Comportamiento sísmico de muros de mampostería con refuerzo exterior estudiados en modelos a escala en la mesa vibraroria

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(1)COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. JHADIER AUGUSTO TIQUE LUCENA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA D.C. 2.004.

(2) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. JHADIER AUGUSTO TIQUE LUCENA Tesis para optar al título de Magíster en Ingeniería Civil. Asesor: Luis E. Yamín L. INGENIERO CIVIL. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA D.C. 2.004.

(3) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. TABLA DE CONTENIDO. OBJETIVOS...........................................................................................................................1. ALCANCE .............................................................................................................................2. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................3. CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DEL RIESGO SÍSM ICO. 5. 1.1. CAPACIDAD DE DAÑO DE LOS SISM OS.............................................................6 1.2. MALAS PRACTICAS EN LA CONSTRUCCIÓN CON MAMPOSTERÍA............8. CAPÍTULO 2. COM PORTAM IENTO SÍSM ICO DE EDIFICACIONES DE MAM POSTERÍA NO REFORZADA .................................................................................11 2.1. COM PORTAMIENTO DE LA M AMPOSTERÍA A CARGAS DINÁM ICAS......12 2.2. M ECANISMOS DE FALLA ....................................................................................12 2.2.1. Fallas fuera del plano..........................................................................................12 2.2.2. Fallas en el plano ................................................................................................13. CAPÍTULO 3. TEORÍA DE LA M ODELACIÓN A ESCALA..........................................15 3.1. MODELOS A ESCALA REDUCIDA EN LA INGENIERÍA.................................16 3.2. MODELACIÓN A ESCALA Y CARGAS DINÁM ICAS.......................................16 3.2.1. M odelos estructurales .........................................................................................17 3.2.1.1 Definición. 17. 3.2.1.2 Clasificación. 17.

(4) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 3.3. VENTAJAS DE LA M ODELACIÓN.......................................................................18 3.4. DESVENTAJAS DE LA M ODELACIÓN...............................................................19 3.5. FACTORES DE ESCALA UTILIZADOS...............................................................19 3.6. SIM ULACIÓN DE LA CARGA GRAVITACIONAL ............................................20. CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS..................................23 4.1. M ESA VIBRATORIA...............................................................................................23 4.2. SISTEM A DE ADQUISICIÓN DE DATOS............................................................24. CAPÍTULO 5. PROPIEDADES M ECÁNICAS DE LOS M ATERIALES UTILIZADOS EN LOS M ODELOS A ESCALA REDUCIDA..................................................................26 5.1. ACEROS DE REFUERZO........................................................................................26 5.2. CONCRETOS Y MORTEROS.................................................................................28 5.2.1. Concretos ............................................................................................................28 5.2.2. M orteros..............................................................................................................30 5.3. PIEZAS DE M AMPOSTERÍA .................................................................................31 5.3.1. Resistencia a Compresión...................................................................................31 5.3.2. Resistencia a Flexión ..........................................................................................32 5.4. MURETES DE MAM POSTERÍA ............................................................................33 5.4.1. Compresión.........................................................................................................33 5.4.2. Tracción diagonal ...............................................................................................34 5.4.3. Flexión (tensión paralela a juntas verticales)......................................................35 5.4.4. Flexión (tensión perpendicular a juntas verticales) ............................................37 5.5. MADERA..................................................................................................................38.

(5) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 5.6. PLÁSTICO ................................................................................................................38 5.7. FIBRA DE VIDRIO ..................................................................................................38. CAPÍTULO 6. M ODELACIÓN EXPERIM ENTAL A ESCALA REDUCIDA.................39 6.1. PROCEDIM IENTO DE ENSAYO ...........................................................................41 6.2. MODELO 1, M ODELO ESCALA 1:5 LADRILLOS TOLETE ..............................42 6.2.1. Descripción.........................................................................................................42 6.2.2. Resultados del Ensayo........................................................................................46 6.3. MODELO 2, M ODELO ESCALA 1:5 M AMPOSTERÍA CONFINADA...............53 6.3.1. Descripción.........................................................................................................53 6.3.2. Resultados del Ensayo........................................................................................60. CAPÍTULO 7. FALLAS EN LOS M ODELOS A ESCALA REDUCIDA .........................68 7.1. MODELO 1, M ODELO ESCALA 1:5 LADRILLOS TOLETE ..............................68 7.2. MODELO 2, M ODELO ESCALA 1:5 M AMPOSTERÍA CONFINADA...............69. CAPÍTULO 8. M ODELACIÓN ANALÍTICA....................................................................72 8.1. DATOS SOBRE LA M ODELACIÓN ANALÍTICA...............................................72 8.2. MODOS Y PERIODOS DE VIBRACIÓN...............................................................73 8.3. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS .........................................................................75. CONCLUSIONES Y RECOM ENDACIONES ...................................................................77. BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................80. ANEXOS..............................................................................................................................82.

(6) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. LISTA DE FIGURAS. Figura 2.1. Posibles fallas en el plano. .................................................................................13 Figura 2.2. Posibles fallas en el plano. .................................................................................14 Figura 4.1. Configuración del sistema de adquisición de datos. ..........................................25 Figura 4.1. .............................................................................................................................26 Figura 5.1. Esfuerzo-deformación de las alternativas para acero de refuerzo.....................28 Figura 5.2. Resultados de los ensayos sobre cilindros de concreto......................................29 Figura 6.1 Registro de aceleración original ..........................................................................40 Figura 6.2 Registro de desplazamiento original. ..................................................................40 Figura 6.3 Registro de aceleración escalado.........................................................................40 Figura 6.4 Registro de desplazamiento escalado. .................................................................41 Figura 6.5 Rehabilitación del modelo escala 1:5 ladrillos tolete..........................................45 Figura 6.6 Historia del cortante máximo en la base del modelo. .........................................47 Figura 6.7 Señal de entrada al sistema..................................................................................48 Figura 6.8 Historia de desplazamiento en la base de la mesa...............................................48 Figura 6.9 Señal de entrada al sistema..................................................................................48 Figura 6.10 Historia de aceleraciones en la base de la mesa. ...............................................49 Figura 6.11 Historia de aceleración en la parte superior del modelo. ..................................49 Figura 6.12 Historia de desplazamiento relativo en la parte superior del modelo. ..............49 Figura 6.13 Curva histerética................................................................................................50 Figura 6.14 Periodo Vs. Aceleración en la base. ..................................................................51 Figura 6.15 Cortante en la bese Vs. Deriva ..........................................................................51 Figura 6.16 Rigidez Vs. Periodo...........................................................................................51 Figura 6.17 Rigidez Vs. Deriva. ...........................................................................................52 Figura 6.18 Estimativo de la capacidad intrínseca de amortiguamiento con respecto al crítico. ...................................................................................................................................52 Figura 6.19 Esfuerzo-deformación de las alternativas para acero de refuerzo....................55 Figura 6.20 Configuración del sistema de rehabilitación. ....................................................58 Figura 6.21 Historia del cortante máximo en la base del modelo. .......................................61 Figura 6.22 Señal de entrada al sistema................................................................................61 Figura 6.23 Historia de desplazamiento en la base de la mesa.............................................61 Figura 6.24 Señal de entrada al sistema................................................................................62 Figura 6.25 Historia de aceleraciones en la base de la mesa. ...............................................62 Figura 6.26 Historia de aceleración en la parte superior del modelo. ..................................62 Figura 6.27 Historia de desplazamiento relativo en la parte superior del modelo. ..............63 Figura 6.28 Curva histerética................................................................................................63 Figura 6.29 Periodo Vs. Aceleración en la base. ..................................................................64 Figura 6.30 Cortante en la base Vs. Deriva. .........................................................................65 Figura 6.31 Rigidez Vs. Periodo...........................................................................................65 Figura 6.32 Rigidez Vs. Deriva. ...........................................................................................65.

(7) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Figura 6.33 Estimativo de la capacidad intrínseca de amortiguamiento con respecto al crítico. ...................................................................................................................................66 Figura 8.2. Rehabilitación del modelo a escala 1:5 ladrillo tolete........................................72 Figura 8.3. Elementos de confinamiento y rehabilitación del modelo a escala 1:5 con bloque #5. .............................................................................................................................73 Figura 8.4. M odos fundamentales de vibración modelo escala 1:5 ladrillo tolete. ..............74 Figura 8.5. M odo fundamentales de vibración modelo escala 1:5 bloque #5. .....................74 Figura 8.6. Distribución de esfuerzos para el modelo escala 1:5 ladrillo tolete...................75 Figura 8.7. Distribución de esfuerzos para el modelo escala 1:5 bloque #5. .......................76.

(8) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. LISTA DE FOTOS. Foto 1.1. Daños causados por el sismo de armenia 1999. ......................................................7 Foto 1.2. Daños causados por el sismo de armenia 1999. ......................................................8 Foto 1.3. M uro de mampostería no reforzada.........................................................................8 Foto 1.4. M ampostería mal confinada. ...................................................................................9 Foto 1.5. M alas prácticas en la construcción con mampostería. ..........................................10 Foto 3.1. M asas adicionales modelo tolete...........................................................................21 Foto 3.2. M asas adicionales modelo bloque. ........................................................................22 Foto 3.3. Sobre peso adicional a cada ladrillo. .....................................................................22 Foto 4.1. La mesa vibratoria ubicada en el Centro de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico (CITEC) ...........................................................................................................23 Foto 5.1 Ensayo sobre aceros de refuerzo. ...........................................................................26 Foto 5.2 M ortero listo de SIKA...........................................................................................28 Foto 5.3 Cilindros de concreto..............................................................................................29 Foto 5.4 Elaboración del mortero de pega............................................................................30 Foto 5.5 Cubos de mortero...................................................................................................30 Foto 5.6 Ensayo de compresión sobre las piezas de mampostería. ......................................31 Foto 5.7 Ensyo de flexión sobre piezas de mampostería......................................................32 Foto 5.8 Ensayo de compresión sobre muretes. ...................................................................33 Foto 5.9 M ontaje del ensayo a tracción diagonal. ................................................................34 Foto 5.10 M uretes para el ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) ...............36 Foto 5.11 M uretes para el ensayo a flexión (tensión perpendicular a juntas verticales) ......37 Foto 6.1. Fabrica de ladrillos a escala...................................................................................43 Foto 6.2. Viga de cimentación. .............................................................................................43 Foto 6.3. M uros de ladrillos tolete........................................................................................44 Foto 6.4. Cubierta del modelo escala 1:5 ladrillos tolete. ....................................................44 Foto 6.5. Anclaje a la viga de cimentación y a la viga tipo canal superior. .........................45 Foto 6.6. Rehabilitación del modelo escala 1:5 ladrillos tolete............................................46 Foto 6.7. Instrumentación del modelo escala 1:5 ladrillos tolete. ........................................47 Foto 6.8. Fabrica de ladrillos a escala...................................................................................54 Foto 6.9. Continuidad del acero de refuerzo.........................................................................55 Foto 6.10. Refuerzo transversal de confinamiento. ..............................................................55 Foto 6.11. Construcción viga de cimentación. .....................................................................56 Foto 6.12. Refuerzo transversal............................................................................................56 Foto 6.13. Construcción muros.............................................................................................56 Foto 6.14. Vaciado de concreto columnas y vigas. ..............................................................57 Foto 6.15. Rehabilitación con madera. .................................................................................58 Foto 6.16. Rehabilitación con fibras de vidrio. ....................................................................58 Foto 6.17. Rehabilitación con PET y platinas de acero........................................................59 Foto 6.18. M odelo Rehabilitado. ..........................................................................................59 Foto 6.19. Sobre peso adicional a cada ladrillo. ...................................................................59.

(9) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Foto 6.20. Instrumentación del modelo a escala 1:5 mampostería confinada. .....................60 Foto 6.21. Configuración de la falla. ....................................................................................68 Foto 6.22. Falla a corte. ........................................................................................................68 Foto 6.23. Falla del modelo escala 1:5 ladrillos tolete. ........................................................69 Foto 6.24. Falla del modelo escala 1:5 ladrillos tolete. ........................................................69 Foto 6.25. Falla de colapso parcial en el muro reforzado con platinas de acero. .................70 Foto 6.26. Grieta en el muro reforzado con madera. ............................................................70 Foto 6.27. Grieta en el muro reforzado con fibra de vidrio. .................................................70 Foto 6.28. Grieta en el muro reforzado con PET..................................................................71.

(10) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. LISTA DE TABLAS. Tabla 3.1 Factores de escala utilizados en la modelación dinámica.....................................20 Tabla 5.1. Resultados de los ensayos a tensión sobre alambre galvanizado. .......................27 Tabla 5.2. Resultados de los ensayos a tensión sobre alambre galvanizado. .......................27 Tabla 5.3. Resultados de los ensayos sobre cilindros concreto. ...........................................29 Tabla 5.4. Resultados de los ensayos sobre cubos de mortero.............................................31 Tabla 5.5. Resultados del ensayo a compresión sobre piezas de ladrillo tolete ..................32 Tabla 5.6. Resultado del ensayo a compresión sobre piezas bloque #5. ..............................32 Tabla 5.7. Resultado del ensayo a flexión sobre piezas de ladrillo tolete. ...........................33 Tabla 5.8. Resultado del ensayo a flexión sobre piezas bloque #5.......................................33 Tabla 5.9. Resultado del ensayo a compresión de muretes en ladrillo tolete. ......................34 Tabla 5.10. Resultado del ensayo a compresión de muretes en bloque #5...........................34 Tabla 5.11. Resultados del ensayo a tracción diagonal de muretes de ladrillo tolete...........35 Tabla 5.12. Resultado del ensayo a tracción diagonal de muretes en bloque #5..................35 Tabla 5.13. Resultados del ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) de muretes de ladrillo tolete. .....................................................................................................36 Tabla 5.14. Resultado del ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) de muretes en bloque #5..........................................................................................................................36 Tabla 5.15. Resultados del ensayo a flexión (tensión perpendicular a juntas verticales) de muretes de ladrillo tolete. .....................................................................................................37 Tabla 5.16. Resultado del ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) de muretes en bloque #5..........................................................................................................................37 Tabla 6.2. Secuencia de ensayo............................................................................................50 Tabla 6.3. Secuencia de ensayo............................................................................................64 Tabla 8.1. Valores de los esfuerzos presentes en los diferentes modelos analíticos (datos en MPa). ....................................................................................................................................76.

(11) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. OBJETIVOS. Objetivo General El objetivo general de la investigación es dar recomendaciones sobre nuevos métodos de rehabilitación para ser utilizados en mampostería no reforzada y en mampostería confinada que no cumplan con las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo-Resistente (NSR-98).. Objetivos Específicos •. Recolectar y analizar la información existente sobre el comportamiento dinámico de edificaciones en mampostería no reforzada y en mampostería confinada.. •. Recopilar información sobre la teoría de la modelación física a escala reducida.. •. Identificar los casos más comunes de faltas a la NSR-98 por parte de las edificaciones construidas con mampostería no reforzada y con mampostería confinada.. •. Diseñar y construir modelos a escala reducida sobre los cuales se realizaran ensayos dinámicos utilizando la mesa vibratoria.. •. Estudiar el comportamiento de las platinas de acero como refuerzo exterior para edificaciones de mampostería no reforzada.. •. Estudiar el comportamiento de las platinas de acero como refuerzo exterior para edificaciones de mampostería confinada.. •. Estudiar el comportamiento de láminas de PET reciclado como refuerzo exterior para edificaciones de mampostería confinada.. •. Estudiar el comportamiento de láminas de madera como refuerzo exterior para edificaciones de mampostería confinada.. •. Estudiar el comportamiento de láminas de fibra de vidrio como refuerzo exterior para edificaciones de mampostería confinada.. •. Desarrollar un modelo analítico que represente dichos sistemas.. •. Dar recomendaciones sobre la utilización de los diferentes tipos de reforzamiento.. 1.

(12) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. ALCANCE. Dar recomendaciones sobre los diferentes tipos de rehabilitación estudiados, para ser utilizados en edificaciones construidas con mampostería no reforzada y con mampostería confinada que no cumplan con las Normas Colombianas de Diseño y Construcción SismoResistente (NSR-98), esto con el fin de prevenir la perdida de vidas humanas, además, de disminuir los costos de reparación de estos elementos después de ocurrido un sismo.. 2.

(13) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. INTRODUCCIÓN. La ubicación geológica de Colombia -en donde convergen la placa Nazca, la placa suramericana y la placa caribe- la hace propensa a sufrir movimientos sísmicos. Estos fenómenos pueden ser de diferente magnitudes. La población colombiana tiene sus principales asentamientos humanos en las regiones montañosas, las cuales son las zonas con mayor riesgo sísmico. En estos lugares es de común utilización la mampostería como material de construcción. Por esta razón el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CITEC) de la Universidad de los andes, en conjunto con Colciencias, Ladrillera Santa Fé y SIKA de Colombia; han realizado un estudio sobre nuevos sistemas y materiales para el diseño, construcción y rehabilitación de muros divisorios y de fachada en mampostería, de la cual hizo parte la presente investigación. En algunas edificaciones los muros divisorios y de fachada son utilizados como elementos estructurales, este es el caso de la mampostería confinada o los muros de carga. En muchas edificaciones en donde su sistema estructural consiste en muros de carga, los muros fueron construidos sin ningún tipo de refuerzo y en edificaciones con sistema estructural en mampostería confinada muchas veces los elementos de confinamiento están dispuesto de tal forma que el panel confinado es de gran área, ambas situaciones general un alto riesgo para sus habitantes. Estas edificaciones deben ser intervenidas o reforzadas para llevarlas a un nivel de seguridad sísmica adecuada, para disminuir la perdida de vidas humanas y en lo posible la perdida de capital en el momento de un evento telúrico. El presente estudio quiere comprender el comportamiento sísmico de la mampostería no reforzada y la mampostería confinada, cuando éstas son rehabilitadas con diferentes técnicas y materiales, con el fin de dar recomendaciones para su uso. Para conseguir este objetivo se llevaron a cabo una serie de ensayos dinámicos sobre la mesa vibratoria, realizados sobre modelos a escala reducida construidos llevando una técnica que representara de la mejor forma la realidad. Teniendo en cuenta las reglas de la modelación física a escala, en particular la modelación con masa adicional, se diseñaron y construyeron un total de 2 modelos en escala 1:5. El 3.

(14) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. primero representaba una edificación cuyo sistema estructural correspondía a muros de carga y el segundo modelo con sistema estructural de muros confinados. Los dos modelos fueron rehabilitados con diferentes alternativas de refuerzo exterior para mejorar su comportamiento ante cargas de sismo. Sobre los modelos se utilizó un refuerzo exterior cuyo trabajo fue confinar los muros, los materiales de estos refuerzos eran PET, madera, acero y vibra de vidrio. El modelo de muros de carga fue rehabilitado solo con laminas de acero, pues se debe garantizar una continuidad en el refuerzo. Cada una de las caras del modelo de muros confinados fue rehabilitada con un material diferente (PET, madera, fibra de vidrio y acero). Este documento, inicia con una descripción de los aspectos generales del riesgo sísmico. A continuación, se realiza una descripción del comportamiento sísmico de edificaciones no reforzada con el fin de plantear el problema a tratar en el desarrollo de la investigación. Se presentará una recopilación de la información acerca de la teoría de la modelación a escala, principalmente de las leyes de similitud que se deben utilizar en esta investigación. Se describirán los equipos de aplicación de cargas y toma de datos utilizados en los ensayos dinámicos sobre la mesa vibratoria. Se presentará las características mecánicas de los materiales utilizados en los diferentes modelos, estos datos son el resultado de ensayos de laboratorio practicados sobre probetas a escala reducida. Se realiza una descripción de los dos modelos a escala reducida y de los procedimientos de ensayo. Se describe las formas de fallo que se presentaron en cada ensayo. Para finalizar se realiza una modelación analítica de los ensayos, y se enumeran conclusiones y recomendaciones acerca de los diferentes sistemas de rehabilitación propuestos.. 4.

(15) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DEL RIESGO SÍSMICO. La palabra Riesgo hace referencia a la proximidad o a la posibilidad de algún daño. La palabra Peligrosidad hace referencia a la amenaza impuesta por ciertos fenómenos naturales, tales como los huracanes, erupciones volcánicas, terremotos, etc., que pueden causar un impacto social negativo y lo más preocupante perdidas de vidas humanas. Por otra parte la Vulnerabilidad en el caso de las edificaciones, se utiliza como una escala para calificar la capacidad de respuesta que tienen estos ante un sismo. Es claro que las tres palabras tienen una relación estrecha, por lo cual es importante distinguirlas para poder hacer un buen uso de ellas. Por lo anterior algunos comités y trabajos científicos se han encargado de establecer una nomenclatura dentro del área de la sismología e ingeniería sísmica. Entre los comités se encuentran el Instituto de Investigaciones en. ingeniería Sísmica (EERI), la Asociación Europea de Ingeniería Sísmica (EAEE), la Comisión de Seguridad Sísmica de California (CSSC), el Servicio Gológico de los E.U. (USGS). De los comités nombrados, el riesgo, la peligrosidad y la vulnerabilidad se pueden definir como: •. Riesgo Sísmico: “son las consecuencias sociales y económicas potenciales provocadas por un terremoto, como resultado de la falla de estructuras cuya capacidad resistente fue excedida por un terremoto”.. •. Peligrosidad Sísmica: “es la probabilidad de que ocurra un fenómeno físico como consecuencia de un terremoto, provocando efectos adversos a la actividad humana. Estos fenómenos además del movimiento de terreno pueden ser, la falla del terreno, la deformación tectónica, la licuefacción, inundaciones, tsunamis, etc.”.. •. Vulnerabilidad Sísmica: “es un valor único que permite clasificar a las estructuras de acuerdo a la calidad estructural intrínseca de las mismas, dentro de un rango de nada vulnerable a muy vulnerable ante la acción de un terremoto”.. De lo anterior se puede inferir que el Riesgo Sísmico depende directamente de la peligrosidad y de la Vulnerabilidad, por ejemplo las edificaciones de una zona con cierta peligrosidad sísmica pueden verse afectados en menor o mayor medida dependiendo del grado de vulnerabilidad sísmica que tengan, ocasionando un riesgo sísmico del lugar. 5.

(16) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 1.1. CAPACIDAD DE DAÑO DE LOS S IS MOS. Los terremotos generan efectos nocivos en la edificaciones, los cuales pueden variar desde daños poco importantes (daños de elementos no estructurales) hasta daños que comprometen la estabilidad de la estructura (daños de elementos estructurales). Estos daños en general representan un valor económico que muchas veces son importantes y ponen en riesgo el patrimonio, en muchos casos único, de sus habitantes. Si los daños comprometen elementos estructurales, la integridad física de sus habitantes se ponen en riesgo El nivel de daño presente en una edificación depende de variables tale como: •. Intensidad sísmica en la zona de la edificación.. •. Características propias de la señal del sismo tales como aceleración pico, duración de la fase intensa y contenido frecuencial.. •. Sistema estructural de la edificación.. Se conocen sismos en nuestro país desde el año de 1556, y estos han ocurrido a lo largo del territorio nacional, principalmente en la zona montañosa. En los diferentes eventos se ha evidenciado la alta vulnerabilidad sísmica que tienen las estructuras de mampostería no reforzada o mal confinada. Algunos de los sismos importantes que se han presentado en el país son: •. Popayán en 1566.. •. Popayán, el 2 de febrero de 1736. •. Bogotá, el 18 de octubre de 1743.. •. Zona central del piedemonte llanero, el 12 de julio de 1785; el más fuerte terremoto del siglo XVIII.. •. Honda, el 16 de junio de 1805; más de 100 muertos.. •. Cúcuta, el 18 de mayo de l875; causó la muerte de 461 personas.. 6.

(17) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. •. Tumaco, el 31 de enero de 1906; se sintió uno de los más fuertes terremotos de la historia y tal vez el más fuerte del siglo XX.. •. En Arboledas, Norte de Santander, el 8 de julio de l950; produjo 106 muertos y graves daños.. •. En el sureño departamento del Huila, el 9 de febrero de 1967 un sismo con magnitud de 6.7 provocó la muerte a un centenar de personas.. •. Sur del Pacifico, (Colombia-Ecuador) el 12 de diciembre de 1979; con magnitud cercana a 8; produjo unas 1000 víctimas entre muertos y desaparecidos como consecuencia del tsunami principalmente.. Y de los más recientes son ejemplo: •. Popayán en 1983. •. Armenia en 1999. Estos dos sismos dejaron ver el gran poder destructivo de estos fenómenos, los cuales causaron grandes perdidas al país. El sismo de Popayán genero la necesidad de revisar las técnicas de diseño y construcción que se utilizaban hasta el momento, y de allí nació la primera normativa para la construcción de edificaciones sismo resistente (Decreto–Ley 1400 del 7 de junio 1.984, Código Colombiano de Construcciones Sismo- Resistentes). Eventos más recientes llevaron a revaluar el decreto 1400, por lo cual se formuló la Norma Colombiana de Diseño y Construcciones Sismo Resistente NSR-98, Ley 400 de 1997 con sus respectivos y sucesivos Decretos Reglamentarios 33 de 1998, 34 de 1999, 2809 de 2000 y 52 de 2001, la cual es la normativa vigente y determina todos los aspectos exigidos para el adecuado diseño y funcionabilidad de las edificaciones.. Foto 1.1. Daños causados por el sismo de Armenia 1999.. 7.

(18) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Foto 1.2. Daños causados por el sismo de Armenia 1999.. 1.2. MALAS PRACTICAS EN LA CONS TRUCCIÓN CON MAMPOS TERÍA En nuestro país es de común utilización la mampostería como material de construcción y muchas veces es utilizado en construcciones sin ninguna supervisión técnica, lo que ha causado un alto número de edificaciones con una alta vulnerabilidad. En muchas edificaciones se puede observar la utilización de la mampostería no reforzada como sistema estructural, siendo esto una practica inadecuada debido al alto riesgo sísmico de nuestro país.. Foto 1.3. Muro de mampostería no reforzada. En otras ocasiones la supervisión técnica solo estuvo presente en la primer etapa de la edificación (lo que se conoce como autoconstrucción) y esto trae como consecuencia una mala interpretación del sistema estructural (ver foto 1.4). 8.

(19) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. . Foto 1.4. Mampostería mal confinada. En la foto 1.4 podemos ver como el primer piso de la edificación cuenta con elementos de confinamiento, pero en el segundo piso no se observa ningún tipo elemento de confinamiento. A continuación se mostraran una serie de fotografías en donde se puede observar una mala practica en la utilización de la mampostería.. 9.

(20) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Foto 1.5. Malas prácticas en la construcción con mampostería. Entre las malas practicas en la construcción con mampostería se tiene: •. La utilización de la mampostería no reforzada como sistema estructural en zonas de amenaza sísmica intermedia o alta.. •. El mal confinamiento de los paneles de mampostería, esto puede ser la falta de elementos de confinamiento o la presencia de estos pero a distancias considerables mayores a las establecidas por la normativa vigente.. •. El uso combinado de diferentes piezas de mampostería para la construcción de un panel.. •. El mal anclaje de los paneles a los diafragmas de entrepiso o la cubierta.. 10.

(21) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. CAPÍTULO 2. COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE EDIFICACIONES DE MAMPOSTERÍA NO REFORZADA. La mampostería es uno de los materiales que se han utilizado con mas fines dentro de obras civiles. El uso de éste material se ha usado desde las primeras construcciones hechas por el hombre. Las ruinas de Jericó (M edio Oriente, 7350 a.c), las pirámides de Egipto (2500 a.c), la gran muralla China (200 a.c a 220 d.c), las pirámides de Yucatán en M éxico (500 d.c), las murallas de piedra de M achu Pichu en Peru (1200 a 1400 d.c) y la Taj M ajal en India (1600 d.c), son algunos ejemplos de construcciones que dan testimonio del uso y durabilidad de este material Los componentes de la mampostería han contado a lo largo de la historia con una evolución. Esta evolución se debe a la tecnificación del proceso de elaboración de los mampuestos, sin embargo, la forma de colocación de este material (como lo indica su nombre) continua siendo a mano, lo que requiere de mano de obra con algún tipo de entrenamiento, el cual no siempre se puede garantizar. La mano de obra es una de las variables que más intervienen en el comportamiento final de la mampostería. Todas las construcciones en mampostería en el pasado, se realizaron a partir de leyes de observación, es decir, para construir una obra se basaban en estructuras existentes y de las cuales se podía inferir un buen comportamiento antes las diferentes cargas. No es hasta mediados del siglo XX, que aparecen las primeras normativas y reglamentaciones de diseño. Los sismos fuertes han demostrado que las edificaciones de mampostería no reforzada o mal confinada han sido las mas afectadas, y han producido pérdidas de vidas humanas considerables, comparadas con otros sistemas estructurales. Las fallas que se presentan en las edificaciones que utilizan mampostería han mostrado un comportamiento poco dúctil de este material, debido a que el colapso se presenta de forma súbita. Los daños registrados como consecuencia de algunos sismos fuertes, han generado la conciencia de la necesidad de la rehabilitación de las estructural existentes.. 11.

(22) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 2.1. COMPORTAMIENTO DE LA MAMPOS TERÍA A CARGAS DINÁMICAS. El comportamiento dinámico de las edificaciones de mampostería, es un poco complicado ya que depende no solo de la resistencia, la rigidez y la ductilidad de los paneles de mampostería, sino también, del tipo de diafragma de piso, de sus conexiones y por último de la magnitud de las cargas verticales de compresión a las que se encuentra sometida. Existen pocos estudios experimentales para estructuras de mampostería no reforzada, especialmente bajo cargas sísmicas, ya que este tipo de estructuras no se consideran apropiadas para zonas de amenaza sísmica moderada o alta. Pero en nuestro país existen una gran cantidad de edificaciones sin reforzamiento o mal confinadas en este tipo de zonas. La resistencia de la mampostería ante cargas horizontales esta estrechamente ligada, como se dijo anteriormente, a la carga vertical de compresión, por lo tanto, con un nivel de cargas de compresión vertical moderado, los muros de mampostería tienen una mayor capacidad para resistir cargas laterales. Una vez producido el primer agrietamiento en las juntas. Las fallas en la mampostería son de tipo frágil y explosivos, además, hay que tener en cuenta que cada panel de mampostería en una edificación tendrá un comportamiento dinámico un poco distinto, lo anterior debido a los materiales, a la mano de obra y al estado de esfuerzos verticales. Por ejemplo un panel del último nivel esta sometido a esfuerzos verticales pequeños, lo que reduce drásticamente su capacidad de experimentar grandes deformaciones una vez producido el agrietamiento--. 2.2. MECANIS MOS DE FALLA. 2.2.1. Fallas fuera del plano. Este tipo de falla es bastante común en las estructuras de mampostería no reforzada o mal confinada, incluso para movimientos sísmicos de magnitud moderada. 12.

(23) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Se presenta en algunos casos por falta de anclaje a los diafragmas de piso y techo o por una excesiva flexibilidad de los diafragmas. La falla fuera del plano es explosiva y pone en peligro la capacidad resistente ante cargas gravitatorias, lo que se traduce en un colapso total de la edificación. Un ejemplo de falla fuera del plano, es la falla de los antepechos, que se consideran como fallo fuera del plano, debido a que este tipo de elementos no estructurales, se comportan, si no están restringidos, como muros en voladizo.. 2.2.2. Fallas en el plano. Las fallas que se presentan en el plano pueden ser producto de esfuerzos excesivos de cortante o de flexión. Este tipo de falla depende de la relación longitud/altura del panel de mampostería. Por lo tanto, para una relación baja, la falla es producida por flexión, para valores medios de esta relación, la falla es producida por cortante. La falla por cortante causa un tipo de agrietamiento diagonal que en general es doble en forma de equis (x). Este tipo de falla, ha sido identificada como una de las principales causas del colapso de las estructuras. La falla por flexión causa un tipo de agrietamiento que es generalmente horizontal y se forman en la parte superior e inferior de las columnas o pilares de mampostería En las siguientes figuras se puede ver algunas de las fallas dentro del plano.. Figura 2.1. Posibles fallas en el plano.. 13.

(24) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Figura 2.2. Posibles fallas en el plano. Las anteriores fallas pueden ocurrir, dependiendo de las propiedades de los materiales y del estado de esfuerzos. Si las piezas de mampostería son más resistentes que el mortero, la tensión diagonal puede resultar en una falla en forma escalonada entre las esquinas del panel (figura 2.1). Si el mortero es más resistente que las piezas de mampostería, la falla se desarrollará a través de las unidades entre las esquinas del panel (figura 2.1). Si el mortero menos resistente que las piezas de mampostería y el esfuerzo de compresión vertical es bajo, la falla puede presentarse a lo largo de la base de la junta. Puede presentarse muchas fisuras horizontales (figura 2.2). Cuando el panel en conjunto es muy resistente a cortante, el esfuerzo de compresión presente en las esquinas del panel puede producir una falla por aplastamiento de la mampostería (figura 2.2).. 14.

(25) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. CAPÍTULO 3. TEORÍA DE LA MODELACIÓN A ESCALA. La actividad de explorar indirectamente el comportamiento de algún sistema, mediante el trabajo directo sobre un modelo, ha sido empleada desde épocas ya remotas (siglo V a. de C. En el escenario griego, por ejemplo) para allegar conocimiento válido dentro de límites y suposiciones dados. Y puesto que esta actividad exige la construcción de un modelo o ente representador, es la naturaleza de dicho modelo (física o abstracta) la que ha condicionado la conducción de esta actividad. No obstante es sólo a mediados del siglo XX cuando esta actividad se sistematiza y denomina como simulación o modelación y cuando se incluye formalmente en un campo del saber: la investigación operacional. Esta inclusión tuvo en cuenta fundamentalmente los siguientes aspectos: la intensa analogía existente entre la actividad de la simulación y el esquema de método científico, legitimado en la ciencia moderna hace tres siglos; la avidez con la que (como una de las consecuencias de la revolución industrial) se buscaron sistemas de producción veloz y masiva de bienes y servicios; la necesidad creada de optimizar cada actividad, después de la II guerra mundial. En efecto, con el propósito de disminuir los esfuerzos y el consumo de recursos y de acertar mas veces en el blanco o enemigo durante la pasada guerra mundial nació formalmente la investigación de operaciones, dentro de mundo militar, con una marcada orientación matemática. Esta investigación operacional rindió frutos de eficacia y eficiencia tan benévolos que, culminada la guerra trascendió también al mundo de la producción y de la ingeniería. Actualmente la investigación operacional presenta dos campos bien definidos: primero la programación y segundo, la simulación. La programación consiste fundamentalmente en estructurar modelos matemáticos de características variadas, con sus variables de entrada y salida. La simulación consiste en experimentar con los modelos generados mediante la programación, asignándole valores a las variables de entrada y observando los valores de las de salida. Es la rama experimental de la investigación operacional, donde la práctica y los resultados distan de la comprensión surgida de la física, la física o la biología.. 15.

(26) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 3.1. MODELOS A ES CALA REDUCIDA EN LA INGENIERÍA. Los modelos a escala se utilizan principalmente en la investigación y en el diseño de estructuras especiales por su tamaño, forma inusual o cargas poco frecuentes. El uso de modelos a escala reducida ha sido una de las herramientas más antiguas utilizadas por los constructores de edificaciones. No se necesita estirar mucho la imaginación para ver a los antiguos constructores egipcios, griegos, persas o romanos construyendo modelos pequeños para ayudarse en la plantación de algunas de sus maravillosas obras construidas hace miles de años. Se sabe que M iguel Ángel, Galileo y Da Vinci usaron en algún grado modelos para ayudarse en sus necesidades arquitectónicas y tal vez para clarificar problemas estructurales. Los modelos a escala reducida se utilizan principalmente en la investigación y en el diseño de estructuras especiales por su tamaño, ya que permiten comprender mejor el funcionamiento del prototipo, a un costo reducido. Una de las preguntas mas frecuentes entre los ingenieros que piensan en el uso de modelos a escala reducida para efectos de diseño, además del costo, tiene que ver con el nivel de confianza que puede esperarse al interpretar los resultados del modelo, con respecto al comportamiento del prototipo. Esta es una pregunta difícil de responder en forma general.. 3.2. MODELACIÓN A ES CALA Y CARGAS DINÁMICAS. Los modelos a escala reducida de estructuras sometidas a cargas dinámicas se han utilizado desde la segunda guerra mundial. La complejidad de estas cargas y de los efectos que estas causan sobre las edificación se han puesto a las técnicas de la modelación a escala reducida a la par con las técnicas analíticas. Las cargas dinámicas a las que se pueden ver sometida una edificación pueden ser provocadas por diversos factores, estos pueden ser el viento, el trafico, una explosión o cargas de sismo. Esta investigación se concentrara en las cargas dinámicas producidas por sismos, que como bien se sabe son cargas que se deben tener en cuenta en la vida útil de nuestras edificaciones.. 16.

(27) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 3.2.1. Modelos estructurales. 3.2.1.1Definición. Un modelo estructural es una representación material de una estructura o parte de la misma. Generalmente el modelo será construido a escala reducida teniendo en cuenta algunas leyes de similitud con respecto al prototipo, con el fin de representarlo de la mejor manera, y así, observar las características o comportamientos en estudio.. 3.2.1.2Clasificación. La clasificación de los modelos depende de la utilidad del modelo o del tipo de resultado que de este se espera. Los modelos pueden ser: Modelos elásticos: Esta clase de modelos se utilizan cuando se quiere obtener respuestas elásticas. Generalmente se utiliza una similitud directa con el prototipo. Las cargas a las que se someten esta clase de modelos son de magnitudes tales que el material se mantenga en el rango elástico. Por lo tanto, estos modelos no son utilizados para predecir el comportamiento post-fisurado del concreto o la mampostería y post-fluencia del acero. Modelos indirectos: Estos modelos son una especie de modelos elásticos utilizados para encontrar líneas de influencia para reacciones y acciones internas como fuerzas cortantes, momentos flectores o fuerzas axiales. Usualmente las cargas aplicadas en el modelo son de valor unitario. Modelos directos: Un modelo directo representa a su prototipo en todos los aspectos, tanto en su geometría, en sus propiedades mecánicas y en las cargas aplicadas. Los esfuerzos y deformaciones totales y unitarias en el modelo para condiciones de carga son representativos con respecto a las ocurridas en el prototipo. Modelo de resistencia: Son llamados también como modelos de resistencia última o modelos reales. Son modelos directos hechos de materiales similares a los del prototipo, con el fin de producir los efectos presentes en el prototipo, incluso hasta el instante de la. 17.

(28) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. falla. Como esta clase de modelos somete a los materiales a esfuerzos inelásticos, se debe recordar que ya no es valido el principio de superposición. Modelos de investigación, diseño y conceptuales: Cada uno de estos modelos es utilizado con un fin diferente. Los modelos conceptuales deben ser tan sencillos que permita la observación del concepto deseado. M ientras, los modelos de investigación deben ser desarrollados con tal precisión como sea posible, pues de ellos pueden extraerse teorías y hacer generalizaciones para el tipo de estructura ensayada. Los modelos dedicados al diseño tiene una exigencia media entre los modelos de investigación y los modelos de conceptuales. Modelos dinámicos: Estos modelos son utilizados para estudiar los efectos que causan las vibraciones o las cargas dinámicas sobre una estructura. Pueden ser probados sobre una mesa vibratoria para el estudio de los efectos de cargas sísmicas o en túneles de viento para observar el comportamiento aeroelástico.. 3.3. VENTAJAS DE LA MODELACIÓN. Como técnica de resolver problemas, cuando el experimentar con el sistema real: •. Sea muy costoso.. •. Perturbe las operaciones del sistema real.. •. No permite el control de las variables claves.. •. No permite repetición de eventos.. •. La modelación puede ser el único método disponible debido a que es difícil observar el ambiente real.. Otras ventajas de la modelación son: •. La facilidad que ofrece para comprender sistemas complejos.. •. Aplicación a sistemas que desafían una solución matemática.. •. Ausencia de riesgo o interrupción experimental actual del sistema.. 18.

(29) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. •. Reducción del tiempo necesario para que se manifiesten efectos a largo plazo.. •. M enos costos que en la experimentación con la realidad.. 3.4. DES VENTAJAS DE LA MODELACIÓN. •. La simulación no es precisa. No es un proceso de optimización y no nos da una respuesta sino simplemente proporciona un conjunto de las respuestas del sistema a diferentes condiciones de operación. En muchos casos, esa falta de precisión es difícil de medir.. •. Un buen modelo puede ser muy caro.. •. No todas las situaciones se pueden resolver utilizando la modelación. Sólo las situaciones que involucran incertidumbre son candidatas, y si un componente aleatorio, todos los experimentos simulados producirán los mismos resultados.. •. La modelación genera una forma de evaluar las soluciones pero genera soluciones por si misma.. 3.5. FACTORES DE ES CALA UTILIZADOS. La teoría de la modelación establece reglas para las cuales la geometría, propiedades del material, condiciones iniciales, y otras condiciones del modelo y el prototipo pueden ser relacionadas. Las leyes de similitud para un comportamiento lineal elástico son basadas sobre los mejores principios establecidos del análisis dimensional y dados para el desarrollo de una completa series de funciones de correlación (leyes de escala), que define la relación modelo-prototipo. Debido a las grandes restricciones sobre las propiedades del material del modelo y sabiendo que nuestro interés es observar el comportamiento ante cargas gravitacionales, Se utilizará en este estudio la ley de escala con simulación artificial de masa, descrita en la columna 5 de la tabla 3..1. 19.

(30) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. TIPO DE MODELO PA RÁMETROS DE LA ESCALA DEL MODELO. Cargas. DIMENS IÓN. Fuerza, Q. F. Presión, q. FL. -2 -2. Aceleración, a Aceleración grav itacional, g Velocidad, v Tiempo, s. LT -2 LT. Longitud, l. L. Geometria Desplazamiento, δ frecuencia, ω Modulo de elasticidad, E Esfuerzo, σ Propiedades Deformaciones, ε del material Relación de Poisson, υ Densidad de masa, ρ Energía, EN. LT T. -1. FL -. S ES L SE. 2. 1 1 SL. 1/2. -2. -4 2. FL T FL. SE SL SE. SL. SL SE. SE 1 1 SE /SL 3. SL. SL Omitida 1 SL SL SL. 1/2 SL. SL. -1. SE. 1. SE 1 1 **. 1 1 1 1. SE SL. 2. -1. 1/2. SL. FUERZA S DE GRAVE DAD OMITIDAS. 1. 1/2. SL SL. S ES L. 2. SL. SL SL. 1/2. -2. SIMULACIÓN ARTIFICIAL DE MAS A. 1 1. 1/2. L -1 T FL. VERDADERA REPLI CA. 3. SL. 3. Tabla 3.1 Factores de escala utilizados en la modelación dinámica. ⎛ gρ l ⎞ ⎛ gρl ⎞ ** ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ ⎝ E ⎠ m ⎝ E ⎠p. 3.6. S IMULACIÓN DE LA CARGA GRAVITACIONAL. En problemas estáticos y dinámicos sólo dos y tres cantidades del modelo, respectivamente, pueden ser arbitrariamente seleccionadas. Consideraciones prácticas determinan generalmente que la escala geométrica del modelo y ciertas propiedades de los materiales del modelo sean elegidas para ser compatibles con los materiales y el equipo disponible. Cuando las cargas a las cuales se quiere someter el modelo son de tipo gravitacionales e inerciales, entonces uno de los productos adimensionales en el problema será ãl/E, donde ã es el peso específico del material, E es el módulo de elasticidad del material (o alguna cantidad equivalente que represente las características de esfuerzo-deformación del material), y l es la longitud representativa. Ahora sólo dos cantidades del modelo pueden ser seleccionadas arbitrariamente, luego el producto adimensional precedente puede tener la misma magnitud en el modelo y el prototipo. Entonces: 20.

(31) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. lp E m ⎛ γl ⎞ ⎛ γl ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ γm =γp lm E p ⎝ E ⎠m ⎝ E ⎠p. Si el módulo de elasticidad es el mismo tanto para el modelo como para el prototipo, la densidad del material del modelo debe ser una cantidad S L veces mayor. Esta diferencia en la densidad del material puede ser remediada utilizando masa adicional, hay que tener en cuenta que esta masa adicional no debe generar una rigidez adicional al modelo. Para nuestro estudio esta masa adicional se generó en dos formas, la primera fue con unos pesos aplicados sobre las paredes de los modelos (solo pegadas por un punto) y además se adiciona peso en la zona de la cubierta.. Foto 3.1. Masas adicionales modelo tolete.. 21.

(32) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Foto 3.2. Masas adicionales modelo bloque.. Foto 3.3. Sobre peso adicional a cada ladrillo.. 22.

(33) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS En este capítulo se describirán los sistemas de aplicación de fuerzas y de adquisición de datos. 4.1. MES A VIBRATORIA. La mesa vibratoria ubicada en el Centro de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico (CITEC), de la Universidad de los Andes, permite realizar ensayos de simulación sísmica sobre modelos a escala reducida (foto 4.1). Foto 4.1. La mesa vibratoria ubicada en el Centro de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico (CITEC) En esta mesa vibratoria se pueden ensayar modelos a escala reducida con peso hasta de 1 tonelada, con una configuración geométrica en la base de 1 m x 1 m. Se pueden aplicar con frecuencias entre 0 y 100 Hz. Esta señal es unidireccional y puede ser mediante fuerza controlada o mediante desplazamiento controlado. En el presente estudio se utilizara una señal de entrada utilizando desplazamiento controlado.. 23.

(34) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 4.2. S IS TEMA DE ADQUIS ICIÓN DE DATOS. El sistema de adquisición de datos esta compuesto por (ver figura 4.1): •. Celda de carga en la punta del actuador que registra la fuerza aplicada en la base.. •. LVDT de control de la punta del actuador.. •. LVDT1: LVDT en la base de la mesa en la dirección del movimiento.. •. LVDT2: LVDT en la parte superior del modelo en dirección del movimiento.. •. ACM 1: Acelerómetro en la base de la mesa en la dirección del movimiento.. •. ACM 2: Acelerómetro en la parte superior del modelo en dirección del movimiento.. •. ACM 3: Acelerómetro en la parte superior del modelo en dirección perpendicular del movimiento.. A cada uno de estos sensores se les asigno un nombre con el fin de presentar los datos adquiridos (ver anexos 5 y 6). La capacidad máxima de cada acelerómetro es de 0.5g y de los LVDT es de 7.5cm.. 24.

(35) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Figura 4.1. Configuración del sistema de adquisición de datos.. 25.

(36) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. CAPÍTULO 5. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS MODELOS A ESCALA REDUCIDA. En este capitulo se presentará las características mecánicas de los materiales empleados en esta investigación. Para cumplir con este propósito se realiza un resumen de los resultados obtenidos en cada uno de los ensayos realizados sobre los diferentes materiales. Estos resultados serán de gran importancia al momento de realizar la modelación analítica. Los resultados detallados de todos los ensayos sobre los materiales se encuentran en los anexos A.1, A.2, A.3, y A.4. 5.1. ACEROS DE REFUERZO. Foto 5.1 Ensayo sobre aceros de refuerzo.. Se contaban con dos alternativas de acero de refuerzo para las vigas y columnas, la primera alternativa era alambre galvanizado y la segunda alternativa era acero cold-roller. Se realizaron pruebas a tensión sobre estos dos aceros y se obtuvieron los siguientes resultados: 26.

(37) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. TIPO DE ACERO. LIM ITE DE FLUENCIA fy (M Pa). RESISTENCIA A TENSIÓN fu (M Pa). M ODULO DE ELASTICIDAD E (M Pa). Alambre galvanizado. 220. 328. 88996. Alambre galvanizado. 230. 355. 81327. Alambre galvanizado. 220. 328. 84496. Alambre galvanizado. 230. 355. 88958. PROM EDIO. 225. 341.5. 85944.25. Tabla 5.1. Resultados de los ensayos a tensión sobre alambre galvanizado.. TIPO DE ACERO. LIM ITE DE FLUENCIA fy (M Pa). RESISTENCIA A TENSIÓN fu (M Pa). M ODULO DE ELASTICIDAD E (M Pa). Cold-roller. 530. 663. 172434. Cold-roller. 500. 596. 160396. Cold-roller. 520. 643. 161846. PROM EDIO. 516.7. 634. 164892. Tabla 5.2. Resultados de los ensayos a tensión sobre alambre galvanizado.. Se quería que el acero de refuerzo brindara una suficiente ductilidad con el fin de no tener fallas frágiles en los elementos de confinamiento, por esta razón se decidió trabajar con el alambre galvanizado, que aunque presentaba menor resistencia tenia mucha mas ductilidad que el acero Cold-roller (ver figura 5.1).. 27.

(38) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Figura 5.1. Esfuerzo-deformación de las alternativas para acero de refuerzo. 5.2. CONCRETOS Y MORTEROS. 5.2.1. Concretos. Para la construcción de los elementos de confinamiento se utilizó mortero listo de SIKA (foto 5.2).. Foto 5.2 Mortero listo de SIKA. 28.

(39) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Foto 5.3 Cilindros de concreto Se realizaron pruebas a compresión sobre cilindros de 5 cm diámetro por 10 cm de altura (foto 5.3) para obtener la resistencia del concreto utilizado en los elementos de confinamiento, los resultados fueron:. M UESTRA. RESISTENCIA (M Pa). 1. 24.5. 2. 25.5. 3. 25.3. PROM EDIO. 25.1. Figura 5.2. Resultados de los ensayos sobre cilindros de concreto. M UESTRA. RESISTENCIA (M Pa). 1. 26.9. 2. 26.5. 3. 26.7. PROM EDIO. 26.7. Tabla 5.3. Resultados de los ensayos sobre cilindros concreto. 29.

(40) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 5.2.2. Morteros. EL mortero de pega utilizado en la elaboración de los modelos fue hecho en obra con arena tamizada y cemento tipo Pórtland (foto 5.4).. Foto 5.4 Elaboración del mortero de pega.. Foto 5.5 Cubos de mortero.. 30.

(41) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Se realizaron pruebas a compresión sobre cubos de 5 cm de lado (foto 5.5) para obtener la resistencia del mortero de pega utilizado en la elaboración de los modelos, los resultados fueron:. M UESTRA. RESISTENCIA (M Pa). 1. 18.3. 2. 17.5. 3. 17.6. PROM EDIO. 17.8. Tabla 5.4. Resultados de los ensayos sobre cubos de mortero.. 5.3. PIEZAS DE MAMPOS TERÍA 5.3.1. Resistencia a Compresión. Foto 5.6 Ensayo de compresión sobre las piezas de mampostería.. Este ensayo se realizó para verificar la calidad de las piezas de mampostería, hay que recalcar que estas piezas se realizaron en una fabrica pequeña de forma artesanal. de este ensayo se obtuvieron los siguientes resultados:. 31.

(42) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. M UESTRA DE LADRILLO TOLETE. RESISTENCIA (M Pa). 1. 19.4. 2. 19.76. 3. 19.78. PROM EDIO. 19.65. Tabla 5.5. Resultados del ensayo a compresión sobre piezas de ladrillo tolete. M UESTRA DE BLOQUE #5. RESISTENCIA (M Pa). 1. 4.31. 2. 4.36. 3. 4.51. PROM EDIO. 4.39. Tabla 5.6. Resultado del ensayo a compresión sobre piezas bloque #5.. 5.3.2. Resistencia a Flexión. Foto 5.7 Ensayo de flexión sobre piezas de mampostería. Este ensayo se realiza para verificar la calidad de las piezas de mampostería. De este ensayo se obtuvieron los siguientes resultados:. 32.

(43) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. M UESTRA DE LADRILLO TOLETE. RESISTENCIA (M Pa). 1. 1.6. 2. 1.3. 3. 2.1. PROM EDIO. 1.67. Tabla 5.7. Resultado del ensayo a flexión sobre piezas de ladrillo tolete.. M UESTRA DE BLOQUE #5. RESISTENCIA (M Pa). 1. 2.5. 2. 1. 3. 1.7. PROM EDIO. 1.73. Tabla 5.8. Resultado del ensayo a flexión sobre piezas bloque #5. 5.4. MURETES DE MAMPOS TERÍA. 5.4.1. Compresión. Foto 5.8 Ensayo de compresión sobre muretes. 33.

(44) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. El ensayo de compresión se realiza con el fin de determinar las características de la mampostería como material compuesto. Con éste ensayo de determina la resistencia a compresión de la mampostería (f’m) y el módulo de elasticidad del conjunto. De este ensayo se obtuvieron los siguientes resultados:. M UESTRA DE LADRILLO TOLETE. RESISTENCIA (M Pa). M ÓDULO DE ELASTICIDAD (M Pa). 1. 12.8. 6546.1. 2. 12.8. 7078.4. 3. 12.5. 6855.9. PROM EDIO. 12.7. 6826.8. Tabla 5.9. Resultado del ensayo a compresión de muretes en ladrillo tolete.. M UESTRA DE BLOQUE #5. RESISTENCIA (M Pa). M ÓDULO DE ELASTICIDAD (M Pa). 1. 2.7. 1653.3. 2. 2.6. 1661.3. 3. 2.6. 1244.1. PROM EDIO. 2.63. 1519.57. Tabla 5.10. Resultado del ensayo a compresión de muretes en bloque #5. 5.4.2. Tracción diagonal. Foto 5.9 Montaje del ensayo a tracción diagonal. 34.

(45) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. M ediante el ensayo de tracción diagonal se pretende determinar el comportamiento de la mampostería ante esfuerzos de corte (como los generados por las cargas sísmicas en el plano del muro), con base en los resultados de éste ensayo se puede determinar el módulo de corte (G) de la mampostería y el esfuerzo último resistente a corte (τu).. M UESTRA DE LADRILLO TOLETE. RESISTENCIA (M Pa). M ÓDULO DE ELASTICIDAD A CORTE (M Pa). 1. 0.39. 3119.6. 2. 0.26. 3042.3. PROM EDIO. 0.65. 3080.95. Tabla 5.11. Resultados del ensayo a tracción diagonal de muretes de ladrillo tolete.. M UESTRA DE BLOQUE #5. RESISTENCIA (M Pa). M ÓDULO DE ELASTICIDAD (M Pa). 1. 0.27. 603.45. 2. 0.25. 572.91. PROM EDIO. 0.26. 588.18. Tabla 5.12. Resultado del ensayo a tracción diagonal de muretes en bloque #5.. 5.4.3. Flexión (tensión paralela a juntas verticales). Este ensayo se realiza con el fin de determinar la resistencia de los muros de mampostería ante las solicitaciones generadas por momentos flectores en el sentido de las juntas verticales. La falla por flexión se genera normalmente en las pegas de mortero.. 35.

(46) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. Foto 5.10 Muretes para el ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales). M UESTRA DE LADRILLO TOLETE. CARGA M ÁXIM A (N). M ÓDULO DE ROTURA (M Pa). 1. 32. 0.127. 2. 52. 0.197. PROM EDIO. 84. 0.324. Tabla 5.13. Resultados del ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) de muretes de ladrillo tolete.. M UESTRA DE BLOQUE #5. CARGA M ÁXIM A (N). M ÓDULO DE ROTURA (M Pa). 1. 70. 0.245. 2. 67. 0.225. PROM EDIO. 68.5. 0.47. Tabla 5.14. Resultado del ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) de muretes en bloque #5.. 36.

(47) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 5.4.4. Flexión (tensión perpendicular a juntas verticales). Foto 5.11 Muretes para el ensayo a flexión (tensión perpendicular a juntas verticales). M UESTRA DE LADRILLO TOLETE. CARGA M ÁXIM A (N). M ÓDULO DE ROTURA (M Pa). 1. 178. 1.043. 2. 170. 1.059. PROM EDIO. 174. 1.051. Tabla 5.15. Resultados del ensayo a flexión (tensión perpendicular a juntas verticales) de muretes de ladrillo tolete.. M UESTRA DE BLOQUE #5. CARGA M ÁXIM A (N). M ÓDULO DE ROTURA (M Pa). 1. 111. 0.71. 2. 120. 0.807. PROM EDIO. 115.5. 0.759. Tabla 5.16. Resultado del ensayo a flexión (tensión paralela a juntas verticales) de muretes en bloque #5.. 37.

(48) COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS DE MAMPOSTERÍA CON REFUERZO EXTERIOR MIC 2005-I-38 ESTUDIADOS EN MODELOS A ESCALA EN LA MESA VIBRATORIA. 5.5. MADERA. En esta investigación se utilizó madera ordinaria de formaleta por lo cual para las características mecánicas se adoptaron los resultados de los ensayos realizados en la tesis “Estudio Experimental Sobre Alternativas de Rehabilitación Para M uros de M ampostería No Estructural” (REF 12) ESFUERZO M ÁXIM O: 53.22 M Pa M ODULO DE ELASTICIDAD: 10405.2 M Pa. 5.6. PLÁS TICO Las láminas de plástico (PET) utilizadas en este trabajo de investigación fueron de las mismas características de las utilizadas en la tesis “Estudio Experimental Sobre Alternativas de Rehabilitación Para M uros de M ampostería No Estructural” (REF 12), por lo cual se adoptaron los resultados de los ensayos desarrollados en dicha tesis. ESFUERZO M ÁXIM O: 57 M Pa M ODULO DE ELASTICIDAD: 1866 M Pa. 5.7. FIBRA DE VIDRIO Las láminas de fibra de vidrio utilizadas en esta investigación fueron de las mismas características de las utilizadas en la tesis “M uros de M ampostería Reforzados con Láminas de Fibra de Vidrio Sometidos a Esfuerzos Fuera del Plano” (REF 8), por lo cual se adoptaron los resultados de los ensayos desarrollados en dichas tesis. ESFUERZO M ÁXIM O: 560 M Pa M ODULO DE ELASTICIDAD: 68000 M Pa. 38.