anÁlisis de tÉcnicas de refuerzo en mamposterÍa sin
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ANÁLISIS DE TÉCNICAS DE REFUERZO EN MAMPOSTERÍA SIN PREVISIONES SISMORRESISTENTES Ing. C. A. Rodríguez, V. Rougier, D. Condorí, F. Bellomo, C. Goyechea Instituto de Estructuras – Universidad Nacional de Tucumán San Miguel de Tucumán Resumen:
Tras la ocurrencia del terremoto del 7 de Septiembre del 2004, en la provincia de Catamarca, fue posible constatar en las localidades cercanas al epicentro, numerosos y significativos daños estructurales en viviendas realizadas en mampostería sin previsiones sismorresistentes. Dichas fallas, se originaron principalmente, por pérdida de adherencia entre el mortero y el mampuesto.
A fin de proponer una intervención estructural adecuada y accesible para este tipo de edificación, se analizaron en el laboratorio diversas técnicas de refuerzo destinadas a otorgar resistencia y ductilidad a los muros portantes. Tales técnicas, han sido ya utilizadas con éxito en países con vulnerabilidad sísmica elevada por lo que su análisis intenta reproducir y optimizar los mismos con materiales y mano de obra local.
En este trabajo, se evalúa experimentalmente el comportamiento de muretes de mampostería reforzados con morteros proyectados y mallas metálicas sometidos a compresión diagonal y se comparan con los resultados obtenidos en especimenes sin reforzar.
Finalmente, se formulan recomendaciones y limitaciones sobre cada
una de las posibles técnicas de reparación. Abstract:
The Earthquake occurred on September 7 of 2004 allowed us to observe significative structural damage in many of the unreinforced masonry buildings near the epicenter. Those failures, were originated mainly by lost of adherence between mortar and bricks. In order to propose an adecuate and viable retrofit metodology, several technics, used to increase the strenght and ductility of masonry shear walls, were analized in the lab. Those techniques had already been successfully used in countries with high seismic vulnerability, so we aim the analysis to reproduce and optimize them with local resources. In this work the behavior of reinforced masonry panels subjected to diagonal compression tests was evaluated experimentally, the reinforcement consisted in metallic meshes and sprayed concrete, the results are compared with those obtained in unreinforced reference specimens. Finaly, the recomendations and limitations of each technic analyzed are formulated.
1. Introducción
Como consecuencia de la ocurrencia de un sismo de 6.5 grados en
magnitud Richter, en la provincia de Catamarca, a las 8:53 A.M. (hora local) del 7 de Septiembre de 2004, numerosas estructuras de mampostería sufrieron agrietamientos ocasionados por los esfuerzos de corte producidos por la acción sísmica.
2. La Acción Sísmica
La provincia de Catamarca, se encuentra
tipificada dentro de la zona sísmica II, peligrosidad sísmica moderada, según la normativa vigente, INPRES CIRSOC 103, (Ver Figura 1). No obstante ello, la vulnerabilidad sísmica de las construcciones es elevada (grado de exposición que tienen las estructuras frente a las acciones dinámicas ocasionadas por un sismo). Esto se debe, a que en el territorio provincial existe un significativo número de viviendas construidas sin previsiones sismorresistentes, entre las cuales, se incluye un importante porcentaje realizadas con adobe, lo cual implica que el riesgo sísmico existente en la provincia de Catamarca deba considerarse como elevado, (se debe recordar que el riesgo sísmico se define como el producto del peligro sísmico por la vulnerabilidad sísmica). Figura 1
El evento sísmico, cuyo epicentro se ubicó a 50 km. al Suroeste de la ciudad de San Fernando del Valle de Catamarca, (Ver Figura 2), a 57 km de profundidad de las estribaciones Sur de la Sierra del Ambato, en las cercanías de la Población de Los Ángeles, Depto. Capayán, fue percibido con intensidad VI de la escala Mercalli Modificada en la ciudad capital de esa provincia.
Figura 2 Dicha intensidad, constituye el umbral de daño sísmico en las
construcciones, razón por la cual, en una primera evaluación realizada por el gobierno provincial, transcurridas las primeras setenta y dos horas post terremoto, se estimaba que no menos de trescientas edificaciones se encontraban dañadas a causa del sismo.
El sismo mencionado, tuvo corta duración y consistió básicamente
en unos pocos pulsos de frecuencias muy altas que no originaron trabajo cíclico sobre las estructuras. A causa de que este tipo de evento normalmente presenta efectos de directividad, esto es una componente bastante más intensa que las demás, fue posible observar durante el relevamiento de daños que se realizara en la provincia, la existencia de una clara directividad de los mismos en dirección Este – Oeste, pues el mecanismo focal del sismo se desarrolló en la dirección Norte Sur. En la figura 3, se observa el daño ocasionado sobre un muro de mampostería de una posta sanitaria en la localidad de Pomancillo, Catamarca.
Figura 3
Se conoce que las fuerzas ocasionadas por los sismos, provocan
esfuerzos severos en las estructuras de mampostería, tanto en el plano del muro, como fuera de él, dando lugar a dos tipos de fallas características: rotura por tracción diagonal y deslizamiento a través de las juntas con el mortero.
La primera de ellas, se caracteriza por una fisura de tracción diagonal, mientras que la otra es una falla fuera del plano en la que aparecen fisuras a lo largo de las juntas horizontales con el mortero. Se trata de un tipo de falla frágil. Otros daños observados con marcada frecuencia en estructuras de
mampostería, son aquellos que se producen en encuentros de muros débiles, por falta o ausencia de traba entre los mismos, tal cual se muestra en las Figura 4 y 5, la ruptura de dinteles construidos con mampostería en sardinel (Ver figura 6) y también en arcos de idéntico material (Ver Figura 7).
Figuras 4 y 5
Figura 7
Figura 6
Figura 7
Los muros de mampostería están formados por mampuestos unidos
por medio de mortero aglutinante para formar un solo elemento resistente. En el caso de las estructuras realizadas con mampostería, resulta complejo el conocer las propiedades de las piezas y morteros que le componen.
La descripción del comportamiento mecánico de la mampostería es dificultosa, debido a la gran variabilidad en características geométricas, rugosidad, porosidad y resistencia de los mampuestos, así como la adherencia, retracción de los morteros. Por ello, no es recomendable la extrapolación de resultados, de un tipo de mampostería a otro.
No obstante ello, la experiencia de campo, indica que los muros de mampostería han demostrado un discreto desempeño aún frente a sismos moderados. Su comportamiento en general es frágil con poca o nula ductilidad sufriendo daños que van desde fisuras invisibles hasta grandes grietas y eventualmente desintegración y colapso. Por lo tanto la evaluación de la vulnerabilidad de estos elementos estructurales y la mejora de su comportamiento frente a cargas provocadas por sismos ha ocasionado que se propongan diversas propuestas de refuerzo estructural, algunas más eficientes que otras.
Debe recordarse que el principal objetivo del refuerzo sismorresistente es la de mejorar la resistencia de los elementos estructurales de mampostería a un costo razonable, a los efectos de evitar fallas frágiles que pongan en riego la vida de las personas. 3. Técnicas de Refuerzo y / o Reparación
Existen en la práctica, varias técnicas para reforzar y/o reparar muros portantes. La más conocida, consiste en remover una o más hiladas de
mampuestos y reemplazar el volumen extraído, con materiales semejantes al original. Sin embargo se debe tener presente, que la inserción de estas piezas pueden desencadenar concentraciones de esfuerzos que dañen la estructura; ya que no siempre se comportan de igual forma que el material original, en estos casos, este tipo de intervención puede acarrear a futuro daños mayores en el edificio.
Aunque esta técnica es efectiva, depende de la calidad de su ejecución, pues requiere una considerable superficie de preparación y mano de obra calificada.
Otra posible técnica de rehabilitación de muros de mampostería, consiste en colocar barras de refuerzo a lo largo de las juntas con el mortero. En ella se deben realizar ranuras longitudinales para colocar las barras en el sector de las juntas y mediante perforaciones transversales practicados en el muro, se vinculan las barras entre sí. Una vez colocadas éstas, generalmente una en cada lado del muro, se recubren con mortero de cemento o mortero tipo epoxídico. Las barras se deben anclar en los extremos de los muros.
Esta técnica exige un procedimiento muy laborioso, además de contar con mano de obra calificada bajo una estricta supervisión. Su desempeño es altamente dependiente de la calidad de la ejecución.
Otra técnica de frecuente utilización en la región de Centroamérica y en la Zona Andina, es la colocación sobre el muro de mallas metálicas recubiertas con mortero u hormigón proyectado. El material utilizado varía entre mallas de alambres comunes y mallas electro soldadas o hechas con barras convencionales. Con esta técnica, se han alcanzado incrementos importantes en resistencia, rigidez y capacidad de deformación respecto del muro original. 4. Criterio de Refuerzo Adoptado
En este trabajo, se presentan los resultados obtenidos tras investigar el comportamiento de muros de mampostería reforzados con tres alternativas de malla metálica recubierta con mortero cementicio. Para ello, se ensayaron quince especimenes de muretes de nueve hileras de mampostería, Tipología N según lo especificado en la normativa IC103, confeccionados con ladrillos cerámicos macizos y mortero de dosificación 1:1:5. En la figura 8 se muestra un murete con los dispositivos de aplicación de carga y de medición previo a la realización del ensayo. En virtud que la resistencia por corte de la mampostería es función de la adherencia entre mampuestos y el mortero, los muretes se ensayaron mediante la aplicación de una carga de compresión hasta la rotura en forma diagonal a los mismos. (ASTM-E519).
Figura 8 Los muretes se ensayaron sometiéndolos a una carga de compresión monótona a lo largo de su diagonal. Para ello, se utilizaron gatos hidráulicos marca Simplex de
100 toneladas de capacidad, equipos que se encuentran disponibles en el Laboratorio del Instituto de Estructuras.
La población de especimenes ensayados estuvo conformada de la siguiente manera:
Muretes sin refuerzo Denominación Muretes de Nueve hileras con mortero de resistencia normal SMR1 SMR2 SMR3
Muretes reforzados c/ tela
artística Denominación
Muretes reforzados con malla de acero tipo tela artística de 2mm de diámetro y 20 x 20
mm2 de sección
MRTA1 MRTA2 MRTA3
Muretes reforzados c/ malla
electrosoldada Denominación
Muretes reforzados con malla de acero tipo tela artística de 2mm de diámetro y 20 x 20
mm2 de sección
MRMA1 MRMA2 MRMA3
Muretes reforzados c/ barras
de acero Denominación
Muretes reforzados con una malla de barras de acero de 6 mm. de diámetro dispuestas
longitudinalmente y transversalmente cada 15 cm
MRBA1 MRBA2 MRBA3
Tabla 1
5. Técnica Utilizada En La Confección Del Refuerzo Sobre Los Muretes
Para lograr un comportamiento monolítico del encamisado con la
mampostería existente, es indispensable tratar la superficie del muro antes de colocar la malla y aplicar el mortero. Se debe retirar manualmente todo el material suelto de la superficie de la mampostería y limpiar el polvo sobre el sustento mediante la utilización de un chorro de agua a baja presión.
En la figura 9 se observa la preparación de las mallas sobre los
muretes.
Figura 9
Acto seguido, se debe planificar los puntos de sujeción entre las
mallas de acero, tras lo cual se procede a realizar perforaciones en el muro mediante un taladro eléctrico. En este caso se adopto cuatro puntos de sujeción en una grilla de 40 cm. x 40 cm. Una vez perforado el muro, se procede a amarrar a ambos lados de éste las mallas metálicas utilizando una atadura de alambre negro recocido tensada manualmente. A fin de mantener constante la separación entre la malla y el muro, es recomendable la utilización de separadores. Con las mallas debidamente vinculadas, se procede a rellenar el hueco por donde pasa el alambre mediante la utilización de un grout cementicio expansivo que le otorga protección y adherencia al anclaje de alambre. La figura 10, muestra la inyección de grout cementicio en una perforación del anclaje.
Figura 10
Seguidamente, se procede a humedecer nuevamente todo el sustrato y mediante la utilización de un sistema de proyección de mortero, se revoca cada una de las caras con un espesor de tres centímetros, quedando la malla de refuerzo en el centro del mismo. El material utilizado es un mortero preparado con cemento de albañilería de una reconocida marca comercial disponible en el mercado, mediante la dosificación 1:5. Finalmente los muretes son encabezados (ver Figura 11) en la zona de aplicación de cargas mediante un mortero de cemento y yeso, a fin de permitir una adecuada transferencia de carga desde el dispositivo hacia la mampostería. Tras ser pintados de color blanco, los especimenes se encuentran listos a ser ensayados.
Figura 11
La instrumentación de los muretes se realizó mediante la colocación de dos flexímetros marca Thel.S.Starrett Rango 0,2” y precisión 0,0001” colocados en forma ortogonal sobre el mismo, en la Figura 12, se muestra el dispositivo de medición durante el ensayo.
Figura 12
6. Resultados Obtenidos
Tras la realización de los ensayos se obtuvieron las siguientes cargas de rotura que se presentan en la Tabla 2
Muretes sin refuerzo SMR1 SMR2 SMR3
Cargas de Rotura 2,5 ton 6,0 ton 7,4 ton
Muretes reforzados c/ tela artística MRTA1 MRTA2 MRTA3 Cargas de Rotura 23,5 ton 23,0 ton 23,2 ton
Muretes reforzados c/ malla electr. MRMA1 MRMA2 MRMA3
Cargas de Rotura 21,0 ton 16,5 ton 13,1 ton
Muretes reforzados c/ malla electr. MRBA1 MRBA2 MRBA3 Cargas de Rotura 30,6 ton 25,2 ton 20,4 ton
Tabla 2 Seguidamente, en figuras 13 a 15, se presentan las curvas carga
deformación de los tres tipos de refuerzo versus las curvas obtenidas para los muretes sin reforzar.
Deform. Vertical [mm]
MRTA1
MRTA2 MRTA3
MRTA1
MRTA2 MRTA3
MSR1
MSR2
MSR3
MSR1
MSR2
MSR3
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
-0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
Deform. Horizontal [mm]
Car
ga [t
n]
Carga vs. Deformación
Figura 13: Comparación de las curvas de los muros reforzados con tela artística
versus curvas de muros sin reforzar.
Deform. Vertical [mm]
MRMA1
MRMA2
MRMA3
MRMA1
MRMA2
MRMA3
MSR1
MSR2
MSR3
MSR1
MSR2
MSR3
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
-0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
Deform. Horizontal [mm]
Car
ga [t
n]Carga vs. Deformación
Figura 14: Comparación de las curvas de los muros reforzados con malla electro
soldada versus curvas de muros sin reforzar.
Deform. Vertical [mm]
MRBA1
MRBA2
MRBA3
MRBA1
MRBA2
MRBA3
MSR1
MSR2
MSR3
MSR1
MSR2
MSR3
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
-1,40 -1,20 -1,00 -0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
Deform. Horizontal [mm]
Car
ga [t
n]
Carga vs. Deformación
Figura 15: Comparación de las curvas de los muros reforzados con barras de
acero versus curvas de muros sin reforzar. Del análisis realizado sobre las mismas, es posible observar que: • Las curvas carga versus deformación obtenidas no son lineales y
los especimenes pierden rigidez antes de llegar a su esfuerzo máximo. En general, su comportamiento se caracteriza por un
primer tramo aproximadamente lineal hasta que se produce el primer agrietamiento diagonal.
• En todos los casos el desempeño de los muretes con refuerzos, supera ampliamente el de los sin reforzar, en cuanto a resistencia, basta para ello comparar las cargas de rotura de estos especimenes que se triplica para el caso de los reforzados.
• Es posible inferir que también existe una mejora en la ductilidad de los muretes reforzados respecto a los muretes sin reforzar. Sin embargo, en virtud de que el equipamiento de medición de deformaciones era retirado un instante previo a la carga de rotura a fin de preservar su integridad, no es posible dar información cuantitativa a ese respecto. En las figuras presentadas se muestra en trazo la posible trayectoria de las curvas hasta el instante de su rotura.
La falla de un muro por efecto de las fuerzas de corte ocurre
generalmente a través de grietas inclinadas debidas a tensiones diagonales. Estas grietas se forman generalmente a lo largo de las juntas, propiciadas por la debilidad de la unión mampuesto con mortero; sin embargo, para mampuestos con baja resistencia y buena adherencia con el mortero, las grietas atraviesan indistintamente piezas y mortero. En el caso de los ensayos realizados, para los muretes sin reforzar se observó que el modo de falla de los mismos fue de ruptura por deslizamiento de mampuestos sobre la junta, esta falla es explosiva demostrando la fragilidad de la mampostería sin reforzar, Ver Figura 16.
Figura 16: Murete sin refuerzo antes y después del ensayo Durante los ensayos de los muretes reforzados, fue posible observar
patrones de agrietamiento vertical en coincidencia con la trayectoria de aplicación de las cargas para el caso de refuerzos realizados con barra de acero y tela artística. Ver Figura 17
Figura 17: Fisuras verticales en muros reforzados con malla de barras de acero
Para el caso del refuerzo realizado con tela artística el modo de falla observado en los muretes es el de fisuración vertical junto a desprendimiento del recubrimiento armado del sustrato, tal como se muestra en detalle en la Figura 18.
Figura 18
Mientras que para el caso de muretes reforzados con malla electro soldada el patrón de fisuración tiende a orientarse respecto a la junta entre mortero y mampostería, tal como se muestra en la figura 19.
Figura 19
7. Conclusiones
Tras haber realizado un análisis de los resultados obtenidos en cada
una de los muretes ensayados, es posible afirmar que se ha podido comprobar la eficacia de esta técnica de refuerzo a escala de modelo experimental en cuanto a resistencia y ductilidad.
Los patrones de falla de los muretes reforzados se generaron por tracción diagonal en las inmediaciones de la zona central del murete concentrándose el daño en las juntas entre el mortero y la mampostería, luego se generaron fallas en los mampuestos de las esquinas para estados más avanzados de carga. En la figura 20 se observa un murete que ejemplifica lo antes dicho, al cual se le ha retirado el material de refuerzo.
No obstante ello, se debe destacar que en todos los casos se mantuvo la integridad del murete reforzado no generándose fallas frágiles ni desprendimientos de secciones del murete tal como ocurrió en los muretes sin reforzar.
La materialización de esta técnica de refuerzo puede considerarse como sencilla, pues no requiere técnicas ni mano de obra especializada, solamente se debe prestar especial atención a la vinculación entre las mallas.
Incluso la perfomance obtenida para este tipo de refuerzos es semejante a la de aquellos muros reforzados con mantas de fibra de carbono, solo que a un costo mucho más económico.
Figura 20
REFERENCIAS Memorias en Congresos: 1 C. Rodríguez, O. Dip, R. Benito, E. Galíndez. Evaluación y Diagnóstico del Seminario Diocesano de la Provincia de Catamarca. En VIII Congreso Internacional de Rehabilitación del Patrimonio Arquitectónico y Edificación. Salta, Septiembre de 2006. 2. C. Rodríguez, O. Dip, E. Galíndez Evaluación Estructural del Edificio del Seminario Diocesano de la Provincia de Catamarca. En V Jornadas de Restauración y Conservación del Patrimonio, LEMIT, La Plata, Buenos Aires. Septiembre de 2006. 3. C. Rodríguez, O. Dip, R. Benito, E. Galíndez, “Principales patologías estructurales en templos y monumentos históricos del noroeste argentino” en, VIII Congreso Latinoamericano de Patología Estructural, y X Congreso de Control de Calidad en la Construcción, Asunción del Paraguay, Paraguay, Septiembre de 2005. 4. C. Rodríguez, O. Dip, R. Benito, E. Galíndez, “Evaluación de daños en edificios históricos, el sismo del 7/9/04 en la provincia de Catamarca” en: IV Jornada sobre Técnicas de Restauración y Conservación del Patrimonio, LEMIT, La Plata, Junio de 2005.
Informes Técnicos: 5. C. Rodríguez, O. Dip, R. Benito, E. Galíndez, Evaluación Preliminar del Estado Estructural y de Elementos No Estructurales de la Catedral Basílica de Nuestra Señora del Valle, San Fernando del Valle de Catamarca, Diciembre de 2005. 6. Poder Ejecutivo Nacional, “Informe sobre el relevamiento de daños en escuelas, hospitales y templos producidos por el terremoto de Catamarca del 7/9/2004”, Octubre de 2004.