total (NMX-C-037-ONNCCE-2005) y la resistencia a compresión (NMX-C-036-ONNCCE-2004). Cada propiedad de las piezas se determinó utilizando una muestra de 10 piezas. A la mampostería se le determinó su resistencia a compresión, su resistencia a compresión diagonal, su módulo de elasticidad y su módulo de rigidez. Para la obtención de la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad se construyeron 10 pilas. Cada pila se construyó con 3 piezas unidas por juntas de mortero tipo III, con espesor de 1cm. Para la determinación de la resistencia a compresión diagonal y el módulo de rigidez se construyeron 10 muretes. Cada murete estuvo conformado en su base por pieza y media. La construcción de las pilas y muretes así como los ensayes se realizaron según los procedimientos recomendados en las NTCMRCDF y en el anteproyecto APROYEC-NMX-C464-ONNCCE Al mortero utilizado en la construcción de pilas, muretes y muros se le determinó su resistencia a compresión (NMX-C ). Se tomaron muestras de tres cubos por cada batida y se ensayaron en la misma fecha que las pilas y muretes. Los valores promedio y de diseño obtenidos para las propiedades mencionadas se encuentran en la tabla 1. Tabla 1 Propiedades de los materiales PARAMETRO Valor Dimensiones (mm) 12 0x 196 x 398 Absorción total A (%) 9.9 Absorción inicial Cb (gr/min) 10.6 Peso volumétrico neto seco PVs (kg/m 3 ) 1950 Peso volumétrico neto saturado PVsss (kg/m 3 ) 2000 Resistencia a la compresión de la pieza f p, Mpa, (kg/m 2 ) 7.68 (78.3) Resistencia de diseño de la pieza (f* p ) Mpa, (kg/m 2 ) 5.12 (52.2) Resistencia promedio a compresión de pilas (f m ) Mpa, (kg/m 2 ) 5.65 (57.6) Resistencia de diseño a compresión de la mampostería (f* m ) Mpa, (kg/m 2 ) 4.10 (41.9) Resistencia promedio de muretes a compresión diagonal (v m ) Mpa, (kg/m 2 ) 0.34 (3.54) Resistencia de diseño a cortante (v* m ) Mpa, (kg/m 2 ) 0.22 (2.2) Resistencia a la compresión del concreto (f c) Mpa, (kg/m 2 ) 19.9 (203) Resistencia a compresión del mortero (f* j ) Mpa, (kg/m 2 ) 3.8 (38.5) Esfuerzo de fluencia, varilla del no. 3 (9.5 mm) (f y ) 444 (4526) Esfuerzo último, varilla no. 3 (f u ) Mpa, (kg/m 2 ) 776 (7920) Esfuerzo de fluencia, alambrón (f y) Mpa, (kg/m 2 ) 251 (2560) 3

4 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato DESCRIPCIÓN DE LOS ESPECÍMENES Se construyeron dos muros de 3.3m x 2.8 m x 0.12m, incluidas las dimensiones de los castillos y la dala, Los elementos de confinamiento para los dos muros fueron dos castillos laterales y una dala superior con dimensiones nominales de 120mm x 200mm, ambos, los castillos y las dalas fueron armados longitudinalmente con cuatro varillas No. 3 (9.5mm de diámetro) y como refuerzo transversal se colocaron estribos de alambrón No. 2 (6.3mm de diámetro), espaciados uniformemente a cada 180mm. Junto con la dala superior se coló una losa armada con varillas No. 3 a cada 19cm, esta losa se hizo con el propósito de fijar el sistema de aplicación de carga a los muros. El muro MSR-2 fue reforzado con dos varillas número 3 y grapas a cada 180 mm en ambos lados verticales de la abertura. Las varillas se colocaron en los huecos de los blocks, ancladas en la viga de cimentación con un epóxico. El lado inferior horizontal de la abertura también se reforzó con dos varillas número 3 colocadas en piezas de block U y rellenadas con concreto, el extremo superior fue confinado con la dala de cerramiento. Los muros fueron desplantados sobre vigas de cimentación de concreto reforzado de 3.60m x 0.95m x 0.30m, mismas que se construyeron en el sitio de ensaye y ancladas a la losa de reacción por barras de 317 mm (5/4 pulg.), colocadas a cada 0.75 m. En la figura 2 se presentan las dimensiones generales de los especímenes, en la figura 3 se muestran los armados de los elementos de concreto N S Figura 2: Dimensiones de los espécimenes Castillos. Losa-dala. Refuerzo en perímetro de abertura Celda rellena 2#3 E#2@180 (200X120) 4#3 E#2@180 (500X150) #3@190 Celda rellena 2#3 E#2@180 Figura 3: Armados de elementos de concreto. 4

5 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYES Los ensayes se realizaron en el Laboratorio de Estructuras de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Sinaloa. Los muros se ensayaron en voladizo con carga vertical, para ello se empotraron en su base a la losa de reacción a través de una losa de cimentación sujeta con tornillos de 38.1mm (1.5 pulg). Para la aplicación de la carga lateral se utilizo un gato hidráulico de doble acción de 30 ton apoyado al muro de reacción del laboratorio (figura 4). La carga lateral se aplicó a través de una viga robusta de acero sujeta a la losa con 20 tornillos distribuidos uniformemente a lo largo de la losa para lograr una mejor distribución de la carga en los especímenes, así mismo, con el objeto de simular el peso de una segunda planta y representar una vivienda de dos niveles se transmitió carga vertical distribuida a través de la viga de acero mediante un gato de 15ton y el tensado de barras verticales articuladas, sujetas a la losa de reacción. Para el control de la carga vertical se colocaron strain-gages en las barras. Figura 4. Sistema de sujeción y aplicación de carga El protocolo de carga utilizado fue el recomendado por las NTCM en su apéndice normativo para evaluación de sistemas a base de muros de mampostería, en este sentido, se aplicaron ciclos de carga y deformación de la siguiente manera: Los dos primeros ciclos se aplicaron hasta un nivel del 25% de la carga de agrietamiento estimada, los dos siguientes hasta el 50% de la misma y dos más con la carga de agrietamiento. Posteriormente el ensaye se controló por distorsión con incrementos de 0.002, haciendo dos ciclos en cada incremento. La carga horizontal se registró con un puente Wheatstone y una celda de carga colocada entre el gato y la viga de transmisión de carga, se colocaron medidores de deformación eléctricos en los tensores para el control de la carga vertical y en una varilla de cada uno de los castillos. se colocaron 21indicadores de deformación, 8 diagonales en cada uno de los cuadrantes mostrados, 4 verticales, 2 horizontales, 3 para el control de desplazamiento entre la losa de reacción y la losa de cimentación; entre la losa de cimentación y el muro y entre el muro y la viga de carga, 2 perpendiculares al plano para detectar movimientos fuera del plano, 1 para medir el desplazamiento lateral al nivel de la ventana y 1 para medir el desplazamiento lateral en el extremo superior del muro (figura 5) 5

6 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato Figura 5. Instrumentación de los muros RESULTADOS En esta etapa el estudio del comportamiento de los muros se hizo en base a la comparación entre los valores de resistencia al agrietamiento, distorsión de agrietamiento, resistencia última y curvas envolventes de primer y segundo ciclo de ambos muros y entre la comparación de la resistencia al agrietamiento de cada uno de ellos con los valores obtenidos según las expresiones recomendadas por las NTCMRCDF. MURO SIN REFUERZO EN LA ABERTURA (MSR-1) En el muro sin refuerzo, el primer agrietamiento inclinado se presentó en el ciclo 5 para la distorsión R = y V = KN (7840kg). En el ciclo 9, para una carga de 73.34KN (7476 kg) y una distorsión de se formó la grieta principal. En el ciclo 5, el primer agrietamiento por flexión se presentó para una distorsión La prueba se suspendió cuando V= KN (9156 kg), en el ciclo 9, debido a que se presentó daño considerable en el borde vertical de la abertura, desprendiéndose totalmente una cuña de mampostería. En ese momento, una grieta diagonal había penetrado ya en las esquinas de los castillos. En la figura 6 se muestra el nivel de daño y el patrón de agrietamiento en el muro y en la figura 7 se muestran las envolventes de los primeros y segundos ciclos. MURO CON REFUERZO EN LA ABERTURA (MCR-2) En el muro con refuerzo en la abertura, el primer agrietamiento inclinado se presentó en el ciclo 5 para la distorsión R = y V =72.24KN (7364kg). En el ciclo de repetición No. 10. para una carga de KN (11984 kg) y una distorsión de se formó la grieta principal. El primer agrietamiento por flexión se presentó para una distorsión R= , en el ciclo 5. La prueba se suspendió cuando V= KN. (11984kg), en el ciclo de repetición 10. En las figuras 8 y 9 se muestran el nivel de daño y el patrón de agrietamiento en el muro y en la Figura 10 se muestran las envolventes de los primeros y segundos ciclos. 6

7 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural a) b) N c) S Figura 6.a) daño final, b) detalle de daño en esquina inferior del castillo sur y c) patrón de agrietamiento en el muromsr-1 (V R ) RDF (V* R ) RDF Envolvente de primeros ciclos Envolvente de segundos ciclos Figura 7. Envolventes de respuesta muro MSR-1 7

8 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato Figura 8. Daño final en el muro MCR-2 y detalle de daño en esquina inferior del castillo sur N S Figura 9. Patrón de agrietamiento muro MCR-2 (V R ) RDF (V* R ) RDF Envolvente de primeros ciclos Envolvente de segundos ciclos Figura 10. Envolventes de respuesta Muro MCR-2 En las Figuras 7 y 10 se incluyó la resistencia a carga lateral, calculada según las recomendaciones de las NTCMRCDF, considerando un factor de resistencia unitario. Considerando el valor de resistencia de diseño a compresión diagonal obtenida de los ensayes en muretes v* m = 0.22 MPa (2.2kg/cm 2 ) se obtiene V* R = 51KN 8

9 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural (5200 kg) y considerando el valor promedio de resistencia a compresión diagonal v* m = 0.34 MPa (3.54kg/cm 2 ) se obtiene V* R = 70.6KN (7200 kg). La carga lateral última en el muro sin refuerzo resultó 74% mayor a la carga de agrietamiento calculada con el valor de diseño y 26% mayor que la calculada con el valor promedio. La carga lateral última en el muro reforzado resultó 173 % mayor que la de carga de agrietamiento calculada con el valor de diseño y 97 % mayor a la calculada con la resistencia a compresión diagonal promedio. Es importante señalar que el valor de resistencia de diseño a compresión diagonal no satisface el recomendado en las NTCMRCDF. Aunque en ambos casos existe una sobresistencia considerable, el muro sin refuerzo presentó daño significativo en el perímetro de la abertura mientras que el muro reforzado tuvo menor daño para una carga 56% mayor que el no reforzado. En la figura 11 se muestra la comparación gráfica del comportamiento de ambos muros, en la figura 12 se presentan esas mismas gráficas pero normalizadas respecto a la resistencia al agrietamiento V* RDF- Muro MSR-1 Muro MCR-2 a) Muro MSR-1 Muro MCR-2 b) Figura 11. a) Envolventes del primer ciclo, b) Envolventes del segundo ciclo 9

10 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato Muro MSR-1 Muro MCR-2 Muro MSR-1 Muro MCR-2 Figura 12. Envolventes normalizadas 10

11 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CONCLUSIONES. En el presente trabajo, se estudia el comportamiento de dos muros de mampostería confinada de block y con aberturas, en el que uno se le reforzó en el perímetro de la abertura y el otro no. Ambos muros se sujetaron a carga axial constante y carga lateral cíclica reversible hasta alcanzar daño considerable. De acuerdo con los resultados experimentales obtenidos, es posible establecer las siguientes conclusiones. En general ambos muros exhibieron un buen comportamiento caracterizado por un patrón de agrietamiento de cortante similar, aunque éste se distribuyó mejor y con ancho de grieta menor en el muro con refuerzo en la abertura, a como era de esperarse. La diferencia en la distorsión final de ambos muros fue significativa en los segundos ciclos producto del agrietamiento desarrollado. También se observó que el valor de la carga de agrietamiento y la de fluencia en ambos muros fue prácticamente la misma, para la etapa de los primeros ciclos. El muro con refuerzo en la abertura soportó una carga última 1.56 veces la correspondiente a la soportada por el muro sin refuerzo. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo recibido por la Universidad Autónoma de Sinaloa, que por medio del Programa de Fomento y Apoyo a la Investigación (PROFAPI 2009/189) brindó el apoyo económico para el desarrollo del proyecto. Igualmente se agradece el apoyo a la coordinadora del Departamento de Laboratorios M.I. Olimpia Alvarado Fierro, así como a su personal, especialmente al Ing. Jerónimo Leyva Campos y al Ing. Jesús García Sauceda y a los prestadores de servicio social. REFERENCIAS Álvarez J.J. y Alcocer S.M., (2008) Comportamiento Esperado de Muros de Mampostería con Aberturas Sujetos a Fuerzas Laterales, Memorias del XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Veracrúz, Veracrúz, México. APROYEC-NMX-C464-ONNCCE-2010, Industria de la construcción-mampostería-determinación de la resistencia a compresión diagonal y módulo de cortante de muretes y la resistencia a compresión y módulo de elasticidad de pilas de mampostería de arcilla o de concreto-métodos de ensayo, Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación, S.C., México. Astroza M. y Ogaz O., (2009), Ensaye de Muros de Albañilería Confinada de Ladrillo cerámico con Aberturas, Memorias del Congreso Chileno de Ingeniería Antisísmica, IX Jornadas, Concepción, Chile. Carrillo J., Alcocer S. y Uribe R., (2009), Comportamiento Cinámico y Cuasi-Estático de Sistemas Estructurales de Muros de Concreto con Aberturas, Memorias del XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Puebla, Puebla, 16 pp. Departamento del Distrito Federal (2004), Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, Berbera editores, México, 604 pgs Drysdale Robert G, Hamid Ahmad, (1994) Masonry Structures Behavior and Design Prentice Hall, U.S.A., 784 pp 11

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