proyecto sismorresistente de estructura de fábrica de termoarcilla en

PROYECTO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURA DE FÁBRICA DE
TERMOARCILLA EN LA VILLA DEL MEDITERRÁNEO (ALMERÍA)
Autores: F. Rueda, A. Gallego y F. Beltrán
Ingeniería IDOM Internacional, [email protected], [email protected], [email protected]
L. C. Prada
FADESA, [email protected]
RESUMEN
En el término municipal de Almería se ha realizado el proyecto de edificios de
viviendas con estructura resistente a base de muros portantes de fábrica de termoarcilla. El
término municipal de Almería se sitúa en una zona de sismicidad moderada, a la que se
asigna una aceleración sísmica básica de 0.13 g, lo que exige la justificación del nivel de
seguridad de las estructuras de fábrica. En el proyecto se define un esquema de muros
compatible con el Proyecto Básico de arquitectura. Este esquema de muros se comprueba
para el estado de cargas sísmicas definido en la norma NCSE-94, representando la
estructura mediante un modelo de masas concentradas con un grado de libertad por planta.
Los esfuerzos producidos por la sacudida sísmica se reparten entre los muros en función de
su rigidez y de su posición en planta, según el método de los planos de rigidez. Una vez
encontrada la fuerza actuante en cada piso sobre cada elemento resistente se procede a la
comprobación estructural del mismo, según la norma FL-90.
Palabras clave: fábrica de ladrillo, muro portante, termoarcilla, proyecto sismorresistente
SUMMARY
The paper summarises the main lines of the aseismic design of some low rise
buildings near the city of Almeria (Spain). Almeria is located within an area of moderate
seismicity. The Spanish seismic code, NCSE-94, assigns to the city a design peak ground
acceleration of 0.13 g. The buildings have one and two storeys over grade level and, due to
the requirement of a very short construction time, they are designed with unreinforced
masonry structural walls (thermoclay) and precast prestressed concrete slabs. The precast
slabs are joined to the top of the walls using reinforced concrete capping beams. These
beams are cast in situ, at the same time that the ribs and compression layer of the floor. In
the two storey buildings, the capacity of masonry walls alone was not sufficient for the
seismic demand and it was supplemented by a number of reinforced concrete shear walls
around the vertical communication cores. The seismic safety of the buildings has been
checked using the Spanish seismic and structural masonry codes, NCSE-94 and FL-90,
respectively.
Keywords: unreinforced masonry, thermoclay, seismic design.
Introducción
El proyecto Villa del Mediterráneo se sitúa en el Plan Parcial de “El Toyo 1” en el
término municipal de Almería.
En él se proyecta la construcción de edificios de viviendas, con garajes bajo las
calzadas. La edificación se materializa mediante edificios de dos y tres plantas (PB+1 y
PB+2), con alturas máximas de 7 y 10 m respectivamente. La estructura resistente que se
plantea para los edificios es a base de muros portantes de fábrica de termoarcilla con
forjados unidireccionales de hormigón construidos a partir de placas alveolares
prefabricadas de hormigón pretensado. De esta manera se pretende hacer frente a un plazo
de ejecución muy corto, ya que las viviendas deben estar terminadas para los próximos
Juegos del Mediterráneo.
El término municipal de Almería se sitúa en una zona de sismicidad moderada, a la
que se asigna una aceleración sísmica básica de 0.13 g en la norma sismorresistente
NCSE-94 (ref. 3). En este contexto se han proyectado los muros portantes de fábrica de los
edificios de la Villa Mediterránea y se ha justificado su seguridad sísmica de acuerdo con la
norma vigente.
Descripción del proyecto
El proyecto de arquitectura se desarrolla mediante la repetición de módulos tipo que
se repiten con algunas variantes. Los módulos tipo dúplex se corresponden con edificios de
planta rectangular, con dos alturas. En la figura 1 se muestra la planta de módulo tipo
dúplex1 que tiene aproximadamente 5 x 12 m. El módulo tipo dúplex 1s se obtiene
adosando dos viviendas tipo dúplex 1, lo que da lugar a una planta aproximada de 10 x 12
m. En estos tipos de módulos la distribución interior cambia de una planta a otra, y, en
consecuencia, los huecos no están alineados en vertical. Por otro lado, existe una gran
regularidad en planta, que se presta a una buena solución estructural desde el punto de
vista sismorresistente.
Figura 1. Planta del módulo tipo dúplex 1 (Proyecto Básico).
El resto de módulos (módulos tipo 2, 2+1, 3, 4, y 4+1) son edificios de dos o tres
alturas. Las plantas de estos edificios se obtienen por combinaciones de la forma básica
representada en la figura 2. Se trata de una planta en forma de U que se inscribe en un
rectángulo de aproximadamente 15 x 18 m. En general estos edificios son bastante o
completamente simétricos con respecto a un plano vertical paralelo a su dimensión menor.
Sin embargo, desde el punto de vista sismorresistente, no puede decirse que exista
regularidad en planta, ya que la dimensión entrante de la U supera el 20% de la dimensión
del edificio paralela al entrante.
Figura 2. Planta del módulo tipo 2 (Proyecto Básico).
Condicionantes para el proyecto sismorresistente
El proyecto sismorresistente de los muros portantes y de su cimentación se ha
llevado a cabo bajo los siguientes condicionantes fundamentales:
-
El esquema de muros portantes propuesto debe ajustarse estrictamente a la
arquitectura definida en el Proyecto Básico (ref.1).
Los muros portantes se han de construir mediante bloques de termoarcilla
Las losas de piso se han de construir mediante forjados unidireccionales de
hormigón armado apoyados en los muros de fábrica.
Esquema sismorresistente
El esquema estructural sismorresistente utilizado para los edificios se basa en dos
puntos. En primer lugar, que los forjados de cada planta actúan como pantallas horizontales,
que recogen y transmiten las fuerzas de inercia a los elementos estructurales verticales. En
segundo lugar, los forjados de planta se han considerado esencialmente rígidos en su plano,
de manera que aseguran que los elementos estructurales verticales actúan conjuntamente
para resistir la acción horizontal producida por la sacudida sísmica.
Con estos condicionantes, para cada edificio se ha definido un esquema de muros
portantes en las dos direcciones principales de la planta, con los muros distribuidos de la
manera más uniforme y simétrica posible compatible con la arquitectura del proyecto básico.
La transmisión de las acciones horizontales desde los forjados a los muros se asegura
mediante encadenados de hormigón armado. El detalle de unión de los muros con los
forjados se puede ver en la figura 3.
LA SUPERFICIE DEL FORJADO EN EL
APOYO DEL MURO SE DEJARÁ RUGOSA
ARMADURA DE REPARTO
CAPA DE COMPRESION
0.19
ARMADURA DE NEGATIVOS
LOSA ALVEOLAR
ZUNCHO PREFABRICADO
CAPA DE MORTERO
FABRICA DE BLOQUE DE TERMOARCILLA
Figura 3. Detalle de unión de los muros de fábrica con los forjados prefabricados.
La capacidad estructural de los muros de fábrica de termoarcilla depende
fundamentalmente de la carga vertical que soportan. Durante un sismo, una mayor carga
vertical contribuye generalmente a aumentar la capacidad. Por este motivo, la orientación de
los forjados unidireccionales forma parte del proyecto sismorresistente de los muros. La
dirección de los forjados se ha dispuesto generalmente paralela a la dimensión mayor de la
planta, salvo en las zonas situadas en los extremos de los salientes de la planta, en donde
ha habido que contrapear los forjados para estabilizar los muros más alejados del centro de
rigidez de la planta.
En los edificios de tres plantas, la capacidad resistente de los muros de fábrica de
termoarcilla no es suficiente para resistir las acciones horizontales derivadas del sismo, por
lo que ha sido necesario construir en hormigón armado los muros de las cajas de escalera.
Algunos huecos existentes en los muros se han reforzado para que no disminuyan la
capacidad de los mismos. Se trata en general de huecos muy alargados en dirección
vertical, en los que la transmisión de esfuerzos laterales de un entrepaño a otro tiene lugar a
través del dintel. Para asegurar dicha transmisión de esfuerzos, en algunos casos ha sido
suficiente con aumentar la entrega de los cargaderos, mientras que en otros ha sido
necesario disponer un marco de hormigón armado alrededor del hueco. Con respecto al
Proyecto Básico de arquitectura, ha debido modificarse la posición de algunos huecos, para
respetar las distancias mínimas a esquinas señaladas en la norma NCSE-94 (ref. 3).
Los elementos de cimentación son de hormigón armado. Las cimentaciones de las
estructuras están constituidas por zapatas corridas de hormigón bajo los muros de fábrica.
En la figura 4 se representa la sección transversal de dichas zapatas. En la mayor parte de
las calles la fachada frontal de los edificios arranca de la cabeza del muro de sótano
correspondiente al estacionamiento situado bajo la calzada. En esta zona se ha proyectado
una unión entre dicho muro y los elementos de cimentación del edificio. Es requerimiento
sísmico que la cimentación esté proyectada de tal forma que los elementos queden atados
en dos direcciones, al menos en el perímetro de la planta. En algunos casos se han
dispuesto vigas de atado para cumplir con esta condición.
0.30
Ø10 / 0.25
3 Ø12
< 0.50 cm
0.80
3 Ø12
0.40
5 Ø12
0.10
Ø16 / 0.25
0.75 ó 1.10
Figura 4. Sección tipo de zapata corrida bajo muros de fábrica.
Bases de cálculo y metodología
El proyecto se ha llevado a cabo siguiendo las directrices de la normativa vigente:
-
NBE AE-88, Acciones en la Edificación (ref. 2).
NCSE-94, Norma de Construcción Sismorresistente (ref. 3).
NBE FL-90, Muros Resistentes de Fábrica de Ladrillo (ref. 4).
EHE, Instrucción de Hormigón Estructural (ref. 5).
Los muros portantes de fábrica serán construidos mediante bloques de termoarcilla.
En los muros exteriores se han dispuesto bloques de 29 cm de espesor y en los muros
interiores de 19 cm, salvo alguna excepción en paños interiores con carga gravitatoria muy
elevada, en los que el espesor se ha aumentado hasta 29 cm. En general, el espesor de los
muros se ha mantenido constante en las distintas plantas, con el fin de evitar cambios
bruscos de rigidez.
En los cálculos se ha supuesto que no se rellenan con mortero las juntas verticales
entre bloques, es decir, que no se dispone mortero en las llagas de fábrica. Esta disposición
constructiva mejora mucho el rendimiento de los tajos, pero reduce la resistencia a esfuerzo
cortante de la fábrica, ya que la confía exclusivamente a la traba o atizonado de los bloques.
Así, para un mortero tipo M-160, se ha tomado una resistencia de cálculo a compresión de
la fábrica de 2 MPa y una resistencia de cálculo a cortante de 0.1 MPa.
El terreno sobre el que se asientan los edificios es de tipo arenoso, relativamente
denso y significativamente por encima del nivel freático. En las zonas donde la cota de
cimentación se sitúa por encima del terreno natural se procederá a retirar la cobertura
vegetal y se rellenará con material de aportación. Las características del relleno se
especifican en el proyecto. A efectos sísmicos, se ha considerado terreno tipo II, según la
norma NCSE-94 (ref. 2).
Se han efectuado dos comprobaciones en estado límite último: la primera frente a
cargas gravitatorias y la segunda frente a cargas sísmicas. Para la comprobación de los
muros frente a cargas gravitatorias se han seguido las disposiciones de la NBE-FL-90 (ref.
4).
La acción sísmica se considera definida por el espectro de respuesta de la norma
NCSE-94 (ref. 3) para terreno tipo II. La aceleración básica de cálculo, ab, correspondiente al
municipio de Almería es de 0.13 g. El coeficiente de contribución, K, es igual a 1.0. La
construcción se considera de “normal importancia”, por lo que el coeficiente de riesgo, ρ, es
igual a 1.0. De este modo, la aceleración sísmica de cálculo, ac , es también de 0.13 g. Se
utiliza un amortiguamiento, Ω, del 10% y un coeficiente de ductilidad, µ, igual a 1.0. El
espectro de respuesta correspondiente se muestra en la figura 5.
0.3
0.3
0.25
0.2
S a_Frec ( f )
0.15
g
0.1
0.05
0
0
0.1
0.1
1
10
f
100
100
Figura 5. Espectro de respuesta de cálculo.
El método utilizado para la obtención de los esfuerzos sísmicos es el análisis modal
espectral.
Para la comprobación de la capacidad frente a cargas sísmicas se han obtenido, en primer
lugar, las características dinámicas de la estructura en las dos direcciones principales. Las
características dinámicas de cada edificio se han calculado de manera independiente para
las dos direcciones principales mediante modelos de cálculo de masas concentradas con un
solo grado de libertad por planta. Dicho grado de libertad corresponde al movimiento de
traslación en la dirección principal considerada. En la figura 6 puede verse una
representación esquemática de los modelos de cálculo representativos de los edificios de
tres alturas y de los edificios de dos alturas.
En esta clase de modelos la masa del edificio se concentra al nivel de cada planta y
la rigidez al desplazamiento relativo entre dos plantas consecutivas se hace igual a la suma
de las rigideces de todos los elementos de la entreplanta resistentes a acciones
horizontales. Por otro lado, se hace la hipótesis de que los forjados de piso son infinitamente
rígidos en su plano.
Masa de la planta
2.90 m
Rigidez de la entreplanta
2.90 m
2.90 m
Figura 5. Modelos dinámicos de masas concentradas.
En el cálculo de la rigidez de la entreplanta se ha utilizado el método de los planos de
rigidez. Se ha supuesto que sólo contribuyen a la rigidez de entreplanta los paños de muro
paralelos a la dirección principal del edificio para la que se construye el modelo de cálculo.
En los paños con huecos se han reducido las rigideces multiplicando por el cociente
entre la longitud en planta de los entrepaños y la longitud total del muro.
Los modelos construidos de la manera descrita no tienen en cuenta el aumento de
flexibilidad que resulta de las posibles torsiones de las plantas alrededor de un eje vertical.
Por ello, deben emplearse con precaución para representar las estructuras con una
irregularidad muy marcada en planta y con una rigidez a torsión pequeña. En el presente
caso, los modelos de cálculo son claramente aplicables a los edificios tipo dúplex 1 y dúplex
1s, muy regulares en planta. En el resto de los edificios, cuyos entrantes no permiten
considerarlos regulares en planta, el efecto de la flexibilidad adicional por torsión se ha
tenido en cuenta según las reglas del Anexo A de la parte 1-2 del Eurocódigo 8 (Ref. 8).
Mediante los modelos de cálculo descritos se han obtenido las frecuencias
fundamentales en cada dirección principal de la estructura y las formas modales
correspondientes. A partir de estos resultados se obtienen las aceleraciones espectrales,
que definen la acción sísmica sobre la estructura, y las masas efectivas movilizadas por
cada modo de vibración.
Las frecuencias calculadas sirven para obtener las aceleraciones espectrales, a
partir de la forma modal y el correspondiente factor de participación, se determinan las
aceleraciones de piso en cada dirección principal de los edificios. Las aceleraciones
multiplicadas por la masa de cada piso proporcionan las fuerzas que se transmiten en la
planta al sistema de muros resistente a acciones horizontales.
La fuerza transmitida por cada planta a cada muro se ha obtenido mediante el
método de los planos de rigidez (ref. 6). Para ello, la fuerza total se supone aplicada en el
centro de rigidez de la planta, que tiene una determinada excentricidad con respecto al
centro de masas. Además de la excentricidad teórica, se ha tenido en cuenta una
excentricidad accidental adicional. La excentricidad del centro de rigidez con respecto al
centro de masas hace que se produzca una torsión en planta y se sobrecarguen más los
muros más alejados del centro de rigidez.
La fuerza total de la planta se distribuye entonces entre los elementos resistentes a
acciones horizontales en proporción a su rigidez y en función de su posición con respecto al
centro de rigidez de la planta.
A partir de las aceleraciones de piso, se comprueba también la capacidad de los
muros para resistir los esfuerzos fuera de su plano producidos por la sacudida sísmica
según la metodología descrita en la ref. 7. La comprobación se ha realizado únicamente
para los muros que tienen menos carga vertical.
Resultados
Siguiendo el procedimiento descrito en la sección anterior, se obtienen para cada
muro del edificio las fuerzas horizontales que se le transmiten en cada planta. A partir de
estas fuerzas horizontales y de las fuerzas verticales debidas a las cargas gravitatorias, se
determina en cada sección del muro el esfuerzo cortante y axil al que está sometida. El
esfuerzo axil tiene una determinada excentricidad con respecto de la sección del muro, lo
cual determina el área eficaz de comprobación de la sección según la norma FL-90 (ref. 4).
Las frecuencias fundamentales obtenidas se encuentran entre 8 y 16 Hz y en todos
los casos la masa efectiva correspondiente al primer modo supera el 90%. De este modo,
basta con incluir en el cálculo el primer modo de vibración en cada dirección principal.
Las secciones del muro se han comprobado así frente a esfuerzo cortante
combinado con esfuerzo axil. En los muros con huecos, a partir de las acciones transmitidas
por las plantas, se han obtenido los esfuerzos en los entrepaños y en los dinteles. Dichos
esfuerzos se han obtenido en la hipótesis de que la fuerza horizontal total se reparte entre
los entrepaños proporcionalmente a su capacidad y genera en ellos un momento flector en
los extremos superior e inferior que equilibra dicho esfuerzo cortante.
Como se ha comentado anteriormente, en los módulos de tres plantas (PB+2) ha
sido necesario proyectar en hormigón armado los paños de muro correspondientes a las
cajas de escalera, con objeto de dar estabilidad horizontal al edificio frente a las acciones
sísmicas. Para los muros de hormigón armado se ha empleado un espesor de 20 cm.
En el análisis del estado de cargas gravitatorias se ha puesto de manifiesto la
necesidad de aumentar el espesor de alguno de los muros interiores en planta baja debido a
las cargas transmitidas por el forjado.
En las figuras 7 y 8 puede verse el esquema de muros portantes del módulo dúplex 1
y del módulo 2.
En la figura 8 se puede ver el esquema de cimentación del módulo 2.
VIGA CARGADERO
VIGA CARGADERO
Figura 7. Esquema de muros portantes del módulo dúplex1.
.
Conclusiones
A partir del Proyecto Básico de arquitectura de la Villa del Mediterráneo, se ha
llevado a cabo el proyecto sismorresistente de su estructura a base de muros de fábrica de
termoarcilla y forjados unidireccionales de placas alveoladas. La necesidad de emplear esta
clase de construcción viene impuesta por el plazo de ejecución de las obras, que es muy
corto.
Por otro lado, el Proyecto Básico de arquitectura impone condiciones no
estrictamente deseables desde el punto de vista del diseño sismorresistente, como los
entrantes que rompen la regularidad en planta de algunos edificios. En la práctica diaria esta
es una dificultad con la que se enfrenta a menudo el ingeniero que proyecta estructuras
sismorresistentes, ya que en raras ocasiones puede participar desde el principio en el
proceso de concepción de los edificios.
La norma española (NCSE-94, ref. 3) recomienda no utilizar estructuras de fábrica de
más de dos plantas en zonas donde la aceleración básica de cálculo supere 0.12 g. En este
proyecto se ha tenido ocasión de comprobar la bondad de esta recomendación ya que en el
caso de los edificios de tres plantas ha sido preciso suplementar la capacidad de los muros
de fábrica con muros de cortante de hormigón armado.
VIGA CARGADERO
VIGA CARGADERO
VIGA CARGADERO
VIGA CARGADERO
Figura 8. Esquema de muros portantes del módulo 2.
VIGA DE ATADO
VIGA DE ATADO
VIGA DE ATADO
VIGA DE ATADO
Figura 9. Esquema de cimentación del módulo 2.
Referencias
1. FADESA. “Proyecto Básico para la construcción de viviendas, garajes y locales
comerciales. Parcela VM-1a y VM-1b del E. D. de la Parcela VM-1 del P. P. ‘El Toyo 1’.
Almería”. Abril 2002.
2. NBE AE-88. “Acciones en la Edificación”. Ministerio de Fomento. 1999.
3. NCSE-94. “Norma de Construcción Sismorresistente: Parte General y Edificación”.
Ministerio de Fomento. 1999.
4. NBE FL-90. “Muros Resistentes de Fábrica de Ladrillo”. Ministerio de Fomento. 1990.
5. EHE. “Instrucción de Hormigón Estructural”. Ministerio de Fomento. 1999.
6. R. García y R. García. “Las estructuras con muros portantes como alternativa”. Segundo
Congreso Iberoamericano de Ingeniería Sísmica. Madrid, Octubre 2001.
7. T. Paulay y M.J.N. Priestley. “Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry
Buildings”. John Wiley. 1991.
8. EC 8. “Disposiciones para el Proyecto de Estructuras Sismorresistentes. Parte 1-2:
Reglas Generales para Edificios”. AENOR. Octubre 1997.