variables que intervienen en los sistemas de mampostería y

VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LOS SISTEMAS DE MAMPOSTERÍA
Y SU APLICACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN
Raúl Jean Perrillat(1) , Araceli Hernández Pineda(2)
RESUMEN.
En el presente artículo se analizan algunas de las variables y factores que influyen de forma trascendental en
el adecuado comportamiento de sistemas constructivos a base de mampostería. Entre las mencionadas
variables se consideran: el confinamiento, el refuerzo horizontal, el tipo de piezas, dirección del sistema de
piso, interacción suelo-estructura, penetración del mortero en los alvéolos, colocación de instalaciones
eléctricas dentro del sistema de muros, así como todos los errores constructivos que son frecuentes, etc. Es
importante señalar el comportamiento de los sistemas de mampostería es altamente dependiente de la buena
calidad constructiva.
ABSTRACT
In this paper, some of the factors fundamental for the adequate behavior of masonry building systems is
analyzed. Within the mentioned variables herein are: confinement, horizontal reinforcement, brick types,
direction of the floor system, soil-structure interaction, mortar filling of brick alveoli, deployment of electric
hardware inside the brick walls system and frequent construction errors. It is important to mention that
masonry systems are highly dependent on construction quality.
INTRODUCCION
En nuestro país siempre ha sido frecuente el empleo de la mampostería para generar vivienda; de ahí la
importancia de desarrollar sistemas que tengan un buen desempeño estructural con un costo adecuado para el
fin establecido. Por ello es importante el estudio de muros de mampostería tanto confinada con o sin refuerzo
horizontal, la mampostería reforzada interiormente. Adicionalmente es indispensable establecer los múltiples
beneficios que los sistemas de buena calidad tienen sobre la mampostería no confinada ni reforzada tanto en
su desempeño estructural como en los costos. Paralelamente se tiene la necesidad de desarrollar piezas con
buenas resistencias, principalmente la correspondiente a esfuerzo cortante vm*(tensión diagonal). Como parte
de los resultados que las investigaciones han vertido es el de determinar la contribución de todas estas
variables en el desempeño estructural (refuerzo horizontal, confinamiento, piezas, sistemas de piso, mortero,
etc.). Sin embargo es importante señalar que errores constructivos en cualquier sistema de mampostería de
alto desempeño generará que el comportamiento esperado y predicho en el diseño estructural no se presente
en la realidad, esto es, la resistencia y la capacidad de deformación se verán altamente mermadas. La
mampostería es fuertemente dependiente de la calidad constructiva; simplemente el no colocar o traslapar el
refuerzo horizontal generará que la resistencia disminuya hasta en un 50% y que la capacidad de deformación
(1) (2)
I.O.I.S.A Av. Barranca del Muerto #210-P.B Guadalupe Inn 01020 México D.F
Tel. 55-63-43-15; e-mail [email protected]
1
se abata; o bien si el mortero no penetra adecuadamente en los alvéolos en piezas multiperforadas no podrá
satisfacerse la resistencia adoptada en el diseño del sistema, simplemente se tendrá una disminución de la
capacidad a cortante. Por lo tanto es indispensable tener controles de calidad estrictos en este tipo de
edificaciones de tal manera que lo predicho por la teoría y las investigaciones y plasmadas en los proyectos
estructurales se satisfagan en la realidad y no se tengan sistemas de mampostería con baja resistencia y
capacidad de deformación, y que sean inseguros.
Se tiene la gran preocupación de que a pesar de tener investigaciones de muy alta calidad que son la base para
el desarrollo de especificaciones y reglamentos que fomentan el uso de sistemas de mampostería con un
excelente desempeño estructural, adecuados para zonas de alta sismicidad, como son las Normas Técnicas
Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería del Reglamento de
Construcciones para el Distrito Federal, NTM, (Ref 12) y de que se ha demostrado que las mamposterías de
este tipo son similares en costo e inclusive más económicas en algunos casos (Jean, 2000a) no sean
empleados por considerarse poco económicas o por desconocimientos de su comportamiento estructural y de
los beneficios que aportan; o bien de la mala calidad constructiva que implica que no se puedan desarrollar las
virtudes de estos sistemas.
Al seleccionar un buen sistema de mampostería y al detallarlo adecuadamente se tendrán las siguientes
cualidades:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
mayor resistencia.
mayor capacidad de deformación.
patrón de agrietamiento más uniforme.
disminución del tamaño de grietas para el mismo nivel de distorsión (desplazamiento horizontal entre la
altura del muro).
capacidad para tomar esfuerzos por temperatura.
disminución de fisuras ante solicitaciones de servicio.
mayor capacidad ante la presencia de asentamientos diferenciales y desplomes.
eliminación o disminución de los muros de concretos necesarios para resistir las acciones.
mayor seguridad.
MAMPOSTERÍA CON BUEN DESEMPEÑO ESTRUCTRUAL
Para generar sistemas de mampostería con un buen desempeño estructural es necesario considerar
factores de suma importancia, tales como:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
confinamiento.
refuerzo horizontal.
tipo de piezas.
dirección de carga del sistema de piso.
interacción suelo-estructura.
penetración del mortero en los alvéolos.
colocación de las instalaciones en los muros.
calidad del mortero.
etc.
A continuación se describen cada una de estas variables y su influencia en el comportamiento estructural.
2
1.- Confinamiento.
La mampostería confinada tiene un comportamiento mecánico muy diferente a la que no lo está,
debido a que los castillos y las dalas generan un excelente desempeño del sistema principalmente cuando son
sometidos a fuerzas horizontales intensas lo que sucede en zonas de alta sismicidad. El confinamiento se logra
a través de dalas y castillos lo que genera la formación de tableros que a su vez proporciona capacidad de
deformación mucho mayor que la de muros no confinados y una liga muy efectiva con los elementos
adyacentes. Evidentemente se puede lograr mampostería confinada con refuerzo horizontal teniendo los
beneficios de ambos sistemas.
En la figura 1, tomada de la referencia 6 se observan las virtudes y beneficios del confinamiento:
FIGURA 1. Comportamiento histerético de un sistema confinado (Alcocer et. al)
En la figura 2, tomada de la referencia 25, se puede observar el comportamiento de una mampostería no
confinada y de otra confinada.
Muros de mampostería confinada de
ladrillos sólidos. Presentan mayor
capacidad de deformación y disipación
de energía.
Muros de ladrillo hueco con bajas
cuantías de refuerzo interior.
Comportamiento con baja capacidad
de deformación.
FIGURA 2. Ciclos de histéresis para muros de mampostería (Meli 1994)
El confinamiento, ha demostrado tener las siguientes características (Alcocer, 1997):
3
ƒ
Los castillos tienen una función importante para mantener la estabilidad ante cargas verticales,
principalmente cuando se ha presentado el agrietamiento inclinado. Para distorsiones elevadas, en las
cuales la mampostería esta sumamente dañada, la capacidad de carga es mantenida y garantizada por los
castillos.
ƒ
La contribución de los castillos (dimensiones y armados) a la carga de agrietamiento diagonal es poco
significativa.
ƒ
Los muros confinados con castillos exteriores han exhibido un comportamiento más estable incluso a
distorsiones del orden del 0.5%. Los castillos ahogados han demostrado mayor nivel de daño para
distorsiones similares, así como la degradación de la rigidez.
ƒ
Los castillos controlan el agrietamiento inclinado que se presenta en el muro.
ƒ
El refuerzo transversal de los estribos con áreas y separaciones adecuadas ha mostrado generar ciclos
histeréticos estables y con mayor capacidades de deformación y de disipación de energía.
ƒ
El comportamiento post-agrietamiento del muro depende de la resistencia de los elementos confinantes.
ƒ
Los castillos incrementan la capacidad de deformación, la resistencia y la rigidez lateral.
Los requisitos para la mampostería confinada son los siguientes (GDF, 2002a):
1) Debe haber castillos en los extremos y en las intersecciones de muros y a una distancia no mayor de 4
m en los tableros de muros.
2) El armado longitudinal de los castillos debe ser constituido como mínimo por cuatro barras y su área
no debe ser menor que.
A
s
= 0 .2
f'
f bd
(1)
c
c
y
3) Los estribos de los castillos deberán estar espaciados a no más de 20 cm. y su área transversal no
deberá ser menor que:
1000s
A= f
d
(2)
s
y
c
4) Deberá haber dalas en todo extremo horizontal de muro y en los tableros a una separación de no más
de 3 m.
5) El refuerzo longitudinal y transversal de las dalas debe cumplir los mismos requisitos que para los
castillos.
En la figura 3 se muestran los requisitos para mampostería confinada:
4
FIGURA 3. Requisitos para mampostería confinada.
Como se observa en los requisitos anteriores los castillos pueden ser exteriores o interiores.
En Departamento del Distrito Federal 2000, se define como determinar la resistencia a fuerza cortante de la
mampostería:
⎛
P ⎞
⎟ ≤ 1 .5 F R ϑ m *
ϑ mR = FR ⎜⎜ 0 .5 ϑ m * + 0 .3
A ⎟
⎝
T
(3)
⎠
donde:
ϑ SR
FR=0.7
ph
fyh
AT
esfuerzo cortante resistido por el refuerzo horizontal, VsR/AT
factor de reducción de resistencia
cuantía del refuerzo horizontal
esfuerzo de fluencia del refuerzo horizontal
área bruta de la sección transversal del muro o segmento de muro, que
incluye a los castillos.
5
ϑmR
esfuerzo cortante resistente de diseño VmR/AT
vm*
P
resistencia de diseño a compresión diagonal.
Carga axial que actúa en el muro con el mínimo valor probable.
Se observa claramente en la ecuación (3) que el factor de reducción de resistencia y la resistencia de
las piezas son parámetros importantes; al no lograr un sistema confinado y desde un punto de vista
reglamentario el factor de reducción de resistencia de 0.7 no podría ser aplicado y se tendría el
correspondiente a mampostería no confinada que es de 0.3; esto significa que la resistencia sería
aproximadamente la mitad., Aunado a esto disminuiría sustancialmente la capacidad de deformación del
sistema.
Para poder definir una mampostería confinada se requiere cumplir con los requisitos antes descritos.
En la práctica se han visto los siguientes errores:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
separación excesiva de los castillos.
falta de dalas; en algunos casos se considera que una losa maciza puede tener esta función.
falta de anclaje del refuerzo longitudinal de los castillos.
exceso en la separación de los estribos del castillo.
anclaje insuficiente del acero longitudinal de las dalas y castillos.
traslapes del acero longitudinal en zonas no recomendadas.
falta de resistencia de las piezas.
error en el colado de los castillos cuando estos son interiores.
cuantías de acero menores a las especificadas.
falta de cerramientos y dalas en vanos y ventanas.
falta de dobleces a 135º de los estribos de los castillos.
colocación de instalaciones dentro del muro sin tomar en cuenta la afectación del comportamiento
estructural.
falta de mortero en las juntas verticales y horizontales.
falta de penetración del mortero en los alvéolos de piezas multiperforadas.
cuando los castillos son interiores muchas veces no se colocan los estribos.
cuando los castillos son interiores hay error en el posicionamiento del refuerzo vertical.
error en los recubrimientos de dalas y castillos.
etc.
Si hay errores al construir un sistema confinado se estará disminuyendo la resistencia y sobre todo la
capacidad de deformación; o bien se genera una mampostería con un comportamiento deficiente similar al de
la mampostería no confinada.
2.- Refuerzo horizontal.
El comportamiento de la mampostería con refuerzo horizontal ha demostrado ser realmente bueno, lo
que se refleja en el agrietamiento en cuanto a su distribución y ancho de las fisuras. Aunado a esto se
desarrolla una mayor resistencia y capacidad de deformación.
El refuerzo horizontal ha mostrado tener una fuerte influencia para el adecuado desempeño estructural
sísmico. Entre las características que aporta al sistema se encuentran (Aguilar et al., 1994; Zepeda et al. 1997;
y Álvarez et al., 1994):
6
ƒ
Favorece a una distribución más uniforme del daño y disminuye la anchura de las grietas.
ƒ
No incrementa sustancialmente el cortante de agrietamiento, ni la rigidez de agrietamiento, ni la
distorsión a la cual se presenta; se han medido incrementos del orden de un 20%.
ƒ
La rigidez elástica no se modifica por la presencia del refuerzo horizontal.
ƒ
Genera ciclos histeréticos estables, con buena disipación de energía.
ƒ
Incrementa la resistencia máxima a cortante.
ƒ
Incrementa la capacidad de disipación de energía.
ƒ
Incrementa la capacidad de deformación.
ƒ
Propicia una degradación de la resistencia lateral menos pronunciada, pero no la evita.
Es conveniente aclarar si embargo, que buena parte de las construcciones existentes se han realizado
con mampostería sin refuerzo horizontal sin contar con todos los beneficios que aporta y paradójicamente su
costo es marginal.
El refuerzo horizontal ha demostrado tener una fuerte influencia para el adecuado desempeño
estructural sísmico aportando características al sistema como la distribución más uniforme del daño,
disminución de la anchura de las grietas, incremento de la resistencia máxima a cortante, así como la
capacidad de deformación y la disipación de energía, entre otras (Jean, 2000).
Se debe emplear como refuerzo horizontal varillas de alta resistencia con esfuerzos de fluencia de
Fy=5,000 kg/cm2 o Fy=6,000 kg/cm2 y de diámetro pequeño (φ=3/16” y φ=1/4”) para facilitar los aspectos
constructivos y es necesario colocarlo con cuantía adecuadas para lograr la mayor eficiencia estructural; es
evidente que si se coloca mucho refuerzo horizontal la eficiencia de este disminuirá, esto es, no trabajara a su
capacidad máxima. Por otra parte es muy importante que se ancle la varilla perfectamente en los castillos
mediante escuadras a 90º en sus extremos y de preferencia en el plano vertical con el objeto de que desarrolle
su capacidad por anclaje mecánico. Adicionalmente, dado la naturaleza de su trabajo por anclaje en los
extremos, no se debe traslapar.
En México el refuerzo interior no es muy popular debido a que se desconocen sus virtudes y se piensa
que es difícil su colocación. Cuando se emplea, constantemente se observa deficiencia en los anclajes y así
como el traslape del mismo lo que anula su aportación al buen comportamiento.
Desde la década de los 70 ya se había determinado el gran beneficio del refuerzo horizontal; en
Reglamento del Distrito Federal 1993, se permitía un incremento del 25% de la fuerza cortante cuando la
cuantía del refuerzo horizontal, ph, no fuese inferior a 0.0005 ni a la expresión
⎛
P
p h = 0.0002 v * ⎜⎜ 1 + 0.2 *
v AT
⎝
⎞ 4200
⎟⎟
⎠ fy
.
(4)
En Departamento del Distrito Federal 2000, se define explícitamente la contribución a la resistencia a fuerzas
horizontales en función de la cuantía del refuerzo horizontal:
ϑ SR= FR η Ph f yh
(5)
7
y para determinar el cortante resistido por la mampostería se propone la siguiente expresión:
⎛
P ⎞
⎟ ≤ 1 .5 FR ϑ m *
ϑ mR = FR ⎜⎜ 0 .5 ϑ m * + 0 .3
A ⎟
⎝
T
(6)
⎠
donde:
ϑ SR
FR=0.7
ph
fyh
AT
esfuerzo cortante resistido por el refuerzo horizontal, VsR/AT
factor de reducción de resistencia
cuantía del refuerzo horizontal
esfuerzo de fluencia del refuerzo horizontal
área bruta de la sección transversal del muro o segmento de muro, que
incluye a los castillos.
ϑmR
esfuerzo cortante resistente de diseño VmR/AT
P
carga axial que actúa en el muro con el mínimo valor probable.
En la práctica muchas veces no se cumple con todos los requisitos constructivos para el refuerzo
horizontal, esto debido a que no existe la supervisión y el cuidado adecuado en la colocación y anclado del
refuerzo. Esto genera que la resistencia se abata considerablemente; por ejemplo el traslapar el refuerzo
horizontal o no anclarlo adecuadamente sería lo mismo que no colocarlo, teniendo como resultado una
estructura subdiseñada, esto representaría una pérdida casi del 50% de su resistencia nominal y una
disminución importante de la capacidad de deformación.
Lo anterior implica que si se consideran los conceptos reglamentarios en donde se indica que la
mampostería reforzada interiormente tendría un factor de reducción de resistencia para la fuerza cortante
resistida por la mampostería de 0.7, pero al no realizar correctamente el proceso constructivo ese factor sería
considerado como 0.4, lo que nos daría como resultado muros no reforzados.
Evidentemente cuando no se coloca refuerzo horizontal, ya sea mampostería confinada o no
reforzada, no se tendrá este incremento.
La contribución del refuerzo horizontal a la resistencia puede ser muy importante, proporcionando valores
similares a los resistidos por la mampostería; en el siguiente ejemplo se puede observar esta característica:
TABLA 1. Contribución del refuerzo horizontal a la resistencia (kg/cm2).
Fr=0.7
η= 0.6
ph = 0.0007
P/AT = 3 kg/cm2 (1)
resistencia a
compresión
diagonal de la
mampostería
vm*
esfuerzo cortante
de diseño de la
mampostería
vmR
Tabique rojo recocido
3
1.7
5.5
2.6
tabique de barro
extruído
multiperforado
8
Esfuerzo cortante
que toma el
refuerzo horizontal
vsR
2.5
Valor característico en un muro de planta baja para un inmueble de 4 o 5 niveles.
De acuerdo con los valores de la tabla anterior se pueden hacer algunas reflexiones:
• Si se utilizaron piezas multiperforadas y no se colocó el refuerzo horizontal la resistencia reglamentaría
que se tendría sería aproximadamente el 50% de la de diseño. Aunado a esto la capacidad de
deformación del sistema sería de bastante menor que reflejado en los parámetros de diseño se tendría que
hacer el análisis sísmico para un factor de comportamiento sísmico Q menor., lo que implicaría fuerzas
mayores de diseño.
• Si se utilizaron piezas multiperforadas con refuerzo horizontal perfectamente bien colocado y el mortero
no penetró e en los alvéolos, de acuerdo con las pruebas de laboratorio la resistencia a tensión diagonal
de las piezas disminuye de 5.5 kg/cm2 a un valor de aproximadamente de 3.0 kg/cm2 ; esto implicaría
que la resistencia reglamentaría que se tendría sería del orden del 80% de la de diseño.
3.- Muros Reforzados Interiormente.
Este tipo de sistemas también ha demostrado tener un excelente comportamiento estructural
(Hernández et al. 1976). En Departamento del Distrito Federal 2000 se definen los requisitos que se deben
cumplir para considerar una mampostería reforzada interiormente, algunos de ellos se muestran en la
siguiente figura:
FIGURA 4. Requisitos para mampostería reforzada interiormente
La resistencia puede ser determinada con la siguiente expresión:
⎛
P ⎞
⎟ ≤ 1 .5 FR ϑ m *
ϑ mR = FR ⎜⎜ 0 .5 ϑ m * + 0 .3
A ⎟
⎝
T
(7)
⎠
Como se aprecia en la figura 4 en este tipo de sistemas los castillos son ahogados y presentan la
problemática de que no es fácil construirlos y menos supervisarlos. Aunque no es estrictamente un requisito
9
de sistema, es conveniente colocarles dalas en las uniones con los sistemas de piso. Los defectos constructivos
son similares a los ya descritos anteriormente.
4.- Piezas.
Las piezas de mampostería deberán cumplir los requisitos generales de calidad especificados por la
Dirección General de Normas de la Secretaría de Comercio y Fomento Industrial.
Dada la dispersión de las propiedades mecánicas de las piezas de mampostería y calidades de mortero es
conveniente realizar ensayes para determinar los valores de diseño; sin embargo existe la siguiente
problemática:
• no todos los productores han determinado las propiedades mecánicas de las piezas.
• algunos productores no tienen calidades de resistencia de sus piezas.
• nos existe una norma oficial mexicana para determinar, por medio de ensayes de laboratorio, la
resistencia a compresión y a compresión diagonal de la mampostería. Es importante señalar que las
pruebas son altamente dependiente de la forma como se realice el ensaye.
• existen muchos productores de piezas artesanales cuyas resistencias son bajas y con mucha dispersión.
• los valores definidos en Departamento del Distrito Federal 2000 son sumamente genéricos.
Como se puede apreciar en las expresiones de diseño los valores de resistencia de la pieza y por ende
de la mampostería son variables muy importantes. La dispersión total de la resistencia a la compresión para
un tipo de pieza proviene de tres fuentes: la variación de la resistencia dentro de piezas de un mismo lote, la
variación de un lote a otro de una misma fábrica y la variación de una a otra empresa. Durante el diseño de
estructuras de mampostería el ingeniero estructurista debe estar consciente de estas dispersiones y tomarlas en
cuenta; si no cuenta con esta información será necesario lleven a cabo pruebas de la resistencia a la
compresión y a compresión diagonal de las piezas siguiendo los mismos lineamientos asociados a la norma de
diseño.
Entre las piezas utilizadas en la construcción se encuentran:
1. piedras naturales.
2. adobes.
3. tabiques.
4. bloques de concreto.
A continuación se mencionan algunas de las ventajas y de las desventajas para los dos últimos tipos de piezas:
a) Tabiques
VENTAJAS
- Se pueden obtener piezas de muy buena
calidad con alta resistencia a la
compresión y a compresión diagonal
(cortante).
- Apariencia arquitectónica agradable.
- Se pueden hacer muros aparentes sin
necesidad de aplanados, teniendo
beneficios arquitectónicos y disminución
en el peso.
DESVENTAJAS
- Algunas piezas se tienen muy baja
resistencia a la compresión y a compresión
diagonal (cortante).
- Muchas piezas son de manufactura
artesanal para las cuales no están definidas
los índices de resistencias.
- Para las mamposterías aparentes hay
degradación con el tiempo.
10
- Piezas de múltiples tipos (macizas, dobles
huecas, multiperforadas, etc.) y de
diversos tamaños.
- De acuerdo con el tipo de piezas se puede
formar mampostería confinada con
castillos exteriores o interiores, o bien
mampostería reforzada interiormente.
b) Bloques de concreto.
VENTAJAS
DESVENTAJAS
- Algunas piezas se tienen muy baja resistencia
- Se pueden obtener piezas de muy buena
a la compresión y a compresión diagonal
calidad con alta resistencia a la
compresión y a compresión diagonal
(cortante).
(cortante).
- Muchas piezas son de manufactura artesanal
para las cuales no están definidas los índices
- Resistencia al intemperismo.
de resistencias.
- Resistencia a la tensión
- Al colocarles un aplanado se incrementa el
- Piezas de múltiples tipos (macizas,
dobles huecas, multiperforadas, etc.) y de peso.
diversos tamaños.
- De acuerdo con el tipo de piezas se
puede formar mampostería confinada
con castillos exteriores o interiores, o
bien mampostería reforzada
interiormente.
- En la actualidad existen piezas doble
huecas en el mercado con tamaños
grandes 20x20x40 que permiten formar
mampostería reforzadas interiormente
con mucho mayor facilidad.
5. - Mampostería rellena.
En la práctica profesional del diseño de estructuras a base de muros de carga de mampostería en zonas
de alta sismicidad, 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 los de 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.
En Departamento del Distrito Federal 2000 no se 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 vio que dado a que es una practica común si existen
11
especificaciones para su diseño. Sin embargo lo más importante es que comercialmente existen, en esos
países, 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.
Dado que en México no existen especificaciones para mampostería rellena solo es posible diseñarla
tomando en cuenta el incremento en el esfuerzo cortante de diseño vm* 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).
La necesidad de diseñar edificios para vivienda económica en la Ciudad de México ha motivado el
estudio de la mampostería rellena; con esta técnica se pretende disminuir los muros de concreto necesarios
para satisfacer los requerimientos antes acciones sísmicas. Con el fin de conocer los valores del esfuerzo
cortante vm* y el esfuerzo de compresión f*m de los muros de mampostería rellena construidos con bloques
huecos de concreto se han realizado ensayes de pilas y muretes. De estos ensayes se obtuvo que el esfuerzo
cortante de diseño de la mampostería rellena de los bloques huecos de concreto es de vm*= 5 kg/cm2 lo cual
representa un incremento de por lo menos un 40% de la resistencia cortante.
DEFICIENCIAS EN LOS INMUEBLES A BASE DE MAMPOSTERÍA
Las estructuras deben de ser eficientes ya que de esto depende su buen comportamiento; eficiencia
estructural significa resistir las cargas y desarrollar la mayor capacidad de deformación posible al menor
costo. Inmuebles a base de mampostería nacen con fallas conceptuales de origen, no se emplean los
materiales adecuados, o bien se construyen con muchas deficiencias algunas de las cuales ya se han
mencionado. Los factores que influyen para que un sistema de mampostería sea eficiente son, entre otros, los
siguientes:
•
•
•
•
•
el proyecto arquitectónico.
el proyecto estructural.
los materiales.
los sistemas constructivos.
la calidad constructiva.
A continuación se comenta cada uno de estos.
6.- Proyecto arquitectónico.
Es realmente indispensable tomar en cuenta los conceptos básicos para el desarrollo de la arquitectura de
los inmuebles a base de mampostería. A continuación se describen algunos importantes:
- Vanos para puertas y ventanas. El sembrado adecuado de las ventanas y de puertas en este tipo de
estructuras es sumamente importante; los muros muy cortos con relaciones altura a longitud (H/L) mayores a
1.3 empiezan a perder su eficiencia. De esta forma en el siguiente ejemplo (Fig. 5), en donde se muestran
resistencias relativas, se puede apreciar que la resistencia a cortante es altamente dependiente del tamaño del
vano y de la posición.
12
RESISTENCIA
RELATIVA
A CORTANTE
MURO
VR =1
VR =0.60
VANO
VR =0.36
VANO
VANO
VANO
VR =0.66
VR =0.57
FIGURA 5. Eficiencia estructural en función de la posición de los vanos (puertas y ventanas).
- Irregularidades. Hay muy poca reflexión para lograr estructuras simétricas cuyo comportamiento ha
demostrado ser mucho mejor que cuando hay irregularidades tanto en elevación como en planta,
simplemente se disminuyen los problemas de torsión y de cambios bruscos de rigidez. Por otro lado
existen simetrías falsas como los que se muestran en las figuras 6 y 7:
13
FIGURA 6. Falsa simetría.
COLINDANCIA 16.04 CM.
COLIN
DANCI
A 10 CM.
COLINDANCIA 24.19 CM.
COLIN
DANCI
A 10 CM.
VACIO
10
9
8
7
6
5
4
11
12
13
14
15
16
3
COLINDANCIA 10 CM.
Alineamiento Municipal
VACIO
10
11
9
8
12
13
15
5
16
4
14
7
9
8
7
6
5
4
6
10
COLINDANCIA 10 CM.
10
9
8
7
6
5
4
11
12
13
14
15
16
3
VACIO
ESTAR
VACIO
VACIO
COLINDANCIA 10 CM.
COLINDANCIA 10 CM.
COLINDANCIA 31.97 CM.
COLINDANCIA 18.8 CM.
COLINDANCIA 13.6 CM.
FIGURA 7. Falsa simetría..
14
COLINDANCIA 10 CM.
- Diafragmas rígidos. Dado los vacíos en las zonas de escaleras es frecuente que se generen vacíos los
cuales generar dificultad para trasmitir los cortantes de entrepiso a los elementos estructurales y falsas
simetrías.(ver figuras 8 y 9).
FIGURA 8. Falsa simetría.
FIGURA 9. Falsa simetría.
-Entrepisos blandos. Dado el déficit de vivienda que existe y dada la escasez de predios en la zona
metropolitana; se han desarrollado conjuntos habitacionales de 4 a 6 niveles para vivienda de interés
social destinando la planta baja o un semisótano a estacionamiento. Dado el uso tan diferente entre ambas
plantas y la gran densidad de muros de los entrepisos de vivienda y al espacio requerido para un
estacionamiento se genera lo que se denomina “piso suave” precisamente en el nivel inferior.
En la figura 10 se muestran dos fachadas de estructuras con pisos suaves y en forma esquemática su
problemática.
15
FIGURA 10. Ejemplos de entrepisos blandos y su problemática.
La problemática de los pisos suaves se puede resumir en los siguientes conceptos:
ƒ La deformación lateral puede superar su capacidad.
ƒ Los análisis elásticos probablemente subestimen la demanda de deformación.
ƒ Este entrepiso será el primero, o el único, en tener deformaciones inelásticas.
En Jean 2000 se dan recomendaciones para dar solución a esta problemática las cuales son las siguientes:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Estimar lo mejor posible la deformación lateral.
Proporcionar la mayor capacidad de deformación posible. Esto se puede lograr evitando fallas frágiles
proporcionando capacidad a cortante e incrementando capacidad de rotación a los elementos con
fluencia por flexión; para las columnas se pueden incrementar los estribos, e incluso cuando sea posible,
es preferible el empleo de columnas zunchadas, para muros el refuerzo horizontal y para ambos
disminuyendo la carga axial de un 10% a un 15% de f’c.
Proporcionar mayor resistencia y rigidez posible. Se puede lograr analizando para un Q pequeño,
incrementando el número de elementos resistentes Al proporcionar mayor resistencia y rigidez se logra
una disminución de las demanda de deformación inelástica y se tendrá una configuración elástica lo más
parecida a la inelástica y por lo tanto una mejor estimación de la deformación de entrepiso.
Tomar en cuenta todas las posibles fuentes de rigidez y sobreresistencia. Es muy importante definir la
resistencia y rigidez de la superestructura; principalmente se deberá definir correctamente el módulo de
elasticidad Em de la mampostería. Adicionalmente es necesario definir la sobreresistencia del acero de
refuerzo y del concreto de los elementos que forman el piso blando.
Evitar la presencia de columnas cortas. Cuando se tienen semisótanos se pueden tener columnas cortas lo
que se traducirá en una concentración de cortante y por lo tanto generar un comportamiento frágil.
Evitar fallas por cortante. Para poder lograr esto es necesario diseñar por capacidad los muros y las
columnas. Se deberá hacer el diseño a flexión de acuerdo con los elementos mecánicos provenientes del
análisis lineal sin considera los elementos mecánicos por cortante. Se diseñará a flexión tomando todas
las posibles fuentes de sobreresistencia. Posteriormente calcular los cortantes actuantes a partir de la
capacidad a flexión con los cuales se diseñará a cortante.
En las figuras 11 y 12 se pueden observar soluciones particulares para un piso suave, indicando en sólido los
muros de concreto necesarios para la solución, y sin rellenar los de mampostería:
16
FIGURA 11. Posible solución de estructuración para un entrepiso blando.
FIGURA 12. Propuesta arquitectónica para un estacionamiento con 7 niveles de vivienda en la
parte superior y una posible solución estructural.
Es importante señalar que el durante la elaboración del proyecto arquitectónico poco se reflexiona
para dar una solución geométrica de los entrepisos blandos.
7.- Proyecto estructural.
Se tiene deficiencias en cuanto al desconocimiento de los sistemas adecuados como son la
mampostería confinada y reforzada interiormente, así como de los grandes beneficios del refuerzo horizontal.
Paralelamente se emplean piezas con bajas resistencias. En cuanto a la elaboración el proyecto estructural el
análisis se realiza por medio del método simplificado cuando no se cumplen los requisitos para ser aplicado o
bien cuando se tienen entrepisos blandos se separan los análisis, simplificado para la parte de mampostería y
uno a base de elementos barra para la zona del estacionamiento; adicionalmente hay muy porca reflexión para
dar una solución estructural adecuada a la problemática de los entrepisos blandos. Por lo que respecta a la
elaboración de planos en raras ocasiones aparece la información que se señala como obligatoria en
Reglamento Departamento del Distrito federal 2000.
8.- Materiales.
El principal problema que se tiene es la falta de especificaciones de resistencias de las piezas por parte
de los productores. Aunado a esto no existe normatividad para la obtención de estos índices en laboratorios lo
que implica que de no hacerse de acuerdo con los lineamientos del Reglamento de Construcciones para el
Distrito Federal se obtendrán valores no representativos; simplemente si se agrandan los ángulos de
aplicación de la carga para la prueba de compresión diagonal para la obtención del valor vm* este puede ser
17
hasta de tres veces mayor. Es necesario contar con una Norma Oficial Mexicana relativa a las pruebas para la
obtención de valores índices y obligar a los fabricantes a proporcionar los valores de sus productos.
9.- Sistemas constructivos.
En los últimos 10 años se han realizado investigaciones, aunque no muy numerosas si de mucha
calidad, que han dado origen al desarrollo de sistemas de mampostería con un buen desempeño estructural. La
mampostería confinada con refuerzo horizontal con piezas con resistencias elevadas han demostrado ser un
sistema idóneo para inmuebles desplantados en zonas de alta sismicidad; sin embargo, este tipo de sistemas
son poco usados. Así mismo las nuevas normatividades que definen y describen estos sistemas no se llevan a
la realidad frecuentemente; se siguen aplicando los sistemas estructurales tradicionales lo que da como
resultado una construcción con un mucho menor desempeño estructural, menor resistencia y capacidad de
deformación, y que da por resultado una construcción no más económica (Jean, 2000).
10.- Configuración estructural.
Los aspectos más importantes para mejorar el desempeño sísmico de edificaciones de mampostería
son: la densidad de muros, plantas simétricas y de buena rigidez torsional, altura límite, garantizar la acción
de diafragma rígido del sistema de piso, colocar las aberturas para ventanas y puertas en los lugares más
adecuados. A continuación se describen algunos de estos conceptos:
- Regularidad. Se deben satisfacer las condiciones de regularidad mencionadas en las NTCDS, para
cumplir con esto es necesario evitar:
•
•
•
•
•
•
concentraciones excesivas de peso en las partes altas del edificio.
distribuciones asimétricas de elementos resistentes.
asimetrías en plantas.
cambios bruscos de rigideces en elevación.
aberturas excesivas en planta.
etc.
-Sistemas de piso. Los sistemas de piso no solamente tienen la función de de resistir y trasmitir las cargas
verticales a los elementos de apoyo que para este caso serían los muros sino que también tienen la
función de diafragmas rígidos, esto es, trasmitir las fuerzas de inercia a los elementos resistentes.
Los sistemas de piso mas utilizados en vivienda a base de mampostería son las losas macizas de concreto
y los prefabricados a base de vigueta y bovedilla.
La losa maciza tiene como ventajas su durabilidad, la fácil adaptación a cualquier forma geométrica,
tiene una mejor distribución de cargas y resulta ser muy eficiente como diafragma rígido. La colocación
de instalaciones eléctricas e hidrosanitarias son relativamente sencillas. En cuanto a las desventajas se
tienen un aumento de carga en la estructura; dado que es muy sensible a errores constructivos se requiere
mucha supervisión técnica para garantizar que el acero de refuerzo permanezca en la posición de
proyecto, para que sea curada adecuadamente y que no se descimbre antes de tiempo. Además de requerir
de cimbra lo que provoca mayor tiempo de ejecución y costo.
En cuanto a la vigueta y bovedilla las ventajas más significativas serían la rapidez de instalación,
aislamiento térmico y acústico, reducción del uso de acero y concreto, se tendría una estructura más
ligera, además de no requerir cimbra; Sin embargo tienen la gran desventaja de que dependiendo del
18
espesor de la capa de compresión puede generar diafragmas rígidos o no, es complicado la colocación de
las instalaciones eléctricas; adicionalmente la carga se distribuye solamente en dos de los apoyos y como
se ha mencionado la carga axial en los muros aumenta la resistencia a cortante de los muros.
11.- Influencia de las aberturas en muros de mampostería.
El comportamiento de un muro de mampostería con aberturas es muy distinto que el de aquellos que
no las tienen. El primer efecto causado por las aberturas es la disminución de la rigidez lateral lo que generará
mayores desplazamientos laterales y dado a que también implican una reducción del área transversal
disponible para resistir fuerzas horizontales. Adicionalmente se producen concentraciones de esfuerzos en las
esquinas de las aberturas lo que a su vez genera concentraciones de dado.
Es importante señalar que con los análisis tradicionales que comúnmente se realizan para la
elaboración de un proyecto estructural es sumamente difícil tomar en cuenta de manera más o menos precisa
el efecto de las aberturas.
Por otra parte se observa constantemente en las obras que las aberturas muchas veces no cuentan con
castillos y dalas perimetrales elementos que se señalas en Reglamento de construcciones para el Distrito
federal 2000 como obligatorias de colocar.
En la figura 13 se muestra un sistema sin aberturas y dos con aberturas así como los esquemas de
concentraciones de daño.
Figura 13. Sistemas con y sin aberturas, así como los esquemas de concentraciones de daño (Tomazevic,
1999).
Con relación a las aberturas en sistemas de muros se dan las siguientes recomendaciones:
- Se debe evitar la concentración de aberturas en una dirección.
- Se debe estudiar la ubicación adecuada de las ventanas y puertas con el objeto de no generar mochetas
con relación de aspecto H/L>1.33 cuya resistencia se abate drásticamente.
- Colocar dalas y castillos en toda abertura.
19
12.- Proceso constructivo.
Durante la construcción de inmuebles a base de mampostería se han podido detectar innumerables
errores constructivos. Hay una falta de control de calidad y de supervisión palpable y como se ha mencionado
este tipo de sistemas es sumamente sensible a los errores constructivos; se comentó que al no colocar el
refuerzo horizontal o bien al traslaparlo se podría perder aproximadamente el 50% de la resistencia y
disminuir radicalmente la capacidad de deformación. Algo similar sucede si no se construyen adecuadamente
los castillos, o si las juntas no se hacen de acuerdo con especificaciones, etc.
Algunos de los errores constructivos más comunes son:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Mala posición del acero de refuerzo en castillos y del refuerzo vertical de muros reforzados
interiormente.
Traslape del acero de los castillos en más del 50% en una sola sección.
Traslape del refuerzo horizontal en muros.
Remates a 90º en los estribos, los cuales deben de ser a 135º.
Mal colado de los huecos de las piezas.
Fabricación del mortero sin control.
Aplicación deficiente del mortero.
Falta de previsión en las instalaciones que obligan a romper muros.
Falta de saturación en las piezas de barro.
Saturación de las piezas de bloques de concreto.
Posición incorrecta del acero de refuerzo.
Error en la posición de los bastones del lecho superior de losas macizas de entrepiso.
Inadecuado proporcionamiento y remezclado de morteros.
Espesor de juntas de mortero de menos de 1 cm., o de más de 1.5cm.
Separación excesiva de los castillos.
Falta de dalas; en algunos casos se considera que una losa maciza puede tener esta función.
Falta de anclaje del refuerzo longitudinal de los castillos.
Exceso en la separación de los estribos del castillo.
Anclaje insuficiente del acero longitudinal de las dalas y castillos.
Traslapes del acero longitudinal en zonas no recomendadas.
Falta de resistencia de las piezas.
Error en el colado de los castillos cuando estos son interiores.
Cuantías de acero en dalas y castillos menores a las especificadas.
Falta de cerramientos y dalas en vanos y ventanas.
Colocación de instalaciones dentro del muro sin tomar en cuenta la afectación estructrual.
Falta de mortero en las juntas verticales y horizontales.
Falta de penetración del mortero en los alveolos de piezas multiperforadas.
Cuando los castillos son interiores muchas veces no se colocan los estribos.
Cuando los castillos son interiores hay error en el posicionamiento del refuerzo vertical.
Error en los recubrimientos de dalas y castillos.
Geometría inadecuada de los estribos de los castillos interiores.
Etc.
El mortero debe de cubrir el 100% de las caras de las piezas y penetrar los alvéolos al menos 1.5 cm., así
mismo el espesor de las juntas deberá ser de 1.0 cm., con una tolerancia de +/- 0.2 cm.
Lo que muchas veces se hace en obra es colocar el mortero en las orillas de las piezas, sin cubrir la cara
horizontal y sin penetrar en los alvéolos, así mismo las juntas verticales con las que se colocan las piezas son
20
muy pequeñas; por otra parte las celdas de piezas doble huecas, donde no se aloja el refuerzo longitudinal de
los castillos deben de ser rellenadas lo que en la práctica no se lleva a cabo por el ahorro de mortero.
En cuanto al acero longitudinal de los castillos interiores no se pone en contacto con el gancho del estribo,
el refuerzo horizontal por ningún motivo debe ser traslapado, este acero es el responsable de un buen
porcentaje de la resistencia a cortante del muro, así mismo debe ser anclado en los castillos con escuadras a
90º en el plano vertical.
En las siguientes fotografías se muestran algunos errores comunes:
FIGURA 14.Falta de mortero en las juntas horizontales y verticales y de penetración en los
alvéolos.
Figura 15.Deficiencia en el confinamiento de ventanas.
21
Figura 16. Deficiencia en los anclajes del
refuerzo de dalas.
Figura 17. Traslape del refuerzo horizontal.
Figura 18. Colocación de instalaciones hidrosanitarias sin tomar en cuenta el deterioro
estructural.
Figura 19. Las instalaciones hidrosanitarias no
son contempladas en el proyecto estructural.
Figura 20. Perforaciones de piezas para alojar
instalaciones no contempladas en el proyecto
estructural.
22
Figura 21. Aberturas excesivas para la
colocación de instalaciones hidrosanitarias no
contempladas en el proyecto estructural.
Figura 22. Colocación de instalaciones eléctricas
sin tomar en cuenta el deterioro estructural
Figura 23. Error en el posicionamiento del
refuerzo longitudinal y de la geometría de los
estribos.
Figura 24. Error en el posicionamiento del
refuerzo vertical del castillo, de la geometría
del estribo y de la posición del refuerzo
horizontal. Perforación de dalas para el paso
instalaciones
Figura 25. Falta de control de calidad en la
fabricación de los morteros.
Figura 26. Deficiencia en el llenado de los
huecos y en la posición del refuerzo
horizontal.
23
Figura 27. Error en el posicionamiento del refuerzo vertical de los castillos.
Figura 28. Error en el posicionamiento del refuerzo Figura 29. Error en el posicionamiento del refuerzo
horizontal y del vertical de los castillos.
vertical del castillo y falta de estribo.
Figura 30. Falta de mortero en la junta vertical y menor dimensión de esta a la especificada (1
cm).
24
Figura 31.Deficiencia en los castillos y en la geometría de los estribos.
Figura 32. Saturación deficiente de las piezas de barro.
Figura 33. Perforación de dalas para el paso de
instalaciones
Figura 34. Eliminación de la dala para el paso
de las instalaciones hidrosanitarias.
25
Figura 35. Entrepiso blando con muy baja
resistencia y capacidad de deformación.
Figura 36. Columnas cortas.
Figura 37. Esviajamiento de las varillas
longitudinales del castillo por error de
posición..
Figura 39. Conectores inadecuados para unir
los muros perpendiculares.
Figura 38. Colado deficiente de los castillos
interiores.
Figura 40. Falta de cerramientos en ventanas.
26
Figura 41. Falta de cerramientos en ventanas.
Figura 42. Colocación de piezas doble hueco
donde debería haber multiperforadas.
Figura 43.Deficiencia en el colado de los
castillos, en la posición del refuerzo longitudinal
y en la geometría del estribo.
Figura 44. Deficiencia en el colado de los castillos, en la posición del refuerzo longitudinal y en
la geometría del estribo.
27
Figura 45. Deficiencia en el colado de los
castillos, en la posición del refuerzo
longitudinal y en la geometría del estribo.
Figura 46. Deficiencia en la posición del
refuerzo longitudinal.
13.- Densidad de muros y eficiencia estructural.
Un concepto importante para la creación de inmuebles a base de muros de mampostería en zonas
sísmicas es el de densidad de muros requerida para resistir las fuerzas horizontales de proyecto, el cual
permite desde el anteproyecto arquitectónico definir si el sistema es adecuado para la zona donde será
construido. Para poder determinar la densidad de muros requerida se tienen que hacer uso del método
simplificado de análisis descrito claramente en Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal 2000.
El método simplificado supone que la fuerza cortante se distribuye entre los muros para cada una de
las direcciones consideradas en forma proporcional al área de cada muro. Esto equivale a considerar que las
deformaciones de los muros son debidas solamente a efectos de esfuerzos cortantes y, por tanto, la rigidez de
cada muro es proporcional a su área transversal.
El método simplificado puede ser utilizado para determinar el área trasversal de muros que se requiere
para resistir los efectos del sismo en cada una de las direcciones consideradas. Se puede expresar en términos
de un índice adimensional que es igual a la suma de las áreas trasversales efectivas de los muros en la
dirección considerada, dividida entre el área de la planta tipo del edificio; es decir:
d=
∑F A
i
m
(8)
Ap
Se obtienen valores, dx y dy, para las direcciones respectivas. La resistencia sísmica mínima necesaria
se obtiene de la igualación entre las fuerzas cortantes actuantes y resistentes.
d=
∑F A
i
Ap
m
=
FC C S w
FRVM
(9)
28
donde:
D
Densidad de muros en las direcciones “x” y “y”.
Am
Área transversal de los muros de mampostería.
Ap
Área de la planta del edificio.
Fc
Factor de carga correspondiente a las cargas de sismo.
Cs
Coeficiente sísmico obtenido del análisis simplificado.
W
FR
Peso acumulado de la estructura sobre el entrepiso
considerado.
Factor de reducción de resistencia a cortante de la
mampostería.
Vm
Resistencia a cortante de la mampostería.
Fi
Factor Fi que considera una menor rigidez de los muros
cortos.
La contribución de los muros cortos deberá ser afectada por el factor Fi ya que reduce la resistencia a
cortante, considerada proporcional al área, de aquellos con relación altura a longitud mayor a 1.33; El factor
Fi se define como:
L⎞
⎛
Fi = ⎜1.33 ⎟
H⎠
⎝
2
(10)
donde:
L
Longitud del muro.
H
Altura libre del muro entre elementos capaces de darle apoyo
lateral.
Factor de reducción de rigidez
para muros cortos.
1.20
1.00
Fi
0.80
0.60
Relación H/L
0.40
0.20
0.00
0
0.5
1
1.5
2
2.5
L(m)
Figura 47. Representación gráfica de la eficiencia de muros de mampostería considerando H=2m.
29
La resistencia de la mampostería, Vm, se obtiene de acuerdo con las expresiones ya definidas:
Vm = VmR +V SR
(
(11)
)
VmR = FR 0.5 ϑm* + 0.3 P ≤ 1.5FRϑm*
(12)
V SR= FR η Ph f yh AT
(13)
En los siguientes ejemplos se presentan las definiciones de densidad de muros existentes y las requeridas.
Ejemplo 1. Edificio de apartamentos estructurado a base de muros de tabique multiperforado, sin considerar
estacionamiento en la planta baja, La planta, corte arquitectónico así como el isométrico de la planta tipo se
muestran a continuación:
Figura 48 .Planta tipo de edificio.
30
Figura 49. Elevación de prototipo
Figura 50. Isométrico de planta tipo.
En la presente gráfica se observa que la densidad de muros efectiva existente, es muy baja para
resistir los efectos del sismo en la dirección “X”. Para el caso de la dirección “Y” se puede ver que es
apropiada dicha densidad.
31
Densidad de muros efectiva.
4.50%
4.00%
3.50%
d (%)
3.00%
Densidad de muros
Requerida
2.50%
Densidad de muros
Existente Dir X
2.00%
Densidad de muros
Existente Dir Y
1.50%
1.00%
0.50%
0.00%
1
2
3
4
5
Nivel
Figura 51. Densidad de muros efectiva en edificio prototipo
Densidad de muros sin considerar el factor de disminución
de rigidez.
5.00%
4.50%
4.00%
3.50%
Densidad de muros
Requerida
d (%)
3.00%
Densidad de muros
Existente Dir X
2.50%
2.00%
Densidad de muros
Existente Dir Y
1.50%
1.00%
0.50%
0.00%
1
2
3
4
5
Nivel
Figura 52. Densidad de muros sin considerar el factor de disminución de rigidez en edificio prototipo
32
Factor de segurdad global.
4.5
4
3.5
Vr/Vu
3
2.5
Dir X
2
Dir Y
1.5
1
0.5
0
1
2
3
4
5
Nivel
Figura 53. Factor de seguridad global.
Ejemplo 2. Inmueble de unidad habitacional de cinco niveles sin considerar estacionamiento en planta baja
estructurado con muros de mampostería, la planta, corte arquitectónico así como el isométrico de la planta
tipo se muestran a continuación.
Figura 54. Planta tipo de edificio
33
Figura 55. Elevación de prototipo
Figura 56. Isométrico planta tipo.
34
Densidad de muros efe ctiva.
2.50%
2.00%
1.50%
d (%)
Densidad de muros Requerida
Densidad de muros Existente Dir X
Densidad de muros Existente Dir Y
1.00%
0.50%
0.00%
1
2
3
4
5
6
Nive l
Figura 57. Densidad de muros efectiva
Densidad de muros sin considerar el factor de disminución de rigidez.
3.00%
2.50%
2.00%
d (%)
Densidad de muros Requerida
1.50%
Densidad de muros Existente Dir X
Densidad de muros Existente Dir Y
1.00%
0.50%
0.00%
1
2
3
4
5
6
Nive l
Figura 58. Densidad de muros sin considerar el factor de reducción de rigidez.
35
Factor de segurdad global.
5
4.5
4
Vr/Vu
3.5
3
Dir X
2.5
Dir Y
2
1.5
1
0.5
0
1
2
3
4
5
6
Nivel
Figura 59. Factor de seguridad global.
DETERMINACIÓN DE SISTEMAS DE MAMPOSTERÍA DE BUENA
CALIDAD
Con el objeto de mostrar las grandes ventajas que tiene el empleo de sistemas de mampostería con
piezas de buena calidad, el modelo de la cimentación, la variación del módulo de elasticidad de la
mampostería, el contemplar sistemas confinados y refuerzo interior, etc., se muestran algunos ejemplos de
diseño para un prototipo común de vivienda de interés social de 5 niveles.
En los casos que incorporan la cimentación, ésta se ha modelado por medio de resortes equivalentes.
Los módulos de elasticidad para el tabique de barro extruido multiperforado se obtuvieron de Alcocer y otros
(1995) y para el de barro recocido de las NTCM (GDF, 2002a). Los análisis fueron realizados a partir del
método dinámico modelando los muros por medio de la analogía de la columna ancha. Como se puede
observar en el dibujo de la planta la estructura es relativamente irregular, sin embargo, para no incorporar
variables adicionales no se ha considerado este factor. Para todos los casos se definió un coeficiente sísmico
Cs=0.4 y un factor de comportamiento sísmico Q=1.5 para mampostería confinadas y reforzadas
interiormente y Q=1 para las no confinadas ni reforzadas interiormente. Se ha indicado en sólido los muros de
concretos para satisfacer el estado límite de resistencia y/o de desplazamientos laterales según el caso.
También es importante señalar que en el proceso de diseño es necesario cumplir con los desplazamientos
máximos inelásticos que pueden desarrollar los distintos sistemas de mampostería. En (GDF 2000) se definen
los límites de los desplazamientos laterales inelásticos relativos:
36
Tabla 2. Límites de la distorsión lateral inelástica
Sistema
Q ∆elástica
Mampostería de piezas macizas con refuerzo horizontal o mallas
0.0035
Mampostería confinada de piezas macizas
Mampostería de piezas huecas confinada y reforzada interiormente
Mampostería de piezas huecas confinada y reforzada con malla
0.0025
Mampostería de piezas huecas con refuerzo interior y sin confinar
0.002
Mampostería no confinada ni reforzada interiormente
0.0015
Parámetro
Descripción
Cs
Coeficiente sísmico;
Q
Factor de comportamiento sísmico;
Em
Módulo de elasticidad;
fm*
Resistencia de diseño en compresión de la mampostería, referida al área bruta;
vm*
Resistencia de diseño a compresión diagonal de muretes, sobre área bruta
medida a lo largo de la diagonal paralela a la carga;
ph
Cuantía de refuerzo horizontal en el muro;
Tx, Ty
Periodo de los primeros modos de vibración en los dos ejes principales de la
planta;
Q∆x max;
Máximos desplazamientos relativos de entrepiso. Proporcionan una medida de
la máxima distorsión angular de muros;
Q∆y max
d
Densidad de muros: Relación del área horizontal de muros con respecto al área
total de entrepiso. Los muros de concreto se transforman a mampostería
multiplicando por la relación de módulos de elasticidad Ec /Em .
d vm*
Producto de la densidad de muros por la resistencia de diseño a compresión
diagonal. Proporciona un parámetro de la resistencia a cortante por cm² de
entrepiso, lo que ayuda a concluir sobre la eficiencia del sistema.
Ks
Módulo de reacción del suelo.
37
A Tabique multiperforado
Zonas de lago; Cs=0.4; Q=1.5;
Em=53,000 kg/cm²
fm*=90 kg/cm²
vm*=5.5 kg/cm²
Mampostería confinada y reforzada interiormente.
Incremento del 25 en resistencia a cortante.
No se consideró el factor por irregularidad
Bases empotradas
Tx= 0.37 seg; Ty=0.28 seg
Q∆x max = 0.001; Q∆ y max =0.0005
Diseño regido por resistencia
Densidad de muros: d=8.4%; d vm*=0.46 kg/cm².
A2 Tabique multiperforado
Zonas de lago; Método estático; Cs=0.19
Em=53,000 kg/cm²
fm*=90 kg/cm²
vm*=5.5 kg/cm²
Mampostería confinada y reforzada interiormente.
Incremento del 25% en resistencia a cortante.
No se consideró el factor por irregularidad
Bases empotradas
Tx= 0.34 seg; Ty=0.28 seg
Q∆ x max = 0.0015; Q∆ y max =0.0003
Diseño regido por resistencia
Densidad de muros: d=9%; d vm*=0.51 kg/cm².
A3 Tabique multiperforado
Zonas de lago; Cs=0.4; Q=1.0;
Em=53,000 kg/cm²
fm*=90 kg/cm²
vm*=5.5 kg/cm²
Mampostería ni confinada ni reforzada interiormente.
No incremento a la resistencia.
No se consideró el factor por irregularidad
Bases empotradas
Tx= 0.34 seg; Ty=0.28 seg
Q∆x max = 0.0007; Q∆ y max =0.0002
Diseño regido por resistencia
Densidad de muros: d=9.2%; d vm*=0.54 kg/cm².
38
B Tabique de barro recocido
Zonas de lago; Q=1.5
Em=18,000 kg/cm²
fm*=30 kg/cm²
vm*=3.5 kg/cm²
Mampostería confinada.
No incremento a la resistencia a cortante.
No se consideró el factor por irregularidad
Bases empotradas
Tx= 0.41 seg; Ty=0.36 seg
Q∆x max = 0.001; Q∆ y max =0.0005
Diseño regido por resistencia
Densidad de muros: d=16.4%; d vm*=0.58 kg/cm².
B2 Tabique de barro recocido
Zonas de lago; Q=1.5
Em=18,000 kg/cm2
fm*=30 kg/cm2
vm*=3.5 kg/cm2
Mampostería confinada y reforzada interiormente.
Incremento del 25% en la resistencia al cortante.
No se consideró el factor por irregularidad
Bases empotradas
Tx= 0.43 seg; Ty=0.37 seg
Q∆x max = 0.001; Q∆ y max =0.0005
Diseño regido por resistencia
Densidad de muros: d=10.6%; d vm*=0.37 kg/cm².
B3 Tabique de barro recocido
Zonas de lago; Q=1.5
Em=18,000 kg/cm²
fm*=30 kg/cm²
vm*=3.5 kg/cm²
Mampostería ni confinada ni reforzada interiormente.
No incremento a la resistencia.
No se consideró el factor por irregularidad
Bases empotradas
Tx= 0.39 seg; Ty=0.33 seg
Q∆ x max = 0.0013 (ligeramente mayor al perm); Q∆ y max =0.0005
Diseño regido por resistencia y desplazamientos
Densidad de muros: d=21%; d vm*=0.73 kg/cm².
39
C Tabique de barro recocido
Zonas de lago; Q=1.5
Em=18,000 kg/cm²
fm*=30 kg/cm² ; vm*=3.5 kg/cm²
Mampostería confinada y reforzada interiormente
VsR=FR η ph Fyh AT; η=0.6
ph=0.0007 (2 vars 3/16” @ 6 hiladas); ph fyh =4.2 kg/cm²
Bases empotradas
Tx= 0.54 seg; Ty=0.41 seg
Q∆ x max = 0.0036; Q∆ y max =0.0012
Diseño regido por resistencia y desplazamientos en “x” ligeramente
mayores a los permisibles.
Densidad de muros: d=8.4%; d vm*=0.29 kg/cm².
D Tabique de barro recocido
Zonas de lago; Q=1.5
Em=6,000 x 15= 9,000 kg/cm²
fm*=15 kg/cm² ;vm*=3.5 kg/cm²
Mampostería confinada y reforzada interiormente
VsR=FR η ph Fyh AT; η=0.6
ph=0.0007 (2 vars 3/16” @ 6 hiladas); ph fyh =4.2 kg/cm²
Bases empotradas
Tx= 0.49 seg; Ty=0.45 seg
Q∆ x max = 0.002; Q∆ y max =0.0012
Diseño regido por desplazamientos.
Densidad de muros: d=21.5%; d vm*=0.75 kg/cm².
E Tabique multiperforado
Zonas de lago; Cs=0.4; Q=1.5;
Em=53,000 kg/ cm²
fm*=90 kg/cm² ; vm*=5.5 kg/cm²
Mampostería confinada y reforzada interiormente.
Incremento del 25% en resistencia a cortante.
No se consideró el factor por irregularidad.
Modelo de cimentación con resortes equivalentes.
Módulo de reacción del suelo Ks=1 1kg/cm³.
Tx= 0.53 seg; Ty=0.353 seg
Q∆ x max = 0.0031; Q∆ y max =0.0013
Diseño regido por resistencia
Densidad de muros: d=9.7%; d vm*=0.53 kg/cm².
40
F2 Tabique de barro recocido
Zonas de lago; Q=1.5
Em=18,000 kg/cm²
fm*=30 kg/cm²
vm*=3.5 kg/cm²
Mampostería confinada.
No se consideró el factor por irregularidad.
Modelo de cimentación con resortes equivalentes.
Módulo de reacción del suelo Ks=1 1kg/cm³.
Tx= 0.56 seg; Ty=0.50 seg
Q∆x max = 0.0035; Q∆ y max =0.0018
Diseño regido por desplazamientos
Densidad de muros: d=42%; d vm*=1.47 kg/cm².
Tabla 3. Resumen de resultados de los ejemplos de aplicación
Tipo de Pieza
Refuerzo
horizontal
(kg/cm³)
Ks
∆Vm*
Em
fm*
vm*
d
d vm*
costo
(kg/cm2)
(kg/cm²)
(kg/cm²)
(%)
(kg/cm²)
(relativo)
A
Multiperforado
(confinado)
ph=0.007
--
0.25
53,000
90
5.5
8.4
0.46
100%
A2
Multiperforado
(confinado)
ph=0.007
--
0.25
53,000
90
5.5
9
0.51
102.8%
A3
Multiperforado
(no confinado)
0
--
0
53,000
90
5.5
9.2
0.54
98%
B
Barro Recocido
(no confinado)
0
--
0
18,000
30
3.5
16.4
0.58
138.8%
B2
Barro Recocido
(confinado)
ph=0.007
--
0.25
18,000
30
3.5
10.6
0.37
136.2%
B3
Barro Recocido
(no confinado)
0
--
0
18,000
30
3.5
21
0.73
136.7%
C
Barro Recocido
(confinado)
ph=0.007
--
η=0.6 *
18,000
30
3.5
8.4
0.29
125%
D
Barro Recocido
(confinado)
ph=0.007
--
η=0.6 *
9,000
15
3.5
21.5
0.75
136.2%
E
Multiperforado
(confinado)
ph=0.007
1
0.25
53,000
90
5.5
9.7
0.53
104.3%
Barro Recocido
(confinada)
0
1
0.25
18,000
30
3.5
42
1.47
148.2%
F2
* VSR = FR η Ph fyh AT
En las siguientes figuras se define la representación gráfica de los resultados obtenidos:
41
Densidad
Multiperforado
Barro Recocido
45
Densidad
Multiperforado
42
Barro Recocido
1.6
1.47
40
1.4
35
1.2
30
1
25
21.5
21
d vm *
d (% )
2
20
(Kg/cm )
16.4
0.58
0.6
15
9.2
9
8.4
10
10.6
0.75
0.73
0.8
0.54
0.51
0.46
0.53
0.37
9.7
0.4
8.4
0.29
0.2
5
0
0
A
A2
A3
B
B2
B3
C
D
E
A
F2
A2
A3
B
B2
B3
C
D
E
F2
Tipo de Pieza
Tipo de Pieza
Figura 60.Representación gráfica de la densidad de muros d y d vm* para los diferentes casos
Longitud de muros de concreto
Multiperforado
Barro Recocido
Multiperforado
50.0
45.0
160
39.36
40.0
148.2
150
138.8 136.2
136.7
35.0
140
30.0
18.78
20.08
Costo (% )
relativo
18.78 18.78
20.0
11.40
15.0
130
125
120
110
100
10.0
0.0
104.3
102.8
98
100
0.0
90
0.0
A
A2
A3
B
B2
B3
C
D
E
A
F2
A2
A3
B
B2
B3
C
D
E
F2
Tipo de Pieza
Tipo de Pieza
Figura 61
136.2
25.18
Lc (m) 25.0
5.0
Barro Recocido
Costo de la estructura
48.02
Representación gráfica de la longitud de muros de concreto necesarios para satisfacer las
condiciones de resistencia y/o de servicio y el costo relativo para cada uno de los casos
Se comenta que un sistema con piezas de tabique rojo recocido, con un Em=9,000 kg/cm², y
mampostería no confinada sin refuerzo horizontal sería prácticamente imposible su aplicación, la cantidad
necesaria de muros sobrepasaría valores lógicos.
Observando los resultados anteriores, el tabique de barro recocido (F2) presenta una mayor resistencia
por unidad de área de entrepiso, sin embargo, esto se debe a la cantidad de muros de concreto requeridos,
mismo que refleja un área equivalente total de mampostería del 42%, además del más alto costo relativo. Por
otro lado, el nivel de deformación que se presenta de 0.0035 es suficiente para provocar daños en muros de
tabique.
42
El tabique multiperforado presentó una densidad baja de muro, debido a que requirió menos muros de
concreto e incluso en algunos casos, no fueron necesarios, presentando por ende, un costo más bajo, con una
resistencia por unidad de entrepiso similar a la barro recocido con muros de concreto. Sin embargo, cuando se
consideró la cimentación con resortes equivalentes, las distorsiones de entrepiso (E) fueron similares a las de
barro recocido (F2), por lo que resalta la importancia de un correcto detallado. En este caso, el multiperforado
podría tener un mejor comportamiento por estar confinada y reforzada interiormente.
Aunque aparentemente el tabique multiperforado sin refuerzo ni confinado (A3) tiene un costo similar
al confinado (A) e incluso una resistencia similar, no debe olvidarse que esta resistencia se refiere a un
comportamiento elástico y que la ductilidad de ambos es muy diferente, por lo tanto, la conclusión podría ser
que por un costo similar, al reforzar un muro, se obtiene una mayor seguridad y durabilidad. Lo mismo se
menciona para el barro recocido (B3 vs D).
Finalmente es muy importante resaltar los grandes beneficios, desde un punto de vista reglamentario, que
tiene la mampostería de buena calidad definida por los siguientes parámetros:
•
Piezas de buena calidad con vm* > 5 kg/cm².
•
Sistemas de mampostería confinados y con refuerzo horizontal
En la siguiente tabla se muestra una comparación, a nivel de parámetros, entre una mampostería no
reforzada y otra confinada con refuerzo horizontal:
Tabla 4 Comparativa entre mampostería no reforzada y confinada con refuerzo horizontal
Muros no
reforzados
Muros confinados con
refuerzo horizontal
0.4
0.7
Factor de comportamiento
sísmico Q
1
1.5(1)
Resistencia a compresión
diagonal vm*
v mR
v mR
Contribución a la resistencia
del refuerzo horizontal vsR
1(2)
2 (100%)(3)
*
Capacidad ≈ FR Q v m
v sR
0.4 v mR
2.1v mR
Parámetro
Factor de resistencia FR
(1)
Para algunos sistemas, por ejemplo mampostería confinada de piezas macizas con refuerzo
horizontal, Q puede ser igual a 2.
(2)
Al no haber refuerzo no hay contribución o incremento en la resistencia al esfuerzo cortante.
(3)
Se puede demostrar que en muchos casos la contribución del refuerzo horizontal es al menos
igual a la resistencia de la mampostería; razón por la cual en la comparativa se le ha asignado el
100%. Evidentemente esta en función de mucho parámetros como lo es la resistencia de diseño
a compresión diagonal de la mampostería, de la cuantía del refuerzo horizontal, de la carga
axial en el muro, etc.
43
Como se puede observar se tiene una ventaja, a nivel de parámetros, de 5 veces entre ambas
mampostería. En los ejemplos anteriores se mostró como una mampostería de buena calidad tiene una mayor
capacidad a precios similares e inclusive menores y explícitamente un mucho mejor desempeño ante acciones
sísmicas.
CONCLUSIONES
Por lo que respecta a los sistemas de mampostería hoy se tienen las bases para poder diseñar y
construir estructuras de muy buena calidad que tengan un excelente desempeño estructural, principalmente
ante solicitaciones sísmicas; esto se logra por medio de los elementos de confinamiento, dalas y castillos, y
del refuerzo horizontal. Se ha demostrado que el refuerzo horizontal es el elemento fundamental en cuanto a
la resistencia, capacidad de deformación, patrones de agrietamiento, etc. lo que en conjunto con el
confinamiento y piezas de buena calidad conducen a sistemas de mampostería de buena calidad.
Paralelamente se menciona que la diferencia en el costo de la estructura entre la mampostería
confinada con refuerzo horizontal y la mampostería simple es marginal, entre 2 a 5%, pero con una diferencia
sustancial en su desempeño estructural, así como en los patrones y magnitudes de agrietamiento bajo
condiciones de servicio. Por otra parte la calidad de las piezas y el refuerzo horizontal son factores muy
importantes para lograr resistencias adecuadas con excelentes capacidades de deformación.
Se concluye que una mampostería reforzada y confinada no es necesariamente es más cara que la no
reforzada y sí en cambio presenta un mejor comportamiento sobre todo ante la presencia de las primeras
fisuras y por lo tanto una mayor durabilidad. Sin embargo, es necesario garantizar este trabajo mediante un
detallado adecuado y una buena supervisión de la manufactura de los muros.
Por otro lado, el tabique multiperforado reforzado y confinado, presenta una mejor relación de costo
que el de barro recocido, debido al ahorro en la construcción de muros de concreto, teniendo ambos, cuando
están correctamente elaborados, un comportamiento similar.
De acuerdo con visitas realizadas a diferentes unidades habitacionales en la zona metropolitana, la
mayoría de los sistemas de mampostería observados son no reforzados con deficiencias sustanciales en su
concepción y con errores constructivos de importancia que ya han sido descritos. Esto implica que no se han
aprovechado adecuadamente el potencial de resistencia y de capacidad de deformación que tienen las
estructuras de mampostería y que la selección de sistemas no adecuados en conjunto con la mala construcción
harán vulnerables a este tipo de inmuebles durante eventos sísmicos importantes. Los sistemas de
mampostería tienen muchas ventajas cuando se hacen adecuadamente pero son muy sensibles a errores
constructivos, algo similar con lo que sucede con las soldaduras en estructuras metálicas.
El paso entre lo deficiente y lo bueno es pequeño; simplemente se requiere orientar el diseño y la
construcción de estructuras de mampostería hacia sistemas confinados y con refuerzo horizontal, empleando
piezas de buena calidad y garantizando la calidad de la construcción.
44
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