APROXIMACION AL CÁLCULO DE LA ENVOLVENTE DE RESISTENCIA
LATERAL PARA MUROS DE ALBAÑILERÍA CONFINADA
Llanos Tejada, Elard G.1
elard@llanos.net.pe
RESUMEN:
Este artículo presenta un procedimiento para
calcular la curva de envolvente de
resistencia lateral en muros de albañilería
confinada con mediana y baja altura. La
envolvente idealizada se definió con
parámetros
obtenidos
con
pruebas
experimentales realizadas para diferentes
investigaciones en Perú. Las curvas
analíticas son comparadas con las curvas
experimentales obtenidas de ensayos de
cargas cíclicas reversibles. Los resultados
sugieren una aceptable predicción del
comportamiento de los muros de albañilería
confinada en su límite elástico, resistencia
máxima y estado último.
Palabras claves: Curva envolvente;
albañilería confinada; resistencia lateral.
ABSTRACT:
This paper presents a procedure for
calculating the envelope curve of lateral
resistances of confined masonry walls with
medium or low heights. The idealized
envelope curve of lateral resistance was
defined with parameters obtained by
experimental tests performed for different
investigations in Peru. The analytical
envelope curves are compared with
experimental curves obtained of model
tested under cyclic reversible loads. Results
suggest an adequate prediction of elastic
limit, maximum resistance and ultimate
state.
1
Keywords: Envelope curve;
masonry; lateral resistance.
confined
INTRODUCCIÓN:
En la actualidad podemos identificar
diversas
propuestas
para
modelar
analíticamente estructuras de albañilería
confinada, mismas que podrían clasificarse
como: (a) Micro-modelos, (b) Macromodelos y (c) Modelos por curva envolvente
de comportamiento histerético.
Según Viviescas (2009), la técnica de micromodelamiento involucra: “…entender a
nivel elemental el fenómeno de debilidad
impuesto por las juntas en la obra de
fábrica, lo que deriva en que estas sean la
mayor fuente de no linealidad de la misma,
se presenta como algo fundamental y muy
necesario
para
el
estudio
del
comportamiento de la obra de fábrica bajo
estado biaxial de cargas en muros
compuestos por obra de fábrica. Igualmente
es necesario involucrar los diversos
mecanismos
de
rotura
observados
experimentalmente y que caracterizan el
comportamiento de la obra de fábrica
(figura 2.31), (a) fisuración en las juntas, (b)
deslizamiento a lo largo de las juntas
horizontales o verticales (presente en
valores bajos de tensiones normales), (c)
fisuración de las unidades en tracción
directa, (d) fisuración por tracción diagonal
de las unidades en altos valores de tensiones
normales que generan fricción en las juntas
y (e) aplastamiento que se presenta como
Escuela Universitaria de Post Grado - Universidad Nacional Federico Villareal; Egresado del Programa
de Doctorado en Ingeniería Civil.
rompimiento de las unidades en tracción
generada por la dilatancia del mortero.
...”
Actualmente, mediante el uso de diversas
herramientas informáticas, se puede modelar
estructuras de albañilería confinada
utilizando la técnica de macro-modelos,
también llamado modelos homogenizados.
Los modelos más utilizados son aquellos que
combinan elementos finitos tipo área y tipo
barras, así como los métodos analógicos de
barras y puntales a compresión y el método
de la columna ancha (Holmes, 1961; Kadir,
1974; Chrysostomou et al., 1992; Mosalam
et al., 1996; Madan et al., 1997; Crisafulli,
1997; Tomazevic, 1999). También se han
propuesto algunas modificaciones a dichos
elementos (Beyer et al., 2008; Zúñiga y
Terán, 2008).
Mira (2012), desarrolla una investigación
que determina una aproximación a un
método de análisis multinivel, para lo cual
determina que: “...La fábrica en un
macromodelo es considerada como un
material continuo y homogéneo, de manera
que su comportamiento puede ser definido
en términos de tensiones y deformaciones
continuas. Los modelos homogeneizados
más tempranos se deben a W.
Samarasinghe, A.W. Page et al.
Dos dificultades fundamentales surgen en el
desarrollo de los modelos homogeneizados.
Éstas son la descripción del comportamiento
anisótropo de la fábrica y la notable
diferencia entre sus comportamientos a
tracción y compresión, incluyendo la
simulación numérica de fisuras localizadas
debidas a la tracción. Los avances en la
descripción de la anisotropía de la fábrica
se han centrado en el comportamiento
ortótropo en rango lineal y no-lineal. No se
ha podido desarrollar por el momento una
completa descripción anisótropa de la
fábrica.
...”
Taveras (2008), en su investigación resume
los antecedentes de la técnica de
modelamiento mediante el uso de curva de
envolvente de comportamiento, de la
siguiente manera: “...Para la modelación
matemática del comportamiento sísmico de
la mampostería existen varias propuestas en
la literatura mundial. Entre las propuestas
más destacadas podemos citar los modelos
trilineales propuestos por Meli (1979),
Flores (1995) y Tomazevic (1999). En estos
modelos se consideran tres etapas en la
mampostería:
• Estado límite elástico, determinado por la
resistencia última a cortante (carga de
agrietamiento) especificada para la
mampostería y el desplazamiento de
agrietamiento.
Experimentalmente
se
considera que este estado dura hasta la
aparición de la primera grieta diagonal
significativa.
• Resistencia máxima, determinada por la
carga lateral máxima y su desplazamiento.
A partir de este punto la trayectoria de la
envolvente se vuelve horizontal hasta el
punto de falla en el modelo de Meli, Fig.
2.4(a), mientras que la pendiente se vuelve
negativa para el modelo de Flores y
Tomazevic.
• Estado último, determinado por el máximo
desplazamiento obtenido justo antes del
colapso del muro y su carga lateral
correspondiente.
El modelo trilineal propuesto por Flores,
Fig. 2.4(b), esta basado en la teoría de la
fricción (Mohr-Coulumb) para el cálculo de
la carga de agrietamiento y da valores fijos
de distorsión máxima y distorsión última
para la mampostería. Este modelo fue
calibrado con base en una serie de ensayos
llevados a cabo en el CENAPRED (Flores,
1995).
(siguen gráficas)
Tomazevic, con base a investigaciones
llevadas a cabo en el Instituto Nacional de
Edificación e Ingeniería Civil de Eslovenia,
propuso también un modelo trilineal del
comportamiento de la mampostería basado
en los tres estados límites (agrietamiento,
resistencia máxima y resistencia última)
observados experimentalmente. El modelo
propuesto por Tomazevic, Fig. 2.4(c), se
basa en la teoría del esfuerzo principal de
tensión como causante de la grieta
inclinada. En este modelo el autor hace
notar que hay una relación casi constante
entre la rigidez secante a la carga máxima y
la rigidez inicial, que varía dependiendo del
tipo de mampostería.
Se puede observar que para todos los
modelos teóricamente se considera un
primer tramo recto con una pendiente o
rigidez inicial igual a la rigidez calculada
con la ecuación 2.4 propuesta por la
Mecánica de Materiales y utilizando el
módulo de elasticidad secante de la
mampostería (Em). Aunque estos modelos
son válidos para muros con un
comportamiento y falla regidos por
cortante, en el caso de una falla por flexión,
se puede considerar un comportamiento
similar para el primer tramo, tomando en
cuenta el agrietamiento a tensión en la
dirección normal al plano de la sección.
...”
METODOS Y MATERIALES:
Cornejo y Hernández (2013), muestran una
aplicación de un modelo para la predicción
de la resistencia lateral de estructuras de
albañilería confinada de mediana y baja
altura (basado en la normativa vigente
mexicana). Este método permite calcular la
ductilidad local y global, y el factor de
comportamiento sísmico para estructuras de
albañilería confinada.
Su método se basa en la gráfica tri-puntual
de una curva envolvente idealizada. Los
puntos de control serían:
- cortante-desplazamiento de agrietamiento.
- cortante-desplazamiento máximo.
- cortante-desplazamiento último.
Fig. No.01: Curva envolvente idealizada.
En la Fig. No. 02, se observa la curva de
envolvente de comportamiento idealizada
propuesta,
la
relación
entre
los
desplazamientos y la distorsión del muro,
daño asociado, y su relación con los estados
límite propuestos por Astroza y Schmidt
(2004).
Fig. No.02: Distorsión, daño y estado
límite.
Se tabulan los resultados de los ensayos en
muros de albañilería confinada de los
siguientes investigadores, a fin de formular
las correlaciones numéricas que permitan
esbozar una aproximación a la envolvente de
comportamiento histerético.
- Angles (2008)
- Loayza (2008)
- Paredes y Caycho (2009)
Para ello, adaptaremos la propuesta de
Cornejo y Hernández a las exigencias del
Reglamento Nacional de Edificaciones, en
lo estipulado en la Norma E.070, y
definiremos los puntos de control de la curva
de
envolvente
de
comportamiento
histerético, de la siguiente manera:
Cortante-desplazamiento máximo.
P
á>
= L1.37
O
N
á>
=
F.OH
.
Q+
*+
á
Cortante-desplazamiento de tracción.
=
Cortante-desplazamiento último.
2
=
!
= "
3%
#
+
' (
)
R
= 0.85
R
=
Cortante-desplazamiento de agrietamiento.
= ,0.5 0 1 2 3 4 + 0.235+ 6
≤ 1.50 1(9 ;
0.333 ≤ 2 =
!4
≤1
;!
0 1 = ; <(0 1!>? , 0 1
0 1!>?
>1
0 1 !A
=
DE
F.GH
0 1!>?
<1
0 1 !A
=
y:
Inercia total de la sección de
albañilería confinada.
Altura del muro materia de
análisis.
Distancia
entre
el
centro
geométrico y la fibra extrema en el
muro de albañilería confinada.
nc:
Factor de relación entre los
módulos de elasticidad del
concreto y de la albañilería.
dtr:
Desplazamiento de tracción.
f’mexp:
Resistencia experimental a la
compresión de la albañilería.
f’mnom: Resistencia
nominal
a
la
compresión de la albañilería,
propuesta por el R.N.E.
y, si:
*+
H:
!A )
si:
*+
T
F.UOH
Donde:
f’c:
Resistencia a la compresión del
concreto de los confinamientos.
It :
*+
á>
J
F.GH(
J
DE
)
Vtr:
Cortante asociado a la tracción.
Ke :
Rigidez lateral equivalente del
muro de albañilería confinada.
E m:
Modulo de elasticidad de las
unidades de albañilería.
Gm:
Módulo de cortante
unidades de albañilería.
de
las
A:
f:
Área bruta de la sección
transversal del muro de albañilería
confinada.
Factor de relación entre el área
transformada y la sección bruta del
muro de albañilería confinada.
f’mexp = 131 kg/cm2
f’mnom = 65 kg/cm2
(Según RNE)
Obteniéndose la siguiente curva de
envolvente de comportamiento histerético.
υ’mexp: Resistencia experimental a la
compresión
albañilería.
diagonal
de
la
υ’mteo: Resistencia
α:
t:
L:
teórica
a
la
compresión diagonal de la
albañilería, propuesta por el
R.N.E.
Factor asociado a la excentricidad.
Espesor del muro de albañilería
confinada.
Longitud del muro de albañilería
confinada.
Pg:
Carga vertical aplicada al muro de
albañilería confinada.
Ve:
Fuerza cortante asociada al punto
materia de análisis.
Me:
Momento flector asociado al punto
materia de análisis.
dagr:
Vagr:
fy:
Fig. No.03: Curva de envolvente,
Angles (2008)
Tras evaluar los puntos característicos
propuestos, se tabulan, obteniéndose:
D
Fuerza
(mm)
(ton)
Vo
0.000
0.000
Vtr
1.388
9.031
Desplazamiento de agrietamiento.
Vagr
4.229
17.882
Cortante
asociado
al
agrietamiento.
Esfuerzo máximo a la tracción del
acero de refuerzo.
Vmáx
12.914
21.002
Vu
21.954
17.851
dmáx:
Desplazamiento máximo.
Vmáx:
Cortante máximo.
dU:
Desplazamiento último.
VU:
Cortante último.
RESULTADOS Y DISCUSION:
Angles (2008), durante su investigación
comparativa entre muros de albañilería
constituidos por unidades de arcilla, frente a
aquellos compuestos por muros de unidades
de concreto vibrado, establece lo siguiente:
En muros de albañilería de arcilla cocida tipo
IV:
Tabla. No.01: Valores característicos.
Fig. No.04: Comparación de curvas de
envolvente, experimental vs analítica.
Análogamente, durante la investigación que
pretende establecer un mecanismo de control
de la trituración en los muros de albañilería
confinada, desarrollada por Paredes-Caycho
(2009), se establece:
En muros de albañilería de arcilla cocida tipo
IV:
En muros de albañilería de arcilla cocida tipo
IV:
f’mexp = 60 kg/cm2
f’mexp = 127 kg/cm2
f’mnom = 65 kg/cm2
(Según RNE)
f’mnom = 65 kg/cm2
(Según RNE)
Obteniéndose la siguiente curva de
envolvente de comportamiento histerético.
Obteniéndose la siguiente curva de
envolvente de comportamiento histerético.
Fig. No.05: Curva de envolvente,
Paredes-Caycho (2009)
Fig. No.07: Curva de envolvente,
Loayza (2008)
Tras evaluar los puntos característicos
propuestos, se tabulan, obteniéndose:
Tras evaluar los puntos característicos
propuestos, se tabulan, obteniéndose:
D
Fuerza
D
Fuerza
(mm)
(ton)
(mm)
(ton)
Vo
0.000
0.000
Vo
0.000
0.000
Vtr
1.272
7.002
Vtr
1.549
9.614
Vagr
3.379
11.138
Vagr
4.361
17.599
Vmáx
11.067
15.233
Vmáx
13.466
20.899
Vu
18.814
12.948
Vu
22.892
17.764
Tabla. No.02: Valores característicos.
Tabla. No.03: Valores característicos.
Fig. No.06: Comparación de curvas de
envolvente, experimental vs analítica.
Fig. No.08: Comparación de curvas de
envolvente, experimental vs analítica.
Loayza (2008), en su investigación que
propone una técnica de reparación de muros
de albañilería confinada mediante el uso de
fibra de vidrio, determina:
CONCLUSIONES:
Se propone un procedimiento de cálculo
basado en una curva de cuatro (04) puntos
característicos calibrada con las curvas
experimentales obtenidas de diferentes
ensayos desarrollados en el muro de
reacción del laboratorio de estructuras de la
PUCP.
La formulación de la curva de envolvente de
comportamiento histerético adoptada, se
ajusta convenientemente a las gráficas
experimentales, con errores en el cálculo
inferiores al 12% (en promedio 7.25%).
Se considera una importante pérdida de la
rigidez al calcular el desplazamiento por
agrietamiento, consiguiéndose que las
pendientes entre los puntos de los valores
característicos se ajusten apropiadamente al
comportamiento histerético experimental.
El procedimiento mostrado permite calcular
la resistencia lateral resistente, la curva
envolvente de comportamiento de un muro
particular y la secuencia de falla de los
muros.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:
[1] Angles Pari, P. (2008). Comparación
del comportamiento a carga lateral
cíclica de un muro confinado con
ladrillos de concreto y otro con ladrillos
de arcilla (Tesis de Grado). Pontificia
Universidad Católica del Perú. Lima.
[2] Cornejo, T. y Hernández, H. (2013).
Resistencia lateral de estructuras de
mampostería
confinada.
Revista
Ingeniería Vol. 17, No.3.
[3] Loayza, J. (2008). Reparación de un
muro de albañilería confinada mediante
varillas de fibra de vidrio (Tesis de
Grado). Pontificia Universidad Católica
del Perú. Lima.
[4] Mira, M. (2012). Aproximación a un
método de análisis multinivel para la
modelización de la mampostería (Tesis
magistral). Universidad Politécnica de
Catalunya. Barcelona.
[5] Paredes Castro, J. y Caycho Perez, D.
(2009).Control de la trituración de los
ladrillos huecos en muros de albañilería
confinada sujetos a carga lateral cíclica
(Tesis
de
Grado).
Pontificia
Universidad Católica del Perú. Lima.
[6] Taveras Montero, M. (2008). Revisión
de las recomendaciones para modelar y
analizar estructuras de mampostería
confinada ante carga lateral (Tesis
magistral). Universidad Autónoma de
México. México D.F.
[7] Viviescas Jaimes A. (2009). Modelos
simples para el análisis de muros de
fábrica cargados en su plano (Tesis
doctoral). Universidad Politécnica de
Catalunya. Barcelona.