PROYECTO DE REFORZAMIENTO SÍSMICO: EVALUACIÓN

PROYECTO DE REFORZAMIENTO SÍSMICO: EVALUACIÓN
EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE
QUINCHA DEL CENTRO HISTÓRICO DE LIMA – PERÚ.
Daniel Torrealva Dávila
Departamento de Ingeniería Civil
Pontificia Universidad Católica del Perú
San Miguel, Lima 32, PERU
Tel. (+51) 1 6262000 - 5501
E-mail: [email protected]
Erika Vicente Meléndez
Departamento de Ingeniería Civil
Pontificia Universidad Católica del Perú
San Miguel, Lima 32, PERU
Tel. (+51) 1 6262000 - 4628
E-mail: [email protected]
Tema 7: Soluciones Antiguas, Históricas e Innovativas para la Prevención del Daño y Mejora
del Desempeño frente a los Desastres Naturales.
Palabras clave: quincha, comportamiento sísmico, tecnología tradicional, construcciones
históricas.
Resumen
El centro histórico de Lima, declarado patrimonio mundial en 1988, fue la capital del virreinato
español desde la mitad del siglo XVI hasta comienzos del siglo XIX. Su importancia se ha
mantenido durante la época republicana y ha llegado hasta la actualidad.
Las edificaciones virreinales y republicanas tienen un alto valor histórico, artístico,
arquitectónico y tecnológico. Las construcciones más comunes de ese periodo fueron las casas
de familias acomodadas, también denominadas “casonas limeñas”.
Las casonas presentan dos o tres pisos. El primer piso fue construido de adobe y el segundo y
tercer piso con muros de quincha. Los entrepisos y los techos están compuestos por vigas de
madera, tablas de madera machihembradas y relleno de tierra.
Los muros de quincha presentan variaciones, sin embargo, en todos los casos, están
compuestos por postes, soleras de madera, caña y barro. Dado que Lima se ubica en una
zona de alto riesgo sísmico, este sistema contribuyó a salvaguardar su centro histórico debido
a que es flexible.
El presente trabajo muestra resultados parciales de un programa experimental que consiste en
doce ensayos a carga lateral cíclica de muros de quincha a escala natural. Los especímenes
reproducen dos tipologías distintas del Centro Histórico de Lima. Los resultados finales
aportarán valores numéricos relacionados a la rigidez lateral, el máximo esfuerzo cortante y la
disipación de la energía. Esta información permitirá elaborar el modelo computacional de la
respuesta sísmica de las construcciones en las que se utilizan muros de quincha.
El conocimiento validado del comportamiento de este sistema constructivo, podrá ser utilizado
para propósitos de evaluación, conservación y mejoramiento del desempeño de las casonas
limeñas ante los sismos.
1
1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
Las casas coloniales del Centro Histórico de Lima, construidas de dos pisos de adobe
y/o ladrillo resultaron gravemente dañadas por los grandes terremotos que tuvieron
lugar durante los siglos XVI y XVII. En el año 1699, el Virrey Conde de la Monclova dio
la orden de reemplazar el sistema constructivo de los segundos pisos de las casas de
Lima. En adelante, en vez de construirlos de adobe y ladrillo, deberían hacerlos de
“quincha”, un sistema constructivo que utiliza madera, caña y barro. Las
reconstrucciones y las construcciones de las nuevas casas, a partir de esa fecha, se
realizaron utilizando quincha para los segundos pisos y dejando el primer piso de
adobe. Debido a su buen comportamiento ante los sismos, este sistema se continuó
utilizando durante la época republicana.
El presente trabajo se desarrolla dentro del marco del “Seismic Retrofitting Project”
(SRP), que se lleva a cabo mediante un convenio entre el Instituto Getty de
Conservación (GCI) y la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP). También
participan en este proyecto la Universidad de Bath de Inglaterra y el Ministerio de
Cultura del Perú. Los objetivos del SRP son, por un lado, diseñar técnicas de
reforzamiento sísmico utilizando materiales y conocimientos locales para estructuras
históricas de adobe peruanas; y, por otro, desarrollar metodologías que sirvan para
evaluar estructuralmente sitios históricos construidos con tierra en el Perú.
Como parte de este proyecto, para la etapa de ensayos de laboratorio, se tomó al
Hotel Comercio como prototipo para reproducir las técnicas tradicionales de los muros
de quincha. Se eligió esta edificación por ubicarse en el Centro Histórico de Lima y ser
una muestra representativa del sistema constructivo tradicional limeño.
2. TÉCNICAS CONSTRUCTIVAS
En el Centro Histórico de Lima, dentro de un patrón general, existen diversas
configuraciones de muros de quincha. El patrón consiste en una sucesión de postes
verticales de madera, unidos entre sí por soleras, tanto en la parte superior, como en
la inferior. Los muros de quincha de los segundos pisos de las casonas se asientan
sobre los muros de adobe del primer piso, sin que haya elementos de conexión entre
ambos.
Las variaciones en los muros de quincha se concentran en los rigidizadores, que son
también de madera y que pueden ser diagonales o tornapuntas. Además, los muros
están rellenos con caña brava entrelazada y barro. El acabado se realiza con una capa
adicional de barro y otra de yeso.
El Hotel Comercio es un edificio de tres pisos. El primero es de mampostería de
adobe, mientras que el segundo y el tercero están constituidos por muros de quincha.
En el segundo piso, los muros consisten en postes de madera, con sección cuadrada
de 0.10 x 0.10 m, distanciados entre 0.60 m y 1.0 m. Los postes están apoyados en
una solera inferior y una solera superior con secciones similares a los postes. Las
uniones entre los postes y las vigas son de “caja y espiga”. Se dejan espigas (cilindros
de madera sobresalida de 4 cm de diámetro) en cada extremo del poste. Las espigas
van insertas en hoyos perforados en las soleras superiores e inferiores, de tal manera
que se produce un acoplamiento que funciona por fricción. Además, llevan
rigidizadores denominados “citaras”, que consisten en tornapuntas clavadas entre los
postes y la solera inferior. Entre las tornapuntas existen rellenos de adobe o ladrillo,
asentados con mortero de barro. La altura de la citara es entre 0.70 m y 0.90 m.
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En el tercer piso los muros están provistos de postes de madera, que presentan
secciones de 0.08 x 0.06 m, con distancias variables que van desde los 0.60 m a 1.0
m. Del mismo modo que en el segundo piso, los postes están apoyados en soleras
inferiores y superiores que presentan secciones similares a los postes. Las uniones
entre postes y soleras son también de “caja y espiga”. Los rigidizadores consisten en
diagonales de madera que están clavadas a la solera inferior, a los postes y a la solera
superior.
En ambos pisos, los postes tienen perforaciones horizontales para ensartar las cañas
verticales que van entrelazadas en el interior del muro. Sobre las cañas existe un
relleno de barro con paja. Luego una o dos capas de mortero de barro que visten todo
el muro incluyendo los postes. Finalmente, presenta un enlucido delgado de yeso que
da el acabado final al muro.
Las uniones entre los muros ortogonales de quincha se dan, por lo general, mediante
dos tipos de conexión. En los encuentros de dos postes de muros adyacentes, los
postes van amarrados entre sí con tiras de cuero de vaca, comúnmente llamadas
“tiento”. En los casos de encuentros de muros ortogonales que comparten un solo
poste, la unión se da entre el poste y las respectivas soleras superiores e inferiores de
los muros. Las soleras superiores van unidas entre sí a media madera y tienen orificios
o “cajas”, en las que se insertan las espigas que sobresalen del poste. Lo mismo
ocurre con las soleras inferiores.
Sobre los muros de quincha van clavadas las vigas que conforman el techo; y sobre
éstas van tablones de madera machihembrada cubiertos con una capa de tierra.
3. DESCRIPCIÓN DE LOS ESPECÍMENES
Los especímenes consisten en 12 muros que reproducen dos tipologías: 1) 6 con
citara y 2) 6 con diagonal. La primera corresponde al segundo piso del Hotel Comercio
y la segunda al tercero.
Los especímenes con citara tienen 4.00 m de altura y los especímenes con diagonal
tienen 3.20 de altura. La longitud de los 12 muros es de 2.50 m (ver Fig. 1).
En todos los casos, las uniones de los postes con las soleras son de tipo “caja y
espiga” (ver Fig. 2) mientras que las diagonales y las tornapuntas van clavadas. Como
en los muros originales, los especímenes presentan rellenos de caña brava y barro.
Además, como enlucido final, una capa de barro reviste el muro.
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(a)
(b)
Fig. 1. Especímenes de ensayo de muros de quincha: (a) con citara; (b) con diagonal.
(Créditos: Alexis Rossi, Lourdes Mogollón, 2011)
Fig. 2. Conexión típica de “caja y espiga”. (Créditos: Erika Vicente, 2011)
4. ENSAYOS
Se programaron doce ensayos de muros de quincha a carga lateral cíclica. Seis de
ellos con citara y los otros seis con diagonales. El ensayo de cada muro consta de
cuatro fases cíclicas con desplazamientos máximos de ± 25 mm, ± 50 mm, ± 100 mm
y ± 140 mm. Posteriormente, en algunos ensayos, se modificó el sistema de aplicación
de carga para obtener un desplazamiento de +300 mm en una sola dirección.
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4.1 Muros con citara
Se ha programado ensayar dos especímenes con citara sin carga vertical (MA1 y
MA2) y los otros cuatro (MA3 a MA6) con cargas verticales de 4 Ton y 8 Ton que
corresponden, respectivamente, a las cargas que soportan un muro perimetral y un
muro interior típicos del segundo piso del Hotel Comercio. Estos muros reciben el peso
de los muros del tercer piso, del techo y del entrepiso (ver tabla 1).
4.2 Muros con diagonal
Se ha programado ensayar dos especímenes con diagonal sin carga vertical (MB1 Y
MB2) y los otros cuatro (MB3 a MB6) con cargas verticales de 1.6 Ton y 3.2 Ton que
corresponden, respectivamente, a las cargas que soportan un muro perimetral y un
muro interior típico del tercer piso. Estos muros reciben el peso del techo (ver tabla 1).
MURO
MA1
MA2
MA3
MA4
MA5
MA6
MB1
MB2
MB3
MB4
MB5
MB6
ALTURA (m) ANCHO (m)
4.00
4.00
4.00
4.00
4.00
4.00
3.20
3.20
3.20
3.20
3.20
3.20
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.10
0.08
0.08
0.08
0.08
0.08
0.08
TIPO DE
RIGIDIZADOR
CITARA
CITARA
CITARA
CITARA
CITARA
CITARA
DIAGONAL
DIAGONAL
DIAGONAL
DIAGONAL
DIAGONAL
DIAGONAL
CARGA
VERTICAL
TOTAL (Ton)
0
0
4
4
8
8
0
0
1.6
1.6
3.2
3.2
Tabla 1. Relación de especímenes de ensayo. (Créditos: Erika Vicente, 2011)
5. RESULTADOS
Los resultados que se presentan corresponden a los primeros 06 ensayos de los
muros MA1, MA2, MB1, MB2, MB3 y MB4.
5.1 Comportamiento experimental de los muros con citara MA
El espécimen con citara MA1 fue sometido a las cuatro fases de ensayo cíclico
descritas en el acápite 4.0. Mientras que en el muro MA2 fue posible cambiar el
sistema de aplicación de carga para desarrollar una quinta fase de ensayo de
+300mm, tal como se muestra en la Fig. 3.
Se observa que, pese al importante desplazamiento aplicado al muro, la fuerza
horizontal continúa en aumento, lo que implica que todavía no alcanza su máxima
capacidad de resistencia al corte. Aún en la quinta fase, no se observa un deterioro
importante que implique fallas en los elementos de madera y/o las uniones. Solamente
se presentan fisuras del mortero de barro. La máxima fuerza cortante alcanzada en el
5
ensayo fue de 10.5kN, que corresponde a una fuerza repartida de 4.2kN/m para un
desplazamiento de +300mm.
V (KN)
D (mm)
Fig. 3. Curva Fuerza - Desplazamiento del muro con citara MA2. (Créditos: Erika Vicente, 2011)
5.2 Comportamiento experimental de los muros con diagonal MB
En los cuatro especímenes con diagonal MB1, MB2, MB3 y MB4 el comportamiento
observado ha sido similar. En la primera fase de ± 25 mm y la segunda fase de ± 50
mm se observa un comportamiento elástico no lineal con poca pérdida de capacidad
de carga en el segundo y tercer ciclo de cada fase (ver Fig. 4).
A partir de la tercera fase, de ± 100 mm, la diagonal se empieza a desclavar. En la
cuarta fase que alcanzó un máximo de ± 125 mm, la diagonal se desprendió
completamente y el muro comenzó a trabajar sin el aporte de la diagonal. En ese
momento la fuerza cortante es resistida por el resto del sistema estructural, es decir,
los postes, las soleras, las conexiones y el relleno de caña y barro, que conforma una
segunda línea de resistencia. En ninguno de los especímenes se observó fallas de
elementos o conexiones, a excepción del desprendimiento de la diagonal de madera
en la fase 3 y las fisuras en el mortero de barro. La máxima fuerza cortante alcanzada
en los ensayos es en promedio 13.5kN que corresponde a una fuerza repartida de
5.4kN/m para un desplazamiento de +60mm.
6
V (KN)
D (mm)
Fig. 4. Curva Fuerza - Desplazamiento del muro con diagonal MB1. (Créditos: Oswaldo Saénz,
Alexis Rossi, 2011)
5.3 Comparación de las envolventes
Para comparar el comportamiento de los dos tipos de muros con alturas diferentes, se
graficó la fuerza horizontal versus la deriva horizontal, calculada como el
desplazamiento horizontal dividido entre la altura. Los muros de quincha con
diagonales MB, tuvieron un comportamiento similar, independientemente si tenían o
no carga vertical. Se aprecia un marcado crecimiento de la resistencia debido a la
presencia de la diagonal que aporta rigidez al conjunto. Luego se registró una notoria
disminución porque la diagonal se va desclavando. Sin embargo, este desempeño no
corresponde a una falla frágil, pues el muro no colapsa ya que sigue funcionando el
resto del sistema. En los muros con citara MA se observa un comportamiento distinto,
dado que la fuerza horizontal se mantiene creciente, conforme se incrementa el
desplazamiento horizontal.
V (KN)
Δ
Fig. 5. Comparación de envolventes de los muros MA y MB. (Créditos: Erika Vicente, 2011)
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6. CONCLUSIONES
-
Durante los ensayos se alcanzaron derivas de 0.075 en el caso de los muros
con citara y de 0.044 en los muros con diagonal, sin embargo en ningún caso
se llegó a la rotura o daño significativo. Por lo tanto, los comportamientos de
ambas tipologías muestran gran capacidad de deformación sin pérdidas muy
significativas de resistencia.
-
En los muros con diagonal, a partir de la tercera fase de ensayo (Dmáx = +/100mm), se aprecia una disminución de la capacidad de carga debido a las
fallas de las uniones clavadas de la diagonal, lo que no ocurre en el caso de los
muros con citara cuyas uniones son todas de caja y espiga y donde a mayor
desplazamiento la capacidad de carga sigue aumentando.
-
Los muros con diagonal presentan disminución de la capacidad de carga
cuando la diagonal se desclava. Sin embargo, el resto del sistema (los postes,
las soleras, las uniones y el relleno de caña y barro) sigue funcionando.
-
Así, de manera general, los primeros ensayos demuestran las excelentes
propiedades sismoresistentes de la tecnología constructiva de muros de
quincha empleada en las edificaciones históricas limeñas.
Bibliografía
Torrealva, D. y Muñoz, A. (1988). Proyecto Vivienda de Quincha en Dos Pisos. Estudio
del Mejoramiento de Uniones y Reforzamiento de Muros. Lima (Perú): Instituto
Nacional de Investigación y Normalización de la Vivienda – Pontificia Universidad
Católica del Perú.
Ortiz, A. (1990). Comportamiento de muros de quincha ante cargas dinámicas en
dirección perpendicular a su plano. Lima (Perú): Pontificia Universidad Católica del
Perú.
Alberca, B. (1990). Respuesta dinámica de un módulo de quincha. Lima (Perú):
Pontificia Universidad Católica del Perú.
Cárdenas, L. (2008). Análisis de Vulnerabilidad Estructural del Hotel Comercio. Lima
(Perú): Universidad Ricardo Palma.
Cancino, C. y Lardinois, Sara. (2011). Seismic Retrofitting Project: Assessment of
Prototype Buildings. Los Angeles (Estados Unidos): The Getty Conservation Institute.
Agradecimientos
El presente artículo es uno de una serie de cuatro que describe el trabajo llevado a cabo por el
SRP. El primero de ellos presenta un resumen del sismo del 2007 en Pisco, la metodología del
proyecto y el proceso de selección y estudio de los edificios prototipo a reforzar en “The seismic
retrofitting project: Methodology for the retrofitting of historic earthen sites”. El segundo trabajo
describe los resultados preliminares de la evaluación constructiva de cada uno de los edificios
seleccionados en “The seismic retrofitting project: Assessment of historic earthen building
types”. El tercer trabajo “The seismic retrofitting project: Numerical modelling and analysis of
earthen heritage buildings for seismic retrofitting”, trata sobre el desarrollo del modelo numérico
de la iglesia de Kuño Tambo y la metodología de los ensayos experimentales, y el cuarto, que
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corresponde al presente artículo, describe el trabajo experimental en curso que se lleva a cabo
en la Pontificia Universidad Católica del Perú.
Los autores agradecen el apoyo proporcionado a la Universidad Católica del Perú por The
Getty Conservation Institute y la Universidad de Bath de Inglaterra, socios en este proyecto.
También agradece el aporte de los arquitectos Lucho Villacorta Santamato, Juan Julio García,
David de Lambarri y Mirna Soto.
Curriculum
Daniel Torrealva
Profesor principal de la Pontificia Universidad Católica del Perú con experiencia en
vulnerabilidad sísmica de construcciones de bajo costo y restauración estructural de
construcciones históricas. Miembro de los comités de ISCEAH e ISCARSAH. Investigador
principal por parte de PUCP del Seismic Retrofitting Project.
Erika Vicente
Ingeniera Civil. Egresada de la Pontificia Universidad Católica el Perú. Tiene un postgrado en
Estructuras en la Universidad de Ciencias Aplicadas. Elabora proyectos de reforzamiento
estructural en Patrimonio Histórico en el Perú y Chile. Profesora investigadora por parte de la
Pontificia Universidad Católica del Perú en el Seismic Retrofitting Project.
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