MUROS DE MAMPOSTERIA CON BLOQUES MULTIPERFORADOS DE CONCRETO Pérez Gómez J. Álvaro 1 , Flores Cruz Francisco2, Cruz y Serrano Roberto3
RESUMEN
Las piezas multiperforadas de concreto son el resultado de la búsqueda de muros de mampostería de concreto con un mejor desempeño ante solicitaciones sísmicas para la construcción de edificios de departamentos en la Ciudad de México y tener una alternativa para sustituir a los bloques huecos de concreto.
Las piezas multiperforadas de concreto tienen como dimensione nominales 120x120x40mm con 120mm de espesor y la mampostería formada con dichas piezas, puede desarrollar una resistencia a la compresión f*m de 8.26 MPa (81 kg/cm2) y una resistencia a esfuerzo cortante v* de 0.71 MPa (7 kg/cm2).
El presente trabajo tiene por objeto hacer una descripción de los resultados de los ensayes que se realizaron para obtener los valores de diseño de la mampostería con piezas multiperforadas de concreto, así como presentar una comparativa entre el desempeño de los muros con piezas multiperforadas de concreto contra los muros con piezas de bloque hueco de concreto, mostrando para ello los resultados de la revisión estructural de un edificio de departamentos ubicado en la Ciudad de México diseñado con ambas alternativas de mampostería.
ABSTRACT
Multi hollow concrete units are the result of the search of a better performance of masonry walls that are exposed to seismic forces.
These pieces are an alternative to build apartment buildings in Mexico City instead of using walls made of hollow concrete blocks.
Multi hollow concrete units are 120x 120x40 mm and a thickness of 120 mm. Masonry walls built with these pieces are able to develop a compressive strength (f*m) of 8.26 MPa (81 Kg/cm 2) and a shear strength v* of 0.71 MPa (7 Kg/cm2).
This current paper presents the results of the tests that were done to get design values of masonry walls made of multi hollow concrete units. It is also shown a comparison between the performance of walls built with multi hollow concrete units and walls built with hollow concrete blocks; the comparison was carried out by doing a structural analysis of an apartment building located in Mexico City.
1
Gerente de Ingeniería, Corporación Geo S. A de C. V., Margaritas 433 Col. Hda. Gpe. Chimalistac, 01050 México, D.F. Teléfono: (55)54805106; Fax: (55)5528-5975; jperez@casasgeo.com
2
Director de Ingeniería, Corporación Geo S .A de C. V. , Margaritas 433 Col. Hda. Gpe. Chimalistac, 01050 México, D.F. Teléfono: (55)54805106; Fax: (55)5528-5975; fflores@casasgeo.com
3
Vicepresidente de Investigación y Tecnología, Corporación Geo S. A de C. V. , Margaritas 433 Col. Hda. Gpe. Chimalistac, 01050 México, D.F. Teléfono: (55)54805106; Fax: (55)5528-5975;
jperez@casasgeo.com
INTRODUCCION
Las piezas de mampostería de concreto son una alternativa económica para la construcción de viviendas, su fabricación requiere de baja inversión en comparación con la fabricación de otras piezas. Dentro de estas, los bloques huecos de concreto son las piezas de concreto más comúnmente utilizadas para la construcción de viviendas de interés social, su gran formato permite lograr rendimientos superiores a los que se logran con otras piezas, normalmente más pequeñas, sin embargo cuando las viviendas tienen más de dos niveles y se ubican en zonas sísmicas, los muros de mampostería construidos con piezas de bloque hueco comienzan ha tener problemas de resistencia a cortante y es necesario la incorporación de muros de concreto armado a dichas estructuras para lograr la resistencia requerida, encareciendo con esto el costo de las viviendas y alargando los tiempos de construcción.
Ante este problemática, se han buscado piezas de concreto con mayor desempeño que permitan incrementar la resistencia al esfuerzo cortante de los muros de mampostería y como resultado de dicha búsqueda se llego a al diseño de los bloques multiperforados de concreto.
DESCRIPCION DE LA PIEZA
El bloque multiperforado de concreto tiene como dimensiones nominales 120x200x400mm, cuenta con perforaciones que atraviesan la pieza en dirección vertical tal como se indica en la Figura 1. Por su relación de área neta a área bruta la pieza puede clasificarse como una pieza maciza. Las piezas tienen una resistencia mínima a la compresión sobre área bruta de 12.2 MPa (120 Kg/cm2) y un peso promedio de 130.5 N (13.3 Kg).
TIPO DE MAMPOSTERIA
La mampostería que se puede formar con las piezas multiperforadas de concreto es una mampostería confinada con ó sin refuerzo horizontal. Los muros de mampostería confinada son aquellos muros de mampostería de concreto ó barro en donde se colocan elementos de concreto reforzado de sección transversal pequeña denominados castillos y dalas perimetralmente, con la finalidad de mejorar su desempeño, principalmente ante cargas laterales.
La mampostería confinada con refuerzo horizontal es una nueva modalidad para reforzar los muros de mampostería, la cual aparece en la propuesta de las Normas Técnicas Complementarias del RCDF para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería, en donde se incorpora a la resistencia de la mampostería la contribución del refuerzo horizontal, la cual puede llegar a incrementar hasta en 100% la resistencia al esfuerzo cortante. El refuerzo horizontal que se utiliza, normalmente son varillas de pequeño diámetro, del orden de 4 a 6mm, de acero estirado en frió con un esfuerzo de fluencia de 612 MPa (6000 Kg/cm2) que se embeben en el mortero de junteo y se anclan a los castillos, con un doblez de 90 a 180 grados (ver Figura 7).
Las piezas multiperforadas, tienen la propiedad de incrementar la resistencia a cortante de la mampostería, respecto a otras piezas, por el hecho de que el mortero de las juntas horizontales que penetra en las perforaciones de las piezas forma una llave que debe romperse para que la junta falle.
En el análisis de una estructura de mampostería con muros de piezas multiperforadas de concreto confinados, puede utilizarse un factor de comportamiento sísmico Q, de 2 por el hecho de que la pieza se clasifica como pieza maciza.
ENSAYES
Los ensayes que se realizaron con dichas piezas fueron la elaboración de pilas y muretes de acuerdo con los anteproyectos de Norma Mexicana APNMX-C-415-2002 –ONNCCE “Industria de la Construcción- Determinación de la Resistencia a Compresión y el Módulo de Elasticidad de Pilas de mampostería de Barro y de Concreto” y APNMX-C-416-2002-ONNCCE “Industria de la Construcción- Determinación de la Resistencia a Compresión Diagonal y de la Rigidez a Cortante de Muretes de Mampostería de Barro y de Concreto”, los cuales consistieron en la elaboración de 10 pilas y de 10 muretes, el ensaye de 30 piezas individuales y el ensaye de tres cubos de mortero, para la obtención de los siguientes valores de diseño:
1. Resistencia para diseño en compresión (f*p)
2. Resistencia de diseño a compresión de la mampostería (f*m) 3. Esfuerzo cortante resistente de diseño de la mampostería (v*) 4. Módulo de elasticidad de la mampostería (Em)
5. Módulo de rigidez a cortante de la mampostería (Gm) 6. Resistencia a compresión de mortero de junteo
Las pilas se construyeron apilando 3 piezas para formar especimenes de 400x620mm, mientras que los muretes se construyeron con 3 piezas completas y 3 medias piezas apiladas y cuatrapedas en tres hiladas formando especimenes de 610x620mm. El mortero se colocó cuidando de cubrir en su totalidad las caras de las piezas multiperforadas, utilizando una junta promedio de 10mm. El mortero utilizado fue tipo I con una proporción cemento-cal-arena 1: ¼: 3.
Para la determinación de los módulos de elasticidad y de rigidez de la mampostería, se utilizo en lugar de los marcos metálicos para la sujeción los transductores de desplazamiento en las pilas y los muretes, se utilizaron pequeños soportes fijados a las piezas mediante pequeños taquetes de plástico. (ver Figura 3 y 4). Para el caso de los muretes se cuido que el cabezal metálico tuviera la dimensión de 75mm que especifica el anteproyecto de norma. Las pilas y muretes se ensayaron después de que se cumplieron los 28 días de su construcción.
Figura No.2 Ensaye de Pilas Figura No.3 Falla a compresión en Pila
Durante los ensayes de los muretes, se pudo observar que la falla siempre atravesó a las piezas y en ningún caso esta se fue por las juntas (Figura 4). Revisando las piezas falladas, se pudo comprobar la buena penetración del mortero en las perforaciones.
Como puede verse en la Tabla.1, se obtuvieron valores de diseño de la mampostería formada por bloques multiperforados bastante competentes, que para el caso del esfuerzo cortante resistente se obtuvo un valor de de diseño de 1.20 MPa (11.8 Kg/cm2), el cual esta muy por arriba de los valores de piezas de mampostería convencionales, sin embargo para este valor en especial se recomienda utilizar un v* menor, por no contarse con pruebas de muros a escala natural. Como resultado de diversas consultas con especialistas, se decidió utilizar un valor de diseño al esfuerzo cortante de la mampostería v* de 0.7 MPa (7 Kg/cm2) con piezas cuya resistencia a la compresión f*p no sea menor a 9.9 Mpa (97 Kg/cm2) y un mortero tipo I.
COMPARATIVA DE RESISTENCIAS
Tomando como base en los ensayes hechos con las piezas multiperforadas, en la Tabla 2 se hizo una comparativa de resistencias con el resultado de ensayes realizados con anterioridad en bloques huecos de concreto de 140mm (14cm) y, se agregó como referencia los valores indicativos de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería. Como puede verse en dicha tabla, los valores de resistencia y rigidez del bloque hueco son superados por más del doble por los de las piezas multiperforadas y en el caso de la resistencia de diseño a cortante v* la relación fue mayor cinco.
Tabla.1. Resultados de los ensayes de pilas y muretes del bloque multiperforado de concreto
CONCEPTO RESULTADO
Resistencia para diseño en compresión (f*p) en MPa (kg/cm2) 9.93 (97.4) Resistencia de diseño a compresión de la mampostería (f*m) en MPa
(Kg/cm2)
8.26 (81.0) Esfuerzo cortante resistente de diseño (v*) en MPa (Kg/cm2) 1.20 (11.8) Módulo de elasticidad promedio de la mampostería (Em) en MPa
(Kg/cm2)
8,835 (86,673) Módulo de rigidez a cortante (Gm) en MPa (Kg/cm2) 2,226 a 3,464
(21,834 a 33,985) Resistencia a compresión de mortero de junteo
para una proporción cemento-cal-arena 1:1/4:3 a 28 días en MPa (Kg/cm2)
Tabla 2. Comparativa de resistencias entre bloque multiperforado y bloque hueco de concreto Concepto Multiperfora do de 12cm Bloque hueco de 14cm NTC-RCDF valores de Ref.
Resistencia promedio de la pieza individual MPa (Kg/cm2) 14.4 (141) 6.1 (60) 12.2 (120) Resistencia de diseño a compresión de la pieza
f´p, MPa (Kg/cm2) 9.9 (97.4) 4.1 (40) 8.1 (80) Resistencia de Diseño a Compresión de la
Mampostería f*m , MPa (Kg/cm2) 8.25 (81.0) 3.5 (34) 2.0 (20) Esfuerzo cortante resistente de diseño de la
mampostería v*, MPa (Kg/cm2) 1.2 (11.8) 0.2 (2.0) 0.2 (2.0) Modulo de elasticidad promedio de la
mampostería MPa, (Kg/cm2) 8,835 (86,672) 3,119 (30,600) 800f´c 6,524 (64,000) Tipo de mortero y Resistencia,
MPa (Kg/cm2) TIPO I 30.6 (300) TIPO II 140 (14.3) TIPO II 12.7 (125)
DISEÑO DE UN EDIFICIO CON BLOQUES MULTIPERFORADOS DE CONCRETO
Se revisó estructuralmente un edificio de departamentos de 5 niveles que se ubicará en zona de lago en el Distrito Federal, el cual se resolvió con bloques multiperforados de concreto de 12cm de espesor y posteriormente con bloques huecos de concreto de 14cm de espesor.
El edificio tiene en planta forma de cruz y esta estructurado en su totalidad por muros de mampostería, con losas de vigueta y bovedilla de poliestireno y una losa de cimentación desplantada sobre un mejoramiento del suelo a base de inclusiones.
Los muros se modelaron como columnas en voladizo, despreciando el acoplamiento con los cerramientos, losas y pretiles.Para la opción con piezas multiperforadas, los muros se diseñaron como muros confinados con un factor de comportamiento sísmico Q de 2, y para la opción con bloques huecos de concreto los muros se diseñaron como muros reforzados interiormente con un factor de comportamiento sísmico Q de 1.5.
Como resultado de dichas revisiones, se encontró que el edificio con bloques multiperforados no requería de ningún muro de concreto para soportar las fuerzas sísmicas, mientras que el edificio con bloques huecos requería de muros de concreto del primero hasta el tercer nivel (Figura 5).
Después de hacer una comparativa de costo entre el edificio con muros con piezas multiperforadas de 12cm contra el edificio con muros construidos con bloques huecos de 14cm más muros de concreto, se obtuvo un costo menor de la estructura con las piezas multiperforadas.
Los detalles constructivos de la colocación del refuerzo de los muros utilizando las piezas multiperforadas de concreto puede apreciarse en la Figura 7.
k-4 k-3 k-1 k-1 k-6 k-6 k-4 k-1 k-6 k-1 k-7 k-1 k-7 k-1 k-1 k-6 k-9 k-4 k-3 k-1 k-1 k-1 k-6 k-6 k-4 k-1 k-6 k-2 k-2 k-1 k-7 k-9 k-7 k-1 k-6 k-4 k-3 k-1 k-6 k-6 k-4 k-1 k-6 k-2 k-2 k-7 k-1 k-7 k-1 k-9 k-1 k-9 k-4 k-3 k-1 k-6 k-6 k-4 k-1 k-6 k-1 k-1 k-7 k-1 k-7 k-6 k-1 k-1 k-1 k-6 k-8 k-8 k-3 k-4 k-4 k-5 k-8 k-1 k-1 k-1 k-8 K-11 K-11 K-10 K-10 k-1 k-1 k-1 k-12 k-12 k-1 k-1 k-1 k-12 k-12 k-12 k-12 k-1 k-12 k-12 k-1 k-1 k-1 k-1 k-1 k-1 k-1 k-2 k-2 k-3 k-4 k-4 k-5 k-8 k-1 k-1 k-1 k-8 k-1 k-1 k-3 k-4 k-4 k-5 k-8 k-1 k-1 k-1 k-8 k-1 k-1 k-1 k-2 k-2 k-3 k-4 k-4 k-5 k-1 k-1 k-1 k-8 k-1 k-1 k-1 k-8 k-1 k-1 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-13 k-1 k-1 sala sala sala sala sala sala sala sala sala sala sala 2. 5 3 0. 20 2. 33 2. 53 0. 20 2. 33 0. 20 2. 53 0. 20 2. 33 0. 20 2. 53 0. 20 2. 33 0. 20 12 .6 5 0. 66 14.01 6.57 6.57 27.14 13. 51 2. 53 0. 2 0 2. 33 W S O M K I E A 6.57 3.91 1.31 3.45 1.31 3.91 6.57
5 tinacos, cap. 1100lts. c/u.
3. 10 N.P.T.+2.73 N.P.T.+0.20 N.P.T.+5.26 N.P.T.+7.79 N.P.T.+10.32 N.L.A.L.+12.85 N.C.P.+13.51 N.P.T. 0.00 PRINCIPALACCESO 0. 66 baño 0. 6 6 0. 41 0. 54 1. 58 0. 41 0. 5 4 1. 58 0. 4 1 0.54 1. 5 8 0. 41 0. 54 1. 58 0. 41 0. 56 1. 58 1. 5 4 0. 10 1. 46 3. 10 1. 7 0 baño baño baño baño baño baño baño baño baño
Figura No.6 Planta y corte de edificio de mampostería de cinco niveles resuelto con bloques multiperforados de concreto
Figura 8. Construcción de muros confinados con el bloque multiperforado de concreto
La construcción de los muros de mampostería utilizando las piezas multiperforadas, puede apreciarse en la Figura 8, en donde sobresale el armado de los castillos de confinamiento en los extremos e intersecciones de los muros.
CONCLUSIONES
Las piezas multiperforadas de concreto son una alternativa real para construir muros de mampostería de alto desempeño por su resistencia y su geometría se pueden lograr resistencias de diseño al esfuerzo cortante v* de hasta 1.2 MPa (11.8 Kg/cm2), sin embargo no se recomienda utilizar valores mayores a 0.7 MPa (7 Kg/cm2), hasta que no se hagan ensayes de muros a escala natural. La mampostería que se forma con los bloques multiperforados, es una mampostería confinada, empleando castillos y cadenas perimetralmente a los muros. Para incrementar la resistencia de la mampostería confinada al esfuerzo cortante, puede agregarse refuerzo horizontal y calcularse la contribución de dicho refuerzo.
El empleo de las piezas multiperforadas de concreto en edificios, pueden reducir y en algunos casos eliminar los muros de concreto para tomar las fuerzas sísmicas, con el beneficio de la reducción de costos y el incremento en la productividad de la construcción, al no tener que estar cimbrando y colando muros de concreto.
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Propuesta Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería para el Reglamento de Construcciones para Distrito Federal 2004.
