Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C. ESTUDIO DE RESISTENCIAS A COMPRESION DIAGONAL (CORTANTE), DE MURETES DE MAMPOSTERIA FABRICADOS CON MATERIALES DE LA ZONA CONURBADA COLIMA- VILLA DE ALVAREZ Juan de la Cruz Tejeda Jacome 1 y Carlos E. Silva Echartea 1 RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de un estudio experimental para determinar la resistencia a compresión diagonal de muretes de tabiques de barro recocido y tabicones de concreto, que son los materiales que más se utilizan en la construcción de vivienda para la zona conurbada Colima-Villa de Alvarez. Asimismo, con el objeto de buscar normalizar el uso de la malla electrosoldada en el refuerzo de muros confinados elaborados con estos materiales, se ensayó el mismo tipo de murete reforzado con malla y recubrimiento de mortero, siguiendo la metodología de Norma Mexicana propuesta por el CENAPRED para el primer caso. En los resultados de las pruebas se observó un mayor nivel de resistencia y rigidez, y un patrón de agrietamiento más uniforme en los muretes reforzados, congruente con los resultados que se han obtenido en investigaciones anteriores, por lo que consideramos que este es un buen recurso para sustituir los muros de concreto en viviendas que se construyen en zonas de alta sismicidad, utilizando parámetros de diseño preestablecidos. ABSTRACT In this work there are showed the results of an esperimental study whose purpose is determine the resistance to diagonal compression in small walls of masonry and concrete partitions, which are the most useful contruction materials for housing in the cities of Colima and Villa de Alvarez. Also, trying to standardice the use of steel mesh like braced in confine walls made with partitions of masonry and concrete, we tested the same kind of small braced with the steel mesh following the methodology of the mexican norm proposed by CENAPRED. The results of the experiments showed a higher level of resistance and rigidity and a more uniform cracking pattern in the small brace walls. This results are suitables whit others obtained in previus experimentals studies. So, with this information we consider that this is a good resource to substitute the concrete walls in housed builted in high sismicity areas using pre stablished design parameters. INTRODUCCIÓN La Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad de Colima, dentro de su programa de investigación se encuentra trabajando en la LGAC denominado Innovación de Materiales y procesos de Construcción. Dentro de esta línea, se han estado realizando ensayes con piezas de mampostería para la fabricación de muros confinados a base de tabiques de barro y tabicones de concreto que son los que más se utilizan en la construcción de vivienda en el Estado de Colima y que en muchos de los casos se refuerzan con malla electrosoldada cuando el muro estudiado no pasa la revisión sísmica. Para esta revisión generalmente se utilizan los parámetros de diseño en cortante para muros de mampostería confinada, que vienen en las normas técnicas complementarias del Reglamento del Distrito Federal, y si se decide utilizar además la malla electrosoldada y recubrimiento de mortero como refuerzo con el fin de incrementar su resistencia al cortante, no existe una manera sencilla de establecer un valor de diseño para el muro reforzado con estas características. Trabajos diversos en los últimos años se han realizado en México para estudiar el comportamiento sismo resistente de muros de mampostería elaborados con distinto tipo de piezas (de barro ó concreto, macizo, 1 Profesor-Investigador de tiempo completo, Universidad de Colima, Km 8.5 Carretera Colima Coquimatlán, Coquimatlán Col. Teléfono: (01)312 31 61167, email: jjacome@ucol.mx; csilva@cgic.ucol.mx 349
XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002 hueco ó extruido), modalidades (confinados ó reforzados interiormente) y calidades (artesanal, semiindustrializado ó industrializado). La mayor parte de estos trabajos han tenido como objetivo el de proponer alternativas para incrementar la resistencia y ductilidad de los muros evaluados. Los estudios realizados por (Hernandez y Meli 1975), (Alcocer, Sanchez 1996) y (Zepeda y Hernadez, 1996), (Padilla et al, 1999) etc, son un ejemplo de la investigación que en este rubro se ha efectuado últimamente sobre muros a escala natural para mejorar el comportamiento sísmico de edificios de mampostería en México. El objetivo del presente trabajo es estimar los valores de resistencia a compresión diagonal ó cortante para fines de diseño en muros de mampostería fabricados con tabiques de barro recocido y tabicones de cemento, jal y arena que se comercializan en la zona conurbada Colima-Villa de Alvarez, tanto en su forma natural como considerando refuerzo en las dos caras con malla electrosoldada 6x6-10/10 (Fy=5000 Kg/cm2) y recubrimiento de mortero tipo I (F c > 125 Kg/cm2) de 2 centímetros de espesor, que son los que mas se utilizan en la construcción de vivienda en el valle de Colima y tramitar la incorporación de estos valores de diseño en los Reglamentos de Construcciones locales. JUSTIFICACIÓN La mayor parte de los Ingenieros y Arquitectos que diseñan y construyen vivienda en el país utilizan los parámetros de diseño para las estructuras de mampostería que vienen indicadas en el Reglamento de Construcciones local, si es que existe; ó bien como es lo más común, lo toman de las Normas Técnicas Complementarias correspondientes del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal que generalmente son las mismas que menciona el Reglamento local. En estas Normas se establecen valores de diseño para muros de mampostería elaborados con piezas macizas ó huecas y de barro ó concreto cuando no se realicen ensayes en muretes con ciertas dimensiones fabricados con estos materiales, lo cuál es muy común en ciudades medias y pequeñas de la provincia que no cuentan con el equipo para ensayes adecuado. Lo anterior puede generar un problema de sobre-estimación de la resistencia y de la seguridad de los edificios, ya que los valores que dan estas normas están basados en datos de materiales que se fabrican en el D.F. y en muchas ocasiones distan mucho de los que se fabrican en la provincia. Por otra parte no se establecen valores de diseño para dichos muros cuando estos se refuerzan con algún sistema integral para aumentar sus valores dados de resistencia y que pueden representarse en el tamaño del murete. La propuesta de NTC del RDF de abril del 2001 ya contempla la malla electrosoldada como refuerzo de los muros confinados pero calculado de manera independiente. FABRICACION DE LAS PROBETAS O MURETES Los muretes ó probetas se fabricaron en forma y cantidad de acuerdo a la propuesta de Norma Oficial Mexicana del CENAPRED, Determinación de la Resistencia a compresión diagonal y de la rigidez a cortante de muretes de mampostería de barro y de concreto (Ref 3). Después de localizar a cerca de 16 centros de producción y venta de ladrillos y tabiques, se seleccionaron tres proveedores por cada tipo de pieza a utilizar en el estudio de forma aleatoria. Los tabiques de barro recocido tuvieron una dimensión promedio nominal de 5x13x27 y los tabicones de 9x13x28; los muretes que se fabricaron tuvieron una dimensión promedio de 43x43 centímetros y se construyeron tres por cada distribuidor previamente seleccionado. Después de su fabricación, los muretes no se movieron durante mas de 7 días y los ensayes se les realizaron a partir de los 28 días. Se fabricaron 9 probetas de ladrillo rojo recocido y 9 de tabicón de concreto normales y otro tanto de cada uno con refuerzo de malla electrosoldada 6x6-10/10 y recubrimiento de mortero de 2 centímetros de espesor por las dos caras de la probeta. La malla fue fijada a las caras con 4 clavos de anclaje a cada 30 centímetros en las dos direcciones; la distribución de los alambres de la malla fue paralelo a los lados del murete. La distribución de los clavos pretende representar una densidad de 9 anclajes/m2, que es el que se considera como estándar ó el recomendado (Zepeda, et al. 1996). El recubrimiento fue de mortero cemento arena proporción 1:3 (tipo I) de 2 centímetros de espesor. Se elaboraron y ensayaron también cubos de mortero de muestras obtenidas en la fabricación de los muretes y de los recubrimientos para los muretes reforzados, conforme a la norma mexicana NMX-C-06-1996, obteniéndose una resistencia media a la compresión de 252.5 Kg/cm2 a los 28 días. 350
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C. Figura 1. Proceso de fabricación de probetas Figura 2. Probetas con refuerzo terminadas EQUIPO DE PRUEBA El equipo utilizado fue una máquina de prueba universal Super L, marca Tinius Olsen, con trasductor de presión de carga y sistema de carga servocontrolado modelo 398, con una capacidad de 60 toneladas. Esta máquina está compuesta además por un gabinete de control modelo CMH 396 y computadora, con los cuales se lleva un control preciso de la carga aplicada, la velocidad de aplicación de dicha carga y la deformación vertical que se está obteniendo conforme se aumenta la carga. Para medir la deformación horizontal se utilizaron micrómetros con aproximación a las micras. Para distribuir la carga de compresión de manera uniforme en las esquinas de los muretes, se empleó un par de cabezales metálicos con sus alas del espesor de una hilada del tabique ó del tabicón, conforme a lo estipulado en la norma antes citada. Antes del ensaye, las esquinas sobre la diagonal de carga se cabecearon con yeso para facilitar la distribución uniforme de la carga entre el cabezal y la mampostería (fig 3). 351
XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002 Figura 3. Murete para prueba de compresión diagonal Figura 4. Equipo de prueba CALCULOS EFECTUADOS La resistencia a compresión diagonal de los muretes se obtuvieron dividiendo la carga máxima soportada durante la prueba entre el área bruta del murete medida sobra la diagonal de carga. La resistencia a compresión diagonal para fines de diseño se calculó con la expresión: ν* = ν m /1+2.5 c ν (1) 352
Donde: Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C. ν m, Es la media de los esfuerzos resistentes de los muretes ensayados y; c ν, Es el coeficiente de variación de los esfuerzos resistentes de los muretes ensayados, que no se tomaron menor a 0.20. Para el cálculo del módulo de rigidez al cortante, se utilizó la expresión: G m =τ 1 -τ 2 /γ 2-0.0005 (2) Donde: G m ; es el módulo secante de rigidez al cortante; τ 1 ; es el esfuerzo cortante correspondiente a 0.00005 de deformación angular τ 2 ; es el esfuerzo cortante correspondiente al 40% de la carga máxima; γ 2 ; es la deformación angular producida por el esfuerzo τ 2. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Los resultados de los ensayes que se obtuvieron para los muretes normales y reforzados se resumen en las tablas 1 y 2, en donde se observa que los valores promedio de resistencia de los muretes fabricados con ladrillos de barro recocido normales; es decir, sin refuerzo de malla y mortero, es de 3.91 Kg/cm 2 con un coeficiente de variación de 0.29 y una resistencia de diseño igual a 2.28 Kg/cm 2. Para los mismos tipos de muro pero reforzados con malla electrosoldada y recubrimiento de mortero fue de 13.20 Kg/cm 2 para la resistencia media y coeficiente de variación de 0.16, el cual se tomo en 0.20 para determinar la resistencia de diseño que fue de 8.80 Kg/cm 2. Durante el desarrollo de los ensayes de este tipo de muros, se observó que los muretes normales al momento de empezar a absorber carga presentaban un patrón de reacomodo inicial de sus partículas que generaba mayores deformaciones al inicio de la prueba, pero que en cuanto llegaba a un nivel de ajuste, en forma progresiva se incrementaba su nivel de absorción de carga y la aparición de grietas en el sentido vertical ó diagonal en la mayoría de los casos, que lo llevaban a la falla; en otros casos, la falla se presentaba con grietas a través de las juntas en forma escalonada y también se presentaban fallas mixtas en los especímenes con desprendimiento de piezas en varios casos (Fig 5). En los muretes reforzados con malla y mortero, el patrón de agrietamiento fue mas uniforme y a través de su diagonal de carga; no hubo desprendimiento de piezas y la carga resistida fue mucho mayor que la de las probetas sin reforzar. Estos especímenes presentaron un comportamiento más dúctil. Tabla 1. Resultados de los ensayes en muretes de ladrillos de barro recocido. Sin Refuerzo Con Refuerzo Clave M urete Resistencia M od. Rigidez Resistencia M od. Rigidez Clave M urete (kg/cm 2) (kg/cm 2) (kg/cm 2) (kg/cm 2) D L-5-1 3.04 5215 DL-5-1 12.85 16883 D L-5-2 4.45 5979 DL-5-2 13.29 12164 D L-5-3 5.72 4887 DL-5-3 9.90 8358 D L-6-4 3.88 4988 DL-6-4 14.15 12072 D L-6-5 4.91 5199 DL-6-5 10.79 9400 D L-6-6 4.76 7552 DL-6-6 12.89 11370 DL-10-7 4.40 5062 DL-10-7 14.81 20396 DL-10-8 1.94 3894 DL-10-8 16.96 23849 DL-10-9 3.57 5690 DL-10-9 14.58 20254 ν = 3.910481796 5308.387829 ν = 13.20225326 14085.03699 d esv. S td.= 1.120336011 996.1343339 d esv. S td.= 2.12830201 5520.79928 V ar. = 1.255152778 992283.6111 V ar. = 4.529669444 30479224.69 C oe.v ar.= 0.286495647 0.187652893 C oe.v ar.= 0.161207482 0.391962001 V m *= 2.278518044 C v (m in) = 0.2 V m *= 8.801502171 353
XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002 Curva Carga-Deformación 4000 3500 3000 2500 Carga Kg 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 Deformación mm Figura 5. Curva tipica carga-deformación de un murete de piezas de barro En el caso de los muretes fabricados con tabicones de cemento jal y arena normal, la resistencia media fue de 4.93 Kg/cm2 y su Cv de 0.34 lo que nos arrojó una resistencia de diseño de 2.67 Kg/cm2. Para estos mismos tipos de muretes pero reforzados con malla electrosoldada y recubrimiento de mortero, la resistencia media fue de 9.52 Kg/cm2, y el coeficiente de variación de 0.16, el cual se tomó como 0.20 para determinar la resistencia de diseño que quedó de 6.35 Kg/cm2. El comportamiento observado durante la prueba en el primero de los casos, fue algo similar a la de los ladrillos de barro, aunque se observaron algunas fallas por aplastamiento en la zona de los cabezales y una menor distorsión y mayor capacidad de carga; las fallas se presentaron generalmente sobre la diagonal de carga. En las pruebas a los muretes de tabicón reforzados con malla y mortero, los agrietamientos fueron más uniformes, con menores distorsiones y mayor absorción de carga aunque no mayor que la de los de ladrillo de barro. La falla típica fue por agrietamiento sobre la diagonal de carga (Fig 6). Por otra parte, la resistencia media obtenida de las piezas de ladrillo fue de 51.20 Kg/cm2 y de los tabicones de 44.7 Kg/cm2, valores que no cumplen con lo estipulado en las Normas Técnicas Complementarias del D.F., para usar los valores indicados para diseño en cortante. Por tanto, es obvio que no se pueden utilizar los valores para cortante que vienen indicados en estas normas. Este estudio demuestra que es necesario utilizar valores para diseño en cortante de muros de mampostería, fabricados con ladrillo de barro y tabicón, con base en estudios locales y no utilizar los valores de otros reglamentos ya que se puede sobrestimar la seguridad de las edificaciones en zonas de alta sismicidad que se diseñen con estos parámetros. Los valores de los módulos de rigidez a cortante resultaron congruentes con los resultados anteriores, con Gm = 5300 Kg/cm2 para los muretes de ladrillo de barro sin refuerzo y de 14085 Kg/cm2, con refuerzo. Los resultados para los muretes de cemento, jal y arena fueron de 4206 Kg/cm2 sin refuerzo y de 17610 Kg/cm2 para los reforzados. 354
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C. Tabla 2. Resultados de los ensayes sobre muretes de cemento, jal y arena Sin Refuerzo Con Refuerzo Clave M urete Resistencia Mod. Rigidez Resistencia Mod. Rigidez Clave M urete (kg/cm 2) (kg/cm 2) (kg/cm 2) (kg/cm 2) DT-1-1 3.11 2987 DT-1-1 7.11 19534 DT-1-2 4.59 3256 DT-1-2 7.45 12304 DT-1-3 4.27 4135 DT-1-3 10.79 6209 DT-3-4 2.86 2298 DT-3-4 9.77 21701 DT-3-5 5.84 3798 DT-3-5 9.21 18413 DT-3-6 4.92 4078 DT-3-6 10.56 19554 DT-5-7 7.67 6116 DT-5-7 9.70 21643 DT-5-8 6.60 6706 DT-5-8 10.75 25585 DT-5-9 6.81 7020 DT-5-9 11.35 25235 ν = 4.932029946 4206.206678 ν = 9.520752527 17610.77072 d esv. S td.= 1.666576664 1707.21504 d esv. S td.= 1.488579674 6182.899421 V ar. = 2.777477778 2914583.194 V ar. = 2.215869444 38228245.25 C oef.var.= 0.33790887 0.40587997 C oef.var.= 0.156351052 0.351086248 V m *= 2.673517096 Cv (m in) = 0.2 V m *= 6.347168352 Curva Esfuerzo-Deformación unitaria Esfuerzo (kg/cm²) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Deformación unitaria (mm) Figura 6. Curva típica de Esfuerzo-deformación de un murete de Tabicón Reforzado CONCLUSIONES De lo expuesto anteriormente podemos extraer las siguientes conclusiones: 1. Las probetas reforzadas con malla y mortero mostraron una distribución mas uniforme del agrietamiento en la dirección de la carga. 355
XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002 2. Los muretes de ladrillo de barro recocido reforzados con malla y mortero, presentaron una mayor resistencia al cortante y una mayor rigidez y ductilidad que los de tabicón de cemento, jal y arena. 3. Los patrones de agrietamiento y los mecanismos de falla que se presentaron en los muretes son típicos de los esfuerzos y deformaciones por corte. 4. La resistencia promedio del mortero utilizado en las probetas fue de 252.5 Kg/cm2, valor que es significativamente mayor al requerido por las NTC. 5. La resistencia promedio de las piezas de barro fue de 51.20 Kg/cm2, y de las de tabicón fue de 45 Kg/cm2, que son bajas comparadas con los requerimientos de las NTC del RDF. 6. La resistencia de diseño obtenida para los muretes normales de ladrillo de barro fue de 2.28 Kg/cm2 y los de tabicón fue de 2.67 Kg/cm2, menores a los 3.5 Kg/cm2 especificado por las NTC. 7. La resistencia de diseño obtenida para los muretes de ladrillo de barro reforzado fue de 8.80 Kg/cm2 y para los de tabicón fue de 6.34 Kg/cm2. 8. El módulo de rigidez de los muretes reforzados fue de aproximadamente tres veces de los correspondientes muretes sin reforzar. Para incorporar valores nominales de diseño a los reglamentos locales, será necesario ajustar estos valores con las resistencias mínimas probables que se obtuvieron de los ensayes, para cada uno de los tipos de muretes. Lo anterior nos llevaría a una propuesta con los valores siguientes: * Mampostería de tabique de barro recocido. V m * = 2.2 Kg/cm2 * Mampostería de Tabique de barro recocido reforzado con malla V m * = 5.0 Kg/cm2 electrosoldada y recubrimiento con mortero de 2.0 cm de espesor. * Mampostería de Tabique de cemento, jal y arena (Tabicón). V m * = 2.5 Kg/cm2 * Mampostería detabique de concreto, reforzado con malla electrosoldada V m * = 4.5 Kg/cm2. y recubrimiento de mortero de 2.0 cm de espesor. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la participación importante en el trabajo, de los alumnos del 10 semestre de Ingeniería Civil, Fernando Dueñas Reyna, Mark Hernandez Morentín y Ulises Baltazar Bueno, así como a los proveedores que donaron las piezas y a la Dirección de la Facultad de Ingeniería Civil por su apoyo económico para la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1. Norma Mexicana NMX. NMX-C-404-1997-ONNCCE. Industria de la Construcción- Bloques, Tabiques ó Ladrillos y Tabicones para uso estructural.- Especificaciones y Métodos de prueba. 2. CENAPRED, (1997b). Proyecto de Norma Mexicana NMX.- Determinación de la resistencia a compresión diagonal y de la rigidez a cortante de muretes de mampostería de barro y de concreto. México DF. 3. Alcocer S.M., Muriá D., y Peña I. (1996), Ensayes en mesa vibradora de sistemas de muros de mampostería confinada a escala 1:3. Memorias X Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Mérida Yucatán, Noviembre 16-19 de 1996 (pp, 859-869). 4. Sanchez T., Alcocer S.M., y Flores L., (1996), Estudio experimental sobre una estructura de mampostería confinada tridimensional, construida a escala natural y sujeta a cargas laterales. Memorias X Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Mérida Yucatán, Noviembre 16-19 de 1996 (pp, 909-918). 5. Zepeda J. A., Pineda J. A., y Alcocer S. M., (1996). Comportamiento ante cargas laterales de muros de mampostería confinada reforzados con malla electrosaldada. Memorias X Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Mérida Yucatán, Noviembre 16-19 de 1996 (pp, 919-925). 6. Alcocer, S.M., (1997), Comportamiento sísmico de estructuras de mampostería: una revisión. XI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica. Veracruz Ver. 19-22 de Noviembre de 1997, (pp 164-191) 7. Padilla M. R., Urzúa P. D. Y Sanchez A. A. (1999), Resistencia Sísmica de muros de mampostería confinada elaborados con materiales típicos de Guadalajara. Memorias XII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Morelia Michoacán; del 17-20 de Noviembre de 1999, (pp 286-295). 356