RESISTENCIA EN EL PLANO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CONFINADA: EFECTO DE LA RELACIÓN DE ASPECTO RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN
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- Arturo Vidal Ortiz
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1 RESISTENCIA EN EL PLANO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CONFINADA: EFECTO DE LA RELACIÓN DE ASPECTO Luis Enrique Fernández Baqueiro 1, Melchor Israel Sosa Moreno 2 y Jorge Luis Varela Rivera 1 RESUMEN En este trabajo de investigación se evaluó el comportamiento de muros de mampostería confinada sujetos a cargas cíclicas reversibles en el plano. Se ensayaron en el laboratorio cuatro muros, dos con geometría de 2.28 m x 2.66 m y dos de 1.82 m x 2.66 m (longitud x altura). Las variables de estudio fueron la relación de aspecto y la carga axial del muro. Los muros se construyeron utilizando bloques huecos de concreto. Se presentan para los muros patrones de agrietamiento y ciclos histeréticos. Se concluyó que la resistencia a cortante de los muros es función de su relación de aspecto. ABSTRACT In this research work the behavior of confined masonry walls subjected to in-plane reverse cyclic loads was studied. Four walls were tested in the laboratory, two of dimensions 2.28 m x 2.66 m and two of 1.82 m x 2.66 m (length x height). The study variables were wall aspect ratio and axial load. Walls were built with hollow concrete blocks. Cracking patterns and hysteretic loops are presented. It was concluded that the wall shear strength is a function of the wall aspect ratio. INTRODUCCIÓN La mampostería es un material ampliamente utilizado en el mundo para la construcción de edificaciones. En particular, en México se utilizan diversos tipos de mampostería, destacándose la mampostería confinada. En este tipo de mampostería primero se construye el muro de mampostería simple y posteriormente se refuerza en la periferia con elementos de concreto reforzado. Los muros de mampostería confinada pueden construirse, dependiendo de las diferentes regiones del país, con piezas sólidas o huecas de concreto o arcilla. En particular, en la región sureste del país, comúnmente se utilizan bloques huecos de concreto de tres celdas verticales. Dada la importancia de la mampostería confinada a nivel internacional, se han desarrollado una gran cantidad de investigaciones para estudiar el comportamiento de muros sujetos a cargas en el plano. En este tema México ha sido un referente internacional, habiéndose realizado un gran número de investigaciones. Por citar algunas como ejemplo, están aquellas realizadas por Meli (1979), Sánchez et al. (1994), Alcocer (1994), Treviño et al. (2004), Tena et al. (2009), Pérez Gavilán et al. (2013) y Raygoza (2012). En estas investigaciones se consideraron muros de mampostería confinada construidos con piezas sólidas y multiperforadas de arcilla, piezas sólidas de concreto, piezas huecas de concreto, así como combinaciones de piezas sólidas de arcilla y concreto. Son pocas las investigaciones en las que se consideraron piezas huecas de concreto de tres celdas (e.g. Treviño et al.,2004; Raygoza, 2012) y sólo en las investigaciones de Pérez Gavilán et al. (2013) y Raygoza (2012) se consideraron muros con distintas relaciones de aspecto (altura entre longitud del muro). En los trabajos anteriores se concluye que en general la resistencia a cortante experimental es mayor que la de diseño especificada en 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), independientemente del tipo de pieza y la relación de aspecto considerada, salvo en el estudio de Raygoza (2012). El objetivo de este trabajo de investigación fue evaluar el comportamiento de muros de mampostería confinada de bloques huecos de concreto, sujetos a cargas laterales en su plano mediante el ensaye de muros a escala natural. Se 1 Profesor 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) ; luis.fernandez@uady.mx, vrivera@uady.mx 2 Anteriormente: Estudiante de la Maestría en Ingeniería opción Estructuras de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán; icmsosa_9@hotmail.com 1
2 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 diseñaron y construyeron cuatro muros a escala natural con relación de aspecto de 1.17 (muro M1 y M2) y 1.82 (muro M3 y M4). La altura de los cuatro muros fue 2.66 m. Se consideraron bloques huecos de concreto. Las variables de estudio fueron la relación de aspecto y la carga axial del muro. Con base en los resultados de los muros ensayados en esta investigación, se desarrolló y calibró una ecuación para determinar la resistencia a cortante de los muros de mampostería confinada de bloques huecos de concreto. METODOLOGÍA Los muros de mampostería confinada (MMC) fueron hechos de bloques huecos de concreto de tres celdas verticales de dimensiones nominales de 120x200x400 mm (ancho x altura x longitud) (Figura 1) (Fernández Baqueiro et al., 2012). Los bloques provenían de un mismo lote de fabricación. La planta de fabricación se localiza en el Municipio de Mérida. Se consideró un mortero en proporción por volumen 1:2:7 (cemento Portland : cal : arena) (Varela Rivera et al., 2008) y un espesor promedio de junta de 10 mm. Las actividades realizadas en esta investigación fueron (Sosa, 2013): Selección de las variables de estudio y diseño de los muros Ensaye de materiales Construcción de pilas de mampostería Construcción de muretes de mampostería Construcción de muros de mampostería confinada Diseño del sistema de carga e instrumentación Ensaye de pilas de mampostería Ensaye de muretes de mampostería Ensaye de muros de mampostería confinada Pared exterior Pared interior Espesor de las paredes de las celdas Altura del bloque Longitud del bloque Espesor del bloque Figura 1 Geometría de los bloques huecos de concreto DISEÑO DE LOS MUROS Las variables de estudio fueron la relación de aspecto y la carga axial del muro. En la tabla 1 se presentan las características de los muros ensayados: altura (H), longitud (L), relación de aspecto (H/L), carga axial, esfuerzo axial y el número de niveles de una edificación equivalente al esfuerzo axial aplicado. En esta tabla se puede observar que los muros M1 y M2, así como M3 Y M4, tienen la misma relación de aspecto. Los muros M1 y M3, así como M2 y M4, tienen el mismo esfuerzo axial. En la figura 2 se presenta la geometría de los muros ensayados.
3 Muro Altura (mm) Longitud (mm) Tabla 1 Características de los MMC ensayados Relación de aspecto (H/L) Nivel de carga axial kn (Ton) Esfuerzo axial MPa (kg/cm2) Niveles de edificación M (10.20) (3.72) 3 M (15.30) (5.59) 4 M (6.53) (3.72) 3 M (9.79) (5.59) 4 El armado de los elementos confinantes de los MMC se propuso considerando los requerimientos mínimos de las NTCM (GDF, 2004a). El acero de refuerzo longitudinal de los castillos y cadena superior corresponde a cuatro varillas de acero corrugado de 9.5 mm de diámetro, con resistencia de fluencia nominal de 420 MPa. El acero de refuerzo transversal de los castillos y de la cadena superior corresponde a varillas lisas de 6.4 mm de diámetro, con un espaciamiento a cada 150 mm, con resistencia a la fluencia nominal de 220 MPa. El acero de refuerzo longitudinal de la cadena de cimentación corresponde a cuatro varillas de acero corrugado de 12.7 mm de diámetro, con resistencia de fluencia nominal de 420 MPa. El acero de refuerzo transversal de la cadena de cimentación corresponde a varillas lisas de 6.4 mm de diámetro, con un espaciamiento a cada 150 mm, con resistencia a la fluencia nominal de 220 MPa. La resistencia a compresión de diseño del concreto es de 20 MPa para los elementos confinantes. En la figura 3 se presenta la sección transversal de los elementos confinantes. Muro M1 y M2 Muro M3 y M4 Figura 2 Dimensiones de los muros ensayados (cotas en mm) Castillo Cadena superior Cadena de cimentación Figura 3 Secciones transversales de los elementos confinantes (cotas en mm) 3
4 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 ENSAYE DE MATERIALES, PILAS Y MURETES Se determinaron las dimensiones de los bloques con base en la norma NMX-C-038-ONNCE (ONNCCE, 2004b). Se determinó la resistencia a compresión axial de bloques, mortero y concreto con base en las normas NMX-C-036- ONNCE (ONNCCE, 2004a), NMX-C-061-ONNCCE (ONNCCE, 2010a) y NMX-C-083-ONNCCE (ONNCCE, 2002), respectivamente. Los ensayes se realizaron en la máquina universal marca SATEC con capacidad de 600 kn del laboratorio de Estructuras y Materiales (LEM) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán (FIUADY). Se determinó la resistencia a compresión axial y el módulo de elasticidad de la mampostería mediante el ensaye de pilas de acuerdo con la norma NMX-C-464-ONNCCE (ONNCCE, 2010b). Se construyeron seis pilas. Cada pila consistió de tres bloques. El mortero de las dos juntas horizontales se colocó en las paredes exteriores de las celdas paralelas a la longitud del bloque, de acuerdo con la práctica del sureste del país. Las pilas de mampostería se ensayaron en el marco de carga metálico ubicado en la losa de reacción del LEM de la FIUADY. Las cargas se registraron mediante una celda de carga de 981 kn. Como respaldo se registró la presión en el sistema hidráulico mediante un transductor de presión de 69 MPa de capacidad. Se midieron los desplazamientos axiales con dos potenciómetros lineales de 120 mm de longitud. Se determinó la resistencia a compresión diagonal y el módulo de cortante de la mampostería mediante el ensaye de muretes de acuerdo con la norma NMX-C-464-ONNCCE (ONNCCE, 2010b). Se construyeron tres muretes. Las dimensiones de los muretes fue de 1.22 x 1.22 m. La junta horizontal de mortero se colocó sobre las paredes exteriores de las celdas paralelas a la longitud de los bloques; la junta vertical de mortero se colocó sobre toda el área. La colocación del mortero fue de acuerdo con la práctica del sureste del país. Los muretes se ensayaron en el marco de carga metálico ubicado en la losa de reacción del LEM de la FIUADY. Las cargas se registraron utilizando una celda de carga de 300 kn. Como respaldo se registró la presión en el sistema hidráulico mediante un transductor de presión de 69 MPa. Se midieron los acortamientos y alargamientos con cuatro potenciómetros lineales de 120 mm de longitud, los cuales se colocaron a cada lado de las pilas en sentido horizontal y vertical. ENSAYE DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CONFINADA Los muros se ensayaron bajo carga axial constante y carga lateral cíclica reversible. El sistema de carga axial estaba formado por una viga balancín de acero, una viga de repartición de carga axial de acero, dos tensores de acero y un actuador hidráulico de 294 kn. Este actuador se conectó a un servo control mecánico para mantener la carga axial constante durante la prueba. La carga axial se midió utilizando dos celdas de carga tipo dona de kn. Estas celdas se colocaron en los extremos inferiores de los tensores. Para verificar la carga axial se utilizó un transductor de presión de 69 MPa. La carga lateral se aplicó mediante un sistema formado por dos marcos de reacción de acero conectados en paralelo, una viga de carga lateral de acero y un actuador hidráulico de doble vía de 274 kn. Los muros se conectaron a la losa de reacción en los extremos de las cadenas de cimentación (Figura 4). Para medir la fuerza cortante impuesta por el actuador hidráulico de doble vía se utilizó una celda de carga de tipo pasador de 400 kn. Esta celda se colocó en el extremo movible del actuador hidráulico. Para medir la presión del actuador hidráulico se utilizaron dos transductores de presión de 34.5 MPa.
5 Figura 4 Sistema de carga lateral Para medir desplazamientos relativos entre la trabe de carga y la cadena superior del muro, entre el muro y la base de concreto, así como entre la base y la losa de reacción se utilizaron potenciómetros lineales de 25 y 50 mm. Para medir desplazamientos lineales en la parte superior del muro, acortamientos de los elementos confinantes y distorsiones del panel de mampostería se utilizaron potenciómetros de polea de 50, 125 y 375 mm. En la figura 5 se presenta el esquema de la medición de desplazamientos en el muro. Figura 5 Instrumentación para la medición de desplazamientos en el muro 5
6 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Para la aplicación de la carga lateral, en este trabajo se siguió el protocolo de ensaye de muros de mampostería del Apéndice Normativo A- Criterio de Aceptación de Sistemas Constructivos a base de mampostería diseñados por sismo de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería del Distrito Federal (NTCM) (GDF, 2004a). Los ciclos de carga lateral tienen dos tipos de control, uno por carga y otro por distorsión (Figura 6). Los tres primeros pares de ciclos son por control de carga y posteriormente son por control de desplazamiento en intervalos de Figura 6 Protocolo de ensaye de los muro de mampostería confinada MATERIALES, PILAS Y MURETES RESULTADOS Las dimensiones promedio de los bloques huecos de concreto fueron x x mm (ancho x altura x longitud). El espesor promedio de las paredes de las celdas fue mm. La relación promedio entre las áreas netas y las áreas totales fue de La resistencia a compresión axial de los bloques sobre área total fue 6.18 MPa. La resistencia a compresión axial del mortero y del concreto fue 3.32 MPa y MPa, respectivamente. En la figura 7 se presenta la curva esfuerzo-deformación unitaria de las pilas mampostería. La resistencia a compresión axial, a compresión diagonal y el módulo de elasticidad de la mampostería es 4.09 MPa, 0.25 MPa y 5214 MPa, respectivamente. 3 Esfuerzo axial - Deformación unitaria (σ-ε) σ (MPa) PILA1 PILA3 PILA2 PILA4 0.5 PILA5 PILA6 Em ε Figura 7 Curva esfuerzo-deformación unitaria (σ ε) de las pilas de mampostería
7 MUROS DE MAMPOSTERÍA CONFINADA En las Figuras 8, 9, 10 y 11 se presentan las curvas de histéresis (carga lateral-distorsión) de los muros M1, M2, M3 y M4, respectivamente. La distorsión se calculó como el desplazamiento promedio medido por los potenciómetros PP1 y PP2 (Figura 5), dividido entre la distancia del potenciómetro a la base del muro. La carga asociada al primer agrietamiento diagonal de los muros M1, M2, M3 y M4 fue 60.7, 69.5, 33.4 y 40.1 kn, respectivamente. La carga máxima de los muros M1, M2, M3 y M4 fue 74.7, 80.64, 43.0 y 43.5 kn, respectivamente. La rigidez secante de los muros se calculó como la carga asociada al primer agrietamiento diagonal dividida entre el desplazamiento lateral. La rigidez secante de los muros M1, M2, M3 y M4 fue 21.6, 18.1, 11.0 y 7.9 kn/mm, respectivamente. Figura 8 Curva de histéresis del muro M1 Figura 9 Curva de histéresis del muro M2 7
8 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 Figura 10 Curva de histéresis del muro M3 Figura 11 Curva de histéresis del muro M4 En la Figura 12 se presenta el patrón de agrietamiento final de los muros ensayados. El agrietamiento en la mampostería corresponde a grietas verticales localizadas a 20 cm de los castillos, las cuales se formaron en los primeros ciclos de carga, así como grietas diagonales en ambas direcciones. Adicionalmente se presentó agrietamiento horizontal a lo largo de los castillos y agrietamiento diagonal en los extremos de los castillos. El patrón de agrietamiento diagonal en forma de X produjo el desprendimiento de las paredes de las celdas de los bloques, reduciendo la capacidad a cortante de los muros. Todos los muros fallaron a cortante.
9 M1 M2 M3 Figura 12 Patrón final de agrietamiento M4 RESISTENCIA A CORTANTE DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CONFINADA En este trabajo la resistencia a cortante de los muros de mampostería confinada corresponde a la carga asociada al primer agrietamiento diagonal. Se utiliza la ec. 1 para determinar dicha resistencia ( ). Esta fórmula está basada en la hipótesis de Mohr-Coulomb, pero incluye el efecto de la relación de aspecto del muro. En esta ecuación y son constantes que se ajustan con los resultados experimentales, es la resistencia a compresión diagonal de la mampostería, es el inverso de la relación de aspecto del muro ( = / ), es el área bruta de la sección transversal del muro, es la carga axial del muro. = + (1) Para ajustar la ec. 1 a los datos experimentales se propone utilizar el valor de 0.3 para el coeficiente, que es el que se utiliza en las NTCM (GDF, 2004a). El coeficiente se ajustó para que en promedio la relación entre la resistencia a cortante analítica y la experimental ( / ) sea igual a 1, obteniéndose un valor de 0.5. Sustituyendo los valores de y en la ec. 1 se obtiene la ec. 2. = (2) En la Tabla 2 se presentan los valores experimentales de la resistencia a cortante de los muros ensayados ( ) y se comparan con los valores analíticos obtenidos de la ec. 2. Adicionalmente, se comparan los valores anteriores con el obtenido de aplicar la ec. 3 que define las NTCM (GDF, 2004a). En esta ecuación es un factor de resistencia y es la resistencia de diseño a compresión diagonal de la mampostería. Para efectos de comparación se consideró un valor de igual a 1 y un valor de igual a la resistencia media a compresión diagonal de la mampostería. En esta tabla se observa que al emplear una fórmula que no considera el efecto de la relación de aspecto del muro (ec. 3) se obtienen valores no conservadores para los muros con relación de aspecto mayor a uno. Por otra parte, la fórmula propuesta en esta trabajo (ec. 2) ajusta satisfactoriamente los datos experimentales de la resistencia a cortante de los muros. 9
10 XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014 = (3) Muro Tabla 2 Resistencia a cortante de muros de mampostería confinada Relación de aspecto (kn) (kn) (kn) M M M M Media Desv. Est CONCLUSIONES En este trabajo de investigación se evaluó el comportamiento de muros de mampostería confinada de bloques huecos de concreto, sujetos a cargas laterales en su plano mediante el ensaye de muros a escala natural. Se diseñaron y construyeron cuatro muros. Las variables de estudio fueron la relación de aspecto y la carga axial del muro. Dos muros tenían relación de aspecto de 1.17 y dos de Con base en los resultados obtenidos en esta investigación se formularon las siguientes conclusiones: Todos los muros fallaron a cortante. Se formaron en los muros un patrón de agrietamiento diagonal en forma de X, que produjo el desprendimiento de las paredes de las celdas de los bloques, reduciendo la capacidad a cortante de los muros. Se propone una ecuación para determinar la resistencia a cortante de muros de mampostería confinada. Esta fórmula está basada en la hipótesis de Mohr-Coulomb, pero incluye el efecto de la relación de aspecto del muro. La ecuación ajusta satisfactoriamente los datos experimentales de la resistencia a cortante de los muros. Al emplear la fórmula de las NTCM para determinar la resistencia a cortante de los muros ensayados, se obtienen valores no conservadores para muros con relación de aspecto mayor a uno. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo brindado por el Programa de Mejoramiento al Profesorado (PROMEP) de la Secretaría de Educación Pública (SEP) a través del proyecto para la formación de Redes Temáticas de Colaboración: Reducción de la vulnerabilidad de estructuras de mampostería y puentes ante riesgos naturales. El segundo autor agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca otorgada para la realización de sus estudios de maestría. REFERENCIAS Alcocer S.M., Meli R., Sánchez T.A., Flores L.E. (1994) Comportamiento ante cargas laterales de sistemas de muros de mampostería confinada con diferentes grados de acoplamiento a flexión, Cuadernos de Investigación No.17, CENAPRED, México, pp Fernández Baqueiro L.E., González Herrera M. A., Varela Rivera J. L., Moreno E. I., Orduña Bustamante A. y Licea Panduro R. (2012), Resistencia a compresión axial de pilas de mampostería de bloques huecos de concreto de distintos espesores, Memorias del XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Acapulco, Guerrero, México, 13 pp. GDF - Gobierno del Distrito Federal (2004a), Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería, Gaceta Oficial del Distrito Federal, México, pp GDF - Gobierno del Distrito Federal (2004b), Reglamento de construcciones para el Distrito Federal, Gaceta Oficial del Distrito Federal, México.
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