TRABAJO ESPECIAL DE GRADO CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDAS UNIFAMILIARES DE MAMPOSTERIA ARMADA EN VENEZUELA.


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1 TRABAJO ESPECIAL DE GRADO CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDAS UNIFAMILIARES DE MAMPOSTERIA ARMADA EN VENEZUELA. Presentado por los bachilleres: Cárdenas, Jozmiguel C.I González, José, C.I Ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela, para optar al título de Ingeniero Civil Caracas, 2012

2 TRABAJO ESPECIAL DE GRADO CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDAS UNIFAMILIARES DE MAMPOSTERIA ARMADA EN VENEZUELA Tutor Académico: Prof. Velásquez, José Manuel. Presentado por los bachilleres: Cárdenas, Jozmiguel C.I González, José, C.I Ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela, para optar al título de Ingeniero Civil Caracas, 2012

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4 DEDICATORIA Muy Especialmente a mis Padres: María Gisela De González y Armando González, por las enseñanzas y la educación que me han dado. A mis Hermanas: Lic. Armarys G. González, Ing. Ayari del C. González. A mi Hermano: Armando J. González A mis sobrinas mariana carolina y Andrea Isabel por ser razón de alegría y ayudar a impulsarme en mi formación como ingeniero. A mi futura esposa: María Carolina De Sousa, y en especial a la memoria de mis Abuelos: Carmen Díaz y José Díaz. José González A mis padres: Leida Mundaraín y Antonio Cárdenas por su constante amor y por haber hecho de mi la persona que soy hoy día. A mi sobrina: Paola por hacer cada día un regalo. A mi hermana: Karla por su gran apoyo en mi formación como persona. A mis hermanas: Leidimar, Gladimar y María Betania por su amor incondicional. A mis sobrinos: Jonas, Juandiego, Diego Rafael y Diego Miguel. A mi tía Zenaida Cárdenas por su apoyo y amor. Jozmiguel Cárdenas III

5 Cárdenas M. Jozmiguel A. González D. José G. CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA CONSTRUCCIÓN VIVIENDAS UNIFAMILIARES DE MAMPOSTERIA ARMADA EN VENEZUELA. Tutor Académico: Prof. José M. Velásquez. Caracas, Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil. Año 2012, 88 pp. Palabras Claves: Mampostería armada, Resistencia a la compresión, Resistencia al corte, Elemento Portante, elemento no Portante, normas de mampostería estructural, Diseño Sismorresistente, Unidades de albañilería, Parámetros de Diseño. RESUMEN: La mampostería armada consiste en paredes reforzadas internamente con acero longitudinal y transversal, rellenando las cavidades correspondientes de los bloques con concreto liquido. Este sistema ha hecho posible extender el concepto histórico de la mampostería a estructuras de paredes mucho más delgadas y con alturas de hasta 20 pisos. En el presente trabajo se estudiarán y analizarán las normas más relevantes para el diseño de estructuras de mampostería reforzada en Latinoamérica, como lo son: las Normas Técnicas Complementarias Para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería (Norma mexicana), Norma Técnica E.070 Albañilería (Norma peruana) y la Norma de Albañilería Armada-Requisitos para el diseño y cálculo. NCh 1928.Of1993 (Norma Chilena); para ello se caracterizaron las propiedades físicas y mecánicas de los materiales que conforman la mampostería armada, se compararon parámetros constructivos y de cálculo para la construcción este tipo de estructuras; seguidamente se analizaron estas comparaciones, resaltando lo que se consideró más importante del análisis. Por último, establecido y estudiado los criterios constructivos se procedió al diseño estructural de algunos muros de mampostería de una vivienda venezolana típica de interés social, mediante la escogencia de la Norma que se consideró más elaborada y completa en cuanto a la caracterización de dichos parámetros involucrados directamente con el diseño de estructuras. IV

6 ÍNDICE GENERAL DEDICATORIA... III AGRADECIMIENTOS... IV RESUMEN... V INDICE GENERAL.VI INDICE DE FIGURAS... IX INDICE DE TABLAS..X NOMENCLATURA... XII INTRODUCCIÓN... 1 CAPITULO I... 3 El PROBLEMA DE LA INVESTIGACÓN Planteamiento del problema Objetivos Objetivos General Objetivos específicos Justificación... 6 CAPITULO II... 7 MARCO TEÓRICO Mampostería Tipos de mampostería Clasificación de los muros según su función estructural Muros portantes: Muros no portantes Tipos de mampostería según la disposición de los refuerzos Mampostería confinada Mampostería armada Características y ventajas de la mampostería armada Tipos de materiales empleados en mampostería armada V

7 2.4.1 Unidades de albañilería Acero de refuerzo o armadura Mortero Composiciones del mortero Propiedades mecánicas de la mampostería en Venezuela Propiedades básicas de las piezas y del mortero Propiedades de las piezas Propiedades del mortero La resistencia de los muros ante cargas verticales Resistencia de los muros ante cargas horizontales Longitudes de solape de barras de acero CAPITULO III MÉTODO Recopilación bibliográfica Comparación de normas Elección de la norma a emplear en el cálculo de viviendas de mampostería armada Diseño estructural de una vivienda unifamiliar de una planta Conclusiones y recomendaciones CAPITULO IV ANÁLISIS COMPARATIVO DE NORMAS LATINOAMERICANAS Análisis comparativo de los requerimientos exigidos por las diferentes normas en cuanto a las propiedades físicas y mecánicas de los elementos de mampostería armada Requerimientos para la utilización de bloques de concreto Mortero, requerimientos mínimos para el empleo de este material en la mampostería armada (utilizado para pegar las unidades de albañilería) Concreto de relleno o Grout (para rellenar las celdas) Análisis comparativo sobre la determinación de la resistencia a la compresión VI

8 A partir de ensayos de prismas construidos con las piezas y el mortero que se emplea en la construcción: A partir de la resistencia nominal de las piezas y el mortero Mediante valores indicativos Determinación de la resistencia al corte A partir de ensayos de comparación diagonal de muretes Ensayos de muretes construidos con las piezas y morteros que se emplearán en la obra Mediante valores indicativos Disposiciones para el diseño de estructuras de mampostería armada Cuantías mínimas de refuerzo vertical y horizontal Tamaño, colocación y separación del refuerzo Anclaje del acero de refuerzo longitudes de solape Módulos de elasticidad y módulo de corte Factores de resistencia Relación espesor-altura del muro de mampostería Resistencia a compresión de la mampostería con refuerzo interior Resistencia a flexocompresión Cálculo vivienda unifamiliar en mampostería armada CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS VII

9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Estructuras de mampostería confinada... 8 Figura 2.2 Paredes de mampostería armada... 9 Figura 2.3 Estructuras de mampostería armada Figura 2.4 Bloques huecos de concreto Figura 2.5 Barras de acero estructural Figura 2.6 Sistemas y modelos de ensayos de muros de mampostería Figura 2.7 Curva carga vs deslazamiento Figura 4.1 Ejemplo gráfico de los prismas a ensayar a compresión Figura 4.2 Murete para prueba en compresión digonal Figura 4.3 Requisitos para mampostería con refuerzo interior Figura 4.4 Anclaje del refuerzo horizontal Figura 4.5 Excentricidad de la carga vertical Figura 4.6 Restricción a la deformación lateral VIII

10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Requisitos mínimos de resistencia a compresión Tabla 2.2 Valores promedios de fm para Venezuela Tabla 2.3 Características y propiedades de bloques de concreto Tabla 2.4 Evaluación estadística de los esfuerzos últimos obtenidos en los ensayos a compresión de bloques de concreto Tabla 2.5 Valores recomendados de resistencia a compresión Tabla 2.6 Valores recomendados de módulo de elasticidad Tabla 2.7 Mortero recomendado para mampostería por las normas ASTM c Proporciones en volumen 20 Tabla 2.8 Mortero elaborado con la misma proporción de materiales utilizados en el barrio. Proporciones en peso Tabla 2.9 Propiedades mecánicas de los morteros estudiados Tabla 2.10 Resultados de los ensayos sobre morteros para unión de bloques de arcilla Tabla 2.11 Ensayo de murete a compresión. Tipo armada ab = 568,68 cm Tabla 2.12 Ensayo de murete a corte Tabla 4.1 Resistencia mínima a compresión en bloques de concreto Tabla 4.2 Clasificación de los bloques de concreto Tabla 4.3 Resistencia mínima a compresión en bloques de concreto Tabla 4.4 Requisitos mínimos de resistencia a la compresión Tabla 4.5 Resistencia mínima a compresión en bloques huecos de concreto Tabla 4.6 Proporciones, en volumen, recomendados para mortero en elementos estructurales Tabla 4.7 Granulometría de la arena gruesa Tabla 4.8 Tipos de mortero Tabla 4.9 Bandas granulométricas de las arenas según Tabla 4.10 Resistencia a la compresión y a la felxión Tabla 4.11 Revenimiento permisible para los morteros y concretos de relleno, en función de la adsorción de las piezas IX

11 Tabla 4.12 Composición volumétrica del concreto líquido o grout Tabla 4.13 Factores correctivos para las resistencias de las pilas con dferentes relaciones de altura a espesor Tabla 4.14 Factores de correción de f m por esbeltez Tabla 4.15 Resistencia nominal, según la norma chilena de la resistencia a la compresión de las unidades de concreto de la mampostería Tabla 4.16 Resistencia nominal, según la norma mexicana de la resistencia a la compresión de las unidades de concreto de la mampostería Tabla 4.17 Valores, sugeridos por la norma Mexicana de f m en función de los tipos usuales de unidades y morteros Tabla 4.18 Valores, sugeridos por la norma peruana de f m en función de los tipos usuales de unidades y morteros Tabla 4.19 Resumen comparativo de los parámetros de diseño de mampostería armada X

12 Nomenclatura = área bruta de la sección transversal del muro o segmento de muro, que incluye a los machones (cm²). = Área del acero de refuerzo vertical en muros de mampostería reforzada interiormente (cm²). = Refuerzo longitudinal de la viga de corona ( ). = Área total de acero del refuerzo transversal de la dala ( ). =área de corte correspondiente a la sección transversal de un muro portante ( ). = Área de acero de refuerzo horizontal ( ). = Área de acero de refuerzo vertical ( ). = Coeficiente de variación de la resistencia a la compresión de las pilas de mampostería, que en ningún caso se someterá inferior a 0,15. = Coeficiente de variación de la resistencia a compresión diagonal de muretes, que en ningún caso se tomará inferior a =Tamaño máximo nominal de la arena en (mm). = Diámetro del refuerzo vertical existente en el borde libre (mm). = distancia entre los centroides del acero colocado en ambos extremos de un muro (cm). =Distancia entre el centroide del acero de tensión y la fibra a compresión máxima (cm). XI

13 = Diámetro de las barras de acero (mm). = Espesor de las paredes del bloque (cm). = Excentricidad calculada para obtener el factor de reducción por excentricidad. = Módulo de elasticidad ( ). = Módulo de elasticidad de la mampostería ( ). = Resistencia del concreto líquido( ). = resistencia a la compresión de las unidades de concreto de la mampostería ( ). = Media de la resistencia a compresión de las pilas, corregida por su relación altura a espesor y referida al área bruta ( ). = La resistencia de diseño a la compresión para los prismas ( ). = Resistencia mínima a compresión del concreto líquido ( ). = Resistencia prismática de proyecto de la albañilería( ). = Factor de reducción por efectos de excentricidad y esbeltez. = Factor resistencia. = Tensión admisible por compresión axial ( ). =Módulo de cortante de la mampostería. XII

14 h = altura de entrepiso o altura del entrepiso agrietado correspondiente a un muro confinado (m). h = Dimensión de la dala en el plano del muro (cm). = Altura libre del muro entre elementos capaces de darle apoyo lateral (cm). =momento de inercia correspondiente a la sección transversal de un muro ( ). = Factor de altura efectiva del muro. = Longitud de desarrollo (cm). = Longitud total del muro (m). = Separación de los elementos que rigidizan transversalmente al muro (cm). = Momento flector del muro obtenido del análisis elástico (kg.cm). = Capacidad resistente a flexión (kg.cm). =Momento flexionante resistente de diseño, aplicado en el plano, en un muro sujeto a flexocompresión, (kg.cm). =Momento flexionante, aplicado en el plano, que resiste el muro en flexión pura (kg.cm). = Momento flector en un muro producido por el sismo severo (kg.m). = Suma de las cuantías de acero de refuerzo vertical. = Suma de las cuantías de acero de refuerzo horizontal. = Carga total del muro, considerando 100% de sobrecarga y amplificada por 1,25 (kg). XII

15 = carga axial de diseño (kg). = Carga axial en un muro en condiciones de sismo severo (kg). = Resistencia de diseño del muro a carga vertical (kg). = Cuantía de acero de refuerzo horizontal en el muro. = Carga gravitacional de servicio en un muro, con sobrecarga reducida (kg). = Carga de gravedad máxima de servicio (kg). = separación entre estribos, planchas, o entre refuerzos horizontales o verticales (mm). = Separación de los estribos (la cual no excederá de 1,5t ni de 200 mm) (mm). = Separación vertical de las barras de acero de refuerzo (mm). = Ancho del bloque (cm). = espesor efectivo del muro (cm). = La resistencia de diseño a compresión diagonal ( ). = Media de la resistencia a compresión diagonal de muretes, sobre área bruta medida a lo largo de la diagonal paralela a la carga ( ). = fuerza cortante producida por el sismo severo en el entrepiso "i" de uno de los muros (kg). = Fuerza cortante resistente de diseño (kg). XIII

16 = Resistencia de diseño a compresión diagonal de muretes, sobre área bruta medida a lo largo de la diagonal paralela a la carga (kg/cm²). = Fuerza cortante de diseño que toma el acero de refuerzo horizontal o mallas de alambre soldado (kg). = Fuerza cortante del muro obtenido del análisis elástico. = Resistencia promedio a la compresión de los cinco prismas ensayados ( )., = Correspondiente al mayor y el menor valor de resistencia a la compresión obtenidos de los ensayos ( ). = esfuerzo de compresión ultimo( ). = Factor de resistencia al corte por efectos de esbeltez. = Esfuerzo axial máximo ( ). ŋ = Factor de eficiencia del refuerzo horizontal. XIV

17 INTRODUCCIÓN Gran parte de la región latinoamericana se encuentra ubicada en zonas de amenaza sísmica importante, siendo Venezuela un ejemplo de ello. La población de menores recursos de esta región, resuelve mayoritariamente su problema de vivienda, construyéndola con muros portantes de mampostería confinada, es cierto que los constructores populares tienen experiencia en construcciones de viviendas en mampostería confinada, sin embargo éstos no se rigen bajo ninguna norma para elaborar éstas estructuras, pasando sin ser considerados aspectos sismo-resistentes; es por ello que mediante la implementación de una norma de mampostería se podrían formalizar este tipo de construcción en el país. En este sentido los entes gubernamentales tienen como principal misión dar respuesta al problema de la vivienda, para ello se plantea este método como principal sistema constructivo. Muchos de los países involucrados, cuentan con normas y reglamentos para el proyecto de edificaciones de mampostería armada que garanticen un diseño confiable, no siendo Venezuela uno de ellos. Para poder utilizar a la mampostería armada en Venezuela como elemento portante, es necesario considerar dos aspectos importantes: el primero de ello se presenta con las alternativas de los tipos de elementos a utilizar y el segundo en las confianza de los materiales a emplear; en este sentido se plantea la necesidad de evaluar con detalle las propiedades físicas y comportamiento de los elementos que conforman la mampostería. El presente trabajo pretende explicar con detalle cuáles deben ser los criterios donde se contemplen los parámetros para el cálculo de viviendas de mampostería reforzada. 1

18 Este trabajo ha sido dividido en seis partes: en la primera parte, se plantea el problema de investigación y sus objetivos. En la segunda parte, se desarrolla el marco teórico con el cual se sustenta el problema desde una perspectiva teórica. En la tercera parte, se presenta el marco metodológico que se ha de seguir en el marco de la investigación que se propone realizar. En la cuarte parte se plantea una comparación de las normas Latinoamericanas con respecto a las propiedades de los elementos de mampostería y los criterios de diseño estructural. La quinta parte se plantea el diseño estructural de algunos muros de una vivienda venezolana típica de interés social, siguiendo los parámetros constructivos de alguna norma latinoamericana de mampostería estructural. Por último, se presentan las conclusiones y recomendaciones producto del análisis de cada uno de los resultados. 2

19 CAPITULO I EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 Planteamiento del problema Las viviendas unifamiliares en las zonas populares de Venezuela se caracterizan por poseer una estructura poco eficaz desde el punto de vista sismorresistente; la población venezolana ha adoptado a la mampostería como principal sistema constructivo. Así, las personas de bajos recursos construyen sus viviendas sin ningún tipo de consideración sísmica, lo que puede acarrear problemas en el comportamiento de la estructura al producirse un sismo. La resistencia y rigidez de las viviendas construidas con este sistema se basa en la unión entre cada una de las piezas que forman los muros de mampostería, como lo son los bloques de arcilla recocida, bloques de concreto los cuales pueden ser sólidos o huecos y mortero, de manera que trabaja como un todo; aun construyendo con la debida precaución tal sistema sigue siendo vulnerable ante acciones sísmicas. Como una solución a esta problemática se ideó la mampostería armada, reforzada internamente con barras de acero distribuidas vertical y horizontalmente, integradas mediante concreto liquido, de tal manera que los diferentes componentes actúen conjuntamente para resistir los esfuerzos (norma E-070, 2006). La mampostería reforzada ofrece una gran ventaja ya que se excluye el uso de los encofrados debido a que las unidades de mampostería proporcionan un encofrado permanente, haciendo que el tiempo de construcción se vea reducido y además, los costos son bajos pero con buenos resultados. Por esta razón se han venido 3

20 implementando parámetros de cálculo y diseño de mampostería reforzada en las normas de construcción de los países ubicados en zonas de peligro sísmico como Chile, Perú, Argentina, México y USA. Por otra parte, desde el año 1955, no se ha publicado en Venezuela normas sobre el diseño o construcción de estructuras de mampostería. Las normas de 1955, publicadas por el entonces Ministerio de Obras Publicas (M.O.P., 1954), contenían recomendaciones, pero deben ser revisadas y ampliadas principalmente desde el punto de vista sísmico, sobre todo cuando se considera que el uso de mampostería armada es corriente en edificaciones de pequeña y mediana altura en otros países. (Lafuente, 1989). En los años 80 un grupo de profesores del Instituto de Materiales y Modelos Estructurales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela, conjuntamente con la colaboración de estudiantes de pregrado de Ingeniería Civil y maestría de Ingeniería Sismo-Resistente, trabajaron en el desarrollo de un proyecto en el área de mampostería estructural y cuyo objetivo principal fue racionalizar su uso como elemento portante en construcciones que pueden ser afectadas por la ocurrencia de terremotos severos. (Castilla, 1990). Mas sin embargo no se logró concretar normas o lineamientos referentes al cálculo y diseño de sistemas de mampostería reforzada. En vista de lo anterior esta investigación se propone la recopilación de un conjunto de criterios y recomendaciones que contenga los parámetros a seguir para el diseño de viviendas, basándose en los parámetros utilizados en México, Chile y Perú, adaptándolas a las realidades venezolanas, con los materiales y piezas producidas en el país. 4

21 1.2.1 Objetivos General. Establecer criterios donde se contemplen los parámetros para el cálculo de viviendas unifamiliares de mampostería reforzada Objetivos específicos. - Caracterizar propiedades mecánicas y físicas de los materiales empleados para la construcción de mampostería en Venezuela. - Analizar los parámetros y criterios que contemplan las normas mexicana, peruana y chilena de mampostería reforzada. - Comparar los parámetros constructivos de cálculo de mampostería reforzada de México, Chile, Perú y la venezolana, tomando en cuenta los aspectos más resaltantes en cada norma. - Establecer los procedimientos y parámetros a seguir para el cálculo y diseño de los muros de mampostería reforzada en Venezuela. - Diseñar la estructura de una vivienda unifamiliar de una planta de mampostería reforzada. 5

22 1.3 Justificación Esta investigación se basará en las normas de construcción sismo-resistente de Chile, México y Perú, ya que estos países poseen una amplia trayectoria en la investigación de la mampostería reforzada como sistema constructivo, contando con normas aptas y confiables que han venido actualizando con el tiempo y que han venido mejorando a través de las experiencias obtenidas con los sismos ocurridos en sus regiones. La investigación representará un aporte metodológico, puesto que será una guía para el cálculo de estructuras de mampostería reforzada aportando así los lineamientos y parámetros, que se basarán en las normas de mampostería reforzada de México, Chile y Perú, que serán adaptados a la realidad venezolana ya que actualmente en el país no existe una norma vigente sobre el tema, de manera tal que los ingenieros venezolanos cuenten con una guía que les permita calcular viviendas de mampostería reforzada. Representará un aporte social ya que a pesar de que será un manual técnico, tiene como principal función dar una respuesta a la problemática habitacional en el país, puesto que la mampostería armada representa una solución viable desde el punto de vista económica debido a que se evita el uso de encofrados. Esta investigación estará dirigida a los entes gubernamentales que tengan como prioridad la construcción masiva de viviendas de interés social para el país, pues se fundamenta en la delimitación de parámetros constructivos basados en normas muy elaboradas, que podrán ser empleadas y aplicadas por profesionales de la construcción, para proporcionar un sistema constructivo normado y seguro para la población venezolana, y por supuesto será dirigida a los entes privados que también tengan como misión, la construcción de viviendas de interés social. 6

23 CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Mampostería La mampostería es un material estructural que principalmente se compone de ladrillos, bloques de arcilla recocida y bloques de concreto, que además pueden ser sólidos, huecos, alveolares o tubulares y que son asentadas con mortero o por las mismas unidades de mampostería colocadas de forma apilada, en cuyo caso son integradas con concreto liquido. (Norma E-070, 2006). Históricamente la mampostería juega un papel muy importante en la construcción, pues fue el primer sistema estructural implementado por las pujantes civilizaciones que imaginaban edificios de grandes alturas, las cuales apilaban bloques de arcilla recocida para armar los muros portantes que sostendrían las estructuras antiguas, este sistema fue empleado mucho antes de la invención del concreto armado o los perfiles de acero y fue remplazado poco a poco por estas nuevas practicas constructivas que permiten la construcción de estructuras muy altas. 2.2 Tipos de mampostería Clasificación de los muros según su función estructural Muros portantes: Los muros portantes, además de llevar cargas verticales adicionales a su peso propio, están sometidos a cargas horizontales, laterales y coplanares, por ejemplo las producidas por un sismo o viento y a momentos transversales derivados de las 7

24 inevitables excentricidades en las cargas verticales adicionales al peso propio (Gallegos, 1993) Muros no portantes Son aquellos muros que solo llevan cargas verticales (gravitacionales) y horizontales (sísmicas y/o de viento), generadas por su propia existencia, se pueden considerar de estas categoría los muros de contención (Gallegos, 1993) Tipos de mampostería según la disposición de los refuerzos Mampostería confinada Son paredes rodeadas (en su periferia) de elementos menores de concreto armado, para garantizar la estabilidad de estas al ser sometidas ante cargas horizontales perpendiculares a su plano, la configuración se muestra en la figura 2.1. (Castilla, 1997). Figura 2.1.Estructura de mampostería confinada. 8

25 Mampostería armada Consiste en paredes reforzadas internamente con acero longitudinal y transversal, rellenando las cavidades correspondientes de los bloques con concreto líquido, la configuración se muestra en la figura 2.2. (Castilla, 1997).. Figura 2.2. Paredes de mampostería Armada. (Fuente: Normas técnicas complementarias para diseño y construcción de estructuras de mampostería, 2004) 2.3 Características y ventajas de la mampostería armada La mampostería armada ha hecho posible extender el concepto histórico de la mampostería a estructuras de paredes mucho más delgadas y con alturas de hasta 20 pisos, nivel hasta el que se considera económicamente factible construir edificios de mampostería de concreto. En nuestro medio, si bien se han logrado estructuras de grandes alturas, predomina la utilización de la mampostería estructural para viviendas de uno y dos niveles y para multifamiliares de 5 pisos, conformando unidades de gran tamaño ver figura

26 Figura 2.3. Estructuras de mampostería Armada. Fuente: El empleo de la mampostería armada se ha vuelto muy oportuno en los últimos tiempos por varias razones, entre ellas se encuentran: a) Es un sistema estructural que admite la participación del usuario en su fase constructiva y reduce considerablemente la costosa utilización de encofrados, la racionalización de su uso tiene especial significado dentro del campo de la vivienda informal, ya que puede adaptarse a las condiciones económicas de las personas que recurren a este tipo de edificación como una solución al problema habitacional (Abouhamad, 1987) b) Posee características sismorresistente adecuadas debido a la configuración propia del acero de refuerzo, ya que el refuerzo longitudinal es el 10

27 responsable de resistir la tracción del elemento debido al volcamiento, mientras que el refuerzo horizontal debe resistir el corte impuesto, a demás que el armado tipo malla que presenta este tipo de estructuras se puede aprovechar mejor desde el punto de vista sismorresistente por su comprobado buen comportamiento, en comparación con la mampostería confinada.(castilla, 1997). c) Se puede emplear en la construcción de vivienda multifamiliares, en estructuras de hasta 14 pisos, con un comportamiento sismorresistente mucho mejor que las estructuras de mampostería confinada. Ensayos en el IMME han logrado constatar que la resistencia de muros de Mampostería Armada es 3,38 veces mayor que la resistencia de muros de Mampostería Confinada con las mismas dimensiones. (Castilla, 1995). 2.4 Tipos de materiales empleados en mampostería armada Unidades de albañilería La norma chilena NCh1928.Of1993 define a las unidades de albañilería como piezas simples empleadas en la construcción de albañilería: ladrillos cerámico, bloque de concreto u otro. Para los efectos de este trabajo se consideraran sólo los bloques de concreto y además los más usados en el país, ya sean de dos o tres celdas cuyas dimensiones son las siguientes (dimensiones nominales en cm): 40x20x10, 40x20x15 y 40x20x20 cuyo espesor de las paredes varia entre 13 y 25 cm. (Palladino y Perna, 1985). Los bloques huecos de concreto son elementos simples en forma de paralelepípedo ortogonal, con perforaciones paralelas a una de las aristas, ver figura 2.4. (COVENIN 42-82, 1982). 11

28 Los bloques producidos en el territorio venezolano deben cumplir con algunas especificaciones y requisitos impuestos por la norma COVENIN 42-82, en cuanto a la apariencia, resistencia a la compresión, dimensiones, etc. A continuación se muestra los requerimientos mínimos de resistencia a compresión que deben presentar los bloques (COVENIN 42-82, 1982). Tabla 2.1. Requisitos mínimos de resistencia a la compresión (norma COVENIN 42-82) Tipo de bloque Promedio 3 bloques (Kg/cm2) Mínimo 1 bloque (Kg/cm2) A A B1-B Siendo: Bloque tipo A1: bloques para paredes de carga, expuestas a la humedad. Bloque tipo A2: bloques para paredes de carga, no expuestas a la humedad. Bloque tipo B1: bloques para paredes que no soportan carga, expuestas a la humedad. Bloque tipo B2: bloques para paredes que no soporten carga, no expuestas a la humedad. 12

29 Figura 2.4. Bloques huecos de concreto Acero de refuerzo o armadura La norma chilena NCh1928.Of1993 define a la armadura como barras de acero estructural incluidas en el mortero o en el hormigón de relleno de la albañilería, ver figura 2.5. Figura 2.5. Barras de acero estructural. 13

30 La implementación del acero de refuerzo en la mampostería mejora el comportamiento estructural de los elementos resistentes a cargas horizontales y verticales, debido a que éste es el responsable de resistir los esfuerzos de tracción, pues las hipótesis de diseño suponen que ni el concreto ni las piezas de albañilería soportan dichas solicitaciones. Además que este material es el que permite la incursión de las estructuras en el rango plástico, consiguiendo la disipación de energía por histéresis. Como se dijo anteriormente, el refuerzo longitudinal es el responsable de resistir la tracción del elemento debido al volcamiento, mientras que el refuerzo horizontal debe resistir el corte impuesto cuando la albañilería sea incapaz de hacerlo Mortero La norma chilena NCh1928.Of1993 define al mortero como un material que resulta de mezclar cemento, arena y agua, o, cemento, cal, arena y agua. Estudios hechos en el Instituto de Materiales y Modelos Estructurales que han caracterizado el mortero empleado en las viviendas de mampostería en las ciudades venezolanas (Genatios y otros, 1984) expresan que las funciones principales del mortero en estas viviendas son: - Unir las piezas de mampostería, corrigiendo eventualmente imperfecciones que pudieran existir en las piezas, permitiendo así su colocación en forma nivelada. - Impedir el deslizamiento horizontal de las piezas, cuando estas son sometidas ante cargas en esa misma dirección. - Permitir un buen acabado por medio del frisado que a su vez protege al elemento de la entrada de agua. 14

31 Composiciones del mortero La relación volumétrica más usada en los ensayos realizados para la determinación de las propiedades mecánicas de la mampostería es de 4:1:1 (partes de arena, cal y cemento respectivamente) proporciones en volumen. También existen variaciones en las proporciones que a su vez hace que varíen las propiedades mecánicas y físicas de este material, lo cual se mostrará más adelante. 2.5 Propiedades mecánicas de la mampostería en Venezuela La mampostería es un elemento que como ya se expreso anteriormente, está formado por la unión de diferentes materiales que deben trabajar como un todo para resistir las solicitaciones. Por esta razón, es necesaria la caracterización de las propiedades de cada uno de los elementos y materiales que la conforman, para así poder analizar y diseñar los elementos de mampostería mediante procedimientos analíticos representativos de la realidad. A continuación se detallaran los resultados obtenidos en investigaciones realizadas por estudiantes y profesores de la Universidad Central de Venezuela, que mediante ensayos y métodos estadísticos caracterizaron las propiedades mecánicas de algunos componentes de la mampostería en el territorio venezolano Propiedades básicas de las piezas y del mortero Propiedades de las piezas - Ensayos realizados por el Profesor Enrique Castilla. (Castilla, 1997). La siguiente tabla ilustra una experiencia general del IMME con valores realísticos de fm para el tipo de mampostería que pudiera utilizarse en el país, con una relación volumétrica del mortero de 4:1:1. (Castilla, 1997). 15

32 Tabla 2.2. Valores promedios de fm para Venezuela Valores promedios de fm para Venezuela Tipo de mampostería Fm (kgf/cm2) Bloques huecos de arcilla 15 a 20 Bloques de concreto estructurales 50a 80 Bloques de concreto de menor calidad 20 a 30 Ladrillos macizos de arcilla de mejor calidad 150 a 160 Ladrillos macizos de arcilla de menor calidad 80 a 100 Adaptado de: castilla, Donde: Fm: Resistencia a la compresión en kgf/cm2 Otros ensayos que consistieron en compresión de cinco piezas independientes de concreto hasta la rotura, preparados y ensayados en dirección paralela a las celdas de las piezas, arrojaron como resultados las siguientes propiedades (Castilla, 1995): Tabla 2.3. Características y propiedades de bloques de concreto. Denominación: 15-A Área bruta media: 569 cm2 Área neta media: 359 cm2 Peso aproximado: 7.5 Kg/und. Resistencia media a compresión: Kg/cm2 Adaptado de: castilla,

33 - Trabajo hecho por los Ingenieros Abouhamad, Bellorin y Carmona. (Abouhamad, 1987) Este trabajo especial de grado tuvo como objetivo la definición de las propiedades mecánicas de los bloques de concreto fabricados en el área metropolitana mediante ensayos que permitieran definir la resistencia a la compresión, módulo de elasticidad y el modulo de Poisson, a demás de un análisis estadístico que arrojo valores promedios representativos de dichas propiedades, tomando en cuenta la variación en los datos y las dispersiones producidas en los ensayos. A continuación se muestran los resultados que derivaron de los ensayos de compresión hasta la rotura de bloques provenientes de uno de los seis fabricantes de bloques: 17

34 Tabla 2.4. Evaluación estadística de los esfuerzos últimos obtenidos en los ensayos a compresión de bloques de concreto. Ancho del Bloque cm Ensayo con Carga Aplicada en la Ensayo con Carga Aplicada en la Dirección Paralela a las Celdas Dirección Perpendicular a las Celdas i prom D.E. C.V. (Kg/cm2) (Kg/cm2) (Kg/cm2) (%) i prom D.E. C.V. (Kg/cm2) (Kg/cm2) (Kg/cm2) (%) área neta área bruta Adaptado de: (Abouhamad, 1987) Donde: i: Esfuerzo de rotura expresado en (Kg/cm2). prom: Esfuerzo promedio de rotura expresado en (Kg/cm2). D.E.: Desviación estándar expresado en (Kg/cm2). C.V.: Coeficiente de variación. 18

35 Luego de haber ensayado bloques provenientes de seis fabricantes diferentes ubicadas en el área metropolitana y habiendo manejado los resultados a través de análisis estadísticos, presentaron las tablas 2.5 y 2.6, las cuales muestran los valores recomendables de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad, advirtiendo que su uso esta limitado por los altos coeficientes de variación asociados a ellos, por el método empleado para su determinación y por el hecho de que los valores promedios pertenecen a bloqueras de diferentes configuración geométrica, densidad y nivel de tecnología (Abouhamad, 1987). Tabla 2.5. Valores recomendados de resistencia a la compresión valores Recomendables de Resistencia a la Compresión TIPO Dirección paralela a las Dirección perpendicular a las celdas celdas (kg/cm2) C.V. (%) (kg/cm2) C.V. (%) Tomado de: (Abouhamad, 1987) Tabla 2.6. Valores recomendables de módulo de elasticidad Valores Recomendables de Modulo de Elasticidad TIPO Dirección paralela a las Dirección perpendicular a las celdas celdas E (kg/cm2) C.V. (%) E (kg/cm2) C.V. (%) Tomado de: (Abouhamad, 1987) 19

36 Propiedades del mortero. - Trabajos hechos por los profesores Genatios, García, López y Rodríguez. Esta parte de la investigación de los profesores (Genatios, 1984), consistió en la caracterización de los elementos empleados por el sector informal en cuanto a la composición del mortero, comparándolas con la composición del mortero optimo para mampostería sugerida por las normas ASTM C270-73, donde se ensayaron tres muestras cubicas de 5 cm de lado con la composición empleada por el sector informal y tres muestras mas pero con la composición recomendada por las normas ASTM C La tabla 2.6 y 2.7 muestran la composición de los morteros a ensayar mientras que la tabla 2.8 muestra los resultados de resistencia a la compresión y módulos de elasticidad de las muestras ensayadas: Mortero 1: mortero recomendado para mampostería por las normas ASTM C Proporciones en volumen. Fluidez aproximada de 110% a 115%. Tabla 2.7. Mortero recomendado para mampostería por las normas ASTM c Proporciones en volumen. Cemento arena cal mortero /2 1/2 Adaptado de: (Genatios, 1984) Mortero 2: mortero elaborado con la misma proporción de materiales utilizados en el barrio. Proporciones en peso. Fluidez aproximada de 110% a 115%. Tabla 2.8. Mortero elaborado con la misma proporción de materiales utilizados en el barrio. Proporciones en peso. Cemento arena cal mortero Adaptado de: (Genatios, 1984) 20

37 Tabla 2.9. Propiedades mecánicas de los morteros estudiados (numero de muestras: 3) Tipo de Mortero Parámetros Esfuerzo Ultimo Modulo Elasticidad Estadísticos (Kg/cm2) (Kg/cm2) Mortero del barrio Media Aritmética Mortero A.S.T.M. Media Aritmética Mortero del barrio C.V. (%) Mortero A.S.T.M. C.V. (%) Adaptado de: (Genatios, 1984) - Análisis de resultado aportados por los autores de la investigación: La tabla nos muestra que el mortero recomendado por la norma ASTM no cumple con el esfuerzo último a compresión establecido por esta norma, ya que éste debería ser superior a los 52 kg/cm2. La norma recomienda que al mortero se le debe añadir cal con el fin de darle suficiente plasticidad a la mezcla y facilitar la retención de agua por parte de ésta durante el proceso de secado, pero como la arena que se usa en el país para la elaboración del mortero es, en general, un suelo de alta plasticidad, la cal aumentaría esa plasticidad y, a su vez, restaría resistencia a la mezcla. (Genatios, 1984). Por otra parte los resultados expresados en la tabla nos muestran que el mortero que se utiliza en los barrios obtuvo un esfuerzo último promedio de 70,6 kg/cm2, es decir, que esta por encima del valor mínimo que establece la norma ASTM, hay que tener en cuenta que los resultados obtenidos quizás estén un poco alterados debido a que las muestras fueron elaboradas y curadas en el laboratorio y no representan la condición real. (Genatios, 1984) 21

38 - Estudios realizado por el Ing. Luchsinger J. (Luchsinger, 1972). En este trabajo se evaluaron las características mecánicas de la mampostería, en forma experimental, a través de probetas que trataban de representar un tipo de tabaquería medio (Luchsinger, 1972). En la investigación se determinó las características mecánicas de los elementos de mampostería en el país, mas sin embargo en esta oportunidad solo se tomará en cuanta los resultados obtenidos de las diferentes configuraciones de composición de los morteros (tabla 2.9), puesto que permite evaluar la variación de las propiedades mecánicas de los morteros cuando se varia su composición. Tabla Resultados de los ensayos sobre morteros para unión de bloques de arcilla. Resistencia a Compresión Cilindros de 5 x 11 cm Modulo de Obra Mezcla Pesos (Kg./m3) 7 días (Kg./cm2) 28 días (Kg./cm2) elasticidad (Kg./cm2) ,31 27,76 44,82 47, ,45 20,26 30,19 42, ,09 47,04 78,09 85, ,51 6,7 10,9 15, ,38 19,04 23,06 34, ,55 14,94 20,84 32, * 1985,54 6,21 9,95 19, ,2 5,95 8,15 18, ** 2053,94 47,2 60,49 70, ,32 12,38 17,11 26, ,43 5,05 8,78 24, ,74 6,85 11,66 20, ,64 5,24 7,13 18,987 Adaptado de: (Luchsinger, 1972). 22

39 En donde no se indique lo contrario todas las proporciones son en volumen de arena amarilla, polvo de piedra cemento. Estas proporciones fueron obtenidas de los encargados de las obras. *: Tierra roja 1 Polvo de piedra. **: Arena lavada 1 Arena amarilla La resistencia de los muros ante cargas verticales - Estudios realizados por los Profesores Enrique Castilla y Manuel Pose. (Castilla, 1995). Ensayo hechos en el IMME para caracterizar las propiedades mecánicas de la mampostería venezolana aportó datos sobre la resistencia a compresión y a corte de muretes de concreto (Castilla, 1995). Cada murete formado por tres bloques de concreto dispuestos uno sobre otro y pegados con el mortero 4:1:1 (partes de arena, cal y cemento respectivamente), luego con una modificación del murete se preparó y ensayaron cinco especímenes, los cuales se sometieron a corte contra compresión y se obtuvieron los siguientes valores: Tabla Ensayo de pilas a compresión. Tipo armado ab= 568,58 cm2 Murete h (cm) P (ton) f`m (Kg/cm2) 1 62,3 32,5 57, ,7 35,8 62, ,7 35,1 61, ,3 32,9 57,86 Promedio 34,1 59,93 Tomado de: (Castilla, 1995). 23

40 Tabla Ensayo de murete a corte. Esfuerzo de Carga de Corte Esfuerzo de Compresión Compresión (Kg) Corte (kg/cm2) (kg/cm2) 0,25 P 14,9 2683,9 6,17 0,25 P 14,9 2588,3 5,95 0,35 P 20,9 3202,3 7,36 Tomado de: (Castilla, 1995) Resistencia de los muros ante cargas horizontales. - Estudios hechos por los Profesores Enrique Castilla y Manuel Pose. (Castilla, 1995). Parte del estudio consistió en disponer dos muros de mampostería reforzada a escala natural, para ser ensayados ante cargas laterales. La mampostería utilizada consistió de mortero, lechada y piezas huecas de concreto. Las dimensiones de los muros correspondieron a 2.40 m de altura, 2.80 m de ancho y 14 cm. de espesor, siendo ésta última el espesor de la pieza, la figura 2.6 muestra el mecanismo implementado para el ensayo de estos muros. Figura 2.6: Sistemas y modelos de ensayos de muros de mampostería (fuente: Marinili, 2007) 24

41 El armado interior consistió en una armadura vertical y horizontal. La armadura vertical resulto en 14 barras de diámetro ½ cada 60 cm. - Resultados obtenidos de los ensayos: El comportamiento del muro reforzado internamente ante la carga horizontal monotónicamente se presenta en la figura anexa (figura 2.7), se alcanzó una carga máxima de 32.6 Ton debido al aplastamiento de la zona de contacto entre el gato y la viga superior, eran de esperarse mayores niveles de carga para el agotamiento del muro de no ser por esta falla tan localizada, además que se puede observar de la figura 2.7, una respuesta del muro ante carga lateral con tres estados diferentes de rigidez (Castilla, 1995) Figura 2.7. Curva carga vs. Desplazamiento. Fuente: Castilla,

42 2.5.4 Longitudes de solape de barras de acero. - Trabajo especial de grado de la Ing. Volcán S. (Volcán, 1993) Este trabajo consistió en disponer de 54 muretes de configuraciones particulares, variando el ancho del bloque y el diámetro de las barras de refuerzo con el fin de precisar la respuesta y evaluar el comportamiento de cada una ante la aplicación de cargas (Volcán, 1993) En este trabajo se propuso una fórmula para la determinación de las longitudes de solape para barras sometidas a tracción donde el acero desarrolle su estado de cadencia, la fórmula propuesta es la siguiente: = (. )( )( ) (cm) (Ecuación 2.1) Con =1, si β = 2.21 Y =, si β = < Donde: Ld: longitud de desarrollo. t: ancho del bloque. e: espesor de las paredes de bloque. f cm: resistencia del concreto líquido. db: diámetro de las barras de acero. Fy: resistencia de cedencia del acero. 26

43 La ventaja de la ecuación 2.1 es que incluye todas las variables influyentes para determinar el correcto funcionamiento del solape (diámetro del refuerzo, resistencia del acero, resistencia del concreto líquido, espesor de la pared y ancho del bloque. 27

44 CAPITULO III MÉTODO El presente trabajo tuvo como finalidad la recopilación de criterios y lineamientos para el cálculo de estructuras de mampostería armada, basándose en las normas de otros países de Latinoamérica, cuya metodología se desarrollara en las siguientes etapas: 3.1 Recopilación bibliográfica. Primeramente se recopiló la información bibliográfica que permita profundizar en el tema de investigación, por lo que se basó en la revisión de las normas de mampostería de Chile, México y Perú, además de autores con una amplia experiencia en la investigación de estos sistemas. Se sometió a revisión los trabajos publicados del Instituto de Materiales y Modelos Estructurales de la Facultad de Ingeniería de la UCV, incluyendo los trabajos de grado que aporten información al presente trabajo. Se tomó en cuenta las normas del M.O.P. de 1955 y las normas COVENIN que guardan relación con la investigación. La estructura que se siguió para alcanzar el objetivo descrito por esta etapa, es la siguiente: a) Definiciones, características y clasificaciones de algunos términos que permitan la comprensión, familiarización y entendimiento del tema y objetivos de la investigación. b) Caracterización de las propiedades mecánicas y físicas de los materiales empleados para la construcción de mampostería reforzada en Venezuela, 28

45 mediante la recopilación bibliográfica de trabajos hechos en el Instituto de Materiales y Modelos Estructurales de la UCV, que permitan caracterizar los materiales fabricados en el territorio. 3.2 Comparación de normas. En esta etapa se identificaron los parámetros más importantes de las normas mexicana, peruana y chilena, para así analizarlos y posteriormente hacer una comparación entre los criterios que guarden relación ubicados en cada una de ellas, con la finalidad de determinar cual norma presenta parámetros más conservadores y observar las distintas metodologías empleadas por cada país. Esta etapa se dividió en dos partes, que se describen a continuación: 1) Análisis comparativo de las características mecánicas y físicas de los materiales exigidas por las normas latinoamericanas para la construcción de mampostería armada, en contraste con los requerimientos exigidos por las normas existentes en Venezuela que guarden relación con los requerimientos mínimos de los materiales a emplear en la construcción de dicho sistema. 2) Análisis comparativo entre los distintos criterios constructivos y de diseño estructural que presentan las normas mexicanas, peruana y chilena. 3.3 Elección de la norma a emplear en el cálculo de viviendas de mampostería armada. Luego de haber analizado los parámetros constructivos presentados por cada norma, se procedió a la escogencia de la norma que se considero más elaborada, mejor redactada para la comprensión y mas detallada en la definición de los criterios constructivos para edificaciones de mampostería armada. 29

46 3.4 Diseño estructural de una vivienda unifamiliar de una planta. Una vez elegida la norma, se procedió a aplicar los criterios de diseño y de cálculo a una vivienda unifamiliar típica venezolana, se partirá del diseño arquitectónico de la estructura y se hará uso de la norma para hacer el calculo estructural de la vivienda de mampostería reforzada, de manera que se pueda apreciar la aplicabilidad de la norma en el territorio venezolano. El producto final será constara de una memoria de cálculo y planos de planta y detalle de los muros, aceros de refuerzo y los elementos estructurales de la vivienda. 3.5 Conclusiones y Recomendaciones. Luego de haber culminado con las etapas del trabajo de investigación y haber analizado minuciosamente cada uno de las consideraciones empleadas para el diseño de estructuras de mampostería armada, se procedió a aportar las conclusiones y recomendaciones pertinentes acerca de los objetivos alcanzados. 30

47 CAPITULO IV ANÁLISIS COMPARATIVO DE NORMAS LATINOAMERICANAS 4.1 Análisis comparativo de los requerimientos exigidos por las diferentes normas en cuanto a las propiedades físicas y mecánicas de los elementos de mampostería armada. Las normas de diseño y cálculo de mampostería de los diferentes países exponen exigencias mínimas en cuanto a las propiedades mecánicas y físicas de cada uno de los elementos que conforman a la mampostería, de manera que si se garantizan estas exigencias mínimas, entonces se puede garantizar el adecuado comportamiento de las estructuras ante eventos sísmicos. Por lo que se sabe, cada norma o código expone sus propios parámetros y criterios constructivos, que dependen de las características propias de los materiales utilizados y las teorías empleadas para el cálculo y diseño de los elementos estructurales Requerimientos para la utilización de bloques de concreto. Los bloques de concreto que son empleados en la construcción de estructuras de mampostería armada deben cumplir con requerimientos mínimos que garanticen un buen comportamiento como elementos estructurales, a continuación se exponen los requerimientos mínimos que estas unidades deben presentar para cada país. 31

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