CENAPRED - Comportamiento de Mamposteria Confinada

CENTRO NACIONAL DE PREVENCIÓN DE DESASTRES

COORDINACIÓN DE INVESTIGACIÓN Área de Ensayes Sísmicos

COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE MAMPOSTERÍA CONFINADA DE DOS NIVELES DEL CENAPRED

Sergio M. Alcocer Tomás A. Sánchez Roberto Meli

ES/01/93 Junio, 1993

SISTEMA NACIONAL DE PROTECCION CIVIL CENTRO NACIONAL DE PREVENCION DE DESASTRES



Informe para el Instituto Nacional Para la Vivienda de los Trabajadores Área de Ensayes Sísmicos Junio de 1993

SISTEMA NACIONAL DE PROTECCION CIVIL CENTRO NACIONAL DE PREVENCION DE DESASTRES



Informe para el Instituto Nacional Para la Vivienda de los Trabajadores Área de Ensayes Sísmicos Junio de 1993

CONTENIDO

CONTENIDO .....................................................................................................................ii CAPITULO I – INTRODUCCIÓN..................................................................................1 CAPITULO II - DIMENSIONES Y DISEÑO DEL MODELO DE PRUEBA.................................................................................................4 2.1

INTRODUCCIÓN......................................................................................4

2.2

GEOMETRÍA DEL MODELO ................................................................5

2.3

CRITERIO DE DISEÑO...........................................................................6

2.4

DETALLES DEL REFUERZO ................................................................7

2.5

COMPORTAMIENTO ESPERADO SEGÚN EL RDF-87 ...................8

CAPITULO

III

-

CONSTRUCCIÓN,

INSTRUMENTACION

Y

MARCO

SECUENCIA

DEL

DE

CARGA,

ENSAYE

DEL

MODELO 3D .......................................................................................................17 3.1

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO 3D.................................................17

3.2

MARCO DE CARGA ..............................................................................19

3.3

INSTRUMENTACIÓN ...........................................................................20

3.4

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA.........................................................22 3.4.1 Ensayes de Vibración Ambiental ................................................... ...................................................22 22 3.4.2 Ensaye Destructivo ............................................................ ......................................................................... .............23 23

ii

CAPITULO IV - DESCRIPCION DEL ENSAYE .......................................................29 4.1

INTRODUCCIÓN....................................................................................29

4.2

ETAPA CONTROLADA POR CARGA ...............................................29 4.2.1 Ciclo 1 ............................................................................................29 4.2.2 Ciclo 2 ............................................................................................29 4.2.3 Ciclo 3 ............................................................................................30 4.2.4 Ciclo 4 ............................................................................................31

4.3

ETAPA CONTROLADA POR DESPLAZAMIENTO ........................31 4.3.1 Ciclo 5 ............................................................................................31 4.3.2 Ciclo 6 ............................................................................................32 4.3.3 Ciclo 7 ............................................................................................33 4.3.4 Ciclo 8, Ciclo 9............................................................................... 33 4.3.5 Ciclo 10 ..........................................................................................34 4.3.6 Ciclo 11, Ciclo 12........................................................................... 35 4.3.7 Estado Final....................................................................................36

CAPITULO V - RESULTADOS DEL ENSAYE DESTRUCTIVO ...........................37 5.1

ALCANCES ..............................................................................................37

5.2

CURVAS HISTERETICAS CARGA DESPLAZAMIENTO ..............................................................................37

CAPITULO VI - CONCLUSIONES Y FUTURAS INVESTIGACIONES..........................................................................................49 6.1

RESUMEN ................................................................................................49

6.2

CONCLUSIONES ....................................................................................51

6.3

INVESTIGACIONES FUTURAS ..........................................................51

iii

AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................52 REFERENCIAS ...............................................................................................................53 APÉNDICE A - REGISTRO FOTOGRÁFICO ...........................................................54

iv

CAPITULO I INTRODUCCIÓN

El Instituto del Fondo Nacional para la Vivienda de los Trabajadores ha venido apoyando un ambicioso proyecto de investigación sobre vivienda de bajo costo en el Centro Nacional de Prevención de Desastres. El programa tiene como objetivos: 1) Verificar la seguridad estructural, en particular ante sismos, de la vivienda económica diseñada y construida según los reglamentos y prácticas vigentes. 2) Proponer, si es necesario, modificaciones a los criterios de diseño y construcción que garanticen una seguridad consistente con el peligro sísmico de las diferentes regiones del país. 3) Explorar el empleo de técnicas alternas de construcción (industrializadas y semiindustrializadas) que, además de ayudar a solucionar el problema de vivienda, exhiban un comportamiento adecuado ante sismos. Para obtener un conocimiento más amplio y completo del comportamiento de las estructuras de mampostería sometidas a cargas laterales, una parte fundamental de las investigaciones ha consistido en ensayes de laboratorio de componentes de estructuras (sistemas de muros planos), a escala natural, sometidos a cargas alternadas cíclicas, que simulaban las fuerzas generadas durante un sismo (Refs. 2, 3). Pese a que las pruebas han arrojado valiosa información era necesario comparar la respuesta de un componente con la de una estructura completa. Con base en esto, se decidió la construcción y ensaye de una estructura, a escala natural, tridimensional que permitiera dicha comparación. En este informe se presentan los aspectos más relevantes del diseño, construcción, instrumentación y ensaye de una estructura de mampostería confinada, tridimensional, de dos niveles y a escala natural edificada en el Laboratorio de Estructuras Grandes del CENAPRED. Además, se presentan y discuten los resultados más importantes de las pruebas.

1

2 La estructura, de 5.5 m de alto, 5.0 m de larga y 3.75 m de ancho, es el modelo más grande que ha sido ensayado en un laboratorio de América Latina, y uno de los más grandes del mundo. Los objetivos que se persiguieron fueron: 1) Avanzar en México en el conocimiento y desarrollo de ensayes de laboratorio de estructuras de varios grados de libertad. 2) Estudiar el efecto de la construcción tridimensional (muros ortogonales y sistemas de piso) en el comportamiento de sistemas de muros de mampostería confinada. 3) Evaluar la importancia de las deformaciones a flexión en el comportamiento. Este aspecto permitiría estudiar algunas de las hipótesis comúnmente empleadas en el análisis y diseño de estructuras a base de muros de mampostería. 4)

Identificar la factibilidad de extrapolar los resultados obtenidos en ensayes de

componentes para explicar el comportamiento de estructuras completas. La estructura consistió de dos sistemas de muros de mampostería confinada paralelos a la dirección de carga, unidos por medio de dalas y losas macizas de concreto. Se construyeron muros transversales de mampostería para disminuir posibles efectos de torsión por la aplicación excéntrica de las cargas laterales o por daño asimétrico en los muros. La estructura se instrumentó con 159 sensores eléctricos para medir desplazamientos, cargas y deformaciones. En la prueba, se emplearon cuatro gatos hidráulicos de doble acción y de tipo estático, para aplicar la carga lateral. Para mantener la carga vertical, que simulaba la carga viva y muerta, se usaron seis gatos hidráulicos de doble acción. Los actuadores fueron controlados por unidades de bombeo eléctricas y manuales. La prueba se llevó a cabo aplicando una historia de carga predeterminada. Las fuerzas fueron distribuidas en la altura en forma lineal según un triángulo de base superior la primera parte de la historia de carga fue controlada por fuerza hasta el agrietamiento diagonal de la mampostería. A partir de aquí, el ensaye fue controlado por desplazamiento. Durante la prueba de registró continuamente la información de los sensores.

3 En el Capítulo II, se describen la geometría y los criterios de diseño del modelo. La secuencia de la construcción y los detalles de la instrumentación se presentan en el Capítulo III. Las pruebas preliminares de vibración ambiental, así como el programa de carga aplicado, son discutidos en el Capítulo IV. En el Capítulo V se presentan los resultados más relevantes y se discute el comportamiento del modelo. Las conclusiones y recomendaciones se incluyen en el Capítulo VI.

CAPITULO II DIMENSIONES Y DISEÑO DEL MODELO DE PRUEBA

2.1

INTRODUCCIÓN En este capítulo se describe la geometría del modelo construidos y ensayado en el

Laboratorio de Estructuras Grandes del CENAPRED. Se discute el criterio de diseño empleado y se presentan los detalles del refuerzo de castillos, dalas y losa.

2.2

GEOMETRÍA DEL MODELO En las primeras etapas experimentales del proyecto sobre seguridad sísmica de la vivienda

de bajo costo, se ensayaron cinco modelos con la geometría mostrada en la Fig. 2.1. Los especímenes consistían de dos muros de mampostería confinada de tabique recocido, unidos por una dala de cerramiento y por una porción de losa maciza de concreto reforzado. Las variables experimentales estudiadas en estos modelos fueron el grado de acoplamiento a flexión entre los muros (Ref. 2), así como el tipo y cantidad del acero horizontal colocado en las juntas de los muros (Ref. 3) Estos modelos representan un componente de un edificio de vivienda. Las estructuras, a escala real, fueron diseñadas y construidas según las normas y prácticas vigentes en el Distrito Federal (Refs. 1, 4). Para estudiar el comportamiento de una estructura tridimensional y de varios grados de libertad, se decidió la construcción y ensaye de un espécimen de dos niveles, modelo 3D. La geometría de las estructuras WBW, WBW-E Y WBW-B se tomó como base para 3D (Fig. 2.2). De esta forma, se puede comparar el comportamiento de un componente aislado con el de una estructura espacial. Además, el ensaye de 3D permite evaluar si la extrapolación de la respuesta 4

5 de modelos de mampostería confinada de un grado de libertad lateral es factible de hacer para estructuras varios grados de libertad (más de un nivel). Para fines de este informe, se define como primer nivel, N1, a los muros inferiores (desplantados en la viga de cimentación) y la primera losa de piso (Fig. 2.2). Se considera como nivel 2, N2, a los muros superiores (desplantados en la losa de N1) y a la segunda losa de concreto. En la Fig. 2.3 se presentan las dimensiones del modelo 3D en la dirección de carga. La estructura consistía en dos sistemas paralelos de muros de mampostería confinada hechos con tabique de barro recocido. Por nivel, cada sistema estaba compuesto de dos muros de 2.4 m y 1.6 m de longitud, es decir, con relación de aspecto de 1 y 1.5, respectivamente. Los muros estaban unidos por una dala de cerramiento y por la losa maciza de concreto del sistema de piso. La abertura en forma de puerta, producida entre los muros tenía un ancho de 1.0 m. La geometría de N2 fue similar a al de N1 de forma tal que las deformaciones por flexión en la base de la estructura fuesen máximas. En ensayes de este tipo debe evitarse el desarrollo de rotaciones en planta de los sistemas de piso (torsiones) que pueden ser causadas por uno o la combinación de los siguientes factores: 1) Aplicación excéntrica de la carga con respecto del centro de torsión de la estructura. 2) Construcción asimétrica, tanto en lo referente a las dimensiones de los elementos como a las propiedades mecánicas (resistencia y rigidez) de los materiales empleados. 3) Daño asimétrico durante el ensaye. Los dos primeros factores fueron tomados en cuenta durante el diseño, construcción y ensaye del espécimen (ver Capítulos III y IV). Sin embargo, con objeto de reducir al mínimo la torsión, se construyeron muros de mampostería en los extremos del modelo y en dirección ortogonal a la aplicación de carga (Fig. 2.4) El comportamiento de los muros cabeceros fueron satisfactorios y evitaron los desplazamientos por torsión durante el ensaye (ver Capítulo IV).

6

2.3

CRITERIO DE DISEÑO El modelo 3D fue diseñado y detallado de acuerdo a los requerimientos de la Ref. 1. El

detallamiento de castillos y dalas, así como las dimensiones de los muros y el espesor de la losa, fueron iguales a los modelos WBW (Ref. 2). La resistencia al cortante lateral se obtuvo aplicando la expresión (Ref. 1)

V R

=

F R( 0 .5 v* + 0 .3σ )AT

(2.1)

donde F R =

factor de reducción de resistencia, tomando igual a 1.0

V R =

cortante lateral resistente,

*

v

= resistencia al cortante de la mampostería,

σ σ

= esfuerzo normal de compresión, y

AT =

área transversal (horizontal) de muros en la dirección de carga.

Para el diseño, se consideró una resistencia al cortante v* = 3.5 kg/cm² (para morteros tipo I con resistencia a la compresión igual o mayor que 125 kg/cm²) y un esfuerzo normal σ σ = 5 kg/cm². El valor del esfuerzo normal es típico en edificios de vivienda de más de tres pisos. Este esfuerzo se mantuvo constante durante la prueba mediante un sistema de gatos hidráulicos (ver Capítulo III). La resistencia al cortante en N1 fue igual a 29.72 t. La resistencia a la flexión en la base el espécimen fue calculada mediante la ecuación siguiente (Ref. 1) M R

=

F R As f y z

en donde M R =

momento flexionante resistente,

F R =

factor de reducción de resistencia, tomado igual a 1.0,

(2.2)

7 As =

área del refuerzo longitudinal en castillos,

f y

= resistencia a la fluencia del acero longitudinal, y

z

=

brazos de palanca tomado igual a la distancia entre los centroides del acero en los castillos de cada muro

Durante el diseño, se consideró que los castillos estaban reforzados longitudinalmente con cuatro varillas de Grado 42 del ·# 3. El cortante basal asociado a la formación de la articulación plástica (suponiendo una distribución de fuerzas triangular invertida en la altura del modelo) fue de 37.9 t. Con base en los resultados del ensaye de WBW, no se consideró la contribución del acoplamiento por dalas y la losa a la capacidad por momento de volteo (Ref. 2). De los resultados de las Ecs. 2.1 y 2.2 se observa que el modo de falla esperado era por cortante. Cabe notar que en la ecuación 2.2 (Ref. 1) no se considera el incremento de la capacidad a flexión por la carga vertical.

2.4

DETALLES DEL REFUERZO El refuerzo del modelo 3D se presenta en las Figs. 2.5 a 2.7. El armado de castillos y dalas

es similar al usado en WBW (Ref. 2). Las dimensiones nominales de los castillos de amarre de los muros longitudinales con los cabeceros eran de 12.5 x 12.5 cm (ancho de los tabiques de barro), mientras que aquellos que limitaban la abertura en forma de puerta eran de 12.5 (ancho de tabique) x 15 cm. El armado longitudinal de castillos consistió en cuatro varillas de Grado 42 del #3 continuas en toda la altura de la estructura (Fig. 2.5). Estribos de alambrón del #2 fueron colocados a cada 20 cm, excepto en los extremos de castillos en donde se colocaron cinco estribos a cada 7 cm. En el peralte de las dalas, la separación de estribos fue de 10 cm. La resistencia de diseño a la compresión del concreto era de 210 kg/cm2.

8 La sección de las dalas era de 12.5 cm de ancho por 25 cm de peralte. En la dirección de carga, las dalas se reforzaron longitudinalmente con cuatro varillas del #4 y transversalmente con estribos de alambrón del #2 a cada 20 cm. La dala de confinamiento de los muros cabeceros se reforzó longitudinalmente con cuatro varillas del #4 (Fig. 2.6). El acero longitudinal de las dalas fue Grado 42. El refuerzo de las dalas se colocó entre las varillas de los castillos. El refuerzo longitudinal de castillos y dalas se remató con ganchos a 90° en la losa del nivel 2. La losa fue diseñada en dos direcciones para una carga uniformemente distribuida igual a 570 kg/cm². El espesor nominal de la losa fue de 10 cm. El armado de la losa se presenta en la Fig. 2.7 El refuerzo consistió de bastones del #3 separados a cada 30 cm. El acero en la dirección ortogonal se colocó sobre las varillas en la dirección de carga. El refuerzo se terminó con ganchos a 90°. La resistencia de diseño a la compresión del concreto era de 250 kg/cm².

2.5

COMPORTAMIENTO ESPERADO SEGÚN EL RDF-87 De acuerdo al criterio de diseño adoptado, se esperaba que el modelo 3D fallara por corte.

En la Fig. 5.6 se presenta el cortante basal resistente calculado según la Ec 2.1, empleando el valor de v* =3.5 kg/cm2, propuesto por la Ref. 1 para tabique de arcilla unido con mortero tipo I. Además, se ha dibujado la resistencia a la flexión según la Ec 2.2 empleando las dimensiones medidas en la estructura y suponiendo una distribución de fuerzas triangular invertida. El espécimen se modeló matemáticamente para determinar su rigidez elástica. En el modelo empleado, los castillos se consideraron como columnas con momentos de inercia y áreas axiales y de corte calculadas a partir de las dimensiones reales de los castillos. Las secciones de los tableros de mampostería fueron transformadas a secciones equivalentes de concreto en función de la relación modular n=Em/Ec= 0.22, en donde Em y Ec son los módulos de elasticidad de la mampostería y del concreto, respectivamente. Para Em se considero Em=600f *m y f *m=43.2 kg/cm2 (Ref. 1). El módulo Ec se tomó como 8000 f ' c , en donde f ' c es la resistencia a la compresión promedio de los castillos.

9 Las propiedades de la sección transformada (momentos de inercia, etc.) fueron concentradas en una columna ubicada en el eje de simetría de los tableros de mampostería. Las vigas que unían a la columna equivalente con los castillos laterales se consideraron con rigideces infinitas a la flexión y al corte.

Para la dala y la losa sobre la puerta, también se consideró un módulo E c

=

8000 f ' c ,

en donde f ' c es la resistencia promedio a la compresión del concreto de la dala y losa. La contribución del patín de la losa a la rigidez se consideró según las recomendaciones de la Ref. 5. El ancho equivalente del patín de la losa fue de 106.5 cm. Todas las secciones de castillos, muros y dala-losa se consideraron como no agrietadas. La rigidez calculada de acuerdo al modelo descrito anteriormente fue de 133.2 t/cm (ver Fig. 5.6).

10 25

250

MODELO W-W 240

100

12.5

160

120 25

250

MODELOS WBW, WBW-E y WBW-B 240

100

12.5

160

120

100 25

250 100

MODELO WWW 240

Figura 2.1

100

160

12.5 120

Geometría de los Componentes Ensayados en las Etapas I y II (Refs. 2 y 3)

11

Figura 2.2

Geometría del modelo 3D

6

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

8m

Figura 2.3 Elevación del Modelo 3D en la Dirección de Carga 1 2

13

13

Figura 2.4

Elevación del Modelo 3D en la Dirección Ortogonal

14

Dala (12.5 x 25 cm) 4 #4 estribos #2 @20

Castillo (12.5 x 15 cm) 4 #3 estribos #2 @20 cm en los 35 cm extremos estribos #2 @ 7 cm

Anclaje 20 cm

Figura 2.5 Refuerzo de Castillos y Dalas (Dirección de Carga)

15

Dala (15 x 25) 4 #4 estribos #2 @20

Dala (15 x 30) 4 #4 estribos #2 @15

Castillo (15 x 15) 4 #3 estribos #2 @20 en los 33 cm extremos #2 @7

Figura 2.6

Refuerzo de Castillos y Dalas (Dirección Transversal)

16

#3 @30 cm

A

#3 @30 cm

A PLANTA

CORTE A-A Figura 2.7

Refuerzo de las Losas

CAPITULO III CONSTRUCCIÓN, MARCO DE CARGA, INSTRUMENTACIÓN Y SECUENCIA DE ENSAYE DEL MODELO 3D

3.1

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO 3D En esta sección se presenta un resumen de la secuencia de construcción del espécimen. La

descripción se ilustra con el registro fotográfico del Apéndice A. La construcción del modelo fue hecha por albañiles contratados y fue supervisada por personal del laboratorio. Se considera que el procedimiento constructivo y los detalles fueron consistentes con la practica actual en estructuras de mampostería confinada. Para desplantar los muros en la dirección de carga, se utilizaron dos vigas de concreto reforzado de 40 cm de peralte (Foto A.1a). Las vigas fueron postensadas a la losa de reacción usando 16 barras Grado 105 de 1-¼ pulg de diámetro. Cada barra fue tensada a 45 t. Para anclar el refuerzo longitudinal de los castillos, se perforaron barrenos de ½ pulg de diámetro y con una profundidad de 20 cm. Los agujeros fueron cepillados y aspirados pare mover partículas de agregado y polvo, de forma que se garantizara la adherencia entre el concreto y la resina epóxica. Para anclar las varillas se empleó una resina epóxica de consistencia líquida. Tres cuartas partes de la profundidad del agujero se llenaron con la resina; inmediatamente se colocó la varilla rotándola mientras avanzaba. La cara superior de la viga fue picada a lo largo de la ubicación de los muros de mampostería y de los castillos. Los muros se construyeron con tabique de barro recocido de la zona de Cholula, Pue. Las dimensiones promedio de los tabiques fueron de 6.3 x 12.5 x 24 cm. Las piezas mostraban una adecuada estabilidad dimensional y, en general, un cocido uniforme. Las piezas quemadas o 17

18 fracturadas fueron desechadas. Mientras que los muros en la dirección de carga fueron desplantados sobre las vigas de cimentación (Foto A.1a), los muros transversales se construyeron sobre la losa de reacción por facilidad (entre las vigas de cimentación, Foto A.2b). Los tabiques en los extremos de los muros se ’dentaron’ para asegurar una trabazón adecuada con el concreto de los castillos (Foto A.1b). Las piezas fueron saturadas antes de su colocación en el muro. Los tabiques fueron unidos con un mortero de cemento con proporciones cemento:arena igual a 1:3. Se empleó cemento Portland Tipo I. La cantidad de agua añadida fue la suficiente para obtener un mortero trabajable. Durante la construcción, se controló el proporcionamiento del mortero para obtener una resistencia lo más uniforme posible. Para evitar cambios en el contenido de humedad, se guardó la arena en cubetas de plástico selladas. Con objeto de obtener la resistencia a la compresión del mortero, se muestrearon cubos de 5 cm de arista. Una vez levantados todos los muros (longitudinales y transversales) hasta la mitad de su altura, se colaron los castillos (Fotos A.2). El concreto fue preparado en el laboratorio y fue diseñado para obtener una resistencia a la compresión a los 28 días de 210 kg/cm2 (Foto A.3a). Para la colocación del concreto se usa botes de 20 l (Foto A.3b). Para compactar el concreto, se emplearon vibradores eléctricos portátiles sobre el refuerzo longitudinal del castillo. Esto se debió a que ya que los cabezales de los vibradores no podían descender los ganchos de los estribos se alteraron (para evitar un plano débil, Foto A.1b). Las varillas longitudinales de las dalas fueron colocadas entre el acero vertical de los castillos. Para colar las dalas y las losas de piso, se construyó una cimbra provisional (Fotos A.4). La cimbra fue diseñada para resistir el peso de la cuadrilla de trabajadores, además del peso del concreto fresco. Para facilitar el descimbrado se aplicó un aditivo desmoldante. Para el colado, se empleó concreto premezclado con una resistencia de diseño de 250 kg/cm2. El tamaño máximo de agregado fue de ½ pulg. El concreto se colocó con una bacha y la grúa viajera del laboratorio (Fotos A.5 y A.6). La compactación se hizo con vibradores portátiles eléctricos. Durante el colado, se muestrearon cilindros de 15 x 30 cm y de 10 x 20 cm. Las losas fueron curadas durante una semana con una capa de agua y plástico. Los cilindros fueron curados en forma similar. Antes

19 del colado, se midió la posición del refuerzo y la ubicación de los deformímetros eléctricos adheridos al acero. La secuencia descrita anteriormente se repitió en el nivel 2 (Fotos A.7, A.8a).

3.2

MARCO DE CARGA Las cargas laterales fueron aplicadas mediante cuatro gatos hidráulicos de doble acción:

dos de 50 t en el primer piso y dos de 100 t en el nivel 2 (Fotos A.9a). Para transmitir las fuerzas a la estructura se emplearon placas de acero de 5 cm de espesor colocados en los extremos del espécimen. Cuando los gatos estaban en compresión (empujando el modelo), la carga se transmitía sobre el lado Este. En forma opuesta, cuando se jaló el espécimen, la fuerza se aplicó en el lado Oeste mediante cuatro barras Grado 105 de 1-¼ pulg de diámetro en cada gato. Para lograr una distribución uniforme de la carga debajo de las placas, se colocó una capa de yeso. Los gatos de 100 t fueron controlados por una bomba hidráulica del tipo eléctrico; para los de 50 t se empleó una de tipo manual. El control de los gatos por piso podría conducir a excentricidades en la aplicación de la carga y, por tanto, a torsiones. Sin embargo, los muros cabeceros evitaron que los desplazamientos por torsión excedieran de 0.5 mm. Para simular los efectos de las cargas verticales (cargas muerta y viva) se aplicó una fuerza constante de 36 t (equivalente a un esfuerzo de 5 kg/cm²). Para ello se emplearon seis yugos, cada uno compuesto de dos barras Grado 105 de 1-¼ pulg de diámetro ancladas en la losa de reacción, un puente de acero, un gato hidráulico de 50 t y una articulación (Foto A.10a). Las barras pasaban por tubos de PVC que se dejaron ahogados en la losa durante el colado. Las articulaciones se colocaron para evitar que la carga vertical aumentara con los desplazamientos laterales. Para distribuir la carga vertical sobre los muros, se colocaron encima de la losa dos canales de acero unidos espalda con espalda. La longitud de cada par de canales coincidía con la de los muros. Los gatos fueron controlados por una bomba hidráulica de tipo eléctrico.

20

3.3

INSTRUMENTACIÓN El modelo 3D fue profusamente instrumentado para estudiar el comportamiento global y

local. La instrumentación fue diseñada para obtener los datos experimentales para verificar los criterios de análisis y diseño. La instrumentación se puede clasificar en las siguientes categorías: a) Cargas aplicadas por los gatos. b) Desplazamientos de las losas de piso. c) Deformaciones de los tableros de mampostería. d) Deslizamiento entre los muros y las losas (o vigas de cimentación). e) Rotación de los dinteles de las puertas. f) Curvatura de los muros. g) Deformaciones en el acero de refuerzo. h) Deformaciones en tabiques de barro. En la Fig. 3.2 se presenta la ubicación de la instrumentación en el muro Sur. En total se emplearon 10 celdas de carga, cuatro en los gatos hidráulicos que aplicaban las fuerzas laterales, y seis que medían la carga vertical (Foto A.9a). Dos potenciómetros lineales se colocaron en cada nivel para medir los desplazamientos horizontales y los giros (torsión) de los sistemas de piso (Foto A.9b). El lado Sur fue el más densamente instrumentado. Para medir las distribuciones de curvatura en los muros, se instrumentaron los castillos con potenciómetros dispuestos verticalmente. La deformación angular de los muros se midió con transductores de desplazamiento en las diagonales de los tableros de mampostería (Foto A.10a). Las rotaciones de los dinteles de las puertas se midieron con transductores de desplazamiento instalados arriba de las losas y abajo de las dalas (Foto A.10b). La instrumentación del muro Norte (no mostrada) consistió de diagonales en los tableros de mampostería del primer piso, y de potenciómetros para medir la rotación de los muros y dalas del primer nivel. Un centenar de deformímetros eléctricos fueron adheridos al refuerzo longitudinal de castillos, dala y losa, así como a estribos de castillos. La ubicación de los deformímetros se decidió para facilitar la determinación del inicio de la etapa postelástica, la posición el eje neutro

21 de las secciones y el estado de esfuerzos de los componentes. Destaca la colocación de deformímetros en el refuerzo de la dala (en el dintel) para estudiar el grado de acoplamiento entre los muros. Para evaluar la participación de la losa en la rigidez y resistencia de la estructura, se instrumentaron algunas varillas de la losa en la dirección de carga. Para estimar la inclinación y la magnitud de los puntales de compresión, se colocaron deformímetros para concreto sobre algunos tabiques en la primera hilada de los muros Sur (Foto A.11b). Los deformímetros formaban una roseta de 45°. Con este dispositivo se pudieron calcular la magnitud e inclinación de las deformaciones principales. Un par de barras de acero vertical Grado 105 fue instrumentado para determinar la eficiencia de las articulaciones de los yugos de carga vertical (ver inciso 3.2). Un total de 159 canales fueron adquiridos en el ensaye mediante un sistema automático controlado por una computadora personal (Foto A.8b). Simultáneamente al almacenamiento de la información en disco duro, se obtuvo un respaldo impreso. Al final del Ensaye, las lecturas fueron organizadas en hojas de cálculo para su reducción y análisis. Durante la prueba se monitorearon, en tiempo real, las cargas aplicadas (horizontales y verticales) y los desplazamientos horizontales de los dos niveles. Se presentó en forma gráfica la respuesta del modelo. Las curvas que se mostraban en la pantalla eran: 1) Cortante basal - distorsión total. La distorsión total se definió como el promedio de los desplazamientos del nivel 2 (N2) dividido por la altura de los sensores medida desde las vigas de cimentación. 2) Cortante de N2 - distorsión de N2. La distorsión de N2 se calculó como el desplazamiento relativo del segundo piso entre la altura de los sensores medida desde la losa del nivel 1 (N1). 3) Cortante basal - distorsión de N1. La distorsión de N1 se obtuvo en forma análoga a la de N2.

22 4)

Desplazamiento del muro Sur N2 - desplazamiento del muro Norte N2 para

observar si ocurrían torsiones durante la prueba.

3.4

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

3.4.1 Ensayes de Vibración Ambiental Antes de la prueba destructiva, se hicieron ensayes de vibración ambiental con el fin de medir las frecuencias de vibración y el amortiguamiento viscoso de la estructura. Las pruebas de vibración ambiental consisten en medir la vibración por medio de servoacelerómetros de alta sensibilidad (Foto A.12a). Las vibraciones son producidas por ruido ambiental, como el viento, tráfico, microtemblores y personas o equipo en movimiento, que inducen pequeños desplazamientos. Las señales registradas, acondicionadas y amplificadas adecuadamente, son analizadas en tiempo real para obtener los espectros de potencia y las funciones de coherencia, transferencia y de ángulo de fase de las señales (Foto A.12b). Con estos resultados se pueden identificar las frecuencias y modos de vibrar, para cada orientación de los sensores. En la Fig. 3.3 se presenta la ubicación de los acelerómetros. Para obtener el amortiguamiento viscoso, se aplicó la técnica del decremento logarítmico (Ref. 6). La excitación del modelo se logró tirando de una cuerda amarrada en la losa del nivel 2. Las pruebas de vibración ambiental se hicieron con la colaboración del Instituto de Ingeniería de la UNAM. La metodología y equipos empleados se discuten en la Ref. 7. Los resultados de la vibración ambiental se presentan en la Tabla 3.1.

23 Tabla 3.1 Resultados de los Ensayes de Vibración Ambiental Modo

Frecuencia

Periodo

Amortiguamiento

(Hz)

(s)

%

1

15.4

0.065

2.2

2

51.3

0.020

—

1

13.1

0.077

2.7

Transversal

2

40.0

0.025

—

Torsión

1

23.2

0.043

4.9

Longitudinal

Como se esperaba, la estructura era más flexible en la dirección ortogonal que en la dirección de aplicación de la carga. La frecuencia del primer modo de torsión estaba alejada de las de traslación, lo que hizo suponer que era poco probable que hubiera problemas debidos a la torsión durante el ensaye destructivo. Este hecho sería confirmado durante la prueba (Capítulo IV). En la Tabla 3.1, se observa que los amortiguamientos viscosos fueron más pequeños que los valores que típicamente se consideran en el análisis espectral de estructuras. 3.4.2 Ensaye Destructivo La carga lateral se aplicó en forma estática, manteniendo una distribución triangular invertida en la altura de la estructura. Así, el cortante basal fue tres veces la carga lateral que obraba sobre la losa del primer piso. Los gatos de 100 t del N2 fueron controlados con una bomba hidráulica de tipo eléctrico (Fotos A.8). En el primer piso, los gatos fueron accionados por una bomba manual para obtener un control más preciso. El programa de carga se ilustra en la Fig. 3.4. En el eje izquierdo de las ordenadas se pueden leer los cortantes basales aplicados en la primera etapa de la prueba. En efecto, en esta fase el ensaye fue controlado por el cortante basal máximo. En esta etapa se aplicaron cuatro ciclos: uno a 10 t, otro a 20 t y dos a 36 t. Esta parte del programa fue similar al del ensaye del modelo WBW (Ref. 2) para permitir la comparación entre los especímenes. Después del agrietamiento diagonal inicial de la mampostería, el ensaye se

24 controló por distorsión total. La definición de distorsión total se puede encontrar en el inciso 3.3. Se cuidó, sin embargo, que la distorsión del nivel 1 no excediera el máximo obtenido en ciclos previos. En la etapa controlada por desplazamiento (distorsión) se aplicaron ocho ciclos (Fig. 3.4) con máximos monótonamente crecientes. Dos ciclos a la misma distorsión fueron aplicados para evaluar la estabilidad del comportamiento. La máxima distorsión total aplicada fue de 0.355%, que correspondió a una distorsión de N1 de 0.53%. Después del ciclo 12, el ensaye se interrumpió para no producir un daño demasiado severo que impidiera la rehabilitación del modelo posteriormente. Sin embargo, los niveles máximos de desplazamiento a los que se sometió a 3D pueden ser considerados como excesivos para este tipo de estructuras. Para fines de este informe, se considera que un semiciclo es positivo cuando los gatos empujaban el modelo (el pistón salía de los cilindros) de forma que el muro cabecero Este estaba a tensión y el Oeste a compresión.

0.6

3

4

2

1

B

A

D

C

Muro Sur

3.7 m

0.6

3

4 2.4 m

2 1.0 m

1

Muro Norte

1.6 m

5.0 m PLANTA

Figura 3.1

Ubicación de los Tableros y Castillos del Modelo 3D

25

D45

D44

F2S

CEL1S

CEL2S

D46

D47

M17S2 M19S2

CEL3S D26S2

M18S2

M40S2

M41S2

F1S

M20S2

M17S1

M3S2

M42S2

M43S2

M19S1 D26S1

M18S1

M1S

M5S

M2S

M43S1

M6S

M10S

M7S

M11S

M21S

R1 R2 R3

R4

R5 R6 R7

M13S

M9S

M40S1

M41S1

M3S1

M20S1

M42S1

M14S M22S M15S R8 R9

R10 R11

1) Celdas de carga 2) Transductores de desplazamiento 3) Deformíetros en la mampostería

Figura 3.2

Instrumentación del Modelo 3D (Muro Sur)

D27S

26

1C5S 1CW5S

2CE6S 2C6S

2CW6S

2C5S 2CE5S

2CW5S 3CE5S 2BU1S 2BU3S

3CE6S

3CW6S 3C6S

3C5S 3CW5S

4CE5S

4C5S 4CW5S

2BU4S 1CE5S

1CE4S 1CW4S 1C1 1CE1S

1CW1S

2CE3S 2CW3S 2C4S

2BU5S 2BL4S 2BL5S 2BL1S 2BL3S

2CE4S

2CE1S

2CW4S 2C1S

3CW3S 3CE3S 3C4S

3CE4S

2CW1S

3CW4S 3C1S 3CE1S

3CW1S

4CE4S

4CE1S

4CW4S 4C1S 4CW1S

ELEVACIÓN SE1

Muro Sur

SE3 SE2 SE4

Muro Norte

LOSA 4) Deformíetros en el acero Figura 3.2

Instrumentación del Modelo 3D (continuación)

27

6

5

4

3

2

1

8

7

ELEVACIÓN 3,6 Muro Sur

2,5 Muro Norte

1,4

PLANTA Figura 3.3

Posición de Servoacelerómetros en las Pruebas de Vibración Ambiental

60

Por carga

.004

Por desplazamiento

.003

40

.002 t l, 20 a s a B 0 et n at r o -20 C

.001 0 -.001 -.002

-40

o T n ói sr to si D

m c/ m c ,l at

-.003

-60

-.004 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Ciclo Figura 3.4

Historia de Carga 2 8

CAPITULO IV DESCRIPCIÓN DEL ENSAYE

4.1

INTRODUCCIÓN Se describen los aspectos más sobresalientes del comportamiento del modelo 3D durante

el ensaye destructivo. La secuencia del daño se presenta en el registro fotográfico del Apéndice A. En la Fig. 3.1 se presenta la nomenclatura que se empleará en este capítulo. Por ejemplo, el castillo extremo del lado Este del segundo piso en el lado Sur se le denominará 4-N2-S.

CAPITULO IV DESCRIPCIÓN DEL ENSAYE

4.1

INTRODUCCIÓN Se describen los aspectos más sobresalientes del comportamiento del modelo 3D durante

el ensaye destructivo. La secuencia del daño se presenta en el registro fotográfico del Apéndice A. En la Fig. 3.1 se presenta la nomenclatura que se empleará en este capítulo. Por ejemplo, el castillo extremo del lado Este del segundo piso en el lado Sur se le denominará 4-N2-S. Análogamente, al muro con relación de aspecto igual a 1.5, situado en el primer piso del lado Norte, se le identificará como C-N1-N.

4.2

ETAPA CONTROLADA POR CARGA

4.2.1 Ciclo 1:

Cortante Basal Máximo: + 9.9 t y -10.1 t Distorsión Total Máxima: + 0.020 % y -0.017%

En este ciclo aparecieron las primeras grietas. Los castillos extremos (1 y 4) del nivel 2 se agrietaron por flexión; las fisuras se concentraron en la mitad superior de los castillos. Las grietas se formaron sin penetrar hacia los tableros de mampostería. No se presentó daño en el primer piso. 4.2.2 Ciclo 2:

Cortante Basal Máximo +19.8 t y -19.9 t Distorsión Total Máxima: +.046% y -0.045%

En el semiciclo 2-pos se formó la primera grieta de flexión en el dintel Sur (en la esquina de la dala y el castillo 2-N1-S, Foto A.18a). El agrietamiento de las dalas N y S del nivel 1 29

30 continuó en el semiciclo negativo (Foto A.18b). Un par de grietas por flexión aparecieron en la cara Oeste del castillo 1-N1-S (Foto A.13a) Una fisura se formó en la junta del castillo en la viga de cimentación. En el muro cabecero Este, el agrietamiento horizontal del castillo 4-N1-S se extendió hacia la mampostería a través de la junta mortero-tabique. 4.2.3 Ciclo 3:

Cortante Basal Máximo: +35.7 t y - 35.4t Distorsión Total Máxima: + 0.014 % y -0.016%

El primer agrietamiento de la mampostería ocurrió a una distorsión total máxima de 0.126% correspondiente a un cortante máximo de 34.4 t. Las primeras fisuras se presentaron en los muros Norte del primer piso. Al terminar el ciclo, los muros de las caras N y S del Nivel 1 exhibieron grietas por tensión diagonal que partían de la esquina Este superior a la Oeste inferior (Fotos A.13b y A.15a). Algunas porciones de las fisuras atravesaron los tabiques, mientras que otras partes siguieron las juntas del mortero (Foto A.17b). No se observó daño en los muros de N2. En este ciclo, las dalas del primer nivel desarrollaron más grietas de flexión correspondientes al paño de los castillos. Los castillos del primer piso exhibieron más agrietamiento horizontal concentrado en el tercio inferior. El muro cabecero Este experimentó una fisura horizontal, siguiendo la junta de mortero a la altura de la cara superior de las vigas de cimentación, que se extendió hasta casi la mitad del ancho del muro. Es importante destacar que en el semiciclo 3-pos se agrietaron las losas. Las grietas del primer piso se formaron al paño de la cara interna del castillo 2 y se extendieron alrededor de 30 cm hacia adentro del modelo y hacia afuera hasta el extremo del volado. Al finalizar el ciclo 3, la grieta en la cara superior de la losa de N1 se había extendido a todo el ancho de la losa y estaba

31 alineada con el paño de la cara interna del castillo 3 (Fotos A.19). La cara inferior de la losa exhibió grietas de flexión más cortas. En e piso 2, las grietas en las caras superior e inferior se extendieron hasta casi la mitad del ancho de la losa. 4.2.4 Ciclo 4:

Cortante Basal Máximo: +35.1 t y -31.3 t Distorsión total Máxima: +0.174 % y -0.173%

En los muros B y D del nivel 1, se extendieron algunas grietas por tensión diagonal en la mampostería a través de los tabiques y de las juntas de mortero. En los muros A y C aparecieron grietas diagonales en los tercios inferior y superior. Las grietas penetraron en la mitad inferior de los castillos confinantes. En las dalas, apareció una nueva grieta en el lado Norte. No se observó daño en los muros longitudinales del nivel 2. El muro cabecero Este fue el único que experimentó daño. Aparecieron un par de grietas horizontales cerca de la mitad de la altura del muro con longitudes de 60 cm, aproximadamente. En la cara inferior de la losa 1, se extendieron las grietas transversales a todo lo ancho. Las grietas también se extendieron hacia el centro en la cara superior. En el segundo nivel, un par de grietas de flexión aparecieron en las caras superior e inferior.

4.3

ETAPA CONTROLADA POR DESPLAZAMIENTO

4.3.1 Ciclo 5:

Cortante Basal Máximo: +34.4 t y -34.4t Distorsión Total Máximo: +0.206 % y -0.206%

Los castillos 4-N1-N y 2-N1-N mostraron agrietamiento horizontal distribuido en la altura. Se observó una grieta en la base del muro B que se extendía desde el castillo alrededor de 30 cm sobre la primera junta de mortero. En el lado Sur, sólo apareció una grieta diagonal en el muro D que se extendió en la esquina superior del castillo 4 alrededor de 60 cm, siguiendo las juntas de mortero, y en forma de escalera. Dos grietas diagonales se propagaron verticalmente

32 hacia la mitad de la altura de los muros A y C. Las grietas se localizaron a 5 cm de la junta murocastillo y tenían una longitud de 30 cm, aproximadamente. Los castillos 4-N1-N y 2-N1-N mostraron agrietamiento horizontal distribuido en la altura. Se observó una grieta en la base del muro B que se extendía desde el castillo alrededor de 30 cm sobre la primera junta de mortero. En el lado Sur, sólo apareció una grieta diagonal en el muro D que se extendió en la esquina superior del castillo 4 alrededor de 50 cm, siguiendo las juntas de mortero, y en forma de escalera. Dos grietas diagonales se propagaron verticalmente hacia la mitad de la altura de los muros A y C. Las grietas se localizaron a 5 cm de la junta murocastillo y tenían una longitud de 30 cm, aproximadamente. El único daño observado en el nivel 2 fue un agrietamiento en la mampostería, sensiblemente vertical a 30 cm del castillo 3-N2-N y un par de grietas por tensión diagonal cerca de las esquinas superiores de la puerta del lado Norte. En el muro cabecero Este, la grieta longitudinal a media altura del nivel 1, se extendió 30 cm aproximadamente, siguiendo la junta de mortero. Las grietas por flexión identificadas en las caras N y S de los castillos, se extendieron a la cara E y algunas penetraron hacia la mampostería a lo largo de la junta de mortero. El muro Oeste exhibió un mayor agrietamiento en el primer piso. Dos series de grietas horizontales aparecieron en el tercio medio del muro. Las fisuras seguían una trayectoria diagonal, del Norte arriba al Sur abajo, limitando un posible puntal de compresión en la mampostería. Sobre la cara superior de la losa 1, las grietas en el paño de los castillos 2 se extendieron a todo el ancho de la losa; las fisuras en la cara inferior se propagaron. En la cara superior de la losa del segundo piso, se extendieron algunas grietas. En la cara inferior, se extendió la grieta por flexión al paño del castillo 2 a todo el ancho de la losa. 4.3.2 Ciclo 6

Cortante Basal Máximo: +38.0 t y -37.1 t Distorsión Total Máxima: +0.253 % y -0.249 %

33 En los muros de la cara N del primer nivel, las grietas diagonales penetraron a los castillos 2, 3 y 4 en sus extremos. En el semiciclo positivo, aparecieron nuevas grietas horizontales en la altura de los castillos 2 y 4. Las grietas verticales, paralelas a los castillos, se extendieron hacia abajo 30 cm, aproximadamente. No hubo cambio en el patrón de agrietamiento de la casa Sur ni de los muros longitudinales del segundo piso. El daño en las dalas permaneció igual. El daño en el muro cabecero Oeste no se alteró; en el muro Este primer nivel, las grietas horizontales a media altura se extendieron siguiendo, sensiblemente, una trayectoria inclinada del Norte arriba al Sur abajo. El nuevo fisuramiento tenía la forma de escalera, siguiendo la junta del mortero. El único daño en las losas fue la formación de la grieta a todo el ancho de la losa en la cara inferior del segundo nivel. 4.3.3 Ciclo 7

Cortante Basal Máximo: +37.4 t y -36.1 t Distorsión Total Máxima: +0.256 % y -0.250%

El daño en los muros longitudinales del primer nivel permaneció prácticamente igual, con la excepción de la propagación de algunas grietas por tensión diagonal en la mampostería y la formación de algunas fisuras por flexión en los castillos. En las dalas, se observaron un par de nuevas grietas por flexión. No hubo cambio en el segundo piso. Los muros cabeceros experimentaron la extensión de las grietas horizontales existentes y la formación de nuevas en el tercio medio del nivel 1. El patrón de agrietamiento de las losas no sufrió alteraciones. 4.3.4 Ciclo 8

Cortante Basal Máximo: +40.5 t y -38.9 t Distorsión Total Máxima: +0.299 % y -0.294%

Ciclo 9

Cortante Basal Máximo: +37.2 t y -38.2 t

34 Distorsión Total Máxima +0.306 % y –0.298% En la parte positiva del ciclo 8, al alcanzar por primera vez una distorsión total de 0.3%, se registró el primer aplastamiento del concreto en la parte superior del castillo 2-N1-N (Foto A.17a). Algunas grietas a flexión en los castillos del primer piso se extendieron hacia la mampostería. Las grietas diagonales cercanas a las esquinas de los tableros penetraron a los castillos, en particular en los extremos superiores de los castillos 2 y 3, y en la parte superior del castillo 4-N1-N. En este ciclo se observa la propagación de grietas inclinadas hasta formar una grieta diagonal completa (muro D). En las dalas del nivel 1, aparecieron nuevas grietas por flexión cerca de la mitad del claro del dintel. En el nivel 2, las dalas exhibieron unas cuantas grietas por flexión cercanas al paño de los castillos de la puerta. No hay cambio en el daño observado en las losas. Durante el ciclo 9, se llevó al modelo al mismo nivel de distorsión aplicado en el ciclo anterior. El patrón general de daños en los muros del nivel 2 y en ambas losas no mostró modificaciones. En el nivel 1, se distinguieron algunas grietas adicionales muy pequeñas cercanas a los extremos superior e inferior de la abertura en forma de puerta. También se observó que las grietas diagonales principales aumentaron su ancho con respecto al registrado en el ciclo anterior para la misma deformación. 4.3.5 Ciclo 10

Cortante Basal Máximo: +34.2 t y -32.9 t Distorsión Total Máxima: +0.342 % y - 0.336 %

El daño en este ciclo se caracterizó por la penetración de grietas diagonales a los castillos y por el desconchamiento del concreto (Fotos A.16). El concreto se aplastó en la zona a compresión debida a la flexión y a lo largo de grietas que penetraron en castillos (Fotos A.17a).

35 Los muros exhibieron la extensión de algunas grietas inclinadas. La respuesta estuvo caracterizada por la abertura y cierre de grietas formadas en los ciclos previos. No hubo un cambio apreciable en el patrón de fisuramiento del muro cabecero Oeste. En el primer nivel, el muro Este presentó extensiones de grietas que atravesaron los tabiques. La cara inferior de la losa del primer nivel exhibió una grieta, paralela a la ya formada, entre los castillos 3 hacia la mitad del ancho de la losa. La fisura tenía una longitud aproximada de 2 m. 4.3.6 Ciclo 11

Cortante Basal Máximo: +31.3 t y -31.7 t Distorsión Total Máxima: +0.358 % y -0.356 %

Ciclo 12

Cortante Basal Máximo: + 32.3 t y - 33.1 t Distorsión Total Máxima: + 0.354 % y 0.357 %

Durante la etapa de carga en el semiciclo once positivo, se produjo la penetración de algunas grietas a los castillos y un considerable aumento en el ancho de las ya existentes. Este fenómeno estuvo acompañado de un ruido y de la disminución en la carga vertical. Aun la carga vertical fue restablecida, fue muy difícil mantenerla constante durante el resto del ensaye. Se observó un mayor daño en los muros C y D que en A y B. Las grietas penetraron hasta 40 cm en el extremo superior de los castillos, y hasta 20 cm en la base. El ancho de las grietas fue mayor que 1 cm. El concreto a lo largo de las grietas en los castillos se desconchó. En la base, se observó un movimiento relativo de los castillos con respecto a la viga de cimentación (debido al cizallamiento de los castillos) de 1 cm, aproximadamente. Aunque de ancho pequeño, aparecieron grietas por flexión en los castillos y dalas del piso 1. Algunos tabiques de la cuarta y quinta hiladas del muro A se aplastaron cerca de los castillos. En los muros cabeceros continuó la propagación de grietas en forma de escalera. Algunas fisuras atravesaron tabiques. La inclinación aproximada de la trayectoria del agrietamiento era de 30°.

36 Ante la aplicación de un segundo ciclo a la misma distorsión (ciclo 12), el modelo conservó prácticamente el mismo estado descrito hasta el ciclo anterior. Sin embargo, conviene apuntar una mayor concentración de daño en los extremos inferiores de los castillos 2 y 3 del nivel 1. En ellos se observó pandeo del acero de refuerzo longitudinal a nivel de desplante de los castillos, principalmente en los castillos 3 y 2 de los muros Norte y Sur respectivamente distorsionando la geometría de la abertura delimitada por dichos elementos. 4.3.7 Estado Final El daño es 3D se concentró en el primer nivel, presentando agrietamiento diagonal en la mampostería (Fotos A.14b y A.15b). Las fisuras tuvieron forma de escalera en la mayoría de los casos. Las grietas penetraron a los castillos, reduciendo su resistencia y rigidez. La falla del modelo ocurrió cuando los castillos fueron cizallados. Lo anterior indica que los desplazamientos laterales de estructuras de mampostería deben limitarse ante la formación de grandes grietas inclinadas en los castillos. El modelo de falla estuvo controlado por deformaciones al corte, análogamente al modo observado en el espécimen WBW de un solo nivel (Ref. 2). No hubo daño en el segundo piso (Fotos A.20a y A.20b). Las dalas y las losas se agrietaron por flexión desde el inicio de la prueba. Sin embargo, conforme avanzó la prueba, el ancho de las grietas disminuyó. Esto es consistente con el predominio de las deformaciones por corte durante la etapa final del ensaye. El daño en el sistema de piso no sugiere la formación de articulaciones plásticas. El estudio de los deformímetros ha confinado esta suposición. Es interesante estudiar el agrietamiento en los muros cabeceros. Si bien el fisuramiento inicial se debió a efectos de flexión, conforme avanzó la prueba, las grietas mostraron una sensible inclinación. La inclinación era opuesta en los muros cabeceros, lo que sugiere que se debe a la restricción de los muros ofrecieron la torsión del modelo. Con esto se logró una respuesta simétrica de los lados Norte y Sur. En efecto, el daño en los muros A y B fue muy similar al observar en C y D.

CAPITULO V RESULTADOS DEL ENSAYE DESTRUCTIVO

5.1

ALCANCES Se presentaron los resultados globales del comportamiento del modelo 3D durante el

ensaye destructivo. La resistencia, rigidez y capacidad de disipación de energía son discutidas para evaluar la respuesta del espécimen. Para ello se presentaron las relaciones histeréticas carga distorsión. Los resultados se comparan con los obtenidos en el ensaye WBW (Ref. 2).

5.2

CURVAS HISTERETICAS CARGA-DESPLAZAMIENTO La curva histerética cortante basal - distorsión total se puede observar en la Fig. 5.1. En el

eje de las abscisas se ha graficado la distorsión total definida como el desplazamiento de la azotea (nivel 2) dividido por la altura del transductor de desplazamiento, medida desde la viga de cimentación. El cortante basal, que es la suma de las fuerzas laterales aplicadas en los pisos 1 y 2, se presenta en las ordenadas. La curva es de forma simétrica, aún para ciclos a deformaciones elevadas. Está caracterizada por una rama elástica durante los primeros dos ciclos de carga. Para estos niveles de distorsión, el único daño observado fue el agrietamiento por flexión en los castillos. El agrietamiento por tensión diagonal de la mampostería marcó el inicio de la etapa inelástica. Los lazos para ciclos posteriores al tercero exhiben histéresis. Las curvas son muy estables y con buena disipación de energía. La estabilidad se puede observar más claramente si se comparan ciclos a la misma distorsión total, como por ejemplo los ciclos 3 y 4. En estos ciclos la resistencia y la rigidez son prácticamente iguales. En la etapa inelástica, los lazos envuelven un área amplia y no exhiben estrangulamiento cerca del origen. Es interesante notar que las estructuras con comportamiento dominado por deformaciones al corte, exhiben curvas histeréticas que acusan estrangulamiento que contribuye a disminuir en forma considerable la 37

38 disipación de energía. La buena capacidad de disipación de energía se atribuye al confinamiento de los castillos y dalas, así como al esfuerzo vertical aplicado. Los castillos que confinan los muros de mampostería funcionan como un zuncho, que evita que los muros, al agrietarse, queden totalmente sueltos. Adicionalmente, los castillos contribuyen a mantener la resistencia y aún, a incrementarla después del agrietamiento inicial. La resistencia máxima se alcanzó en el ciclo 8; el cortante basal máximo fue de 40.5 t. En este ciclo, se formaron completamente las grietas inclinadas en la mampostería y comenzó la penetración de fisuras a los castillos. En los ciclos siguientes, la resistencia disminuyó gradualmente hasta la falla en el ciclo 11. Sin embargo, aún cuando la resistencia se degradó la disipación de energía fue satisfactoria. La respuesta de la estructura completa estuvo gobernada por el primer nivel (Fig. 5.2). Para esta gráfica, la distorsión del primer nivel se obtuvo como el promedio de los desplazamientos medidos en la losa de N1 dividido entre la altura de los sensores desde las vigas de cimentación. Los lazos histeréticos poseen las mismas características que los de la estructura completa (Fig. 5.1). La estabilidad de las curvas se aprecia más claramente en la Fig. 5.2. En contraste, el segundo nivel permaneció prácticamente elástico (Fig. 5.3). Los ciclos exhibieron una pequeña histéresis. Se observa un decaimiento en la rigidez atribuido al agrietamiento por flexión de los castillos, dalas y losa del segundo nivel. La respuesta medida es consistente con el daño observado durante el ensaye. Uno de los objetivos de esta investigación era comparar el comportamiento de una estructura bidimensional y de un nivel (WBW), con el de un modelo tridimensional y de dos pisos (3D). En la Fig. 5.4 se muestran las curvas histeréticas para WBW. La gráfica se ha dibujado a la misma escala que la Fig. 5.2 para facilitar su comparación. Es evidente la semejanza entre las curvas de WBW y 3D. Esto coincide con la similaridad en los comportamientos observados. Se observa una mayor disipación de energía en 3D, probablemente debido a que los castillos extremos (1 y 4, ver Fig. 4.1) estaban confinados por los muros cabeceros. El patrón de

39 agrietamiento de WBW (Fig. 5.5) fue similar al observado en los muros del primer nivel del modelo 3D (ver Apéndice A) En ambos especímenes, el modo de falla estuvo gobernado por el agrietamiento por tensión diagonal en la mampostería (Ref. 2). En la Fig. 5.6 se presenta la envolvente de respuesta para 3D. La curva se obtuvo de los puntos con máxima carga para ciclos a la misma distorsión total. Se observa que, aún después de agrietarse el muro inicialmente, la estructura posee una reserva de capacidad hasta la formación completa de grietas inclinadas. La degradación de la resistencia para distorsiones mayores que aquella asociada a la carga máxima, dependió de la evolución en el daño de los castillos. En la Fig. 5.7 se presenta la envolvente para WBW. La degradación de la rigidez en función de la distorsión total se presenta en la Fig. 5.8. Se empleó el concepto de rigidez pico a pico K p, que es definida como la pendiente de la secante que une los picos de los ciclos (punto con distorsión y cortante basal máximos). En la Fig. 5.9 se muestra la gráfica calculada para WBW. Es evidente la similaridad entre las curvas. En efecto, la rigidez decae conforme se aplican distorsiones mayores. La rigidez disminuyó en los primeros ciclos de carga, debido a grietas por flexión y al acomodo de los tabiques, siguiendo una función sensiblemente lineal. Cuando la mampostería se agrietó, se aceleró la degradación y la curva tomó la forma de una función cuadrática. La disminución de la rigidez se atribuye al agrietamiento y aplastamiento de la mampostería y del concreto.

60 F2

+

40

F1

t ,l

20

a s a B et n

0

at r o C -20 -40

-60 -0.01

-0.005

0

0.005

0.01

Distorsión Total, cm/cm Fi ura 5.1

60 F2

+

40

,l

t

a 20 s a B te 0 n at r o C -20 -40

F1

Cortante Basal-Distorsión Total Modelo 3D

4 0

60 F2

+

40

F1

t ,l

a 20 s a B te 0 n at r o C -20 -40

-60 -0.01

-0.005

0

0.005

0.01

Distorsión Nivel 1, cm/cm Fi ura 5.2

60 F2

+

40

t ,

2 e vi N et n

l

20

0

at r o C -20 -40

F1

Cortante Basal-Distorsión Nivel 1 Modelo 3D

4 1

60 F2

+

40

F1

t ,

2 e vi N et n

l

20

0

at r o C -20 -40

-60 -0.01

-0.005

0

0.005

0.01


Cortante Nivel 2-Distorsión Nivel 2 Modelo 3D

60 V

+

40

o si p

20

,

t er t n E e d

C

0

et n at -20 r o -40

4 2

60 V

+

40

o si p

20

,

t er t n E e d

C

0

et n at -20 r o -40

-60 -0.01

-0.005

0

0.005

0.01

Distorsión, cm/cm Fi ura 5.4

Cortante-Distorsión ara WBW

4 3

44

44

Figura 5.5

Patrón de Agrietamiento Final de WBW

60 F2

+ F1

t

Medida

,l

40

at r o C

a s a B et n

Calculada RDF-87

20

0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01


Envolvente Para 3D

60

t , t

n E e d te n at r o C

o si p er

V

+

40

20

4 5

60

t , t

n E e d te n at r o C

o si p er

V

+

40

20

0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01


4 6

Envolvente Para WBW

300 Cortante de Entrepiso

m c/

Distorsión

t ,

o ci P z e id gi R

250

o ci P a

K p

200

150

100

50


m c/

250

Distorsión

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200

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100

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0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

Distorsión Nivel 1, cm/cm 4 7

Fi ura 5.8

De radación de Ri idez Modelo 3D


m c/

250

Distorsión

t

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,

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0.004

0.006

0.008

0.01


De radación de Ri idez Modelo WBW

CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y FUTURAS INVESTIGACIONES

6.1

RESUMEN Una estructura tridimensional de mampostería de tabique de barro recocido fue construida

en el Laboratorio de Estructuras Grandes del Centro Nacional de Prevención de Desastres. El espécimen, de dos niveles, consistía de dos sistemas paralelos de muros en la dirección de carga. A su vez, cada sistema contaba con dos muros de mampostería, con relaciones de aspecto 1.0 y

4 8

CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y FUTURAS INVESTIGACIONES

6.1

RESUMEN Una estructura tridimensional de mampostería de tabique de barro recocido fue construida

en el Laboratorio de Estructuras Grandes del Centro Nacional de Prevención de Desastres. El espécimen, de dos niveles, consistía de dos sistemas paralelos de muros en la dirección de carga. A su vez, cada sistema contaba con dos muros de mampostería, con relaciones de aspecto 1.0 y 1.5, ligados por medio de dalas de cerramiento y una losa maciza de concreto. Los dos pisos tenían el mismo sistema resistente a fuerzas laterales. Para disminuir los efectos de torsión, se construyeron muros completos de tabique de arcilla en la dirección ortogonal a la de aplicación de la carga. El espécimen fue instrumentado con 159 sensores, para evaluar el comportamiento global y la respuesta de los componentes. Se emplearon transductores de carga, deformación y desplazamiento. La lectura y adquisición de los sensores fueron controlados con un equipo automático conectado a una computadora personal. Dos tipos de pruebas fueron practicadas en el modelo. En el ensaye de vibración ambiental, se identificaron las frecuencias y los modos naturales de vibración de la estructura. En la prueba destructiva, se aplicó una historia de carga predeterminada hasta llevar al modelo a un nivel de daño severo, pero que pudiese ser reparado. Para aplicar las fuerzas laterales se emplearon dos gatos hidráulicos por piso: de 50 t en el nivel 1, y de 100 t en el segundo piso. El flujo de aceite fue controlado por bombas eléctricas y manuales. Durante el ensaye se aplicó en la altura del modelo una distribución de fuerzas triangular invertida.

49

50 Las primeras grietas se debieron a deformaciones por flexión y aparecieron en toda la altura de los castillos del primer nivel. En el piso 2, algunos castillos experimentaron agrietamientos pequeños por flexión. Sin embargo, durante el resto de la prueba (a partir del ciclo 3), el daño estuvo gobernado por agrietamiento por tensión diagonal de la mampostería en el primer piso. Aunque las grietas atravesaron los tabiques, la mayoría siguieron las juntas de mortero. A grandes distorsiones, las grietas penetraron los castillos, produciendo la degradación de la resistencia y rigidez de la estructura. La respuesta histerética fue simétrica y estable; los lazos exhibieron una buena capacidad de disipación de energía. La resistencia medida fue superior a la calculada con las ecuaciones del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal.

6.2

CONCLUSIONES 1.-

Con base en los criterios de comportamiento implícitos en la normatividad vigente,

se puede afirmar que la estructura 3D tuvo una respuesta satisfactoria. 2.-

La resistencia del modelo excedió a la calculada con las expresiones de diseño del

Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal. La seguridad sísmica del espécimen fue superior a la considerada en el reglamento. 3.-

El comportamiento estuvo regido por deformaciones al corte y por agrietamientos

de tensión diagonal en la mampostería. El daño se concentró en el primer nivel; el segundo piso prácticamente no tuvo daño. 4.-

Los lazos histeréticos medidos fueron simétricos y estables. La estructura exhibió

buena capacidad de disipación de energía y de deformación. 5.-

El comportamiento de los sistemas de muro del primer piso fue similar al

observado en el espécimen bidimensional de un nivel.

51 6.-

La respuesta de una estructura como el modelo 3D, que falla por corte en los

muros puede ser extrapolada de ensayes de componentes de un nivel.

6.3

INVESTIGACIONES FUTURAS De acuerdo a los resultados obtenidos durante el ensaye del modelo 3D y en las etapas

previas, se recomienda: 1.-

Evaluar técnicas de rehabilitación más comúnmente empleadas en edificios a base

de muros de mampostería de tabique de barro recocido. El espécimen 3D ofrece la oportunidad de estudiar este aspecto. 2.-

Ensayar sistemas de muros de mampostería hechos con materiales industrializados

(tabique extruido de barro, bloque de concreto). Las pruebas pueden ser similares a las realizadas en las primeras etapas para facilitar la comparación. 3.-

Continuar con el estudio estadístico de las propiedades mecánicas de los materiales

de construcción empleados en la vivienda de interés social. Para retroalimentar el inciso anterior, se deben incluir los tabiques y bloques industrializados. Se debe muestrear el mortero empleado en obras en construcción. 4.-

Incluir en el estudio del inciso 3 los tabiques prensados que se empiezan a producir

en sustitución de los tabiques tradicionales de barro recocido. 5.-

Evaluar la aplicabilidad de la cal como componente de morteros empleados en

muros resistentes a cargas laterales.

52

AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo del Instituto del Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (INFONAVIT), que financió el desarrollo del estudio. Se reconoce y agradece especialmente las sugerencias del Prof. Hideo Katsumata (experto de corto plazo de la Agencia de Cooperación Internacional del Japón), durante la etapa de diseño del modelo. Asimismo, los autores agradecen y reconocen la gran dedicación y ayuda de los Srs. Leonardo Flores, Pablo Olmos, Rafael Vázquez del Mercado, Raimundo Díaz y Samuel Miller. La participación activa y eficiente de los Ser. Gerardo Aguilar, Armando Díaz Infante, Alonso Echavarría, Adolfo Peña, Arnulfo Ramírez, Gustavo Rosas y José A. Zepeda durante el ensaye es agradecida. Los Srs. Jesús Aguayo, Martín Rodríguez, Nicolás Torres, Bruno Olalde y Lucio Olalde participaron entusiastamente en la construcción del modelo; su trabajo es agradecido. Finalmente, los autores agradecen al personal administrativo del Centro por el apoyo recibido durante el proyecto.

53

REFERENCIAS

1.

Departamento del Distrito Federal, "Normas Técnicas Complementarias Para

Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería", Gaceta Oficial del Departamento del D.F., noviembre de 1987, 19 pp. 2.

Sánchez T.A., Flores L., León F., Alcocer S.M. y Meli R., "Respuesta Sísmica de

Muros de Mampostería Confinada con Diferentes Grados de Acoplamiento a Flexión", Informe, CENAPRED, diciembre de 1991, 106 pp. 3.

Sánchez T.A., Flores L., Alcocer S.M. y Meli R., "Respuesta Sísmica de Muros de

Mampostería Confinada con Diferentes Tipos de Refuerzo Horizontal", Informe, CENAPRED, marzo de 1992, 49 pp. 4.

Departamento del Distrito Federal, "Reglamento de Construcciones para el Distrito

Federal", Gaceta Oficial del Departamento del D.F., julio de 1987, 100 pp. 5.

Departamento del Distrito Federal, "Normas Técnicas Complementarias Para

Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto", Gaceta Oficial del Departamento del D.F., noviembre de 1987, 73 pp. 6.

Clough R. y Penzien J., "Dynamics of Structures", McGraw-Hill Kogakusha, LTD,

1975, 634 pp. 7.

Murià D. et al., "Análisis de la Respuesta Estructural Inelástica de dos Edificios

por Instrumentar Desplantados en Suelos Blandos", Informe Interno, proyecto 0718, Instituto de Ingeniería, agosto, 1991, 93 pp.

APÉNDICE A REGISTRO FOTOGRÁFICO

54

5 5

Fotos A.1

Construcción de los Muros Primera Mitad del Nivel 1

56

56

Fotos A.2

Construcción de la Segunda Mitad de Muros del Primer Piso

57

Fotos A.3

Concreto Preparado en Laboratorio y Colado de Castillos

58

Fotos A.4

Cimbra de Madera de la Losa del Nivel 1

59

Fotos A.5

Armado Típico de Losa y Colado del Concreto

60

Fotos A.6

Compactación y Muestreo del Concreto

61

Fotos A.7

Construcción del Segundo Nivel y Modelo Terminado

62

Fotos A.8

Acelerómetro y Equipo de Medición y Registro de las Pruebas de Vibración Ambiental

63

Fotos A.9

Modelo 3D Antes del Ensaye Destructivo y Sistemas de Bombeo y de Adquisición

64

Fotos A.10

Marco de Aplicación de la Carga Vertical y Potenciómetro Para Medir Desplazamientos de las Losas

65

Fotos A.11

Transductores Para Medir Deformaciones de Muros y Rotaciones de Dinteles

66

Fotos A.12

Potenciómetro Para Medir Deformaciones Axiales de Castillos y Rosetas Para Deformaciones de Tabiques

67

Fotos A.13

Agrietamiento Típico por Flexión en Castillos y Fisuramiento en el Muro B (Ciclo 3)

68

Fotos A.14

Daño en el Muro B –Primer Nivel- (Ciclos 5 y 12)

6 9

Fotos A.15

A rietamiento Tí ico en los Muros Esbeltos –Primer Nivel- Cilcos 5 11

70

70

Fotos A.16

Penetración de Agrietamiento en Castillos (Ciclo 11)

71

Fotos A.17

Aplastamiento en el Concreto del Castillo y Agrietamiento Típico de la Mampostería

72

Fotos A.18

Fisuramiento en Dalas

73

Fotos A.19

Agrietamiento Típico en Losas

CENAPRED - Comportamiento de Mamposteria Confinada

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