RESISTENCIA MÁXIMA A CORTE DE MUROS DE ALBAÑILERÍA ARMADA: PREDICCIÓN VS RESULTADOS EXPERIMENTALES

REHABEND 2014 1-4 Abril, 2014, Santander, España RESISTENCIA MÁXIMA A CORTE DE MUROS DE ALBAÑILERÍA ARMADA: PREDICCIÓN VS RESULTADOS EXPERIMENTALES Víctor Aguilar1, Cristián Sandoval 2, Galo Valdebenito1 1 : Instituto de Obras Civiles, Universidad Austral de Chile, victor.aguilar@alumnos.uach.cl, gvaldebe@uach.cl 2 : Depto. Ingeniería Estructural y Geotécnica, Pontificia Universidad Católica de Chile, csandoval@ing.puc.cl PALABRAS CLAVE: Albañilería Armada, Predicción de la resistencia al corte, Terremoto 27F 2010 Chile RESUMEN En Chile, gran parte del parque edificado se estructura en base a muros de corte de albañilería armada. Una parte significativa de estas construcciones presentó daño estructural post terremoto del 27 de febrero de 2010. La evaluación estructural de tales construcciones requiere un análisis suficientemente preciso que permita a los técnicos tomar medidas de actuación bien fundamentadas. Como parte de una investigación más amplia, el presente artículo estudia la influencia de las principales variables que intervienen en el comportamiento sísmico de muros de corte de albañilería armada y realiza una revisión crítica de las formulaciones disponibles en la literatura para estimar la resistencia máxima al corte. Para ello, el trabajo analiza los principales daños observados en construcciones de albañilería armada tras el terremoto Mw=8,8 de Chile 2010. Luego, el trabajo compara la estimación de la resistencia máxima al corte de muros utilizando diferentes expresiones (normativas y propuestas por investigadores) con un conjunto de resultados experimentales reportados en la literatura. La información experimental empleada en la presente investigación proviene de 22 fuentes diferentes, e incluye ensayos experimentales sobre muros con unidades de ladrillo cerámico y bloque de hormigón, en condición de grout parcial y completo. Los resultados de la investigación muestran que las expresiones más precisas para la predicción de la resistencia al corte son las propuestas de Matsumura (1987) y Tomazevic (1999), para albañilería de ladrillos cerámicos y bloques de hormigón, respectivamente. 1. INTRODUCCIÓN El comportamiento mecánico de la albañilería armada es complejo, ya que presenta alta heterogeneidad en las unidades que la componen y en los morteros de pega y de relleno. Sin embargo, este material ha demostrado ser idóneo para estructuras de baja y mediana altura en zonas sísmicas. A pesar del esfuerzo investigador emprendido en las últimas décadas, los técnicos apenas disponen de métodos y criterios simplificados para la evaluación práctica de muros de albañilería armada de construcciones existentes o incluso en proyectos nuevos. De acuerdo con [1], los inmuebles construidos en albañilería armada con diseño sísmico que soportaron el terremoto de Chile de 2010 típicamente corresponden a viviendas de uno o dos pisos y multifamiliares de tres o cuatro pisos. En general, poseen muros dispuestos en dos direcciones principales formando al menos 3 líneas resistentes en el sentido transversal y 2 en el longitudinal, plantas regulares con simetría y regularidad en altura. Los muros fachada son de ladrillos cerámicos (e=14cm) o de bloques de hormigón (e=15cm) hechos a maquina y los muros medianeros con ladrillo fiscal (e=15cm) elaborados a mano. El reporte de los daños observados indica que las viviendas de 1 y 2 pisos resistieron sin daños excepto Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 1 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España algunas ubicadas en suelos no competentes. Respecto de las edificaciones de 3 y 4 niveles el comportamiento fue aceptable salvo en algunos conjuntos antiguos donde el nivel de daño fue moderado o severo. Se observó trituración de unidades en muros construidos con unidades perforadas con alto porcentaje de huecos (>30\%), hecho previamente observado por [5] en el terremoto de Tocopilla, Chile 2007. Además, los edificios construidos con bloques huecos de hormigón presentaron daños mayores que los construidos con ladrillos cerámicos. A diferencia de lo observado por [1], en la figura 1 se observan dos viviendas de albañilería armada de 2 niveles con evidentes daños por cortante. Figura 1 : Daños en viviendas unifamiliares de alb. Armada, post terremoto 27F/2010 Chile, Mw=8,8. El presente artículo realiza una revisión crítica de las formulaciones disponibles en la literatura para estimar la resistencia máxima al corte, mediante la contrastación de las predicciones con resultados experimentables disponibles. 2. BASE DE DATOS EXPERIMENTAL Los datos incluidos en este estudio provienen de 22 fuentes diferentes, de investigaciones llevadas a cabo en Australia, EE.UU., Eslovenia, Japón, Nueva Zelanda, Portugal y Chile. Se han seleccionado los especímenes que han mostrado una falla de corte evidente, los que suman un total de 259 especímenes, donde se encuentran muros construidos con ladrillos cerámicos (LC) o con bloques de hormigón (BH) (79 y 180 respectivamente). Los especímenes ensayados en estos trabajos contemplan dos modalidades: grout completo (133) o grout parcial (126). Los datos provienen de dos tipos de ensayo: voladizo (121) y biempotrado (138), en ambos casos la carga lateral aumenta de manera cíclica hasta alcanzar la falla del muro ensayado. En la tabla 1 se muestra el rango de los parámetros más relevantes para la caracterización de las albañilerías, asociados a esta base de datos. Tabla 1 : Rango de parámetros contenidos en la base de datos. 2 Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España 3. ECUACIONES PARA LA PREDICCIÓN DEL CORTE MÁXIMO El diseño de estructuras de albañilería armada es abordado por varios códigos normativos, en este artículo se estudian los siguientes: Normativa USA ACI 530 – 2005 [6]   M  A Vn  0,0834,0  1,75 u  An f m'  0,25Pu  0,5 v f yh d v s  Vu d v   Mu  0,25  Vn  0,083 6 An f m' Vu d v Mu  1,0  Vn  0,083 4 An f m' Vu d v     Normativa Canadiense CSA S.304-1 – 2004 [7] d   Vn   m vm bw d v  0,25Pd  g   s  0,6 Ash f yh v   0,4 m s   Vn  VmR  VsR (1) (2) (3) f m' bw d v  g (4) Normativa Mexicana IMNC, 2010 [8]   (5) VmR  FR 0,5vm AT  0,3P  1,5FR vm AT VsR  FR h f yh AT (6) (7) En la misma línea, una serie de investigadores han publicado expresiones para estimar la resistencia máxima al corte de muros de albañilería armada, en este documento se estudian las siguientes propuestas: Propuesta de Shing et al. (1989) [9] Vn  0,166  0,0217  v f yv An f m'  0,0217  An  L  2d '   Ash f yh f m'   w  sh  (8)        0, 76   0, 012  f m'  0, 2  0,18 h f yh f m'   0,875td  , k p  1,16 ve0,3 Vn   ku k p     h  0, 7    d  Propuesta de Matsumura (1987) [10] (9) f    1  Ash f yh  1, 026 Asv f j f yv Vn  Aw  t   b  ft Propuesta de Tomazevic (1999)[11] (10) Entre las variables que incluyen las expresiones descritas, se pueden mencionar: la resistencia prismática a la compresión de la albañilería (o la resistencia básica al corte), las cuantías y tensiones de fluencia del refuerzo horizontal y vertical, la relación de aspecto, la precompresión y el área de la sección transversal. En la mayoría de las formulaciones la resistencia máxima al corte crece conforme aumenta la raíz cuadrada de la resistencia prismática a la compresión. Por parte, de los aceros de refuerzo, todas las ecuaciones reconocen que el refuerzo horizontal y vertical participa del mecanismo resistente. Todas las fórmulas involucran la relación de aspecto, ya sea como H/L o M/VL, donde si esta razón aumenta, la resistencia al corte disminuye. La participación de la precompresión, en la resistencia al corte, también se reconoce en las formulaciones estudiadas. Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 3 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España 4. PRECISIÓN DE LA PREDICCIÓN DEL CORTE MÁXIMO Se estudia la razón entre el corte máximo experimental y el valor estimado por las ecuaciones Vexp/Vn. Cuando este valor es cercano a la unidad significa que la predicción ha sido satisfactoria. Vexp/Vn > 1 implica que se ha subestimado la resistencia y la aproximación es conservadora, al contrario, cuando Vexp/Vn < 1 la resistencia del muro se ha sobrestimado y la predicción no está del lado de la seguridad. Aplicación de fórmulas a especímenes de albañilería armada de bloques de hormigón con grout completo Media = 1,20 Desv. Est. = 0,31 Media = 1,21 Desv. Est. = 0,28 Media = 1,10 Desv. Est. = 0,21 Media = 1,41 Desv. Est. = 0,34 Media = 0,93 Desv. Est. = 0,28 Media = 1,48 Desv. Est. = 0,44 Figura 2 : Gráficas Vexp/Vn en albañilería BH GC Para esta modalidad, la ecuación más precisa es la de Tomazevic (1999). También destaca la de Matsumura (1987) por su precisión y su acotada dispersión. 4 Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España Aplicación de fórmulas a especímenes de albañilería armada de bloques de hormigón con grout parcial Media = 1,16 Desv. Est. = 0,45 Media = 1,37 Desv. Est. = 0,57 Media = 1,37 Desv. Est. = 0,97 Media = 0,89 Desv. Est. = 0,45 Media = 1,30 Desv. Est. = 0,55 Media = 1,12 Desv. Est. = 0,49 Figura 3 : Gráficas Vexp/Vn en albañilería BH GP Para esta modalidad, la ecuación más precisa es también la propuesta por Tomazevic (1999). Se observa que las desviaciones estándar crecieron considerablemente con respecto del caso anterior. Aplicación de fórmulas a especímenes de albañilería armada de ladrillos cerámicos con grout completo Media = 1,04 Desv. Est. = 0,38 Media = 1,06 Desv. Est. = 0,24 Figura 4 : Gráficas Vexp/Vn en albañilería LC GC (cont.) Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 5 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España Media = 0,97 Desv. Est. = 0,21 Media = 1,33 Desv. Est. = 0,27 Media = 0,90 Desv. Est. = 0,18 Media = 1,26 Desv. Est. = 0,18 Figura 4 : Gráficas Vexp/Vn en albañilería LC GC En esta modalidad, la propuesta más precisa es la de Matsumura (1987) con muy buena correlación. Aplicación de fórmulas a especímenes de albañilería armada de ladrillos cerámicos con grout parcial Media = 1,34 Desv. Est. = 0,48 Media = 1,19 Desv. Est. = 0,35 Media = 0,98 Desv. Est. = 0,39 Media = 1,03 Desv. Est. = 0,42 Figura 5 : Gráficas Vexp/Vn en albañilería LC GP (cont.) En esta modalidad, la ecuación más precisa es la de Matsumura (1987). También destaca la propuesta del código normativo CSA S304.1 (2004). 6 Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España Media = 0,64 Desv. Est. = 0,28 Media = 1,04 Desv. Est. = 0,49 Figura 5 : Gráficas Vexp/Vn en albañilería LC GP Una situación repetitiva en las gráficas presentadas es que en las modalidades con grout parcial, las dispersiones se elevan significativamente. Por falta de datos precisos el área efectiva de contacto fue aproximada en la mayor parte de los casos, siendo esto una de las razones del aumento de las desviaciones estándar. Respecto del fenómeno físico, las dificultades para predecir la resistencia al corte se puede asociar a la composición menos homogénea de esta modalidad. Al analizar las gráficas presentadas, se puede observar que en general, las expresiones provenientes de investigaciones muestran mejor correlación con los datos que las tomadas de normativas de diseño. Estas fórmulas se diferencian principalmente en que las propuestas de investigaciones no separan los aportes de la albañilería, el acero de refuerzo y la carga axial tajantemente como en el caso de las fórmulas normativas. Esto permite cuestionar esta práctica común en diferentes estudios al respecto, a pesar de lo anterior, las normativas estudiadas no son malas alternativas de predicción. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las fórmulas de mejor desempeño, de las estudiadas en esta investigación, fueron las propuestas por Matsumura (1987) [10] y Tomazevic (1999) [11] para albañilería de ladrillos cerámicos y de bloques de hormigón, respectivamente. Es importante notar, que la ecuación de Tomazevic (1999) [11] sobrestima la resistencia al corte (con los factores utilizados), por lo que necesita ser mejorada. Estas expresiones no siguen la tendencia de separar los aportes de la mampostería, la carga axial y el acero de refuerzo como elementos independientes, si no que reconocen interdependencias entre las variables involucradas en el mecanismo de resistencia al corte. Las ecuaciones identificadas como las más precisas incluyen en su formulación la resistencia a la compresión de la albañilería, las cuantías de acero horizontal y vertical, la relación de aspecto (h/d) e incluso la resistencia a la compresión del mortero de relleno (grout). La fórmula de Matsumura (1987) además contiene factores que dependen del tipo de ensayo utilizado y el tipo de grout del muro. Se puede suponer que estas son las variables de mayor relevancia en el mecanismo resistente desarrollado por muros de albañilería armada. Dadas las elevadas desviaciones estándar encontradas en los análisis realizados sobre albañilería con grout parcial, se recomienda preferir y fomentar la utilización de las modalidades con grout completo, éstas además presentan resistencias superiores a las albañilerías con grout parcial. En la modalidad: albañilería de bloques de hormigón con grout parcial, las elevadas dispersiones mostradas en la predicción del cortante máximo y lo informado por [1] y [5], respecto de la concentración de los daños por efectos del terremotos en este tipo de construcciones, sugieren prohibir su uso para fines estructurales. Congreso Latinoamericano REHABEND 2014 7 REHABEND 2014. 1-4 Abril, 2014, Santander, España 6. ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS BH = Bloque de hormigón LC = Ladrillo cerámico GC = Grout complete GP = Grout parcial P, V, M = Fuerza axial, corte y momento. An, AT = Área neta y área total, respectivamente Ash = Área de acero horizontal Asv = Área de acero vertical f m' = Resistencia a la compresión de la albañilería vm = Resistencia básica a corte de la albañilería 7. VmR = Resistencia a corte aportada por la albañilería VsR = Resistencia a corte aportada por el acero de refuerzo. FR = Factor de reducción de resistencia  = Factor de eficiencia del refuerzo horizontal m ,  s = Factores de reducción de resistencia (CSA) ku= Factor según tipo de grouting f j = Resistencia a la compresión Fyh = Fluencia del acero horizontal Fyv = Fluencia del acero vertical  h = Cuantía de acero horizontal  v = Cuantía de acero vertical ve = Cuantía de acero vertical de borde  = Factor de eficiencia del acero (0,4) f t = Resistencia a la tracción de la albañilería  g = Razón entre área neta y área total, menor que 0,5 del mortero de relleno AGRADECIMIENTOS Se agradece el financiamiento de CONICYT-Chile a través del Proyecto Fondecyt N°11121161. Los autores además agradecen el apoyo de la Dirección de Investigación y Desarrollo de la Universidad Austral de Chile. 8. BIBLIOGRAFÍA [1] Astroza, M., Morini, M. Efectos en los edificios de albañilería. Mw=8,8 Terremoto en Chile, 27 febrero 2010. Universidad de Chile. 2012 [2] Inst. Nacional de Normalización (INN).NCh433of1996mod2009-Diseño Sísmico de Edificios, 2009. [3] INN. NCh1928of1993mod2003-Albañilería Armada Requisitos para Diseño y Cálculo, 2003. [4] INN. NCh2123of1997mod2003-Albañilería Confinada Requisitos para Diseño y Cálculo, 2003. [5] Román, S. Vulnerabilidad sísmica de las viviendas de albañilería de bloques de hormigón del norte de Chile. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil, Universidad de Chile. (2009). [6] ACI Committee 530.1. Building code requirements for masonry structures. Masonry Standards Joint Committee. 2005. [7] CSA Standard S304.1. Design of masonry structures. Canadian Standards Association, 2004. 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