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Ángel San Bartolomé. Ingeniero civil por la PUCP, especializado en ingeniería antisísmica y albañilería estructural en Japón. Es profesor principal del Departamento de Ingeniería de la PUCP, proyectista de estructuras y coordinador de investigaciones de la sección Ingeniería Civil.

Daniel Quiun. Ingeniero civil y magíster por la PUCP, con estudios en la Universidad de Kioto. Es profesor principal en el Departamento de Ingeniería de la PUCP, proyectista de estructuras y socio fundador de Prisma Ingenieros Consultores.

Wilson Silva Berríos. Ingeniero civil por la Universidad Nacional de Cajamarca y magíster por la PUCP, con especialización en Ingeniería Estructural. Es profesor principal del Departamento de Ingeniería, en el área de Estructuras de la Sección Ingeniería Civil de la PUCP.

Ángel San Bartolomé, Daniel Quiun y Wilson Silva

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS SISMORRESISTENTES DE ALBAÑILERÍA

Segunda edición

Diseño y construcción de estructuras sismorresistentes de albañilería
© Ángel San Bartolomé, Daniel Quiun y Wilson Silva, 2011

© Pontificia Universidad Católica del Perú, Fondo Editorial, 2019
Av. Universitaria 1801, Lima 32, Perú
feditor@pucp.edu.pe
www.fondoeditorial.pucp.edu.pe

Diseño, diagramación, corrección de estilo y cuidado de la edición: Fondo Editorial PUCP

Primera edición digital: enero de 2019

Prohibida la reproducción de este libro por cualquier medio, total o parcialmente, sin permiso expreso de los editores.

ISBN: 978-612-317-455-2

Prólogo

Esta publicación está basada en los apuntes de clase del curso «Albañilería Estructural», dictado en la Facultad de Ciencias e Ingeniería, y del curso virtual «Estructuras de Mampostería», dictado en la Escuela de Graduados de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP).

En esta edición, los autores han procurado volcar su experiencia profesional, docente y de investigación. Por ello, esta publicación no solo está dirigida a los alumnos, sino también a actualizar los conocimientos de los ingenieros civiles y, sobre todo, a los docentes universitarios encargados de difundir con mayor profundidad estos conocimientos.

Las estructuras de albañilería constituyen una alternativa económica y sencilla de aplicar en nuestro medio para resolver el alto déficit habitacional, mediante la construcción de edificios de mediana altura, en donde se aprovecha el área del terreno con una sola cimentación y se comparten los servicios comunes de agua, desagüe y electricidad (con una sola cisterna, tanque de agua, etc.); mejor aún, si estos edificios se ubican en urbanizaciones.

Sin embargo, vivimos en un país sísmico, donde además el medio ambiente es altamente agresivo, por lo que estas edificaciones tienen que ser convenientemente analizadas, diseñadas y construidas (propósitos de este libro), de modo que tengan un adecuado comportamiento ante todo tipo de solicitación.

Hasta antes de 1970, los edificios de albañilería se construían sin las precauciones necesarias, por lo que generalmente sufrían serios daños estructurales cuando ocurrían los sismos, y llegaban incluso a colapsar ante los terremotos. En otros casos se utilizaba paredes con espesores exagerados y muros en abundancia, y ello daba por resultado edificios seguros, pero antieconómicos. Es decir, estas edificaciones no seguían los lineamientos de un diseño racional, debido a que el ingeniero estructural no contaba con la información suficiente que le permitiese efectuar un diseño adecuado.

En el caso de la albañilería, nuestras técnicas constructivas y materiales de construcción son muy diferentes a los que se emplean en otros países, por lo que a diferencia de otros materiales (como el concreto armado y el acero) resulta inadecuado adoptar códigos de diseño extranjeros. Actualmente, aunque aún nos falta un largo camino por recorrer en lo que a investigaciones se refiere, contamos con un moderno código de diseño a la rotura, Norma E.070 «Albañilería» del 2006, que contempla criterios de desempeño. Esta Norma es aplicable a los edificios compuestos por muros de albañilería armada o confinada, y está basada en los resultados teórico-experimentales de las investigaciones llevadas a cabo desde 1979 en la PUCP, y en las enseñanzas dejadas por los sismos pasados.

Esta Norma permite considerar la arquitectura moderna, la mejor calidad de los materiales de construcción, y conlleva a proyectar edificios de albañilería donde se aprovecha en mejor forma las dimensiones de los ambientes, colocando la mínima densidad posible de muros y, por supuesto, el refuerzo adecuado; de manera que los muros de estas edificaciones puedan soportar sismos moderados sin ningún daño estructural y sismos severos con daños estructurales que sean reparables, evitando a toda costa el colapso y, por ende, salvando lo primordial: las vidas humanas.

En resumen, esta publicación constituye una síntesis del estado del arte de la albañilería peruana, por lo que los autores tienen el deseo de que esta información sea de utilidad para los lectores de este libro.

Ángel San Bartolomé, Wilson Silva y Daniel Quiun

1. Introducción

1.1 Objetivos

El objetivo principal del libro es brindar al lector los conocimientos necesarios que le permitan analizar, diseñar y construir edificaciones de mediana altura (hasta de 5 pisos) hechas de albañilería estructural. Para alcanzar estos conocimientos, es necesario estudiar el comportamiento de las edificaciones de albañilería ante los terremotos ocurridos en el pasado, así como la influencia de diversos parámetros que han sido investigados a nivel teórico y experimental. Los resultados de estos estudios permitieron renovar en Perú la Norma de Albañilería E.070 (SENCICO 2006), cuyas especificaciones aplicadas en la construcción y en el diseño estructural permiten que estas edificaciones puedan soportar todo tipo de solicitación, principalmente sismos moderados sin fisurarse (comportamiento elástico) y quedar en un estado reparable ante los sismos severos.

En ese contexto, esta publicación ha sido preparada de manera que el lector obtenga primero una concepción global de los sistemas de albañilería (Capítulo 1), para después analizar: los materiales que componen a la albañilería (Capítulo 2), las propiedades de la albañilería simple (Capítulo 3), los procedimientos de construcción (Capítulo 4), su comportamiento sísmico real y experimental (Capítulo 5), y los procedimientos de análisis y diseño estructural (Capítulos 6 y 7, respectivamente). Finalmente, se revisa la albañilería de tierra cruda, que es muy empleada en Perú y otros países. Como el comportamiento sísmico de estas construcciones tradicionales deja mucho que desear, es necesario que el lector conozca las técnicas constructivas y de reforzamiento que permiten mejorar su comportamiento ante los terremotos (Capítulo 8).

Para profesores que enseñan esta materia

Con fines didácticos, es conveniente que los conocimientos vertidos en esta publicación sean complementados mediante prácticas continuadas, donde se analice y diseñe un edificio de albañilería bajo diferentes condiciones, lo cual permitirá estudiar la influencia de diversas variantes sobre el edificio en estudio, para luego discutir el trabajo final entre todos los alumnos.

Adicionalmente, estas prácticas teóricas deben complementarse realizando una pequeña investigación experimental (Fig. 1.1) y visitas a fábricas ladrilleras y edificaciones de albañilería en proceso de construcción. Todo esto permitirá conocer mejor nuestra realidad.

Fig. 1.1. Alumnos efectuando una investigación experimental.

1.2 Breve historia de la mampostería

Una buena recopilación histórica sobre la mampostería (más conocida en nuestro medio como «Albañilería»), acompañada de gráficos y datos cronológicos, se muestra en Gallegos y Casabonne (2005); en esta publicación solo se resaltarán los aspectos históricos más importantes.

La «Albañilería» o «Mampostería» se define como un conjunto de unidades trabadas o adheridas entre sí con algún material, como el mortero de barro o de cemento. Las unidades pueden ser naturales (piedras) o artificiales (adobe, tapias, ladrillos y bloques). Este sistema fue creado por el hombre a fin de satisfacer sus necesidades, principalmente de vivienda.

Bajo esta definición, se concluye que la albañilería existió desde tiempos remotos y que su forma inicial podrían haber sido los muros hechos con piedras naturales trabadas o adheridas con barro (Fig. 1.2), lo que actualmente en nuestro medio se denomina «pirca».

La primera unidad de albañilería artificial consistió en una masa amorfa de barro secada al sol (Fig. 1.3); vestigios de esta unidad han sido encontrados en las ruinas de Jericó (Medio Oriente), 7350 años a.C. Es interesante destacar que antiguamente las unidades no tenían una forma lógica, y se han encontrado unidades de forma cónica en lugares y épocas distintas: en Mesopotamia (7000 años de antigüedad) y en Huaca Prieta, Perú (5000 años de antigüedad).

Fig. 1.2. Pirca

Fig. 1.3. Jericó, Gallegos y Casabonne (2005) y Chavín.

El molde empleado para la elaboración de las unidades artificiales de tierra, lo que hoy denominamos «adobe», fue creado en Sumeria (región ubicada en el Valle del Éufrates y Tigris, en Baja Mesopotamia) 4000 a.C. A raíz de aquel acontecimiento, empezaron a masificarse las construcciones de albañilería en las primeras civilizaciones.

El adobe fue llevado al horno unos 3000 años a.C. en la ciudad de Ur, tercera ciudad más antigua del mundo (después de Eridú y Uruk, pertenecientes a la cultura Sumeria, lo que hoy es Irak), y se formó así lo que ahora se denomina el ladrillo de arcilla o cerámico. A partir de entonces, se levantaron enormes construcciones de ladrillos asentados con betún o alquitrán, como la Torre de Babel («Etemenanki», zigurat de 8 pisos, Fig. 1.4); y en la época del Rey Nabucodonosor II (Babilonia, 600 a.C.), se construyeron edificios hasta de 4 pisos.

Fig. 1.4. Torre de Babel.

Fue en Babilonia (Fig. 1.5) que el Rey Hammurabi (1700 a.C.) creó el primer reglamento de construcción, donde se especificaba que si por causas atribuibles al constructor fallecía el propietario de una vivienda, se debía dar muerte al constructor de la misma, y si fallecía el hijo del propietario, había que dar muerte al hijo del constructor.

Fig. 1.5. Babilonia.

Por aquella época, pero en otras civilizaciones, se efectuaron construcciones de albañilería aprovechando la materia prima existente en la zona. Por ejemplo (Fig. 1.6), en Egipto se asentaban rocas con mortero de yeso y arena (como las pirámides de Giza, con unos 4000 años de antigüedad); mientras que en Grecia se asentaron piedras con mortero de cal, revestidas con mármol (como el templo a la diosa Atenea, «Partenón», 440 a.C.).

Fig. 1.6. Pirámide de Giza y el Partenón.

El mortero de cemento puzolánico fue inventado por Vitruvio (arquitecto romano, 25 a.C.), quien mezcló con cal y agua la «arena volcánica» del volcán Vesubio (actualmente denominada «puzolana»). Fue a partir de aquel entonces que hubo una gran innovación en las formas estructurales, y se construyeron enormes estructuras con arcos, bóvedas y lucernarios, tal como el «Panteón» en Roma (Fig. 1.7).

Después de la caída del Imperio romano, el mortero puzolánico pasó al olvido, hasta que Smeaton (ingeniero británico) lo rescató en el año 1756 para reconstruir un faro en Inglaterra.

Fig. 1.7. Panteón.

En el siglo XVIII, en conjunto con la Revolución Industrial (que comenzó en Inglaterra), empezó la industrialización en la fabricación de ladrillos, y se inventaron máquinas como trituradoras, mezcladoras y prensas para moldear mecánicamente el ladrillo; aunque se cree que se empleaban 2 kg de carbón para hornear 1 kg de arcilla.

En Perú, los ladrillos de arcilla llegaron en la época de la colonia española, y la primera fábrica de ladrillos fue construida en Lima en el año de 1856.

La primera obra de albañilería reforzada data del año 1825, en Inglaterra. Brunel (ingeniero británico) construyó 2 accesos verticales a un túnel bajo el río Támesis (Londres, Fig. 1.8), de 15m de diámetro y 20m de profundidad, con paredes hechas de albañilería de 75cm de espesor, reforzadas verticalmente con pernos de hierro forjado y horizontalmente con zunchos metálicos.

Fig. 1.8. Río Támesis en Londres.

La albañilería confinada fue creada por ingenieros italianos, después de que el sismo de Messina, Sicilia, en 1908 (Fig. 1.9), arrasara con las viviendas no reforzadas. En Perú, la albañilería confinada ingresó después del terremoto de 1940; mientras que la armada lo hizo en la década del 60, pese a que esta había sido creada antes.

Un hecho curioso le ocurrió a Ángel San Bartolomé cuando trabajaba en el reforzamiento de una vivienda muy antigua, carente de planos, en La Punta (Callao). En esa vivienda encontró un retazo de periódico del año 1940, que había sido utilizado para taponar el encofrado del aligerado. Esa vivienda tenía en sus esquinas columnas de concreto ciclópeo con piedras medianas (el concreto que actualmente se usa en los sobrecimientos) y refuerzo vertical liso corroído por la brisa marina. Hasta ese instante se pensaba que la albañilería confinada había sido introducida en el Perú en la década de los 50, mas esa vivienda demostró que tal hecho había ocurrido antes.

Fig. 1.9. Messina.

Cerrando la historia, se debe indicar que el estudio racional de la albañilería se inició recién a partir de los ensayos llevados a cabo en los Estados Unidos (1913) y en la India (1920, Fig. 1.10). En Perú, los primeros ensayos en albañilería se realizaron en la década del 70 y los escasos resultados alcanzados hasta el año 1982 fueron utilizados en la elaboración de nuestro primer reglamento específico de albañilería (Norma E.070, ININVI, 1982).

Fig. 1.10. Ensayos en 1920 y en 1990.

Finalmente, los múltiples ensayos realizados, así como las investigaciones teóricas y las enseñanzas dejadas por los sismos, permitieron elaborar en Perú una moderna Norma E.070, publicada en el año 2006 como parte del Reglamento Nacional de Edificaciones. A diferencia de otros materiales (como el acero o concreto armado), debe indicarse que la adaptación de normas de diseño extranjeras resultan inaplicables al caso de la albañilería peruana; esto se debe a la gran diferencia de los materiales de construcción, así como en la mano de obra y las técnicas de construcción empleadas en otros países.

1.3 Construcción de albañilería y albañilería estructural

Construcción de Albañilería. Para los fines de esta publicación, se define como construcción de albañilería a todo aquel sistema donde se ha empleado básicamente elementos de albañilería (muros, vigas, pilastras, etc.). Estos elementos a su vez están compuestos por unidades de albañilería (bloques o ladrillos) de arcilla, sílice-cal o de concreto, adheridas con mortero de cemento o concreto fluido («grout»). La albañilería con unidades de tierra cruda (adobe y tapial) será estudiada especialmente en el Capítulo 8.

Estas construcciones pueden tener diversos fines, como por ejemplo: viviendas, tanques de almacenamiento de agua (Fig. 1.11), muros de contención, etc. Sin embargo, debe indicarse que la Norma E.070 y las actuales investigaciones están orientadas a aportar conocimientos al tema de la vivienda; en consecuencia, para construcciones distintas a edificios, las disposiciones de la Norma se aplicarán en la medida en que sea posible.

Fig. 1.11. Ejemplo del mal uso de la albañilería: tanque de agua hecho de albañilería no reforzada, apoyado sobre pilas de mampostería.

Albañilería Estructural. Son las construcciones de albañilería que han sido diseñadas racionalmente, de manera que las cargas actuantes durante su vida útil se transmitan adecuadamente a través de los elementos de albañilería (convenientemente reforzados) hasta el suelo de cimentación.

En cuanto a edificios, el sistema estructural de albañilería puede emplearse solo cuando estos contengan abundancia de muros; por ejemplo en viviendas uni o multifamiliares, en hoteles, etc. Esto no quiere decir que toda la estructura debe ser únicamente de albañilería, sino que pueden existir columnas y placas de concreto armado (Fig. 1.12), o de cualquier otro material, que ayuden a los muros a transmitir la carga vertical, o que en conjunto con la albañilería tomen la fuerza sísmica; sin embargo, el sistema estructural predominante estará conformado por los muros de albañilería.

Fig. 1.12. Edificio de albañilería con placa adicional.

1.4 Tipos de albañilería y especificaciones reglamentarias

La albañilería se clasifica de dos maneras: a) por la función estructural; y b) por la distribución del refuerzo.

1.4.1 Clasificación por la Función Estructural

Por la función que desempeñan los muros, se clasifican en Portantes y No Portantes.

Muros No Portantes son los que no reciben carga vertical, son por ejemplo los cercos, parapetos y tabiques (Fig. 1.13). Estos muros deben diseñarse básicamente para cargas perpendiculares a su plano, originadas por el viento, sismos u otras cargas de empuje. No se diseñan para acciones sísmicas coplanares porque su masa es pequeña y genera fuerzas de inercia mínimas en comparación con su resistencia a fuerza cortante.

Mientras que los cercos son empleados como elementos de cierre en los linderos de una edificación (o de un terreno), los tabiques son utilizados como elementos divisorios de ambientes en los edificios; en tanto que los parapetos son usados como barandas de escaleras, cerramientos de azoteas, etc.

Fig. 1.13. Muros No Portantes.

En nuestro medio, los tabiques generalmente son hechos de albañilería (Fig. 1.14), debido a sus buenas propiedades térmicas, acústicas, resistentes e incombustibles. Por lo general, en estos elementos se emplea mortero de baja calidad y ladrillos tubulares (perforaciones paralelas a la cara de asentado), denominados «pandereta», cuya finalidad es aligerar el peso del edificio, con la consiguiente reducción de las fuerzas sísmicas. Sin embargo, si los tabiques no han sido cuidadosamente aislados de la estructura principal, haciéndolos «flotantes», ocurrirá la interacción tabique-estructura en el plano del pórtico, problema que se estudiará en el acápite 5.2.1.

Fig. 1.14. Tabique con ladrillo pandereta.

Muros Portantes son los que se emplean como elementos estructurales de un edificio. Estos muros están sujetos a todo tipo de solicitación, tanto contenida en su plano como perpendicular al mismo, tanto vertical como lateral, así como permanente o eventual.

1.4.2 Clasificación por la Distribución del Refuerzo

De acuerdo a la distribución del refuerzo, los muros se clasifican en:

A. Muros no reforzados o de albañilería simple

B. Muros reforzados (armados, albañilería de junta seca, laminares y confinados)

A. Muros No reforzados o de Albañilería Simple

Son aquellos muros que carecen de refuerzo o que teniéndolo, no cumplen con las especificaciones mínimas reglamentarias que debe tener todo muro reforzado.

De acuerdo a la Norma E.070, este tipo de edificación no debe emplearse, por el carácter frágil de su falla ante los terremotos (Fig. 1.15).

Fig. 1.15. Albañilería No Reforzada.

Sin embargo, en Lima existen muchos edificios antiguos de albañilería no reforzada, incluso de 5 pisos, ubicados sobre suelos de buena calidad y con alta densidad de muros en sus dos direcciones, razones por las que estos sistemas se han comportado elásticamente (sin ningún tipo de daño) ante los terremotos ocurridos en los años de 1966, 1970 y 1974.

Un edificio ubicado en Lima (de 4 pisos, Fig. 1.16) fue estudiado por Rafael Cestti, en su tesis de investigación (PUCP-1992), quien demostró (usando el programa «TODA» de análisis dinámico paso a paso) que ante las acciones de los terremotos de 1966, 1970 y 1974, el edificio se comportaba elásticamente, debido no solo a su alta resistencia, sino también por su elevada rigidez lateral otorgada por los muros y el alféizar de las ventanas; sin embargo, ante la acción de sismos más severos, la estructura era insegura y podía colapsar.

Fig. 1.16. Edificio analizado por Cestti.

Cabe destacar que un muro de albañilería no reforzada presenta prácticamente la misma resistencia a fuerza cortante que un muro confinado de iguales características; sin embargo, las columnas de confinamiento incrementan la rigidez lateral del muro confinado, reduciendo el período de vibrar de la edificación correspondiente y la fuerza sísmica actuante. Aparte, las columnas de confinamiento proporcionan ductilidad después de que la albañilería confinada se agrieta por corte y, además, las columnas proporcionan arriostres verticales al muro confinado ante acciones sísmicas perpendiculares a su plano.

B. Muros Reforzados

De acuerdo a la disposición del refuerzo, los muros se clasifican en:

B.1. Muro de albañilería armada (muro armado)

B.2. Muro de albañilería de junta seca

B.3. Muro laminar («Sandwich»)

B.4. Muro de albañilería confinada (muro confinado)

B.1 Muro de albañilería armada (muro armado)

Los muros armados se caracterizan por llevar el refuerzo en el interior de la albañilería (Fig. 1.17). Este refuerzo está generalmente distribuido a lo largo de la altura del muro (refuerzo horizontal) como de su longitud (refuerzo vertical). Para integrar el refuerzo con la albañilería, es necesario llenar los alvéolos (o celdas) de los bloques con concreto líquido (grout), material cuyas características se darán a conocer en el Capítulo 2.

Fig. 1.17. Albañilería Armada.

Estos muros requieren de la fabricación de unidades con alvéolos donde se pueda colocar el refuerzo vertical; en tanto que dependiendo del diámetro del refuerzo horizontal (Fig. 1.18), este se coloca en los canales de la unidad (cuando el diámetro es mayor de 1/4”), o en la junta horizontal (cuando el diámetro es menor o igual a 1/4”). El diámetro del refuerzo horizontal depende de la magnitud de la fuerza cortante que tiene que ser soportada íntegramente por el acero.

Fig. 1.18. Refuerzo en la albañilería armada.

De acuerdo a la Norma E.070, todo muro armado debe satisfacer los siguientes requisitos mínimos (Fig. 1.19):

a) El recubrimiento de la armadura debe ser mayor que 1.5 veces el diámetro de la barra, y no debe ser menor de 10mm.

b) El espesor del mortero en las juntas horizontales no debe ser menor al diámetro de la barra horizontal (alojada en la junta) más 6mm.

c) El diámetro o dimensión mínima de los alvéolos debe ser 5cm por cada barra vertical, o 4 veces el diámetro de la barra por el número de barras alojadas en el alvéolo.

Fig. 1.19. Disposiciones reglamentarias en la albañilería armada.

d) En los muros portantes, la cuantía mínima del refuerzo vertical u horizontal es 0.001. Por ejemplo, para el refuerzo horizontal: rh(mín) = 0.001 = As / (s t). Para un muro hecho con bloques de concreto vibrado de espesor t = 14cm y empleando 1 ϕ ¼» (As = 0.32cm2), el espaciamiento máximo resulta s = 0.32 / (0.001x14) = 22cm, lo que equivale a 1 ϕ ¼» cada hilada (en el eje), ó 2 ϕ ¼» @ 2 hiladas en escalerilla electrosoldada colocada en las juntas. Este refuerzo debe ser continuo y anclado en los extremos del muro.

e) En todos los bordes del muro y en las intersecciones de los muros ortogonales debe colocarse como refuerzo vertical por lo menos 2 ϕ 3/8”, o su equivalente 1 ϕ 1/2”.

f) Para el caso de muros no portantes (cerco, parapeto o tabique), la cuantía mínima de refuerzo vertical u horizontal es 0.0007. Esta cuantía controla los problemas de fisuración por contracción de secado del grout o por cambios de temperatura.

Por otro lado, la Norma E.070 especifica que cuando la edificación está ubicada en la Zona Sísmica 2 ó 3, todas las celdas de los bloques correspondientes a los muros portantes deben rellenarse con grout, contengan o no refuerzo vertical, para evitar la trituración de los bloques vacíos que causaría una fuerte degradación de resistencia en el muro (Fig. 1.20).

Fig. 1.20. Albañilería armada parcialmente rellena,

En nuestro medio se utilizan vigas de concreto armado en los dinteles. Cuando estos dinteles son peraltados, deben ser continuos porque, en los extremos de los dinteles discontinuos (Fig. 1.21) se generan fisuras, ya sea por contracción de secado del concreto o por cambio de temperatura, y también, porque la reacción vertical en los extremos del dintel puede llegar a triturar localmente a los bloques donde apoya el dintel.

Fig. 1.21. Dintel discontinuo.

Las vigas también pueden ser hechas de albañilería armada (Fig. 1.22-izquierda), usando medios bloques en forma de «U», como base de la viga. El refuerzo inferior corre por la base de los bloques «U», mientras que el superior lo hace por la losa de techo y los estribos son barras verticales que pasan por las celdas de los bloques, espaciadas en múltiplos de 20cm, y ancladas con ganchos a 180º sobre las barras longitudinales. La técnica de diseño (Fig. 1.22-derecha) es completamente similar a la de las vigas de concreto armado, con la diferencia que debe emplearse f'm (resistencia a compresión de la albañilería) en vez de f'c (resistencia a compresión del concreto); asimismo, en vez de utilizar la deformación unitaria de rotura del concreto (εc = 0.003), debe emplearse εm = 0.0025.

Fig. 1.22. Dinteles de albañilería armada y diseño estructural.

B.2 Muro de albañilería de junta seca

Una variedad de los muros armados son los muros de junta seca o apilables. Estos son muros que no requieren el uso de mortero en las juntas verticales u horizontales (Fig. 1.23). Esta variedad de muros armados será vista en el Capítulo 4.

Fig. 1.23. Albañilería de junta seca.

B.3 Muro laminar («Sandwich»)

Este muro está constituido por una placa delgada de concreto (dependiendo si el espesor es de 1 a 4 pulgadas, se usa grout o concreto normal) reforzado con una malla de acero central, y por dos muros de albañilería simple que sirven como encofrados de la placa (Fig. 1.24).

Debido a la adherencia que se genera entre el concreto y los muros de albañilería, así como por el refuerzo transversal (en forma de «Z») que se emplea para conectar los dos muros y como apoyo del refuerzo horizontal, se logra la integración de todo el sistema.

Sin embargo, en la única investigación experimental realizada en el Perú por el Ing. Héctor Gallegos, utilizando ladrillos sílico-calcáreos en la albañilería, se observó un buen comportamiento elástico del muro laminar, con una elevada rigidez lateral y resistencia al corte; pero después de producirse el agrietamiento diagonal de la placa, ocurrió una fuerte degradación de resistencia y rigidez (falla frágil), debido principalmente a que los muros de albañilería se separaron de la placa, «soplándose».

Este tipo de albañilería no se utiliza en el Perú, por lo que no figura en la Norma E.070 y tampoco será tratada en este libro, sin embargo, debe mencionarse que en zonas sísmicas de Estados Unidos (California), se le emplea en la construcción de edificios elevados.

Fig. 1.24. Albañilería laminar.

En adición, debe señalarse que en muchos países se utilizan muros de albañilería como acabados de los muros principales (Fig. 1.25), lo cual sísmicamente es peligroso, en tanto que en el Perú se utilizan enchapes cerámicos (de espesor muy delgado).

Fig. 1.25. Cobertura de muros portantes.

B.4 Muro de albañilería confinada (muro confinado)

Este es el sistema que tradicionalmente se emplea en casi toda Latinoamérica para la construcción de edificios hasta de 5 pisos.

La albañilería confinada (Fig. 1.26) se define como aquella que se encuentra íntegramente bordeada por elementos de concreto armado (exceptuando la cimentación que puede ser de concreto ciclópeo), vaciado después de haberse construido el muro de albañilería y con una distancia entre columnas que no supere en más de 2 veces la altura del piso.

Fig. 1.26. Albañilería confinada.

Es importante seguir la secuencia constructiva indicada para que los confinamientos se adhieran a la albañilería y formen un conjunto que actúe de manera integral. Cuando se construye primero las columnas y después la albañilería, ante los sismos la albañilería se separa de las columnas, como si existiese una junta vertical entre ambos materiales, quedando los muros sin arriostres verticales en sus bordes y ante las acciones sísmicas perpendiculares al plano de los muros, terminan volcándose (Fig. 1.27).

Fig. 1.27. Procedimiento constructivo incorrecto y consecuencia.

También es necesario que la albañilería esté completamente bordeada por los confinamientos. De otro modo, por ejemplo, cuando existe una sola columna en el muro, el grosor de las grietas diagonales producidas en la albañilería sometida a terremotos se torna incontrolable (Fig. 1.28). De acuerdo a la Norma E.070, este tipo de muro califica como no confinado.

Fig. 1.28. Albañilería no confinada.

Los elementos de concreto armado que rodean al muro sirven principalmente para ductilizar el sistema; esto es, para otorgarle capacidad de deformación inelástica, incrementando levemente su resistencia por el hecho de que la viga («solera», «viga collar», «collarín» o «viga ciega») y las columnas de confinamiento son elementos de dimensiones pequeñas y con escaso refuerzo. Adicionalmente, esta especie de pórtico funciona como elemento de arriostre cuando la albañilería se ve sujeta a acciones perpendiculares a su plano. La acción de confinamiento que proporciona el «pórtico» de concreto puede interpretarse físicamente mediante el ejemplo siguiente:

Supóngase un camión sin barandas, que transporta cajones montados unos sobre otros. Si el camión acelera bruscamente, es posible que los cajones salgan desperdigados hacia atrás por efecto de las fuerzas de inercia, lo que no ocurriría si el camión tuviese barandas resistentes.

Haciendo una semejanza entre ese ejemplo y la albañilería confinada sujeta a terremotos, la aceleración del camión correspondería a la aceleración sísmica, los cajones sueltos serían los trozos de la albañilería simple ya agrietada y las barandas del camión corresponderían al marco de concreto, el que evidentemente tiene que ser especialmente diseñado a fin de que la albañilería simple continúe trabajando, incluso después de haberse fragmentado.

El comportamiento sísmico de un tabique en el interior de un pórtico de concreto armado es totalmente diferente al comportamiento de los muros confinados. La razón fundamental de esa diferencia se debe al procedimiento (secuencia) de construcción, al margen del tipo de unidad o mortero que se emplee en cada caso.

Mientras que en el caso de los tabiques, primero se construye la estructura de concreto armado (incluyendo el techo que es sostenido por el pórtico) y después de desencofrar el pórtico se construye el tabique de albañilería; en el caso de los muros confinados el proceso constructivo es al revés, esto es, primero se construye la albañilería, posteriormente se procede con el vaciado de las columnas y luego se vacía el concreto de las soleras en conjunto con la losa del techo. De esta manera, el muro confinado es capaz de soportar y transmitir cargas verticales, función que no pueden hacer los tabiques.

Esta técnica constructiva permite a los muros confinados desarrollar una gran adherencia en la interfase columna-muro y solera-muro, integrándose todo el sistema, incluso después de haberse producido el agrietamiento diagonal (Fig. 1.29). Estos elementos trabajan en conjunto, como si fuese una placa de concreto armado sub-reforzada (con refuerzo solo en los extremos), con otras características elásticas y resistentes.

Fig. 1.29. Muro confinado.

Lo expresado en el párrafo anterior no ocurre en los tabiques, ya que la zona de interconexión concreto-albañilería es débil (la interfase pórtico-tabique es usualmente rellenada con mortero), lo que hace que incluso ante la acción de sismos leves, ambos elementos se separen, trabajando la albañilería como un puntal en compresión (Fig. 1.30); esto se debe a que la zona de interacción (contacto) solo se presenta en las esquinas, al deformarse el tabique básicamente por corte («panel de corte»), mientras que el pórtico (más flexible que el tabique) se deforma predominantemente por flexión. Este efecto, así como las características del puntal, se estudiarán en detalle en el acápite 5.2.1.

Fig. 1.3. Tabique.

Los requisitos mínimos de la Norma E.070, para que un muro se considere confinado son:

1. El muro debe estar enmarcado en sus 4 lados por elementos de concreto armado (o la cimentación) especialmente diseñados; debido al carácter cíclico del efecto sísmico.

2. La distancia máxima entre los confinamientos verticales (columnas) debe ser dos veces la distancia que existe entre los confinamientos horizontales (soleras); más allá, la acción de confinamiento se pierde, especialmente en la región central de la albañilería donde el tamaño de las grietas se vuelve incontrolable.

3. El área mínima de las columnas de confinamiento (Fig. 1.31) debe ser:

Ac (mín) = 15 t (cm²)

Donde: t = espesor del muro (cm)

Fig. 1.31

Respecto a la solera (Fig. 1.32), esta puede tener un peralte igual al espesor de la losa del techo, con un área suficiente para alojar al refuerzo respectivo; debido a que la solera trabaja a tracción y más bien debe servir como un elemento transmisor de cargas verticales y horizontales hacia la albañilería. Cabe indicar que al cumplirse la hipótesis de Navier en el muro («la sección plana permanece plana antes y después de haberse aplicado las cargas»), la viga solera no puede deformarse por flexión, porque al haberse vaciado su concreto sobre la albañilería, por compatibilidad de desplazamientos debe seguir la deformada del muro; en cambio, la viga dintel, al cubrir los vanos de puertas y ventanas, sí se deforma por flexión y debe tener un peralte adecuado para soportar las acciones existentes sobre ella.

Fig. 1.32. Dintel y solera.

4. El área de acero mínimo del refuerzo longitudinal a emplear en los confinamientos horizontales y verticales debe ser:

As (mín) 0.1 f’c Ac / fy ó 4 ϕ 8mm, lo que sea mayor

Esta expresión proviene de suponer que en caso el concreto fisure por tracción (para un esfuerzo f't ≈ 0.1 f'c), debe existir un refuerzo mínimo capaz de absorber esa tracción (T); esto es:

T = f’t Ac ≈ (0.1 f’c) Ac ≤ As fy As (mín) ≥ 0.1 f’c Ac / fy

La canastilla de refuerzo debe estar compuesta por lo menos por 4 varillas longitudinales de manera que exista un núcleo de concreto confinado (figuras 1.31 y 1.33). Adicionalmente, debe emplearse un concreto cuya resistencia mínima sea f’c = 175 kg/cm².

Fig. 1.33. Núcleo confinado.

5. Los traslapes deben ser diseñados a tracción. Así, la longitud de traslape según la Norma de Concreto Armado E.060 es: LT (clase C) = 1.7 (0.006 D fy) 45 D; donde D = diámetro de la barra ≤ 3/4”, y fy = 4.200 kg/cm². Estos traslapes deben hacerse fuera de los nudos (Fig. 1.34), para evitar la congestión de refuerzo que produciría cangrejeras.

Fig. 1.34. Traslape del refuerzo.

6. El anclaje del refuerzo vertical y horizontal debe ser diseñado a tracción. Así, según la Norma de Concreto Armado E.060, la longitud de desarrollo de la parte recta de una barra que termina en gancho estándar es: Ldg = 318 Db /√f ’c 8 Db ó 15cm. Esto implica que las columnas deben tener un peralte adecuado (mínimo 15cm), de modo que permita anclar el refuerzo longitudinal empleado en las soleras (Fig. 1.35).

Fig. 1.35. Anclaje del refuerzo.

7. En previsión del corrimiento de la falla diagonal del muro sobre los elementos de confinamiento, debe existir concentración mínima de estribos en las esquinas del marco de confinamiento. Según la Norma E.070, la longitud a confinar es 45cm o 1.5d, lo que sea mayor (Fig. 1.36), usando como mínimo: [] ϕ 1/4”, 1 @ 5, 4 @ 10cm, resto @ 25cm (montaje) más la adición de por lo menos 2 estribos en los nudos.

Fig. 1.36. Estribos mínimos.

8. Los muros confinados sujetos a una elevada carga vertical (definida como aquella que produce un esfuerzo axial mayor al 5% de la resistencia a compresión de las pilas de albañilería: σ > 0.05 f’m), tienen un mal comportamiento sísmico, y ello disminuye drásticamente su ductilidad. Para evitar este problema debe adicionarse una cuantía mínima de refuerzo horizontal (0.001), que debe ser continuo y anclado en las columnas con ganchos verticales (Fig. 1.37). El doblez de estos ganchos debe ser vertical, en previsión de fallas por anclaje que podrían generarse cuando se formen fisuras horizontales de tracción por flexión en las columnas. Sin embargo, aun existiendo ese refuerzo horizontal, el esfuerzo axial actuante no debe exceder de 0.15 f’m.

Fig. 1.37. Refuerzo horizontal.

El refuerzo horizontal recién trabaja después que el muro se haya agrietado diagonalmente (Fig. 1.38), de otro modo, este refuerzo simplemente se traslada en conjunto con la albañilería al no existir desplazamiento horizontal relativo. Por lo que si se demuestra que ante la acción de sismos severos el muro permanece en el régimen elástico, no será necesario la adición de este refuerzo, aunque se dé el caso σ > 0.05 f’m.

Fig. 1.38. Cuantía mínima de refuerzo horizontal.

Lecturas complementarias al Capítulo 1:

1.1 Gallegos, Héctor y Carlos Casabonne (2005). «Historia de la Albañilería», en Albañilería Estructural. Lima: Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú.

1.2 San Bartolomé, Ángel (2007). «Comentarios al Capítulo 7 de la Norma E.070: Requisitos Estructurales Mínimos». En: http://blog.pucp.edu.pe/albanileria

Nota:

Las figuras correspondientes a los monumentos históricos mostrados en este capítulo (1.4 a 1.8) han sido obtenidas de la página web http://www.webshots.com.