1 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
RESISTENCIA A TENSIÓN DIAGONAL DE MUROS DE MAMPOSTERÍA REFORZADOS CON
FIBRA DE VIDRIO
Quiñónez Esquivel Basilia1, Velázquez Dimas Juan Ignacio1, Reyes Salazar Alfredo1 y
Castorena González José Humberto2.
RESUMEN
Se presentan resultados de ensayes a compresión diagonal de 8 muros cuadrados de 1.20 m de tabique de
barro, 5 de ellos se utilizaron como especímenes de control y 3 fueron reforzados con GFRP (plástico
reforzado con fibra de vidrio) con el objeto de determinar la influencia del porcentaje de refuerzo en la
ganancia en resistencia y ductilidad. Los resultados muestran que la resistencia a tensión diagonal y la
ductilidad de los especímenes reforzados aumenta significativamente, se concluye que la técnica de refuerzo
presenta potencial para disminuir la vulnerabilidad de edificaciones para vivienda construida con muros de
mampostería de barro recocido.
ABSTRACT
This paper presents the experimental results of 8 URM walls tested under monotonic diagonal in plane
loading, 3 walls were retrofitted with glass fiber composites. According to the obtained date, the strength and
ductility were significantly increased. Therefore, GFRP strips are an efficient way to retroffit and strength
URM buildings to prevent damage induced for seismic and settlement loads.
.
INTRODUCCIÓN
La vulnerabilidad de edificaciones de mampostería sin refuerzo diseñadas con poca o ninguna consideración
de los requerimientos de diseño sísmico o sin la rigidez necesaria en la cimentación para evitar los daños
provocados por los asentamientos diferenciales, ha quedado demostrada con los daños generados ante la
incidencia de dichos fenómenos. Además, ha resaltado el hecho de que la resistencia a tensión diagonal es
una de las variables que más influyen en el comportamiento de sistemas constructivos a base de muros de
mampostería. En la última década, los investigadores en América Latina han enfocado su esfuerzo a la
realización de estudios analíticos y experimentales del desempeño de diferentes formas de reparación y
refuerzo para muros de mampostería sujetos a cargas laterales; sin embargo, existen pocos reportes de
investigación sobre la utilización de materiales compuestos como refuerzo en muros de mampostería a
pesar de que en los últimos años en algunos países de Europa, en Japón, en Estados Unidos y en Canadá su
uso se ha incrementado tanto para refuerzo como para rehabilitación de edificaciones de concreto y
mampostería.
En este estudio se presentan los resultados preliminares de un programa experimental que tiene como objetivo
evaluar el desempeño del material compuesto por fibra de vidrio y resina (GFRP) al ser utilizado como
elemento de refuerzo para incrementar la resistencia al cortante en muros de mampostería de barro recocido.
Puesto que la resistencia al cortante de muros de mampostería se establece en función de su resistencia a
tensión diagonal, esta primera etapa se enfocó a determinar el incremento en la resistencia a tensión diagonal
y en la ductilidad que proporciona el refuerzo con el material compuesto. Posteriormente se probará esta
técnica en muros a escala natural sujetos a fuerza lateral.
1
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS), Ciudad Universitaria, Culiacán,
Sinaloa, México, CP 80040 Email: [email protected], [email protected] , [email protected]
2. Escuela de Ingeniería Mochis, Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS), Ciudad Universitaria, Los
Mochis, Sinaloa.
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XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Puerto Vallarta, Jalisco, 2006
MATERIALES COMPUESTOS
Los materiales compuestos se han empleado en la industria marina y aeroespacial por más de tres décadas,
éstos están formados por fibras continuas ya sea de vidrio, carbón, aramid u otro material unidas por una
resina que puede ser epóxica o poliéster, sus propiedades mecánicas dependen de la relación entre el
volumen de las fibras y de la resina (Jones, 1975), para la mayoría de las aplicaciones el volumen de las fibras
es del 40 al 60%. La función de las fibras es soportar la carga y la de la resina es aglutinar las fibras al mismo
tiempo que las protege de la acción de agentes agresivos como ácidos y rayos ultravioleta además de darle
estabilidad dimensional al compuesto. Las fibras se adhieren a la superficie del elemento estructural a reparar
y/o reforzar y se orientan en la dirección que se desea incrementar la resistencia a tensión o se adhieren al
elemento estructural encamisándolo si se desea incrementar su ductilidad. Las fibras en tensión tienen un
comportamiento elástico lineal hasta la ruptura. La ventaja de los materiales compuestos son su durabilidad y
las altas relaciones de resistencia/peso y rigidez/peso, la desventaja es su vulnerabilidad a los rayos
ultravioleta (parrilla, 1998).
Durante los últimos diez años, la utilización de los materiales compuestos en la ingeniería civil ha tenido un
gran crecimiento según lo constatan el gran número de aplicaciones e investigaciones reportadas sobre el
tema (saadatmanesh y Ehsan, 1998; El-Badry, 1996; Nanni, 1993). Sweidan, (1993) demostró analíticamente
la efectividad de usar barras de materiales compuestos en lugar de acero para preesforzar muros.
Mojsilovic y Mert, (1996) realizaron experimentos sobre muros de block a base de silicatos y arcillosos de 1
m de ancho por 18 cm de espesor con alturas de 2.6 a 5 m. los cuales fueron presforzados en dirección
perpendicular a la junta mediante dos tendones de materiales compuestos. Los resultados de las pruebas
mostraron que se tiene un incremento en la resistencia a flexión así como en la carga de agrietamiento
además de observarse una distribución uniforme del agrietamiento.
Schwegler (1995) propuso y estudió el uso de compuestos de carbono en forma de láminas. Estas láminas se
adhieren a los muros mediante resinas sirviendo como refuerzo en tensión. Schwegler mostró la efectividad
de este refuerzo realizando pruebas sobre muros a escala real, tanto para cargas en el plano como fuera de el y
desarrolló un modelo analítico para cargas en el plano.
Eshani y Saadatmanesh (1994) realizaron estudios experimentales sobre modelos vigas de tabique reforzadas
con laminas de fibra de vidrio y mostraron que esta técnica incrementa la resistencia última a flexión de hasta
20 veces el peso propio de los modelos y las deflexiones son del orden de 1/50 del claro. Posteriormente
aplicaron láminas de fibra de vidrio a un muro externo de un edificio comercial de un nivel en Glendale,
California. A partir de eso se inició la aplicación de hojas a base de fibras de vidrio, las cuales se colocaron a
ambos lados en las caras de muros de mampostería de tabiques de concreto en un edificio que fue dañado
durante el sismo de Northridge, California.
Triantafillou (1998) realizó experimentos sobre vigas de tabiques de arcilla, huecos y reforzados con tiras de
materiales compuestos. Su objetivo fue estudiar el efecto del refuerzo sobre el mecanismo de falla y la
resistencia. Obtuvo gráficas de interacción entre momento resistente y cantidad de refuerzo y concluye que,
con el fin de economizar, se pueden utilizar tiras de material compuesto sobre muros de mampostería en
lugar de cubrirlos totalmente con láminas.
Velázquez-Dimas (1998), Velázquez-dimas et. al. (2000) y Ehsani et. al. (1999) realizaron un estudio
experimental con el fin de identificar los modos de falla de muros de mampostería reforzados con tiras de
compuestos. Se estudió la variación de la resistencia y la rigidez de los muros en función de la cantidad de
material compuesto adherido a la superficie y de la relación altura/espesor del muro. Observaron que según la
cantidad de refuerzo, la falla puede ser por tensión en el compuesto, compresión en el muro o delaminación.
De acuerdo a los resultados de las investigaciones mencionadas y otras más recientes, el uso de materiales
compuestos en la reparación y/o refuerzo de estructuras de mampostería: permiten incrementar el
confinamiento de muros lo que se traduce en mejores resistencias y mayor ductilidad, aumenta la resistencia a
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flexión fuera del plano, mejora la resistencia a cortante en el plano, no aumenta el peso de las edificaciones y
presenta relativa facilidad en su aplicación.
PROGRAMA EXPERIMENTAL
DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYES
La presente investigación consistió en la elaboración y ensaye a compresión diagonal de 8 muros cuadrados
de 1.20 m, hechos con tabique de barro recocido de fabricación regional, unidos por mortero cemento-calarena. Se realizaron ensayes para determinar las propiedades de los materiales utilizados en la elaboración y
refuerzo de los muretes. Cinco de los muros se ensayaron a compresión diagonal dos de los cuales fueron
posteriormente reparados con material compuesto por fibra de vidrio y resina y ensayados de nuevo a
compresión diagonal. Tres fueron reforzados con el material compuesto variando para cada uno de ellos el
porcentaje de refuerzo y se les aplicó compresión diagonal. Se registraron la carga aplicada y las
deformaciones a lo largo de las diagonales.
Materiales
El tabique de barro recocido utilizado en los muretes es de fabricación artesanal con dimensiones promedio de
25 x 12.7 x 4.6 (NMX-C-038-ONNCEE), resistencia a compresión promedio fp= 10.2 Mpa (104 kg/cm2)
(NMX-C-036-ONNCEE), peso volumétrico 20.38 KN/m3 (2.08ton/m3 ), absorción total 23.2% (NMX-C037), absorción inicial 39 gr/min (NMX-C-407), módulo de ruptura MR= 1.03 Mpa (10.5 kg/cm2) , Esfuerzo
de adherencia 0.186 Mpa (1.9 kg/cm2 )(NMX-C-082), resistencia a la tensión 0.26Mpa (2.7 kg/cm2).
El elemento de unión de las piezas de barro fue mortero cemento-cal-arena, fabricado in situ, con un
proporcionamiento de acuerdo a la costumbre de la región (1-2-6 en volumen).Se tomaron 3 muestras de
cada batida para determinar su resistencia a compresión (NMX-C-061). Los muretes M1, M2, M6, y M7
fueron elaborados con mortero de resistencia a la compresión de 4.9 MPa (50 kg/cm2 ) y los muretes M3,
M4, M5 y M8 con mortero de 7.35 Mpa (75kg/cm2 ).
Para determinar la resistencia a compresión de la mampostería se elaboraron 5 pilas. La resistencia a
compresión promedio de las pilas fue fm = 3.57 Mpa (36.4 kg/cm2 ) (NMX-C-415-ONNCEE).
Para el refuerzo se utilizó fibra de vidrio denominada petatillo el cual está conformado por fibras de vidrio
entrecruzadas en dirección ortogonal entre si, con densidad de 860 gr/m3 y resina poliéster las cuales al
combinarse forman un material compuesto denominado GFRP con resistencia a la tensión de 269.5 Mpa
(2750 kg/cm2), la resistencia a la adherencia entre el material compuesto y las piezas utilizadas es 47.9 Mpa.
(4.7kg/cm2). Es importante notar que la resistencia a la adherencia entre compuesto y pieza es mayor que la
adherencia entre pieza y mortero y mayor que la resistencia a tensión del tabique (ver Fig. 3). Las
propiedades del material compuesto fueron determinadas sobre muestras de 1 mm. de espesor.
La fibra de vidrio y la resina se adquirieron en comercios que se dedican a la venta de plásticos y no presenta
ningún problema su adquisición ya que aún en provincia y en pueblos pequeños existen establecimientos de
ese tipo.
Muros
Uno de los principales problemas de la región en cuanto a desempeño de la mampostería utilizada en las
edificaciones de interés social es el agrietamiento diagonal en los muros, el cual en general se debe a los
asentamientos diferenciales provocados por arcillas expansivas ante la falta de rigidez en las plataformas de
cimentación y baja adherencia en la unión tabique-mortero debida en ocasiones a mala calidad de la mano de
obra. El objeto de la investigación es determinar el desempeño del GFRP al ser utilizado como refuerzo de
materiales compuestos en muros de mampostería construidos en condiciones reales, por lo que los muros se
fabricaron en condiciones de obra por un albañil, al que no se le dieron instrucciones de cuidados especiales
(Ver figura 1). Los muros así construidos presentaron irregularidad en el espesor de las juntas variando de 2
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cm. a 3.8 cm. Se observaron también en algunos de los muros pequeñas grietas debidas a contracción del
mortero.
La nomenclatura para los muros es: M-SR para los muros sin refuerzo, M-SRR para los muroa sin refuerzo
ya ensayados y reparados y M-RN para los muros reforzados con material compuesto donde N es el
porcentaje de refuerzo colocado respecto al área.
Figura 1 Fabricación de los muretes
RESULTADOS
Con el objeto de determinar la contribución del refuerzo de material compuesto en el módulo de ruptura de la
pieza de tabique se reforzaron diez piezas de tabique. Cinco en la zona central del tabique de modo que no
se formó anclaje entre apoyos y pieza y cinco en la zona central en toda la longitud del tabique de modo que
al apoyarlo se generó un anclaje en los apoyos. Las diez piezas se ensayaron apoyadas en sus extremos con
carga en el centro del claro, se encontró que el índice de incremento en el módulo de ruptura fue 3.9 para las
piezas sin anclaje y 4.4 para la pieza con anclaje. La falla en los elementos sin anclaje se presentó en uno
de los apoyos con desprendimiento del compuesto a partir de la zona de falla (ver Figura 2) sin embargo,
no hubo deslizamiento de la fibra respecto al tabique sino que se desprendió con considerable cantidad de
material del tabique. La falla en los elementos con anclaje se presentó en la zona central al fracturarse el
tabique y provocar el desprendimiento del compuesto sin deslizamiento entre el refuerzo y la pieza (Ver
Figura 3).
Figura 2. Prueba de adherencia
Tabique-compuesto
Figura 3. Falla de tabique con refuerzo
sin anclaje
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Los muros fueron ensayados a compresión diagonal (ASTM E 519) en un marco de carga rígido, la fuerza fue
aplicada con un gato hidráulico y medida con una celda de carga. Se colocaron cuatro micrómetros. Uno en
cada diagonal vertical con aproximación de 0.001 pulg. y uno en cada diagonal horizontal con aproximación
de .0001 pulg. La carga se aplicó aproximadamente con una velocidad de 10 kg/seg. Se registraron la carga y
las deformaciones de las diagonales a intervalos de 250 kg.
Los muros M1, M2, M3, M4 Y M5 se cargaron monotónicamente hasta la falla, Los muros M1 y M3 fallaron
sobre la diagonal vertical con una falla por tensión diagonal (la grieta atravesó tanto el tabique como las
juntas), los muretes M2 y M5 fallaron casi sobre la diagonal vertical por una combinación de tensión
diagonal y cortante. El murete M4 falló por cortante fuera de la diagonal vertical. En los muretes M2, M5 y
principalmente en el M4 se observaron juntas de espesor variable llegando a ser hasta de 3.8 cm.
Los muros M1 y M5 fueron reparados, sin sellar la grieta, con tiras de material compuesto de 6 cm. de
ancho colocadas a cada 10 cm. En ambas caras del murete. El muro M1 reparado falló por compresión en la
zona de los cabezales de carga. Y el M5 reparado falló por delaminación (desprendimiento del refuerzo),
iniciándose en una zona del borde del muro donde el espesor de junta era 3.5.
Los muros M6, M7 y M8 fueron reforzados respectivamente, con tiras de material compuesto de 6 cm. de
ancho cubriendo el 15%, 37% y 60% del área del muro Para colocar el refuerzo se procedió de la siguiente
manera: Se marcó la zona a reforzar, se limpió de polvo la superficie, se impregnó la zona a reforzar con
resina aplicada con brocha, se cortaron las tiras de fibra de vidrio y se colocaron pegándolas con resina
utilizando una brocha (Ver figura 4).
Figura 4. Preparación del murete para su refuerzo
El muro M6-R15 presentó falla fuera de la diagonal. Cuando se le aplicó el 78% de la carga última se escuchó
un sonido provocado por un ligero desprendimiento de la parte central del compuesto en la fibra que se
encuentra sobre la diagonal principal. Posteriormente la falla se presenta a partir de una falla por cortante en
el tercio suprior del muro, provocando la delaminación en esa zona.
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El muro M6-R37 presentó un ligero desprendimiento en la parte central del muro cuando se le aplicó el
71% de la carga máxima y la delaminación brusca se inicia al 96% de la carga máxima.
El muro M8-R60 falló fuera de la diagonal, la falla inició con deslizamiento entre la pieza y junta por falta
de adherencia y provocó la delaminación. Al 65% de la carga máxima escuchó un sonido provocado por un
desprendimiento inapreciable entre compuesto y mortero de la parte central, al 96% de la carga máxima, se
inicia la delaminación en la zona de falla y el desprendimiento total se da cuando la carga ha decrecido el
24% respecto a la carga máxima. No se midieron las últimas deformaciones debido a que se movieron de su
posición algunos micrómetros.
Las Tablas 1,2 y 3 y la Gráfica 4 muestran los resultados de los ensayes de los muros. En la Tabla 3, P1 y D1
son la carga y la deformación angular para las cuales la gráfica carga-deformación angular deja de ser
aproximadamente lineal.
140
120
M2-SR
Carga (kN)
100
M3-SR
M4-SR
80
M5-SR
60
M6-R15
M7-R37
40
M8.R60
20
0
0
0.005
0.01
0.015
Deformación angular
Figura 4. Gráfica carga-desplazamiento de muros
en compresión diagonal
Tabla 1 Resultados de ensayes a compresión diagonal
MURO
CARGA MÁXIMA
KN, (kg)
TENSIÓN DIAGONAL
2
Mpa, (kg/cm )
DEFORMACIÓN
ANGULAR (m/m)
M1-SR
52.4
(5340)
0.24
(2.5)
0.0078
M2-SR
39.5
(4031)
0.19
(1.9)
.00097
M3-SR
46.6
(4752)
0.21
(2.2)
.001
M4-SR
33.5
(3417)
0.16
(1.6)
.0014
M5-SR
31.5
(3209)
0.15
(1.5)
.0017
M6-R15
56.6
(5772)
0.26
(2.7)
.003
M7-R37
89.9
(9166)
0.42
(4.3)
.007
M8-R60
131.5 (13406)
0.62
(6.3)
.0085
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Tabla 2 Comparación de resultados de ensayes a compresión
de muros reparados
MURO
CARGA MÁXIMA
KN, (kg)
TENSIÓN DIAGONAL
2
Mpa, (kg/cm )
M1-SR
52.4
(5340)
0.24
(2.5)
M1-SRR
47.9
(4880)
0.22
(2.3)
-
M5-SR
31.5
(3209)
0.15
(1.5)
.0017
M5-SRR
62.9
(6408)
0.29
(3.0)
.0038
DEFORMACIÓN
ANGULAR (m/m)
0.0078
Tabla 3. Características del desempeño de los muretes
MURO
P1
kN (kg)
Pmax
kN (kg)
D1
Dmax
Pmax/ P1
Dmax/ D1
M1-SR
47.3 (4819)
52.4
(5340)
.006
.0078
1.11
1.3
M2-SR
34.3 (3497)
39.5
(4031)
.00053
.00097
1.15
1.8
M3-SR
42.0 (4280)
46.6
(4752)
.0005
.001
1.11
2.0
M4-SR
28.9 (2942)
33.5
(3417)
.0009
.0014
1.16
1.5
M5-SR
29.0 (2953)
31.5
(3209)
.0013
.0017
1.08
1.3
M6-R15
41.9 4272)
56.6
(5772)
.00056
.003
1.35
5.3
M7-R37
52.8 (5388)
89.9
(9166)
.0011
.007
1.70
6.4
M8-R60
84.1 (8576)
131.5 (13406)
.0014
.0081
1.56
5.8
Los muros reforzados con el 15%, 37% y 60% de material compuesto, tuvieron respectivamente, un
incremento en su carga última, ya que presentaron 1.39, 2.21 y 3.23 veces el promedio de la carga última de
los muros no reforzados. También tuvieron una ductilidad de 3.35, 4.05 y 3.67 veces el promedio de la
ductilidad de los muros no reforzados. Aunque el muro reforzado con el 60% de material compuesto tuvo
una mayor resistencia, su ganancia en ductilidad fue menor (ver Tabla 3). El incremento de la carga última
presentó una relación lineal con el incremento del porcentaje de refuerzo según se observa en la Figura 5.
140
120
carga (KN)
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
% de refuerzo
Figura 5. Variación de la carga última respecto al % de refuerzo
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El muro M5 reparado tuvo un incremento de 2 veces su resistencia última. Respecto al muro M1 reparado
no se puede establecer ninguna conclusión ya que su falla se debió a compresión en la zona de los cabezales.
(ver Tabla 2)
En la Tabla 4 se muestra un análisis preliminar de los costos de refuerzo con fibra de vidrio y resina poliéster
para los muros M6, M7 y M8 se observa que el refuerzo del 60% es más económico respecto a la resistencia
pero es más caro respecto a ganancia en ductilidad. Este análisis está hecho respecto al costo de los
especimenes de ensaye. En Estados Unidos el costo de refuerzo con materiales compuestos en edificios de
mampostería no reforzada es el 50% respecto al costo del refuerzo equivalente utilizando concreto (Ehsani y
Saadatmanesh, 1997b), el cual añade mayor peso a la estructura.
Tabla 4 Costo de los especimenes reforzados
MURO
COSTO/M
$
M6-R15
2
COSTO POR TONELADA
RESISTIDA $
COSTO POR
2
DUCTILIDAD/m
380.00
65.8
71.6
M7-R37
393.00
42.8
61.4
M8-R60
452.00
33.7
77.9
M-SR
259.00
64.2
163.9
CONCLUSIONES.
La resistencia a tensión diagonal y la ductilidad de los muros reforzados con material compuesto por fibra de
vidrio y resina se incrementó significativamente.
El material compuesto utilizado para refuerzo de los muros tiene un gran potencial para su uso como
refuerzo de nuevas edificaciones de mampostería de barro o rehabilitación de edificaciones ya existentes ya
que al incrementar la resistencia a tensión diagonal de sus muros, (sin ganancia en peso) se aumenta su
capacidad para resistir las fuerzas laterales en el plano, además, la ganancia en ductilidad permite un
mejor desempeño en solicitaciones sísmicas y reduce la vulnerabilidad.
El procedimiento utilizado para reforzar los muros es sencillo, los materiales son de fácil acceso, no se
requiere mano de obra especializada ya que el material compuesto tiene un tiempo de endurecimiento de 24
horas, lo cual permite el uso relativamente rápido de la edificación.
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