MAMPOSTERIA RELLENA. Alvaro Pérez Gómez 1 y Raúl Jean Perrilliat 2 RESUMEN

MAMPOSTERIA RELLENA Alvaro Pérez Gómez 1 y Raúl Jean Perrilliat 2 1 Corporación Geo Margaritas 433 Gpe. Chimalistac México 01050, D.F. Tel. 5480-5000; e-mail inggeo@cmic.org 2 I.O.I.S.A. Calle 2, No. 3, Acacias del Valle México 03240, D.F. Tel 5524-4605;e-mail cadseing@avantel.net RESUMEN La mampostería rellena es una alternativa para incrementar la resistencia de los muros de mampostería y reducir el uso de los muros de concreto en estructuras de mampostería localizadas en zonas sísmicas. El presente articulo tuvo su origen en la necesidad de diseñar un conjunto de edificios de departamentos en la Ciudad México con muros de mampostería rellena. SUMMARY Where structures are located in seismic zones, the full grouted masonry is an alternative to increase the CMU s strength and to use less concrete walls in masonry structures. This paper was developed because of the necessity of designing several apartment buildings in Mexico City with fully grouted concrete masonry wall INTRODUCCION En la práctica profesional del diseño de estructuras a base de muros de carga de mampostería en lugares como la Cd. de México, es común que no sea suficiente la resistencia de la mampostería para soportar las cargas sísmicas de diseño y se tenga que recurrir a muros de concreto combinados con muros de mampostería. Los muros de concreto debido a su elevada rigidez comparada con los de mampostería, concentran en forma importante las fuerzas sísmicas y tienen el inconveniente de que en algunos casos generan desequilibrios en la rigidez global de la estructura y por otro lado normalmente su resistencia no se aprovecha en su totalidad ya que los esfuerzos cortantes resistentes de los muros de concreto armado

sobrepasan varias veces los esfuerzos resistentes de la mampostería. Por esta razón, la mampostería rellena puede ser una alternativa real para reducir el uso de los muros de concreto en estructuras de mampostería. ANTECEDENTES Las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería del Reglamento de las Construcciones para el Distrito Federal (DDF-NT, 1995) no contemplan recomendación alguna para el uso de la mampostería rellena, por lo que revisando las especificaciones de construcción de otros países como las de los Estados Unidos de Norte América y Japón se encontró que sí existen especificaciones para su diseño, ya que en dichos países es una práctica usual el uso de la mampostería rellena. Es importante señalar además, que en esos países, se producen comercialmente piezas de mampostería que por su geometría y resistencia hacen posible que los muros de mampostería rellena tengan casi la misma resistencia que un muro de concreto armado. En un estudio presentado recientemente en la 8 th NAMC denominado Effect of the Presence of Masonry Units on the Seismic Behavior of Reinforced Fully Grouted Concrete Masonry Walls (Kikuchi,1999) se demostró que los muros de mampostería de concreto reforzados interiormente con todos los huecos rellenos de concreto, tienen casi las misma capacidad de resistencia ante cargas sísmicas que un muro de concreto armado con el mismo espesor que el de la mampostería rellena. Para el estudio se utilizaron bloques huecos de concreto tipo H con resistencias a la compresión sobre área neta de 500 kg/cm 2 para igualar resistencias de muros de concreto con un f c = 320 kg/cm 2 (Figura 1). En los Estados Unidos de Norte América existen empresas que fabrican piezas de block denominadas Open End Concrete Block (Chysler, 1999) las cuales permiten un relleno homogéneo, principalmente entre las juntas verticales, ya que en las juntas verticales de piezas normales de mampostería se tiene una doble pared que impide un relleno homogéneo y fácilmente dan lugar a vacíos que reducen la resistencia a la falla del conjunto. Las piezas del tipo Open-End se fabrican para resistencias a la compresión sobre área neta de 200 kg/cm 2 o mayores (Figura 2). En México con las piezas de mampostería existentes comercialmente solo es posible diseñar los muros de mampostería tomando en cuenta el incremento en el esfuerzo cortante de diseño v* que se logra al formar secciones continuas de mortero a lo largo de los huecos de las piezas, efecto similar al que se produce en los ladrillos multiperforados (Alcocer, 1977), ya que la fabricación nacional de unidades de mampostería de concreto solo se limita a piezas estándar de doble hueco. La necesidad de diseñar edificios para vivienda económica en la Ciudad de México ha motivado el estudio de la mampostería rellena, para en lo posible evitar el uso de los muros de concreto e incrementar la resistencia de las estructuras de mampostería ante cargas sísmicas. Con el fin de conocer los valores del esfuerzo cortante v* y el esfuerzo de compresión f* m de los muros de mampostería rellena construidos con bloques huecos de concreto, se realizaron en el laboratorio ensayes de pilas y muretes y, posteriormente se utilizaron los valores obtenidos para diseñar un prototipo de edificio para vivienda económica.

FIGURA 1. Piezas tipo H para mampostería rellena FIGURA 2. Colocación de Open-end Concrete Block PRUEBAS DE LABORATORIO Con el fin de conocer los valores del esfuerzo cortante v* y el esfuerzo de compresión f* m de los muros de mampostería rellena construidos con bloques huecos de concreto 14x20x40cm, se realizaron en el laboratorio ensayes de pilas y muretes (Figura 3). Las pruebas de laboratorio consistieron en el ensaye de 3 muestras de 10 piezas de bloque hueco cada una, 3 muestras de 6 cubos de mortero a 3, 7 y 28 días de edad, 9 pilas y 9 muretes de bloques huecos; se utilizó el mismo mortero de junteo para llenar los huecos de los prismas y muretes. Los ensayes se hicieron tomando como referencia las Normas Mexicanas NMX-C-10, NMX-C-36, NMX-C-37, NMX-C-314 y las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería (DDF-NT,1995), los resultados de dichos ensayes se muestran en la tabla 1. Las unidades de mampostería se obtuvieron de una planta con producción mecanizada con control de calidad y el proporcionamiento del mortero fue 1: ½: 4 cemento-cal-arena.

FIGURA 3. Ensaye de muretes y pilas TABLA No. 1. Valores obtenidos en ensayes de muretes y prismas ensayados en laboratorio y en su correlación con valores de proyecto. Descripción de las pruebas realizadas para obtener los valores índice Obtenidos en ensayes (en kg/cm 2 ) Valores Índice Supuestos en proyecto (en kg/cm 2 ) Resistencia a compresión promedio de las piezas de bloque de 14x20x40 cm, provenientes de una planta mecanizada con control de calidad, f*p Resistencia a compresión promedio de los cubos de mortero a los 28 días para una proporción en volumen cemento-cal-arena de 1:1/2:4, f c Resistencia a compresión promedio de las pilas de bloque hueco con dimensión promedio de 14x39x62 cm suponiendo un c m =0.15, f*m Resistencia a compresión promedio de las pilas de bloque hueco con dimensión promedio de 14x39x62 cm rellenas de mortero de junteo, suponiendo un c m =0.15, f*m Resistencia a tensión diagonal de muretes de bloque hueco con dimensiones promedio de 14x62x62 cm suponiendo un c v =0.20, v* Resistencia a tensión diagonal de muretes de bloque hueco con dimensiones promedio 14x62x62 cm y con las celdas rellenas de mortero, suponiendo un c v =0.20, v* 79 198 40.4 61.2 3.2 4.8 60 125 31.0 60.0 3.0 5.0

Para los muretes y pilas con los huecos rellenos de morteros se obtuvieron valores índice de diseño de f* m =40 kg/cm 2 y v*=4.8 kg/cm 2. Los valores se obtuvieron utilizando los coeficientes de variación de c m =0.15 y c v =0.20 respectivamente, que establecen las Normas (DDF-NT,1995). Como los resultados obtenidos en los ensayes de compresión diagonal se obtuvieron valores casi de 8 kg/cm 2, se considera aceptable un valor de diseño v*=5 kg/cm 2, con un margen de error pequeño (abajo del 5%) según los resultados obtenidos. Revisando el modo de falla de los muretes de mampostería rellena se observó que las fallas en la mayoría de los casos son a través de las juntas verticales del mortero y no a través de las piezas, de lo que se deduce que aunque se incrementa significativamente la resistencia de la mampostería tanto a la compresión como al esfuerzo cortante al rellenar los huecos de la mampostería con el mortero de junteo, la mampostería es sensible a fallar entre las paredes verticales de los bloques, en donde es difícil lograr un llenado completo del espacio entre pared y pared de las piezas. Es seguro que sí se cortaran las paredes verticales de los bloques huecos formando una pieza tipo H como las que se vieron al inicio, esto contribuiría sustancialmente a incrementar la resistencia de los muros rellenos al lograr una distribución uniforme del relleno de las piezas. DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE EDIFICIO PARA VIVIENDA ECONOMICA Con los valores del esfuerzo cortante v* y el esfuerzo de compresión f* m de los muros de mampostería rellena construidos con bloques huecos de concreto, se presentará a continuación un ejemplo de aplicación con el diseño de un edificio tipo para vivienda económica en donde no fue suficiente la resistencia al esfuerzo cortante de la mampostería para soportar las cargas sísmicas. Descripción del Edificio Tipo El Edificio tipo forma parte de un Conjunto Habitacional de cinco edificios y tiene en planta dimensiones de 19.65x10.68 m. El Edificio cuenta con un nivel de estacionamiento y cuatro niveles de departamentos. Los estacionamientos están resueltos a base de marcos de concreto armado rigidizados con muros de concreto y losa maciza. Los cuatro niveles restantes están resueltos con muros de bloque hueco reforzados interiormente y losas de entrepiso de vigueta pretensada y bovedilla de poliestireno (Figura 4). El Conjunto Habitacional se ubica en terreno de transición y su cimentación es una losa de concreto armado rigidizada con contratrabes. El análisis y diseño estructural del Edificio se realizó de acuerdo con el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias (DDF-RC,1993). Para el Análisis Sísmico se consideraron los espectros de diseño para terreno de transición, zona II de la Regionalización Geotécnica del D.F., con un coeficiente sísmico Cs = 0.32 y un factor de comportamiento sísmico Qx =Qy =1.5 afectado por un factor de irregularidad de 0.8. Para la determinación de las fuerzas sísmicas se realizó un análisis tridimensional dinámico modal espectral combinando las acciones por medio de la suma cuadrática completa (CQC). Los períodos naturales de vibración obtenidos fueron Tx=0.34 seg (Longitudinal) y Ty=0.31 seg (transversal) y los desplazamientos relativos promedio de los entrepisos de 0.001 en la dirección transversal y de 0.002 en la dirección longitudinal, los cuales cumplen con los nuevos límites establecidos en el proyecto de normas de mampostería:(smie, 2000). Los muros de concreto y de mampostería se modelaron por medio de la analogía de la columna ancha, tomando en cuenta el acoplamiento que generan los pretiles, cadenas y las losas de entrepiso. La losa de cimentación se modelo por medio de una retícula apoyada sobre resortes asociándoles un modulo de reacción de 1 Kg/cm 3.

1 2 3 4 5 8 14 13 11 10 9 12 2 7 % Para la revisión de los muros de mampostería se aplicaron las especificaciones contenidas en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (DDF-NT,1995), considerando mampostería reforzada interiormente y contemplando el incremento del 25% de la fuerza cortante resistente por la contribución del refuerzo horizontal. Los parámetros de diseño considerados para los muros de mampostería fueron v*=3.0 kg/cm 2 y f* m =31 kg/cm 2 y se utilizó muro de bloque hueco de concreto de 14 cm de espesor con una resistencia mínima a la compresión sobre área bruta de f* p = 60 kg/cm 2. Se utilizó varilla del #3 y #4 para el refuerzo vertical de los muros y para el refuerzo horizontal 2 varillas de 5/32 de diámetro con Fy= 6,000 kg/cm 2 a cada hilada. Las intersecciones de los muros se resolvieron con ganchos cerrados utilizando varilla de 5/32 de diámetro con Fy=6,000 kg/cm 2. 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 A B C D 6 7 E F G PLANTA ARQUITECTONICA H I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 FACHADA PRINCIPAL FIGURA 4 Consideraciones de Diseño La solución final del proyecto se obtuvo después de revisar varias propuestas estructurales del edificio tipo; como primera propuesta se estructuraron los niveles de departamentos considerando solamente muros de

mampostería, resultando un número importante de ellos escasos por carga lateral en el primero y segundo nivel. En una segunda propuesta se modelaron los muros del cubo de la escalera de concreto armado, lo cual no fue suficiente. Finalmente como tercera alternativa para incrementar el cortante resistente de los muros de mampostería que resultaron escasos, se modelaron estos como muros de mampostería rellena, utilizando los valores índice obtenidos en la pruebas de laboratorio. Resultados obtenidos en la revisión de los muros de mampostería De la revisión de los muros de mampostería del edificio en estudio se obtuvieron cortantes últimos por sismo V U en 1º y 2º nivel mayores que los resistentes de la mampostería considerando un esfuerzo cortante resistente de diseño de v*=3 kg/cm 2, tal es el caso de los muros indicados en la figura 5 (muros 1161, 675, 677, 82, 1805 y 1940). Según se observa en la Tabla 2, en algunos casos se excede el V R hasta en un 50% (muro 1490) aun tomando el 25% de sobreresistencia por el refuerzo horizontal según las Normas (DDF,1993). Al diseñar los muros escasos con un v*=5 kg/cm 2 correspondiente a la mampostería rellena, se obtuvieron incrementos en la resistencia de hasta el 58% (muro 1490) y en el caso menos favorable de un 40% (muro 82), el beneficio en el incremento del cortante resistente fue mayor cuando se tuvieron esfuerzos de carga vertical bajos (muros 1805 y 1490). Finalmente según se aprecia en la Tabla 2, el incremento de resistencia obtenido rellenando todas las celdas de los bloques para incrementar el v* de diseño fue suficiente para obtener esfuerzos resistentes mayores a los esfuerzos últimos del análisis sísmico y con esto se evitó la utilización de muros de concreto, adicionales al cubo de la escalera en el primer nivel. TABLA 2. REVISION DE LOS MUROS DE 1o y 2o NIVEL COMO MAMPOSTERIA RELLENA v* para mampostería = 3 kg/cm2 v* para mampostería rellena = 5 kg/cm2 Incremento de v cr por ref. hor.= 25 % Expresión de diseño : V R = F R (0.5 v* A T + 0.3 P ) < 1.5 F R V*A T ; F R =0.7 para muros reforzados interiormente UBICACIÓN Num. Longitud Espesor Fza.Cortante Esf. Vert. Esf. Cortante Esf. Cortante Resistente Incremento EN PLANTA Muro de muro L, de muro t, Sísmica, V mínimo, fa ültimo, vu v R, (kg/cm2) de vcr con ( m ) ( m ) ( Ton ) (kg/cm2) (kg/cm2) mamp rell. para v*=3 Para v*=5 mamp rell. Muros eje 1 1161 4.60 0.14 15.17 3.10 2.59 2.13 3.00 41% Muro eje D entre 4 y 5 675 2.30 0.14 6.62 2.03 2.26 1.84 2.72 47% Muro eje F entre 4 y 5 677 2.30 0.14 6.60 2.03 2.25 1.85 2.72 47% Muros eje 11 82 4.60 0.14 15.28 3.26 2.61 2.17 3.04 40% Muro eje E entre 2 y 3 1805 3.70 0.14 9.02 0.63 1.92 1.48 2.35 59% Muro eje E entre 8 y 10 1490 3.70 0.14 10.97 0.71 2.33 1.50 2.37 58%

CONCLUSIONES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 I H G F E VER DETALLE B D baño C B A ganchos 5/32"Ø @ hilada ref. hor. 2 tec. 60 5/32"Ø @ hilada en todos los muros FIGURA 5. PLANTA TIPO (1er. y 2do.Nivel) ARMADO DE MUROS La mampostería rellena es una práctica muy poco usual en nuestro país pero en otros constituye una práctica usual que ha dado lugar a diseños comerciales de piezas huecas de concreto con geometrías y resistencias que al rellenarse de concreto y armarse adecuadamente casi igualan la resistencia de un muro de concreto armado. En México por la carencia de estas piezas especiales no es posible en la práctica profesional igualar la resistencia de un muro de concreto con mampostería rellena, pero sí es factible considerar un incremento importante en el esfuerzo cortante de diseño de la mampostería con el llenado de todos los alvéolos de las piezas huecas con mortero o concreto. Como se ha visto en el presente trabajo, la mampostería rellena es una alternativa real para incrementar la resistencia de los muros de bloque hueco de concreto ante cargas laterales en su plano, utilizando para ello piezas comerciales y el mortero de junteo para el llenado de todos los huecos de las piezas (mortero tipo I). El esfuerzo cortante de diseño de la mampostería rellena de los bloques huecos de concreto se pudo suponer de v*= 5kg/cm 2 lo cual representó un incremento de por lo menos un 40% de la resistencia cortante y permitió diseñar el Edificio Tipo sin la necesidad de incorporar muros de concreto, adicionales al cubo de la escalera del primer nivel. Cabe señalar que al igual que en la construcción de los muros de mampostería reforzada interiormente, en los muros de mampostería rellena debe existir una supervisión estricta que vigile que todos los huecos de las unidades de mampostería se rellenen adecuadamente.

Finalmente debido a que las actuales normas de mampostería no incluyen consideraciones para el diseño de la mampostería rellena y a que representa una alternativa real para incrementar la resistencia de la mampostería y evitar el uso de muros de concreto en las edificaciones de vivienda económica en zonas sísmicas, es recomendable que al igual que los estudios que se realizaron para incorporar a las nuevas normas de mampostería la eficiencia del refuerzo horizontal en los muros (SMIE,2000), se realicen más estudios sobre la mampostería rellena para que en el futuro se incorporen a las normas recomendaciones para el diseño de la mampostería rellena. REFERENCIAS ACI-530-95/ASCE 5-95/TMS 402-95, Bulding Code Requeriments for Masonry Structures, USA 1995. Alcocer S. M., Zepeda J., Ojeda M., Estudio de Factibilidad Técnica del Uso del Ladrillo VINTEX y MULTEX para Vivienda Económica, CENAPRED 1977. Amrhein J. E. Reinforced Masonry Enginnering Handbokk, Clay and Concrete Masonry, 1994 Chrysler J. and A.G. Open-End Concrete Block, 8 th North American Masonry Conference, 1999. Departamento del Distrito Federal (DDF-NT), Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería, México 1995 Departamento del Distrito Federal (DDF-RC), Reglamento de las Construcciones para el Distrito Federal, México 1993 Kikuchi K., Yoshimura K. and Tanaka A., Effect of the Presence of Masonry Units on the Seismic Behavior of Reinforced Fully Grouted Concrete Masonry Walls, 8 th North American Masonry Conference, 1999 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural A.C. (S.M.I.E.), Proyecto de Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería para el Reglamento de las Construcciones para el Distrito Federal, México 2000, 1er. Simposio Nacional de Edificaciones de Mampostería para Vivienda.