Est.teoricoexperimental Muro de a.a. Con Abertura

Paper N° 75

ESTUDIO TEÓRICO – EXPERIMENTAL DE UN MURO DE ALBAÑILERÍA ARMADA CON ABERTURA SOLICITADO A CARGA CÍCLICA HORIZONTAL, REPARACIÓN Y REFUERZO

J. Cortés (1), J. Esquivel (1), L. Díaz (2)

(1) Ingenieros Civiles. Universidad de La Serena. (2) Dr. Ingeniero. Profesor Departamento Ingeniería en Obras Civiles. Universidad de La Serena. Benavente 980, La Serena, Chile

[email protected]

Resumen

El presente trabajo analiza el comportamiento estructural de un muro de albañilería armada, con abertura en su eje de simetría bajo la viga-cadena, que se solicita a carga cíclica horizontal hasta la falla, haciendo uso de un marco de reacción con actuador dinámico. Se generan modelos teóricos de diseño, cuyos resultados se contrastan con los datos experimentales del ensayo para conocer su precisión. Se plantea una solución teórica de reparación y refuerzo en la abertura, que consiste en un marco de estructura metálica. Finalmente, se comparan los datos de los resultados teóricos de esta reparación y refuerzo, con los valores obtenidos de un nuevo ensayo experimental bajo la acción de carga cíclica horizontal.

Palabra Clave: muro, albañilería, abertura, ensayo, cíclico, reparación.

Abstract

This work analyzes the structural behavior of reinforced masonry wall with opening in its axis of symmetry under the bond beam, which is tested under horizontal cyclic load until failure, by making use of framework of dynamic reaction with actuator. Models are generated for theoretical design, whose results are contrasted with the experimental data from the test to know its accuracy. There is a theoretical solution of repair and reinforcement in the opening, which consists of a framework of metal structure. Finally, the theoretical results of this repair and reinforcement data are compared with the values of a new testing under the action of horizontal cyclic load.

Keyword: wall, masonry, opening, test, reparation.

XI Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Sísmica ACHISINA 2015 Santiago de Chile, 18-20 de Marzo, 2015

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1 Introducción

Tanto en Chile como en el resto de Latinoamérica se utilizan diversos tipos de albañilería en la construcción de viviendas y estructuras en general. La albañilería se clasifica en dos categorías de acuerdo a la presencia o existencia de pilares y cadenas que la enmarquen, de este modo encontramos el uso de albañilería armada y confinada, ésta última se encuentra reforzada con pilares y cadenas de hormigón armado, los cuales enmarcan el paño de albañilería, mientras que la albañilería armada, tema central de este estudio, incorpora barras de acero en los huecos verticales de las unidades de albañilería y escalerillas en las juntas horizontales. Debido a los refuerzos que presentan ambos tipos de albañilería, estos conforman una estructura resistente frente a distintos tipos de solicitaciones a los que se puedan ver sometidos.

La albañilería tiene un uso tradicional en nuestro país, a pesar de esto, se puede observar en terreno una serie de malas prácticas en el manejo ésta, manifestándose en escasa o nula disposición de armadura horizontal, relleno deficiente e incorrecto de juntas, disposiciones poco adecuadas al momento de disponer la armadura vertical, entre otros factores, los cuales, junto con un mal diseño generan respuestas deficientes ante eventos sísmicos de magnitud importante.

Los métodos de diseño y cálculo vigentes en nuestro país para la construcción de estructuras de albañilería armada y confinada [1], [2], se basan en un comportamiento lineal-elástico de los materiales, hecho que no permite conocer el comportamiento más allá del rango elástico. Es por esto que se plantea en este trabajo estudiar el desempeño la albañilería armada bajo solicitaciones cíclicas horizontales para así determinar deformaciones y esfuerzos dentro y fuera del rango lineal. A pesar que la mayoría de la normativa actual especifica diseño en rotura, la falta de suficiente trabajo experimental en la fecha de elaboración de [1], determinó el diseño en el método elástico.

No obstante lo anterior, en la cita de referencias de [1], existe información de gran interés con respecto al comportamiento en rotura de la albañilería armada en relación a su resistencia prismática y la resistencia al esfuerzo de corte [3]; disminución de esta última resistencia bajo cargas cíclicas [4]. Además de las anteriores, existen otras contribuciones que permiten estimar la fuerza de corte última, [5], [6], [7], [8], [9], [10], todas las que por razones de espacio no se exponen. (Ver [11]).

El presente trabajo corresponde al estudio de un muro de albañilería armada con abertura en su parte superior, el cual posee armaduras de refuerzo a las solicitaciones de corte y flexión. Este muro, denominado “M1” es sometido a solicitación cíclica horizontal y carga axial de su propio peso hasta la falla. Posteriormente es reforzado en su abertura mediante la instalación de un marco metálico con diagonales, el muro con esta nueva configuración es denominado “M1 Reforzado”. Los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Estructuras y Resistencia de Materiales del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles de la Universidad de La Serena.

Las armaduras de refuerzo, tanto vertical como horizontal del muro “M1”, se diseñaron mediante el uso de expresiones de rotura a solicitaciones de flexión y corte. Éste muro es empleado como patrón de comparación al momento de estudiar la efectividad del marco metálico con diagonales dispuesto en el muro “M1 Reforzado”.

Los objetivos específicos de este estudio son los siguientes:

i. Comparación del desempeño de los muros “M1” y “M1 Reforzado” utilizando el primero como patrón.

ii. Comparación de las capacidades máximas de los muros con respecto al diseño.


3

iii. Obtención de diagramas de histéresis de los muros “M1” y “M1 Reforzado”, señalando sus deformaciones, ductilidad, etc.

2 Diseño de los muros

A continuación se detalla la geometría del muro en estudio y los métodos empleados para el diseño de este.

2.1 Características geométricas del muro en estudio

Las dimensiones del muro “M1”, se muestran en la Fig. 1.

Fig. 1- Dimensiones del muro en estudio (cm)

2.2 Diseño del muro en estudio

Diseño al corte y flexión

De un registro de ensayos de muretes [11], solicitados al ensayo de compresión diagonal al mismo lote y calidad de las unidades de albañilería utilizadas en la construcción del muro “M1”, realizados con anterioridad a este estudio en nuestro Laboratorio, se puede considerar una tensión básica de corte promedio aproximada de, Ec. (1):

m 5,7

2

.

cm

fkg (1)

Por otro lado, para determinar la resistencia aproximada nominal de rotura por corte de la albañilería armada, de las contribuciones anteriormente mencionadas, se utiliza la expresión dada en [9], [10], Ec. (2), (ver Tabla 2.10 en [11]):


4

LtV mm 5.0 (2)

Siendo:

:t Espesor del muro

:L Longitud del muro

Considerando la contribución dada por el refuerzo horizontal, y según la Norma MSJC [6], se tiene que la resistencia nominal de rotura por corte es, Ec. (3):

yvmn fAnVV (3)

Donde:

:n Número de capas de armadura horizontal (escalerillas).

Utilizando un factor de eficiencia (α) aplicado al refuerzo de corte, la ecuación queda, Ec. (4):

yvmn fAnVV (4)

α representa el porcentaje de armaduras horizontales que fluyen en la falla del muro. Se supuso que el 50% de las escalerillas alcanzan la fluencia (α = 0.5).

La Tabla 1, muestra los valores de resistencia nominal al corte de acuerdo a las expresiones señaladas anteriormente, para las zonas de interés (machones (1) y (2) y machón (3)) (ver Fig. 1). Además, la Tabla 2, indica los valores de momento nominal para una carga de 10,72 [ton] aplicada en el centro de la cadena. Machones (1) y (2) con 2 escalerillas cada uno y Machón (3) con 4 escalerillas de acero AT560-500H de 4,2 mm de diámetro.

Tabla 1- Valores de resistencia nominal al corte de la albañilería

Designación Vm [ton] Vs [ton] Vn [ton]

Machón (1) y (2) 3,96 1,40 5,36

Machón (3) 11,28 2,80 14,08

Tabla 2- Valores de momento nominal de la albañilería

Designación Carga [ton]

Altura de la carga

[m]

Mn [ton - m]

Mn [ton - m] amplificado

(30%)

Machón (1) y (2) 5,36 0,66 3,54 4,60

Machón (3) 10,72 2,10 22,51 29,26


5

1Ø

12

1Ø

12

1Ø

12

1Ø

12

1Ø

12

1Ø

12

Para el diseño a flexión, se propone una disposición de armadura vertical de calidad A630-420H y diámetro 12 [mm] de acuerdo a la Fig. 2, disposición que es verificada mediante el uso de diagramas de interacción en el plano del muro con el propósito de resistir los valores de momentos nominales amplificados de la Tabla 2.

Fig. 2 - Disposición de armadura vertical planteada

A continuación se presentan los diagramas de interacción para los machones (1), (2), y machón (3), a modo de verificar la resistencia a flexión del muro en estudio con la disposición de armadura vertical propuesta anteriormente. (Se utilizó un factor ).


6

Fig. 3 - Diagrama de interacción machones (1) y (2)

Fig. 4 - Diagrama de interacción machón (3)

Verificación de corte por fricción en la junta zapata – muro

De acuerdo al Código ACI 318S– 08 [12], el área requerida de armadura para transferencia del cortante es:

y

u

vff

VA (5)

Avf : Área total transversal de acero requerida para absorber el corte por fricción. Vu : Resistencia última total al corte por fricción. : Factor de reducción al corte.

µ : Factor de fricción por hormigón sobre hormigón sin superficie rugosa, µ = 0.6

yf : Tensión de fluencia del acero.

Considerando 6 Φ 12 en el paño de albañilería del muro en estudio, la resistencia nominal total al corte por fricción es:

25,149,249.144

2,1642005,0

2

vfyn AfV Tonf

Valor superior al cortante nominal indicado en Tabla 1. La Fig. 5, muestra las especificaciones finales del muro en estudio.


7

Fig. 5 - Disposición final de armadura vertical y horizontal

Unidad de Albañilería: MqH 7/14/29 Hormigón: H25 Acero: Refuerzo Vertical A630-420H; Cadena y Estribos A630-420H; Escalerillas AT560-500H.

3 Ensayos del muro de albañilería armada con abertura

Se detalla a continuación los resultados de los ensayos de los muros de albañilería armada “M1” y “M1 Reforzado” sometidos a carga lateral cíclica, analizando sus respuestas, tales como peak de fuerza y capacidad de deformación (ductilidad).

Los resultados de las deformaciones y desplazamientos registrados por los transductores dependen del ciclo de carga dado por el actuador. Se define como ciclo de carga positivo cuando el actuador empuja al muro (desplazamientos positivos) y como ciclo de carga negativo cuando el actuador lo solicita en sentido contrario (desplazamientos negativos).


8

3.1 Ensayo del muro “M1” y “M1 Reforzado”

Las Figs. 6, 7 y 8, muestran el estado de los muros “M1” antes y después del agrietamiento diagonal y “M1 Reforzado” el cual conserva principalmente el mismo patrón de agrietamiento del muro “M1” ensayado.

Figs. 6, 7 - Muro “M1” y Fig. 8 - Muro “M1 Reforzado” (en ese orden)

3.2 Gráficos ciclos de histéresis y fuerza-desplazamiento del muro “M1” y “M1 Reforzado”

El comportamiento del conjunto estructural, albañilería más elementos de reforzamiento puede representarse a través de los ciclos histeréticos. Las Fig. 9 y 10, muestran los ciclos de histéresis de los muros en estudio (“M1” y “M1 Reforzado”).

Fig. 9 - Ciclos de histéresis Muro “M1”


9

Fig. 10 - Ciclos de histéresis muro “M1 Reforzado”

En la Fig. 11, se muestra una superposición de los desempeños de cada muro, para la comparación visual de su capacidad resistente y de deformación.

Fig. 11 - Superposición de las curvas de histéresis. Carga v/s desplazamiento de los muros “M1” y “M1 Reforzado”


10

Tabla 3 - Peaks de carga y ductilidad de los muros “M1” y “M1 Reforzado”

Muro "M1"

Muro "M1 Reforzado"

Peak de Carga [ton.f]

9,63 (8,83 ) 9,09 (9,16 )

Desplazamiento asociado [mm]

7,20 (-7,26) 9,46 (-7,83)

Ductilidad 3,47 -

Actuador empujando el muro, desplazamientos positivos. Valores entre paréntesis para

desplazamientos negativos En la Tabla 3, se observa que si bien las capacidades resistentes de los muros son similares, el muro “M1” posee desplazamientos menores en relación al muro “M1 Reforzado”. Esto se debe a que el muro “M1” posee ductilidad, la cual alcanza un valor de 3,47, pero el muro “M1 Reforzado” debido a que ya se encuentra incursionando en el rango inelástico, es que este posee una escasa o nula ductilidad.

La expresión de ductilidad puede representarse con la siguiente relación de desplazamientos laterales entre el último desplazamiento registrado en el ensayo (generalmente entre un 25% a un 30% de pérdida de fuerza respecto al peak), y el desplazamiento correspondiente al fin del rango elástico.

(6)

µ : Ductilidad. Δmáx : Desplazamiento máximo obtenido en el ensayo. Δy1 : Desplazamiento correspondiente al fin del rango elástico.

4 Conclusiones

4.1 Diseño a corte de los muros Según la expresión de diseño empleada [1], [2] y considerando que la tensión de rotura corresponde al 50% de la tensión básica de corte de la albañilería obtenido de los antecedentes de ensayos de muretes realizados con anterioridad en el Laboratorio de Estructuras y Resistencia de Materiales de la

Universidad de La Serena ( m = 7.50 [kg.f/cm2] y 75,35,75,05,0 mRotura [kgf/cm2]), se

obtiene el valor de corte de rotura teórico que se muestran junto con el experimental en la Tabla 4.

Tabla 4 - Comparación de cargas de rotura experimental y teórica (actuador empujando el muro)

Muro Fuerza de corte [ton.f]

VTeórico(*) VExperimental VExp./VTeór.

M1 10,72 9,63 0,89

(*): Considera el valor experimental de la tensión básica de corte m


11

Si bien el muro “M1” presenta una carga teórica de rotura de 10,72 [ton], en comparación al valor de 9,63 [ton] obtenido de manera experimental, las expresiones utilizadas para el diseño del muro en estudio presentan una aproximación satisfactoria al momento de estimar la carga de rotura del muro de albañilería.

4.2 Reforzamiento mediante un marco metálico con diagonales

Si bien con el reforzamiento planteado en el muro “M1 Reforzado” se alcanzan niveles de carga importantes y muy cercanos al peak de carga obtenido con el muro “M1”, estos se producen con desplazamientos mayores. Este comportamiento se atribuye en parte a la presencia y aporte en términos de capacidad de carga del marco metálico con diagonales instalado, ya que este cumple una función de transmisión de carga importante desde la cadena hacia el machón (3), permitiendo a los machones (1) y (2) trabajar con niveles de carga menores.

5 Referencias

[1] INN, (1993): Instituto Nacional de Normalización (1997). NCh1928.Of93, mod 2003, Albañilería armada – Requisitos de

diseño y cálculo. Chile.

[2] INN, (1997): Instituto nacional de normalización (1997). NCh2123.Of97, mod2003, Albañilería confinada – Requisitos de

diseño y cálculo. Chile.

[3] Hidalgo P., Lüders C. (1982): La Resistencia Prismática y la Resistencia al Esfuerzo de Corte de Muros de Albañilería. Primeras Jornadas Chilenas del Hormigón Estructural, Santiago, Chile. [4] Hidalgo P., Jordán R. y Lüders C. (1985): Comportamiento Sísmico de Edificios de Albañilería Armada Diseñados con las Normas Chilenas. Departamento de Ingeniería Estructural DIE Nº 85-1, Escuela de Ingeniería, P. Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile. [5] ICG, 2006: Instituto de la Construcción y Gerencia (2006). Norma Técnica de Edificación E.070 Albañilería. Perú.

[6] Klingner R (2003), Norma y Especificación MSJC: Antecedentes y Resumen, Simposio sobre Diseño en Mampostería. ICH, Santiago, Chile.

[7] Norma técnica mexicana (2004): Normas técnicas complementarias para diseño y construcción de estructuras de mampostería, México. [8] AIS, (1998): Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (1998). NRS – 98 Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente. Ley 400 1997 Decreto 33 de 1998, Tomo 2. Colombia. [9] Diez J (1987): Estudio experimental de muros de albañilería sometidos a carga lateral alternada. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil, Universidad de Chile, Chile. [10] Herrera E (1992): Efecto de la carga vertical en el comportamiento de muros de albañilería reforzada sometidos a carga lateral alternada. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil, Universidad de Chile, Chile. [11] Galleguillos M, Valenzuela C (2009): Estudio Experimental de Muros de Albañilería Confinada a escala Natural Sometidos a Carga Cíclica. Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil. Departamento de Ingeniería en Obras Civiles. Universidad de La Serena, Chile. [12] ACI 318S (2008): Requisitos de reglamento para concreto estructural (ACI 318S-08) y Comentario. U.S.A.

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