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COMPORTAMIENTO ANTE CARGAS LATERALES DE MUROS DE MAMPOSTERiACONFINADA REFORZADOS CON MALLA ELECTROSOLDADA

J.A. Zepeda Ramos, J.A. Pineda Cruz y S. M. Alcocer Martinez de CastroCentro Nacional de Preveneion de DesastresDelfm Madrigal 665, Pedregal de Sto. Domingo

Coyoacan, 04630 Mexico D.F.,

RESUMENSe evaluo experimentalmente la factibilidad del encamisado (recubrimiento de mortero reforzado con malla dealambre electrosoldada) como opcion para incrementar la resistencia a cortante y/o capacidad de deformaci6n demuros de mamposteria confmada. Se ensayaron cuatro muros cuadrados a escala natural bajo cargas laterales ciclicasalternadas. Las variables fueron el diametro de los alambres de la malla y el tipo de anclaje. EI comportamiento secompar6 con el de un muro sin refuerzo (especimen de control). En los especimenes encamisados se observ6 unpatr6n de agrietamiento inclinado mas uniforme y una resistencia notablemente mayor comparada con el especimende control.

SUMMARYThe technical feasibility of jacketing (concrete mortar cover reinforced with steel welded wire meshes) as an optionfor increasing the shear strength and/or deformation capacity of confmed masonry walls, was assessedexperimentally. Four isolated full-scale square walls were tested under alternated cyclic lateral loads. Variables werethe wire diameter of the mesh and the type of anchorage. Behaviors were compared to that observed in a wall withno reinforcement (control specimen). A more uniform inclined crack pattern and remarkably higher strength wereobserved in all specimens jacketed as compared to the control masonry specimen.

INTRODUCCIONComo parte del extenso proyecto que se lleva a cabo en el Centro Nacional de Prevenci6n de Desastres, encaminadoa mejorar el diseflo y construccion de la vivienda de bajo costo, se construyeron tres muros de mamposterfaconfmada reforzados con malla electrosoldada y recubrimiento de mortero. Se utiliz6 un modelo de control sinrefuerzo con fmes comparativos para estudiar el efecto de la malla y el mortero en la resistencia, y en lascapacidades de disipaci6n de energfa y deformaci6n de los muros. En este trabajo se presentan, los resultadosgenerales obtenidos de especimenes reforzados con un encamisado de mortero colocado en la superficie del muro yreforzado con mallas de alambre electrosoldado. Las estructuras se ensayaron aplicando carga vertical constante yciclos de carga lateral alternados que simularon fuerzas sismicas inducidas (Pineda, 1996).EI objetivo de este proyecto fue investigar si el encamisado de muros podria ser una opci6n factible para incrementarla resistencia a cortante y/o la capacidad de deformaci6n de muros de mamposteria confmada. Ademas, si se lograun buen comportamiento sismico con este esquema de refuerzo, los muros de mamposteria confmada encamisadospueden sustituir a los muros de concreto reforzado usados en la actualidad en los primeros niveles de edificios dedepartamentos de cuatro a cinco niveles. Se han evaluado diferentes opciones de refuerzo para mejorar elcomportamiento de muros de mamposteria confmada; una de las mas prometedoras es la colocaci6n de alambreshorizontales en las juntas de mortero (Aguilar et al., 1996). Sin embargo, el empleo de mallas de alambreelectrosoldadas tiene la ventaja que la supervision durante la construccion es mas facil, y asi, el eomportamiento delsistema resulta mas confiable. Se estan lIevando acabo analisis dinamicos no-lineales de edificios para vivienda demamposteria eonfmada tipicos para estudiar el efecto de las opciones de refuerzo en la respuesta sismica (Flores yAlcocer, 1996)

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DESCRIPCION DE LOS MODELOS Y DETALLES DE REFUERZOLa geometria de los especimenes se muestra en la figura I. Los modelos fueron muros aislados de .mamposteriaconfmada construidos con tabique rojo recocido de arcilla y reforzados con mallas de alambre electrosoldadas yrecubrimiento de mortero. Las dimensiones promedio del tabique fueron 24 x 12.5 x 6 em. EI mortero empleado enlas juntas tuvo una relaci6n cemento:arena de 1:4 (en volumen); la resistencia promedio en cubos de mortero fueigual a 100 kg/em", Las resistencias promedio de la mamposteria fueron 53 kg/em? en compresi6n axial y 7 kg/em"en compresi6n diagonal. Diez estribos fueron espaciados a cada 7 cm en los extremos de los castillos paraincrementar la resistencia a corte, para reducir el dafio debido a la penetraci6n de agrietamiento inc1inado en elcastillo, y para conseguir un comportamiento mas estable del muro. Las variables experimentales fueron la cuantfade acero de refuerzo proporcionada por la malla, y el tipo y espaciamiento de los anclajes. El especimen MI sereforz6 con la minima euantia de acero horizontal especificada en las Normas Tecnicas Complementarias paraDisefio y Construcci6n de Estructuras de Mamposteria (NTCM). M-147 y M-211 tuvieron aproximadamente dos ytres veees la cuantia minima, respectivamente (ver figura I). El esfuerzo de fluencia nominal de las mallas dealambre electrosoldadas fue de 5000 kg/ern". Las mallas de alambre fueron fijadas directamente sobre ambas carasdel muro y no se dejaron separadores entre el muro y la malla.

C a s t i l l o s( 2Ox12 .5 )M{)72CM-1474 -#6M -2 1 1 6 -# 6

estr i bos#2~EE~Dr;:aj:: laEEEe

( 1 2 . 5 x25 )4-#4esb i bos #2 @ 2 0

1 0@7estribos #2

~fi~Da~Ia:EEEfi( 12 .5x25 )4-#4

estr i bos#2@2OC a s t i U o s( 12 .5x15 )4-#3

7@2O

I

6@ 7

4@2O

1 0@7 6@ 7M ' {) 7 2, M - 14 7 , M - 21 1 I M O lr~

25 0J#2 -Iy = 2200 kg/em'

#3 }: - f y = 42 00 kg/ em '

AnclajeEsp{lclmen Refuerzo en el muro Ph= Pv (%] P h' Y [kglcm'] Tipo Es p ac iam i en t o [ em ]N o rt e S u rM O n lnguno 0 0 a lamb r es e a fi br e 1 0M072 MALLA: 150 x 150 13.43-3.43 0.072 d 3.80 c la vo d e 84 mm 30 -45 b a lamb r es c a li br e 6M-147 MALLA: 150 x 150/4.88-4.88 b 0.147d 7.35 c la vo d e 84 mm 30 -45 c a lamb r es c aMb r eY. ( ~ =0 . 2 5 p u lg )M-147R MALLA: 150 x 150 14.88-4.88 b 0.147d 7.35 c lavo de 5 4 m m 30-45 d c a lc u la d a u t if iz a n do u n e s p e so r d e 17.5emM-211 MALLA: 150 x 150 16.35-6.35 c 0.211 d 10.55 f li ad o r H ll ti 51 mm 45 -45 c o n a r a nd e la s de 3.5 em de dlimelro

Figura 1. Caracteristieas de los Especimenes

Las mallas en M-072 y M-147 se fijaron con clavos de 64 mm para madera; el espaciamiento entre clavos fue de30 em en una cara y de 45 cm en la otra. Los clavos se introdujeron en el muro 40 mm cerca de la intersecei6n de losalambres y la cabeza del clavo se dobl6 para fijar la malla. En M-211, se usaron fijadores Hilti de 51-mm conarandela, colocados con pistola neumatica, y espaciados cada 45 em en ambas caras del muro. Las mallas derefuerzo en los tableros del muro no rodearon los castillos. Para mejorar el confmamiento en estos elementos, untramo de una malIa 6x6-101l0 (150 x 150 mm - 3.43/3 .43 mm) fue colocado alrededor de un castillo en M-072 yM-211, Y alrededor de ambos castillos en M147. La malla de confmamiento se traslap6 50 cm sobre la mallaprincipal del muro y se ancl6 unicamente a la mamposter la, En todos los especimenes, el espesor del recubrimientode mortero fue de 2.5 cm. Antes de colocar el mortero las superficies del muro se saturaron. La resistencia promedioen cubos de mortero fue 124, 79, 144 y 250 kg/em", para M-072, M-147, M-211 Y M-147R, respectivamente. La

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resistencia del mortero mas baja en M-147 se debi6 a la diferente calidad de la arena utilizada en la construcci6n. Laresistencia baja del mortero tuvo un gran impacto en el comportamiento del muro, como se discutira en la secci6nsiguiente. EI especimen M-147 fue reparado, y re-ensayado (especimen M-147R). La reparaci6n consisti6 en retirarel mortero de baja calidad y sustituirlo por un mortero de 250 kg/ern", Los anclajes sueltos fueron sustituidos.Todos los especimenes fueron disefiados para fallar por corte (tensi6n diagonal) para reproducir el modo de fallaobservado en estructuras de mamposteria; el refuerzo longitudinal de los castillos se calcul6 para lograr un cocientede resistencia a flexi6n-cortante de 1.5. En todos los especimenes las losas fueron 250 x 80 x 10 em. Los resultadosde otro muro con la misma geometria fueron utilizados para comparar (estructura MO) . EI especimen MO fue unmuro de mamposteria confmada sin refuerzo en el tablero (Aguilar et al., 1996).Los especimenes fueron ensayados en el marco mostrado en la figura 1 aplicando ciclos de carga lateral altemada.La historia de carga consisti6 de una fase controlada por carga en la que se aplicaron ciclos hasta el primeragrietamiento inclinado en el tablero. Despues, el ensaye se control6 por desplazamientos alcanzando niveles dedistorsion mon6tonamente crecientes. Esta ultima defmida como el cociente del desplazamiento horizontal me didoen la losa entre la altura del especimen, Para verificar la estabilidad del comportamiento, se realizaron dos ciclos almismo desplazamiento. Se aplic6 un esfuerzo vertical constante de 5 kg/ern- durante el ensaye. Este esfuerzo secalcul6 utilizando el area de mamposteria transversal del muro sin considerar el encamisado de mortero. Este valorde esfuerzo se ha encontrado en edificios de vivienda de interes social con cuatro y cinco niveles.

RESULTADOSPatrones de agrietamientoLos patrones de agrietamiento final de los especimenes se muestran en la figura 2. El dano se caracteriz6principalmente por agrietamiento inclinado sobre los tableros del muro. Las grietas en el muro sin acero en el tablerose concentraron a 10 largo de las diagonales; se observ6 una distribucion mas uniforme del agrietamiento en todoslos especfmenes encamisados.MO mostr6 agrietamiento inclinado concentrado en todo 10 largo de las diagonales del tablero. AI fmal del ensaye,fue evidente el aplastamiento del tabique y el cizallamiento de los castillos. M-On mostro un agrietamientoinclinado bien distribuido. EI especimen fallo por corte despues de la rotura de alambres horizontales en todo 10largo de una de las diagonales del muro. A la falla, el castillo confmado con malla estaba menos danado que elcastillo opuesto. La malla de alambre principal se corrio sobre el castillo sin malla de confmamiento acelerando lafalla por corte en esa parte. M-147 fall6 prematuramente debido al agrietamiento y aplastamiento del mortero en laregion central del tablero. Como fue mencionado, se utilize arena de un proveedor distinto para la construcci6n delencamisado del muro de M-147. La resistencia del mortero fue considerablemente menor (casi 50%) que la medidapara M-On y M-21 1 . El agrietamiento en M-211 estuvo bien distribuido sobre el tablero con grietas horizontalesangostas en los cantos del muro debidas a flexion y a expansion en el plano. El ensaye de esta estructura se termin6cuando se alcanzo la capacidad de anclaje de los castillos en la viga de cimentaci6n. En M-On y M-147 se utilizaronclavos para fijar las mallas sin dejar espaciadores en el recubrimiento de mortero. AI final del ensaye se encontrarontodos los c1avos bien anclados a la mamposteria. EI fijador Hilti tambien exhibi6 un desempeflo excelente. Seobserv6 una distribuci6n mas uniforme del dano en las caras del muro con 16 anclajes/m", No obstante, el patron deagrietamiento en la cara con 9 anclajes/m" fue aceptable.

Curvas HistereticasLas curvas cortante contra distorsi6n para todos los modelos se muestran en la figura 2. Las graficas se dibujaron a lamisma escala para permitir comparaci6n entre especimenes.

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E sp ec im e n MO

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1,251,000,75 'ii'A-0,50 ~0,25 i0-0,25 oU0,50 "-0,75 ' 1 i iw-1,00-1,251,251,000,75 'ii'A-0,50 ~0,25 i0-0,25 0-0,50 e-0,75 ~-1,00-1,251,251,000,75 Ii'A-0,50 !.0,25 .!c. .0 1::0-0,25 0e0,50 "0,75 J i-1,00-1,251,251,000,75 'ii'A-0,50 a0,25 ~Ii0 1: :0-0,25 00-0,50 0,75 ~-1,00-1,25

12.7 1,2510.2 1,00f i 7.7 0,75 Ii'A-a 5.1 0,50 !.C ! ! .~ 2.6 0,25 .!c Ii. . 0 0 1: :1:: 00 0U -2.6 -0,25 00 ! -5.1 -0,50. ~~ -7.7 -0,75-10.2 -1,00-12.7 -1,25-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 a 0.005 0.01 0.015 0.02

Distorsi6n [em/em)

Figura 2. Patrones Finales de Agrietamiento y Lazos Histereticos

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Los ciclos de histeresis de MO fueron los tipicos de una estructura de mamposteria. Los ciclos posteriores al primeragrietamiento inclinado de la mamposteria mostraron histeresis atribuida al agrietamiento del muro por flexion, Laestructura alcanz6 su resistencia a un nivel de carga mayor que el asociado al agrietamiento inclinado. Los ciclosfueron estables hasta una distorsiones de 0.5 %.Las curvas histereticas de los especfmenes encamisados fueron diferentes de la obtenida en el especimen de controlMO. A pesar, de que el comportamiento no lineal se inici6 despues del primer agrietamiento inclinado, como en elcaso de MO, los lazos histereticos fueron caracteristicos de muros cuyos comportamientos estan controlados porcortante. Las curvas fueron simetricas hasta niveles altos de distorsi6n. El cambio de pendiente de las curvas en larama de carga se atribuy6 a la fluencia del acero de refuerzo en el tablero. Los lazos histereticos exhibierondegradaciones de resistencia y rigidez considerables despues de alcanzar la resistencia del muro debido al danodistribuido en el panel y en los extremos de los castillos. Las curvas exhibieron cambio de pendiente en la rama dedescarga debido a las deformaciones por corte las cuales controlaron el comportamiento para niveles altos dedeformaci6n. Esta tendencia en el especimen M-147 es atribuible al datto local del mortero. Cerca de la falla, ladegradaci6n en el comportamiento de M-211 se vio acrecentada por la perdida de adherencia en las barraslongitudinales de los castillos, mismas que se encontraban ancladas a la viga de cimentaci6n.

Envolventes de RespuestaEl comportamiento de los modelos se puede comparar mediante envolventes de respuesta (figura 3). Lascurvas se obtuvieron de los cortantes maximos para mismas distorsiones en ciclos positivos.

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La eficiencia de los alambres para resistir la carga dependio del anclaje de la malla y del comportamiento delmortero. Para evaluar la participacion de los alambres se uso un factor de eficiencia " 1 1 " . Este factor secalculo como el cociente de la carga resistida por los alabbres y su resistencia nominal (esfuerzo defluencia). La carga resistida por cada alambre se obtuvo de la conversion de deformaciones medidas en elensaye a esfuerzos, mediante una relacion esfuerzo-deformacion obtenida previamente. El factor "11"reflejala distribuci6n no uniforme de deformaciones del refuerzo en la altura del muro. Se ha obtenido que estadistribucion depende de la anchura del agrietamiento inclinado, de la eficiencia del anc1aje de la malla y dela calidad del mortero. Los valores de 11para la resistencia se presentan en la tabla 1. Se encontr6 que 11variacon la cuantia de refuerzo longitudinal Ph y el nivel de distorsion, Mientras mayor es Ph fy mas elevadas sonlas cargas y, por ende, las deformaciones necesarias para movilizar a las mallas, Lo anterior explica losvalores bajos para M-211. La baja participaci6n de la mana de M-147 se explica por la falla prematura delmortero. Se ha incIuido en la figura 3, la envolvente del modelo MA. Este muro tiene la misma geometriaempleada y fue ensayado por Aguilar et ai. (1996) en un programa disefiado para evaluar la participaci6n derefuerzo horizontal colocado en las hiladas. Puesto que la cuantia de refuerzo horizontal-de MA (0.071%) essimilar a la de M-On, se puede comparar su comportamiento. Es evidente que la resistencia que se logra conencamisado es muy superior a la obtenida con alambres horizontales.

Tabla 1. Caracteristicas de la RespuestaE sfu erz o C o rta n te [k g/c m 2 ]

Mode l o P h fy Agrie t. M ax im o M ax im o M ax im o Dis to rs i6n a la Dis to rs i6n[kg /cm2] Ag rie t. M a x . co n tro l re s is tenc ia [% ] ul t ima [% ]MO 3.4 4.6 1.4 1.0 0.42 0.60M-072 3.60 6.5 9.6 1.5 2.1 0.67 0.60 0.96M-147 7.35 6 . B 7.7 1.1 1.7 0.52 0.40 0.73M-147R 7.35 6.4 B . 5 1.3 1.9 1.50M-211 10.55 B . 5 11.9 1.4 2.6 0.46 0.58 1.00N ota : P ara lo s e sp ec fm e ne s e nc am is ad os s e c on sid er6 e l e s pe so r d el re cu brim ie nto d e m o rte ro

Capacidad de Deformaci6nComo se esperaba, las envolventes se alejan Mucha de los modelos elastoplasticos utilizados comunmente paraevaluar el comportamiento inelastico de miembros estructurales y su capacidad para disipar energia (figura 3).Ninguno de los especimenes mostr6 un punto de fluencia claro y, en todos los casos, la rigidez se degrad6gradualmente debido al agrietamiento inclinado, fluencia del acero, y agrietamiento y aplastamiento de las piezas yel mortera. Para cuantificar la capacidad de deformaci6n lateral de los especimenes, se utilizaron la distorsi6n a laresistencia y la distorsi6n ultima, defmida esta como la distorsi6n a la cual se pudo sostener el 85% de la cargamaxima. Los niveles de distorsi6n para cada especimen son mostrados en la tabla 1. Es evidente que la resistencia delos especimenes encamisados se alcanz6 a desplazamientos mayores en comparaci6n con el modelo de control. Ladistorsi6n ala resistencia de M-147R fue dos veces la de la estructura original (M-147). La contribuci6n del morteray de las mallas de alambre a la resistencia y deformaci6n es evidente. El encamisado increment6 considerablementela resistencia a cortante hasta el punto de permitir la plastificaci6n del acero longitudinal de los castillos debida a laflexi6n, por 1 0 tanto incrementando la deformabilidad en flexi6n del especimen, La distorsi6n a la resistencia paraM-147 fue comparable a la registrada con el especimen de control (MO)debido al aplastamiento y desprendimientodel recubrimiento de mortero. Las distorsiones ultimas fueron considerablemente mayores (mas del 60%) que la delespecimen MO(M-147 es la unica excepci6n debido a la falla prematura del mortera de recubrimiento).

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CONCLUSIONESLas siguientes conclusiones fueron obtenidas con base a las observaciones durante los ensayes y el analisis de losdatos:1. Los patrones de agrietamiento y los mecanismos de falla estuvieron asociados a deformaciones por corte.2. Los especimenes encamisados con mallas de alambre electrosoldadas y un recubrimiento de mortero de 2.5 emde espesor mostraron una distribuci6n mas uniforme del agrietamiento inclinado comparados con la estructura decontrol.3. La rigidez inicial del especimen reparado fue 2/3 la de la estructura original.4. La cantidad de refuerzo no afect6 la rigidez inicial de los muros encamisados sin dafio.5. EI encamisado de los muros condujo a un incremento notable en la resistencia al corte y capacidad dedeformaci6n en comparaci6n a un modelo de control sin refuerzo y de geometria similar. Se considera que ladistorsi6n maxima de disefio puede ser 0.007.6. La contribuci6n a la resistencia de las mallas de alambre electrosoldadas depende de la cuantia de refuerzohorizontal, nivel de distorsi6n, calidad del mortero y tipo de anclaje.7. Se observ6 que los clavos para madera sin espaciadores son apropiados para fijar las mallas con alambres de3.43 y 4.88 mm de diametro. Los anclajes Hilti resultaron efectivos para fijar mallas con alambres de 6.35 mm dediametro, Se recomienda una densidad de 9 anclajes/m",8. Para mejorar la estabilidad del comportamiento cfclico del muro y el confmamiento de los castillos, estoselementos tambien deben ser rodeados por mallas de alambre y cubiertos con mortero.9. Los especimenes encamisados disiparon mas energia que la estructura de control.

REFERENCIASAguilar, G., et al. (1996). "Influence of Horizontal Reinforcement on the Behavior ofConfmed Masonry

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