CAPITULO PERUANO DEL AMERICAN CONCRETE INSTITUTE
ACI - PERU
Albañileria Estructural Ing. Julio Arango Ortiz
Marzo 2005
IMPORTANCIA DE LA ALBAÑILERIA CONSTRUCCION URBANA
Entre el 60% y 70% de la construccion urbana es de albañileria.
CONSTRUCCION RURAL
Entre el 90% al 100% de la construccion rural es en albañileria.
CONSTRUCCION INFORMAL
Gran proporción en albañileria.
IMPORTANCIA DE LA ALBAÑILERIA CONSTRUCCION URBANA
Entre el 60% y 70% de la construccion urbana es de albañileria.
CONSTRUCCION RURAL
Entre el 90% al 100% de la construccion rural es en albañileria.
CONSTRUCCION INFORMAL
Gran proporción en albañileria.
IMPORTANCIA DE LA ALBAÑILERIA
Edificio Aporticado de concreto armado (Muros de Albañileria usados como cierres y particiones) COSTO = 1
Edificio de Muros Portantes (Muros de Albañileria como elementos principales de la estructura) COSTO = 0.75
IMPORTANCIA DE LA ALBAÑILERIA
Características Básicas de la Albañilería La albañilería es un material estructural compuesto por por unidades de albañilería asentadas con algún mortero ó unidades de albañilería apiladas, en cuyo caso son integradas con concreto líquido.
Material Heterogéneo y Anisotrópico. Elevada resistencia a la comprensión [depende de la Unidad de Albañilería (U.A)]. Escasa resistencia a la tracción (depende de la adhesión entre U.A., y el mortero). Variabilidad.
El Muro de Albañilería
La albañilería se ha usado para construir elementos diversos (arcos, columnas, tableros,etc) su expresión fundamental y preponderante es el muro. Determinadas las cargas y el tipo de acciones al que estará sometido, deberá fijarse su espesor, y cuando corresponda su refuerzo (acero) para que sea seguro ante las diferentes solicitaciones. Se debe estudiar su comportamiento en el rango inelástico, para definir su ductilidad y su capacidad de disipación de energía.
El Muro de Albañilería Agrietamiento
Es la causa más frecuente de fallas en el comportamiento de la albañilería, debe evitarse. Se produce por:
Deformaciones que inducen esfuerzos en exceso de la resistencia en tracción. Imposición de cargas (por ejemplo asentamientos diferenciales) Cambios volumétricos Sismo o acciones de Viento.
Se ubican de preferencia en las interfases mortero-unidad.
El Muro de Albañilería Agrietamiento
Su clasificación es:
Muy Finas: Aberturas menores a 0.1mm no dañan la albañilería Finas: Aberturas hasta 0.4 mm No dañan la albañilería, se recomienda corregir. Inaceptables: Aberturas mayores a 0.4 mm, se debe reparar.
El Muro de Albañilería REFUERZO:Incorporacion de Armadura
La armadura no aumenta la resistencia de la albañilería a la fisuración, su acción esta orientada a limitar su propagación y a obtener ductilidad. En el caso de sismos, el agrietamiento solo puede ser controlado con configuraciones correctas. Aumenta la resistencia última.
El Muro de Albañilería REFUERZO:Incorporacion de Armadura
Formas de Incorporar la Armadura:
En elementos de concreto armado verticales y horizontales que enmarcan el Muro y que son vaciados posteriormente a la construcción de la albañilería (albañilería Confinada). Difundida vertical y horizontalmente en alveolos y canales de las unidades de albañilería integradas mediante concreto líquido (albañilería armada). Vertical y horizontalmente en el espacio entre dos Muros de albañilería (albañilería Armada Laminar).
El Muro de Albañilería
Unidad de Albañilería
La unidad de albañilería es el componente básico para la construcción de la albañilería. Se denominan :
Ladrillos: se manejan con una sola mano. Pesan hasta 4 kg Bloques: se manipulan con las dos manos. Pesan hasta 15 kg
Se elaboran usando arcilla, silice-cal ó concreto como materia prima.
Unidad de Albañilería
Tipos de unidades de albañilería: su tipología se realiza basandose en la superficie bruta de la cara de asiento.
Unidades Sólidas. Unidades Huecas. Unidades Alveolares. Unidades Tubulares.
Pueden ser fabricadas de manera artesanal ó industrial.
Unidad Alveolar
Unidad de Albañilería Propiedades de las Unidades de Albañilería Las propiedades principales deben entenderse en su relación con el producto terminado que es la albañilería.
Resistencia a la comprensión. Resistencia a la tracción (a la tracción indirecta ó a la tracción por flexión). Variabilidad Dimensional. Alabeos Succión o Velocidad de absorción en la cara de asiento.
Unidad de Albañilería Resistencia a la Compresión
Es por si sola la principal propiedad de la unidad de albañilería se mide en el ensayo de comprensión estandar. Se usan medias unidades secas.
f 'b
Pu A
Modulo de Elasticidad Eb = 400 f’b para unidades de arcilla Eb =1000 f’b para unidades de concreto Eb = 800 f’b para unidades de silice-cal
Unidad de Albañilería Resistencia a la Tracción
La falla ocurre por tracción diagonal. Existen dos ensayos :
Ensayo de Tracción Directa
f 'b t
2Pu b tb
Ensayo de Tracción por Flexión
f 'b r
3 Pu L 2 b tb
2
Unidad de Albañilería Variabilidad Dimensional
Define la altura de las hiladas ya que se manifiesta, con mayores variaciones, en la necesisdad de aumentar el espesor de la junta.
Unidad de Albañilería Alabeo
Se manifiesta en concavidades o convexidades en las caras de asiento. Se miden con una regla y una cuña graduada.
Unidad de Albañilería Succión
Es la medida de la avidez de agua de la unidad de albañilería en la cara de asiento y es la característica fundamental para definir la relación mortero-unidad en la interfase de contacto. Para el ensayo, se pasa el espécimen(Ps) se coloca sobre los soportes del equipo, durante un minuto, se retira, se le seca con un paño y pesa (Pm). Luego la succión se obtiene:
Succión
Pm
Ps 200 A
donde A es el área de contacto de la unidad con el agua. La succión se expresa en gramos/200cm2/minuto o simplemente gramos.
Unidad de Albañilería Clasificación
La Clasificación de las unidades de albañilería se hace con el propósito de racionalizar su aplicación. Las bases de la clasificación deben ser las propiedades estructurales y de durabilidad.
Mortero Mezcla de aglomerantes y agregado fino a los cuales se añadira la máxima cantidad de agua que proporcione una mezcla trabajable, adhesiva y sin segregación del agregado. Mortero : Adherencia Concreto : Resistencia a la Compresión
Mortero ADHESION: La adhesión del mortero con la U.A. Es de naturaleza mecánica, y depende de los contenidos de sales en el cemento,cal y agua en la junta de mortero, de la succión de la U.A. y de la capacidad de los poros capilares de
albergar los cristales de ETRINGITA
Mortero
Mortero INGREDIENTES
CEMENTO: Portland Tipo I ó II, Portland Adicionados para Albañilería. Es el responsable del valor de la adhesión y de la resistencia a la compresión. CAL HIDRATADA: Es responsable de aumentar sustantivamente la adhesión, esto por que posibilita la máxima extensión del mortero. ARENA: Puede ser natural o fabricada. Debe satisfacer la granulometría. La arena es el agregado inerte en la mezcla del mortero, reduce la riqueza de los aglomerantes aumentando su rendimiento.
Mortero INGREDIENTES
AGUA: Es el componente que determina la consistencia o fluidez del mortero. Se puede añadir agua para recuperar la consistencia (RETEMPLADO). Debe ser bebible.
ADITIVOS: No son necesarios ni deseables para los morteros usados en albañilería.
CLASIFICACION Para fines estructurales se clasifican en tipo P empleado en muros portantes y NP empleado para muros no portantes.
Mortero El Reglamento indica las siguientes proporciones en volumen: a. Cuando se emplee cemento Portland y cal hidratada: Tipo
Cemento
Cal
Arena
P1 P2 NP
1 1 1
0 a 1/4 0 a 1/2 -
3 a 3 1/2 4a5 Hasta 6
Mortero MEZCLADO El mezclado de los componentes del mortero debe hacerse a maquina, solo los ingredientes secos; el albañil, en su batea, agregará el agua.
RETEMPLADO : Si es posible
Concreto Líquido
El concreto líquido se usa en la albañilería armada, con el fin de lograr la integración de la armadura con la albañilería, al llenar con este material los alveolos. Para ello tiene una muy elevada trabajabilidad. CARACTERISTICAS:
Elevada trabajabilidad (Slump 11”) Relación agua/cemento (a/c) entre 0.8 @ 1.2 Se genera gran adhesión entre concreto líquido y U.A.
INGREDIENTES: Los mismos del concreto: Cemento Portland 1, 1P y Cal. Agregado grueso (confitillo). Agregado fino (arena gruesa) Agua.
Concreto Líquido
PROPORCIONES: A continuación se muestran dos proporciones para obtener concreto líquido: grueso y fino. Tabla: TIPOS DE CONCRETO LIQUIDO (PROPORCIONES EN VOLUMEN) Tipo de concreto liquido
Cemento
Cal
Agregado (medido Húmedo suelto) Arena Confitillo
Fino
1
0 - 1 / 10
2¼ a3
No
Grueso
1
0 - 1 / 10
2¼a 3
1-2
Es necesario, en función de la altura, dejar registros de inspección y de limpieza (ver figura) en la parte inferior del muro a llenar.
Concreto Líquido
Acero
Se emplea para reforzar los elementos de concreto que enmarcan la albañilería confinada y para reforzar la albañilería armada y la albañilería laminar. Es del mismo tipo que el usado en concreto armado. Se debe procurar usar la mayor cantidad de barras con el menor diámetro posible. Merece especial importancia detallar la utilización de refuerzo en la junta del mortero. Debe hacerse con alambres delgados cuyo diámetro no exceda la mitad del espesor nominal de la junta.
Acero
Construcción de los Muros Determinación del Espesor de las Hiladas
En función de la variabilidad dimensional de la altura de la U.A. En función del espesor mínimo recomendable.
El Espesor Recomendable por Adhesión, para Condiciones Normales de Asentado: 9 a 12 mm
El espesor exacto de la junta se precisará en función de calibrar la altura de las hiladas, para que sean submúltiplos de la altura del muro(escantillones).
No Son Aceptables Juntas de mortero muy gruesas (reducen la resistencia a la comprensión de la albañilería). Juntas de mortero muy delgadas (reducen la resistencia a la tracción de la albañilería).
Construcción de los Muros Determinación del Espesor de las Hiladas
Construcción de los Muros Determinación del Espesor de las Hiladas
Construcción de los Muros Tratamiento de la Succión de la U.A.
Succión es la velocidad inicial de absorción en la cara de asiento de la U.A.
Es indispensable para lograr la adhesión.
Cuando es excesiva hay que controlarla.
El tratamiento de succión implica, estrictamente hablando, humedecer
totalmente la unidad de albañilería y dejar luego que se sequen las superficies.
Construcción de los Muros Tratamiento de la Succión de la U.A.
Succión de 20 gramos o menos : No deben ser humedecidas.
Succión mayor de 40 gramos : Indispensable humedecerlas.
Succión entre 20 y 40 gramos : Preferible no humedecerlas.
Las unidades de albañilería de arcilla, casi siempre deben asentarse algo húmedas.
Las unidades de sílice-cal ó de concreto no deben asentarse húmedas.
Construcción de los Muros Proceso de Asentado de las Unidades
El arte de asentar unidades consiste en estrechar al máximo el contacto tanto horizontal como vertical de la unidad con el mortero, y el de uniformizar dicho contacto en todas las interfases mortero-unidad.
En el caso de ladrillos, estos se colocan con una mano, y con la otra manipulan el bandilejo, se colocan presionando tanto sobre la junta horizontal como sobre la junta vertical.
Construcción de los Muros Proceso de Asentado de las Unidades
En el caso de bloques, las superficies verticales son empastadas con mortero mientras estan apoyadas en el suelo, luego la unidad se
levanta con las dos manos y se coloca a presión ajustando la junta vertical y la junta horizontal.
El asentado implica presión vertical y horizontal.
Debe evitarse el “bamboleo” de la unidad o su retiro momentáneo. Esto destruye la adhesión inicial, que es muy importante.|
Construcción de los Muros Tratamiento de Juntas
La operación tiene como propósito ajustar y sellar las juntas de mortero. El tratamiento de las juntas horizontales y verticales deben efectuarse una vez terminada una parte del asentado del muro y mientras el mortero aún está plástico. El ancho útil del muro (b) se mide desde el interior de la junta tratada. Hay tratamientos de juntas que no son recomendables
Construcción de los Muros Operaciones Relacionadas con el Concreto Líquido
Deben tomarse las precauciones necesarias para que la colocación del concreto líquido se efectúe en una operación sin tropiezos ni interrupciones y para que el contacto del concreto y las unidades sea total y permanente.
Se debe mantener los alveolos verticales de la albañilería limpios, sin rebabas de mortero.
Para lograrlo se debe protejer el alveolo en el proceso de asentado de las unidades con un “isopo” de espuma plástica que va subiendo conforme progresa el asentado.
Deben dejarse “ventanas” o huecos de control en la base del muro.
Construcción de los Muros Ritmo de Construcción
En la ejecución de un muro con unidades asentadas con mortero de cemento portland se recomienda no construir más de la mitad de la altura del muro, con un máximo de 1.40m., por jornada de trabajo.
El colocar un número excesivo de hiladas sobre un mortero que aún no ha adquirido una rigidez adecuada, puede ocasionarle su deformación, esto de por si es negativo, puede atentar contra el plomo y/o alieamiento del muro.
Construcción de los Muros Cuidado de los Muros
Los muros recién construidos tienen una estabilidad precaria y una resistencia a la tracción muy reducida.
No deben ser sometidos a golpes o vibraciones, y tampoco servir de apoyo a otros procesos constructivos, por ejemplo los puntales de encofrado.
No se debe permitir romper o picar los muros, ya que se estaría rompiendo o debilitando un elemento estructural.
Muros No Portantes
Por muro no portante, se entiende aquel que ha sido diseñado y construidos en forma tal que sólo lleven cargas provenientes de su peso propio (parapetos, tabiques y cercos).
Estos muros podrán ser construidos con unidades de albañilería sólidas, huecas ó tubulares
Los muros no portantes de albañilería no reforzada debe ser arriostrado a intervalos tales que satisfagan las exigencias del espesor mínimo.
Muros No Portantes
Los muros no portantes de albañilería armada serán reforzados de modo tal que la armadura resista el integro de las tracciones, no admitiéndose tracciones por flexión mayores a 1.33 kg/cm2 en la albañilería.
Los arriostramientos serán diseñados como apoyo del muro arriostrado, considerando este como una losa y sujeto a fuerzas horizontales perpendiculares a él.
Los arriostramientos deben tener la resistencia, estabilidad y anclaje adecuados para transmitir las fuerzas actuantes a elementos estructurales adyacentes o a la cimentación.
Muros No Portantes
El espesor mínimo de un muro no portante se calculará mediante la siguiente expresión:
t = U s ma² t = Espesor efectivo mínimo (en metros) U = Coeficiente de uso del Reglamento Sísmico s = Coeficiente dado en la Tabla N°1 m = Coeficiente dado en la tabla N°2 a = Dimensión crítica (en metros) indicado en la tabla N°2 b = La otra dimensión del muro
Este espesor mínimo se verificará para las fuerzas de viento o sismo, usando los esfuerzos admisibles para tracción por flexion correspondientes a albañilería no reforzada.
Muros No Portantes Tabla N° 1 : Valores de s 3
2
1
Tabiques
0.28
0.20
0.09
Cercos
0.20
0.14
0.06
Parapetos
0.81
0.57
0.24
Tabla N°2 : Valores de m Caso 1: Muro con cuatro bordes arriostrados a = Menor Dimensión b / a = 1.0 0.0479
1.2 0.0627
1.4 0.0755
1.6 0.0862
1.8 0.0948
2.0 0.1017
3.0 0.1180
00 0.125
Muros No Portantes Tabla N°2 : Valores de m
Caso 2 : Muro con tres bordes arriostrados a = Longitud del borde libre b /a = 0.5 0.060
0.6 0.074
0.7 0.087
0.8 0.097
0.9 0.106
1.0 0.112
1.5 0.128
Tabla N°2 : Valores de m Caso 3 : Muro arriostrado sólo en sus bordes horizontales a = altura del muro m = 0.125 Caso 4 : Muro en voladizo a = altura del muro m = 0.5
2.0 0.132
00 0.133
Diseño de Muros No Portantes Deducción de la Fórmula Mostrada en el Reglamento El peso por m² de muro:
P t P 1800 P 18 t
t t en cm. 100
Kg / m 2
La carga sísmica perpendicular al plano del muro: Wh = ZUC1P (Normas de Diseño Sismo-Resistente) Wh = ZUC1 18 t ( Kg / cm² )
Diseño de Muros No Portantes Deducción de la Fórmula Mostrada en el Reglamento El momento actuante se puede definir por : Ma = m w h a² (Kg x m / m)
Ma = m ( ZUC1 18t ) a²
Donde m es un coeficiente de momento y a es la luz de cálculo.
El momento resistente (Unidades de Albañilería Sólida):
100 t 2 M r S ft f t ( Kg cm / m) 6 Usando ft = 1.33 Kg / cm² para morteros con cal e igualando el momento resistente al momento actuante podemos hallar el espesor:
M a = Mr
Diseño de Muros No Portantes Deducción de la Fórmula Mostrada en el Reglamento 2 100 t ma 2 ZUC 1 18 t 100 1.33 de donde : 6
t = U (81.2 ZC1) ma² Cambiando de unidades, t y a en metros: t = U ( 0.812 ZC1 ) ma²
La Norma E-070 de albañilería del Reglamento Nacional, llama s al factor encerrado entre paréntesis (0.812 ZC1), de esta manera se obtiene la expresión:
t = U s ma²
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°1 Determinar distancia máxima entre arriostres en un muro de cerco: Datos: Espesor t = 14 cm Mortero con cal Altura del muro h = 2.00 mts. U = 1.0 A construirse en Lima, Z = 1.0 En este caso, se trata de un muro de cerco con 3 bordes arriostrados
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°1 Expresión del Reglamento: T = U s ma² Para cerco con mortero con cal en zona sísmica 1 de la tabla N°1: s = 0.20 Entonces: 0.14 = ( 1 ) ( 0.20 ) ma²
ma² = 0.70
Utilizando la Tabla N°2 tantearemos para varios valores de a y m: b
A
b/a
m
M a²
2.0
2.0
1.0
0.112
0.448
2.0
3.3
0.60
0.074
0.8059
2.0
2.85
0.70
0.087
0.7067
Es decir se requeriría colocar arriostres cada 2.85 mts
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°2 Determinar espesor mínimo de un muro, para un espaciamiento dado de arriostres y con viga solera en extremo superior, a constituirse en Arequipa y usando mortero con cal. Datos: Mortero con cal Dimensiones del paño L = 3.50 ; h = 2.00 Considerando U = 1, nuestro problema es hallar el espesor mínimo para las condiciones dadas. En este caso, se trata de un muro de cerco, con 4 bordes arriostrados.
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°2 Expresión del Reglamento: T = U s ma² Para cerco con mortero con cal en zona sísmica 3 de la tabla N°1 s = 0.20 De la tabla N°2: Caso 1: Muro con cuatro bordes arriostrados a = la menor dimensión, es decir a = 2.00 m Entonces: b = 3.50 m
b/a
3.50 1.75 2.00
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°2 Interpolando linealmente (tabla N°2) m = 0.0927
Entonces: t = ( 1 ) ( 0.20 ) ( 0.0927 ) ( 2.00 )² t = 0.074 mts. El espesor mínimo del muro, para las condiciones dadas, es de 7.4 cm.
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°3 Determinar espesor mínimo requerido para un cerco de 2 mts. de alto, sin arriostres, a constituirse en Lima. Datos: Mortero con cal Altura del muro h = 2.00 mts.
U = 1.0 En este caso tenemos un muro en voladizo Expresión del Reglamento: t = U s ma²
Para cerco y mortero con cal en zona sísmica 1, de la Tabla N°1 s = 0.20
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°3 De la tabla N° 2: Muro en voladizo (caso 4) a = 2.00 m = 0.5 t = ( 1 ) ( 0.20 ) ( 0.5 ) ( 2.00 )² t = 0.40 mts.
El espesor mínimo para un muro de 2 mts. de alto, sin arriostres es de 40cm
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°4 Determinar el espesor mínimo de muro para un parapeto de azotea de 1.0 mts. de altura, sin arriostres, a construirse en Arequipa. Datos: Mortero con cal Altura parapeto = 1.0 mts. U = 1.0 De acuerdo al Reglamento : t = U s ma² De la tabla N°1: s = 0.81 De la tabla N°2: m = 0.5 Luego: t = ( 1.0 ) ( 0.81 ) ( 0.5 ) ( 1.0 )² t = 0.40 mts. Se requiere un espesor de 40 cm.
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°5 Determinar el espesor mínimo ( t ) de un muro de cerco a construirse en la UNSA que tiene los arriostres (t x 25 cm) espaciados 4.50 m., entre ejes, y se usará una viga solera en el extremo superior de (t x 20 cm) y que tiene una altura de 2.70 m. Se usará mortero sin cal. Se determinará el espesor usando lo indicado en el Reglamento Nacional de Albañilería (E-070), y también usando un método racional de diseño, Comparar ambos resultados.
U=1.5
Z=0.4
C1=0.5
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°5 t = U s m a² De la tabla N°1: para s = 0.2 x 1.33 = 0.266 (mortero sin cal) De la tabla N°2: para a =2.5 y b =4.25 b 4.25 1.7 Interpolando obtenemos: a 2 .5 m = 0.0905 2
t 1.5 0.266 0.0905 2.5 t 23 cm t = 0.226m. Encontramos los momentos actuante y resistente, los igualaremos y obtendremos el espesor “t” WS = Z x U x C 1 x P WS = 0.4 x 1.5 x 0.5 x 1800 t Ma
540t 4.25 2.5 4.25 2.5 8 1 2 . 5 4 . 25
P = 1800 x t = 1800 t Kg / m² WS = 540 t Kg / m²
M a = 220 t
Kg x mt
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°5 f
ct
1 Kg / cm 2 10 ,000
1.0 t 2 M R 10 ,000 6 MR = 1666 t²
Kg / m 2
f
ct
MR S
M R f ct S
Kg mt . Kg x mt.
220 t Kg x mt = 1666 t² Kg x mt
Ma=MR t = 0.132 mt.
t = 13 cm < 23 cm.
Analizando “racionalmente” se pueden obtener espesores mas económicos
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°6 Determinar el espesor mínimo (t) que requerirá un parapeto de 1.20 m de alto a construirse en la Universidad Nacional de Iquitos, con albañilería de ladrillo asentado con mortero con cal. Usar el método indicado en el Reglamento de Albañilería, y también un método racional de diseño, usando los valores de esfuerzos máximos permisibles del Reglamento.
t = U s m a² m = 0.5
f ct
m ax
t 1.5 0.24 0.5 1.2 t = 0.259
t =26 cm.
1.33 Kg / cm 2 13,300
M R f ct S
2
Kg / m 2
13,300 100 t 2 MR 6
MR = 2217 t2 (Kgxmt)/m
Diseño de Muros No Portantes Ejemplo N°6 WS = Z x U x C 1 x P
P = 1800 t Kg / m²
WS = 0.15 x 1.5 x 2.0 x 1800 t = 810 t
Kg / m²
WSf = 810 t x 1 = 583.2 t Kg / m
w L2 Ma 2 MR = Ma
2
810 t 1.2 Ma 583.2 t 2
2216.7 t² = 583.2 t t = 0.262
t = 26 cm
Como era de esperar se obtuvieron valores iguales
