Pontificia Universidad Católica del Perú CRITERIOS PARA CONSTRUCCIONES DE LADRILLO MAS SEGURAS

Pontificia Universidad Católica del Perú Ing. Daniel Quiun

CRITERIOS PARA CONSTRUCCIONES DE LADRILLO MAS SEGURAS

Por: DANIEL QUIUN W. Profesor Principal, Pontificia Universidad Católica del Perú Miembro del Comité de Albañilería SENCICO CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Breve historia de la albañilería. 1.2. Normas de Diseño y Construcción en el Perú. 1.3. Alcances y definiciones. 2. COMPONENTES DE LA ALBAÑILERÍA 2.1. Unidades de albañilería. Procesos de fabricación y ensayos de clasificación.

Unidades de arcilla, concreto y sílico-calcáreas. 2.2. El mortero. Componentes. Clasificación. Mortero industrial. 2.3. El mortero fluido y el concreto fluido (grout). Componentes. Ensayos de

compresión. 2.4. El concreto y el acero. 3. PRUEBAS DE ALBAÑILERÍA SIMPLE 3.1. Prismas y ensayos de compresión axial. Módulo de elasticidad Em y resistencia a

compresión f’m. 3.2. Muretes y ensayos de compresión diagonal. Módulo de corte Gm y resistencia a

corte v’m. 4. PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN 5. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL 5.1. Sismo moderado. 5.2. Sismo severo. 6. COMPORTAMIENTO SÍSMICO 6.1. Fallas por corte. 6.2. Fallas de tracción por flexión. 6.3. Interacción tabique-pórtico. 6.4. Otras fallas. REFERENCIAS


CAP. 1 INTRODUCCIÓN 1.1 BREVE HISTORIA DE LA ALBAÑILERÍA En los primeros años del siglo XX, muchas viviendas unifamiliares (casas de 1 a 3 pisos) y viviendas multifamiliares (edificios de 3 a 5 pisos) se levantaron usando albañilería simple de ladrillo macizo, tanto para muros portantes como no portantes. En estos edificios antiguos, los muros portantes tienen 0.25m de ancho independientemente del número de pisos. Los muros no portantes interiores usualmente tienen 0.25 o 0.15m de ancho y se denominaban muros de amarre. Muchos de estos edificios han soportado varios sismos, muy probablemente a que están sobre suelo de buena calidad y a que cuentan con una alta densidad de muros en las direcciones principales de la estructura, ver fig. 1 (San Bartolomé, 1994).

Aproximadamente desde 1940 se introdujo las columnas de concreto como elementos de confinamiento en muros portantes, los que además funcionaban como arriostres para carga perpendicular a su plano. Este tipo de refuerzo en la albañilería en el Perú aún carecía de estudios experimentales y de ingeniería. Luego, la necesidad de mayores espacios en construcciones urbanas llevaron al uso de muros más delgados, de 0.15m o menos, reduciendo la densidad de muros (área de muros respecto al área en planta). El terremoto de 1970 produjo algunos colapsos de edificios de 2 pisos en Chimbote, los que eran de albañilería simple (sin columnas). Este terremoto mostró claramente la necesidad de incorporar refuerzos a estas edificaciones. La albañilería confinada se volvió el sistema constructivo más popular para edificaciones de baja y mediana altura en las ciudades. Según el reglamento, éstas podían ser de hasta 5 pisos, para evitar la necesidad de incluir ascensores. Entre 1961 y 2005, se han desarrollado cinco censos nacionales de vivienda en el Perú, además de otros más de población. Una pregunta significativa del censo de vivienda es “¿Cuál es el material predominante en las paredes?” Al comparar los 2 últimos censos de vivienda, se observa que los muros de ladrillo y de bloques han desplazado al adobe como el material predominante (Tabla 1).

Fig. 1.- Edificios antiguos de albañilería simple en Lima


Tabla 1. Material predominante en las paredes de la vivienda, como porcentaje del total

(INEI 2005, 1993)

Material de la pared 1993 2005 Ladrillos y bloques 35.7 % 45.9 % Adobe 43.3 % 37.0 % Otros: Madera, paja, piedra, etc. 21.0 % 17.1 %

En 1982 se promulgó la primera norma moderna de diseño y construcción de albañilería (ININVI), la que tenía algo de respaldo experimental pero que adolecía aún de temas no investigados en las condiciones peruanas de materiales y mano de obra. Esta norma permitió a los ingenieros proyectar y construir edificios de hasta 5 pisos de albañilería confinada de 0.15m de ancho (fig. 2 izq.), además de edificios de albañilería armada. En los últimos 30 años, el crecimiento de construcciones populares e informales han mal interpretado la manera como debe trabajar la albañilería confinada. Se piensa equivocadamente que las columnas y vigas de concreto son más importantes que el muro de albañilería, es decir se le presta cada vez menos atención a la calidad del muro (materiales y mano de obra). Tan es así, que se usan erradamente ladrillos huecos y ladrillos tubulares para muros portantes de carga vertical y de sismo. En forma paralela, se han levantado diversas edificaciones de albañilería armada, básicamente de viviendas en Lima (fig. 2 centro). Otras edificaciones que utilizan ladrillos para muros de albañilería portantes y no portantes son oficinas, hoteles, restaurantes, hospitales y centros educativos. En común, se trata de edificaciones de pocos pisos (fig. 2 der.).

Los recientes terremotos han demostrado la importancia de: 1) tener una buena densidad de muros y 2) usar ladrillos macizos, para prevenir daños. Varias casas en Tacna (2001) y en Pisco (2007) han colapsado o tienen daños severos por estas causas. En Nasca (1996), Arequipa y Moquegua (2001), y Pisco e Ica (2007) se han observado daños importantes en edificios educativos y otros por la presencia de tabiques de albañilería que han interactuado con columnas de concreto.

Fig. 2.- Edificios de albañilería confinada (izq.), albañilería armada (centro) y edificios educativos (der.) en Lima


1.2 NORMAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN EN EL PERÚ El REGLAMENTO NACIONAL DE CONSTRUCCIONES aprobado por D.S. N° 039-70-VI de 1970 y N° 063-70-VI (10ma. Edición de Bonilla, 1980) es el primer documento que indica cómo proyectar las “Construcciones con paredes portantes de ladrillos”, sometidas a cargas gravitatorias y sísmicas. En resumen, se indicaba que los muros portantes debían ser de ladrillos macizos. Estas construcciones podían alcanzar como máximo 4 pisos, sin sobrepasar 15 m de altura. El espesor mínimo de una pared portante, libre de tarrajeo era de 25 cm. Las “columnas de amarre” de concreto armado, debían colocarse a una distancia máxima de 5 m debidamente ancladas en la cimentación y en cada techo. Sobre todas las paredes perimetrales o portantes, debían colocarse en cada nivel del techado, vigas collar de concreto armado (que amarren las columnas), las que se podían quedar dentro del espesor del techo si éste es mayor que 15 cm. Los vanos necesarios para puertas y ventanas, debían ser reforzados con dinteles, y columnas si fuera necesario, para que el muro pueda cumplir con la función estructural que le es asignada. El espesor mínimo de muros de arriostre era de 15 cm. El refuerzo mediante columnas de amarre no era requisito para los muros de arriostre. En cuanto al proceso constructivo, los ladrillos debían ser embebidos de agua antes de ser asentado. El asentado con mortero (de una resistencia mínima de 60 kg/cm2), el cual debía rellenar íntegramente los espacios vacíos que queden entre ladrillos. El diseño sísmico se basaba en la fuerza “H”:

H = U C1 P El coeficiente C1 variaba con el número de pisos. En un edificio común de oficinas, de departamentos, casas residenciales, etc., el coeficiente U era 1.0 y 1.2 para edificios públicos, todos ubicados en la zona de mayor Sismicidad, llamada Región 1 (Arequipa, Moquegua, Tacna y parte sur de Ica y Ayacucho). La tabla 2 indica los valores de la fuerza H.

Tabla 2.- Fuerza de diseño para edificios en la Región de mayor sismicidad según reglamento de 1970

Altura del edificio H edif.

comunes H edif. públicos

Hasta 2 pisos 0.16 P 0.192 P 3 pisos 0.14 P 0.168 P 4 pisos 0.12 P 0.144 P


LAS NORMAS DE DISEÑO SISMO-RESISTENTE, PARTE DEL RNC DEL MINISTERIO DE VIVIENDA Y CONSTRUCCIÓN (OIN 1977) El capítulo 3 trata sobre Construcciones de Albañilería es un documento predecesor de la Norma E.070 de 1982. Destaca que se considera el “conjunto estructural” como:

a) Cimentación b) Muros portantes c) Elementos de confinamiento d) Elementos de arriostre e) Techos.

Las unidades de ladrillos y bloques, se clasificaban de acuerdo al peso específico, la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión, y a la absorción. Aparece la forma de determinar la resistencia a la compresión de la albañilería (f’m), mediante 3 métodos: 1) prismas de prueba; 2) a partir de la resistencia de la unidad: y 3) a partir de la resistencia de unidades estandarizadas. Esto indica que se reconoce la necesidad de hacer ensayos de laboratorio para conocer bien las propiedades del material, pero no hay mayores exigencias dadas las limitaciones de la época. Para efectos de diseño se establecen valores de esfuerzos admisibles, a compresión axial, a compresión por flexión, a tracción por flexión, a corte, a compresión de apoyo. Se distingue entre albañilería convencional (simple o confinada) y albañilería armada. Los elementos de confinamiento de concreto armado, se denominan vigas collar y columnas de amarre. Las dimensiones de los confinamientos y su armadura se dan con fórmulas para diseño por corte, en función de V= fuerza cortante en el paño confinado. El diseño sísmico se basaba en la fuerza cortante basal “H”:

PRd

CSUZH =

Respecto a la expresión del reglamento anterior, se ha separado el factor de zona Z del factor de uso U, se ha introducido el factor de suelo S, y se ha aclarado que el factor C es el coeficiente de amplificación sísmica, mientras que el divisor Rd se denominó “factor de reducción por ductilidad”. En el caso de albañilería confinada o armada, se especificaba que Rd=2.5. Para un edificio común de 3 o 4 pisos, ubicado en la zona de mayor sismicidad, sobre buen suelo, los factores son; Z=1, U=1, S=1, C=0.4, con lo cual la fuerza H (común) = 0.4/2.5 P = 0.16 P. En un edificio de uso público, U=1.3, por lo que la fuerza aumentaba a H (público) = 0.208 P. Si además estaba sobre suelo malo, S=1.4, y H = 0.224P y 0.291P, respectivamente. Fig. 3.- Zonificación sísmica -1977


NORMA de ALBAÑILERIA E-070 (1982) Aprobado por R.M. del 29 de enero de 1982, reemplaza en todas sus partes al Capítulo 3 “Construcciones de Albañilería” de las Normas de Diseño Sismo-Resistente del Reglamento Nacional de Construcciones (1977). Esta norma ha tenido una larga vigencia, hasta la promulgación de la actual (2006). En cuanto al diseño estructural, se mantiene el método por esfuerzos admisibles, y se le otorgó a la presencia de cal en el mortero un “premio” consistente en un aumento de los esfuerzos admisibles respecto a morteros sin cal. Esto se refleja en el diseño por flexión de muros no portantes en un factor de 1.33, en el diseño de tracción por flexión y en el diseño por corte en muros portantes. Se establecen requisitos más precisos respecto a la unidad de albañilería, el mortero, el mortero fluido (para albañilería armada) y la mano de obra. En cuanto a la construcción de albañilería confinada hay recomendaciones sobre el espesor de las juntas (10 mm mínimo), el tratamiento de unidades previo al asentado (ladrillos de arcilla: inmersión en agua antes del asentado), que no se asiente más de 1.20m de altura en una jornada, etc. Para el diseño sísmico se mantenía la misma fuerza cortante basal “H” de la norma 1977. Con la modificación de la Norma Sísmica en 1997 y en el 2003, la fuerza cortante basal se denomina ahora V y los valores de los factores se modificaron.

PR

CSUZV =

Para un edificio común de 3 o 4 pisos, ubicado en la zona de mayor sismicidad, sobre buen suelo, los factores son; Z=0.4, U=1, S=1, C=2.5, R=6, con lo cual la fuerza V (común) = 0.4x2.5/6 P = 0.167 P. En un edificio público, U=1.3, y V (público) = 0.217 P. Si además está sobre suelo malo, S=1.4, y V = 0.233P y 0.303P, respectivamente. La Norma Sísmica del 2003 indica que en las edificaciones de albañilería se debe usar R=6 si se mantiene el diseño por esfuerzos admisibles, mientras que R=3 para diseños a la rotura. Como se puede ver, las fuerzas sísmicas de diseño han ido aumentando de valor conforme los sismos permiten conocer los defectos en construcciones que se dañan y el avance tecnológico permite realizar ensayos y conocer el comportamiento estructural.

Fig. 4.- Zonificación sísmica – 1997 y 2003 (vigente)


NORMA de ALBAÑILERIA E-070 (2006) Aprobado por D. S. N° 011-2006 - VIVIENDA del 5 de mayo del 2006, el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) reemplaza en todas sus partes al Reglamento Nacional de Construcciones RNC de 1970 y complementos. El RNE contiene 66 Normas Técnicas, entre Habilitaciones Urbanas, Arquitectura, Estructuras, Instalaciones Sanitarias, Instalaciones Eléctricas, y otras. Entre estas nuevas normas se halla la nueva E.070 Albañilería, producto de más de 5 años de reuniones del Comité especializado, formado por SENCICO con representantes de universidades, colegios profesionales, fabricantes, constructores, etc. La nueva Norma E.070 Albañilería (2006) contiene 10 capítulos. Respecto a la norma anterior de 1982 hay modificaciones en los materiales, procedimientos de construcción, estructuración, análisis y diseño estructural, e introduce el efecto de interacción tabique-pórtico. El resto de este documento se refiere básicamente a lo indicado en esta norma vigente, y en mejoras que se le pueden añadir para una futura versión. 1.3 ALCANCE Y DEFINICIONES Hasta 1977 se podría decir que la albañilería ha sido empírica y por tanto ha carecido de ingeniería. La construcción de edificaciones con muros portantes excesivamente gruesos, el uso de muros delgados para la dirección no portante, la falta de conceptos claros sobre el comportamiento estructural, la ausencia de armadura, y la utilización de configuraciones incorrectas han llevado a edificaciones inseguras que en algunos casos han producido desastres estructurales. Esto implica que las edificaciones de albañilería no reforzada, con poca densidad de muros, que han tenido un comportamiento sísmico sumamente frágil, no se contemplan en esta Norma. El sistema de construcción de edificios más popular en las zonas urbanas del Perú es la albañilería confinada. En otros se usa la albañilería armada. En estos sistemas, los muros son estructurales, es decir deben ser capaces de resistir cargas verticales de gravedad y horizontales de sismo. Para ello, los muros deben estar conformados por materiales de calidad reconocida, y deben ser levantados siguiendo un procedimiento de construcción adecuado y ser debidamente reforzados. Es por ello que la Norma hace especial énfasis en estos aspectos. Los sistemas de albañilería no convencionales (fuera de esta Norma), deberán ser aprobados por el Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento luego de ser evaluados por SENCICO. En resumen, la albañilería es muy frágil en tracción. Por tanto, para su uso en edificaciones debe ser convenientemente construida y reforzada. Albañilería o Mampostería.- Material estructural compuesto por unidades pegadas. El pegamento se llama mortero (cemento, arena, cal). En el caso del adobe el mortero suele ser de barro. Otra nueva es la “albañilería de juntas secas”. Por tanto, la albañilería:

• Es un material heterogéneo y anisotrópico. • Tiene buena resistencia a la compresión (por la unidad). • Tiene poca resistencia a la tracción (por la adhesión entre unidades).


Adobe. Bloque macizo de tierra sin cocer, puede contener paja u otro material que mejore su estabilidad frente a agentes externos (paja, guano, ichu, asfalto). Ladrillo. Unidad de albañilería que se maneja con una sola mano. Materia prima: Arcilla, Concreto de cemento Pórtland, Sílice cal. Se forma mediante moldeo compactado o por extrusión. En forma artesanal es quemado en hornos a leña o carbón. En forma industrial es quemado con temperatura controlada en hornos tipo túnel. Bloque. Unidad de albañilería que se maneja con las dos manos (al ser más grande y pesado que el ladrillo). Contiene alvéolos para asirlos; además allí se coloca la armadura y concreto líquido, llamado grout (concreto con o sin agregado grueso, de consistencia fluida). Confinamiento. Conjunto de elementos de concreto armado, horizontales y verticales, cuya función es la de proveer ductilidad a un muro portante. Mortero. Material empleado para adherir horizontal y verticalmente a las unidades de albañilería. Tabique. Muro no portante de carga vertical, utilizado para subdividir ambientes o como cierre perimetral TIPOS DE ALBAÑILERÍA REFORZADA: Alb. CONFINADA. La armadura es colocada en elementos de concreto armado, verticales y horizontales, que enmarcan el muro de albañilería. El sobrecimiento (sin armar) se acepta como confinamiento horizontal. Alb. ARMADA. La armadura es colocada difundida vertical y horizontalmente, en alvéolos o canales de las unidades o en las juntas de mortero. Los alvéolos se llenan luego con concreto líquido (grout). Cada uno de los materiales que componen la albañilería debe cumplir ciertas propiedades mínimas. La albañilería misma también debe tener unas propiedades estructurales medibles como su resistencia y su rigidez. Estas propiedades se pueden medir mediante algunos ensayos de laboratorio usando muestras representativas de los mismos. El resultado de estos procedimientos de control es un informe de la calidad de los materiales y de la albañilería. De este modo, se puede decir si la albañilería es capaz de soportar las cargas previstas.


CAP. 2 COMPONENTES DE LA ALBAÑILERÍA 2.1 UNIDADES DE ALBAÑILERÍA Para la construcción de muros portantes de albañilería confinada, los ladrillos deben ser sólidos o macizos. Se debe descartar el uso de bloques huecos y de unidades tubulares. La unidad de albañilería sólida o maciza se ha redefinido (artículo 3.26), como aquella cuya sección transversal en cualquier plano paralelo a la superficie de asiento tiene un área igual o mayor que el 70% del área bruta en el mismo plano. La norma anterior exigía que la sección transversal tenga un área igual o mayor al 75% del área bruta. Las investigaciones experimentales realizadas indican que la resistencia ante diversas solicitaciones, en especial la resistencia al corte de la albañilería (v’m), no sufre mayores alteraciones por el incremento de área de huecos que ahora se permite hasta un 30% del área bruta (San Bartolomé 1994, 2007) Sin embargo, en el mercado nacional predominan unidades de arcilla y de concreto (ladrillos y bloques) con mayores áreas de huecos (40% o más) que no califican como unidades aptas para muros portantes (fig.5 izquierda y centro). La falla por corte de muros hechos de estas unidades han sido frágiles y conducen a un deterioro de la albañilería que puede llevar a reparaciones demasiado costosas. Esto se ha dado tanto en ensayos de laboratorio (San Bartolomé 1994, 2007) como en edificios reales en el sismo del 2001, en especial en la provincia de Tacna donde se siguen usando indebidamente bloques de concreto artesanales que exhiben un 50% de huecos, para muros portantes (fig.5 derecha). La clasificación de las unidades con fines estructurales la da la Tabla 1 de la Norma. Las propiedades requeridas son la variación de dimensiones, el alabeo y la resistencia a compresión (fig. 6). La tabla 2 de la Norma 2006 da limitaciones para el uso de cada clase de unidad de albañilería para fines estructurales. En la zona sísmica 1, la de menor sismicidad, para muros portantes se permite el uso de unidades huecas, y el uso de unidades tubulares hasta dos pisos. Este último caso aún requiere de más estudios del comportamiento estructural y constituye una línea de investigación vigente.

Fig. 5. Fallas frágiles en unidades con más de 30% de huecos (izq, centro) y bloques de concreto artesanales usados en Tacna (der.)


TABLA 2 LIMITACIONES EN EL USO DE LA UNIDAD DE ALBAÑILERÍA PARA

FINES ESTRUCTURALES ZONA SÍSMICA 2 Y 3 ZONA SÍSMICA 1

TIPO Muro portante en edificios de 4 pisos a más

Muro portante en edificios de 1 a 3 pisos

Muro portante en todo edificio

Sólido Artesanal Sólido Industrial

No

Sí

Sí, hasta dos pisos

Sí

Sí

Sí

Alveolar Sí

Celdas totalmente rellenas con grout

Sí Celdas parcialmente

rellenas con grout

Sí Celdas

parcialmente rellenas con grout

Hueca No No Sí

Tubular No No Sí, hasta 2 pisos

2.2 MORTERO El uso de la cal en el mortero se ha vuelto optativo. La tabla 4 de la Norma 2006 indica dos tipos de morteros para muros portantes y otro para no portantes: • tipo P1 cemento: cal: arena 1: 0 a ¼: 3 a 3 ½; • tipo P2 cemento: cal: arena 1: 0 a 1/2: 4 a 5 • tipo NP cemento : arena 1:6 Estos morteros han dado buenos resultados en muros ensayados en laboratorio, para pegar unidades de arcilla especialmente. En el caso de nuevas unidades de concreto industriales, queda aún pendiente de estudio la mejor proporción para el mortero, y si es o no necesario el uso de la cal. Se acepta además el uso de morteros de fabricación industrial o pre-mezclados (fig. 7). Una ventaja respecto a los preparados en obra es la dosificación correcta, además de mejorar el almacenaje de materiales en la obra.

Fig. 6. Pruebas de la unidad: alabeo (izq., cent.), resistencia a compresión (der.)


2.3 MORTERO FLUIDO Y CONCRETO FLUIDO Se usan en albañilería armada para llenar los alvéolos. El concreto líquido o grout se clasifica en fino y en grueso. El grout fino (fig. 8 izq.) se usa cuando la dimensión menor de los alvéolos de la unidad de albañilería es inferior a 60 mm y el grout grueso (fig. 8 der.) se usa cuando esta dimensión menor es igual o mayor a 60 mm. 2.4 CONCRETO Y ACERO El concreto en elementos de confinamiento debe tener una resistencia mínima de f’c=175 kg/cm2. Debe prepararse según indica la Norma E.060 Concreto Armado. El acero de refuerzo en los confinamientos debe ser corrugado, con esfuerzo de fluencia fy=4200 kg/cm2. Sólo se permite el uso de barras lisas en estribos y armaduras electrosoldadas usadas como refuerzo horizontal.

Fig. 7. Mortero para asentado, preparado artesanal (izq.) y opciones industriales premezclados.

Fig. 8. Grout fino y grueso para albañilería armada


CAP. 3 PRUEBAS DE ALBAÑILERÍA SIMPLE 3.1 PRISMAS Y ENSAYOS DE COMPRESIÓN AXIAL. Módulo de

elasticidad Em y resistencia a compresión f’m. La medición de la resistencia a compresión (f´m) ha cambiado en cuanto al área a utilizar. En la Norma de 1982 se empleaba el área neta cuando se trataba de unidades huecas (más de 25% de huecos en la cara de asentado) y el área bruta en unidades sólidas o unidades huecas con alvéolos rellenos. Esta forma de medición arrojaba en muchos casos, mayores valores de f´m en unidades huecas que en unidades sólidas. En la Norma de 2006 todas las áreas a utilizar en la evaluación de la resistencia f´m son áreas brutas. Asimismo, el cálculo en sí de f´m ha variado, de la ecuación [1] a la ecuación [2]. Resist. a compresión 1982: f´m = fm (prom.) x [1-1.5(V-0.10)] [1] Resist. a compresión 2006: f´m = fm (prom.) - σ [2] Siendo V = el coeficiente de variación y σ = la desviación estándar. En cuanto a los coeficientes de corrección por esbeltez a la resistencia f´m, se ha mantenido la tabla de valores anterior. Dichos valores han sido verificados experimentalmente por San Bartolomé et. al. (2006). En el mismo ensayo de compresión axial (fig. 9 der.) se puede medir en el rango elástico el módulo de elasticidad Em, colocando medidores de desplazamientos. 3.2 MURETES Y ENSAYOS DE COMPRESIÓN DIAGONAL.

Módulo de corte Gm y resistencia a corte v’m La medición de la resistencia al corte de la albañilería (v´m), no existía en la versión de 1982, mientras que la versión del 2006 exige la realización de ensayos de compresión diagonal en muretes según Norma INDECOPI NTP 399.621 (fig. 9 der.). En el mismo ensayo de compresión diagonal (fig. 9 der.) se puede medir en el rango elástico el módulo de corte Gm, colocando medidores de desplazamientos.

Fig. 9 Ensayos de compresión axial en pilas para determinar Em y f´m (izq.) y de compresión diagonal en muretes para determinar Gm y v´m (der.)


De otro lado, una nueva exigencia de la Norma 2006 en su tabla 7 consiste en la realización obligatoria de ensayos de prismas y muretes en función del número de pisos de la edificación y de la zona sísmica. Estos ensayos permiten observar el mal comportamiento de unidades con muchos huecos (fig. 10).

TABLA 7 MÉTODOS PARA DETERMINAR ´mf y ´

mv

EDIFICIOS DE 1 A 2 PISOS

EDIFICIOS DE 3 A 5 PISOS

EDIFICIOS DE MAS DE 5 PISOS

RESISTENCIA CARACTERÍSTICA

Zona Sísmica Zona Sísmica Zona Sísmica 3 2 1 3 2 1 3 2 1

)( ´mf A A A B B A B B B

)( ´mv A A A B A A B B A

Fig. 10. Falla frágil por trituración de unidades con muchos huecos.


CAP. 4 PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN Primero se comenta el tratamiento a las unidades previamente al asentado de las mismas, en donde ha habido un cambio total en la Norma. La Norma previa indicaba que para unidades sílico calcáreas bastaba una limpieza del polvillo superficial; ninguna acción para unidades de concreto; en el caso de unidades de arcilla industrial, la inmersión en agua inmediatamente antes del asentado; y en el caso de unidades de arcilla artesanal, la inmersión en agua por lo menos una hora inmediatamente antes del asentado. Estas inmersiones conducen a ladrillos de arcilla saturados en la superficie, sin lograr una correcta adhesión con el mortero. El artículo 10.4 de la Norma 2006 especifica el nuevo tratamiento a darle a las unidades previamente al asentado (fig. 11). • Para concreto y sílico-calcáreo: pasar una brocha húmeda sobre las caras de

asentado o rociarlas. • Para arcilla: de acuerdo a las condiciones climatológicas donde se encuentra

ubicadas la obra, regarlas durante media hora, entre 10 y 15 horas antes de asentarlas.

Otros temas de construcción son: Para el asentado de la primera hilada, la superficie de concreto que servirá de asiento (losa o sobrecimiento según sea el caso), se preparará con anterioridad de forma que quede rugosa; luego se limpiará de polvo u otro material suelto y se la humedecerá, antes de asentar la primera hilada (fig. 12). Todas las juntas horizontales y verticales quedarán completamente llenas de mortero. A mayor espesor de junta, la albañilería será más débil, por lo que es importante controlar su grosor. El espesor de las juntas de mortero será como mínimo 10 mm y el espesor máximo será 15 mm (fig. 12 der). En las juntas que contengan refuerzo horizontal, el espesor mínimo de la junta será 6 mm más el diámetro de la barra. No se asentará más de 1,30 m de altura de muro en una jornada de trabajo. En el caso de emplearse unidades totalmente sólidas (sin perforaciones), la primera jornada de trabajo culminará sin llenar la junta vertical de la primera hilada, este llenado se realizará al iniciarse la segunda jornada (fig. 13).

Fig. 11. Tratamiento de unidades antes del asentado: regado de ladrillos de arcilla (izq.) y limpieza con escobilla húmeda en bloques de concreto (der.).


La conexión entre columnas de confinamiento y albañilería puede ser a ras o dentadas. El detalle y algunos problemas se observan en la fig. 14. Las columnas de confinamiento se deben vaciar después de haber levantado el muro de albañilería. Si la sección es pequeña, los estribos tradicionales de las columnas pueden interrumpir la caída de la mezcla, entonces se sugiere para estas columnas usar estribos de 1 vuelta + ¾ vuelta, dejando el núcleo libre para el paso del concreto (fig. 15).

Fig. 12. La primera hilada debe tener la superficie rugosa (izq.). Las juntas gruesas o nulas debilitan la albañilería (der.)

Fig. 13. Acciones entre la primera y la segunda jornada de trabajo.


Fig. 14. Conexión dentada y conexión a ras.

Fig. 15. Detalles de columnas de confinamiento.


CAP. 5 ANALISIS y DISEÑO ESTRUCTURAL Para la verificación ante cargas verticales de gravedad, ecuación 19.1b, se mantiene la expresión de compresión axial de la Norma previa (esfuerzo admisible), donde se ha aclarado la forma de obtener el esfuerzo actuante, usando el 100% de carga muerta y viva; además, el área a usar es rectangular Lxt. Se ha añadido además un límite máximo para el esfuerzo de compresión axial, que es 0.15 f´m, ya que con esfuerzos mayores, los muros pierden mucha ductilidad. El cambio más significativo es el diseño de muros con cargas coplanares de sismo, que ha pasado de un diseño elástico por esfuerzos admisibles, a un diseño por desempeño que requiere verificar dos condiciones de fuerzas sísmicas: un estado de sismo “moderado” y un estado de sismo “severo”. El sismo severo (artículo 22) corresponde a aquel definido en la Norma E.030 Diseño Sismorresistente (SENCICO 2003) en condiciones últimas, donde una edificación de albañilería tiene un coeficiente de reducción R=3. El sismo moderado ha sido definido como aquel que proporciona fuerzas de inercia que son la mitad de las producidas en el sismo severo. 5.1 SISMO MODERADO Ante el sismo moderado, los muros de albañilería no deben presentar fisuras de corte. Un muro se fisura cuando alcanza una fuerza cortante denominada Vm (ecuaciones 4 a y 4b). Para efectos prácticos, el análisis estructural para cargas de sismo puede hacerse entonces con R=6, y obtener un juego de fuerzas internas en los muros en condiciones elásticas. En particular, la fuerza cortante en estas condiciones, Ve, debe cumplir las ecuaciones [3] [4] y [5].

Ve ≤ 0.55 Vm [3] Unid. Arcilla y concreto: Vm = 0.5 v´m α L t + 0.23 Pg [4a] Unid. Sílico calcáreas: Vm = 0.35 v´m α L t + 0.23 Pg [4b]

Siendo 131

≤=≤e

e

MLV

α [5]

El parámetro α toma en cuenta la esbeltez coplanar del muro. Investigaciones experimentales en muros a escala natural y reducida indicaron que en muros cuadrados o bajos la resistencia al corte Vm es aproximadamente la misma, mientras que en muros altos o esbeltos, la resistencia Vm se reduce. Si el edificio cuenta con pórticos, vigas, o placas de concreto armado, éstos elementos se deben diseñar a la rotura (amplificando sus fuerzas de esta etapa por 1.25). Además, en la cimentación se debe diseñar las dimensiones de zapatas y cimientos con los resultados del sismo moderado, y la armadura amplificando los esfuerzos por 1.25.


5.2 SISMO SEVERO Verificación de la resistencia al corte del edificio Para el sismo severo, lo primero que debe verificarse es que la capacidad de los muros del edificio sea mayor que la fuerza sísmica. Esto se hace a través de la suma de fuerzas Vm en cada dirección, la cual debe ser mayor a la fuerza V (norma sísmica, con R=3). Esta verificación debe hacerse para cada dirección y para cada nivel del edificio. En caso no se logre esto, algunos muros deberán aumentar su espesor o ser reemplazados por muros de concreto armado. Amplificación de las fuerzas elásticas a la condición de rotura Para el diseño por sismo severo en cada muro, la idea es que las columnas y vigas de confinamiento sean capaces de tomar la fuerza Vm que es la máxima capacidad del muro. La fuerza cortante de diseño Vu y el momento flector Mu se hallan amplificando los valores del análisis elástico, Ve y Me, por la relación entre las fuerzas Ec. [6]:

1

1

e

meiui V

VVV =

1

1

e

meiui V

VMM = [6]

Verificación de la necesidad de colocar refuerzo horizontal en los muros Todo muro confinado cuyo cortante bajo sismo severo sea mayor o igual a su resistencia al corte ( mu VV ≥ ), o que tenga un esfuerzo a compresión axial producido por la carga gravitacional considerando toda la sobrecarga, ( )tLPmm ./=σ , mayor o igual

que ´05,0 mf , deberá llevar refuerzo horizontal continuo anclado a las columnas de confinamiento (fig. 16). En los edificios de más de tres pisos, todos los muros portantes del primer nivel serán reforzados horizontalmente. La cuantía del acero de refuerzo horizontal será:

001,0)./( ≥= tsAsρ . Las varillas de refuerzo penetrarán en las columnas de confinamiento por lo menos 12,5 cm y terminarán con gancho a 90o vertical de 10 cm de longitud.

Fig. 16. Refuerzo horizontal contínuo en la hilada


CAP. 6 COMPORTAMIENTO SÍSMICO La albañilería no confinada ni reforzada, en sismos reales y en ensayos de laboratorio, muestra: a) fallas por corte debido a fuerzas de sismo en el mismo plano del muro, y b) fallas de tracción por flexión debido a fuerzas de sismo ortogonales al plano del muro. De otro lado, la interacción entre tabique y pórtico ha ocasionado numerosas fallas por columna corta. 6.1 FALLAS POR CORTE En edificios bajos, de 1 a 3 pisos, la deformación por corte es predominante y se manifiesta por grietas diagonales en el paño del muro (fig. 17). Si las grietas atraviesan unidades y juntas de mortero en forma pareja, esto indica que la adherencia es adecuada entre las unidades, lo cual es ideal puesto que así se logra una mayor capacidad resistente del muro. Si en cambio las grietas son escalonadas, pasando básicamente por las juntas dejando las unidades enteras, la adherencia es baja, y la resistencia del muro es baja (fig. 18). Los ensayos en muretes pequeños ayudan a observar esta propiedad.

Fig. 17. Muros con grietas diagonales: sismo real (izq.) y ensayo de laboratorio (der.).

Fig. 18. Grietas escalonadas en muretes y muro a escala real indican poca adherencia y resistencia baja.


6.2 FALLAS DE TRACCIÓN POR FLEXIÓN Se dan mayoritariamente en muros no portantes, tales como cercos, tabiques y parapetos (fig. 19). Se debe mejorar el diseño con la inclusión de arriostres más cercanos.

Fig. 19. Fallas de cercos y tabiques por carga ortogonal al plano del muro en Pisco e Ica, 2007


6.3 INTERACCIÓN TABIQUE –PÓRTICO La falla por la interacción tabique-pórtico se manifiesta con el problema de columnas cortas en edificios flexibles. Estas columnas cortas se generan al tenerse una ventana alta, con muros de albañilería que no llegan al techo. Entre las columnas y el muro de albañilería no hay junta o ésta es insuficiente. En un sismo moderado o severo, las columnas se deben desplazar lateralmente, pero los muros lo impiden a lo largo de su altura, y la columna sólo se deforma en la parte de la ventana. Esto ocasiona grandes fuerzas y deformaciones por corte que las columnas no tienen capacidad de soportar, produciendo grietas que pueden romper el núcleo y pandear el refuerzo vertical. Este fenómeno de columnas cortas es típico verlo en colegios antiguos (anteriores a 1997) y en algunos otros como hospitales. Se puede obviar aumentando la rigidez de la edificación o protegiendo las columnas con una ampliación del muro.

Fig. 20. Columnas cortas, colegio en Chimbote, 1970 (izq). Colegio en Palpa sin daños, 1996 y colegio en Nazca, 1996.


Pórticos flexibles

Fig. 21. Columnas cortas en colegio de Arequipa, 2001

Fig. 22. Columnas cortas en colegio de Pisco y en hospital de Ica, 2007


6.4 OTRAS FALLAS La falla por piso blando se ha visto en edificaciones en los sismos del 2001 y 2007. Se debe fundamentalmente a falta de rigidez en una dirección principal, usualmente en el primer piso.

Otro problema que se puede identificar fue de la escasa “densidad de muros” que es la relación entre el área de muros reforzados en una dirección entre el área en planta. La norma E.070 establece una densidad mínima:

56....

TípicaPlantaladeAreaReforzadosMuroslosdeCortedeArea NSUZ

Ap

tL≥=∑

Donde:“Z”, “U” y “S” corresponden a los factores de zona sísmica, importancia y de suelo, respectivamente, especificados en la NTE E.030 Diseño Sismorresistente.

“N” es el número de pisos del edificio; “L” es la longitud total del muro (incluyendo columnas, sí existiesen); y, “t” es el espesor efectivo del muro

Si la cantidad de muros no alcanza, se puede aumentar su espesor o cambiarlos por muros de concreto armado, hasta lograr una densidad superior a la mínima.

Fig. 23. Fallas de piso blando, Pisco 2007 (A. San Bartolomé)

Fig. 24. Fallas por escasa densidad de muros: Tacna 2001 y Pisco 2007 (A. San Bartolomé)


REFERENCIAS Bonilla, “Nuevo Reglamento Nacional de Construcciones” Ed. Mercurio, 10ma. Edición, 1980. INDECOPI Norma NTP 399.621, 2004. INEI Censos Nacionales de Población y Vivienda, Lima, 1993. INEI Censos Nacionales de Población y Vivienda, Lima, 2005 ININVI “Norma Técnica de Edificación E.070 Albañilería” Ministerio de Vivienda, Lima, 1982. Ministerio de Vivienda y Construcción, RNC Normas de Diseño Sismo-resistente, Lima, 1977. Quiun y San Bartolomé “Nuevas metas para mejorar la Norma de Albañilería E.070 2006” Ponencias, XVI Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Colegio de Ingenieros del Perú, Arequipa, 2007. San Bartolomé “Construcciones de Albañilería – Comportamiento Sísmico y Diseño Estructural”, Pontificia Universidad Católica del Perú, Fondo Editorial 1994. San Bartolomé “Comentarios a la Norma E.070 Albañilería”, SENCICO, 2006. San Bartolomé http://blog.pucp.edu.pe/albanileria, 2007. SENCICO MVC “Reglamento Nacional de Edificaciones” Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento, Lima, 2006.

Pontificia Universidad Católica del Perú CRITERIOS PARA CONSTRUCCIONES DE LADRILLO MAS SEGURAS

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