ingeniería estructural de los edificios históricos capítulo 2

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Materiales Estructurales que componen los edificios históricos

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  • "Y se dijeron los unos a los otros: Venid, hagamos kdrillos 1'coztmoslos al fuego. Y se sirvieron de ladrillos en lugar depiedras y de bitumen como argamasa.Despus dijeron: Vamos a edificar una ciudad y una torre cuvocspide llegue hasta el cielo, y hagamos clebre nuesto nombreantes de esparcirnos por toda la tierra".

    Gnesis, Cap. XI, vers. 3 y 4

    2.1 AlcanceEl propsito de este captulo es explicar las caractersticas estructurales de los mate-riales comunes en las edificaciones histricas. La presentacin se centrar en loselementos de mampostera de piedra o de ladrillo, y se tratarn de manera mssomera la madera y algunos metales. Aun con esas limitaciones, la variedad de lasmodalidades constructivas que se han empleado a lo largo de los siglos es extraor-dinariamente amplia. Particular precaucin debe tenerse con los valores de laspropiedades mecnicas que se consignan en las secciones siguientes y con los quese encuentran, en general, en la literatura sobre el tema. Estos deben tomarse sola-mente como indicativos, ya que la dispersin de propiedades es muy elevada ydepende fuertemente de las materias primas empleadas, de los mtodos de cons-truccin y de las condiciones ambientales, as como de las modificaciones que hantenido los materiales con el tiempo. Slo mediante la determinacin en sitio, sobre

    Paredes incaicas de grandes bloquesLos incas llevaron al mximo grado de refinamiento la construccin de elementos de bloques de mamposteraunidos en seco. Cada uno de los grandes bloques tiene forma diferente e irregular, pero sus caras estnlabradas cuidadosamente para coincidir perfectamente con las de los bloques adyacentes. Los bloques llegana pesar varias toneladas.

    -1 '',.1il

    U)(I)6\=

    #,C)=LF'cr)G)a(I)G

    I- tL(I)#,C

    :i9lllj:;r;j4oootc

  • 20 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    lnterorEscalera

    Anilloexterno

    d) Bloque de piedra de lacolumna Antonina, Roma

    Aparejo de sillares de unacolumna de la Catedral dela ciudad de Mxico

    a) Monolito b) De bloques c) De sillares

    la estructura misma o sobre otras de pocas y caractersticas constructivas semejantes,es posible obtener valores razonablemente confiables de las propiedades de losmateriales.

    Al describir las propiedades y el comportamiento estructural, se comentar tambinsobre el deterioro que estos sufren por la accin del tiempo, y sobre los principalesmodos de falla.

    2.2 PiedraLa piedra natural es el componente ms comn paralamampostera de los edificioshistricos, y constituye adems un material estructural por s solo para la construccinde elementos monolticos. o formados por bloques o sillares sobrepuestos.

    El tipo de piedra en los elementos estructurales de los edificios se ha escogidocon base en dos propiedades contrastantes: la durabilidad y la facilidad de ser traba-jada para darle la forma deseada. La durabilidad ha sido ms importante que laresistencia; aunque las dos propiedades van aparejadas y estn relacionadas con ladensidad del material, la resistencia no fue generalmente un factor crtico para laeleccin de la piedra, como result la capacidad de resistir los efectos delintemperismo, especialmente los ciclos de hielo y deshielo.

    Lasrocas gneas, formadas por la consolidacin del magma fundido, son las msduras y, por tanto, las ms difciles de trabajar, de modo que su uso fue restringidoa los grandes bloques y a las formas simples. El granito y el basalto son los msrepresentativos de estos materiales.

    Las rocas sedimentarias, producidas por la descomposicin y sucesivareconsolidacin de las gneas, son mucho ms trabajables y han tenido mayor y msamplia utilizacin en la construccin, por la facilidad de cortarlas y labrarlas en lasformas deseadas. Las areniscas y las calizas son las ms comunes entre las rocas deeste tipo; por haber sido depositadas en capas sucesivas, son ms dbiles en ladireccin perpendicular a la del lecho de depsito. Los canteros han aprovechadoesa direccin para cortarlas ms fcilmente, y la otra para que sea la que reciba lascargas ms elevadas en el elemento estructural.

    El monolito es un elemento de unsolo bloque de piedra sin uniones.

    En la columna de bloques, las gran-des piedras estn sobrepuestas enseco (a hueso), o con una delgadacapa de mortero para absorber lasinegularidades de la superficie de

    contacto y para nivelar. Los bloquesno son necesariamente prismas

    slidos; pueden tener muescas paragrapas o grandes aberturas internaspara aligerar o para paso. La colum-na de sillares tiene delgadas juntas

    horizontales y verticales de mortero.La parte interior de estos elemenlos

    suele ser resuelta con material demenor calidad.

  • iertas rocas (segn Norma DIN 1053)

    Grupo Tipo de tocas Resist. mn.a compre^sin

    (k$cm')

    B

    U

    D

    E

    Caliza, travertino, tobas volcnicas

    Areniscas blandas y calizas arcillosas

    Calizas compactas, dolomitas, mrmol, basalto

    Areniscas cuarz0sas (con cemento siliceo)Granito, sienita, diorita, prfido, diabasa,

    basalto (rocas gneas en general)

    200

    300

    500

    800

    1 200

    MATERIALES ESTBUCTURALES

    Placa de la mquinaEsfuerzo uniforme de comPresin de pruebas Esfuerzo uniforme de,compresin

    iA"ortrri"nto--vertical

    t

    Falla por- agrietamiento

    longitudinal

    +++++++++++++

    Friccn por elcontacto conIa placa

    Falla poragrietamientodiagonal

    _r i*a) Sin frccin en las caras extremas

    ttttttt'ftttb) Con friccin en los extremos

    ++ ++

    Lasrocas metamrficds derivan de las anteriores por transformaciones qumicaso por calor o presin. De ellas, los mrmoles son los que han tenido mayor empleo

    "r lu.onrt*ccin de los grandes monumentos. Sus propiedades son similares a las

    que tienen las ms duras entre las rocas sedimentarias.La resistencia a compresin de las piedras en la construccin vara entre 100 y

    1000 kg/cm2. Slo las tobas, derivadas de depsitos de material volcnico, llegan atener r;istencias inferiores. La resistencia a tensin es del orden de una dcima dela de compresin, y el mdulo de elasticidad cercano a 1000 veces la resistencia acompresin.

    Ls valores mencionados coffesponden a propiedades obtenidas en probetas c-bicas o cilndricas, con relacin de altura a base de entre uno y dos. Los esfuerzosresigtentes que se pueden alcanzaf en los elementos estructurales son significativa-mente menores. Para entender las diferencias conviene explicar el mecanismo defalla de estos materiales cuando estn sujetos a esfuerzos de compresin axial'

    Cuando se somete una probeta de piedra a una carga creciente de compresin enuna mquina de ensaye, se registra un acortamiento progresivo. Aparejada alacortamiento longitudinal, va una expansin transversal, por el llamado efecto depoisson.Por la baja resistencia a tensin de estos materiales, desde niveles relativa-mente bajos de esfuerzo de compresin (entre 30 y 50 7o dela resistencia), se co-mienzaa presentar un microagrietamiento transversal que se propaga a medida queaumentan los esfuerzos, hasta producir la separacin de una Serie de pequeas co-

    21

    trfiododc,fII.,r,,,rde,un mteiil:,::,ptr],omtidacomplBsinrr.",

    Al ser sometida a una Presin uni-forme en direccin longitudinal, laprobeta experimenta un acortamien-to proporcional al esfuerzo al queest sometido el material. El acorta-miento va acompaado de unaexpansin en direccin transversal.Si los extremos de la Probeta Pue-den deslizarse libremente sobre lasplacas de la mquina de ensaYe conlas que estn en contacto, la exPan-sin transversal produce esfuerzosinternos de tensin transversal.Estos esfuerzos son constantes entoda la seccin y en toda la alturade la probeta. Los esfuerzos detensin transversal dan lugar a unmicroagrietamiento que primero esirregular y despus se alinea engrietas verticales que seParan laprobeta en una serie de elementosparalelos que fallan por inestabili-dad o por aplastamiento. Si, comoes usual en las Pruebas estndar, lafriccin en las placas de la mquinade ensaye impide la exPansin delos extremos de la probeta, la defor-macin y el microagrietamiento sonmayores en el centro que en losextremos, y la falla se Presenta enla parte central con una configura-cin tronco-cnica caracterstica. Laresistencia en el segundo caso esaproximadamente 20% suPerior queen el primero. El incremento esficticio, ya que la restricciri a ladeformacin que la Produce no seda, generalmente, en los elementosestructurales de los edificios.

  • 22 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    Do'pr, cohentr n,,d,'fuera, il.,| c ar a

    Un ejemplo claro de los fecto d la.falto de unifor-midad en la distribucin de esfuezos en las caras decontacto ntre sil[ares de piedr,es la igleiade n',ta Genovwa; ahore el,Pantheon:de Fars: Esta igle-sia se cornenz a conttur en 1770; ,La pidrarde al.,gunos rnuros y, soire todo, de los cuatro grende,ipr,'lares centrles rfue trbajada con umor:,q*idado,,dtmanera de dejar lb. 1 0: ori exteioi,Fsdeclamentelisos'y salienls eon,respeoto t interlorl para formariuntas hor[zontales de,mor{ro; de 3 mm"d espeso,r,en ei permetrorxterior. En el interiol de la',sesin',habla un capa de mortero de varios centfrnetros deespesor. Este mortero se fue eonttyendo y defor-mando porftuio Ptstico,. , ' i i' "r ':

    Ronde [et :estvo, crso de ls etapa fialssi d laconstruccin ytuvo gu,enfrahr lo problemas y laspolmicas derjvados de alguno,daos 1,mal com-portamiento q,uei preeentaba la,estruetura. Pars el,diagnstieo de Iae csas de los da6s 14 para el es-tudio de las medidas, corectivae,, Rondelet emplelmtodos cuantitativos de la mecn!a .de'materialesbasados, probablemente por primera vez, en deter-minaeiones en laboratorio de Ia resi$enei de la pie-dra empleada en las columnas y muros. Rondeletcalcul que b carga,gobre losr'piarearera de 3500 t,que distribuida sobre los112.6 m*de geeei6n produceun esfuerzo medio de,cornpresi d 1S l(glem?,,muy,

    ceptable,para la cantera; EI rea delanillo exteriore ,1 0, cm de, espCIsof ee blo de,2,3 m?,.de, rtod quela carga acab gravitando casitotalmente sobre esapane,de,,l coJmna, y e! ef,rzQ aum,ent a cerca,de 150 kg/cm2., La, ccncentracin de: esfuerzos, en, [, frania exterior

    .

    pttdujq deepost! ltaduras trian gulgres, eom o g ri e-rtes,verlicalee irnd eativs, d, r ta Elt eipansin late ral.El daoide,este,tlpo,no afecla la segridad de unacolumna, de e*te rlf,rRao, ya que al irse aplastando laf rilja xi riot lal carge $e va, lransrnitiendo p ro g res i -vment haeia el'interior,de la seccin, quertienelampiia apaiidad para resistitla. , , ,,, ,Elefectossttoo), ioolgico do un doas,en,foselsrnento estructurales principales dl edifici, fuer-pts .de lo q,ue el olgullo de,Rondelt podla aceptar;'e*,17?9, dipuso q,ue-se,realizara n grseo corte enPqAs les jntas oderiores, paa tibearlas de oarga y,forzr'a que l pne interlor,deila co[umna'cotbora'ra a la resistencia.'iuaistuacin sernejantse apreciaen un buen n:

    .mio d cslumns de cantera,,,pgr ejemplo, en l,as deU Oardraf Metropoiitna de la citdad c Mxico yen la Ctertrl'do,Fava;,en klta. En ningn caso, snernbargo, e,han aooptado aceione coffectiva cornola realada por Rondelet.

    a6qsE

    *E 6Sq 68E;o E.Qt o.>.Q oYQ;,

    lumnas individuales, cuya capacidad de carga est limitada por su pandeo. Se llegana apreciar grietas verticales en la probeta antes del colapso.

    La friccin entre las placas de la mquina de prueba y la probeta juega un papelimportante, ya que restringe la expansin transversal y limita el microagrietamiento,y por tanto aumenta la resistencia aparente. Este efecto no existe en un elementoestructural, por 1o que la resistencia que ste alcanza es inferior a la de la probeta(entre 10 y 20Vo, segn el tipo de piedra y las caractersticas de la probeta).

  • MATERIALES ESTBUCTURALES 23

    s()oBotUciE'F!tEtqoa

    Construccionesde tierra apisonadaen Paquim,Chihuahua, Mxico

    En el norte de Mxico y suroeste delos Estados Unidos de Amrica seestablecieron grupos humanosimportantes, los cualesconstruyeron ncleos deedif icaciones entrelazadas. Paraprotegerse de las altastemperaturas de la regin,emplearon gruesos muros de tierraapisonada. Particularmenteelaboradas son las construccionesde los indios Pueblo en Chihuahua yNuevo Mxico. A pesar de que lasedif icaciones f ueron abandonadashace siglos, Ias paredes de tierrahan permanecido en relativamentebuenas condiciones, debido a lamuy escasa precipitacin pluvialde la regin.

    Construccin de adobeEn Mxlco, y en muchos otrospases de Amrica Latina, la cons-truccin de adobe era muy comndesde las pocas precoloniales; aundurante la colonia muchos edificiosimportantes se siguieron constru-yendo de adobe; la mayora ha sidodestruida por el intemperismo y porlos sismos. En ocasiones las pare-des de adobe han sido sustituidaspor otras de piedra o de ladrillo. Unbuen nmero de templos con pare-des de adobe que han sido adecua-damente protegidas y con buenmantenimiento, subsiste hasta lafecha. Se ilustra un templo conparedes de adobe y techo de es-tructura de madera, daado por elsismo de 1976, en Guatemala.

    \to)oo

  • 24 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    Existe adems un efecto de tamao, que hace que a medida que crecen ras di_mensiones del elemento, disminuy" ,u."rirt"rcia. Las imp".r"c"iones der materialdan lugar a puntos dbiles desde onde inicia el agrietamiento transversal causantede la falla' A medida que crece el tamao del eleniento, aumenta la probabilidad deimperfecciones y, por tanto, estadsticamente, la resistencia es menor. El efectodepende del tipo de piedra, y en las rocas metamrficas se tienen reducciones delorden de ljVo.El efecto ms significativo es el de las imperfecciones del contacto de un bloqueo sillar con los adyacentes, o de un monorito con su base. Estas imperfecciones danlugar a importantes concentraciones de esfuerzos

    "n ro, prnto, salientes, los cualessi son pequeos y aisrados, se aprastan cuando ras cargas son elevadas y se produceuna redistribucin de esfuerzos que leva a una condicin ms uniforme. cuandolas protuberancias son de mayor tamao, son capaces de transmitir cargas mayoresy llegan a producir el agrietamiento vertical del bloque "";;i;;" estn en conracto.Los sillares "a hueso" debel ser trabajados para dejar supercies muy risas y regularesy evitar dichas concentraciones; el uso de una capa dJmortero en la junta, propiciala reduccin de las concentraciones de esfuerzos, u"ma, J" permitir niverar lossillares. Aun en ros sillares lejor trabajados se ha llegado u

    "ilpt.* una dergadacapa de mortero de yeso o cal para faciiitar su correcto posicionamiento.una situacin particularmente desfavorabre se tiere crar, po, apariencia, setrabaja cuidadosamente una franja exterior. de los bloques o sillares, para rograr uncontacto perfecto. por el contrario, el interior se deja

    -a. i.r"grt* y se coloca unacapa gruesa de mortero para llenar el hueco y lograr el contact en toda el rea delsllar. Debido a que ra ngidez del contacto es mayor entre ras piedras que a travsdel mortero, se producen altas concentraciones de esfuerzos en la periferia de lassecciones, con el consiguiente debilitamiento del elemento y agietamiento verticalen la superficie exterior..-{Jn efecto semejante es originado por er uso de cuas de piedra para niverar lossillares. La ngidez de estas cuas o lajas es mucho .,uyoi que la der mortero yproduce concentraciones de esfuerzos compaadas ae pusiamiento rocar de rapiedra y, posiblemente, de agrietamiento vertical der sinar.La suma de los efectos mencionados hace que ra resistencia en compresin deuna columna de bloques de piedra, sea muy infeior a la que se deduce der ensaye deuna probeta en laboratorio.

    2.3 BarroEl barro se comenz a usar en las construcciones, en la modalidad de tierra apiso-nada (llamada tapial en algunas regiones), o como recubrimiento o relleno deentramados de madera o caa (conocido en Amrica central como bajareque). suprincipal debilidad es ra_ degradacin por ra intemperi" y

    "r ugri.tumiento a causa dela contraccin por secado.. La adicin de paja reau"" la

    "ont I"cin; et recubrimien_to con algn mortero pulido protege de la uvia. Pocas construcciones de este tiposobreviven el paso der tiempo, y roto en zonas muy ridas. Al respecto, argunostemplos de Irak cuentan con ms de 2000 aos. n caso ms cercano son rasconstrucciones der norte de Mxico y suroeste de los Estados unidos que se hanmantenido en buenas condiciones haita nuestros das.

    Para reducir los problemas de contraccin, la construccin de tierra apisonadaevolcion hacia la preparacin de piezas de un tamao manejabre que pudieran ser

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    al sol, y as completar su contraccin por secado antes de serc;entos constructivos definitivos. Los bloques o ladrillos de

    d se conocen como adobes y se emplean principalmente en larrnid.os con un mortero del mismo lodo. La construccin de

    h sca de 3000 aos, y todava se emplea en zonas rurales detde

  • INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    = aJs ia congelacin det agua absorbida, lo que da

    u='z una expansin que produce mayores fisuras=

    -a:erial. En zonas de clima clido hmedo elfac-cr:iico es la continua absorcin y evaporacin dea --edad, que deja depositados en el interior del-:=-ar cristales de distintos compuestos que ata-=-

    :..micamente la piedra y el mortero.! si'oceso anterior se debe ms al roco que al

    :;-a de lluvia, ya que el primero penetra ms:r:Lndamente en el material. Tanto ta lluvia como la-r-recad atmosfrica contienen cidos que reaccio--a- :umicamente con los materiales ptreos y los--=-.o:a.

    El cido carbnico y elsulfrico son los msntrr-antes, sobre todo el segundo, que ataca los==.:ratos y silicatos de los materiales y los trans--r-a en sulfato de calcio.

    =q atrnsferas contaminadas por la combustin enc-<

    -ctores y quemadores contienen mayores propor-lcri de estos cidos agresivos y aceleran el pro-s de deterioro. Por otra parte, las partculas sus-:,="r,J das que abundan en las atmsferas contamina---4 se ciepositan sobre los materiales ptreos, principal--Er--e por el roco y por la llamada lluvia cida, y van:r-ando costras negras que se adhieren a la super-ce " favorecen el ataque qumico abajo de ellas.

    = agua puede penetrar en los materiales en canti-=f,s muy elevadas cuando se absorbe por capilari-

    dad del subsuelo, y se evapora por las superficieslaterales del elemento constructivo. En las zonas deevaporacin quedan depositados los cristales queproducen el deterioro.

    Todava mayor es el deterioro que se puede pro-ducir por Ia filtracin del agua de lluvia debido a lafalta de impermeabilidad de las construcciones. Eneste caso, ms que el ataque qumico, resulta crticoel efecto mecnico de lavado del material y el efectobiolgico de la formacin de musgo y hasta el creci-miento de plantas cuyas races rompen el material.

    Las acciones de remedio ante estos fenmenosde deterioro se enfocan a la proteccin contra la pene-tracin de los agentes agresivos. Las medidas arqui-tectnicas que permiten reducir la exposicin del ele-mento constructivo a la humedad atmosfricay alapenetracin directa del agua, son las ms efectivas.El seltado de fisuras y el recubrimiento con materia-les impermeables so medidas muy convenientes sise pueden realizar sin afectar la autenticidad del mo-numento.

    Se han desarrollado materiales sintticos y tcni-cas para la proteccin de los materiales ptreos con-tra el deterioro; su uso est sujeto todava a muchapolmica y su evaluacin est fuera de los alcancesde esta obra.

    oao

  • 28 ,NGEN'EB'A ESTBUCTUBAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    interior del elemento estructural. De hecho, se requieren varios aos para que unmortero de cal, en el interior de un elemento masivo, frage totalmente. Esta situacinconfiere a los elementos estructurales cierta capacidad de deformarse y adaptarse acambios de forma, como los debidos a hundimienfos de su cimentacin.

    Los mortercs de cal y arena alcanzan tptcamente resisfencias en comprcsin deentre 5 y 20 kg/cm2. Aunque mucho ms durables que los mortefos de barto, sontambin afectados por el intemperismo, debido a que su relativa porosidad permitela penetracin de humedad, con sales que afacar. el cementante.

    Al inicio de nuestra era, los romanos lograron un avance significativo al agregarpuzolana al mortero de cal. Esta es un material fino de origen volcnico que reaccionadirectamente con la cal, produciendo su carbonatacin sin necesidad de exposicinal aire; da lugar a un endurecimiento mucho ms rpido y a un importante aumentode resistencia e impermeabilidad y, por consiguiente, de durabilidad. Esto facilitel desarrollo del primer "c oncreto",con el que Se construyeron grandes obras: puentes,canales, acueductos y bvedas de grandes claros.

    En distintas pocas y culturas se emplearon diferentes aditivos para mejorar laspropiedades de los morteros con el fin de incrementar su resistencia, durabilidad,

    Tabla2.2 Propiedades de algunos morteros extrados de monumentosde la regin de los Balcanes (de Penelis, 1996).

    Rotonda de Tesalnica

    Rotonda de Tesalnica

    Hagia Sophia

    Bey Hamani

    Minarete de la Rotonda

    23

    37

    45

    12

    12

    1:3

    2:5

    1:2.5

    1:2.5

    impermeabilidad y sobre todo adherencia con las piedras y ladrillos. Muchos deestos "mofteros mejorados" resultaban muy costosos y eran empleados slo paramonumentos muy importantes. Fue comn la adicin de polvo de ladrillo y de arenapumtica con propiedades puzolnicas. Otros aditivos de tipo orgnico se empleabanpara mejorar la adherencia; su efectividad a largo plazo es dudosa, ya que los aditivosorgnicos se degradan con el tiempo.

    La introduccin del cemento Portland data de fines del siglo XIX, de ah que supresencia en los edificios antiguos es producto comnmente de reparaciones omodificaciones recientes. El mortero de cemento, adems de alcanzat resistenciasmuy superiores a las del mortero de cal (50-200 kg/cm2), tiene un endurecimientomuy rpido y mucho mayor mdulo de elasticidad, lo que imparte mayor tigidez tla obra de mamposter a,raznpor la cual debe tenerse cuidado al reparar localmentecon morteros de cemento, elementos de mampostera construidos con morteros decal. Esto introduce zonas ms rgidas donde se tienden a producir concentracionesde esfuerzos.

    Los morteros, como los concretos, los ladrillos y las piedras, tienen buenacapacidad para absorber esfuerzos de compresin, pero su resistencia en tensin esmuy baja, tpicamente de un dcimo de la de compresin'

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    2.5 Nlamposteria

    t- crdinacin de piedras (o ladrillos) con el mortero, da lugar a la mampostera,a ta qne el mortero cumple mltiples funciones, como llenar 1os huecos entre las3-:tu:- prsaricia ssa me\sr y ss unrtorme transslsin de cangas etr e\ e\esrerrtoo:nmsuctivo y permitir el posicionamiento deseado de las piedras.

    La gran variedad de modalidades constructivas que se encuentran en lararrTosgra de los edificios antiguos hace muy laborioso y de poca utilidad cualquieriento de clasificacin exhaustiva. Es importante sealar, sin embargo, que lasgropiedades estructurales dependen fuertemente del arreglo de los materiales.mponentes, adems que de las caractersticas mecnicas de los mismos.

    E trmino piedra, en la mampostera, incluye las denominadas piedras artificialeshAillos y adobes), adems de las naturales (piedra sin labrar y sillares). La principalrisi

  • ,Algunas mPaliddo,'rde mampostera

    Entre los mltiPles arreglos depiedras y mortero que se han em-

    pleado en la mampostera de edifi-cios histricos, se ilustran algunosde los ms representativos. Desde

    el punto de vlsta del comportamien'to estructural se distinguen los que

    tienen un aparejo regular; los quetienen un aparejo inegular, Pero enque existe una liga adecuada entre

    las piedras colocadas en el espesordel elemento, con lo que se evita laseparacin en elementos verticalesparalelos que Puedan desPrender-se; aquellos en que la distribucin

    de piedras es desorganizada Y,finalmente, aquellos en que lascaras exteriores son de Piedras

    regulares y el interior es vaciadocon mampostera de tiPo ciclPeo.

    MurAs"d,filotl,,'::r:r'r "r''

    Se encuentra con frecuencia enmuros y en otros elementos estruc-turales, una mampostera constitui-da con piedras, tezontle, Pedacerade ladrillo y, en general, materialesproducto de la demolicin de otras

    obras; todo embebido en una matizde mortero con cal. A este tiPo de

    construccin se le ha dado el nom-bre de muros de limosna.

    Modos de falla demampostera antecargas verticalesSe ilustran los tres modos de falla

    tpicos segn el arreglo de los mate'riales componentes: Por tensin

    transversal en la Piedra cuando setrata de muros de ladrillo, o de

    bloques o sillares, por aplastamientodel mortero y desPrendimiento de

    las piedras en la mamPosterairregular y por delaminacin en

    placas separadas, cuando no existebuena liga entre las Piedras en el

    esPesor del elemento.

    INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    tttttitttttta) Falla por tensin

    transversalb) Falla por abultamiento c) Separacin por Plano dbil

    o

    oaoCE

    Ir-lfIr-_lftr-_]flr-lfr--_ll--l

    a) Mamposterade ladrillo

    b) Mamposterade piedra irregular

    c) Con paramento d) Con Piedrasregular, desconectado de amarredel inierior

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    +++++++{++ +++{{,l++++ rr_________f

    "'+rltttta llodelo de conjunto

    *rdra-mortero

    tttttttttrb) Deformacin sin

    interaccin

    I l l l l I l l ir---------------l|lI|llc) Deformacin con d) Esfuerzos inducidos

    interaccin

    juega un papel importante la presencia de piedras transversales quefu la mampostera en la direccin del espesor del elemento. Por lo anterior,L-ncia del conjunto tiene poca relacin con la resistencia de las piedras, y

    ms de laorganizacin de las mismas y de I calidad del mortero.Er cil proponer valores tpicos de las propiedades mecnicas; los resultados

    -iatales son escasos por la dificultad de reproducir en laboratorio las

    ^-imes especficas de la obra, y por la gran variedad de situaciones que pueden[- se- nicamente para la mampostera de ladrillo, la informacin{-"lr-'l es relativamente abundante. La resistencia en compresin suele variar(e5f)ligrtm:.IF{isercia en tensin de la mampostera es, como se ha dicho, muy baja y es

    lrepr h adherencia entre el mortero y las piedras. Para fines de clculo eserecomendableconsiderarlaigualaceIo,aunquepuedealcanzarvalores&e [ -- 1kg/cm2.

    -rsocia de un muro a fuerzas de corte es tambin regida por esfuerzos delfuea sez en direccin diagonal; por lo mismo, los valores que se alcanzan

    pero en este caso no pueden despreciarse, ya que de ellos depende lah de los muros, y de las construcciones, ante fuerzas laterales como las

    ffirlos sismos.

    31

    La figura muestra un aneglo regularde piedras (ladrillos) y capas demortero, sometido a esfuerzos decompresin. El moftero (de cal yarena) es mucho ms deformableque la piedra, por lo que tiende aexpandirse lateralmente muchoms que el ladrillo; sin embargo, lafriccin en la superficie de contactoentre los dos materiales, obliga aque lengan la misma expansintransversal; por eso el mortero seencuentra sometido a un estado decompresin transversal queaumenta considerablemente suresistencia en compresin y, si lascapas son delgadas, no existe laposibilidad de que falle poraplastamiento. Por el contrario, lapiedra est sometida a tensionestransversales que, para cargaselevadas, producen suagrietamiento vertical y, finalmente,el colapso por inestabilidad.

    2f Plrqiedades mecnicas de algunos tipos de mampostera de edificios histricos.FBso Volumtfod ','

    ri presentan valores conservadores entre los encontrados en la literatura.

  • 32 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    \\

    \\

    \

    \\

    Zona de tensin

    Dagrama de esfuerzossobre la diagonal

    /

    Zona de comPresin

    El comportamiento estructural de la mampostea ante los diferentes tipos de es-fuerzos ei esencialmentefrgit. Esto es, el material falla de manera brusca alalcanzarse su capacidad de carga. El carcter frgil se acenta para las mamposterasde mayor resistencia. Por lo anterio tales estructuras estn expuestas a la posibilidadde colapsos sbitos con pocas seales de dao previo.

    para fines de clculo de las deformaciones de las estructuras de mampostera, ascomo para anlisis estructural, es importante conocer el md,ulo de elasticidad delmateriI, que vara en intervalos sumamente amplios. Se han obtenido valores desde5000 kg/crnz paralamampostera irregular con altos contenidos de mortero, hastade 200,000 kglcmz en mampostera de bloques de piedra de buena calidad con juntasde mortero muy delgadas. En una misma construccin, los mdulos de elasticidadde los materiales de los distintos elementos estructurales pueden presentar grandes

    Esfuerzokg/cm2

    100

    80

    60

    Mampostera de Piedracon lunta de mortero

    40

    20

    Mampostera de piedrairregular con alto contenidode mortero de cal

    Deformacin unitaria0.001 0.002 0.003

    Las cargas laterales en elementosde mampostera inducen un estado

    de esfuerzos semeiante al que esgenerado por cargas aPlicadas a lo

    largo de la diagonal. Como semuestra en la figura, esto Produce

    un eslado de tensin casi constanteen direccin normal a la diagonal

    cargada. Por la baja resistencia entensin de la mampostera, la fallase produce por una grieta diagonal

    como las que es frecuenteencontrar en muros afectados Por

    hundimientos diferenciales o Porsismos.

    ' rY.;.&E,i .i j,i:. ,i:i,::....il ideforrnacinde la mamposteraen corFresn

    Para niveles relativamente bajos deesfuerzos, la relacin esfuerzo-

    deformacin es aproximadamentelineal; para esfuerzos maYores, la

    deformacin aumenta msrpidamente y la falla se da en

    forma brusca cuando se alcanza elmximo esfuerzo resistente; sin

    embargo, los materiales de menorresistencia tienen un

    comportamiento menos frgil, Ymantienen esfuerzos cercanos al

    mximo para deformacionesrelativamente altas.

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    Tiempo, meses

    ririaciones, e influir significativamente en la distribucin de cargas entre los ele-

    -trtos.I-amampostera experimenta cambios volumtricos importantespor contraccinde tos materiales componentes. En la mampostera de adobe, la contraccin se debel secado del barro; en la de ladrillo o piedras, al fraguado del mortero de cal que vampaado de retracciones significativas. Es importante tomar en cuenta estehrmeno para la reposicin o reparacin de elementos estructurales en los edificioshlricos, ya que aunque se empleen los mismos materiales originales, las partesEsas tendern a contraerse y a separarse de la estructura original.

    Otro fenmeno que genera cambios volumtricos significativos es elflujo pl.dsti-o- por el cual un material sometido a carga de compresin, despus de un acorta-riento inicial elstico, contina deformndose en el tiempo, mientras la catgapetr*nezca. Este fenmeno es importante en los morteros de cemento Portland, perob es tambin en los morteros de cal para los cuales la deformacin final llega a ser&l mismo orden que la inicial. Nuevamente, esto debe tomarse en cuenta para lansercin de nuevos elementos resistentes en las estructuras existentes. El fenmenosmbin es importante para definir la distribucin de cargas en estructuras compues-re de materiales diferentes. Debido al flujo plstico puede haber transferencia decaga de elementos inicialmente muy rgidos, pero que al continuar deformndose,eden parte de su carga a otros menos sensibles a este fenmeno.

    I -as deformaciones de flujo plstico son proporcionales al volumen de morteroen la mampostera. En elementos de mampostera irregular, el mortero llega acmstiruir hasfa 607a del volumen total, mientras que en elementos de bloques o*illares de cantera, apenas alcanza 2 3 7o del total; por tanto, los primerosrperimentan deformaciones diferidas mucho mayores.

    El fenmeno de flujo plstico permite que las estructuras de mampostera seeformen ante hundimientos diferenciales que crecen muy lentamente en el tiempo.L'naevidencia de lo anterior son las distorsiones importantes que los muros y techosde mampostera de las construcciones histricas de la ciudad de Mxico muestranm efecto de los hundimientos diferenciales que all se presentan, debido a lamnsolidacin de los estratos de arcilla que constituyen el subsuelo del centro de laEe.

    33

    Si se aplica una carga de compre-sin a un elemento de mamposterapoco despus de conslruido , setiene una deformacin inicial elsti-ca por efecto de la carga; si semantiene la carga aplicada sobre elelemento, ste seguir deformndo-se debido a la contraccin por fra-guado del mortero y al flujo plsticoocasionado por la permanencia dela carga. La mayor parte de ambasdeformaciones ocurre en las prime-ras semanas, aunque siguen au-mentando lentamente con el tiempo.Los crecimientos son poco significa-tivos despus de un a0.

  • INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    Determinacin experimental de las propiedadesmecnicas de la mampostera, h el lnstituto

    de lngeniera de la UNAMEn el lnstituto de lngeniera de ta Universidad Nacio-npl Autnoma de Mxco, se ha formado.desde ladcada de los 80, un grupo de investigacin encau-zado alos problemas estructurales de los monumen-tos histricos. Una parte importante de la actividadde este grupo es experimental para la medicin depropiedades y de compolamiento de edificios, en si-tio; tambin se han realizado pruebas en laboratoriosobre muestras extradas de las estructuras mismas'

    e resumirn algunos resultados de pruebas parala determinacin de las propiedades mecnicas de lamampostera de edificios coloniales.

    Ensayes en laboratorio de'nconcretocolonial" de la ciudad de Mxico

    e tienen escasas posibilidades de extraer de los ele'menlos estructurales, probetas de suficiente tamaopar que sean representativas de la distribucin delos materiales componentes en eledificio. Se enfren-tan tambin dificultades para mantener inalteradas laspropiedades del material en la extraccin de la pro-beta y en eltransPorte de [a misma.

    En una ocasin, una parte importante de un murode un palacio ubicado en el centro de la ciudad de

    Mxico tuvo que ser removida y pudo separarse sinser destruida. Se labraron seis muretes de base cua-drada, de aproximadamente 40 cm de lado y de unmetro de altura. El material es tpico de la construc-cin de cimientos, paredes y contrafuertes en ta po-ca colonialy est constituido, principalmente, por pie-dra volcnica porosa (tezontle) y una menor propor-cin de piedra stida. Estas piedras son colocadasen una matriz de mortero de-cal, !9 buena calidad..Elvolumen del mortero es de 50 a 60 por ciento del to-tal. Con el tiempo este material adquiere una gransolidez y una resistencia elevada.

    Se ensayaron cuatro de los muretes en compre-sin axial, y dos en compresin diagonal.para deter-minar su resistencia a fuerzas cortantes. Los resulta-os indicaron un peso volumtrico prcticamenteconstante de 1.5 ton/m3; una resistencia en compre-sin promedio de 32 kg/cmz y un mdulo de elastici-dad de 21000 kg/cm2. La variabilidad de estas pro-piedades es elevada, si se toma en cuenta que 1etrata de probetas extradas de un mismo muro' Elesfuerzo cortante resistente promedio fue de 6.2kglcm2. Hay que considerar que el esfuerzo que se ob-;;;"';;:i;;*y" d"

    ";* piton d i asonal' es del or'

    den deldoble delque puede resistir un muro suieto acargas laterales.

    o

    qoao

  • MATERIALES ESTRUCTURALES 35

    Pruebas de probetas labradas en sitio

    En muchas ocasiones la calidad de la mamposteraes tal que se desmoronara si se intentara extraer unaprobeta. Para tales casos puede recurrirse a un prue-ba en sitio. Como parte de un estudio sobre la segu-ridad de edificios antiguos de vivienda en el centrode la ciudad de Mxic-o, se aprovecharon unos mu-ros que iban a ser demolidos para realizar la pruebade unas pequeas vigas que quedaron formadas en'tr" o" hu"dos que s anriero para la colocacin delos dispositivos de carga y de medicin. Se coloca-ron las placas de transmisin de carga, de manerade prodcir una falla por cortante en los extremos deta viga. Se ensay un muro de adobe y otro de tepetatey sjobtuvo paia ambos casos un esfuerzo cortantede falla igual a 0.6 kg/cm2.

    Pruebas en ncleos extradosde columnas de Pedra

    Los ncteos extrados de elementos.de mamposterase emplean principalmente para saber la estructurade sts; los ensayes en laboratorio de estos ncleossirven slo para conocer las propiedadesde los mate-riales componentes, pero no para las del conjunto'En elementos de piedra resulta til realizar pruebasde la calidad de ta piedra. Los ncleos pueden ser demetros suficieniemente pequeos para no afectar

    el elemento y resanar el hueco sin mayores conse-cuencias en su aPariencia.

    Para los estudios relacionados con la rehabilita-cin de la Catedral de Mxico, se extrajeron ncleosde diversas columnas y a diferentes alturas en cadacolumna. Los ncleos tenan 7 cm de dimetro y deellos se cortaron probetas de '14 cm de longitud paraser ensayadas en mquina universal.

    Las pruebas permitieron detectar que la par-te superior de todas las columnas, a partir de unaaltura de 10 m, estaba construida de un materialdecalidad sustancialmente menor que la de la parte in-ferior. El aspecto ms importante fue que la resisten-cia promedio de la piedra de la parle inferior es de300 kg/cm2, mientras que para la superior sta es det 00 kllcm'?. Lo anterior tiene una influencia significa-tiva en la seguridad de todo el monumento.

    Columna Altura Peso Fleistencadel sillar volumtrico en compresin,

    m Um3 kg/em2

    Propiedades de ncleos extradosde la Catedral de Mxico

    D5 4.5 1.95 2849.5 2.0 271

    18.0 1 .6 87D7 5.5 2.0 351

    18.9 1.7 103D1o 9'5 2'o 301

    18.0 1.7 122

    oqe

  • Notas histricas sobre materialespara mampostera

    En distintas culturas de la antigedad se dio un con-junto de prcticas sobre la construccin de edificios,que reflejaban, por una parte, un certero conocimien-to de las propiedades de los materiales y, por otra,muy primitivos conceptos de f sica a los que frecuen-temente se mezclaban consideraciones mticas y reli-giosas.

    El texto que tuvo ms influencia en la arquitecturahasta muy avanzado el Renacimiento, fue el de Vitru-vio (sigto I a.C.). Este contiene recomendaciones es-pecficas sobre el proyecto de distintos tipo de edi-iicios, sobre instalaciones y sobre procedimientos deconstruccin. El libro segundo de su tratado se refie-re a los principales materiales de construccin. Re-sulta interesante leer algunos prrafos de este cap-tulo.

    Sobre la piedra para construccin de edificios, Vi-truvio escribe'. "...debemos praceder de la siguientemanera, si queremos que el edificio pueda terminar-se sin defectos. Hay que extraer la piedra de la can'tera dos aos antes det inicio de la construccin, y noen invierno sino en verana. Despus deiarla expues-ta a la intemperie; aquetlas piedras que fueron daa'das por ta exposicin durante dos aos deben usar'se en la cimentacin. El resto, que qued intacto, hapasado ta prueba de la naturaleza y perdurar enaquellas partes del edificio que quedan expuestasarriba del terreno. Esta precaucin debe seguirse, no

    slo con tos siltares, sino tambin para las piedrasque se usarn para la mampostera de los muros"'

    Sobre la construccin de muros de mampostera,se encuentra lo siguiente: "Pero nuestros obreros, ensu prisa para terminar, ponen atencin slo en losparamentos de las paredes, los que deian bien vertica''les,

    pero rellenan tos espacos entre las caras exteria-res con pedacera de piedra y mortero echados alazar. Esto deia tres partes diferentes en la misma es'tructura: dos de recubrimiento externo y una de relle-no interior. Los griegos, sin embargo, no construyende esta manera, sino colocan las piedras a nivel ycalocan en una de cada dos hitadas una piedra atra-vesada en el espesor del muro; ellos no rellenan elespacio entre las piedras, sino que construyen el es-pesor de sus muras en una sola masa slida desdeel exterior hacia et interior- Adems, a intervalos co-tocan piedras que abarcan el espesor total de la pa-red. Estas piedras, que se notan en cada cara, sontlamadas diatonoi, y por su poder de amarre contri-buyen grandemente a la solidez de la pared".

    Un aspecto que resulta particularmente interesan-te es el empleo de aditivos para mejorar algunascaractersticas de los materiales y en particular delos morteros. Vitruvio menciona las ventajas de adi-cionar ladrillos molidos al mortero, para reducir su con-traccin, y explica el efecto positivo en la resistenciay en la durabilidad que da el empleo de la puzolana'

    INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    Para fines de clculo de la resistencia de los elementos de mampostera, se recu-rre normalmente a reglas empricas, pero tambin se han empleado dos hiptesisextremas sobre el comportamiento de la mampostera: una es la de n comporta'miento linesl hasta la falla, 1o que da lugar al empleo de las frmulas de teoraelstica para el clculo de esfuerzosl la otra es la de un comportamiento "plstico",segn eliual antes de la falla es factible que toda el rea de la seccin que est sujetaa esfuerzos de compresin, alcance el esfuerzo mximo resistente en compresin'Aunque esta ltima hiptesis puede parecer muy alejada del comportamiento de unmaterial relativament" fragit, como la mampostera, es la que permite mejores esti-maciones de la resistencia, ya que la redistribucin de esfuerzos que se presentaantes de la falla produce una condicin mucho ms cercana a la plastificacin que a1a distribucin lineal.

  • MATERIALES ESTRUCTURALES t

    =r distintas pocas se encuentra mencin de diferen-:=s aditivos empleados para mejorar algunas propie-:ades de los materiales; algunos de ellos resultan''a:camente curiosos. Sickel (1 981) ha realizado una-::opilacin y estudio de los efectos de algunos de=s::s aditivos orgnicos y los clasifica por el efecto:-s oroducen.

    Ptastiicantes, que tienen el propsito de hacer-=s :rabajable el mortero y, al reducir la cantidad de=:-a necesaria, mejoran su resistencia y durabilidad.S: :an empleado para este propsito clara de huevo,:: a animal, leche, aceite vegetal, resina, pasta de:s: rcol, etc.

    Estabitizadores de volumen, que reducen la con-:'a:cin por fraguado del mortero: yema de huevo,::::es, grasas y ceras.

    Impermeabitizantes, que reducen la absorcin dea;-a del mortero: cola animal con cido tnico, betn,=-- srn de ceras, aceite mineraly cera de abeja'

    Adhesivos,que aumentan el amarre del mortero::- a piedra: gelatina, colas animales y vegetales,I -::^ casena, resinas.

    lnclusores de aire, para aumentar la durabilidad:= -o(ero (aunque pueden afectar la resistencia)::=-,::a. orina, pellejo animal.

    Ref uerzos, que dan unin a la mezcla y mejoran la:--=- dad del mortero:pelo animal, paja, arroz, elc'

    4etardadores de fraguado, que aumentan el tiem-:: =- r-e se puede trabajar la mezcla: azcar, san-ai: : ='a de huevo.

    - -

    - - -!n ms comn de carga para un elemento de mampostera es la de la

    r,r-rbinacla con un momento flexionante, debido ste generalmente a la

    - :..: JtrtdiCin de carga se reduce la carga axial que es capaz de resistir el

    - r-r: romar en cuenta los efectos de la excentricidad y de la esbeltez.-

    - : iiciente de mejorar el comportamiento de la mampostera ante cargas- -:, :.. es mediante la aplicacin de tn confinamiento q]ue restrinja la ex-

    -

    -':t;. fr)r efecto de Poisson. Esto se ha aprovechado en diversos procedi-.

    --- =. rtuerzo de elementos de mampostera sujetos a condiciones crticas

    . _ -

    lt , :e \.e en el captulo correspondiente. Experimentalmente. se han-

    : tr;>itrrles que relacionan la manera en que la aplicacin de un esfuerzo_ : - - .,:-.rn.riento. aumenta el esfuerzo de compresin resistente y, sobre todo,

    : : falla.

    Una descripcin particularmente potica de la prc-tica para fabricar buenos ladrillos se encuentra en unantiguo texto hind.

    ..."5e seleccionar suelo libre de grava, piedras,races, huesos y grumos, que contenga arena fina,que sea de color unforme y agradable al tacto. Pri-mero hay que echar una masa de suelo en agua quetenga una altura hasta las rodillas, despus hay querevolverla y amasarla cuarenta veces con los pies.Hay que humedecer la mezcla con agua en que sehayan deiado reposar cortezas de pino, mango y lasfrutas de los tres rboles, y continuar amasando lamezcla por un mes. Despus los ladrillos.'.debernser secados completamente para despus hornearlosde manera uniforme; despus de 1, 2, 3 4 mesestos ladrillos debern ser echados en agua por un ex'perto; despus debern ser sacados del agua, seca-dos completamente y hasta entonces usados en laobra planeada. Las tadrillos debern ser recin he-chos, y todos tos otros materiales de construccindebern ser cortados a extrados en el momento de-bido, y usados slo para el edificio para elcual esta'ban destinados". (tomado de Fitchen, 1986, con refe-rencia attexto hind "Mayamata").

    Cuando se piensa en el costo que representabaincorporar muchos de estos aditivos a los elementosde mampostera de dimensiones masivas que seempleaban en pocas antiguas, resulta difcil creerque pudieran emplearse a gran escala' Probablemen-te su empleo se limitaba a los acabados, aplanadoso enlucidos, y slo excepcionalmente a los elemen-tos estructurales mismos.

  • 38 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    El elevado peso de este esplndidopalacio neoclsico del siglo XVlll,

    construido sobre el suelo blando delcentro de la ciudad de Mxico, ha

    dado lugar a hundimientosextraordinarios. Una carga uniforme

    sobre un rea rectangular produceen los estratos inferiores de suelo,esfuerzos mayores en el centro del

    rea cargada que en su periferia;por ello el hundmiento es mayor en

    la parte central y da lugar a unacaracterstica en forma de cazuela.Los hundimientos diferenciales son

    particularmente nocivos para losmuros de mampostera, porque

    inducen tensiones que estos sonpoco aptos para resistir. Sin

    embargo, en las arcillas blandas dela ciudad de Mxico los

    hundimientos ocurren muylentamente en el tiempo, lo cualpermite que la mamposteria se

    deforme por fluio plstico, limitandoas los agrietamientos de los muros.

    Si se adopta la hiptesis de ladistribucin lineal de esfuerzos enla seccin, se obtiene la expresin

    clsica para la reduccin de lacapacidad de carga en funcin dela excentricidad con que se aplica

    dicha carga. Con la hiptesis deque antes del colapso se logra unadistribucin uniforme de esfuerzos

    en la zona de compresin, seobtiene una expresin menos

    conservadora para dicha reduccinde capacidad de carga.

    o

    I8otr

    Po = on bh

    a)6-

    a) Comportamiento elstico lineal,toda la seccin a compresin

    I 'l \e= e.[

    *6".,.J, para0

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    2.6 Madera- :iedra. la madera es el material ms empleado desde la ms remotaSu disponibilidad, su bajo peso y su buena resistencia a esfuerzos de-,ron atractiva, particularmente como elemento estructural para techos

    r:_11.nte. se ha empleado para columnas y tambin como elemento: :: paredes. En diversas regiones se recuri a ella como refuerzo de: *- ilrmpostera, colocndola como poste interno en columnas o como

    39

    Efecto de la presinlateral deconfnamentoen la curvaesfuerzo-deformacinde la mampostera

    La presin de confinamiento seopone a la tendencia a la exPansinlateral del material sometido a com-presin axial; con ello se difiere elagrietamiento vertical y la falla delconjunto. Como se aPrecia en lafigura, si se aplica una Presinlateral de confinamiento igual a lamitad del esfuerzo de comPresinimpuesto, se incremenla al doble laresistencia, y a ms del doble ladeformacin necesaria para llevar ala falla el elemento de mampostera,

    t

    -..:-. =:.-.-el v horizontal en muros. El principal propsito de los elementos de-

    _.-* j -- : - ; >.,t,: CaSoS eS permitir la liga entre los elementos estructurales (columnas

    .

    =-, r-.-rr)S rransversales entre s). Esta continuidad que no es posible lograr

    - -

    i _-

    -...::a por su falta de resistencia en tensin, se puede tener en la madera-:. jlropiadas. E,specialmente en zonas de fiecuente actividad ssmica

    r: .-- --.=:-,. por ejemplo), es comn que los edificios antiguos cuenten con un

    . -

    -: :--:dera en el interior de los elementos de mampostera'-

    -

    - :, ::inte principal es la poca durabilidad; los incendios, el intemperismo

    _ __

    -: - 1 '_igico (polilla, termitas, hongos) han causado deterioro y destruccin_ : :-,:ttrlS rle madera, por lo que pocas Construcciones antiguas de este mate-.

    .. - -:

    . =r hasta nuestros das. Algunos templos japoneses de madera han dura-

    -- ^ _: " ri ) itos (el de Nara data del alo 67I d.C.); sin embargo, en ese pas es- - -

    :-.-n reconstruir los templos de madera sustituyendo sus elementos por' :

    --.:l--nte i-guales._: :-:ma que presenta la madera para su uso en estructuras de grandes

    -

    3. --rnsiste en la dificultad de reaTizar las uniones, sobre todo cuando el

    - : - -: I3 lransmitir esfuerzos de tensin. En diferentes pocas y civilizaciones

    ,*- _:..::-,llatio soluciones muy diversas e ingeniosas al respecto; sin embargo,

    ,: -':-r-=r-.i las uniones representan zonas de debilidad o de complicacin en el:

    - l->:ruCtiYO.

    : - : -:- rttterial natural, posee propiedades variables no slo de acuerdo con

    t:- : i---tt'\ aun dentro de una misma especie segn las condiciones del creci--

    -: :r'lrr1 ) de la posicin que e1 elemento estructural tena en el tronco. En---t -:. :-,-rnumentos antiguos se trataba de usar las maderas ms duras, como el

  • 40 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    roble en los pases del norte y la caoba en las reas tropicales. Posteriormente, alreducirse la disponibilidad de estas especies se recurri esencialmente a las diferen-tes variedades de pino, que son mucho ms suaves que las primeras.

    La estructura interna del rbol y su forma de crecimiento dan lugar a propiedadesmuy diferentes segn la direccin en que se aplica la carga. Se identifican haces defibras en la direccin vertical del rbol que son las que estructuran y dan la principalresistencia al tronco. Las propiedades que definen la calidad estructural de la maderaaumentan con el peso especfico de sta, el cual vara entre 600 y 1000 kg/m3, y estpicamente de alrededor de 800 kg/m3 para las pinceas.

    Por su parte, la resistencia en tensin parala direccin de las fibras es tpicamentede 100 a l2}kglcm2, mientras que en la direccin normal a las fibras, la resistenciaen tensin es tan baja que suele despreciarse en los clculos. La resistencia en com-presin en la direccin de las fibras es menor que en tensin (de 80 a 100 kg/cnf); la

    El esquema de la seccinhansversal de un tronco ilustra la

    existencia de celdas muy alargadas(tubos) que son las que eshucturanel tronco y le dan alta capacidad a

    esfuerzos en la direccin de lasceldas y propiedades muy inferioresen la direccin transversal. Tambin

    se ilustra que, ante cargas decompresin, la capacidad est

    limitada por el pandeo de laseslructuras tubulares esbeltas. Estefenmeno no ocurre ante cargas de

    tensin, por lo que se alcanzanresistencias si gnif icativamentemayores (Robles y Echenique,

    1 983).

    I

    1

    rlti

    '1,'r,l),,

    ilt

    Tabla2.4. Esfuerzos permisibles para madera seca de primera, segn Reglamento DDF-1966(aplicables para cargas de larga duracin)

    ' :;'.'

    .; ; :.

    ,..';::,,,:,,,,

    0o*eep.t

    :9IetrS

    Esfuerzo en flexin o tensin simple

    Mdulo de elasticidad en flexin o tensin simple

    Esfuerzo en compresin paralela a las fibras

    Esfuerzo en compresin perpendicular

    Mdulo de elasticidad en compresin

    Esfuerzo cortante

    196

    1 96 000

    143

    54.5

    238 000

    35

    60

    79 000

    57

    7

    95 000

    10

    Los esfuerzos se dan en funcin del peso especifico de la madera, y. Si no se cuenta con informacin sobre el pesoespecfico de la madera, se recomienda se tome T = 0.4.

  • 41MATERIALES ESTRUCTURALES

    Deformacin

    Como consecuencia de la eslructurainterna ilustrada en la figuraanterior, la curva para carga detensin alcanza resistenciasmayores que la conespondiente acompresin. Ntese que estasituacin es opuesta a la que se daen las mamposteras.

    La figura ilustra la variedad de usosestructurales que se daban a lamadera en las construccionesprehispnicas: como elernento decubierta, como viga de soporteprincipal del techo, como elementosecundario de techo, como refuerzode muros de barro y como refuerzode columnas de mampostera.

    o6qqtqIIJ

    *tro!otsq

    se debe a la posibilidad de pandeo de las fibras que son muy esbeltas. Laen compresin normal a las fibras se encuentra entre 15 y 30 kg/cm2, y el

    otante resistente entre 15 y 2}kglcrfi. El mdulo de elasticidad tpico esI,qn kgk.Valores ms especficos de las especies ms comunes se en-

    cn los manuales de diseo de este material.I csfrerzos resistentes bsicos corresponden a madera sana, sin nudos. La

    b se ve seriamente afectada por la presencia de nudos y por desviacionespcin de las fibras con respecto al eje del elemento. Se cuenta con factores

    de la resistencia bsica para tomar en cuenta dichos defectos. Otro factorl-*era Ias propiedades mecinicas de la madera es su contenido de humedad.f, qnles especifican factores reductivos tambin para este concepto. En laq*fin de elementos deteriordos de madera, hay que procurar que los nuevosbsteigan un muy bajo contenido de humedad para que su comportamientolqan:ble con el de los existentes, que han desa:rollado totalmente su proceso&d.

  • 42 INGENIERIA ESTRUCTURAL DE LOS EDIFICIOS HISTORICOS

    a) Anclajes de tirantes b) Templadores

    La variacin de la humedad ambiental produce cambios volumtricos importan-tes en la madera (expansin en temporada hmeda y retraccin en poca de secas);esto es particularmente crtico para los elementos de madera embebidos en muros ocolumnas de mampostera o de piedra. Las expansiones de la madera llegan a frac-turar la mampostera; las contracciones por secado de la madera tienden adems aproducir agrietamiento de los elementos de este material. Este no suele tener conse-cuencias directas en la resistencia del elemento, pero facilita la penetracin de in-sectos y agentes biolgicos, acelerando el proceso de degradacin del material.

    2.7 MetalesNingn metal fue usado extensamente como elemento estructural primario hastatiempos relativamente recientes (siglo XIX) . El bronce tuvo algunas aplicacionesaisladas con preferencia al hierro por su mayor durabilidad al no ser sujeto a corrosin.En el Pantheon de Roma (siglo II d.C.) se emplearon elementos de bronce para lasarmaduras de techo. Las ms frecuentes aplicaciones de los metales (bronce y plo-mo) fueron para grapas, principalmente en ranuras dejadas en los grandes bloquesde cantera. Su objetivo, ms que el de proporcionar liga era el de fijar la posicin delos bloques sobrepuestos.

    El hierro fundido se us para tensores desde pocas antiguas, para lo cual sedesarrollaron diversos sistemas de anclaje. Estos anclajes no contaban en generalcon sistemas de ajuste para tensar el tirante; para ello se utilizaban cuas y, frecuen-temente, se calentaba la bana en toda su longitud antes de fijarla, para que al enfriar-se se acortara y quedara tensada.

    Elhierro fundido se obtena del mineral de hierro al calentarlo con un combusti-ble (carbn), que funcionara como reductor de oxgeno. Hasta el siglo XV las tem-peraturas que se alcanzaban eran apenas suficientes para extraer el hierro queera batido por el herrero. Despus se usaron temperaturas mayores para las cuales elhierro fundido toma nuevamente oxgeno del carbn y puede vaciarse formando

    El empleo de tensores metlicos enforma de banas o de soleras era

    relativamente frecuente en Iasconstrucciones antiguas. En la

    mayora de los casos, su inclusinera resultado de accionesconectivas de defectos de

    compoamiento de la eslructura.Uno de los aspectos crticos fueronlos anclajes y las uniones, para los

    cuales se idearon diferentesdispositivos.

  • MATERIALES ESTRUCTURALES

    que se vuelven a fundir y colarse en moldes con la forma deseada. Eldo as obtenido, tiene alta resistencia y puede dar lugar a elementos detaicas uniformes. Slo en el siglo XVIII este material lleg a ser suficiente-

    mmico como para su uso estructural a escala importante.E h:rrtt colado es un material de buena resistencia, pero notablemente frgil

    rc:ujeta a esfuerzos de tensin, debido a su alto contenido de carbono. Porqleado principalmente para elementos en compresin, como postes, co-r reos. Las conexiones fueron adaptadas de las usuales en estructuras deL-na aplicacin particularmente importante del hierro colado fue en el Pala-

    Crn"al- en Londres, donde a mediados del siglo XIX, se emplearon tcnicas.ie prefabricacin en una estructura sumamente ligera y atrevida.

    t- res del siglo XIX se comenzaron a usar el hierro dulce y el acero; en sted subono es removido de los lingotes de hierro, eliminando as el carcter

    }l hL-rro colado; esto permite rolar elementos de secciones variadas y enlryitudes. La trabajabilidad del acero permiti el desarrollo de formas de

    ris eficientes y sencillas, como los remaches, los pernos o tornillos, y la[-a tecnologa de las estructuras de acero, su comportamiento estructura]

    de diseo son propios de la construccin moderna y fuera del alcance

    !}mtttemas principales de los elementos de hierro y acero su sensibilidad al [r corrosin; ambos factores han hecho que muchas estructuras metlicasrr baan sobrevivido. Otrarazn para lo mismo ha sido el robo de esteIrrr su alto costo y Ia facilidad de ser reusado.

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    Falacio de Cristalen Londres

    La construccin ms destacada enhierro colado es este edificio, reali-zado para la Feria de Londres de1 851 . El proyecto y construccinfueron asignados a J, Paxton, unjardinero, quien aplic la experien-cia que haba adquirido en la cons-truccin de invernaderos. El edificiocubra un rea de 77000 m2, y fuerealizado en solo seis meses desdesu concepcin hasta su entrega. Laestructura estaba constiluida porcolumnas y vigas modulares prefa-bricadas, desmontables e inlercam-biables. El peso total de la estructu-ra era cercano a 5000 toneladas.Dej huella como ejemplo de indus-trializacin del proceso constructivo.Al terminar la feria, el edificio fuedesmontado y reconstruido en otrositio, con algunas modificaciones.

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