MARÍA ESTER LÓ PEZ RO DRÍGUEZ
CÓ DIGO : 199921582
UNIVERSIDAD DE LO S ANDES INGENIERÍA C IVIL
BO GO TÁ
MARÍA ESTER LÓ PEZ RO DRÍGUEZ
CÓ DIGO : 199921582
PRO YECTO DE G RADO
JUAN CARLO S REYES
UNIVERSIDAD DE LO S ANDES INGENIERÍA C IVIL
BO GO TÁ 2004 – 2
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN………...1
1.1 OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN………....1
1.2 METODOLOGÍA Y ALCANCE………..2
2. PROCESO CONSTRUCTIVO………...….3
2.1 CIMENTACIÓN………3
2.2 PISOS SOBRE EL TERRENO……….5
2.3 MUROS DE ADOBE………7
2.4 MUROS DE TAPIA PISADA………..10
2.5 VANOS DE PUERTAS………11
2.6 ENTREPISOS………...…11
2.7 MUROS EN NIVEL SUPERIOR……….12
2.8 CUBIERTA………...13
3. VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CONSTRUCCIONES EN ADOBE Y TAPIA PISADA………..14
3.1 GENERALIDADES……….14
3.2 GRIETAS TÍPICAS EN EDIFICACIONES DE TIERRA ANTE LA OCURRENCIA DE UN SISMO………..17
3.3 RESUMEN DE TIPOS DE MACANISMOS DE FALLA Y AGRIETAMIENTOS EN EDIFICACIONES EN TIERRA………...………...19
4. AMENAZA SÍSMICA EN LA CANDELARIA………...23
4.1 GENERALIDADES………..23
4.2 CÁCLULO DE LA AMENAZA………...23
5. ALTERNATIVAS DE REHABILITACIÓN SÍSMICA………...32
5.1 GENERALIDADES………..32
5.2 DIAFRAGMAS RÍGIDOS………33
5.3 REFORZAMINTOS DE MUROS………36
6. ENSAYOS DE LABORATORIO E INTERPRETACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL………44
6.1 GENERALIDADES……….44
6.2 CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES DE MATERIALES………..45 6.3 ENSAYOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES BÁSICAS PARA EL ADOBE Y LA TAPIA………..50 6.4 COMPORTAMIENTO DE ELEMNTOS ESTRUCTURALES PRINCIPALES…63 7. MODELACIÓN ANALÍTICA Y TEORÍA DE FALLA………..91
7.1 COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL………...91 7.2 TEORÍA DE FALLA………..102 7.3 DISEÑO SIMPLIFICADO DE REHABILITACIÓN CON ELEMENTOS DE MADERA CONFINANTES……….123 7.4 RECOMENDACIONES DE REFORZAMIENTO MÍNIMO NOMINAL……….127 7.5 CASO DE APLICACIÓN………...128
8. CONCLUSIONES………...……142
BIBLIOGRAFÍA……….…143
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Objetivos y justificación
La Universidad de los Andes hizo un estudio titulado “Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de rehabilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada”, donde dice que el adobe, la tapia pisada y el bahareque fueron las primeras técnicas constructivas usadas en Colombia para el desarrollo urbano y residencial del país. Durante cuatro siglos, se usaron estas técnicas para hacer todo tipo de construcciones; desde casas muy grandes y muy lujosas destinadas a los funcionarios del gobierno y a edificaciones eclesiásticas, hasta casas muy pequeñas y humildes, pertenecientes a criollos, artesanos y obreros. El éxito de estas técnicas se debió a los bajos costos de los materiales y a la facilidad en la construcción. Además, por esto mismo las técnicas se fueron acomodando a las variaciones en el clima, la topografía y los suelos.
No obstante, a comienzos del siglo XX, llegaron nuevas técnicas constructivas que involucraron nuevos materiales tales como el cemento, la mampostería moderna y el acero, que desplazaron a los antiguos materiales. El adobe y la tapia se empezaron a considerar sinónimo de retrazo, lo que llevó a la destrucción de muchas construcciones hechas con estas técnicas, para reemplazarlas por edificaciones construidas con las nuevas técnicas.
Además, en el “Manual para la rehabilitación de viviendas construidas en adobe y tapia pisada”, también de la Universidad de los Andes, dice que este tipo de construcciones tiene un alto grado de vulnerabilidad ante sismos de magnitudes intermedias a altas. Habla de sismos como el de Cúcuta en 1875, el de Popayán en 1983, y el de Armenia en 1999, lugares donde el adobe y la tapia pisada son materiales muy comunes, y donde hubo grandes pérdidas en términos de vidas humanas y de pérdidas de patrimonio.
Todavía se conservan muchas de estas construcciones. Un ejemplo de esto es el Barrio La Candelaria de Bogotá. Por eso es necesaria la intervención de técnicas modernas de restauración y rehabilitación, para que dichas construcciones puedan mantenerse en pie en el caso de un sismo.
El objetivo principal de este trabajo de grado es entender las propiedades mecánicas de construcciones en adobe y en tapia pisada, y el efecto de las diferentes alternativas de rehabilitación
en este tipo de construcciones con el fin de llegar a una solución que tenga en cuenta tanto la seguridad como la preservación.
1.2 Metodología y alcance
Con base en el Informe “Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de rehabilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada” de la Universidad de los Andes, se pretende ver y comparar los resultados de los diferentes ensayos de laboratorio y modelaciones en SAP2000, que se le hicieron a los modelos a escala. Los modelos a escala se ensayaron sin y con los refuerzos alternativos de rehabilitación.
Esto con el fin de poder llegar a una conclusión viable, donde se logre llegar a definir cuál es la mejor alternativa de rehabilitación, en términos de conservación y seguridad.
2. PROCESO CONSTRUCTIVO
2.1. Cimentación
Por lo general, la cimentación de construcciones en adobe y tapia pisada está conformada por vigas corridas en piedra (localizadas bajo los muros principales) y por un material llenante. Las formas de cimentación más encontradas en la investigación que hizo la Universidad de los Andes son: en L, en T invertida o cimentación prismática del mismo ancho del muro.
Los llenantes más usados son suelo arenoso o lleno de cal y de canto. El suelo arenoso no tiene que ser necesariamente encontrado en el mismo sitio pero debe permitir una apropiada acomodación de los pedazos de roca. El lleno de cal y de canto es una mezcla entre suelo arenoso y cal. En algunos casos no se usa ningún tipo de llenante, conformando una cimentación con vacíos.
Los sobrecimientos se proyectan desde la cota del terreno hasta donde va la cimentación, y están hechos de un material rígido y resistente, con el fin de proteger los muros de tierra o adobe de acciones agresivas que ocurren al nivel del suelo tales como la humedad y el goteo. Los materiales más comunes para estos son ladrillo cocido o fragmentos de roca.
A continuación se muestran algunas figuras de diferentes tipos de cimentación y de sobrecimientos encontrados en el barrio la Candelaria de Bogotá, en el estudio que hizo la Universidad de los Andes.
Figura 2.1
Tipos de cimentación encontradas en La candelaria en el estudio realizado por la Universidad de los Andes
Figura 2.1
Tipos de cimentación encontradas en La candelaria en el estudio realizado por la Universidad de los Andes
Figura 2.2
Tipos de sobrecimientos encontrados en el estudio Realizado por la Universidad de los Andes
2.2 Pisos sobre el terreno
Existen principalmente tres tipos de pisos sobre el terreno: con la base en ladrillo cocido, con estructura de madera, y con la base en roca y suelo compactado. Para el piso con la base en ladrillo cocido, el suelo se compacta y se nivela, y luego se ponen los ladrillos cocidos. Para el piso con estructura de madera, se instalan unas vigas de madera de sección pequeña, y sobre estas en sentido ortogonal se ponen unas tablas de madera. Para el piso con la base en roca y suelo compactado, se compacta una capa de roca triturada luego se pone una capa de suelo arenoso, y finalmente se instala el piso que puede estar conformado por elementos de arcilla cocida o por baldosas de cemento.
A continuación se muestran algunas figuras de los tipos de pisos sobre el terreno que se encontraron en la Candelaria en el estudio que hizo la Universidad de los Andes.
Figura 2.3
Tipos de piso sobre terreno encontrados en el estudio Realizado por la Universidad de los Andes
2.3 Muros de adobe
Los muros de adobe están constituidos por elementos macizos de barro sin cocinar. Se puede decir que las dimensiones de estos varían entre 0.30-0.40 m de largo, 0.15-0.20 m de ancho y 0.07-0.10 m de alto, aunque estas cambian con frecuencia.
El suelo con el que se construye, debe tener unas características mínimas y se le debe agregar algunos materiales como paja, fibras naturales, crin de caballo, etc. Para hacer las piezas de adobe, se pone el barro humedecido en unos moldes que tienen las dimensiones deseadas hasta el secado, se sacan de los moldes y se dejan al aire libre por 15 días evitando que queden directamente al sol.
El mortero de pega se hace con suelo del terreno; si este no proporciona la cohesión deseada de le agrega cal. Muchas veces también se le agregan materiales que aumentan la resistencia como paja.
Para los muros cargueros los aparejos más representativos son los siguientes:
• Una hilada compuesta de dos adobes en tizón y la siguiente de tres en soga con dos medios adobes entre ellos. (Figura 2.4)
Figura 2.4
Aparejos más encontrados para los muros cargueros en El barrio La Candelaria en el estudio de la Universidad de los Andes
• Una hilada compuesta de un adobe a tizón y uno a soga. (Figura 2.5)
Figura 2.5
Aparejos más encontrados para los muros cargueros en El barrio La Candelaria en el estudio de la Universidad de los Andes
• Una hilada compuesta de dos adobes a soga y la siguiente a tizón. (Figura 2.6)
Figura 2.6
Aparejos más encontrados para los muros cargueros en El barrio La Candelaria en el estudio de la Universidad de los Andes
• Una hilada compuesta de un adobe a tizón.
Para los muros no cargueros, por lo general las hiladas están compuestas por adobes en soga.
(Figura 2.7)
Figura 2.7
Aparejos más encontrados para los muros no cargueros en El barrio La Candelaria en el estudio de la Universidad de los Andes
En algunos casos se encuentran muros reforzados en las esquinas o con refuerzos internos (Figuras 2.8 y 2.9), pero parece que con ningún motivo estructural, puesto que en ese tiempo no había conciencia sobre los sismos.
Figura 2.8 Figura 2.9 Refuerzo en las esquinas Refuerzos internos
2.4 Muros de Tapia pisada
La técnica consiste en compactar capas de 0.10 m de tierra, con una herramienta elaborada en obra denominada pisón, similar a un remo aunque variable en peso y forma entre las diferentes regiones.
Dicha compactación se hace dentro de una formaleta llamada Tapial, que consta de dos tableros de madera de 1.0 m de alto por 2.0 m de largo (hojas de tapial), y por dos compuertas que determinan el ancho. Al igual que el pisón, las dimensiones del Tapial varían entre las diferentes regiones.
Las hojas de tapial están sobre tres elementos horizontales transversales que se llaman mechinales, los cuales tienen unas cajas donde se instalan unos elementos verticales que se llaman parales, que previenen que previenen que las hojas de tapial se abran con el golpeteo del pisón. La parte superior de los parales se amarra con fique. Una vez se termina con una sección del muro, se desarma la formaleta y se corre horizontalmente para avanzar con la siguiente sección. (Figura 2.10)
Figura 2.10
Construcción de muro de tapia pisada
2.5 Vanos de puertas
Por lo general, se encontró en el estudio que hizo la Universidad de los Andes, que los vanos de las puertas están constituidos por dos o más vigas de madera de 0.20 m x 0.15 m, y se encuentran empotradas a los muros a 0.40 m en cada lado. También se pueden encontrar vanos en arco a semiarco, hechos en ladrillo cocido. (Figura 2.11)
Figura 2.11
Vanos de puertas y ventanas
2.6 Entrepisos
En el estudio realizado por la Universidad de los Andes, se encontró que los entrepisos están soportados por vigas cargueras que van de muro carguero a muro carguero, transmitiéndole la carga a las vigas corona que están sobre los muros cargueros. Tanto las vigas cargueras como las vigas corona, están hechas en madera rolliza o en madera de sección rectangular o cuadrada. Para las vigas corona, hay elementos de unión en las esquinas en madera.
Sobre las vigas cargueras de entrepiso, se ponen tablas de madera y sobre estas el acabado final del piso que puede ser ladrillo cocido o baldosas de cemento. Cuando este no se quiere dejar a la vista se usa un cielo raso que está hecho de caña, chusque o guadua y que se descuelga por medio de
Figura 2.12
Entrepiso típico encontrado en el estudio realizado en la Universidad de los Andes
2.7 Muros en nivel superior
Para los muros cargueros, en el caso de los muros de adobe del segundo piso, estos son simplemente una continuación de los del primer piso. En el caso de los muros de tapia pisada, estos se apoyan sobre el entrepiso.
Para los muros divisorios se usa un espesor igual al de un adobe simple, con aparejo sencillo y se levantan sobre el entrepiso. En ocasiones directamente sobre los muros divisorios del primer piso.
Los muros de segundo piso, muchas veces son en bahareque y no en adobe o tapia pisada. (Figura 2.13)
Figura 2.13 Muros en nivel superior
2.8 Cubierta
Aunque existe una gran variedad de tipos de cubiertas, una de las más encontradas en el estudio que hizo la Universidad de los Andes, que es conocida como la de par y nudillo, está conformada por los siguientes elementos: viga cumbrera que recibe las correas, vigas correa que sostienen el encañado de techo, elementos diagonales (pares), vigas de madera que atraviesan el vano y descansan en las soleras (tirantes) y vigas instaladas en las cajas de los tirantes y que reciben las correas (soleras). Para unir todos estos elementos se usan clavos, amarres y cajas tipo boca de pescado.
Las vigas de cubierta descansan sobre muros de adobe, denominados cuchillas. Las tejas casi siempre van sobre una capa de tierra. (Figura 2.14)
Figura 2.14
Cubiertas típicas encontradas en La Candelaria En el estudio de la Universidad de los Andes
3. VULNERABILIDAD SÍSMICA DE CONSTRUCCIONES EN ADOBE Y TAPIA PISADA
3.1 GENERALIDADES
En el estudio realizado por la Universidad de los Andes, se explica por qué las construcciones en adobe y tapia pisada tienen una muy baja resistencia sísmica. En el informe dice que no son capaces de resistir una serie de acciones impuestas por un sismo, lo que lleva a fallas parciales o totales de los mismos. Esto genera la pérdida de soporte a la cubierta, ocasionando la pérdida de vida de los ocupantes. Además de su baja resistencia, este tipo de construcciones se caracterizan por tener una baja densidad de muros de gran longitud y gran altura, que tienen muy poco o nada de refuerzo, lo que hace que este tipo de edificaciones sean aún más vulnerables.
Cuando ocurre un sismo, se crean una serie de movimientos en el piso que hacen vibrar la estructura, generando fuerzas de inercia proporcionales a la masa de los distintos elementos de la construcción. Dichas fuerzas inerciales son inducidas más que todo en los entrepisos y en los muros, porque son los elementos de mayor peso. Estos se encargan de transmitir las fuerzas a los muros principales en la dirección dominante del movimiento del sismo; perpendicular o paralelo al plano. Las fuerzas perpendiculares al plano son las que mayores daños ocasionan.
Por lo anterior, se puede decir que la falta de un diafragma rígido en este tipo de construcciones es uno de los principales problemas de estas construcciones. El diafragma transmite las fuerzas sísmicas inerciales inducidas. Por eso, el simple hecho de tener un diafragma rígido disminuye la vulnerabilidad sísmica significativamente.
Además del diafragma rígido, también es muy importante que haya una adecuada transmisión de carga, y esto solo se logra si hay una buena conexión entre el sistema de entrepiso (o techo) y entre los muros, lo cual es muy importante. Para las construcciones en adobe y tapia pisada, la viga corona en madera que forma parte del sistema de entrepiso cumple esta función, aunque vale la pena anotar que no todas las construcciones de este tipo la tienen.
En cuanto a los muros, prácticamente ninguno de los requerimientos sismorresistentes impuestos por los códigos modernos de diseño y construcción para este tipo de elementos se cumple. No tienen ningún tipo de amarre o refuerzo interno, no se tiene en cuenta una calidad mínima del material, no existe reforzamiento en puertas ni ventanas, no hay buena calidad constructiva, no hay refuerzo en juntas con otros muros. Todo esto aumenta la vulnerabilidad de este tipo de edificaciones.
Resumiendo lo anteriormente estipulado, son dos las deficiencias que hacen altamente vulnerables a las edificaciones de adobe y tapia pisada. La primera es la falta de un diafragma rígido en el plano de los entrepisos y de la cubierta, lo que garantizaría una buena transmisión de cargas horizontales a los elementos más rígidos. Esto hace que las fuerzas inerciales generadas por el sismo se transmitan directamente a los muros que sirven de apoyo directo del sistema de entrepiso y cubierta.
La segunda deficiencia, es que la capacidad a flexión de los muros de tierra sin carga
vertical es prácticamente nula. Teniendo en cuenta que en muchos casos los sismos
involucran altas aceleraciones verticales simultáneamente con las horizontales, la capacidad
a flexión se reduce significativamente debido a la aceleración hacia arriba que puede
presentarse, disminuyendo el efecto de las cargas verticales. Además, las cargas dinámicas
reducen la cohesión entre las partículas que conforman los muros de tierra, generando un
agrietamiento en los extremos laterales de los muros, dejando de trabajar así la edificación
como un conjunto. Por lo tanto, cada muro tiene que absorber el sismo de manera
independiente, hasta el punto que se genera tanta inestabilidad que ocurre el colapso total.
Por esto, se debe garantizar la capacidad a la flexión tanto en la dirección del plano del muro como en la dirección perpendicular al plano del muro.
Además de todas las deficiencias que se mencionaron anteriormente obtenidas del informe del estudio que hizo la Universidad de los Andes, se han realizado estudios donde se ha demostrado que el comportamiento sísmico del adobe y la tapia sin reforzar es deficiente. La resistencia a la tensión del adobe y del mortero de pega es muy baja, la adherencia que se logra en las juntas no es buena y el amarre de los muros en las esquinas por lo general falla. Por esto en el momento de un sismo, el efecto de las fuerzas perpendiculares al plano hace que los muros fallen, casi siempre por volcamiento o por fallas locales debidas al empuje de los elementos del techo. Esto genera a su vez la pérdida de apoyo de los elementos de cubierta, llevando al colapso total de la vivienda.
La explicación técnica de lo anterior, es que las vibraciones generadas por las fuerzas sísmicas inducen momentos flectores máximos en las esquinas superiores de los muros, a donde llegan los muros perpendiculares, generando grietas verticales. Esto ocurre porque los conectores en las esquinas no transmiten bien las fuerzas a los muros perpendiculares, los que deberían tomar estas cargas. Entonces el muro empieza a vibrar como un voladizo generando el volcamiento y el agrietamiento en la base, perdiendo así todo tipo de restricción.
Existen otro tipo de fallas características como el colapso iniciado por la caída de la estructura de cubierta, o por las fuerzas cortantes generadas alrededor del entrepiso cuando el espesor del muro del segundo piso es menor al del primer piso.
Cuando se tiene un sistema de entrepiso con diafragma rígido, y la longitud arriostrada del muro no es muy grande, la falla es por tracción diagonal. Esto puede ocurrir porque el muro no es capaz de resistir las fuerzas cortantes inducidas en su plano, generándose un agrietamiento en dirección diagonal al muro. Cuando existen ventanas y puertas este tipo de falla empeora significativamente.
En la Figura 3.1, obtenida del informe del estudio de La Universidad de los Andes, se muestran las principales deficiencias que se presentan en las construcciones en tierra.
3.2 GRIETAS TÍPICAS EN EDIFICACIONES DE TIERRA ANTE LA OCURRENCIA DE UN SISMO
3.2.1 Falla por fuerza perpendicular al plano del muro
Las figuras 3.1 y 3.2 fueron tomadas del informe “Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de rehabilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada” de la Universidad de los Andes.
EDIFICACIONES DE MÁS DE UN PISO
FALTA DE REFUERZO HORIZONTAL TEJAS PESADAS
BAJA CALIDAD DEL ADOBE POCA MEZCLA DEL BARRO
JUNTA VERTICAL SIN MORTERO
UNIÓN DEFICIENTE EN JUNTAS VERTICALES DE LAS ESQUINAS APOYOS DEFICIENTES O
MUY CORTOS DE LOS DINTELES
ABERTURAS DE PUERTAS Y VENTANAS MUY GRANDES
ABERTURAS MUY CERCA DE LAS ESQUINAS
MUROS MUY GRANDES Y MUY LARGOS
CIMENTACIONES DEFICIENTES
Figura 3.1
Deficiencias que presentan las construcciones en tierra
En el informe se explican las diferentes grietas, y a continuación se hace un resumen de esto.
La grieta G1, que se muestra en la Figura 3.2, se forma en la parte inferior de la culata. La viga cumbrera que es un tronco de madera, genera empujes a la culata que llevan al desplomo de esta.
La grieta G2, que aparece tanto en la Figura 3.2 como en la 3.3, se forma porque no hay una viga solera que controle los grandes desplazamientos laterales en la zona central superior del muro y porque los muros de arriostramiento laterales están muy separados. El resultado de esto es que el muro termina trabajando como una losa apoyada en tres de sus bordes, y con el borde superior libre.
La ausencia vigas cargueras y de columnas de confinamiento, para absorber la tracción que se forma cuando se encuentran los muros, genera un desgarramiento vertical entre los muros perpendiculares, puesto que no hay una buena transferencia de las fuerzas sísmicas. Esto genera la grieta G3, que se muestra en ambas figuras.
Las grietas G2 y G3 se forman desde arriba hasta abajo, con una abertura mayor en la parte superior por ser la zona de mayor deformación.
3.2.2 Falla por fuerza cortante coplanar
La Figura 3.4 fue tomada del informe “Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de rehabilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada” de la Universidad de los Andes.
Figura 3.2
Grietas en los muros por fuerza perpendicular al plano
Figura 3.3
Deformaciones del muro por la carga sísmica transversal
En el informe se explican las diferentes grietas, y a continuación se hace un resumen de esto.
La falla G4, que se muestra en la Figura 3.4, tiene una forma escalonada a través de las juntas verticales y horizontales, y se forma por la poca adherencia que hay entre el mortero de barro y el adobe. Por lo general, este tipo de falla después de haberse presentado las fallas tipo G2 y G3 (Figura 3.4), y puede complementarse con una grieta horizontal (G5, Figura 3.4) en la junta ladrillo- adobe. Se generan por las fuerzas sísmicas perpendiculares al plano.
3.3 RESUMEN DE TIPOS DE MACANISMOS DE FALLA Y AGRIETAMIENTOS EN EDIFICACIONES EN TIERRA
A continuación se resumen los tipos de falla encontrados por la investigación de la Universidad de los Andes, y se muestran algunos dibujos, tomados del Manual para la rehabilitación, también de la universidad de los Andes, donde se explica cada uno de estos tipos de falla.
Figura 3.4
Otros tipos de fallas en muros de adobe
Tipo 1: Falla por flexión perpendicular al plano del muro, con agrietamiento horizontal en la base o a una altura intermedia. (Figura 3.5)
Figura 3.5 Falla Tipo 1
Tipo 2: Falla por flexión perpendicular al plano del muro, con agrietamiento vertical en la zona central con respecto a los muros perpendiculares. Figura 3.6.
Figura 3.6 Falla tipo 2
Tipo 3: Falla por tracción en las esquinas conformadas por muros perpendiculares. Figura 3.7
Figura 3.7 Falla tipo 3
Tipo 4: Falla por cortante en el plano del muro asociada o no a la presencia de aberturas en el muro.
Figura 3.8.
Figura 3.8 Falla tipo 4
Tipo 5: Falla generada por la caída de la cubierta dentro de la vivienda, por estar mal apoyada sobre los muros, por su deterioro o por su mal diseño estructural. Figura 3.9.
Figura 3.9 Falla tipo 5
Tipo 6: Puede ocurrir una combinación de 2 o más de los mecanismos anteriores. Figura 3.10.
Figura 3.10 Falla tipo 6
4. AMENAZA SÍSMICA EN LA CANDELARIA
4.1 GENERALIDADES
En el informe de la Universidad de los Andes, titulado “Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de rehabilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada”, se explica cuál es la posición, tanto geográfica como en términos de riesgo sísmico de Colombia. A continuación se hace un resumen de esto.
Colombia se encuentra localizada en el Cinturón Circumpacífico, es decir una de las regiones de mayor sismicidad a nivel mundial. Además, en la esquina nor-occidental de Suramérica chocan tres placas tectónicas; la Suramérica, la Nazca, y la Cocos. La interacción entre estas placas conforma la zona de subducción y las fallas interplaca, donde se pueden generar sismos de magnitud intermedia a alta, dependiendo de las características de cada una de las fallas. Lo grave de esto es que las principales ciudades del país se encuentran localizadas sobre las trazas de dichas fallas, clasificando así a la Zona Andina como zona de amenaza sísmica alta con alta posibilidad de terremotos. A continuación se nombran diferentes lugares donde han ocurrido sismos que demuestran lo mencionado anteriormente: Honda (1805), el Borde Llanero (1827), Cúcuta (1875), Popayán (1983), y Armenia (1999).
Un sismo trae graves consecuencias; la pérdida de vidas humanas y enormes pérdidas económicas que no solo resultan de los daños directos ocasionados por el sismo, sino por la falta de operación en los días siguientes al evento.
4.2 CÁLCULO DE LA AMENAZA
A continuación se hace un resumen de cómo se calcula la amenaza sísmica según la investigación que hizo la Universidad de los Andes.
4.2.1 Amenaza sísmica
La amenaza sísmica se cuantifica según los periodos de retorno, con intensidades sísmicas relevantes en cuanto al comportamiento de las estructuras. La tasa de excedencia de una intensidad
sísmica es, el número medio de veces por unidad de tiempo, en que el valor de la intensidad sísmica es excedido. Aunque es posible hacer esto contando las veces que se exceden los valores de intensidad en el sitio de interés, muchas veces no se tiene la información de sismos pasados, por lo que se debe calcular de forma indirecta. Para hacer esto, primero se debe evaluar la tasa de actividad sísmica en las fuentes que generan temblores y luego se deben integrar los efectos que estos producen en un sitio dado. Lo primero que se debe hacer es investigar la tectónica del territorio y la sismicidad que las fuentes generan en una región determinada.
4.2.2 Tectónica colombiana
Como ya se mencionó anteriormente, en Colombia se encuentran los límites de tres placas continentales, creando esfuerzos de compresión, tracción y corte dentro de la región. Las zonas más activas, sísmicamente hablando, se encuentran localizadas en la región andina, dominada por tres cordilleras; central (la más antigua), occidental y oriental (la más reciente). En el ambiente de subducción se han encontrado zonas de Benniof mediante la ubicación de los hipocentros, llevando a establecer que mientras más al norte estén dichas zonas, estas son más superficiales, y mientras más al sur estén, son más profundas. Esto indica un cambio de buzamiento de las zonas subducidas.
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82
1
2
5 6
7
8
9
10
11 12
13
14
15
16
17 18
19 20 21
22
23 24
25
26 27
28 29
30
31
32
Figura 4.1
Distribución de fuentes sísmicas
Además, existen una serie de fallas geológicas activas, limitadas por la zona de subducción, y por la falla Frontal de la cordillera oriental. La mayoría de estas fallas tienen dirección Norte – Sur, y las de mayor importancia son la Frontal y la Romeral. El estudio de amenaza sísmica de Colombia hizo un análisis con base en la información tectónica y sismológica, para encontrar los parámetros más relevantes; frecuencia de sismos , pendiente de regresión β, y magnitudes máximas Mu y mínimas Mo de cada falla. Para esto se usó una base de datos correspondiente al lapso entre los años 1957 – 1995.
La primer incertidumbre que surge en el proceso de encontrar los parámetros, es la asignación de eventos a las fuentes. Esto más que todo en la zona andina, pues muchas fuentes se encuentran superpuestas. El estudio hizo los análisis de regresión, los parámetros de sismicidad para cada fuente, y propuso valores para 32 fuentes activas en Colombia, mostradas en la figura 4.1, donde se puede ver una gran concentración en la zona andina, que generan una gran concentración de epicentros en la zona.
4.2.3 Modelos de la sismicidad local
La tasa de excedencia de las magnitudes mide qué tan frecuentemente se generan temblores de mayor magnitud a una establecida, en una fuente. Empleando un modelo de sismicidad de Poisson, y en términos de la tasa de excedencia de las magnitudes, se especifica la actividad de la iésima fuente sísmica. La sismicidad es:
0 0
( )
uu
M M
M M
e e
M e e
β β
β β
λ = λ
−−−
−−−
Donde Mo es la mínima magnitud relevante y 0, βi, y Mu son parámetros que definen la tasa de excedencia de cada una de las fuentes sísmicas. Estos parámetros se estiman por procedimientos bayesianos, con información sobre regiones tectónicamente similares a las del país, y con información experta sobre el valor de Mu.
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5
Magnitud
Tasa de excedencia (veces/año)
Figura 4.2
Tasas de excedencia de fuentes
En la Figura 4.2 se muestran dos tasas de excedencia para zonas sísmicas distintas. Se puede ver que para una misma tasa constante de excedencia, ambas fuentes generan sismos de diferente magnitud.
No existe evidencia explícita de la evidencia de brechas sísmicas en Colombia. Por eso se sigue usando el proceso de ocurrencia de Poisson para todas las fuentes, en la evaluación del peligro sísmico para Colombia (lo que genera incertidumbre en la subducción de Colombia).
4.2.4 Atenuación de las ondas sísmicas
Una vez hallada la tasa de actividad de cada una de las fuentes sísmicas, se deben evaluar los efectos, en términos de intensidad sísmica, que cada una de estas genera en un sitio de interés. Para hacer esto, se necesita saber qué intensidad se presentaría en el sitio de interés, si en la iésima fuente ocurriera un temblor con magnitud dada. Las leyes de atenuación son las expresiones que relacionan magnitud, posición relativa fuente-sitio e intensidad sísmica. La posición relativa fuente- sitio se especifica mediante la distancia entre el foco sísmico y el sitio. Las intensidades sísmicas relevantes son las ordenadas del espectro de respuesta a, cantidades que son aproximadamente proporcionales a las fuerzas laterales de inercia que se generan en las estructuras durante sismos.
En Colombia se han usado leyes de atenuación que no representan de forma adecuada la tectónica del territorio. Se ha tratado de deducir leyes que satisfagan este problema, con el fin de determinar la aceleración pico. Desafortunadamente estos planteamientos son muy imprecisos y adicionan nuevas incertidumbres.
En este caso se vana usar leyes de atenuación que dependen de las trayectorias que recorren las ondas desde la fuente hasta el sitio. Estas leyes tienen en cuenta el hecho de que la atenuación es diferente para ondas de diferentes frecuencias, por lo que se tienen parámetros de atenuación diferentes para cada periodo de vibración.
4.2.5 Efectos de la geología local
Para la estimación de la amenaza sísmica, es muy importante el tipo de suelo ya que este tiene un efecto fundamental sobre la amplitud y la naturaleza de las ondas sísmicas. En Bogotá esto es particularmente importante, pues las amplificaciones por geología local llegan a ser notables. La forma de hallar este efecto, consiste en encontrar funciones de transferencia para multiplicarlas por los espectros fuentes hallados, y asó obtener el espectro fuente representativo para el sitio con sus respectivos efectos locales.
Una vez hallado este espectro fuente representativo, se encuentran los valores extremos usando la teoría de vibraciones aleatorias, y se encuentran las leyes de atenuación de las intensidades sísmicas de interés.
En la Figura 4.3 se ve un ejemplo de la función de transferencia en un sitio de la sabana de Bogotá donde hay suelo muy blando. Con esta función se pueden hallar las leyes de atenuación del sitio particular.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0.01 0.10 1.00 10.00
Frecuencia (Hz.)
(Amplitud)
0.05g 0.1g 0.2g 0.4g 0.6g
0 50 100 150 200 250 300 350
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Periodo (seg)
Aceleracón (cm/s²)
M=5M=6 M=7M=8
Figura 4.3
Arriba: función de transferencia suelo blando Abajo: ley de atenuación para distancia epicentral de 30 km
4.2.6 Cálculo de peligro sísmico
Una vez se tiene la sismicidad de las fuentes, los patrones de atenuación de las ondas generados en cada fuente, y los efectos de la geología local, se calcula el peligro sísmico. Esto se hace con base en la suma de los efectos de todas las fuentes sísmicas y la distancia entre cada fuente y el sitio donde está la estructura, mediante la siguiente expresión:
1
( | , ) Pr( | , )
n NMu
n Mo
a Ro p A a M Ro dM
M
ν ∂λ
∂
=
=
= ∑ ∫ − >
Donde N es la totalidad de las fuentes Pr(A>a ׀M, Ri) es la probabilidad de que la intensidad exceda un cierto valor, dadas la magnitud del sismo M, y la distancia entre la pésima fuente y el sitio Ri. Las funciones λi(M) son las tasas de actividad de las fuentes sísmicas. Se toman en cuenta todas las magnitudes pues la integral se hace desde Mo hasta Mu. Dadas la magnitud y la distancia y suponiendo que la intensidad tiene distribución log-normal, la probabilidad se calcula así:
( | , )
Pr( | , ) 1 ln
iLna
E A M R
A a M Ro
φ
aσ
⎛ ⎞
> = ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Donde ϕ(.) es la distribución normal estándar, E(A| M, Ri) es el valor medio del logaritmo de la intensidad y σLna su correspondiente desviación estándar.
La amenaza sísmica se expresa en términos de la tasa de excedencia de valores de intensidad sísmica dados. La intensidad sísmica, a, se mide con las ordenadas del espectro de respuesta de seudoaceleraciones para 5% del amortiguamiento crítico y el periodo normal T, de la edificación de interés.
Con las leyes de atenuación para osciladores de diferente periodo estructural, se pueden encontrar espectros de peligro sísmico uniforme para un sitio específico, a partir del valor de aceleración para la tasa de excedencia establecida al periodo de retorno.
4.2.7 Análisis determinístico y estudio de microzonificación
Son tres cosas las que caracterizan a un sismo: el mecanismo focal, el camino recorrido por las ondas desde la ruptura a la localidad, y las propiedades geotécnicas locales. A continuación se va a estudiar un poco más a fondo el tercer punto.
1. Un depósito de suelo tiende a oscilar en sus frecuencias naturales dominantes, que dependen de la rigidez al corte del suelo y por la geometría del depósito.
2. La rigidez depende de las deformaciones a la que puede llegar el suelo por oscilaciones causadas por un sismo. A mayor deformación, menor rigidez.
3. La amplitud de las oscilaciones depende de la intensidad de las solicitaciones sísmicas y de la capacidad de amortiguamiento histerético del suelo.
4. El amortiguamiento histerético depende del nivel de deformaciones angulares del suelo.
Si las frecuencias propias del subsuelo son similares a las dominantes, habrá amplificación. Según la NSR-98 la aceleración máxima probable en Bogotá, para efecto de diseño de edificaciones en terreno firme es de 0.2g, lo que corresponde a un periodo de exposición de 50 años, con una probabilidad del 10% de excedencia, y un cubrimiento del 90% por incertidumbre, lo que resulta en un sismo con periodo de retorno de 475 años.
Para la zona de la Candelaria, con base en la aceleración máxima probable estimada para el terreno firme en Bogotá, en la estratigrafía de la zona, y en las propiedades geotécnicas y dinámicas de los suelos correspondientes al sondeo más cercano, se estimo el tipo de sismo esperado.
Se usaron algunos estudios previos para determinar los acelerogramas para el análisis de la respuesta dinámica del subsuelo. Con base en estos se concluye lo siguiente:
• Para considerar el efecto de las fuentes cercanas a la ciudad, se usa el sismo de Lomaprieta de 1989, registrado en Corralitos con una aceleración máxima de 0.25g. Representa el rompimiento de una falla cercana, con una duración de más o menos 40 segundos.
• Para entender la respuesta dinámica del suelo ante una señal regional o frontal, se tomó el sismo de Tauramena registrado en la estación del Rosal, y a partir de este se hizo un acelerograma sintético que representa el rompimiento de una parte del sistema Falla Frontal. Tiene un nivel de aceleración máxima de 0.20g, con una duración aproximada de 57 segundos.
• Para considerar el efecto de un sismo de alta magnitud, lejano, que llegue con una amplitud baja y una frecuencia baja, se considera el acelerograma registrado en la UNAM, con una aceleración máxima de 0.038g. Este sismo representa uno generado en la zona de subducción por un sismo de magnitud mayor a 7.0, con una duración de 114 segundos.
De esta manera se hace un modelo unidimensional que sirve como base para determinar la respuesta dinámica en el sitio.
4.2.8 Espectros de respuesta
Con base en lo anterior se establecen 4 tipos de espectros de respuesta para el sondeo más cercano a la zona de La Candelaria. En la figura 4.4 se muestra el espectro de peligro uniforme para este sondeo, y se compara con los tres espectros de respuesta que se hallaron a partir de los acelerogramas del estudio de Bogotá. También se encuentra el espectro de respuesta para esta zona, sacado del estudio de Microzonificación.
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Periodo (seg)
Aceleración (g)
Cercano Regional Lejano
Espectro Microzonificación
Espectro de Peligro Uniforme (475 años)
Figura 4.4
Comparación de los diferentes espectros y el de la microzonificación de Bogotá
Lo que esto confirma, es que la zona de la Candelaria está sometida a una amenaza sísmica de consideración, especialmente por el tipo de suelo que hay en la zona, que producen aceleraciones máximas de 0.3g y aceleraciones espectrales para edificaciones de un periodo fundamental de vibración menos de 1 seg, del orden de 0.75g.
5. ALTERNATIVAS DE REHABILITACIÓN SÍSMICA
Una vez entendido el problema globalmente, la Universidad de los Andes propone una serie de alternativas para rehabilitar este tipo de construcciones, de una forma viable. Esto se resume a continuación.
5.1 GENERALIDADES
Es muy importante definir diferentes alternativas de rehabilitación para las edificaciones de adobe y tapia pisada que se encuentran en la zona de La Candelaria en Bogotá, debido a la alta amenaza sísmica a la que están sometidas, y a su gran importancia por ser patrimonio histórico de Bogotá, una de las primeras ciudades colombianas y la capital del país. Dichas alternativas deben tener varios aspectos en consideración, pues no es suficiente tener en cuenta solo los aspectos técnicos relacionados con el comportamiento del material y de este tipo constructivo. También se deben considerar las condiciones socioeconómicas del sector, y la importancia cultural de las edificaciones. Por eso, la idea de la rehabilitación es conservar al máximo la arquitectura original, usando materiales similares sin cambiar el aspecto general.
La idea de la rehabilitación es disminuir el riesgo sísmico al que están sometidas estas edificaciones. Lo ideal es evitar que la edificación colapse durante el sismo o si no, por lo menos retardar este colapso para permitir la salida de los ocupantes y así evitar la pérdida de vidas humanas. Vale la pena aclarar que las alternativas que acá se presentan no se centran en proteger la edificación ni en disminuir sus daños, pues esto requeriría mayores niveles de intervención.
Además, las medidas de rehabilitación propuestas están dirigidas a la rehabilitación de viviendas existentes y no a la construcción de nuevas viviendas, pues la construcción de viviendas sismorresistentes con este tipo de materiales no está permitida en Colombia.
Son dos las deficiencias que hacen altamente vulnerables a las edificaciones de adobe y tapia pisada. La primera es la falta de un diafragma rígido en el plano de los entrepisos y de la cubierta, lo que garantizaría una buena transmisión de cargas horizontales a los elementos más rígidos. Esto hace que las fuerzas inerciales generadas por el sismo se transmitan directamente a los muros que sirven de apoyo directo del sistema de entrepiso y cubierta.
La segunda deficiencia, es que la capacidad a flexión de los muros de tierra sin carga vertical es prácticamente nula. Teniendo en cuenta que en muchos casos los sismos involucran altas aceleraciones verticales simultáneamente con las horizontales, la capacidad a flexión se reduce significativamente debido a la aceleración hacia arriba que puede presentarse, disminuyendo el efecto de las cargas verticales. Además, las cargas dinámicas reducen la cohesión entre las partículas que conforman los muros de tierra, generando un agrietamiento en los extremos laterales de los muros, dejando de trabajar así la edificación como un conjunto. Por lo tanto, cada muro tiene que absorber el sismo de manera independiente, hasta el punto que se genera tanta inestabilidad que ocurre el colapso total. Por esto, se debe garantizar la capacidad a la flexión tanto en la dirección del plano del muro como en la dirección perpendicular al plano del muro.
A continuación se proponen las medidas de rehabilitación, teniendo en cuenta lo anterior:
• Disminuir la masa de las edificaciones, por ejemplo usando tejas más livianas en la cubierta. Lo mismo para el sistema de entrepiso.
• Tratar de proporcionar un diafragma rígido con adecuadas conexiones y contactos a los muros perimetrales.
• Darla capacidad a la flexión a los muros tanto en el plano como perpendicular al plano, garantizando una cantidad mínima de muros en las dos direcciones principales de la edificación.
La primera de las alternativas implica una mayor intervención, razón por la que no se va a considerar en este estudio.
5.2 DIAFRAGMAS RÍGIDOS
Primero que todo, se debe tener en cuenta que cualquier aumento en la masa o en las cargas verticales actuantes, va a generar una mayor fuerza sísmica inercial, lo que a puede implicar que la medida de rehabilitación genere efectos negativos. Además, se debe tener en cuenta que lo más importante es que haya una adecuada unión entre el diafragma y los muros perimetrales. A continuación se muestran algunas alternativas que generan un diafragma rígido.
5.2.1 Plaqueta de concreto
Si el sistema de entrepiso es resistente o cuando se pueden reemplazar parte de los acabados por nuevos materiales, se puede usar como diafragma una plaqueta de concreto reforzado. Esta iría apoyada sobre los elementos principales de entrepiso que son las vigas cargueras, por lo general de madera. Se debe garantizar una buena conexión entre la plaqueta de concreto y las vigas cargueras al igual que con los muros perimetrales.
La plaqueta de concreto debe ser mínimo de 5 cm de espesor con una malla de refuerzo en ambas direcciones, de 5 mm cada 15 cm. Se deben incluir conectores conformados por varillas de refuerzo No. 2 por lo menos cada 40 cm, a lo largo de las vigas principales de apoyo. Se le deben abrir regatas a los muros, para que así la plaqueta quede embebida en el muro, y debe existir por lo menos un refuerzo longitudinal en la zona de la regata. La regata debe ser de un tercio el espesor total del muro de apoyo. Figura 5.1, tomada del Manual para la rehabilitación de viviendas construidas en adobe y tapia pisada, de la Universidad de los Andes.
Figura 5.1 Plaqueta de concreto
5.2.2 Entablado complementario
Si no existe ningún tipo de entablado, se debe colocar uno en las dos direcciones principales de la losa de entrepiso; si ya existe uno, y se encuentra en buen estado, se debe colocar un entablado en la dirección perpendicular. Este debe ir bien conectado a los elementos de soporte con puntillas espaciadas mínimo cada 20 cm, que a su vez deben ir en los elementos de soporte. El nuevo entablado se debe conectar a los elementos perimetrales de madera o vigas corona existentes, sobretodo a las que van en dirección paralela a los elementos de entrepiso existentes. Si no existe tal elemento de borde de madera, se debe hacer una regata en la base de los muros y embeber ahí un elemento de madera de dimensiones mínimas de 10 cm de altura por un tercio del espesor del muro.
Para empotrar este elemento en el muro se debe usar mortero de pega tipo S. Debe prolongarse hasta las esquinas del muro, donde se anclará el elemento de borde a los elementos de madera existentes, o se conformará un nuevo elemento de madera transversal, para que haya una unión efectiva con los muros.
La madera usada debe ser mínimo de la clase B, y no debe tener ningún defecto, fisura, agrietamiento, acción de insectos, o cualquier otro defecto que pueda afectar la función estructural.
Figura 5.2, tomada del Manual.
Figura 5.2
Entablado complementario
5.2.3 Diagonalización
Cuando sea posible, se puede tomar la alternativa de diagonalizar cada unos de los vanos en estudio mediante perfiles metálicos livianos, que en lo posible se deben anclar a la parte externa del entrepiso. El perfil debe tener un ángulo mínimo de 3” x 3” x ¼”. Estas diagonales se deben complementar con elementos perimetrales debidamente adosados a los muros.
5.3 REFORZAMIENTO DE MUROS
5.3.1 Alternativas de reforzamiento
La idea de reforzar los muros es proporcionarles resistencia a la flexión para acciones en el plano y fuera del plano. Esto debe ser complementario a la generación del mecanismo de diafragma rígido.
Las alternativas de reforzamiento más usadas son las siguientes:
• Poner una malla de acero a ambos lados del muro, con un refuerzo adicional de acero en los sitios donde se concentran los esfuerzos de corte y los de flexión, como son las esquinas, los sitios donde hay contacto entre muros, los alrededores de aberturas como puertas y ventanas y en las zonas centrales superiores para el caso de muros largos. Las mallas deben conectarse mediante un anclaje conformado por varillas que tengan un diámetro de 8 mm. La malla también debe ir unida al muro con tapas de gaseosa. La malla debe estar cubierta con mortero a base de cal y arena en una proporción 1:2. (Figura 5.3).
Figura 5.3 Malla de refuerzo
• Refuerzos de madera, verticales y horizontales para así aumentar la resistencia a flexión y mantener la unidad de la estructura. Estos elementos de madera se deben colocar en ambas caras del muro; la interna y la externa. Los elementos horizontales se deben unir mediante platinas de hacer. La idea no es rigidizar el muro sino hacer que este trabaje como una sección compuesta de tierra y madera. La compatibilidad de deformaciones entre los dos materiales se garantiza usando pernos y puntillas clavadas sobre las tablas del reforzamiento. (Figura 5.4)
Figura 5.4 Refuerzo de madera
• Cuando no existen vigas corona, se recomienda colocar una sobre los muros y a lo largo de todo el perímetro de la casa. Esta puede ser de madera o de concreto. Si se va hacer de concreto, se recomiendo un elemento de borde en las inmediaciones de las esquinas de los muros para disminuir los efectos de contracción de fraguado. Esta alternativa va acompañada de elementos de confinamiento verticales embebidos en el muro. Esta alternativa puede traer algunas complicaciones constructivas y puede afectar negativamente los muros. (Figura 5.5)
Figura 5.5 Viga corona
• Colocación de barras de acero horizontales y verticales o cables que puedan ser postensionados para generar una precompresión en los muros tanto en la dirección vertical como en la horizontal. Con esto se pretende mejorar el comportamiento del muro y del conjunto de muros. Se deben colocar por ambas caras de los muros, tanto en sentido vertical como horizontal. Los que están en sentido horizontal controlan la perfección perpendicular al plano del muro y controlan la posibilidad de fisura en las esquinas del muro por corte.
5.3.2 Reforzamiento con malla y mortero de cal
Consiste en poner una malla electro – soldada por franjas horizontales y verticales, las cuales simulan columnas y vigas de confinamiento, en las zonas más críticas de la edificación. La malla se une al muro con clavos y tapas de gaseosa cada 30 cm, se pone en ambas caras de este, conectándose entre si con conectores cada 50 cm, compuestos de alambre de 8mm. Estos conectores de ponen en unos orificios hechos previamente, que luego son tapados con mortero de cal y arena en proporción 1:2. Luego, la malla se recubre con este mismo tipo de mortero, con el fin de evitar la pérdida de rigidez lateral.
Este es un método que se ha usado en varios países como Perú y México. Se hicieron algunas casas a escala con este tipo de refuerzo para estimar su efecto sobre este tipo de edificaciones.
A continuación se muestran algunos detalles constructivos (Figura 5.6), y el proceso constructivo del refuerzo con malla. (Figuras 5.7 – 5.11)
Figura 5.6
Detalle de instalación de malla en las esquinas
Figura 5.7 Figura 5.8
Abrir orificio y rellenarlo con Instalación tablas de ajuste mortero de cal y arena
Figura 5.9 Figura 5.10
Instalación del refuerzo horizontal Asegurar el alambre conector a La tabla de ajuste
Figura 5.11
Aplicación del pañete de cal y arena
5.3.3 Reforzamiento con elementos de confinamiento en madera
En el informe de la Universidad de los Andes, explican el reforzamiento con elementos de confinamiento en madera de la siguiente manera: consiste en instalar elementos de madera en el plano del muro, por ambas caras pero interconectándose entre si, mediante pernos que van dentro de un orificio previamente perforado. Dicho orificio debe rellenarse con mortero. La ubicación y las dimensiones del elemento varían según el muro, aunque se deben tener en cuenta los siguientes valores mínimos: para los elementos de madera la dimensión mínima es 15 cm. x 2 cm., y se deben instalar en sentido vertical y en sentido horizontal. Las regatas se deben abrir del tamaño de las dimensiones de la madera, y debe usarse mínimo una madera clase C. Los elementos horizontales se deben colocar cerca de la base de los muros y cerca de la losa de entrepiso, y su distancia vertical no debe superar los 2.0 m. Además deben colocarse elementos de confinamiento en el sentido vertical, cerca de las uniones o intersecciones con otros muros perpendiculares, a distancias horizontales de máximo 3.0 m.
Los elementos verticales y horizontales se deben interconectar entre sí por medio de pernos pasantes de ¼ de pulgada, puestos en el centro del punto de intersección. Los elementos horizontales que se intersectan, tanto en la cara interna como en la externa, deben conectarse mediante conectores metálicos tipo platina de 1/4, conformando la forma de la esquina. La platina debe estar anclada al muro y a los elementos de madera con pernos pasante de ¼ de pulgada.
Todos los elementos de madera confinantes deben estar anclados al muro mediante pernos pasantes de ¼ de pulgada cada 50 cm., cuyo orificio debe sellarse con mortero tipo S. Todas la maderas usadas en el reforzamiento deben ser atravesadas con puntillas cada 15 cm., para tener una superficie de contacto rugoso con los muros de tierra, para garantizar la compatibilidad de deformaciones.
En las aberturas del muro, tales como puertas y ventanas se deben colocar elementos de madera en dirección vertical, lo más cercano que sea posible a lado y lado del hueco. Estos elementos deben prolongarse hasta la losa de entrepiso superior e inferior.
Para muros de tapia pisada, adicionalmente se deben llenar los agujeros con mortero a base de cal y arena. Se deben clavar cuñas de madera sobre el mortero para garantizar una adecuada adherencia.
A continuación se muestra el proceso para este tipo de rehabilitación. (Figuras 5.12 – 5.15)
Figura 5.12
Proceso constructivo: abrir regatas en los muros
Figura 5.13
Proceso constructivo: abrir agujeros y colocar pernos
Figura 5.14
Proceso constructivo: colocar tablas de refuerzo
Figura 5.15
Proceso constructivo: ajustar pernos, clavar puntillas y colocar platinas
6. ENSAYOS DE LABORATORIO E INTERPRETACIÓN DEL COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL
6.1 GENERALIDADES
Con el fin de verificar el comportamiento de las edificaciones en adobe y tapia pisada, y estudiar las diferentes alternativas de rehabilitación desde el punto de vista experimental, se hicieron ensayos de laboratorio sobre especimenes de diferentes dimensiones y configuraciones. Primero, se estudiaron las propiedades de los materiales usados en la construcción de este tipo de viviendas. Luego se estudiaron especimenes sometidos a esfuerzos de compresión, flexión y compresión diagonal, para establecer parámetros característicos del comportamiento del adobe y la tapia pisada y de elementos básicos. Después se ensayaron muros de tamaños real sometiéndolos a cargas en dirección perpendicular y paralela al plano. Con base en los resultados de estos ensayos se construyeron casas a escala, que también fueron ensayadas para entender de una mejor manera el comportamiento real de este tipo de construcciones. Las casas a escala se sometieron a ensayos dinámicos en mesa vibratoria y a ensayos de deformación cíclica controlada en la cubierta.
Tanto para los muros como para las casas a escala, se hicieron ensayos para estudiar empíricamente el comportamiento de las dos alternativas de rehabilitación propuestas en el capítulo anterior. En este capítulo se muestran los resultados de los ensayos que se hicieron y se les hace una interpretación, con la que se sacan las conclusiones más importantes del estudio. Aunque estas conclusiones en muchas ocasiones surgen de los ensayos, en otras se recurrió a modelos analíticos para complementar dichas conclusiones.
Todos los materiales usados para la elaboración de las probetas y de los especimenes de ensayo fueron hechos con los materiales y procesos típicos constructivos encontrados en la zona de La Candelaria en Bogotá. La tierra y los adobes fueron transportados en volqueta desde la zona. Todos los ensayos se hicieron en el Centro de Innovación y desarrollo tecnológico CITEC de la Universidad de los Andes, ubicado en la Cra. 65 B # 17 A – 11 de Bogotá.
6.2 CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES DE MATERIALES
Por tratarse de una investigación en edificaciones en tierra ya construidas, los modelos de ensayo se hicieron con la técnica empleada para elaborar los adobes, el mortero de pega, y para levantar los muros similar a la de hace 300 años. De igual forma se trataron de usar los materiales más similares a los usados en la realidad.
Para los modelos de adobe, se usaron adobes de las ruinas de la antigua Clínica Santa Lucía en el barrio Santa Bárbara, dentro del sector de La Candelaria. Para el mortero de pega se consiguió el material que reuniera las características para hacer uno nuevo. Para los modelos de tapia no se contó con la misma suerte de los adobes, por lo que se debió recurrir a zonas de extracción de material con características similares a las de la tapia pisada de las edificaciones visitadas.
Se debió hacer una recopilación de muestras de material como adobe, mortero de pega, tapia pisada, suelo de las edificaciones de estudio y de los sitios de extracción de material, para elaborar los modelos de tapia y para fabricar el nuevo mortero de pega para los modelos de adobe. A cada muestra se le realizó análisis granulométrico, límites de Atterberg, gravedad específica y Harvard miniatura.
Se hicieron comparaciones entre las características de la tierra empleada en la fabricación de los adobes y de las tapias, y la tierra en los sitios de estudio. Así se pudo determinar los sitios de extracción, para construir los modelos con las mismas características de los estudiados.
Los suelos están formados principalmente por la mezcla de diferentes proporciones de gravas, arena, limos y arcillas. Una característica muy importante de este tipo de suelos es la estabilidad ante cambios de humedad. A continuación se muestran las características constructivas de cada uno de los elementos que constituyen el suelo.
• Suelos granulares: Se pueden usar en construcción si sus partículas no son muy grandes, y si contienen la cantidad de arcilla suficiente para mantener unidas dichas partículas.
• Arenas: Si poseen una buena cantidad de arcilla son el mejor suelo para construir. Aunque no tienen cohesión, tienen una fuerte fricción interna que genera una alta resistencia mecánica de rozamiento.
• Limos: Se puede construir con este tipo de suelos cuando están húmedos y se les aplica compresión, pero con el agua se esponjan. No es seguro construir con ellos.
• Arcillas: Son muy inestables en presencia de agua. Su volumen aumenta en presencia de agua y se contrae en épocas de sequía creando grietas por las que luego se puede infiltrar el agua.
De los estudios que se le hicieron a los materiales para mortero y para la construcción de adobes y taptas se pudo concluir que presentan una baja plasticidad, y una cohesión media. Gran parte de los materiales con los que se construyó edificaciones en el barrio La Candelaria, presentan un alto contenido de finos, lo que disminuye la resistencia del material y lo hace más susceptible a la humedad, generando grietas.
A continuación (Tabla 6.1), se muestran los resultados más importantes obtenidos de los ensayos de caracterización. En esta se encuentran algunas propiedades de los materiales tales como límites líquido y plástico, índice plástico y límite de contracción, entre otros.
Gs
LL
% LP
% IP
% Clasificación
Pasa Tamiz
200
Pasa Tamiz
50
Pasa Tamiz
4
Densida d seca máxima
Contenido humedad
optimo
Limite de contracción
Relación de Contracción Suelo casa Venados 2.72 22.9 12.5 10.3 CL 44.67 59.54 73.46 1.88 13.8 2.65
9.82
1.91 1.89 Suelo casa Fernández 2.61 22.2 14.6 7.6 CL 35.95 55.56 79.05 1.81 15.9 3.11
5.43 2.03 1.69 Suelo Clínica Sta Bárbara 2.59 45.6 27.9 17.7 ML 87.52
83.92
89.39 95.56
100 99.79
1.58 21.5 9.63 12.95
1.95 1.68
Suelo de archivo 2.64 32.3 11.1 21.2 CL 7.02 1.77
Mortero casa Venados 2.64 29.1 13.6 15.4 CL 70.68 82.5 94.04 1.69 18.5 5.11 1.74 Mortero casa Fernández 2.68 29.7 13.8 15.9 CL 76.52 86.77 94.39 1.66 20.5 5.85 1.84 Mortero Clínica Sta Bárbara 2.58 33.8 12.7 21.1 CL 82.01 93.74 99.17 1.74 11 7.84 1.73 Adobe casa Venados 2.71 33 11.1 21.9 CL 98.54 99.68 100 1.83 13
Adobe casa Fernández 2.61 30.2 12.7 17.5 CL 94.57 81.59
96.44 91.7
99.7 100
1.88 11
Adobe Clínica Sta Bárbara 32.3 11.1 21.2 CL 1.96 11.69
Tapia casa venados CL 64.98 76.3 86.4
Tapa casa Fernández CL 41.32 47.84 55.31
Tapia Clínica Sta Bárbara 2.50 32.2 21.1 11.1 CL 77.91 71.82
85.68 81.84
91.35 87.8
1.71 18.5 10.93 1.56
Tapia Cajamarca CL 75.54 91.43
Tabla 6.1
Caracterización de propiedades de los materiales
6.2.1 Construcción en adobe
Usando los procesos constructivos descritos en el capítulo 2 del presente informe, y un mortero de pega para los muros de adobe, de tierra y agua, se hicieron los especimenes para los ensayos. Las probetas de adobe se hicieron con piezas de adobe con dimensiones de 28 cm. x 14 cm. x 7 cm., recuperadas de la Antigua Clínica Santa Lucía, ubicada en sector de La Candelaria en Bogotá. El mortero de pega se hizo con tierra extraída del mismo sitio de ubicación de la vivienda. Como los adobes recuperados de la clínica estuvieron bastante tiempo a la intemperie fue necesario aplicarles un proceso de secado, en un sitio donde el contacto del sol no fuese directo y la ventilación fuese la apropiada.
De la zona de extracción se llevó el material para hacer el mortero de pega, y se debió retirar las moronas, material orgánico y se debió tamizar para dejar el material más fino. A este se le fue adicionando agua paulatinamente hasta alcanzar la resistencia deseada y se iba amasando por pisado. Luego se dejó en reposo un día, para adicionarle más agua hasta obtener una mezcla fluida.
Este proceso se repitió dos veces al día durante 4 días. La proporción de tierra y agua fue de 2 carretadas de material por 12 baldes de agua adicionados de a 4 por día. Para las probetas que se utilizó mortero de pega con cal, la proporción de cal adicionada correspondió al 7%.
Para la elaboración de muros de adobe, en las visitas de inspección se identificaron algunas tipologías para su elaboración. En general, los tipos de aparejo encontrados para los muros cargueros fueron: aparejo de un adobe en tizón y uno en soga, aparejo de tres adobes en tizón y dos medios en soga, aparejo de una hilada compuesta por un adobe en tizón y la siguiente de dos adobes en soga. Para los muros no cargueros los aparejos más encontrados fueron dos adobes en tizón y adobes en soga.
Para los ensayos de tracción diagonal se siguió el aparejo de una hilada compuesta por un adobe en tizón y la siguiente de dos adobes en soga. Los muros estructurales y los modelos a escala 1:5 se construyeron usando el aparejo de un adobe en tizón y uno en soga. Cada probeta se levantó por tirajes de 4 hiladas, para permitir la correcta reacción hidráulica del mortero de pega y la consolidación del material.
