sociedad mexicana de ingeniería estructural propiedades

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

PROPIEDADES MECÁNICAS DE MAMPOSTERÍAS DE LAS CIUDADES DE MÉRIDA Y

COLIMA

Agustín Orduña Bustamante1, Jorge Luis Varela Rivera2, Ramiro Licea Panduro1, Luis Enrique Fernández Baquiero2, Guillermo Roeder Carbo1 y Amador Terán Gilmore3

RESUMEN En este trabajo se comparan las propiedades mecánicas de las piezas morteros y mamposterías elaboradas en las ciudades de Mérida, Yuc. y Colima, Col. El objetivo es observar cómo las circunstancias locales de cada cuidad determinan las características de los materiales de construcción. Asimismo, se comparan con las propiedades propuestas por las Normas del DF, que son de uso general en el país. Se concluye que las mamposterías no tienen comportamientos significativamente distintos, a pesar de sus diferencias geométricas. Asimismo, es necesario mejorar la calidad de las piezas y los morteros.

ABSTRACT This work compares the mechanical properties of masonry pieces, mortars and masonries built at Merida, Yucatan and Colima, Colima, in Mexico. The objective is to observe how the local circumstances of each city determine the characteristics of the building materials. Also, the work compares these properties with those proposed by the Federal District Norms, which are generally used through all the country. The conclusion is that the masonries have no significant differences in behavior, despite of the distinct geometrical characteristics. Also, the masonry pieces and mortars quality need to be improved.

INTRODUCCIÓN El territorio de la República Mexicana está sujeto a distintos fenómenos naturales que tienen el potencial de producir desastres entre la población. Estos fenómenos pueden ser de índole geológica, como sismos o actividad volcánica; o de carácter hidro-meteorológico, como huracanes o inundaciones; entre otros. La actividad sísmica afecta principalmente a los estados del Pacífico mexicano, mientras que los huracanes, históricamente, han producido más daños en la Península de Yucatán y las costas del Golfo de México. El nivel de daños que pueden producir estos fenómenos naturales está en función tanto de la intensidad del evento, como de la vulnerabilidad de las construcciones ante ese tipo de solicitaciones, en una zona en particular. Dado que no se tiene control de la intensidad de los fenómenos de la naturaleza, la única forma que tiene el ser humano para reducir los daños, es hacer construcciones con menor vulnerabilidad. A su vez, la forma de reducir la vulnerabilidad de las construcciones ante estos fenómenos involucra contar con buenos diseños estructurales y garantizar una buena calidad en la ejecución de las obras.

1 Profesor del Cuerpo Académico de Vulnerabilidad de Estructuras. Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima. km 9, carretera Colima-Coquimatlán, Coquimatlán, Colima, México. Tel: (312) 3161167, Ext. 51304, 51300 y 51303; Fax: (312) 3161167. Correo electrónico: [email protected], [email protected] y [email protected]. 2 Profesor del Cuerpo Académico de Estructuras y Materiales. Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán. Av. Industrias No Contaminantes por Anillo Periférico Norte s/n. A. P. 150 Cordemex, Mérida, Yucatán, México. Tel: (999) 930-05-50, Ext. 1074 y 1021; Fax: (999) 930-05-59. Correo electrónico: [email protected] y [email protected]. 3 Profesor del Cuerpo Académico Área de Estructuras. División de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, Av. San Pablo N° 180, colonia Reynosa Tamaulipas, Delegación Azcapotzalco, México, DF. Tel: (55) 53189459. Correo electrónico [email protected].

XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 2012.

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En México, el único reglamento de construcción que incluye recomendaciones específicas para el diseño y construcción de estructuras de mampostería es el del Distrito Federal. En el resto de la República, los reglamentos de construcción hacen referencia a las Normas de Mampostería del Distrito Federal (GDF, 2004). Sin embargo, las propiedades mecánicas de las mamposterías varían significativamente, dependiendo de los materiales y de las prácticas de construcción de cada región, principalmente. Por esta razón, en años recientes varias entidades de la República han estado trabajando en la obtención experimental de las propiedades mecánicas de las mamposterías locales. Como ejemplos de esto se tienen los trabajos de Ortega y Arroyo (2008) sobre mamposterías de Chipancingo, Gro.; Quiñónes y otros (2008) con mamposterías de Culiacán, Sin.; Ruiz y Aguilar (2006) sobre mamposterías de Tuxtla Gutiérrez, Chis.; Varela y otros (2008 y 2009) con mamposterías de Mérida, Yuc.; Cárdenas y otros (2009), Sánchez y otros (2010), Santana y Sánchez (2012) con mamposterías de Colima, Col. En noviembre de 2008 se crea la Red para el desarrollo e innovación en Ingeniería Estructural, promovida y financiada por PROMEP. En la Red participan Cuerpos Académicos de cuatro Universidades: la Autónoma de Yucatán (UADY), la Autónoma Metropolitana (UAM), la Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH) y la de Colima (U de C). El primer proyecto desarrollado por la Red se denomina Reducción de la vulnerabilidad de estructuras de mampostería y puentes ante riesgos naturales, que inició en 2009 y concluirá a finales de 2012. Como parte de este proyecto, la UADY y la U de C han hecho caracterizaciones mecánicas de mamposterías típicas de las ciudades de Mérida y Colima, respectivamente. En la actualidad, se cuenta con información de las propiedades de materiales (piezas y morteros) y de las mamposterías de ambas localidades. Para las piezas se cuenta con resistencias a compresión, dimensiones, absorciones, entre otros parámetros. Se han medido las resistencias de los morteros. Asimismo, de las mamposterías se han medido adherencias, resistencias a compresión axial de pilas, resistencias a compresión diagonal de muretes, módulos de Young y rigidez al cortante, entre otros parámetros. El objetivo de este trabajo es comparar las propiedades mecánicas de los materiales y las mamposterías de las ciudades de Mérida, Yuc, y de Colima, Col. entre sí y con las propiedades sugeridas por la GDF (2004). La ciudad de Mérida continuamente se ve sometida a la acción de fuertes huracanes, mientras que la ciudad de Colima se encuentra sujeta a la acción de sismos intensos. Puede esperarse que la comparación de las propiedades mecánicas de las mamposterías de estas ciudades refleje la forma en que las prácticas constructivas en dos lugares tan distintos entre sí, se han adaptado a sus circunstancias locales.

LAS MAMPOSTERÍAS MÉRIDA En la ciudad de Mérida, como en toda la península de Yucatán, las piezas de mampostería que se usan comúnmente son huecas, hechas de concreto, figura 1. Las piezas se elaboran con 20 cm de alto, 40 cm de largo, y espesores de 10, 12, 15 y 20 cm. Los bloques con espesor de 10 cm se usan solamente en muros sin función estructural, mientras que los espesores de 12, 15 y 20 cm se usan con fines estructurales. Como se aprecia en la figura 1, estas piezas tienen tres celdas verticales. Al colocar las piezas en cuatrapeado a ½, ninguna de las paredes internas coinciden con las de las hiladas superior o inferior. Por tal motivo, para hacer las juntas horizontales, únicamente se coloca mortero en las caras externas de la pieza, paralelas a la longitud del muro. Los morteros comunes en esta zona tienen, en su mayoría, alguna de las siguientes proporciones: 1:2:7, 1:2:6 y 1:2:5 en volumen de cemento portland, cal y arena, respectivamente. COLIMA La ciudad de Colima, se encuentra conurbada con Villa de Álvarez, sin embargo, en lo que sigue se mencionará únicamente el nombre de la primera, por ser la mayor y la capital del Estado de Colima. En esta zona urbana, así como en todo el Estado, se acostumbra usar como piezas de mampostería tabicones de jalcreto de 10x14x28 cm, así como ladrillos de barro recocido de 10x14x28 cm y 5x14x28 cm (las dimensiones son alto, ancho, largo). El jalcreto es un concreto con agregado de jal, que es una piedra volcánica muy porosa y liviana. Los muros estructurales siempre son de piezas macizas. Los morteros más usados en Colima tienen proporción 1:3 ó 1:3.5 en cemento de albañilería y arena. También se usan, menos

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frecuentemente, otros proporcionamientos de cemento de albañilería-arena, o cemento portland-arena, o cemento portland-cal-arena.

Figura 1 Piezas de mampostería de Mérida

LOS ENSAYES A continuación se describen los ensayes que se llevaron a cabo para determinar las propiedades mecánicas de las mamposterías de Mérida y Colima. En ambos casos se siguieron las normas mexicanas correspondientes. En particular, para determinar la resistencia a compresión de las piezas, se siguió la norma ONNCCE (2004); para medir la resistencia a compresión de los morteros se siguió la norma ONNCCE (2001); las pruebas a compresión axial de pilas siguen la norma ONNCCE (2003a); las pruebas a compresión diagonal de muretes siguen la norma ONNCCE (2003b). MÉRIDA González (2006) ensayó pilas de mampostería representativas de la ciudad de Mérida. Las pilas tenían dimensiones nominales de 60x40x15 cm, sin considerar el espesor de las juntas. Las juntas tenían aproximadamente 1 cm de espesor y se colocó mortero sólo en las paredes exteriores de las celdas, paralelas a la longitud de los bloques, de acuerdo con la práctica del Estado de Yucatán, figura 2. Se usaron bloques huecos de 20x15x40 cm. Marín (2008) ensayó muretes de mampostería con dimensiones 120x120x15 cm, figura 3. Las juntas de mortero tenían aproximadamente 1 cm de espesor y se colocó sólo en las paredes exteriores de las celdas. Se usaron bloques huecos de 20x15x40 cm. COLIMA Cárdenas y otros (2009) realizaron ensayes en pilas de mampostería de uso común en Colima. Como piezas se usaron tabiques de barro rojo recocido de 5x14x28 cm y de 10x14x28 cm, así como tabicones de jalcreto de 10x14x28 cm. Se usó un mortero con proporción 1:3 en cemento de albañilería-arena y las juntas tenían 1 cm de espesor aproximadamente. Las pilas tenían dimensiones aproximadas de 43x28x14 cm. La figura 4 muestra dos ejemplos de pilas ensayadas. Sánchez y otros (2010) ensayaron muretes con los mismos materiales mencionados arriba. Los especímenes tenían dimensiones aproximadas de 43x43x14 cm. La figura 5 ilustra estos ensayes. Santana y Sánchez (2012) realizaron una campaña en la que se ensayaron tanto pilas como muretes. Las dimensiones de los especímenes son similares a las mencionadas arriba, las piezas usadas fueron ladrillos de barro rojo recocido de 10x14x28 cm y tabicones de jalcreto de las mismas dimensiones nominales. El mortero tenía proporción 1:2:6 en cemento portland, cal y arena. Al momento de escribir este trabajo se realiza una nueva campaña experimental de pilas y muretes. Las piezas son también ladrillos y tabicones de 10x14x28 cm y se usan distintas dosificaciones de mortero. Hasta este momento se


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cuenta con la información completa de las pilas y se incluye en la información que se presenta a continuación. Está pendiente de concluirse el trabajo con los muretes y se incluirá la información que resulte en un trabajo futuro.

Figura 2 Pilas de mampostería de Mérida

Figura 3 Muretes de mampostería de Mérida

PROPIEDADES MECÁNICAS PILAS En la figura 6 se muestra una gráfica en la que en el eje horizontal se representa la resistencia de diseño de las piezas, f*p, y en el eje vertical la resistencia de diseño a compresión axial de las pilas de mampostería, f*m. Se

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presentan en series distintas los resultados de las mamposterías de Mérida, las de Colima con ladrillo de barro rojo recocido y alturas de 5 y 10 cm, y con tabicones. Asimismo, se presentan las líneas de tendencia para estas cuatro series. En primer lugar se observa una fuerte dispersión de los resultados, como es de esperar con las propiedades mecánicas de mamposterías. Sin embargo, es interesante observar que todos los resultados se agrupan en una misma nube de puntos. No hay diferencias muy significativas entre las mamposterías de Mérida o de Colima, o entre las mamposterías de diferentes piezas en esta última ciudad. Aparentemente, los ladrillos de 5 cm de Colima tienen resistencias ligeramente mayores que el resto de las piezas, sin embargo, esto puede ser un efecto de la baja esbeltez de las piezas y que, por tanto, la prueba a compresión no sea representativa de la resistencia del material.

Figura 4 Pilas de mampostería de Colima

Figura 5 Murete de mampostería de Colima Los bloques de Mérida y los tabicones de Colima tienen resistencias similares, aún cuando los primeros son huecos y los segundos son macizos. Esto puede deberse a la baja calidad de los agregados de los tabicones de Colima (Cárdenas y otros 2009). También es importante notar que GDF (2004) sugiere que las resistencias mínimas de ladrillos de barro rojo recocido y de piezas de concreto sean de 6 MPa y 10 MPa, respectivamente. La figura 6 muestra que las piezas de ambas ciudades, en general, no cumplen con esta


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recomendación. Sin embargo, las resistencias a compresión axial de diseño de estas mamposterías sí cumplen, en general, con lo recomendado en GDF (2004), que es f*m=1.5 MPa.

Figura 6 Gráfica f*p – f*m Las resistencias a compresión de las cuatro mamposterías son muy similares; aquí también debe tomarse en cuenta que las mamposterías de Mérida se construyen con juntas que abarcan sólo las caras externas de las piezas. En cuanto a las líneas de tendencia, todas presentan una pendiente positiva. Llama la atención que las líneas de tendencia de las mamposterías de Mérida y las de ladrillo de 5 cm de Colima, son bastante similares. En el caso de la línea de tendencia de los tabicones de Colima, es la que presenta una pendiente mayor y una dispersión menor (el coeficiente de correlación es R2=0.81), por lo que puede decirse que en este tipo de mampostería, la resistencia a compresión de las piezas es un buen indicador de la resistencia a compresión axial de la mampostería. Con el fin de comparar la variabilidad de las propiedades en compresión de piezas y mamposterías, en la figura 7 se presenta una gráfica con los coeficientes de variación correspondientes. Aquí cp es el coeficiente de variación de la resistencia de las piezas y cm el de la resistencia a compresión axial de las pilas de mampostería. En este aspecto también se observan comportamientos muy similares de las cuatro mamposterías. La figura 8 presenta la gráfica resistencia de diseño del mortero, f*j, contra la resistencia de diseño de las pilas de mampostería, f*m. Se presentan las series para las mismas mamposterías de la figura 6. En este caso no se presentan las líneas de tendencia porque no ayudan a comprender el comportamiento de las variables representadas. De hecho se observa prácticamente nula correlación entre la resistencia del mortero y la resistencia de la mampostería. La figura 9 presenta la gráfica resistencia de diseño de las pilas, f*m, contra el módulo de Young promedio, Em. Se presentan, asimismo, las líneas de tendencia. De esta figura es claro que las mamposterías de piezas de concreto, las de Mérida y las de tabicón de Colima, tienen valores más altos del módulo de Young, respecto de las mamposterías de piezas de barro. También es de resaltar que las líneas de tendencia de las mamposterías de ladrillo de Colima son muy similares entre sí. Asimismo, la línea de tendencia de la mampostería de tabicón de Colima es la que presenta la pendiente mayor y su coeficiente de correlación (R2=0.64) relativamente alto. El coeficiente de correlación para la mampostería de ladrillo de 5 cm es el más alto, de R2=0.78. Lo anterior indica que la resistencia a compresión axial de diseño es un buen predictor del módulo de Young, para las mamposterías de Colima, aunque para la mampostería de piezas de 10 cm de alto, el coeficiente de correlación baja a R2=0.42. En el caso de las mamposterías de Mérida, el valor alto de la

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Lineal (Mérida)

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Lineal (Colima, tabicón)

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f*p(MPa)

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ordenada al origen (3500 MPa) de la línea de tendencia, sugiere que tal vez una ecuación no lineal sea una mejor opción para ajustar una curva a los resultados experimentales.

Figura 7 Gráfica cp – cm

Figura 8 Gráfica f*j – f*m MURETES En la figura 10 se muestra una gráfica de la resistencia de diseño de las piezas, f*p, contra la resistencia de diseño a compresión diagonal de los muretes, v*m. Se presentan en series separadas las mamposterías de Mérida, las de Colima de ladrillo de 5 y 10 cm de altura y de tabicón. Se presentan también las líneas de tendencia para cada serie. Desafortunadamente, en el caso de muretes se dispone de menor cantidad de información que en el de pilas. De la información disponible, se puede comentar que las mamposterías de Mérida tienen resistencias de diseño a compresión diagonal ligeramente menores que las de Colima. La resistencia de las piezas no es un buen indicador de la resistencia a compresión diagonal de las mamposterías de Mérida y de las de ladrillo de Colima. Esto es entendible porque los modos de falla en estos tipos de mamposterías se dan, casi exclusivamente, por agrietamiento a través de las juntas (Marín 2008, Sánchez y

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cp

cm

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Mérida

Colima, ladrillo 5

Colima, ladrillo10

Colima, tabicón

f*m(MPa)

f*j(MPa)


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otros 2010). Para las mamposterías de tabicón de Colima, por otro lado, la resistencia de las piezas sí es un buen indicador de la resistencia a compresión diagonal de las pilas de mampostería, ya que el coeficiente de correlación es R2=0.60, que es bastante mayor que en los otros tres casos.

Figura 9 Gráfica f*m - Em GDF (2004) sugiere valores de resistencia a compresión diagonal de diseño de 0.3 MPa para mamposterías de ladrillo de barro y de 0.2 MPa para las de tabicón (con morteros tipos II ó III). En la figura 10 se puede observar que hay varias muestras que dan valores inferiores a los recomendados por la norma. Esto es preocupante porque ambas ciudades, Mérida y Colima, están sujetas a acciones que producen fuerzas cortantes importantes en los muros, como viento y sismo.

Figura 10 Gráfica f*p – v*m La figura 11 ilustra la variabilidad de las resistencias de las piezas y de los muretes. En la gráfica, cp es el coeficiente de variación de la resistencia de diseño de las piezas y cv el de la resistencia de diseño a compresión diagonal de los muretes de mampostería. De la gráfica se observa que las mamposterías y piezas de Mérida presentan menos variabilidad que las de Colima, en general.

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Lineal (Colima, ladrillo10)


Em(MPa)

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Colima, ladrillo 5

Colima, ladrillo 10

Colima, tabicón

Lineal (Mérida)




v*m(MPa)

f*p(MPa)

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Figura 11 Gráfica cp – cv La figura 12 presenta la gráfica resistencia de diseño del mortero, f*j, contra resistencia de diseño a compresión diagonal de los muretes, v*m. No se presentan las líneas de tendencia porque no se observa correlación entre estas dos variables para las series representadas. Los morteros de menor resistencia son los de Mérida, que no alcanzan los 4 MPa mínimos que sugiere GDF (2004). Sin embargo, no se observa que una mayor resistencia del mortero lleve necesariamente a mayor resistencia a compresión diagonal de las mamposterías, para las muestras reportadas aquí. Es evidente que hace falta obtener más evidencia sobre la influencia de la calidad del mortero en la calidad de la mampostería. Por un lado es necesario obtener información de la calidad del mortero por cada muestra de muretes que se elabora y ensaya y; por otro lado, es importante experimentar con otras dosificaciones de morteros. La importancia de esta experimentación radica en que, como ya se mencionó, la mayoría de los muretes fallan por agrietamiento a través de las juntas, esto implica que, a pesar de la mala calidad de las piezas, los morteros no permiten alcanzar el potencial de resistencia de las mismas. Entonces, si se quiere incrementar la calidad de las mamposterías de estas ciudades, se puede empezar por mejorar los morteros que se usan en la práctica. En la figura 13 se observa la gráfica resistencia a compresión diagonal de diseño de los muretes, v*m, contra módulo de rigidez al cortante, Gm. Se observan, asimismo, las líneas de tendencia para cada tipo de mampostería. Se observa, nuevamente, que las mamposterías de piezas de concreto presentan mayor rigidez que aquellas de ladrillo de barro. Aún cuando en los cuatro casos se presentan líneas de tendencia con pendiente positiva, los coeficientes de correlación son muy bajos, el mayor es de R2=0.30 para la mampostería de ladrillo de 5 cm. También puede observarse que las mamposterías de ladrillo de barro presentan líneas de tendencia muy similares. Se intentó correlacionar el módulo de rigidez a cortante con la resistencia de diseño de las piezas, pero el resultado tampoco fue satisfactorio. Esto nuevamente sugiere que es necesario hacer más experimentación en este sentido.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo brindado por el Programa de Mejoramiento al Profesorado (PROMEP) de la Secretaría de Educación Pública (SEP) a través del proyecto para la formación de Redes Temáticas de Colaboración: “Reducción de la vulnerabilidad de estructuras de mampostería y puentes ante riesgos naturales”.

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Mérida

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Colima, tabicón

cv

cp


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Figura 12 Gráfica f*j – v*m

Figura 13 Gráfica v*m – Gm

CONCLUSIONES En este trabajo se presentaron y compararon las propiedades mecánicas de mamposterías de las ciudades de Mérida, Yucatán y Colima, Colima. En Mérida se construyen mamposterías con piezas huecas de concreto que se pegan colocando mortero únicamente en las caras externas de las celdas. En cambio, las mamposterías de Colima son de piezas huecas, de concreto o de barro rojo recocido, con juntas que abarcan todo el espesor del muro. A pesar de estas diferencias, las mamposterías de Mérida presentan un comportamiento similar a las de Colima, particularmente parecido a las de tabicón de esta ciudad. Las piezas de los cuatro tipos presentados tienen resistencias de diseño inferiores, en general, que las recomendadas por norma (GDF 2004). A pesar de ello, las resistencias de diseño a compresión axial de las mamposterías son, también en general, superiores que las recomendadas por la misma normatividad. No obstante este comportamiento observado, una primera recomendación que surge de este trabajo es la sugerencia de implantar o mejorar las medidas de control de calidad en la fabricación de piezas para mampostería en ambas ciudades.

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Mérida

Colima, ladrillo 5

Colima, ladrillo 10

Colima, tabicón

Lineal (Mérida)




Gm

(MPa)

v*m(MPa)

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Las resistencias de diseño a compresión diagonal, en los cuatro casos, no son aceptables de acuerdo con las recomendaciones de GDF (2004). Este comportamiento se atribuye a la baja calidad de los morteros usados, ya que en la mayoría de los casos, las fallas de los muretes se produjeron por agrietamiento en las juntas. Por tanto, otra recomendación y que es de aplicación más inmediata, es la de sugerir usar morteros de mayor calidad, con mayor proporción de cemento portland, en la construcción de mamposterías en ambas ciudades. Las mamposterías de Mérida y de tabicón de Colima presentan mayores módulos de Young y de rigidez al cortante que las mamposterías de ladrillo rojo de Colima. En el caso del módulo de Young, las mamposterías de piezas de concreto, presentan valores del orden de cinco veces mayores que las de piezas de barro. En el caso del módulo de rigidez a cortante, la relación es de dos a tres veces. Las mamposterías de Colima presentan resultados que indican que una línea recta puede ajustarse bien a la relación entre módulo de Young y resistencia a compresión axial de diseño. En contraste, las mamposterías de Mérida podrían ajustarse mejor a una relación no lineal. El módulo de rigidez a cortante no parece ajustarse adecuadamente a una correlación lineal con la resistencia de diseño a compresión diagonal a la resistencia de diseño de las piezas. Sin embargo, esta percepción puede deberse a que se cuenta con información relativamente escasa en el caso de muretes, tanto en Mérida como en Colima. Aquí la sugerencia es continuar realizando experimentación en muretes, particularmente con distintas dosificaciones de morteros, con el objetivo de llegar a determinar las mezclas que mejoren el comportamiento a compresión diagonal de las mamposterías.

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