Uso de Polimeros en Muros de Adobe

USO DE MATERIALES NATURALES Y DE POLÍMEROS EN EL REFUERZO SÍSMICO DE CONSTRUCCIONES DE ADOBE Mag. Ing. Daniel Torrealva Dávila Mag. Ing. José Acero Martínez [email protected] / [email protected] / [email protected]

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ 1. RESUMEN En los últimos 30 años, algunos proyectos de investigación han i ntentado resolver el problema de la baja resistencia sísmica de edificaciones tradicionales hechas de tierra. Estos han sido dirigidos a edificaciones nuevas y existentes usando materiales naturales (madera y caña) e industriales (varillas de acero, malla de acero y cemento). En ambos casos, la solución mas efectiva encontrada hasta ahora, es proveer a la estructura un reforzamiento continuo, ubicando elementos horizontales y verticales a cierta distancia entre un ra ngo de 0.50 a 1.0 metros o el uso de una malla de acero con o sin un tarrajeo de m ortero de cemento. En la búsqueda de materiales ampliamente disponibles y compatibles, la malla estructural polímero (geomalla) parece una posible solución para el reforzamiento de edificaciones de tierra nuevas y existentes sin hacer cambiar su apariencia, además de proveer una adecuada resistencia sísmica. El proyecto de investigación consistió en realizar la simulación sísmica de dos módulos de 3.21m x 3.21m, construidos con unidades de adobe y ensayados en la mesa vibradora de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Estas pruebas dinámicas son la mejor forma para entender el comportamiento sísmico de edificaciones de tierra. Dos tipos de malla externa fueron utilizados en los módulos, la primera con materiales naturales usando cañas, soguilla y conectores de yute y la segunda con materiales industriales usando malla polímero y conectores de rafia. Las mallas polímero y las mallas naturales son materiales compatibles con el muro de adobe, y combinado con un tarrajeo de barro, trabajan c onjuntamente durante todas las fases del movimiento, controlando el agrietamiento de de los muros para intensidades intensidades de movimiento pequeñas y medianas, y previenen el colapso para intensidades de movimientos fuertes. Finalmente el refuerzo externo con malla polímero garantiza la supervivencia de las edificaciones de tierra durante los terremotos fuertes y tiene menos daño que el módulo reforzado con caña exterior.

2. OBJETIVO El objetivo principal del proyecto fue probar que el refuerzo externo con malla pueda usarse para garantizar la supervivencia de las edificaciones de tierra durante los terremotos fuertes. Otro objetivo, es observar como el tarrajeo de barro aumenta la resistencia inicial al corte y la rigidez del muro

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3. MÓDULOS DE ADOBE ANTES DEL ENSAYO 3.1. Descripción de los módulos ensayados Los dos módulos tuvieron la misma configuración y las mismas dimensiones, tal como se muestra en las Figuras 1a y 1b. Estos módulos consistieron de cuatro muros de 3,21 m de longitud, altura variable y 0,26 m de espesor. Los muros Norte y Sur son idénticos y tienen una ventana centrada, formando una estructura simétrica en la dirección sujeta a la carga sísmica. Los dos muros transversales fueron sísmicamente diferentes, el muro Este con una puerta centrada y el muro Oeste sin ninguna abertura y con una altura mayor. Cada módulo se construyó sobre una viga collar de cimentación de concreto armado, la cual también sirvió para anclar el módulo a la mesa vibradora y como soporte del módulo durante el transporte del patio de construcción al laboratorio. Una viga collar de madera de 2” x 6” fue colocada en la parte superior del módulo para transmitir la carga de gravedad, correspondiente a un techo típico de una vivienda de adobe.

3.2. Construcción de los Módulos Ambos módulos fueron construidos usando técnicas tradicionales, representando construcciones típicas de adobe en el Perú, las cuales son vulnerables a eventos símicos. Las unidades de adobe fueron asentadas con mortero de barro, ver Figura 2. Las unidades de adobe usadas fueron de 0,065 x 0,26 x 0,26, construidas con tierra, arena gruesa y paja en proporción 5:1:1 y la plantilla de colocación de los bloques o unidades de adobe fue la misma para ambos módulos. Un techo con viguetas de madera y tejas de cemento fue usado en ambos módulos. El peso total de cada módulo incluyendo la viga collar de cimentación fue de 136 kN para el módulo de caña y soguilla, mientras que para el módulo reforzado con malla polímero fue de 141 kN.

Módulo 1: fue reforzado externamente con una malla natural compuesta por cañas como elementos verticales y sogas tipo “cabuya” como elementos horizontales, en ambos lados del muro. La caña y la soga “cabuya” fueron conectadas a través del muro por soguillas de yute de diámetro pequeño (Ver figura 3) Las figuras 4a y 4b, muestran el proceso de colocación de las cañas, de la soga cabuya y de la soguilla de yute. La Figura 5, muestra el módulo 1, completamente terminado, antes de ser ensayado en la mesa vibradora

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Figura 2. Proceso constructivo tradicional

Figura 3. Soga “Cabuya” para reforzamiento horizontal y soguilla de yute para conexiones.

Figura 4a. Colocación de refuerzo vertical en Figura 4b. Después de colocar las cañas cortes previamente hechos en el muro. verticales en ambos lados del muro, estos son La profundidad de los cortes fue alrededor atados con la soga cabuya horizontal, para de 1.00 cm para mantener la resistencia del formar una malla estructural. Las uniones de muro. la malla son conectadas a través del muro con soguilla de yute.

Figura 5. Módulo 1 reforzado con materiales naturales y tarrajeado por un lado. Módulo 2: fue reforzado con materiales industriales, en este caso geomalla polímero TENSAR BX 1200, utilizada como refuerzo externo. La malla fue colocada en ambos lados del muro por partes y conectadas a través del muro con hileras de rafia espaciadas cada 25 cm horizontal y verticalmente (Ver figura 6 a 10).


Figura 6. Perforación de huecos en el muro cada 25 cm.

Figura 7. La malla polímero viene en rollos de 3 por 50 metros. Por esa razón es cortada con tijeras en las dimensiones que se quiere

Figura 8. Los pedazos cortados de malla son colocados en los muros en forma continua y estirados lo más posible.

Figura 9. Después de colocar todos los pedazos de malla, son colocados pedazos de hilos plásticos (rafia) a través del muro

Figura 10. Módulo 2, reforzado con malla polímero y tarrajeado por un lado En ambos módulos, en la parte tarrajeada se colocó una superficie de lechada de yeso para apreciar su comportamiento con respecto al lado no tarrajeado.


3.3. Instrumentación de módulos y procedimiento de ensayo Los módulos fueron instrumentados con 6 acelerómetros y 8 transductores de desplazamiento (LVDTs), como se muestra en la figura 11. Las aceleraciones y los desplazamientos fueron medidos en la parte superior de cada módulo y a la mitad de la altura del muro Oeste, solo los desplazamientos fueron medidos debajo de las ventanas de los muros Norte y Sur (Ver figura 12). El desplazamiento, la aceleración y la presión del actuador hidráulico fueron también medidos.

Figura 11. Configuración de la instrumentación

Figura 12. Instrumentación en el muro Sur

Ambos módulos fueron sometidos a varios movimientos de intensidad creciente (Fases), la señal fue derivada de un registro del terremoto peruano del 31 de Mayo de 1970, ver figura 13.

Figura 13. Tiempo-Historia de aceleración y desplazamiento de la mesa vibradora. El módulo 1 fue sometido a seis movimientos con aceleración máxima de 0.15g, 0.30g, 0.60g, 0.80g y dos movimientos de 1.00g. El módulo 2 fue sometido a siete movimientos con aceleración máxima de 0.15g, 0.30g, 0.60g, 0.80g, 1.00g y dos movimientos de 1.20g.


4. COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE LOS MÓDULOS Módulo 1: Se comportó elásticamente hasta la fase 3 con aceleración pico de 0.60g. En la fase 4, una grieta vertical, de arriba abajo, causó la separación del muro oeste. Sin embargo, el muro se mantuvo en su lugar por el refuerzo horizontal de la soguilla "cabuya". En las fases 5 y 6, ambas con aceleración pico del 1.00g el movimiento causó una pérdida parcial del tarrajeo y amplias agrietamiento, dividiendo el muro en pequeños piezas, el colapso parcial y total fueron evitados por la malla externa natural. Es claro que la energía sísmica fue disipada por desplazamientos horizontales grandes de las paredes transversales (ver figuras 14 y 15)

Figura 14. Módulo 1. Estado final del muro no tarrajeado (Muro Sur).

Figura 15. Módulo 1. Estado final del muro tarrajeado (Muro Norte).

Posteriormente, fue removido el tarrajeo del muro Norte, mostrando las siguientes características: el muro Sur sufrió más daño que el muro Norte, el tipo diferente de conexión del dintel con la viga collar en el muro Sur (tiras de madera diagonales), causó una acción de martilleo en contra de la parte superior del muro. También, el tarrajeo en el muro Norte incrementó la rigidez y la fuerza. Ver figuras 16 @ 19.

Figura 16. Módulo 1. Muro Sur, sin tarrajeo. El daño es generalizado, pero mayor en nivel del dintel

Figura 17. Módulo 1. Muro Norte, lado tarrajeado. Grietas verticales aparecen en la intersección con los muros transversales.


Figura 18. Módulo 1. Muro Oeste. El lado derecho sin tarrajeo, muestra mayor daño que el lado izquierdo.

Figura 19. Módulo 1. Muro Este. El lado izquierdo sin tarrajeo, muestra mayor daño que el lado derecho.

Modelo 2: Permaneció en el rango elástico hasta la fase 3, en la fase 4, aparecieron pequeñas grietas en los muros, las grietas fueron más visibles en el lado tarrajeado ya que fue difícil de observarlas en el lado con la malla expuesta. En la fase 5 el módulo se deslizó en su base casi como un cuerpo rígido, sin tener daño significativo. En las fases 6 y 7, ambos con 1.20g de aceleración pico se observaron un agrietamiento adicional en los muros y también un deslizamiento en la base (figura 21). Después del ensayo, sólo pequeñas fisuras fueron visibles en muro norte, siendo más significativo en el muro sur.

Figura 20. Módulo 2. Estado final del muro no tarrajeado (Muro Sur).

Figura 21. Módulo 2. Estado final del muro tarrajeado (Muro Norte).

Posteriormente, fue removido el tarrajeo del muro Norte y la malla exterior de los muros, mostrando la siguiente característica: el muro Norte sufrió menos daño que el muro Sur. En el caso del lado tarrajeado, la malla polímero trabajó como un refuerzo interno dentro del tarrajeo, estando adherido al muro, tal como, resultó de una investigación previa, el refuerzo interno incrementa la resistencia inicial al corte del muro. Ver figuras 22 @ 25.


Figura 22. Módulo 2. Muro Sur, sin tarrajeo. El muro está completamente agrietado. Después del ensayo. Se observa mayor daño en el muro del lado izquierdo de la ventana.

Figura 23. Módulo 2. Muro Norte, lado tarrajeado. Se muestra pequeñas fisuras, con una grieta vertical en la intersección con el muro Este. Observe el deslizamiento en la esquina inferior derecha.

Figura 24. Módulo 2. Muro Oeste. El lado derecho sin tarrajeo, muestra agrietamiento a la mitad de la altura. En el lado izquierda que estuvo tarrajeado, se muestra daño en la parte inferior, debido al deslizamiento del muro norte.

Figura 25. Módulo 2. Muro Este. Pequeñas fisuras se muestran en este muro. Se puede observar el deslizamiento en la parte inferior izquierda, una grieta vertical al lado derecho y un deslizamiento horizontal a la mitad del muro izquierdo.

4.1. DESPLAZAMIENTO RELATIVOS En la fase 4 del Módulo 1, el desplazamiento máximo y la aceleración máxima en la base de la mesa fueron de 80 mm y de 0.80g aproximadamente, en esta fase, el modelo empieza a fisurarse en algunos puntos, principalmente en ambas esquinas del muro en el lado Oeste separándolo y produciendo vibraciones con amplitudes grandes, como resultado de esto, el tiempo historia de D4 muestra mayores desplazamientos que en el resto del techo (el máximo es de 122 mm). Al contrario, el desplazamiento mínimo, diez veces menor, fue encontrado en el muro Norte (D1, máximo de 12 mm), este muro fue tarrajeado con tierra y mostró menos fisuras que el resto del modulo. El muro Sur (sin tarrajeo) y el muro Este (muro de la puerta) mostraron similares tiempos historia con 66 y 40 mm de desplazamiento máximo respectivamente. En ambos casos los tiempos historia mostraron una deformación permanente, los cuales pudieron ser causados por el fisuramiento de los muros cerca del punto de medida. Ver figura 26.


Módulo 1

Módulo 1

15

80

10 1 D o 4 5 t n e s e i a F 0 m . a ) z 0 m a l -5 m p ( s e D -10

60

5

10

15

20

25

30

35

-15

2 D o 4 40 t n e s e i a F 20 m . a ) z m a l 0 m p ( s 0 e D -20

5

10

15

20

25

30

35

-40

Tiempo (seg)

Tiempo (seg)

Módulo 1

Módulo 1

50

150

40 3 30 D o 4 t e n s 20 e i a F 10 m . a ) z a m 0 l p m s ( -10 0 e D

5

10

15

20

25

30

35

-20 -30

100 4 D o 4 t n e s 50 e i a F m . a ) z 0 m a l m p ( 0 s e -50 D

5

10

15

20

25

30

35

-100

Tiempo (seg)

Tiempo (seg)

Figura 26. Desplazamientos en la parte superior del Modelo 1 para la fase 4. En la fase 6 del Modelo 2, el desplazamiento máximo y la aceleración máxima en la base de la mesa fueron de 120 mm y de 1.2g aproximadamente. En esta fase, el muro Norte (D1), a los 11 segundos del movimiento, se deslizó en la base una distancia de 40 mm aproximadamente teniendo después éste, una amplitud mínima de vibración. Sin embargo, el muro Sur (D2), vibró con los desplazamientos máximos durante todo el ensayo, siendo claro, el movimiento torsional con un centro de rigidez cerca del muro norte. El muro Sur terminó con una pequeña deformación permanente producida por el excesivo fisuramiento interno. Los muros Oeste y Este mostraron un comportamiento similar, con una gran amplitud de vibración y deformaciones permanentes producidas también por el fisuramiento interno. Ver figura 27. Módulo 2

Módulo 2

100

150

80 1 D 60 o 6 t n e s 40 e i a F m . a ) 20 z m a l p m s ( 0 e 0 D

-20

100

5

10

15

20

25

30

35

-40

2 D o 6 50 t n e s e i a F 0 m . a ) z 0 m a l -50 m p ( s e D -100

5

10

20

25

30

35

-150

Tiempo (seg)

Tiempo (seg)

Módulo 2

Módulo 2

150

100 3 D o 6 t n e s 50 e i a F m . a ) z 0 m a l p m 0 ( s e -50 D

15

150

5

10

15

20

25

30

35

100 4 D o 6 t n e s 50 e i a F m . a ) z 0 m a l m p ( 0 s e -50 D

5

10

15

20

25

30

35

-100

-100

Tiempo (seg)

Tiempo (seg)

Figura 27. Desplazamientos en la parte superior del Modelo 1 para la fase 4. ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Telefax: 421-7896 / [email protected]

4.2. ACELERACIONES MÁXIMAS En ambos modelos las aceleraciones máximas fueron registradas en la parte superior del muro este y con los datos de aceleración máxima de la mesa, fue calculado el Factor de Amplificación Dinámico (FAD). El módulo 1 muestra un incremento del FAD con un incremento del movimiento de la mesa, mientras el módulo 2 muestra un decaimiento en el valor de FAD después de la fase 4 como puede ser observado en la figura 28. El decaimiento en el módulo 2 puede explicado por el deslizamiento del módulo que disipó energía por fricción en la base, en forma similar a los edificios con base aislada. 4.00

n ó i c a c i f a i l c p i m m A á n e i d D r o t c a F

3.50 M1 3.00

M2

2.50 2.00 1.50 1.00 0

1

2

3

4

5

6

7

Fase

Figura 28. Desplazamientos en la parte superior del Modelo 1 para la fase 4 5.

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Los modelos 1 y 2 (M1 y M2) de este proyecto fueron construidos con las mismas dimensiones, y sujetos a los mismos movimientos sísmicos para hacer una comparación con un módulo sin reforzar construido y ensayado sísmicamente en el año 2001 (M1B). La figura 29 muestra una descripción del reforzamiento en cada uno de los modelos:

Figura 29. Comparación de tres módulos con diferentes tipos de reforzamiento ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Telefax: 421-7896 / [email protected]

Las figuras 30 a la 33, se comparan pseudo curvas P- δ para los 3 módulos y para cada muro. De estas curvas podemos decir que el módulo M2 tiene la máxima resistencia al corte (alrededor de 12,000 kg) y ambos incrementan casi tres veces la resistencia del módulo sin reforzar (4,000 kg). En general, se puede decir que los módulos con malla externa experimentan grandes deformaciones, siendo este hecho notorio en el muro transversal Oeste. Para la acción sísmica en el plano, el muro M2 tuvo la máxima deformación lateral después de fisurarse debido al deslizamiento de la base. 140 00

) g K ( o m i x á m l a s a B e t n a t r o C

120 00

100 00

8000

6000

M1 M2

4000

M1B 2000

0 0

20

40

60

80

Desplazamiento máximo D1 (mm)

Figura 30. Pseudo curvas P-d para el muro norte 140 00


120 00

100 00

8000

6000

M1 4000

M2 M1B

2000

0 0

20

40

60

80

100

120

140

Des plazamiento m áximo D2 (mm )

Figura 31. Pseudo curvas P-d para el muro sur 140 00


120 00

100 00

8000

6000

M1 4000

M2 M1B

2000

0 0

20

40

60

80

10 0

120

14 0


Figura 32. Pseudo curvas P-d para el muro este ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Telefax: 421-7896 / [email protected]

1400 0


1200 0

1000 0

8000

6000

M1 4000

M2 M1B

2000

0 0

20

40

60

80

10 0

12 0

14 0

16 0

18 0

2 00

22 0


Figura 33. Pseudo curvas P-d para el muro oeste 6.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

- Colocar una malla externa, natural o industrial en ambos lados y conectada a través del espesor del muro de adobe es una forma efectiva para evitar colapso parcial o total de las edificaciones de adobe aun para terremotos severos. - Si la malla no tiene un recubrimiento de barro, la resistencia inicial es la misma como la de un muro sin reforzar y la malla empieza a trabajar después que el muro se fisura. La malla confinará luego las diferentes partes en los cuales el muro sea agrietado, evitando colapsos parciales y totales. - El tarrajeo de barro sobre la malla incrementa grandemente la resistencia inicial al corte y la rigidez del muro. Controlando los desplazamientos laterales, impide el agrietamiento del muro en grandes extensiones. Esto, es particularmente notorio en el Módulo 2. - Basados en los resultados, el Módulo 2 puede ser considerado como el módulo con mayor cantidad de refuerzo externo, debido a que el muro está completamente cubierto con la malla y siendo esta malla de un material industrial con rigidez y resistencia adecuadas.h - El Módulo 1 por el contrario, puede ser catalogado como el de menor refuerzo externo, debido a que el material natural usado y al espaciamiento vertical y horizontal entre los refuerzos es bastante espaciado. - Más ensayos deberían realizarse para racionalizar la cantidad de malla polímero utilizada como refuerzo. Entre muchas de las opciones, tenemos franjas de mallas verticales y horizontales externas y mallas horizontales internas, que combinadas con franjas de malla verticales externas, pueden también ser una forma efectiva de conseguir una solución resistente a sismos para edificaciones de tierra. - Ensayos similares pueden ser usados para encontrar una solución para diferentes tipologías arquitectónicas de las edificaciones de tierra en el mundo.

7.

AGRADECIMIENTOS

Al Getty Conservation Institute (GCI), por brindar los fondos económicos para el desarrollo de este proyecto de investigación. A la Ing. Silvana Ojeda Simborth, por su apoyo en la supervisión en el momento de la construcción de los módulos de Adobe.


8.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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