16.1 INTRODUCCIÓN
Se define como construcción de albañilería a todo aquel sistema donde se ha empleado básicamente elementos de albañilería (muros, vigas, pilastras, etc.). Estos elementos a su vez están compuestos por unidades de albañilería (bloques o ladrillos) de arcilla, sílice-cal o de concreto, adheridas con mortero de cemento o concreto fluido (“Grout”).
Estas construcciones pueden tener diferentes fines, como, por ejemplo: viviendas, tanques de almacenamiento de agua, muros de contención, etc. Sin embargo, debe indicarse que la Norma E.070 y las actuales investigaciones están orientadas a aportar conocimientos al tema de la vivienda; en consecuencia, para construcciones distintas a edificios, las disposiciones de la Norma se aplicaran en la medida que sea posible.
2.1.3 Albañilería Estructural.
Son las construcciones de albañilería que han sido diseñadas racionalmente, de manera que las cargas actuantes durante su vidaútil se transmitan adecuadamente a través de los elementos de albañilería (convenientemente reforzados) hasta el suelo de cimentación.
En cuanto a edificios, el sistema estructural de albañilería puede emplearse solo cuando estos contengan abundancia de muros; por ejemplo, en viviendas uni o multifamiliares, etc.
Esto no quiere decir que toda la estructura debe de ser únicamente de albañilería, sino que pueden existir columnas y placas de concreto armado o de cualquier otro material, que ayuden a los muros a transmitir la carga vertical, o que en conjunto con la albañilería tomen la fuerza sísmica; sin embargo, el sistema estructural predominante estará conformado por los muros de albañilería.
2.1.4 Tipos de Albañilería y Especificaciones Reglamentarias.
La albañilería se clasifica de dos maneras:
- Por la función estructural.
- Por la distribución del refuerzo.
2.1.4.1 Clasificación por la Función Estructural.
Por la función que desempeñan los muros, se clasifican en Portantes y No Portantes.
Muros No Portantes, Son los que no reciben carga vertical, son por ejemplo los cercos, parapetos y tabiques (Fig. 2.8).
Estos muros deben diseñarse básicamente para cargas perpendiculares a su plano, originadas por viento, sismos u otras cargas de empuje. No se diseñan para acciones sísmicas coplanares porque su masa es pequeña y genera fuerzas de inercia mínimas en comparación con su resistencia a fuerza cortante.
Mientras que los cercos son empleados como elementos de cierre en los linderos de una edificación (o de un terreno), los tabiques son utilizados como elementos divisorios de ambientes en los edificios; en tanto que los parapetos son usados como barandas de escaleras, cerramientos de azoteas, etc.
En nuestro medio, los tabiques generalmente son hechos de albañilería debido a sus buenas propiedades térmicas, acústicas, resistentes e incombustibles. Por lo general, en estos elementos se emplea mortero de baja calidad y ladrillos tubulares (perforaciones paralelas a la cara del asentado), denominados “pandereta”, cuya finalidad es aligerar el peso del edificio, con la consiguiente reducción de fuerzas sísmicas. Sin embargo, si los tabiques no has sido cuidadosamente aislados de la estructura principal, haciéndolos “flotantes”, ocurrirá la interacción tabique-estructura en el plano del pórtico.
Muros Portantes, Son los que se emplean como elementos estructurales de un edificio. Estos muros están sujetos a todo tipo de solicitación, tanto contenida en su plano como perpendicular al mismo, tanto vertical como lateral, así como permanente o eventual.
2.1.4.2 Clasificación por la Distribución del Refuerzo.
De acuerdo a la distribución del refuerzo, los muros se clasifican en:
- A. Muros no reforzados o de albañilería simple.
- B. Muros reforzados (armados, albañilería de junta seca, laminares y confinados)
A. Muros No reforzados o de Albañilería Simple.
Son aquellos muros que carecen de refuerzo o que, teniéndolo, no cumplen con las especificaciones mínimas reglamentarias que debe tener todo muro reforzado.
De acuerdo a la Norma E.070, este tipo de edificación no debe emplearse, por el carácter frágil de su falla ante los sismos (Fig.2.9).
Sin embargo, en Lima existen muchos edificios antiguos de albañilería no reforzada, incluso de 5 pisos, ubicados sobre suelos de buena calidad y con alta densidad de muros en sus dos direcciones, razones por las que estos sistemas se han comportado elásticamente (sin ningún tipo de daño) ante los terremotos ocurridos en los años de 1966, 1970 y 1974.
Un edificio ubicado en Lima (de pisos) fue estudiado por Rafael Cestti, en su tesis de investigación (PUCP-1992), quien demostró (usando el programa “TODA” de análisis dinámico paso a paso) que ante las acciones de los sismos de 1966, 1970 y 1974, el edificio se comportaba elásticamente, debido no solo a su alta resistencia, sino también por su elevada rigidez lateral otorgada por los muros y el alféizar de las ventanas; sin embargo, ante la acción de sismos más severos, la estructura era insegura y podía colapsar.
Cabe destacar que un muro de albañilería no reforzada presenta prácticamente la misma resistencia a fuerza cortante que un muro confinado de iguales características; sin embargo, las columnas de confinamiento incrementan la rigidez lateral del muro confinado, reduciendo el periodo de vibrar de la edificación correspondiente y la fuerza sísmica actuante.
Aparte, las columnas de confinamiento proporcionan ductilidad después de que la albañilería confinada se agrieta por corte y, además, las columnas proporcionan arriostres verticales al muro confinado ante acciones sísmicas perpendiculares a su plano.
B. Muros Reforzados.
De acuerdo a la disposición del refuerzo, los muros se clasifican en:
B.1 Muro de albañilería armada (muro armado)
B.2 Muro de albañilería de junta seca.
B.3 Muro laminar (“Sandwich”)
B.4 Muro de albañilería confinada (muro confinado)
B.1 Muro de albañilería armada (muro armado).
Los muros armados se caracterizan por llevar el refuerzo en el interior de la albañilería (Fig. 2.10). Este refuerzo esta generalmente distribuido a lo largo de la altura del muro (refuerzo horizontal) como de su longitud (refuerzo vertical).
Para integrar el refuerzo con la albañilería, es necesario llenar los alvéolos (o celdas) de los bloques con concreto liquido (grout).
Estos muros requieren de la fabricación de unidades con alvéolos donde se puedan colocar el refuerzo vertical; en tanto que, dependiendo del diámetro del refuerzo horizontal, este se coloca en los canales de la unidad (cuando el diámetro es mayor de ¼”), o en la junta horizontal (cuando el diámetro es menor o igual ¼”). El diámetro de refuerzo horizontal depende de la magnitud de la fuerza cortante que tiene que ser soportada íntegramente por el acero.
B.2 Muro de albañilería de junta seca.
Una variedad de los muros armados son los muros de junta seca o apilables. Estos son muros que no requieren el uso de mortero en las juntas verticales u horizontales (Fig. 2.11).
B.3 Muro Laminar (“Sandwich”).
Este muro está constituido por una placa delgada de concreto (dependiendo si el espesor es de 1 a 4 pulgadas, se usa Grout o concreto normal) reforzado con una malla de acero central, y por dos muros de albañilería simple que sirven como encofrados de la placa (Fig. 2.12).
Debido a la adherencia que se genera entre el concreto y los muros de albañilería, asi como por el refuerzo transversal (en forma de “Z”) que se emplea para conectar los dos muros y como apoyo del refuerzo horizontal, se logra la integración de todo el sistema.
Sin embargo, en la única investigación experimental realizada en el Perú por el Ing. Héctor Gallegos, utilizando ladrillos sílico - calcáreos en la albañilería, se observó un buen comportamiento elástico del muro laminar, con una elevada rigidez lateral y resistencia al corte; pero después de producirse el agrietamiento diagonal de la placa, ocurrio una fuerte degradación de resistencia y rigidez (falla frágil), debido principalmente a que los muros de albañilería se separaron de la placa, “soplándose”.
Este tipo de albañilería no se utiliza en el Perú, por lo que no figura en la Norma E.070, pero es necesario conocerlos.
B.4 Muro de Albañilería Confinada (Muro Confinado).
Este es el sistema que tradicionalmente se emplea en casi toda Latinoamérica para la construcción de edificios hasta de 5 pisos.
La albañilería confinada se define como aquella que se encuentra íntegramente bordeada por elementos de concreto armado (exceptuando la cimentación que puede ser de concreto ciclópeo), vaciado después de haberse construido el muro de albañilería y con una distancia entre columnas que no supere en más de 2 veces la altura del piso (Fig. 2.13).
Es importante seguir la secuencia constructiva indicada para que los confinamientos se adhieran a la albañilería y formen un conjunto que actúe de manera integral. Cuando se construye primero las columnas y después la albañilería, ante los sismos la albañilería se separa de las columnas, como si existiese una junta vertical entre ambos materiales, quedando los muros sin arriostres verticales en sus bordes y ante las acciones sísmicas perpendiculares al plano de los muros, terminan volcándose.
También es necesario que la albañilería este completamente bordeada por los confinamientos. De otro modo, por ejemplo, cuando existe una sola columna en el muro, el grosor de las grietas diagonales producidas en la albañilería sometida a terremotos se torna incontrolable. De acuerdo a la Norma E.070, este tipo de muro califica como no confinado.
Los elementos de concreto armado que rodean al muro sirven principalmente para ductilizar el sistema; esto es, para otorgarle capacidad de deformación inelástica, incrementando levemente su resistencia por el hecho de que la viga y las columnas de confinamiento son elementos de dimensiones pequeñas y con escaso refuerzo.
Adicionalmente, esta especie de pórtico funciona como elemento de arriostre cuando la albañilería se ve sujeta a acciones perpendiculares a su plano. La acción de confinamiento que proporciona el “pórtico” de concreto puede interpretarse físicamente mediante el ejemplo siguiente: Supóngase un camión sin barandas, que transporta cajones montados unos sobre otros. Si el camión acelera bruscamente, es posible que los cajones salgan desperdigados hacia atrás por efecto de las fuerzas de inercia, lo que no ocurrirá si el camión tuviese barandas resistentes.
Haciendo una semejanza entre ese ejemplo y la albañilería confinada sujeta a sismos, la aceleración del camión correspondería a la aceleración sísmica, los cajones sueltos serían los trozos de la albañilería simple ya agrietada y las barandas del camión corresponderían al marco de concreto, el que evidentemente tiene que ser especialmente diseñado a fin de que la albañilería simple continúe trabajando, incluso después de haberse fragmentado.
El comportamiento sísmico de un tabique en el interior de un pórtico de concreto armado es totalmente diferente al comportamiento de los muros confinados.
La razón fundamental de esa diferencia se debe al procedimiento (secuencia) de construcción, al margen del tipo de unidad o mortero que se emplee en cada caso.
Mientras que, en caso de los tabiques, primero se construye la estructura de concreto armado (incluyendo el techo que es sostenido por el pórtico) y después de desencofrar el
pórtico se construye el tabique de albañilería; en el caso de los muros confinados el proceso constructivo es al revés, esto es, primero se construye la albañilería, posteriormente se procede con el vaciado de las columnas y luego se vacía el concreto de las soleras en conjunto con la losa del techo.
De esta manera, el muro confinado es capaz de soportar y transmitir cargas verticales, función que no pueden hacer los tabiques.
Esta técnica constructiva permite a los muros confinados desarrollar una gran adherencia en la interface columnamuro y solera-muro, integrándose todo el sistema, incluso después de haberse producido el agrietamiento diagonal.
Estos elementos trabajan en conjunto, como si fuese una placa de concreto armado sub-reforzada (con refuerzo solo en los extremos), con otras características elásticas y resistentes. Lo expresado en el párrafo anterior no ocurre en los tabiques, ya que la zona de interconexión concretoalbañilería es débil (la interface pórtico-tabique es usualmente rellenada con mortero), lo que hace que incluso ante la acción de sismos leves, ambos elementos se separen, trabajando la albañilería como un puntal en compresión; esto se debe a que la zona de interacción (contacto) solo se presenta en las esquinas, al deformarse el tabique básicamente por corte (“panel de corte”), mientras que el pórtico (más flexible que el tabique) se deforma predominantemente por flexión.
2.1.5 Componentes de la Albañilería.
2.1.5.1 Unidades de Albañilería.
Las unidades empleadas en las construcciones de albañilería son diversas, por lo que es necesario establecer clasificaciones de acuerdo a sus principales propiedades.
2.1.5.1.1 Clasificación por sus dimensiones.
De acuerdo a las dimensiones o por su tamaño, las unidades se clasifican en ladrillos y bloques. Se le llaman ladrillos cuando pueden ser manipulados y asentados con una mano;
y bloques, cuando por su peso y mayores dimensiones se deben emplear ambas manos. Los ladrillos se usan en la construcción de la albañilería confinada y sus dimensiones comunes son: ancho = 11 a 14 cm, largo = 23 a 29 cm, altura = 6 a 9 cm, y su peso oscila entre 3 y 6 Kg. Los bloques se utilizan en las edificaciones de albañilería armada y para el caso de los bloques de concreto vibrado, las dimensiones comunes son: 14 o 19 cm de espesor, 19 o 39 cm de longitud y 19 cm de altura, aunque comercialmente se les añade 1 cm de junta para identificarlos (por ejemplo, bloque con dimensiones nominales de 20x20x40 cm). El p0eso, de estos bloques pueden variar entre 12 y 20 Kg.
2.1.5.1.4 Propiedades Físicas y Mecánicas. Ensayos de Laboratorio.
Conocer las propiedades de las unidades es necesario, básicamente para tener una idea sobre la resistencia de la albañilería, así como de su durabilidad ante la intemperie.
Sin embargo, no se puede afirmar que la mejor unidad proporcione necesariamente la mejor albañilería.
Las propiedades de la unidad asociadas con la
resistencia de la albañilería son:
- Resistencia a la compresión y tracción.
- Variabilidad dimensional y alabeo.
- Succión.
Las propiedades de la unidad relacionadas con la durabilidad de la albañilería son:
- Resistencia a la compresión y densidad.
- Eflorescencia, absorción y coeficiente de saturación.
Las Normas Técnicas Peruanas (INDECOPI) que se deben emplear para determinar estas propiedades son:
- Unidades de arcilla NTP 399.613 (2005).
- Bloques de concreto NTP 399.602, NTP 399.604 (2002)
- Unidades sílico-calcáreas ITINTEC 311.032, 331.033 y 331.034
La Norma E.070 indica que por cada lote compuesto por hasta 50 millares de unidades se seleccione al azar una muestra de 10 unidades, sobre las que se efectuaran las pruebas de variación de dimensiones y de alabeo. Luego, cinco de estas unidades se ensayarán a compresión y las otras cinco a absorción. La Norma E.070 define en su tabla 1 las características requeridas para el diseño estructural, las que dependen de: 1. La variación de dimensiones; 2. El alabeo; y 3. La resistencia a compresión de la unidad.
Daremos algunos alcances, sin mayor detalle, la manera de cómo se hacen estos ensayos. Lo importante es saber cómo repercuten los resultados sobre el comportamiento de la albañilería. Al respecto, INDECOPI (Norma NTP), entidad encargada de velar por la calidad de los productos, clasifica a las unidades desde el punto de vista cualitativo, usando solo la resistencia a compresión, sin contemplar el producto final que es la albañilería.
Además cabe señalar que para clasificar a una unidad de acuerdo a la Tabla 1 se utiliza el criterio más desfavorable; por ejemplo, es posible que de acuerdo a los ensayos de compresión un ladrillo clasifique como clase V, pero si este mismo ladrillo presentase alta variabilidad dimensional que lo lleve a la clase IV y grandes alabeos que lo conduzca a la clase III, entonces ese ladrillo se clasifica como clase III.
Las pruebas clasificatorias se dan de la siguiente manera:
2.1.6 Comportamiento Sismico Real de Muros no Portantes.
La ocurrencia de terremotos en nuestro país ha generado daños importantes en algunas edificaciones de albañilería, especialmente en aquellas construidas sin asistencia técnica. Cuando el suelo es de baja calidad, los daños has sido mayores.
El comportamiento estructural observado en sismos pasados ha servido para calibrar la norma de diseño sísmico E.030 y la de albañilería E.070. Sin embargo, la adecuación de las construcciones a las exigencias de las normas vigentes es aún incipiente, lo que da lugar a edificaciones que presentan un inadecuado comportamiento sísmico.
a. Cercos y Parapetos.
Los cercos y parapetos de albañilería trabajan a carga sísmica perpendicular a su plano, cuando estos elementos carecen de arriostre, terminan volcándose ante los sismos. Incluso ha podido observarse que arriostres verticales hechos de concreto simple (no reforzados), o de mochetas de albañilería simple no son efectivos para soportar el sismo.
El colapso de parapetos y cercos no arriostrados o reforzados de alguna manera, son muy peligrosos, tanto para las personas que transitan por la zona, como para la familia que trata de escapar de sus viviendas durante la ocurrencia del sismo.
2.1.6.1 DISEÑO POR ACCIONES PERPENDICULARES AL PLANO DEL MURO.
Trataremos los principales fundamentos e hipótesis de la Norma E.070 en lo relacionado al diseño estructural por acciones perpendiculares al plano de los muros de albañilería portante o no portante.
A. Muros No Portantes.
Para el caso de la Albañilería no portante (cercos, tabiques y parapetos), queda a criterio del ingeniero estructural emplear criterios elásticos o de rotura para el diseño de la albañilería. Este tipo de Muro, por su poca masa y alta resistencia al corte en su plano, prácticamente no trabaja ante acciones sísmicas coplanares.
Por ejemplo, podría emplearse el método de líneas de rotura para calcular las fuerzas internas en la albañilería. Sin embargo, por la experiencia adquirida por ensayos realizados en el Perú por el Ing. Ángel San Bartolomé se ha observado que se debe aplicar métodos elásticos de diseño para el caso de albañilería simple (sin refuerzo interno) y de rotura para la albañilería armada. En este último caso, el refuerzo es imprescindible para absorber los efectos de secado del grout o cambios de temperatura. Por tanto, al existir refuerzo, este puede ser aprovechado para soportar las acciones sísmicas perpendiculares, aparte que este refuerzo integra a los bloques después de haberse fisurado la albañilería.
B. Carga Sísmica.
La carga sísmica perpendicular al plano del muro (portante o no portante) en condición de rotura ante sismos severos, es proporcionada por la Norma Sismica E.030, a través de la expresión: 𝑽 = 𝒁𝑼𝑪𝟏 𝑷. Sin embargo, para efectos de diseño elástico, esta carga fue dividida por un factor de 1.25 en la Norma E.070, quedando la expresión:
𝒘 = 𝟎. 𝟖𝒁𝑼𝑪𝟏𝜸𝒕 (w en unidades de fuerza por unidad de área, Como Kg/m2)
Donde:
Z, es el factor de zona sísmica
U, es el factor de uso o importancia.
C1, es el coeficiente sísmico que depende de la función y ubicación del Muro:
Cercos: C1 = 0.6
Parapetos y tabiques externos que se pueden precipitar: C1 = 1.3
Muros portantes y tabiques internos: C1 = 0.9 (se entiende que el muro portante está de alguna manera arriostrado por la losa, por lo que no interesa su ubicación.
𝜸, es el peso volumétrico de la albañilería:
Ladrillo de arcilla o sílico-calcáreo: 𝜸 = 1800 Kg/m3
Ladrillo de concreto, tarrajeo y albañilería parcialmente rellena:
𝜸 = 2000 Kg/m3
Albañilería armada totalmente rellena con Grout: 𝜸 = 2300 Kg/m3
t, espesor del muro.
Para efectos de calcular la carga “w”, debe incluirse el peso del tarrajeo en caso exista. Para efectos de diseño, debe emplearse el espesor efectivo del muro, salvo que el tarrajeo se aplique sobre una malla que este adecuadamente conectada a la albañilería.
Una vez calculada esta carga “w”, se procede a calcular el momento flector distribuido por unidad de longitud (Ms, en Kg m/ml), producido por la carga sísmica “w”, y esta se calculará
mediante la siguiente fórmula:
𝑴𝒔 = 𝒎. 𝒘. 𝒂𝟐
Donde:
m = coeficiente de momento (adimensional) indicado en la tabla 12.
a = dimensión critica del paño de albañilería (ver la tabla 12)
Luego se verificara el esfuerzo admisible en tracción por flexión (f’t) de la albañilería, se supondrá igual a:
- f’t = 0.15MPa (1.50 kg/cm2) para albañilería simple.
- f’t = 0.30MPa (3.00 Kg/cm2) para albañilería armada rellena de concreto liquido.
C. Arriostres.
Ante cargas sísmicas perpendiculares al plano (“w”), la albañilería de muros portantes o no portantes trabaja como una losa simplemente apoyada sobre sus arriostres (o amarres), ubicados usualmente en los bordes.
Para el caso de la albañilería confinada, los elementos de confinamiento trabajan como elementos de arriostre de la albañilería, al igual que las losas del techo. Para la albañilería
armada, podrían construirse columnas con los mismos bloques; sin embargo, muchas veces las exigencias de arquitectura no permiten esta solución por la protuberancia que tendría la pared, por lo que generalmente los arriostres están compuestos por las losas de
techo y los muros transversales debidamente conectados al muro de análisis (conexión dentada y refuerzo horizontal).
Para la albañilería no portante, el uso de columnas de albañilería simple (mochetas), o de concreto no reforzado, o la simple conexión dentada entre muros transversales, no constituye elementos de arriostre suficientes. En el caso de tabiques, una manera de amarrarlos a la estructura principal, para evitar su volcamiento ante acciones transversales, puede ser mediante mallas de alambre que estén adecuadamente conectadas al muro o mediante columnetas.
Es necesario mencionar que la albañilería simple (no reforzada internamente) presenta poca resistencia al punzonamiento. Por ejemplo, empujes causados por la losa de descanso de una escalera apoyada sobre el muro deberán ser absorbidos por columnetas colocadas en los bordes del descanso. En el caso de muros armados, este empuje debe ser absorbido por el refuerzo vertical y horizontal.
También es necesario precisar que cuando se aísla el tabique de la estructura principal, los elementos que sujetan al tabique, tales como perfiles metálicos angulares, o columnetas, deben ser diseñados como para transmitir la fuerza sísmica desde la albañilería hacia el pórtico, de otro modo, tanto el tabique como sus arriostres podrían colapsar.
D. Diseño de Arriostres.
La carga “w” actuante en la dirección perpendicular al plano de la albañilería (de muros portantes o no portantes) se transmiten hacia los arriostres en proporción a su área tributaria, lo que se evalúa siguiendo la regla del sobre. A esta carga se agrega el efecto del
peso propio, que para el caso de arriostres de concreto armado, es una carga uniforme:
w1 = 0.8ZUC1 𝜸c Ac, donde 𝜸𝒄 = 2400Kg/m3 y Ac es el área de la sección transversal del arriostre (columna o viga).
E. Cimentación de los Cercos.
Es recomendable profundizar la cimentación de los cercos (como postes) a fin de que se desarrolle empuje pasivo del suelo que contrarreste a las fuerzas sísmicas perpendiculares al plano del cerco. Para el caso del cerco mostrado en la Fig. 2.28, las fuerzas sísmicas por unidad de longitud, actuantes en el centroide de cada elemento (i = solera, albañilería, sobre-cimiento o cimentación), se determina como Hi = 0.8 Z U C1 Pi. Los pesos “Pi” se calcula como Pi = γi Ai, Donde “Ai” es el área de la sección transversal del elemento “i”,y “γi” es el peso volumétrico correspondiente. Las fuerzas que contrarrestan el momento volcante producido por “Hi” en torno al punto “O” son: Pi y Hp, mientras que las fuerzas que contrarrestan el deslizamiento generado por “Hi” son Hp y μΣPi, donde “μ” es el coeficiente de fricción concreto suelo. De acuerdo a la Norma E.070, los factores de seguridad para evitar la falla por volcamiento y deslizamiento del cerco son 2 y 1.5, respectivamente.
