UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS.

Comportamiento sísmico de estructuras de mampostería.

INTEGRANTES:

ROSAIDY MELENDEZ. C.I : 17698443

GREGORIO J. ESCALONA. C.I: 18578552

PEDRO GAUTA. C.I: 16328872

Comportamiento sísmico de estructuras de mampostería.

Introducción:La mampostería es un  sistema tradicional de construcción que consiste en erigir muros y paramentos, para diversos fines, mediante la colocación manual de los elementos o los materiales que los componen. Por miles de años la mampostería se ha empleado en construcciones, con diferentes modalidades en sus usos y con materiales distintos, la construcción de mampostería permanece hasta nuestros días como uno de los sistemas constructivos más usados en países con antigua historia, o con desarrollo tecnológico moderado o bajo.

A lo largo de los años las estructuras de mampostería han sufrido las acciones de fenómenos naturales. Los sismos han sido los responsables del mayor número de fallas, entendidas como colapsos o derrumbes. Estos desastres han llevado a países como Japón a abandonar, e incluso a prohibir la construcción de mampostería. En contraste, en otros países como los de Europa y America se han adoptado soluciones de refuerzo y confinamiento que han mejorado la capacidad sismo resistente de la mampostería, haciéndolo un material apto para ser empleado en zonas sísmicas.

La mampostería simple tiene un comportamiento frágil ante las acciones laterales cíclicas, la confinada y la reforzada tienen una mejor capacidad con una resistencia superior y mayor deformabilidad.

La acción de los sismos sobre las estructuras, edificaciones y obras en general es de gran importancia, por la magnitud de los daños y fallos que ocasionan, las grandes pérdidas económicas, y sobre todo, por el gran número de víctimas humanas, tanto en muertos como en lesionados.

Las cargas que el sismo provoca sobre las estructuras dependen de muchos factores, entre otros: las características dinámicas del evento, la zona geográfica, las propiedades del suelo y la estructura, la interacción suelo-estructura, el propio movimiento sísmico, la capacidad de liberar energía de la estructura, etc.

MAMPOSTERIA. La mampostería es uno de los materiales con mayores aplicaciones en la construcción de obras civiles. Su uso se remonta a las primeras civilizaciones que poblaron la tierra. Las ruinas de Jericó (Medio Oriente, 7350 a.c), las pirámides de Egipto (2500 a.c), la gran muralla China (200 a.c a 220 d.c), las pirámides de Yucatán en México (500 d.c), las murallas de piedra de Machu Pichu en Peru (1200 a 1400 d.c), son sólo algunos ejemplos de construcciones que dan testimonio del uso y durabilidad de este material.

Con el transcurso de los años los procesos de fabricación han ido evolucionando, sin embargo, la forma de colocación de este material continúa siendo a mano, y es ésta una de las variables que más inciden en el comportamiento final de la mampostería. Esta variable resulta difícil de controlar y, por consiguiente, puede decirse que es uno de los principales limitantes dentro de la calidad de la obra de fábrica. La mampostería es apreciada por su color, forma, textura, disponibilidad, durabilidad, por su capacidad de aislamiento térmico y por su bajo costo, en comparación con otros materiales.

La mampostería es un material integrado por piezas naturales o artificiales generalmente prismáticas, unidas por algún aglutinante o mortero. El desempeño de la mampostería cuando debe resistir acciones horizontales y verticales simultáneas puede mejorarse con la inclusión de acero de refuerzo.

El mortero está usualmente compuesto de agua, cemento y arena, no obstante en algunos casos, se adicionan otros materiales, para aumentar su capacidad de adherencia y de secado y/o hacerlo más manejable durante la construcción. La calidad del mortero es muy importante para la integridad de la mampostería, ya que éste es el responsable de garantizar la adherencia y la cohesión entre las unidades.

La mayor parte de las investigaciones desarrolladas en mampostería en el mundo han estudiado las propiedades mecánicas de los materiales.

Comportamiento de los materiales:

Piezas: La resistencia a la compresión del tabique o bloque es una de las características estructurales más importantes. Se ha encontrado que los resultados de ensayos a la compresión solo son comparables si las piezas son del mismo tipo, y que la resistencia a la compresión es afectada por el confinamiento lateral que ejercen los cabezales de la maquina universal o de prueba. En general este confinamiento depende de la relación de esbeltez de la pieza y del material empleado en la fabricación de la pieza.

La variabilidad de la resistencia es, en términos generales es elevada, aun para piezas producidas industrialmente en las cuales en el control de calidad se cuida la apariencia y la estabilidad dimensional, más que la resistencia.

Mortero: Las propiedades del mortero que influyen en el comportamiento de los elementos de mampostería incluyen el modulo de elasticidad, la resistencia a la compresión y la resistencia a la tensión. Las primeras propiedades afectan la deformabilidad y la resistencia a carga vertical de la mampostería. La ultima propiedad influye en la resistencia a la compresión diagonal de la mampostería. El control de calidad del mortero se hace mediante la obtención y ensayo a la compresión de cubos de 5cm de aristas.

El uso de morteros con cal en estructuras resistentes a sismos ha sido frecuentemente motivo de controversia. Los muros con mortero de cal tienen una capacidad superior de disipación de energía ante cargas laterales cíclicas. Estos muros se agrietan por corte, tal que la energía se disipa por el calor producto de la fricción a lo largo de la fisura.

Comportamiento de la mampostería a cortante:

Para el diseño de estructuras de mampostería no reforzada, sometidas a cargas laterales inducidas por viento o por movimientos sísmicos, es necesario evaluar adecuadamente la resistencia a cortante. Generalmente, los esfuerzos de cortante son combinados con los esfuerzos de compresión producidos por cargas gravitatorias u otras acciones. Consecuentemente, el caso puro de cortante no tiene aplicación práctica y, por lo tanto, la resistencia a cortante de la mampostería se investiga considerando el efecto de los esfuerzos de compresión en la dirección normal a las juntas horizontales. En otros casos, el estado de esfuerzos en la mampostería es más complejo (esfuerzos biaxiales) y es necesario utilizar un criterio de fallo general para evaluar la resistencia de la mampostería.

Agrietamiento escalonado diagonalmente producido por un fallo de fricción cortante.

Agrietamiento de las unidades de mampostería producido por un fallo de tensión diagonal.

Fallo por agrietamiento vertical excesivo producido por esfuerzos de compresión.

Comportamiento de la mampostería a tracción:

La resistencia a la tracción de la mampostería está principalmente controlada por la resistencia a la adherencia desarrollada en las interfaces mortero-unidad. Los ensayos realizados por Decanini y Ochat (1986) muestran que la resistencia de los paneles de mampostería no se ve afectada por la resistencia a la compresión ni del mortero ni de las unidades, mientras que la absorción de agua de las unidades de mampostería tiene una fuerte influencia.

Modos de fallo de la mampostería sujeto a tensión directa

Comportamiento de de elementos de mampostería a compresión:

La mampostería presenta un comportamiento óptimo cuando está sujeta a compresión. El valor de la resistencia a compresión de todo el panel de mampostería depende de la calidad de las unidades, del mortero y de su interacción. Factores tales como; el porcentaje de área perforada de las unidades, la humedad, la capacidad de absorción y la adherencia con el mortero, influyen considerablemente en la resistencia de un panel. En cuanto al comportamiento a cortante, puede decirse que es mucho más complejo, debido a las diferentes propiedades mecánicas de los materiales constitutivos. Por lo tanto, las teorías de fallo utilizadas para materiales homogéneos no son válidas. Diferentes tipos de fallo pueden ocurrir, dependiendo de las propiedades de los materiales y del estado de esfuerzos, principalmente, de la magnitud del esfuerzo de compresión perpendicular a las juntas horizontales de mortero.

No hay un conocimiento muy amplio acerca de la relación esfuerzo-deformación de las unidades de mampostería bajo compresión. Los resultados de experimentos en ladrillos de arcilla, indican que esta relación es casi lineal hasta el fallo, punto al que sigue un rápido decrecimiento de la resistencia. El efecto de las perforaciones sobre la resistencia a la compresión, ha sido estudiado por varios investigadores (Hendry, 1990). A partir de ensayos experimentales sobre unidades de mampostería perforadas, se ha podido comprobar que esta clase de unidades, usualmente exhiben un comportamiento muy frágil y el fallo ocurre inesperadamente. Por lo tanto, el uso de las unidades de mampostería perforadas no es recomendable para estructuras sometidas a acciones sísmicas.

Métodos de prueba: Generalmente la resistencia a la compresión y el comportamiento esfuerzo- deformación de la mampostería se determina a partir de pilas hechas con piezas sobrepuestas unidas con mortero.

El papel del mortero: El comportamiento y modos de falla de las mamposterías sujetas a cargas axiales depende de la interacción pieza- mortero. El modo de falla más común se caracteriza por agrietamiento vertical de las piezas como resultado de los esfuerzos de tensión.

Diseño sísmico de estructuras de mampostería:

La acción sísmica depende de las características dinámicas del sismo y de la estructura. La acción del sismo por lo general se expresa en forma de un espectro de respuesta elástica que relaciona el periodo de la estructura y la demanda expresada como aceleración.

Si se adopta un formato basado en el desempeño estructural, el ingeniero debe establecer objetivos de diseños simples o múltiples de modo de hacer compatible la demanda con la capacidad. Por ejemplo, un objetivo de diseño será que una

estructura no llegue al colapso ante el sismo máximo creíble que puede ocurrir en la zona.

Sobre los momentos flexionantes en la base de muros y el efecto del acoplamiento entre ellos, si se analiza un edificio modelado con marcos planos, suponiendo columnas anchas en lugar de muros, y se considera el acoplamiento a flexión de losas y pretiles, la distribución de momentos es similar a la que se obtendría para muros empotrados en los extremos superior e inferior. Resultados de ensayos de sistemas de muros de uno y dos niveles, con diferentes grados de acoplamiento, han indicado que después del primer agrietamiento inclinado de la mampostería, las rotaciones del dintel son despreciables. Esto se explica porque los muros se deforman fundamentalmente por cortante, de modo que la losa actúa como una placa rígida fuera de su plano, que distribuye la carga lateral entre muros.

Comportamiento de la mampostería confinada:

Resistencia a cargas en el plano: Puesto que la resistencia fuera del plano de los muros no es crítica en la mayoría de los casos, se hace referencia a los modelos de comportamiento de muros cargados en el plano. Los modos de falla dependen de la geometría del muro, condiciones de borde, magnitud y tipo de cargas actuantes, así como de la calidad de los materiales.

Resistencia a cargas laterales: El desarrollo de un modelo que permita calcular la resistencia de los muros de mampostería confinada, en contraste con el cálculo de la carga de agrietamiento, permitirá conocer realmente el nivel de seguridad de la estructura para el estado límite de falla.

Una vez que se alcanza la resistencia de un muro de mampostería simple, se produce un rápido deterioro de su rigidez y de su capacidad de carga. Con objeto de mejorar el comportamiento de la mampostería, es decir, de incrementar la resistencia y la capacidad dúctil del muro, el muro se puede reforzar con barras de acero, adoptando alguna de las modalidades antes señaladas.

Resistencia a flexión y flexocompresion: La falla por flexión se caracteriza por el agrietamiento horizontal en la zona de mayor momento, usualmente en la base del muro, asociado ya sea a la fluencia y eventual rotura del refuerzo vertical, o al aplastamiento de la cabeza a compresión del muro. En este ultimo mecanismo la resistencia a la carga lateral se debe principalmente al trabajo a cortante de la zona a compresión; por tanto, es frecuente que la resistencia se deteriore rápidamente conforme el daño de la mampostería aumentan en esta zona. Debido al fisuramiento por flexión la posición del eje neutro cambia y se mueve hacia la zona a compresión, de modo que las deformaciones y esfuerzos de compresión se concentran en una región relativamente de bajas dimensiones. El desconchamiento de la mampostería y la pérdida de sección producen un incremento en las demandas de compresión en la

zona, que se traduce en un mayor aplastamiento.

Análisis sísmico:

Las normas de diseño sísmico están orientadas a lograr estructuras que satisfagan los requisitos del estado limite de servicio durante sismos de intensidad moderada y que impidan un colapso durante sismos severos, permitiendo que estas incursionen en el intervalo de deformaciones inelásticas.

El modelo matemático de la estructura de mampostería debe representar adecuadamente la rigidez lateral de todo el sistema, por lo tanto debe incluir la deformabilidad de acciones a flexión, corte y carga axial de los muros. Si se modela el edificio mediante marcos (columnas ancha) se debe considerar el acoplamiento que ofrecen los dinteles. Si la resistencia de los muros a flexión no se alcanza, o es muy baja, es posible que no se logre movilizar la resistencia de losas, de modo que el acoplamiento a flexión será bajo, y la losa solo hará compatibles los desplazamientos horizontales del diafragma.

De acuerdo con la filosofía moderna de los reglamentos, un procedimiento de diseño adecuado sería el siguiente:

Analizar la estructura a través de un modelo elástico lineal con un espectro reducido de aceleraciones.

Estimar la resistencia de la estructura a través de un análisis estático no lineal, con el fin de verificar los niveles de resistencia requeridos del paso anterior, y que la secuencia de falla sea apropiada.

Verificar que el sistema estructural sea capaz de alcanzar los desplazamientos demandados por sismos severos, sin comprometer la estabilidad y sin presentar agrietamientos en sismos moderados.

Con base en las inspecciones del daño efectuadas después del sismo, asi como en resultados experimentales y analíticos, es claro que el daño se concentra en la planta baja de los edificios. Esto sugiere que el comportamiento de toda la estructura depende de la capacidad sísmica de los muros de esa planta. Es aquí donde los muros están sometidos a las mayores demandas (cargas axiales, cortantes y momentos flexionantes)

El contenido de humedad y la absorción, son las propiedades más importantes de las unidades y tienen un efecto considerable sobre las características de la mampostería.

El contenido de humedad se define como la masa de agua por unidad de volumen, la cual puede ser expresada, en términos absolutos o en términos relativos a la densidad de la unidad cuando está seca.

La aplicación de los principios de ingeniería estructural, ha significado un avance importante en el conocimiento de las propiedades y del comportamiento de la

mampostería no reforzada. Consecuentemente, ésta ha sido re-adoptada como un mate-rial ingenieril.

Los sismos fuertes que han tenido lugar hasta la fecha, han mostrado en la mayoría de los casos, que las estructuras de mampostería no reforzada han sido las más afectas y, han producido pérdidas de vidas humanas considerables, comparadas con otros sistemas estructurales. El modo de falla de este tipo de estructuras, ha puesto en evidencia un comportamiento con muy poca ductilidad, debido a que el colapso se presenta de forma súbita.

Para zonas con una amenaza sísmica baja y moderada, utilizando una técnica adecuada de reforzamiento, podría garantizarse un buen desempeño de estas estructuras, y por lo tanto, reducir el riesgo al que se encuentran expuestas.

Evaluar el desempeño sísmico de este tipo de estructuras no es una tarea fácil, debido a que el análisis está condicionado a ciertos aspectos, tales como:

El agrietamiento inicial no necesariamente corresponde al colapso de la estructura.

La capacidad de disipación de energía después de la capacidad pico en la mayoría de los casos es limitada.

En los últimos 20 años, los daños registrados como consecuencia de un número considerable de sismos, dieron origen a un desarrollo importante en el área de reforzamiento y rehabilitación de estructuras existentes.

Características del mortero de unión:

Diversos ensayos de laboratorio realizados sobre mampostería de piedra y ladrillo, han permitido concluir que la resistencia de aplastamiento del mortero, no influye notablemente en el valor de la resistencia a compresión del panel, pero sí en sus propiedades de deformabilidad y adherencia, ya que ejerce un efecto de restricción de la deformación lateral de las unidades, induciendo un estado triaxial de esfuerzos de compresión, mejorando así su resistencia. Así mismo, dada la importancia que tiene la deformabilidad del elemento de unión, también resulta importante la relación entre el espesor de la junta de mortero y la altura de la unidad de mampostería; si dicha relación es alta, la tendencia al fallo será hacia el deslizamiento en la junta, mientras que, si presenta valores bajos, la resistencia a compresión del panel y la resistencia de la unidad son aproximadamente iguales.

Relaciones esfuerzos deformación para el mortero.

Relación esfuerzo- deformación:

La relación esfuerzo-deformación para la mampostería ha sido estudiada ampliamente en los últimos años. Se ha observado que esta relación depende de las características de los materiales constitutivos, esto es; las deformaciones y los esfuerzos varían considerablemente de un tipo de unidad a otra. La Figura muestra cuatro curvas para diferentes tipos de ladrillos (A: ladrillos perforados, B, C y D: ladrillos sólidos) y una misma proporción de mezcla utilizada para fabricar el mortero (proporción cemento: limo: arena =1:1G4:3). Claramente se observa que, no existe una relación directa entre las deformaciones y esfuerzos obtenidos, lo cual permite afirmar que hay una considerable variación en las deformaciones.

Relaciones Esfuerzo- deformación.

Fallo de un muro en la parte superior de un edificio por mala conexión entre el techo y el muro.

Fallo de un muro de adobe debido a conexiones inadecuadas en las esquinas de los muros.

Daños por impacto: El impacto entre edificios adyacentes no aislados mediante juntas sísmicas, puede

producir el colapso parcial o total de los muros de una estructura, particularmente cuando los niveles de pisos y techos no están alineados. Esto se debe a que este tipo de choques producen una carga que no ha sido contemplada en el análisis sísmico. Por ejemplo, el desplazamiento horizontal del forjado de un edificio, puede producir un impacto sobre un muro del edificio adyacente, que puede hacerlo colapsar. Las opciones para reducir esta fuente de daño, para el caso de estructuras existentes, son bastante limitadas y están orientadas hacia esquemas de reforzamiento de los edificios para mitigar los impactos. A veces, construir viviendas unidas unas con otras ha sido beneficioso porque entre ellas se confinan; sin embargo, de colapsar una de ellas, el resto puede fallar de forma simultánea.

Edad de la construcción:

La edad de las construcciones está relacionada de forma indirecta con muchos de los daños observados durante los sismos. Así por ejemplo, en los edificios de mampostería no reforzada, el deterioro de los ladrillos y el mortero por la erosión causada por el clima y por su degradación con el paso de los años, es más que evidente. Por otra parte, un gran porcentaje de las normativas de diseño sismorresistente, datan de menos de 50 años, con lo cual, construcciones anteriores a esta época, fueron diseñadas sin ningún tipo de consideración sismorresistente.

Recomendaciones de diseño y construcción:

Los siguientes son principios básicos de diseño y construcción que es conveniente seguir para alcanzar un mejor comportamiento sísmico de estructuras de mampostería.

La edificación debe tener una forma robusta, caracterizada por simetría y regularidad en planta y elevación, áreas de abertura lo más pequeñas posibles.

Los muros de mampostería deben estar interconectados. Grapas o conectores de acero.

Se debe asegurar una adherencia adecuada entre acero y mampostería, ya que con ello se reduce la degradación cíclica de la resistencia y rigidez, asi como la posibilidad del daño.

La dimensión de la sección transversal de un muro que cumpla una función estructural, debe ser lo más grande posible.

Se debe asegurar la continuidad del refuerzo longitudinal de castillos y dalas.

La cimentación debe ser solida y continua, y deben protegerse de la saturación del subsuelo.

Se deben emplear materiales de buena calidad y de acuerdo a las normas. Se debe ejecutar un programa de mantenimiento periódico ya que la

humedad, la vegetación, la corrosión del acero de refuerzo, el agrietamiento por asentamientos diferenciales y daños por temblores previos, disminuyen la capacidad del muro para sobrevivir a los sismos.

Los planos deben tener notas claras sobre las resistencias de diseño de piezas, mortero y mampostería.

Se debe tener especial cuidado con el diseño de la mezcla del concreto de los elementos confinantes de modo de asegurar la resistencia, así como durante la colocación y compactación.

Es recomendable que el mortero se prepare en un recipiente no absorbente.

Se debe usar morteros con una cantidad de agua tal que lo haga trabajable. No conviene usar arena muy fina, ya que aumenta la contracción por

secado.

Conclusiones:

En los últimos anos y en diferentes países se han llevado a cabo diferentes programas de investigación sobre el comportamiento sísmico de estructuras de mampostería

Para analizar el comportamiento sísmico de las estructuras de mampostería, es indispensable tener claro el comportamiento de este material compuesto (unidad-mortero) bajo diversas condiciones de solicitaciones y esfuerzos. Inicialmente, la mampostería es un material concebido para resistir cargas verticales, es decir, que uno de los principales factores que debe ser considerado en el diseño, es la resistencia a la compresión. No obstante, las estructuras se ven afectadas por otro tipo de acciones, tales como las cargas de viento y los sismos, que finalmente se traducen en fuerzas horizontales que deben ser soportadas por la estructura, lo cual exige considerar la resistencia a cortante y a tracción de la mampostería. Estas propiedades usualmente se relacionan con la resistencia a la compresión mediante expresiones empíricas o analíticas.

Los trabajos experimentales han proporcionado información valiosa, para entender el comportamiento de la mampostería y para determinar sus parámetros de resistencia. Numerosas ecuaciones empíricas han sido propuestas de acuerdo a los resultados de los ensayos, aunque estas expresiones, sólo son válidas para las mismas condiciones y materiales utilizados. Por lo tanto, éstas deben ser utilizadas con precaución.

La resistencia a cortante de la mampostería depende básicamente de: a) la resistencia a la adherencia b) la resistencia a la fricción entre las juntas de mortero y las unidades y c) el nivel de los esfuerzos de compresión.

El comportamiento de la mampostería a tracción está controlado por la resistencia a la adherencia, desarrollada en las interfaces mortero-unidad y existen algunas propuestas que la relacionan con la resistencia inicial de cortante. Los modos de fallo por tracción, dependen de la dirección de la carga, esto es: 1) para esfuerzos de tracción paralelos a las juntas horizontales, las grietas se propagan verticalmente atravesando las unidades o en forma escalonada a lo largo de las juntas de mortero. 2) para esfuerzos de tracción en la dirección de las juntas verticales, las grietas se distribuyen horizontalmente por las juntas o atravesando las unidades.