albañileria
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DIVISION ESTRUCTURAS –CONSTRUCCION Y GEOTECNIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS UNIVERSIDAD DE CHILE
APUNTES
DE DISEÑO DE ALBAÑILERIA ESTRUCTURAL 1ra. PARTE MAXIMILIANO ASTROZA I. 2007 SANTIAGO - CHILE
“Sin errores, el aprendizaje no deja huellas”
A Ximena, Paulina, Gastón y Rodrigo
CONTENIDO
Capítulo 1 Introducción 1.1 Características de la albañilería 1.2 Modalidades de refuerzo de la albañilería. 1.3 Glosario de términos 1.4 Evolución histórica de la albañilería 1.5 Bibliografía seleccionada 1.6 Listado de figuras Capítulo 2 Características de los materiales 2.1 Unidades de albañilería 2.1.1 Tipología 2.1.2 Fabricación 2.1.3 Propiedades 2.1.3.1 Resistencia a la compresión 2.1.3.2 Variabilidad dimensional y alabeo 2.1.3.3 Succión o tasa de absorción 2.1.3.4 Durabilidad 2.1.3.5 Contracción 2.1.4 Normas 2.2 Mortero 2.2.1 Aspectos tecnológicos 2.2.2 Propiedades 2.2.2.1 Ensayos para determinar las propiedades del mortero de albañilería 2.2.3 Dosificación del mortero 2.2.4 Normas 2.3 Hormigón líquido o grout 2.3.1 Propiedades del hormigón líquido 2.3.2 Dosificación del hormigón líquido 2.3.3 Normas 2.4 Acero 2.5 Bibliografía seleccionada 2.6 Listado de figuras
Capítulo 3 Propiedades de la albañilería simple 3.1 Naturaleza de la albañilería 3.2 Ensayos para determinar las propiedades de la albañilería 3.3 Resistencia a la compresión de la albañilería 3.3.1 Factores que influyen en la resistencia a la compresión 3.3.2 Resistencia a la compresión de proyecto 3.4 Módulo de elasticidad de la albañilería 3.5 Resistencia básica de corte de la albañilería 3.5.1 Factores que influyen en la resistencia a la tracción de la albañilería 3.6 Módulo de corte 3.6.1 Cálculo de la distorsión angular 3.7 Módulo de ruptura o resistencia a tracción por flexión 3.8 Normas y datos locales 3.9 Bibliografía seleccionada 3.10 Listado de figuras Capítulo 4 Propiedades de la albañilería reforzada 4.1 Albañilería armada 4.2 Albañilería confinada 4.3 Ensayos de muros 4.3.1 Muros sometidos a cargas perpendiculares a su plano 4.3.2 Muros sometidos a cargas en su plano o coplanares 4.4 Modos de falla de muros de albañilería reforzada sometidos a cargas en su plano 4.4.1 Modo de falla de muros de albañilería sometidos a compresión axial 4.4.2 Modos de falla de muros de albañilería sometidos a cargas laterales 4.4.2.1 Muros diafragmas solidarios 4.4.2.2 Muro de carga 4.5 Resultados de los ensayos de muros 4.5.1 Muros de albañilería armada 4.5.2 Muros de albañilería confinada 4.6 Bibliografía seleccionada 4.7 Listado de figuras Capítulo 5 Comportamiento sísmico de la albañilería 5.1 Causas de las fallas sísmicas de edificios de albañilería 5.2 Sismorresistencia de edificios de albañilería estructural 5.3 Sistemas estructurales 5.4 Recomendaciones relacionadas con el análisis sísmico de edificios de albañilería reforzada 5.4.1 Análisis sísmico de edificios construidos sólo con muros de albañilería 5.4.2 Análisis de edificios estructurados con muros de albañilería reforzada y muros de hormigón
armado (Edificios mixtos) 5.5 Recomendaciones sobre estructuración
5.6 Calificación sísmica de edificios de albañilería 5.7 Bibliografía seleccionada 5.8 Listado de figuras
PREFACIO En esta Primera Parte de los apuntes del curso CI 52H se entregan antecedentes y conocimientos
básicos que deben conocerse cuando se desea entender las bases y criterios sobre los que se ha
desarrollado el diseño y cálculo de construcciones de albañilería ubicadas en zonas sísmicas.
Los antecedentes entregados corresponden principalmente al resultado de la experiencia reunida y
de los estudios realizados en los países latinoamericanos, especialmente en Chile, México y Perú,
participando en ello destacados profesores universitarios y alumnos de la carrera de Ingeniería
Civil, a todos ellos debemos agradecer su esfuerzo y dedicación ya que producto de ello se ha
logrado reunir la información necesaria para lograr un diseño más racional para uno de los
materiales de mayor uso en la construcción de viviendas en la Región Andina, especialmente las
que ocupan los sectores de menores ingresos.
Maximiliano Astroza I.
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CAPITULO 1. INTRODUCCION
"Aprovechando y transformando el mundo natural,
la ingeniería crea el artificial. Ella proviene de la condición
humana la que tiene como propósito material progresar y
lograr el bienestar, tanto el comunitario como el individual."
1.1. Características básicas de la albañilería.
La albañilería es un material estructural que en su forma tradicional está formado por
unidades unidas o asentadas con mortero y construida en forma manual por un albañil.
En los últimos 40 años en la fabricación de este material se han introducido modificaciones
importantes como son:
• Incorporación cada vez más mayor de unidades hechas a máquinas (sólidas o huecas)
fabricadas con diferentes materias primas (arcilla, hormigón, hormigones livianos, etc).
• Uso masivo de mortero de cemento- arena y morteros mixtos (cemento-cal-arena).
• Incorporación de unidades que no requieren mortero para su unión (Mortarless block o
unidades tipo mecano), rellenas con hormigón líquido o "grout".
• Uso de mortero de capa delgada.
Atendiendo a las propiedades mecánicas, este material se destaca por una buena resistencia
a la comprensión y una reducida resistencia a la tracción. Esta última resistencia está controlada
principalmente por la adhesión o unión entre la unidad y el mortero y en la medida que se incorpore
hormigón de relleno o grout en los huecos de las unidades por este material. Cualquiera sea la
situación, el material resultante tiene propiedades que puede presentar variaciones importantes
derivadas principalmente de las prácticas de construcción (calidad de la mano de obra) y producto
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de las variaciones propias de los materiales que componen la albañilería (unidades, mortero y
hormigón de relleno). Propiedades y prácticas que pueden variar de un lugar a otro dentro de un
mismo país y de un país a otro.
Considerando estos antecedentes, para abordar un diseño racional con este material se
deben desarrollar en cada país los estudios necesarios para:
a. Conocer las propiedades físicas y mecánicas del material.
b. Establecer las mejores técnicas o prácticas de construcción.
c. Redactar las normas con las cuales se realice el diseño y cálculo de las
construcciones de albañilería.
1.2. Modalidades de refuerzo de la albañilería
Si bien la albañilería se ha usado en diferentes épocas para construir elementos tan diversos
como arcos, vigas y columnas, su expresión predominante en las construcciones de edificios es y ha
sido el muro. Muro que debe resistir tanto las solicitaciones provenientes de las acciones normales
(pesos propios, sobrecargas de uso) como las acciones eventuales (sismos), para lo cual debe tener
las dimensiones y los refuerzos que le permitan tener un comportamiento seguro frente a todas las
acciones que se presenten.
Si se revisa los daños que han presentado los muros de albañilería, se concluye que el
agrietamiento es el más frecuente (Figuras 1.1a y 1.1b). Este agrietamiento se produce al excederse
la resistencia a la tracción de la albañilería producto de las acciones externas o de restricciones a los
cambios volumétricos que experimenta el material debido a las variaciones de la temperatura o de
la humedad del ambiente en el cual se ubica. En forma natural las grietas se ubican en las zonas
más débiles como son las interfaces mortero-unidad, siguiendo trayectorias cuya orientación
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depende de los estados de tensión que generan las acciones externas y de los efectos que se
presentan una vez que se produce el proceso de agrietamiento.
Uno de los objetivos fundamentales del diseño de una edificación de albañilería es evitar la
ocurrencia de grietas para estados de carga que se presentan en forma frecuente, llamados en
la práctica estado de cargas normales o de servicio. Con este propósito se deben adoptar medidas
como son:
i. Materialización de juntas de dilatación o juntas de control que minimicen los efectos
derivados de cambios volumétricos (ver Figura.1.2).
ii. Incorporación de refuerzos (armaduras de acero) de manera que en la medida que se
produzcan las grietas se restrinja la propagación del agrietamiento y lo distribuyan,
reduciendo así el espesor de las grietas.
iii. Controlar la cantidad o densidad de muros con el propósito de evitar el agrietamiento ante
acciones de ocurrencia normal.
iv. Reducir los asentamientos diferenciales a nivel de las fundaciones.
En relación con los refuerzos propiamente tal, debe tenerse presente que:
i. La armadura incorporada no modifica la resistencia a la tracción de la albañilería.
ii. La armadura en un elemento de albañilería es indispensable para resistir acciones
que produzcan tensiones de tracción cuya magnitud sea incierta, como ocurre
cuando se produce un sismo.
Las formas de incorporar la armadura (Modalidades de refuerzo) son esencialmente tres y se
muestran en la Figura 1.3:
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i. La armadura se coloca en el interior de elementos esbeltos de hormigón armado,
dispuesto vertical y horizontalmente, elementos que enmarcan o confinan
completamente el paño de albañilería, formando lo que se llama ALBAÑILERIA
CONFINADA.
ii. La armadura se coloca distribuida vertical y horizontalmente en los huecos de las
unidades de albañilería y en las juntas horizontales de mortero, formando lo que se
llama ALBAÑILERIA ARMADA.
iii. La armadura se coloca distribuida vertical y horizontalmente en un espacio
construido entre dos paños de albañilería, formando lo que se llama
ALBAÑILERIA ARMADA LAMINAR O DE DOBLE CHAPA.
1.3. Glosario de términos.
Absorción. Medida de la permeabilidad de la unidad de albañilería.
Absorción máxima. Medida de la cantidad de agua que puede contener una unidad saturada.
Adhesión. Resistencia de las interfaces mortero-unidad de albañilería. Se obtiene del producto
del valor unitario de adhesión por la extensión del mortero en el área de contacto.
Adobe. Unidad de albañilería en forma de paralelepípedo recto, elaborada de barro y secada
al sol.
Aglomerante hidráulico. Producto que endurece por interacción química con el agua, y que
puede endurecer incluso bajo el agua, ejemplo: cemento.
Albañilería. Material estructural compuesto por unidades asentadas con mortero o unidades
apiladas sin él e integradas con hormigón líquido. Cuando las unidades son huecas,
normalmente se llenan con hormigón líquido o grout.
Albañilería armada. Albañilería reforzada interiormente con armadura de acero
distribuida vertical y horizontalmente en el paño de albañilería.
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Albañilería confinada. Albañilería reforzada con elementos esbeltos de hormigón armado
que enmarcan completamente los paños de albañilería.
Albañilería reforzada. Albañilería armada o confinada.
Albañilería simple. Albañilería sin refuerzo o con refuerzo que no cumple con los
requisitos mínimos de las normas.
Aparejo. El arreglo o disposición de las unidades de albañilería en un muro (ver
Figura 1.4).
Area de huecos. El área de los vacíos o huecos (ver Figura 1.5).
Area bruta. El área total sin descontar vacíos (ver figura 1.5).
Area neta. El área total menos los vacíos (ver figura 1.5).
Asentar. Colocar unidades de albañilería con mortero en un lugar predeterminado.
Bloque. Unidad de albañilería que por su peso debe manejarse con las dos manos
(ver Figura1.6).
Cal. El término se usa para referirse tanto a la cal viva, su acepción exacta, como
a la cal hidratada y a la cal hidráulica.
Cara de asiento. Superficie de la unidad de albañilería en contacto con la junta horizontal de
mortero.
Carbonatación. Reacción química entre el anhídrido carbónico (CO2) y la cal hidratada
Ca(OH2), que tiene como producto el carbonato de calcio (CaCO3).
Coeficiente de saturación. Medida de la facilidad con que una unidad puede saturarse con agua.
Hormigón líquido o grout. Hormigón de cemento de consistencia líquida con asentamiento en el
cono de Abrahams igual o mayor que 18 cm (ver Figura 1.7)
Confinamiento. Conjunto de elementos de hormigón armado, horizontales y verticales, que
enmarcan un muro.
Consistencia. Medida de la condición de líquido de un mortero.
Construcciones de albañilería. Edificaciones cuya estructura está construida
predominantemente con muros portantes o resistentes de
albañilería.
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Dimensión nominal (de la unidad de albañilería). La dimensión real más el espesor de
la junta de mortero (ver Figura 1.8).
Eflorescencia. Depósito de sales solubles, generalmente blancas y comúnmente sulfato de
calcio, que se forma en la superficie de la albañilería al evaporarse la
humedad.
Escantillón. Regla graduada que señala la altura de cada hilada (ver Figura 1.9).
Hilada. Una capa horizontal de mortero y unidades de albañilería.
Junta horizontal. La capa horizontal de mortero donde se asienta la unidad de albañilería.
Junta vertical. La junta entre los extremos verticales de dos unidades de albañilería.
Unidad de albañilería (o unidad). Ladrillo o bloque.
Unidad hueca. Unidad de albañilería cuya área neta de la cara de asiento es menor que el
75% del área bruta y cuyos huecos tienen dimensiones suficientes para ser
llenados con hormigón líquido (ver Figura 1.10)
Unidad perforada. Unidad de albañilería cuya área neta de la cara de asiento es equivalente a
menos del 75% del área bruta y cuyos huecos tienen dimensiones reducidas
y no pueden ser llenados con hormigón líquido (ver Figura 1.10).
Unidad sólida (o maciza). Unidad de albañilería cuya área neta en la cara de asiento es
equivalente al 75% o más del área bruta (ver figura 1.10).
Unidad tubular. Unidad de albañilería con huecos paralelos a su cara de asiento (ver
Figura 1.10).
Unidad apilable. Unidad de albañilería que no requiere mortero para ser instalada
como parte de un muro.
Ladrillo. Unidad de albañilería que se maneja con una sola mano.
Mortero. Material empleado para adherir horizontal y verticalmente a las
unidades de albañilería.
Muro portante o resistente. Muro diseñado y construido en forma tal que pueda
transmitir cargas horizontales y verticales de un nivel al nivel
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inferior o a la fundación. Estos muros deberán tener
continuidad vertical.
Muro no portante. Muro diseñado y construido en forma tal que sólo resiste cargas
provenientes de su peso propio y cargas transversales a su plano.
Ejemplo: las panderetas, los parapetos y los tabiques divisorios de
espacios interiores.
Parapeto. Muro no portante de baja altura ubicado comúnmente en el
perímetro del edificio a nivel del techo o alrededor de los balcones.
Retemplado. Proceso por el cual se recupera el temple de un mortero que se ha secado.
Retentividad. Capacidad del mortero para retener su consistencia al entrar en contacto con
una unidad de albañilería absorbente.
Succión o tasa de absorción. Absorción inicial de la cara de asiento de la unidad de
albañilería.
Tabique divisorio. Muro no portante que separa ambientes.
Trabajabilidad. Propiedad de los morteros que define la facilidad de su manejo con las
herramientas.
1.4 Evolución histórica de la albañilería.
Se acepta que la albañilería fue inventada hace unos 15.000 años y consistió en apilamiento
de piedras para formar un lugar donde guarecerse.
El paso siguiente en el proceso de desarrollo de la albañilería fue la utilización del mortero
de barro, paso que se dio cuando se comenzaron a integrar las primeras aldeas. En esta misma
época y ante la falta de piedra natural en algunas regiones se inventó la unidad de albañilería
formada manualmente por el hombre de una masa de barro secada al sol.
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Con el invento del molde (4000 A.C.) se fabricaron los primeros adobes lo que constituyó
un avance importante en la construcción rápida y masiva de unidades prácticamente iguales. El
adobe fue llevado al horno a principios del tercer milenio antes de Cristo, para hacer ladrillos
cerámicos, los que fueron unidos con mortero de alquitrán, y así la albañilería resultante se
convierte en el material de las construcciones más importantes del Medio Oriente.
El desarrollo de pueblos civilizados y las condiciones geológicas del lugar donde se
ubicaron las ciudades, permite encontrar albañilerías de distinto tipo:
1. En Egipto se usaron unidades de albañilería ciclópea (grandes bloques de roca) unidos con
mortero de yeso, revestidas generalmente con una mezcla de yeso y cal.
2. En Grecia se usa la albañilería de piedra caliza unidas con mortero de cal.
3. Los romanos en algunas obras usaron piedras traídas de las canteras egipcias y griegas; sin
embargo, en la mayoría de los casos emplearon piedras de sus canteras de caliza, travertino
y tufa volcánica, y la tecnología sumeria de la albañilería de ladrillo de arcilla. A esta
tecnología aportaron la invención del mortero de cemento y del hormigón.
Después de la revolución tecnológica de la construcción hecha por los romanos, el avance
de la tecnología de la albañilería en Europa se detiene por varios siglos. En el siglo XII se introduce
el arco gótico y la bóveda que posibilitan cubrir grandes luces transformando la estructuración
tradicional de la obra de albañilería; sustituyéndose los gruesos elementos por elementos esbeltos
donde se utilizan unidades pequeñas de arcilla y piedra unidas con juntas gruesas de mortero de cal.
La revolución industrial del siglo XVIII hizo extensiva la aplicación de la albañilería de
ladrillos de arcilla en Inglaterra y en ello tuvo importancia el desarrollo del horno industrial cuyo
perfeccionamiento fue acompañado por el desarrollo de la maquinaria auxiliar para la fabricación
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de unidades de arcilla como son: molinos, trituradoras y mezcladoras para las materias primas,
extrusoras y prensas mecánicas para el formado de unidades.
En América la albañilería de ladrillo llega con los colonizadores europeos, ver Figura 1.11.
En particular, en los países del cono sur de América, principalmente Perú, el ladrillo en sus inicios
no se fabrica localmente sino que se trae como lastre en los barcos y así la construcción es
principalmente de adobe y piedra hasta el siglo XIX.
La incorporación de refuerzos en la albañilería se aplica por primera vez en 1825 en la
construcción de un túnel bajo el río Támesis, obra en la que se utilizan paredes de albañilería de
ladrillo de arcilla reforzada con pernos de hierro forjado y zunchos de platabanda. En 1889 el
ingeniero francés Paul Cottancin patentó un método para reforzar albañilería y construyó edificios
con este material en París.
En el año 1920 se realizó una gran cantidad de ensayos en la India y además se construyeron
varias obras de albañilería reforzada. Siguiendo este trabajo, el Japón construyó en las primeras
décadas de este siglo edificios públicos y privados de albañilería reforzada. Por su parte en Estados
Unidos se inicia en 1913 la investigación en albañilería, apoyada por los fabricantes de ladrillos de
arcilla, determinándose con ella las bases para la investigación realizada en las últimas décadas.
La construcción de edificios altos y los requerimientos que ello impone a los edificios de
albañilería sin refuerzo o albañilería simple, la destrucción de edificaciones de albañilería simple
por sismos severos ocurridos en las primeras décadas de este siglo (California, Japón) y la falta de
conocimiento ingenieril del material, hizo que el uso de la albañilería se prohibiera en zonas de alta
sismicidad y fuera no competitivo en zonas no sísmicas. Esta situación ha obligado en los últimos
cuarenta años a racionalizar el diseño de edificios de albañilería sobre la base de investigaciones
realizadas en diferentes partes del mundo, cuyos resultados han permitido redactar normas para el
diseño y cálculo de este tipo de edificaciones.
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La racionalización del diseño conlleva la incorporación de refuerzos con configuraciones
correctas y reduce el consumo de material y, por lo tanto, el costo y el espacio ocupado. En las
zonas sísmicamente activas de países en desarrollo se ha popularizado su empleo en los edificios
del tipo multifamiliar de altura media, hasta cinco pisos, cuyos muros resistentes de 14 a 25 cm de
espesor, son de albañilería confinada y armada, diseñados, construidos y supervisados con
reglamentos o normas propias de cada país las que recogen las investigaciones y experiencias
realizadas.
1.5 Bibliografía seleccionada
i. Héctor Gallegos, 1991, "Albañilería Estructural", Pontificia Universidad Católica del Perú,
Fondo Editorial.
ii. Clayford T. Grimm, 1996, " Brick masonry in Asian Architecture", The Masonry Society
Journal, Vol. 14, Nº 2, December.
iii. R. Drysdale, A. A. Hamid y L. R. Baker, Masonry Structures. Behavior and design,
Prentice Hall, 1994.
iv. Paulo B. Lourenco, Dimensionamiento de alvenarias estructurais, Departamento de
Ingeniería Civil, Universidad de Minho, Portugal, 1999.
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Figura 1.1a Agrietamiento en fachadas de edificios de albañilería debido a cargas verticales y a
asentamiento diferencial del suelo de fundación.
Figura 1.1b Grietas por efecto de un sismo
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Figura 1.2 Junta de separación o junta de control
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Figura 1.3 Modalidades de refuerzo de muros de albañilería.
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Figura 1.4 Aparejos
Figura 1.5 Area bruta y área neta de la unidad de albañilería
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Figura 1.6 Bloque
Figura 1.7 Hormigón de relleno
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Figura 1.8 Dimensiones nominales versus dimensión real
Figura 1.9 Escantillón
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Figura 1.10 Tipos de unidades de albañilería.
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Figura 1.11Fuerte Isla Mancera, Valdivia-Chile.