DESARROLLO DEL FERROCEMENTO EN LA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDAS. SEGUNDA ETAPA.

DESARROLLO DEL FERROCEMENTO EN LA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDAS. SEGUNDA ETAPA. Solicitante: SENCICO Gerencia de Investigación y Normalización Elaborado por: DANIEL QUIUN Ing. Civil CIP 28114 Lima, Julio 2011

Antecedentes El ferrocemento es un material compuesto por una armazón de barras de acero y mallas de alambre sobre las cuales se ha vaciado un mortero de cemento. El ferrocemento es utilizado en otros países como Cuba, Brasil e Italia desde hace muchos años. Este sistema de construcción, en estos países, ha sido utilizado para la construcción de botes de pesca, botes para trasladar pasajeros, para hacer cabañas en el río. Se utilizó en la construcción del Palacio de Exposiciones de Turín, en el Palacio de Deportes de Roma, en presas de agua, edificios para almacén, puentes peatonales, para la cubierta de un terminal de ómnibus, gimnasios, depósitos soterrados, tanques, monumentos, cubiertas de terminales aéreas, piscinas, y también es utilizado en viviendas de una y dos plantas. En el Perú, el ferrocemento ha sido utilizado básicamente en techos y tanques de almacenamiento de agua. En la tesis desarrollada por Walter Rojas y Carolina García (PUCP 2006) se analizó la viabilidad de usar techos de ferrocemento desde el punto de vista estructural y desde el punto de vista económico comparándolo con alternativas existentes en el mercado. El ingeniero Wilson Silva (2009) realizó un estudio de este sistema en el AAHH Daniel Alcides Carrión, utilizándolo para el techado de un segundo piso. El Servicio Nacional de Capacitación para la Industria de la Construcción (SENCICO) basándose en experiencias desarrolladas en otros países y teniendo en cuenta los resultados positivos obtenidos, incluyó en su programa de investigación y experimentación el estudio y adaptación del ferrocemento a las características de materiales y mano de obra disponibles en el territorio nacional. Dentro de este programa estaba la elaboración de techos con el sistema usado por el Ing. Wilson Silva y tanques de almacenamiento de agua o reservorios en zonas rurales. Los resultados obtenidos cumplían con la Norma E060 de Concreto Armado y además se determinó que había facilidad en los procesos constructivos, adaptación a diversas formas de los elementos, menores volúmenes de material, menores costos en comparación a los sistemas tradicionales y que podía ser elaborado por mano de obra no calificada. A fines del 2009 y comienzos del 2010 se llevó a cabo el proyecto Desarrollo del ferrocemento en la construcción de viviendas. Primera etapa, en el cual se hicieron pruebas de laboratorio en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Se construyeron y ensayaron muretes a compresión diagonal, compresión en paneles simples y dobles, y carga lateral cíclica en paneles simples y dobles. Los resultados fueron satisfactorios en el caso de los paneles dobles, sin embargo el peso elevado de estos ensambles y la gran resistencia alcanzada hizo concluir que se podía abaratar los costos de los paneles y facilitar la construcción con espesores más delgados. El presente informe de la segunda etapa comprende los ensayos hechos con paneles de espesores más delgados y el ensayo de un modelo de vivienda de un piso.

Objetivos La presente investigación tiene el objetivo de realizar estudios experimentales en paneles de ferrocemento los cuales puedan ser utilizados en el futuro en viviendas populares de uno a dos pisos. Se pretende reducir los costos de los paneles y facilitar la construcción con espesores más delgados a los empleados en la primera etapa. Los paneles más livianos requieren menos material y son más fáciles de manipular tanto para su transporte como su colocación. La construcción de los especímenes y paneles se hizo en el Laboratorio de Estructuras de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Los ensayos consistieron en carga lateral cíclica en dos paneles y un ensayo de un espécimen completo a carga lateral monotónica hasta la rotura. En ambos casos se trató de simular cargas sísmicas horizontales. Plan de trabajo 1.- En coordinación con la GIN, se elaboró el Plan de Trabajo para efectuar un estudio preliminar del ferrocemento aplicado en la construcción de viviendas. 2.- Se planteó la conformación de una serie de muros de ferrocemento, con propuestas de unión entre muros. 3.- Se revisó la dosificación de mezclas de mortero y se propuso la estructura de los diferentes muros de ferrocemento, teniendo en cuenta resultados de estudios anteriores realizados por la GIN SENCICO y otras experiencias. 4.- Se definió los ensayos de laboratorio y los planos de los especímenes de ensayo. 5.- En la construcción de especímenes de ensayo se hizo la supervisión respectiva. 6.- Realizados los ensayos por el personal del Laboratorio de Estructuras de la Pontificia Universidad Católica del Perú, se pasó a la etapa del análisis, interpretación, y evaluación de los resultados de los ensayos de laboratorio realizados. Como resultado final se elaboró el presente informe de interpretación de los resultados incluyendo conclusiones y recomendaciones. Planteamiento de conformación de muros con elementos de ferrocemento, y propuesta de unión entre muros. Como ya se indicó en el objetivo, se vio conveniente seguir con el tipo empleado previamente, pero con espesores de 2.5 y 3 cm (menores a los usados en la etapa 1 que fue de 4 cm), anchos de 60 cm y largos de 2.40 m. Las secciones en forma de C son convenientes para la facilidad constructiva, por lo que se mantuvieron en este trabajo (fig. 1). La única diferencia es que se hicieron alas de diferente extensión para facilitar el ensamble. Los paneles cuentan con un refuerzo interior de mallas de alambre electrosoldadas, las que se amarran con un armazón de barras corrugadas de acero convencional.

60cm 60cm 12.5cm 2.5cm 15cm 12cm 3cm 15cm 2.5cm 3cm Espécimen de 2.5cm espesor Espécimen de 3cm espesor Ø 3/8'' 12.5cm Ø 3/8'' 12cm 15cm 15cm 2.40m 2.40m 20cm 25cm Ø 3/8'' 60cm Ø 3/8'' 60cm Fig. 1 Paneles: arreglo y dimensiones Propuesta de dosificación de mezclas de mortero y propuesta de estructura del muro de ferrocemento En investigaciones anteriores de SENCICO en ferrocemento se ha empleado mezclas de cemento: arena 1:2 en proporción de peso. Se ha tenido resultados auspiciosos, por lo que en la presente investigación se vio por conveniente seguir con el mismo tipo de mezcla para el mortero. La armadura principal consistió de una malla de barras convencionales dúctiles de refuerzo corrugado (6mm de diámetro), y dos capas de mallas electrosoldadas (3/4 x3/4, por 0.75mm de espesor de filamento), colocados de manera simétrica a cada lado del armazón principal. De otro lado, el concreto a emplear para la elaboración de la cimentación y de las vigas de transmisión de carga o solera fue especificado de f c= 210 kg/cm2. El acero de refuerzo colocado en las vigas fue el corrugado grado 60 cuyo esfuerzo de fluencia especificado es fy = 4200 kg/cm2, común en elementos de concreto armado. Las vigas de cimentación fueron diseñadas para permitir su traslado sin alterar las propiedades del espécimen a ser ensayado.

Definición de ensayos de laboratorio y detalle de especímenes de ensayo De acuerdo con la Gerencia de Investigación y Normalización de SENCICO, se discutió la cantidad y tipo de ensayos y especímenes. Para complementar los ensayos realizados en la primera etapa de la investigación, dirigidas a una vivienda de uno a dos pisos, se estableció de común acuerdo los siguientes ensayos para la segunda etapa: 1) ensayos de carga lateral para investigar la resistencia sísmica en corte y flexión de paneles de espesores más delgados, por lo que se escogieron los espesores de 2.5 cm y 3 cm, y 2) un ensayo de carga lateral en un módulo a escala natural. La lista de ensayos es la siguiente: ENSAYO ENSAYOS DE CARGA LATERAL en paneles ENSAYO DE CARGA LATERAL en modulo NÚMERO DE ESPECÍMENES A ENSAYAR DIMENSIONES DEL ESPECÍMEN 2 (PANELES DOBLES) ANCHO: 1.20m ALTURA: 2.40m 1 3m x 3m aprox En las figuras 2 y 3 se muestran los planos de los especímenes a construir y ensayar. 60cm 60cm 2.5cm 3cm 15cm 15cm 125cm Espécimen de 2.5cm espesor 126c Espécimen de 3cm Cimentación Viga superior Fig. 2 Paneles dobles a ensayar a carga lateral cíclica

3.425mm Media Puerta 3.125m 3.275m 3.58m.125.12.15.15 2.40 2.40.20.25.60 Panel doble de 2.5 cm.20.25.60 Panel doble de3cm Fig. 3 Planta del módulo a ensayar bajo carga lateral monotónica y paneles dobles. Construcción de especímenes Los paneles fueron construidos en el piso, sobre la losa de concreto, usando un encofrado de madera. La fig. 4 muestra los paneles en construcción. Se puede apreciar en esta figura la malla de alambre electrosoldada, las barras de refuerzo corrugadas, la mezcla de mortero y el panel acabado. Después de acabados, los paneles se dejaron reposar por más de 28 días antes de su traslado al área de ensayos. Los paneles que tuvieron mucha congestión de mallas no se pudieron rellenar completamente, lo que se complicó además por el espesor delgado. Por tanto, después de retirar el encofrado, se rellenaron aquellas partes huecas con mortero en la misma proporción que la mezcla original.

Fig. 4 Construcción de paneles.

Ensayos de Paneles a carga lateral cíclica Debido al cierre de la Universidad por las festividades de Navidad 2010 y Año Nuevo 2011, seguida de las tres semanas de vacaciones institucionales, los especimenes de paneles quedaron acabados en Diciembre 2010, y los ensayos se realizaron el 2011. Ello dio además el tiempo suficiente para el secado de los paneles. Los ensayos de los paneles a carga lateral se realizaron el 10 de febrero (panel de espesor 30mm) y el 11 de febrero (panel de espesor 25 mm) del año 2011. En ambos casos el ensayo fue de carga lateral cíclica aplicada en la viga superior. Para cada ensayo se definieron cinco fases de amplitud definida creciente: 5, 10, 15, 20 y 25 mm. En cada fase se dieron 2 ciclos por lo general. En estos ensayos se midió la carga lateral y 6 desplazamientos con LVDT, como se indica a continuación y se muestran en la figura 5: D1 = desplazamiento horizontal de la viga superior D2 = desplazamiento relativo a la base D3 y D4 = Desplazamientos a lo largo de las diagonales D5 y D6 = Desplazamientos verticales en los dos extremos del muro En la figura 6 se observan diferentes etapas del ensayo del panel de espesor 30 mm, mientras que en la figura 7 se muestra diversas partes del ensayo del panel de 25 mm. Fig. 5 Instrumentación de paneles para el ensayo de carga lateral cíclica.

a) b) c) d) e) f) Fig. 6 Ensayo del panel de 30 mm: a)inicio; b)estado al inicio de fase 2; c) estado al inicio de fase 4; d) estado al inicio de fase5; e) deslizamiento de viga superior; y f)estado de la base inferior al final de la fase 5 y final del ensayo.

a) b) c) d) e) f) Fig. 7 Ensayo del panel de 25 mm: a)estado al inicio de fase 2; b) estado al inicio de fase 3; c) estado al inicio de fase5; d) deslizamiento y grietas en viga superior; e) y f) estado de ambos extremos de la base inferior al final de la fase 5 y final del ensayo.

En la Tabla 1 se indica los valores de carga máxima alcanzados en las distintas fases del ensayo de ambos paneles. Los valores positivos de las cargas corresponden al actuador empujando, y los valores negativos al actuador jalando. TABLA 1. Valores máximos de carga lateral en ensayos de paneles. FASE Desplaz. superior (mm) Cargas laterales máximas (kn) y desplazamientos superiores asociados (mm) Panel de 30 mm Panel de 25 mm 1 5 +24.58 kn 5.07 mm +22.31 kn 5.17 mm -27.66 4.85-19.60 4.85 2 10 +34.14 10.33 +32.37 10.08-32.60 10.07-26.00 10.08 3 15 +39.16 15.19 +35.20 14.43-30.20 14.88-26.33 14.40 4 20 +35.25 17.45 +28.72 16.35-26.16 19.63-20.84 16.19 5 25 +24.49 22.75 +18.11 23.00-22.16 24.34-15.86 24.73 Las figuras 8 y 9 muestran los gráficos a lo largo del ensayo de los desplazamientos D2, D3 y D4 (en mm) de los paneles de espesores 30mm y 25mm, respectivamente. D2 vs. t 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Fig. 8. Panel de 30mm 6 5 4 3 2 1 0-1 -2 D3 vs. t 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 D4 vs. t

D2 vs. t 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 Fig. 9. Panel de 25mm D3 vs. t D4 vs. t 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 De las fig. 8 y 9 se observa que respecto a D2 el desplazamiento relativo en la base, alcanzó los 3mm de amplitud en las etapas últimas del ensayo, lo que se considera adecuado. Las grietas diagonales que se miden con los desplazamientos D3 y D4 recién alcanzan 3 o 4 mm de ancho en las fase 3 donde se alcanza la máxima carga o capacidad del panel, lo cual también se considera adecuado. De otro lado, los desplazamientos verticales máximos en la base (D5, D6) fueron de 3.46 mm y 6.95 mm para el panel de 30 mm, y de 2.92mm y 6.10mm para el panel de 25mm, superando por más del doble a los alcanzados en los paneles ensayados en la etapa 1 de la investigación, cuyo espesor era de 4 cm. La unión de los paneles con la base o cimentación debe ser fija, por lo cual, queda evidencia de un mejor comportamiento de los paneles de mayor grosor y por tanto, mayor resistencia y rigidez. Sin embargo, se ha verificado que para la fase 3 de máxima carga, estos desplazamientos verticales son menores a 2mm, y luego los valores mayores a 6mm recién ocurren al final del ensayo, por lo que se considera que los paneles tuvieron un comportamiento adecuado. Al final de la fase 1 había fisuras horizontales hacia los dos bordes, las que coinciden en la altura con la posición de las varillas horizontales, cada 0.20m. La falla final de ambos paneles puede describirse como una combinación de flexión, y deslizamiento tanto en la base inferior como en la viga superior. En las figuras 10 y 11 se muestra el gráfico carga lateral vs. Desplazamiento lateral D1, para el panel de 30mm y el panel de 25mm, respectivamente. En ambos paneles la carga máxima se alcanza en la fase 3, siendo de 35.25 kn y de 35.20 kn, respectivamente. En la fase 4 la capacidad de carga decae entre 10 y 20% y ya en la fase 5 cae entre 30% y casi 50%, lo que corresponde a la falla final de los paneles.

Carga lateral Panel e=30 mm 50 40 30 20 V (kn) 10 0-30 -20-10 0 10 20 30-10 -20-30 -40 Desplaz. superior (mm) Fig. 10 Gráfica de carga lateral vs. Desplazamiento para panel de 30mm. Carga Lateral panel e=25mm 40 30 20 V (kn) 10 0-30 -20-10 0 10 20 30-10 -20-30 Desplaz. superior (mm) Fig. 11 Gráfica de carga lateral vs. Desplazamiento para panel de 25mm.

Ensayos de Módulo a escala natural ante carga lateral monotónica La aplicación de la investigación es para viviendas, por lo cual es necesario tener ideas sobre el comportamiento de un módulo a escala natural. La idea fue ensamblar con los paneles empleados anteriormente un módulo de 4 muros hechos de paneles y techado con otros paneles de ferrocemento. Por razones de su menor peso, para los muros se eligieron los paneles dobles de 2.5 cm de espesor, cuyo comportamiento en los ensayos de carga lateral cíclica mostró ser adecuado. En el techado se emplearon paneles en forma de C, también de espesor 2.5 cm. Para las paredes laterales se emplearon paneles completos junto con unos más bajos a manera de alféizares de solo 0.90m de altura (ver fig. 12). Fig. 12 Paneles empleados en techo y alféizares de módulo a escala natural. El ensayo se diseñó para aplicar al módulo cargas laterales monotónicas hasta el colapso. Por diversas limitaciones, no se pudo ejecutar un ensayo cíclico. Dado que las cargas sísmicas se distribuyen de acuerdo a la ubicación de la masa de los elementos, se hizo el metrado de pesos y masas; se vio que la masa se repartía entre el techo y los muros hechos de paneles. Por ello se concibió un mecanismo de aplicación de cargas en dos niveles, el más alto a la altura del techo y el otro a la media altura. Además, las cargas de cada nivel se repartieron en dos para aplicarlas en los planos de los muros paralelos a las cargas (aquellos con ventanas). La instrumentación consistió en medidores de cargas en cuatro puntos (dos por nivel y dos coplanares con los muros); mientras que los de desplazamientos fueron en ocho puntos, es decir cuatro en cada muro lateral (ver figuras 13 y 14).

Fig. 13 Instrumentos en el módulo a escala natural. Fig. 14 Colocación de instrumentos en Módulo de un piso antes del ensayo.

Un día previo al ensayo mismo, se hizo necesario resanar algunos paneles que mostraban escaso recubrimiento, estando la malla de alambre muy visible. Este resane se hizo con mortero de cemento quedando la superficie con un mejor acabado (fig. 15). El proceso de aplicación de cargas en cuatro puntos requirió coordinaciones previas para asegurar que los valores a aplicar sean los correctos (fig. 16). Además, se dispuso el empleo de unos tacos de madera para que las cargas concentradas en cada punto se distribuyan en una mayor superficie. La velocidad de aplicación de las cargas fue de 2.5 kn /min en las inferiores y de 5 kn/min en las superiores. En función de la resistencia de los paneles de espesor 25 mm se estimó que la carga máxima esperable para todo el módulo era de 300 kn. Por ello se previó un rango máximo de 100 kn (aprox. 10 ton) en cada carga de la parte superior y 50 kn (aprox. 5 ton) en la parte inferior. Al final del ensayo se registró una carga máxima total de 181.3 kn (aprox. 18 ton), sumando las cargas registradas en los cuatro puntos. Fig. 15 Paneles antes y después del resane. Fig. 16 Aplicación de carga en cuatro puntos en dirección paralela a muros laterales.

Durante el ensayo de carga monotónica creciente, se produjo una falla prematura de aplastamiento local en el punto inferior derecho de aplicación de la carga; allí se registró sólo hasta 30 kn (fig. 17). En cambio, en el punto inferior izquierdo se pudo continuar la aplicación hasta el final, con un máximo de 53 kn. Los dos puntos superiores registraron cargas muy similares a cada instante, con un máximo de 74.5 kn a la izquierda y de 76.4 kn a la derecha. La figura 18 muestra la situación del módulo al final del ensayo, con un gran desplazamiento hacia el lado del vano de puerta, y fisuras de orientación horizontal en la base y en la parte superior de los muros de paneles orientados en dirección paralela a las cargas aplicadas (fig. 19). En las figuras 20 y 21 se muestra más detalles desde el exterior del módulo ya retirado de la zona de ensayos, mientras que la figura 22 muestra detalles desde el interior del módulo. Fig. 17 Aplicación de las cargas y falla prematura en el punto inferior derecho. Lado izquierdo Lado derecho Fig. 18 Situación global del módulo al final del ensayo

Fig. 19 Agrietamientos de muros del módulo al final del ensayo (lado derecho en fotos superiores y lado izquierdo en foto inferior). Fig. 20 Lado izquierdo del módulo retirado de la zona de ensayo.

Fig. 21 Lado derecho del módulo retirado de la zona de ensayo. Fig. 22 Vistas interiores del módulo retirado de la zona de ensayos.

En la fig. 23 se ha graficado las curvas de carga lateral vs. desplazamientos laterales, considerando primero las cargas y desplazamientos al lado izquierdo y luego las del lado derecho; finalmente, en la fig. 24 se ha graficado la carga total como la suma de las cuatro cargas con el desplazamiento promedio de los medidos en la parte superior. Se percibe claramente en la fig. 23 que la falla local en el lado derecho hace que las cargas aplicadas a ese lado sean menores a las que se producen en el lado izquierdo. En la etapa inicial del ensayo (fig. 24), el comportamiento es casi lineal (límite elástico) hasta unos 4 mm con una carga de 150 kn. La carga máxima (fig. 24) como suma de las cuatro cargas aplicadas alcanzó 181 kn, aproximadamente con 10mm de desplazamiento; el sistema mantiene un nivel aceptable de cargas hasta un desplazamiento de falla de 35 mm, donde la carga total absorbida por el módulo baja a menos del 80% de la carga máxima (es decir, 181x.0.80 =145 kn o menos). V (kn) 120 P1 sup_izq + P3 inf_izq vs D3 sup_izq 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 D (mm) V (kn) 120 P2 sup_der + P4 inf_der Vs D7 sup_der 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 D (mm) Fig. 23 Curvas de carga desplazamiento lateral de cada lado.

V (kn) 200 P1 sup_izq +P2 sup_der +P3 inf_izq +P4 inf_der Vs D prom_sup 160 120 80 40 0 0 10 20 30 40 50 60 D (mm) Fig. 24 Curva de carga desplazamiento lateral global. Se puede estimar de la fig. 24 una ductilidad de desplazamiento µ como la relación entre el desplazamiento de falla δu de 35 mm y el desplazamiento límite elástico δe de 4 mm. Es decir: δu µ = δ e 35 = 4 9 Luego, la relación de ductilidad es: 2µ 1 = 2 9 1 = 17 4 El valor obtenido de 4 para la relación de ductilidad es razonable para el diseño de estas estructuras de ferrocemento. El valor de 4 obtenido de este ensayo coincide con el empleado en la Norma de concreto armado E.060 (2009) para las estructuras de muros de ductilidad limitada (EMDL). Sin embargo, para llegar a expresiones útiles para el diseño, es necesario hacer más ensayos con otras variaciones de los paneles, otras geometrías, considerar los efectos de la carga vertical, etc. En cuanto al esfuerzo cortante en condiciones últimas, si se divide la carga máxima alcanzada de 181 kn entre el área efectiva de material, A=3580 mm x 2 muros x 2 x25 mm = 35800 cm 2 se logra un esfuerzo cortante de aproximadamente 0.5 N/mm2 = 0.5 MPa, lo que equivale a unos 5 kg/cm 2. De otro lado, si se estima que el ferrocemento tiene una resistencia a compresión de f c= 100 kg/cm2, el esfuerzo cortante último obtenido resulta de 0.5 f c. Es decir, se obtendría: vu = 0.5 f ' c donde f c y vu están en kg/cm 2 Este esfuerzo cortante último debe aún verificarse buscando mecanismos para obtener la resistencia a compresión del ferrocemento.

Conclusiones y Recomendaciones Se cumplió el objetivo de ensayar paneles de ferrocemento ante cargas laterales, con espesores más delgados a los de la etapa 1; en esta etapa 2 se usaron espesores de 30 mm y 25 mm. Salvo el mal acabado y la dificultad para el llenado que es difícil por ser las mallas muy tupidas con espesores tan delgados, la resistencia obtenida en los ensayos de carga lateral y en el ensayo de carga monotónica en el módulo de un piso, son satisfactorios. La conexión con los paneles de muros y los de techo fue complicada y se debe estudiar cómo mejorar la conexión entre estos elementos. En el caso de los paneles de muro y la cimentación, se procedió a emplear unos ganchos en forma de U para facilitar la posición vertical de los paneles. Del ensayo monotónico se han logrado algunas expresiones similares a las empleadas en el diseño de concreto armado, lo cual son indicios que el sistema puede seguir en estudio. Se recomienda considerar otras variantes de geometría, considerar los efectos de la carga vertical y mejorar la conexión con el techo.