EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA NO REFORZADA RECUBIERTA CON MORTERO REFORZADO

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1 XXII CONGRESO NACIONAL, XI CONGRESO INTERNACIONAL DE ESTUDIANTES Y PROFESIONALES DE INGENIERIA CIVIL. Temática: Métodos y sistemas sismorresistentes innovadores. EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA NO REFORZADA RECUBIERTA CON MORTERO REFORZADO Sebastián López Restrepo, Ingeniero Civil, Profesor Catedrático e Investigador, Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia. Nancy Torres Castellanos, M.Sc., Profesora asistente, Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito Dirección y teléfono de contacto: sebastian.lopez@mail.escuelaing.edu.co, (+057) ext: 228, (+057) Universidad de origen: Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito. Palabras clave: mampostería no reforzada; malla electrosoldada; carga lateral en el plano 1

2 Introducción El nuevo reglamento colombiano de construcciones sismo resistentes NSR- 10 (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2010) presenta entre sus principales modificaciones en su capítulo D.12 la aceptación de muros de mampostería reforzada exteriormente con mortero y malla electrosoldada (M.M.E). La aceptación de dicha alternativa abre las puertas al desarrollo de soluciones de vivienda nueva así como la posibilidad de reforzar diferentes tipos de edificaciones existentes La Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito durante el año 2011 y parte del 2012, ejecutó un proyecto de investigación con el objetivo general de evaluar el comportamiento de muros a escala real típicos de viviendas y de algunas edificaciones de tipo histórico o patrimonial. Este documento presenta un resumen con los aspectos más importantes de la metodología y los resultados obtenidos en dicho proyecto de investigación al ensayar muros típicos de edificaciones patrimoniales reforzados externamente por una y por dos caras con mortero y malla electrosoldada. Objetivos Evaluar la capacidad de carga, rigidez y el tipo de falla de muros no reforzados y reforzados con M.M.E sometidos a esfuerzos cortantes Evaluar la capacidad de carga, la degradación de rigidez y el tipo de falla de muros no reforzados y reforzados con M.M.E sometidos a cargas laterales monotónicas y dinámicas Programa experimental Se realizaron pruebas de compresión y tracción diagonal en probetas de tamaño reducido para evaluar la resistencia a la compresión, el módulo elástico, resistencia al esfuerzo cortante y el módulo de corte característico de los muros. También se ensayaron muros a escala real a carga lateral monotónica y dinámica en el plano del muro para evaluar su rigidez y resistencia. Tanto en los ensayos de tracción diagonal como en los ensayos de carga lateral se ensayaron especímenes no reforzados y reforzados con M.M.E. En la Tabla 1 se presenta un resumen con las principales características de los tipos de muros ensayados. Tabla 1. Resumen de tipos de muros ensayados. Muro tipo Características Caras Reforzado reforzadas MT2 NO N.A MT2R3 SI 1 MT2R4 SI 2 Los muros usados en la investigación son muros representativos de algunas edificaciones patrimoniales o históricas construidas en Colombia a finales del siglo XVIII y principios de la primera mitad del siglo XIX. En la Figura 1 se presenta un detalle del levantamiento de parte de un muro perteneciente al Instituto Técnico Central la Salle ( , Bogotá) donde se puede ver la configuración poco sencilla que pueden llegar a tener los muros de dichas edificaciones. 2

3 Figura 1. Levantamiento de un muro en ladrillo de una edificación existente. Para la investigación los muros se construyeron con unidades macizas de arcilla cocida conocidas como toletes dispuestas en un arreglo regular denominado tizón y soga con juntas entre 10 y 15 mm, ver Figura 2. Figura 2. Muro en tizón y soga en ladrillo tolete. La resistencia representativa de las unidades (f cu ) a utilizar en los muros se determinó con la ayuda de la base de datos del Laboratorio de Estructuras y Materiales de la ECI. Se emplearon unidades de 25 MPa de resistencia a la compresión. La resistencia del mortero (f cp ) fue de 9 MPa, se empleó este valor para poder construir muestras que se pudieran manipular de forma segura en el laboratorio. Algunos detalles de los muros no reforzados se presentan en la Figura 3. Figura 3. Construcción de muro a escala real no reforzado Características de los muros reforzados. Para sujetar la malla electrosoldada a los muros, reforzados por una sola de las caras (MT2.R3) se fijaron cerca de 4 anclajes de 6.35 mm (1/4 ) por m 2 de área del muro. Estos anclajes se instalaron haciendo perforaciones de 9.53 mm (3/8") y aplicando un epóxico a la perforación; para los muros reforzados por ambas caras (MT2R4) se hacían perforaciones que pasaban de extremo a extremo del muro y se dejaban ganchos a ambos lados de la perforación que se sujetaban a la malla electrosoldada. El refuerzo longitudinal y transversal de los muros estaba compuesto por grafiles corrugados de 6 mm de diámetro separados 150 mm en ambas direcciones con un esfuerzo de fluencia (f y ) de 480 MPa. Una vez instalada la malla electrosoldada se recubría con un mortero con una resistencia a la compresión (f' cre ) de 20 MPa. Todos los muros a escala real contaban con una viga de cimentación y una viga de remate. Los muros reforzados tenían barras de 9.53 mm (3/8") cada 300 mm ancladas al cimiento mediante un pegante epóxico. En la viga superior, empleada para la aplicación de las 3

4 cargas laterales, se dejaron barras de 6.35 mm (1/4 ) embebidas en el concreto para asegurar la malla electrosoldada. Algunos detalles constructivos de los muros reforzados se presentan en la Figura 4. Ensayos. En la Tabla 2 se presenta un resumen de los ensayos más relevantes que incluye las dimensiones promedio de los especímenes y la cantidad de ensayos realizados. El ancho de cada uno de los muros incluye el espesor del mortero y el bloque para el caso de los especímenes reforzados. Figura 4. Detalles constructivos de muros a escala real reforzados. Tabla 2. Resumen de especímenes y ensayos realizados Ensayo Tracción Diagonal Carga lateral monotonica Carga lateral dinámica No reforzado Muro tipo Reforzado Alto (mm) Dimensiones Largo (mm) Ancho (mm) Cantidad X X X X X X X X X Ensayos de tracción diagonal Los ensayos de tracción diagonal se realizaron empleando como referencia la norma NTC 4925 (ICONTEC, 2001) y la norma ASTM E-519 (ASTM, 2010) La Figura 5 presenta los detalles de la instrumentación y montaje del ensayo. Mordaza superior Barras de acero =38m m Deformimetros mecánicos (ambas caras) Mordaza inferior Figura 5. Montaje e instrumentación del ensayo de tracción diagonal 4

5 Ensayos de carga lateral Para los ensayos de carga lateral se empleó el apéndice A de las Normas técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería (GDF, 2002) que ha sido desarrollado específicamente para muros de este material. En la Figura 6 se presenta una vista general del montaje de carga lateral monotónica. Gato y Celda LVDT horizontal Resultados obtenidos y análisis de resultados A continuación se presentan los resultados de los ensayos de tracción diagonal y carga lateral monotónica y dinámica. Tracción diagonal. En la Tabla 3 se presenta el resumen de las resistencias máximas obtenidas en los ensayos de tracción diagonal para los muros no reforzados y reforzados. Tabla 3. Análisis estadístico. Resistencias máximas, ensayo de tracción diagonal en muros no reforzados y reforzados. LDVT vertical LVDT horizontal Soportes Figura 6. Montaje del ensayo de carga lateral monotónica. En la Figura 7 se presenta una vista general del montaje del ensayo de carga lateral dinámica. Muro tipo Valores estadísticos S s Coef. Promedio Var. (kpa) TD % TR2.R % TD2.R % Tipo No ref. 1 Cara 2 Caras Cant LVDT horizontal LVDT horizontal Barras sujetadoras Galgas extensiométricas Soportes Actuador dinámico LVDT horizontal Figura 7. Montaje del ensayo de carga lateral dinámica. Al comparar los resultados obtenidos entre los muros reforzados y los no reforzados se puede observar que la resistencia a la tracción diagonal, se puede incrementar hasta en 1.5 veces en promedio cuando se emplea M.M.E por una sola cara y hasta en 1.8 veces cuando se emplea por las dos. En la Tabla 4 se presentan los promedios de los módulos de corte (G prom ) obtenidos de curvas esfuerzo cortante (S s ) VS deformación angular promedio ( prom ). Los módulos de corte se calcularon de acuerdo con el 5

6 procedimiento presentado por Ismail, Petersen, Masia e. Ingham (Najif Ismail, 2011). Tabla 4. Análisis estadístico. Módulo de corte, ensayo de tracción diagonal en muros no reforzados y reforzados. Muro tipo Valores estadísticos G prom Coef. Promedio Var. (kpa) Tipo Cant. TD % No ref. 2 TR2.R % 1 3 Cara TD2.R % 2 Caras 3 Los resultados obtenidos muestran que el módulo de corte promedio se incrementa entre 1.5 y 1.7 veces respecto a los resultados obtenidos en los muretes no reforzados. A continuación se presentan de forma simultánea las curvas esfuerzo VS deformación angular promedio de los muretes no reforzados y los muretes reforzados. En la Figura 8 se presentan los gráficos de los muretes reforzados por una cara y en la Figura 9 se presentan los gráficos de los muretes reforzados por dos caras. Figura 8. Curvas esfuerzo cortante VS deformación angular promedio. Muretes no reforzados y reforzados por una cara 6

7 Figura 9. Curvas esfuerzo cortante VS deformación angular promedio. Muretes no reforzados y reforzados por dos caras En la Figura 10 y en la Figura 11 se presentan las fallas típicas obtenidas en los ensayos de especímenes no reforzados y reforzados. Figura 10. Falla por tracción diagonal murete no reforzado. Figura 11. Falla por tracción diagonal en murete reforzado (vista por la cara no reforzada) Ensayos de carga lateral A continuación se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de carga lateral monotónica y dinámica. Se presenta la carga máxima (V máx ), el esfuerzo cortante máximo ( máx ) y el porcentaje de pérdida de rigidez ( K 0.5% ) para una deriva de 0.5% para los ensayos dinámicos. En la Tabla 5 se presentan los resultados obtenidos en los ensayos monotónicos para los muros no reforzados y reforzados. Tabla 5. Resumen de resultados ensayos monotónicos. Muros no reforzados y reforzados Probeta V MÁX (N) MÁX (kpa) Tipo M No ref. M2.R M2.R Cara 2 Caras 7

8 De acuerdo con los resultados obtenidos la resistencia a carga lateral monotónica, se puede incrementar hasta en cerca de 3.4 veces cuando se emplea M.M.E por una sola cara y hasta en 5 veces cuando se emplea por las dos. En la Tabla 6 se presentan los resultados obtenidos en los ensayos dinámicos para los muros no reforzados y reforzados. Figura 12. Detalles de la falla en muros no reforzados. Falla por levantamiento en la base. Tabla 6. Resumen de resultados ensayos dinámicos. Muros reforzados y no reforzados V MÁX MÁX Probeta (N) (kpa) k 0.5% Tipo M % No ref M2.R % 1 Cara M2.R % 2 Caras Los resultados muestran que la resistencia a carga lateral dinámica, se puede incrementar hasta en cerca de 4.8 veces cuando se emplea M.M.E por una sola cara y hasta en 9 veces cuando se emplea por las dos. En cuanto a la pérdida de rigidez para la deriva de diseño se puede decir que se reduce en un 22% cuando se emplea M.M.E por una sola cara mientras que cuando se emplea M.M.E por las dos, la pérdida de rigidez se reduce en un 80%. En la Figura 12 y en la Figura 13 se presentan las fallas típicas obtenidas en los ensayos de especímenes no reforzados y reforzados. Figura 13. Detalles de la falla en muros reforzados por ambas caras. Deslizamiento del refuerzo longitudinal y falla de los anclajes al cimiento. A continuación se presentan los gráficos que contienen los resultados más importantes de los ensayos dinámicos. En la Figura 14 se presentan las curvas envolventes de esfuerzo cortante vs deriva y en la Figura 15 se presentan las curvas de degradación de rigidez vs deriva máxima por ciclo para los ensayos dinámicos. 8

9 -3.1% -2.6% -2.1% -1.6% -1.0% -0.5% 0.0% 0.5% 1.0% 1.6% 2.1% 2.6% 3.1% 204 M M2.R M2.R4.2 Esfuerzo cortante (kpa) (mm) Figura 14. Curvas envolventes esfuerzo cortantes vs deriva. Muro no reforzados y muros reforzados % 100.0% M % M2.R % M2.R % Rigidez 50.0% 37.5% 25.0% 12.5% 0.0% 0.00% 0.25% 0.50% 0.75% 1.00% 1.25% 1.50% 1.75% 2.00% Figura 15. Curvas de degradación de rigidez vs deriva máxima por ciclo. Muro no reforzado y muros reforzados. (%) 9

10 Conclusiones y recomendaciones 1. El uso de M.M.E incrementa la resistencia a la tracción diagonal de los muretes en un 50% cuando se emplea por una sola cara y en un 80% cuando se emplea por las dos. Adicionalmente incrementa la rigidez al corte en un 60% en promedio. 2. Cuando se emplea M.M.E ante solicitaciones de carga lateral se incrementa significativamente la capacidad de carga y se reduce la degradación de la rigidez. Aunque al emplear el reforzamiento por una sola de las caras produce resultados menos favorables el comportamiento sigue siendo mucho mejor que el de los muros no reforzados. 3. En todos los ensayos realizados se encontró que el sistema de reforzamiento empleado presenta un mecanismo de falla más gradual que el que se presentaba en los especímenes no reforzados. 4. Se recomienda tener estrictos controles de calidad durante el proceso constructivo de este tipo de muros especialmente para verificar los anclajes de la malla al cimiento y para el mezclado y aplicación de los morteros. Referencias bibliográficas ASTM. (2010). Standard Test Method for Diagonal Tension (Shear) in Masonry Assemblages. ASTM E519 / E519M - 10 Standard Test Method for Diagonal Tension (Shear) in Masonry Assemblages. West Conshohocken, PA: ASTM INTERNATIONAL. GDF. (2002). Normas Técnicas Complementarias para el Ciseño y Construcción de Estructuras de Mampostería. México, DF. ICONTEC. (21 de 03 de 2001). METODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA TRACCION DIAGONAL - CORTANTE - EN MURETES DE MAMPOSTERIA. NTC PREFABRICADOS DE CONCRETO. METODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA TRACCION DIAGONAL - CORTANTE - EN MURETES DE MAMPOSTERIA. Bogotá. Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. (2010). NSR-10. Reglamento Colombiano de Construcciones Sismorresistentes. Bogotá. Najif Ismail, R. B. (2011). Diagonal shear behavior of unreinforced masonry wallettes strengthened using twisted steel bars. Construction and building materials. 10