Pontifica Universidad Católica del Perú Departamento de Ingeniería Sección Ingeniería Civil


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1 Pontifica Universidad Católica del Perú Departamento de Ingeniería Sección Ingeniería Civil SERIE CUADERNOS DE ADOBE TITULO 1: CARACTERIZACIÓN DE DAÑOS EN CONSTRUCCIONES DE ADOBE. DANIEL TORREALVA DÁVILA JUNIO 2003

2 AGRADECIMIENTO. El presente trabajo ha sido desarrollado como parte de las actividades del Semestre de Estudio e Investigación otorgado por el Consejo Universitario para el período de Agosto a Diciembre del año 2002 a quienes expreso mi agradecimiento. Este trabajo forma parte de una serie de artículos sobre construcciones de tierra que se realizaron en gran parte durante ese semestre, entre ellas se encuentran las siguientes: Recopilación de Investigaciones sobre la Resistencia Sísmica de Construcciones de Adobe, Características Estructurales de las Construcciones de Tierra Prehispánicas en América, y Recopilación de Proyectos de Implementación y Difusión de Tecnología Mejorada de Construcción con Tierra.

3 BORRADOR CARACTERIZACIÓN DE DAÑOS EN CONSTRUCCIONES DE ADOBE. 1. INTRODUCCIÓN. Es ampliamente aceptado el hecho que las construcciones de adobe son altamente vulnerables frente a fenómenos naturales como los sismos e inundaciones. Su casi nula resistencia a la tracción y la alta inestabilidad de sus propiedades mecánicas cuando son afectadas por la humedad han producido efectos desastrosos en incontables construcciones de este tipo a lo largo de la historia. Pese a ello, es todavía el material de construcción mas utilizado por habitantes de las zonas rurales en el Perú y otros países del tercer mundo. La investigación sobre vivienda rural de adobe ha estado orientada por lo general a encontrar un procedimiento factible de refuerzo sísmico y a estabilizar el material frente a los efectos de la humedad. Desde el punto de vista del refuerzo sísmico, es imprescindible conocer y comprender como afectan los sismos a estas construcciones y una forma de obtener este conocimiento es analizando los diversos tipos de falla que han ocurrido en construcciones de adobe en el pasado. En este trabajo se describen diversos tipos de fallas ocurridas en construcciones de adobe cuya tipología arquitectónica corresponde a la utilizada en el continente americano, es decir construcciones de uno y dos pisos por lo general, con muros ortogonales entre sí y entrepisos de madera y techos que pueden ser livianos o pesados, planos o inclinados. Se incluyen construcciones rurales y urbanas y dentro de estas últimas, construcciones coloniales y contemporáneas. Adicionalmente, y con la finalidad de ampliar el entendimiento sobre el comportamiento sísmico, se muestran algunas fallas que han podido ser reproducidas en laboratorio mediante el uso de simuladores sísmicos. Asimismo, se muestran fallas producidas por efectos de la humedad, fallas del terreno, influencia de los techos y otros, que pueden presentarse en forma simultánea con las fallas sísmicas y cuya combinación las hace aún mas vulnerables.

4 2. DAÑOS PRODUCIDOS POR TERREMOTOS La actual documentación sobre los daños producidos por terremotos intensos es esencial para entender como se han comportado históricamente las edificaciones de adobe durante terremotos. Mientras es cierto que algunas partes o la edificación en su totalidad pueden colapsar durante terremotos fuertes, esto no significa que las edificaciones de adobe sean inestables, simplemente porque los muros estén agrietados. Es necesario hacer previamente una distinción entre muros gruesos y muros delgados, es decir tomar en cuenta la esbeltez de los muros, ya que el comportamiento y la posibilidad de supervivencia ante sismos varía sustancialmente según sea la esbeltez de los muros. La Norma Peruana de Diseño en Adobe NTE.080 del año 2000, recogiendo este diferente comportamiento, hace una clasificación del tipo de refuerzo mínimo según la esbeltez de los muros, por otro lado, Tolles et al (2) en un exhaustivo trabajo sobre las construcciones históricas de adobe en California dice El comportamiento de una edificación de adobe, es sustancialmente afectado por el espesor de sus paredes. Los muros delgados, intermedios y gruesos son definidos en términos de su relación altura/espesor (SL) de la siguiente manera muros gruesos SL < 6; moderados, 6 < SL < 8; y delgados, SL > 8. Las paredes delgadas de adobe pueden resultar inestables tan pronto como se forman las fisuras a través de las paredes. Sin embargo una pared gruesa de adobe está lejos de perder estabilidad después que la primera fisura se desarrolla Se puede entonces concluir que los muros gruesos tienen mayor posibilidad de supervivencia frente a los sismos que los muros delgados. En lo que respecta a los tipos de falla se pueden catalogar en dos grandes grupos, la falla de los muros por volteo fuera del plano y la falla de los muros debida a fuerza horizontal en su propio plano. De estos dos tipos de falla, la que se presenta primero y por lo tanto a menores niveles de intensidad sísmica es la falla por volteo fuera del plano, cuando este tipo de falla se controla, se producen, a un mayor nivel de intensidad sísmica, las grietas debidas a la fuerza horizontal en el plano del muro, las cuales dependiendo de la esbeltez y de la duración del sismo pueden causar el colapso total o parcial de los muros.

5 2.1 Daños causados por fuerzas perpendiculares al plano del muro. Como se ha mencionado, las grietas que se originan por fuerzas fuera del plano del muro son por lo general las primeras que se presentan y ocurren a pueden ocurrir a niveles bajos de intensidad sísmica, sin que esto signifique necesariamente la pérdida de estabilidad. Los principales factores que afectan la estabilidad de los muros de adobe que son sometidos a fuerzas fuera de su plano son: El grosor del muro y su esbeltez. La conexión entre el muro y el techo o el sistema de piso. Si el muro es portante o no. La longitud libre del muro o distancia entre la intersección de los muros transversales. La condición de la base del muro. A continuación se describen los casos más comunes de este tipo de acción El Colapso de tímpanos En zonas lluviosas es común en las viviendas de adobe el techo a dos aguas hecho que por lo general conlleva la construcción de un tímpano como una continuación de los muros extremos. La mayor altura de estos muros los hace especialmente vulnerables al colapso fuera del plano aún cuando puedan estar ligeramente arriostrados por el techo de la vivienda que por lo general se apoya sobre ellos. Dos tipos de falla fuera del plano se presentan en estos casos: el primero cuando se genera una grieta horizontal en el nivel inferior del tímpano produciendo el colapso del mismo y el segundo cuando la mayor masa del muro produce el agrietamiento en la parte superior de las esquinas de conexión con los muros transversales, llegando a producir el colapso total del muro fuera del plano.

6 Figura 1 Foto 1. Inicio de la grieta en la parte superior del tímpano, Cuzco Foto: D. Torrealva

7 Foto 2. Grieta vertical en parte superior del tímpano, Cuzco Foto: D. Torrealva Foto 3. Grieta vertical que se inicia por efecto del tímpano, Castilla, Arequipa Foto: D. Quiun.

8 Figura 2. Foto 4. Colapso total de la pared del tímpano.

9 2.1.2 Grietas verticales en las esquinas y volteo del muro fuera del plano. En la casi totalidad de viviendas de adobe en América no se puede catalogar sus techos como diafragmas rígidos, por lo tanto las aceleraciones horizontales generan una vibración independiente de cada muro respecto a los restantes. Por otro lado la masa de los techos es por lo general mucho menor que la masa de los muros, llegando a tener estos el 80% de la masa total de la edificación. Cuando ocurre un movimiento sísmico en viviendas de techo liviano, la vibración fuera del plano de muros ortogonales entre sí genera entonces una concentración de esfuerzos de tracción en la parte superior de las esquinas, generando una grieta vertical que se propaga hacia abajo. Esta grieta vertical hace que el muro quede suelto vibrando libremente en sentido perpendicular a su plano, lo que a la postre causa su colapso fuera del plano. En ensayos de módulos de vivienda a escala natural, realizados en la Pontificia Universidad Católica del Perú en mesa rebatible y en simulador sísmico se ha verificado que es el primer tipo de falla que se presenta. Asimismo, estudios realizados por Krawinkler y Tolles (3) en modelos a escala sometidos a ensayos dinámicos, demuestran que los muros que no son portantes son más vulnerables a este tipo de falla que los muros sobre los cuales se apoyan las vigas del techo, las cuales sirven de arriostre lateral mientras no se exceda la fuerza de fricción. Figura 3 Figura 4

10 Foto 5. Grieta vertical en esquina superior de muro, Castilla, Arequipa, Foto: D. Quiun Foto 6. Grieta vertical en esquina superior de muro, Castilla, Arequipa, Foto: D. Quiun.

11 Foto 7. Grieta vertical en esquina en casi toda la longitud del muro, Castilla, Arequipa, Foto: D. Quiun Foto 8. Grietas verticales en esquina, reproducidas en ensayo dinámico en mesa vibradora. Módulo sin techo. Foto: LEDI

12 Foto 9. Grietas verticales en esquina, reproducidas en ensayo dinámico en mesa vibradora. Módulo con techo. Foto: LEDI Foto 10. Volteo lateral de muros en zona rural.

13 Foto 11. Colapso lateral de muro. Las viguetas del techo se apoyan en los muros transversales. (5a) (5b) Figura 5a y 5b.

14 Foto 12. Colapso lateral de muro. Las viguetas del techo se apoyan en los muros transversales. Foto 13. Colapso lateral del muro.

15 Foto 14. Colapso lateral de muro que produce la caída del techo. Foto 15. Colapso lateral de muro, el techo tiene una solera horizontal que impide su caída. En el lado derecho se aprecia un colapso de esquina. Cayambe, Ecuador Foto: D. Torrealva.

16 Foto 16. Colapso lateral del muro de una iglesia. La solera de madera impide la caída del techo. Santa Tecla, El Salvador Foto D. Torrealva Foto 17. Colapso lateral del muro de una iglesia que produce la caída del techo.

17 2.1.3 Grieta por flexión fuera del plano. Este tipo de grieta es típica de los muros libres y se produce por lo general cerca de la base debido a la flexión fuera del plano, una vez producida la grieta el muro se balancea como sólido rígido en un movimiento tipo rocking en el cual la posibilidad de colapso depende de la espués del muro. Estudios hechos por Bariola (4) en muros a escala natural sobre una mesa vibradora muestran que los muros gruesos pueden mantener su estabilidad aún espués de agrietarse completamente. Foto 18. Volteo lateral de cerco. Caravelí, Arequipa, Foto D. Quispe

18 Foto 19. Volteo de cerco por longitud excesiva sin arriostre transversal. Palpa, Ica, Foto: D. Torrealva Foto 19. Volteo de cerco de ladrillo asentado con barro. Moquegua, Foto: E. Fierro

19 2.1.4 Grieta horizontal por flexión fuera del plano a media altura del muro. Este tipo de daño se puede producir por efecto de volteo lateral, tal como se muestra en la foto 20, en que algunos machones cortos de adobe han impedido el volteo desde la base o por una combinación de volteo lateral y cortante en el plano del muro como lo indica la foto zz en que la fisura se vuelve diagonal en el extremo. Vargas et al han reproducido este segundo tipo de falla en ensayos estáticos en muros delgados sometidos a fuerza cortante en el plano, ver foto 22. Foto 20. Colapso lateral del muro a partir del alféizar de la ventana.

20 Figura 6 Foto 21. Colapso lateral a media altura en una combinación con efecto de fuerza cortante en el plano del muro.

21 Foto 22. Reproducción de la falla de la foto anterior en ensayo estático. Foto: DI-PUCP. 2.2 Daños causados por fuerzas cortantes en el plano del muro. Las grietas que se originan por fuerzas cortantes en el plano del muro ocurren cuando por alguna razón se ha controlado la falla por volteo y a niveles mayores de intensidad sísmica. Esta falla está directamente relacionada con la resistencia de la mampostería a la fuerza cortante. Los principales factores que influyen en los muros de adobe que son sometidos a fuerzas fuera de su plano son: El espesor del muro. La calidad de la mano de obra en la construcción del muro. La calidad del mortero. El peso del techo, que es directamente proporcional a la fuerza de inercia. El estado de conservación del muro. A continuación se describen los casos más comunes de este tipo de acción Grietas diagonales por fuerza cortante en el plano del muro. Cuando la falla fuera del plano está controlada ya sea porque los muros son suficientemente gruesos o porque el techo es a cuatro aguas produciendo un

22 amarre al nivel superior de los muros, se produce, a un nivel mayor de intensidad sísmica las típicas grietas en forma de X debido a la fuerza cortante en el plano del muro. Estas grietas hacen que el muro quede luego dividido en grandes bloques los cuales pueden disipar energía por fricción en las grietas producto de la combinación de carga vertical y fuerza horizontal. El colapso en este caso es por lo general parcial cuando uno o más de los bloques independientes se torna inestable por acción de las fuerzas fuera del plano actuando conjuntamente con la fuerza cortante coplanar. Se concluye entonces que este tipo de grieta se presenta en caso de muros gruesos o en caso de muros delgados siempre y cuando el techo funcione como un diafragma rígido produciendo un movimiento uniforme en la parte superior de los muros. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 7 (f)

23 Foto 23. Grietas de corte en el plano del muro. El techo pesado a cuatro aguas ha impedido el volteo lateral de los muros. Popayán, Colombia Foto: D. Torrealva Foto 24. Grieta inclinada por fierza en el plano del muro interior de un convento. Cuzco Foto D. Torrealva

24 Foto 25. Grietas verticales e inclinadas en el plano del muro. El techo pesado a cuatro aguas ha impedido el volteo lateral de los muros. Popayán, Colombia Foto D. Torrealva. Foto 26. Agrietamiento del muro por acción de fuerzas cortantes en su plano. Santa Tecla, El Salvador, Foto D. Torrealva

25 Foto 27. Agrietamiento generalizado del muro con desprendimiento del estuco por acción de fuerzas cortantes en su plano. Santa Tecla, El Salvador, Foto M. Hardy Grietas cerca de los vanos Estas grietas son también causadas por la acción de fuerzas cortantes en el plano del muro y se presentan usualmente en las esquinas superiores o inferiores de las aberturas de puertas y ventanas extendiéndose en forma diagonal hacia la parte superior o inferior del muro respectivamente. Son debidas a la concentración de esfuerzos en las esquinas de las aberturas y a la incompatibilidad de las propiedades mecánicas del adobe y el material de los dinteles.

26 Foto 28. Grieta diagonal en esquina superior del vano. Casa republicana en Chorrillos, Lima. Foto D. Torrealva. Foto 29. Grietas diagonales en vano de puerta. Casa republicana en Chorrillos, Lima. Foto D. Torrealva.

27 Foto 30. Colapso lateral del muro causado por las grietas en los vanos. Ica, Foto D. Torrealva. Foto 31. Grietas diagonales en esquina del vano, reproducidas en ensayo dinámico en mesa vibradora. Módulo con techo. Foto: LEDI

28 2.2.3 Grietas en las esquinas y desplome parcial. Esta grieta comienza en la parte superior del muro y se propaga en forma inclinada aislando un triángulo superior del muro, el cual colapsa por una combinación de fuerza cortante en ambos muros ortogonales y el efecto de la carga vertical. En la foto zz se muestra un caso de falla similar reproducido en laboratorio con fuerza sísmica en una sola dirección. Figura 8 Foto 32. Colapso de la esquina por grieta diagonal en dos direcciones. Castilla, Arequipa, Foto: D. Quiun.

29 Foto 33. Colapso de muro en esquina combinado con colapso lateral en el segundo piso. Cuzco Foto D. Torrealva. Foto 34. Daño en esquina reproducido en ensayo dinámico de un módulo sin refuerzo. Foto: COPASA-GTZ-PUCP

30 3. CARACTERIZACIÓN DE LOS DAÑOS PRODUCIDOS POR OTRAS CAUSAS. Los daños descritos hasta ahora corresponden a la acción de fuerza sísmica horizontal, pero hay también otras causas de daños como el daño producido por la vibración sísmica vertical, la influencia del techo, la humedad y asentamiento del suelo. 3.1 Daños por influencia del techo. Los techos, especialmente los techos pesados a dos aguas pueden causar empujes horizontales no previstos en la parte superior de los muros cuando los tijerales no están construidos adecuadamente. Si a esto se suma que en casos de sismos intraplacas, con foco superficial, la aceleración vertical puede llegar a tener valores importantes, el resultado es el colapso de los muros por el incremento de dicho empuje horizontal con el consecuente colapso del techo dentro de la vivienda. Foto 35. Colapso del techo de una casa colonial por falla de las columnas de madera del pasadizo. Izalco, El Salvador Foto M. Hardy.

31 (a) (b) Figura 9 Foto 36. Techo pesado apoyado sobre un muro de adobe y columnas de madera, en precario estado de equilibrio. Izalco, El Salvador, Foto M. Hardy.

32 3.2 Daños por humedad. El agua y la humedad son enemigos naturales de la construcción con tierra, la resistencia a la compresión y al corte de la mampostería de adobe disminuyen drásticamente con el contenido de humedad. La humedad en las paredes tiene las siguientes causas: - Protección inadecuada de los muros contra las lluvias. - Presencia de humedad en el suelo y una inadecuada cimentación o ausencia total de ella. - Instalaciones de agua defectuosas empotradas en los muros de adobe. Esto es especialmente común en casas tugurizadas de los centros históricos de ciudades como Lima. La presencia de humedad es particularmente peligrosa cuando ocurre en la base de los muros, debido a la carga vertical que soportan, los muros húmedos comienzan a hincharse transversalmente llegando a producir el colapso por el peso propio. Es obvio por tanto, que si un muro en estas condiciones se ve afectado además por fuerzas sísmicas, su posibilidad de supervivencia será mínima. Foto 37. Humedad en parte baja de muro con disminución de sección transversal. Izalco, El Salvador, Foto: M. Hardy.

33 Foto 38. Detalle del daño de la foto anterior con disminución de sección transversal por erosión. Izalco, El Salvador, Foto: M. Hardy. 3.3 Daños por erosión. Usualmente las casa de tierra poseen un enlucido cuya finalidad es proteger los muros de acciones erosivas externas tales como el viento, la acción del hombre o animales. Cuando no existe este enlucido o se pierde por falta de mantenimiento, el efecto de la erosión es disminuir la sección neta del muro reduciendo su resistencia al corte y a cargas verticales con los consiguientes efectos adversos en caso de sismos.

34 Foto 39. Erosión en pared que ha perdido el recubrimiento. Chorrillos, Lima. Foto D. Torrealva. Foto 40. Erosión y humedad en parte baja de un pilar en la Iglesia Matriz de San Pedro de Lloc. Se ha erosionado el ladrillo del sobrecimiento y el adobe. La Libertad. Foto D. Torrealva.

35 3.4 Daños por combinación del adobe con materiales rígidos y modificaciones a la estructura original. A menudo se encuentra el adobe combinado con otros materiales como concreto armado, porciones de albañilería de ladrillo o enlucidos de cemento, todos ellos materiales mucho más rígidos que el adobe. Es por lo general el resultado de intervenciones estructurales por daños de sismos anteriores o modificaciones arquitectónicas a la distribución original de la construcción de adobe. Sismos posteriores, demuestran que la interacción dinámica entre ellos producen fisuras en la zona de contacto entre los dos materiales, especialmente cuando se trata de muros relativamente anchos. Foto 41. Desprendimiento del enlucido de mortero de cemento que descubre una modificación arquitectónica y mezcla de muro de ladrillo de arcilla y de adobe. Popayán, Colombia, Foto D. Torrealva.

36 Foto 42. Desprendimiento del mortero de cemento y mezcla de ladrillo con adobe. Popayán, Colombia, Foto D. Torrealva. Foto 43. Detalle del espesor del mortero de cemento. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva.

37 Foto 44. Esquina de ladrillo y pared de adobe. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva. Foto 45. Vano original cerrado con adobe y esquina de ladrillo. Enlucido de barro con paja. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva.

38 Foto 46. En la misma vivienda de la foto anterior, fisuras en pared de adobe con enlucido de barro con paja. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva. Foto 47. Daños mínimos en casa colonial enlucida con mortero de cemento aplicado sobre una malla de repelo. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva.

39 Foto 48. Detalle de la malla de repello en la vivienda de la foto anterior. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva. Foto 49. Columnas de concreto insertadas en muro de adobe. Intervención después del sismo. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva.

40 Foto 50. Detalle de la columna de concreto en la vivienda de la foto anterior. Popayán, Colombia, Foto: D. Torrealva. 3.5 Daños por asentamiento o deslizamientos de terreno. Ocurre por lo general en la vivienda rural andina, en viviendas que se asientan en las laderas de cerros o en terrenos de inclinada pendiente, es necesario realizar un trabajo de corte y relleno para poder ubicar la explanada de la vivienda. Es en este proceso, en el cual la parte del relleno se hace en forma manual y sin criterio técnico, que muchas veces este cede ante el peso de la vivienda produciendo grietas que pueden convertirla en inhabitable. También es obvio que si a esta situación de inestabilidad se le suma un efecto sísmico, las probabilidades de colapso total de la vivienda son muy altas ya que lo primero que fallará será el terreno de cimentación. Un claro ejemplo de esto es el colapso generalizado de viviendas de adobe en el barrio de San Francisco en la ciudad de Moquegua, Arequipa en el sismo del 23 de Junio del 2001.

41 Foto 51. Daños por deslizamiento provocado por un sismo. Moquegua, Foto: CIP Foto 52. Daños por deslizamiento provocado por un sismo. Moquegua, Foto: CIP

42 4. DAÑOS POR COMBINACIÓN DE EFECTOS. Debido a que los movimientos sísmicos producen aceleraciones en direcciones perpendicular y paralela a los muros adicionalmente a la aceleración vertical, es común que se presenten daños debidos a más de una causa, lo que implica una mayor complejidad en la identificación y caracterización de ellos. La complejidad se vuelve aún mayor cuando adicionalmente a lo mencionado están presentes causas no sísmicas como el deterioro por humedad o erosión y fallas del suelo.

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