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Mampostería no reforzada

Técnicas de refuerzos sismo resistente para estructuras históricas de albañilería

1. Introducción2. Mecanismo de flexión horizontal3. Mecanismo de flexión vertical4. Mecanismo de flexión biaxial 5. Modelos experimentales5.1. Modelo 15.1.1.Resultado del modelo analítico5.1.2. Resultado del modelo experimental5.2. Modelo 25.2.1. Resultado del modelo analítico5.2.2. Resultado del modelo experimental5.3. Modelo 35.3.1. Resultado del modelo analítico5.3.2. Resultado del modelo experimental5.4. Modelo 45.4.1. Resultado del modelo analítico5.4.2. Resultado del modelo experimental5.5. Modelo 55.5.1. Resultado del modelo analítico5.5.2. Resultado del modelo experimental6. Recomendaciones y conclusiones7. Agradecimientos8. Referencias

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1. Introducción2. Selección de técnicas de refuerzo3. Selección de los materiales4. Técnicas de refuerzo4.1. Técnicas tradicionales o históricas4.2. Técnicas modernas5. Comentarios finales

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C O N T E N I D O

Esta sección es elaborada por el Departamento Técnico del INSTITUTO COLOMBIANO DE LA ARCILLA, órgano de ANFALIT, para enseñar las buenas prácticas de la utiliza-ción de los materiales de arcilla en la construcción

construcción80 Especificaciones técnicas

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1. Introducción

En muchos países actualmente se restringe el uso de la mampostería no confinada, a zonas de muy baja sismicidad, y se restringe su utiliza-ción a bajas alturas y usos definidos de la edificación. Específicamente, la normatividad colombiana clasifica la mampostería no reforzada como un sistema con capacidad mínima de di-sipación de energía en el rango inelás-tico y restringe su uso a estructuras de dos pisos en zonas de amenaza sísmi-ca baja (Tabla A.3-1 NSR-98).

La respuesta de los muros de mam-postería no reforzada ante excitacio-nes sísmicas perpendiculares al plano, la cual es responsable de la mayoría de los daños y colapsos en este tipo de estructuras, es compleja y poco comprendida. En esta investigación se aborda esta problemática y se pro-pone un modelo físico-matemático para predecir este tipo de comporta-miento.

Es importante aclarar que las acele-raciones sísmicas perpendiculares al plano de los muros no son elección del diseñador. Inevitablemente todos los muros estarán sometidos a acele-raciones perpendiculares a su plano, que generan fuerzas inerciales hori-zontales, y en el mejor de los casos, se deben exclusivamente al peso propio de los muros, que debe ser transmiti-do a cualquiera de las cuatro fronteras

del muro generando flexiones fuera de su plano.

Como en el caso de losas sometidas a cargas perpendiculares a su plano, dependiendo de las condiciones de apoyo de sus bordes se desarrollan flexiones combinadas en dos direccio-nes perpendiculares para poder trans-mitir las cargas a los apoyos. En este caso ocurre algo similar, pero debido a la fuerte anisotropía de los muros de mampostería no reforzada, los me-canismos de transferencia en las dos direcciones del plano difieren sustan-cialmente. En este trabajo se exploran dos modelos, uno para cada dirección de transferencia de cargas en el plano del muro: la horizontal y la vertical. Para el caso de muros en los que se puedan presentar los dos mecanis-mos, se propone la manera de com-binarlos. Finalmente, se verifican los modelos de transferencia de cargas en cada dirección independientemente y además cuando estos se combinan, a través de ensayos en mesa vibradora de muros a escala natural.

2. Mecanismo de flexión horizontal

En el 2002 el ingeniero Juan Diego Jaramillo publicó ensayos realizados en mesa vibradora a muros fabricados con unidades de mampostería maciza y con unidades de mampostería de perforación horizontal, con el fin de estimar la aceleración máxima, previa

Mampostería no reforzada Jaramillo F. Juan Diego1 Hincapié A. Gonzalo2 Morales L. Marcela3 Fotografía: Esperanza Vallejo

1Profesor, Universidad EAFIT, Medellín, Colombia. Email: jjarami@eafit.edu.co2Consultor, Email: cippi72004@yahoo.com3Profesora, Universidad de Medellín, Colombia. Email: mmorales@udem.edu.co

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al colapso, que podían resistir las es-tructuras de mampostería cuando se sometían a cargas perpendiculares a su plano. El modelo propuesto por Jaramillo se basó en un mecanismo de flexión horizontal, que considera la capacidad del mortero para resistir esfuerzos de compresión, y en la resis-tencia al esfuerzo cortante desarrolla-do en el contacto entre la superficie de los ladrillos y el mortero de pega horizontal. El modelo de transferencia horizontal de cargas que aquí se ve-rifica se basa en este mecanismo. Ver Figura 1.

A continuación se transcriben los re-sultados más importantes del trabajo del Ingeniero Juan Diego Jaramillo (2002).

Se considerara que la unidad básica en la que se basa el mecanismo de trans-ferencia horizontal de cargas perpen-diculares al plano del muro. En ésta, se muestra en tono de gris el mortero de pega y en blanco las piezas de mam-postería del muro. Ver figura 2.

Cuando el muro se somete a un mo-mento flector en Z, los dos ladrillos del medio rotan respecto a los ladrillos superior e inferior. En esta acción se presentan dos efectos que se oponen a este movimiento y que son la base de la resistencia del muro. Se pre-senta una compresión excéntrica del mortero de pega vertical, y además se presenta una torsión en el mortero de pega horizontal, entre los ladrillos que rotan y el ladrillo que se mantiene sin deformación relativa. Ver Figura 3.

Es importante anotar que el mecanis-mo de resistencia descrito está com-pletamente basado en la traba de las piezas. Si ésta no existe, el mecanismo de resistencia debe ser otro comple-tamente distinto, como efectivamen-te ocurre en el caso de transferencia vertical de cargas, como se verá más adelante.

De acuerdo con lo anterior, el momen-to resistente del muro en dirección Z, se escribe:

Figura 1. Orientación del muro con relación a su aceleración en la base.

Figura 2. Sección de un muro de mampostería.

Figura 3. Mecanismo de transmisión de la flexión a través de las unidades.

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Donde, MRT es el momento resistente debido al mecanismo de torsión, que está en función de la resistencia al cor-tante del mortero de pega horizontal, y MRC que es el momento resistente debido a la compresión del mortero de pega vertical, que es función del giro de los ladrillos, y éste nuevamen-te es función de la resistencia al cor-tante del mortero de pega horizontal.

Después de plantear el equilibrio de la unidad básica que se muestra en la figura 2 y considerando las propie-dades mecánicas de los materiales involucrados, incluyendo módulos de elasticidad y resistencias últimas de los materiales, se pueden escribir ecuaciones que permitan estimar el momento resistente de un muro con esas propiedades. En Jaramillo JD (2002) se pueden consultar estas ex-presiones.

Ahora, si se considera que la acelera-ción perpendicular al plano del muro genera fuerzas de inercia constantes a lo largo del muro e iguales a la masa por la densidad del muro, es posible relacionar la aceleración actuante con el momento resistente del muro, MR, para encontrar la aceleración sísmica resistente, AR, como:

(2)

En la ecuación 2, g representa la ace-leración de la gravedad, φR representa un factor de reducción de resisten-cia, γ representa el peso por unidad de volumen del muro, y t, w y b son dimensiones ya definidas del muro (ver figura 2). El parámetro λ tiene en cuenta las condiciones de sujeción del muro en los extremos. Por ejem-plo, si el muro puede considerarse como empotrado en los extremos laterales, entonces λ toma un valor igual a 12, y la falla se presentará en los extremos del muro, que es donde se presenta el momento máximo. Si

por el contrario, el muro se puede considerar como articulado en los extremos, λ toma un valor igual a 8 y la falla se presentará en la mitad del muro. El valor de λ que se use estará entonces entre 8 y 12, dependiendo de las condiciones de sujeción del muro a los extremos.

3. Mecanismo de flexión vertical

Autores como Paulay y Priestley (1992) y Doherthy Et (2002), propusieron un mecanismo de transferencia vertical de cargas perpendiculares al plano de muros, para tratar de explicar las resistencias encontradas de ensayos en laboratorio. Este modelo, con al-gunas modificaciones, es el que se propone en este trabajo como me-canismo de transferencia vertical de cargas perpendiculares al plano de muros de mampostería no reforzada.

En principio, el momento flector ac-tuante es resistido por el par que se forma entre la reacción en un vértice del muro y la localización de la carga superimpuesta y el peso del muro. En otras palabras, las cargas vertica-les de compresión sobre una sección transversal del muro actúan como un pretensado que posibilita la aparición de un momento flector resistente de la sección. Ver figura 4.

En el mecanismo propuesto se des-precia la resistencia a tracción del mortero de pega, es decir, que el mo-mento resistente es producto exclusi-vamente de la geometría del muro y las fuerzas de gravedad.

En el planteamiento del equilibrio del mecanismo propuesto se consideró, igual que en el caso del mecanismo de transmisión horizontal de cargas, que la aceleración producida por un movimiento sísmico no cambia a lo largo de la altura del muro, y ésta pro-duce fuerzas inerciales proporciona-les a la masa del muro.

De la figura 4 es claro que para cual-quier caso la mayor resistencia se

consigue cuando δ1 es igual δ2(1-y/H), es decir, cuando el muro es total-mente recto pero tiene una pequeña inclinación respecto a la línea vertical debido al desplazamiento δ2 de su parte superior. En este estado el peso propio y las cargas superimpuestas ejercen el mayor momento restaura-dor a las cargas aplicadas perpendi-cularmente al plano del muro.

De acuerdo con lo anterior y después de plantear el equilibrio del mecanis-mo propuesto se tiene:

(3)

En la ecuación 3, W es el peso del muro por unidad de longitud y P es la sobrecarga por unidad de longitud. El valor de η indica la posición relati-va de la fisura que define el mecanis-mo de falla por transferencia vertical de cargas perpendiculares al muro. Este valor se define como aquel que minimiza la aceleración resistente del muro, que es justamente donde se presenta la fisura horizontal.

4. Mecanismo de flexiónbiaxial

La mayoría de los muros están sopor-tados en tres o cuatro de sus lados, por lo que se genera una combina-ción de momentos resistentes aso-ciados a los mecanismos de flexión horizontal y vertical. A continuación se describe el mecanismo propuesto para la transmisión de esfuerzos en muros sometidos a aceleraciones perpendiculares a su plano.

Inicialmente se presenta un com-portamiento elástico hasta que se alcanza la capacidad a momento del mecanismo con menor resistencia. Dado el comportamiento frágil de la mampostería, es decir, que no man-tiene la carga para deformaciones superiores a la de ruptura, cuando se supera la capacidad a momento del mecanismo con menor resistencia,

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Figura 4. Mecanismo de transferencia vertical de cargas perpendiculares al plano del muro.

el mecanismo de mayor resistencia toma toda la carga, y una vez se al-cance la aceleración máxima de este mecanismo, el muro colapsa.

Lo anterior indica que la aceleración máxima que podrá soportar un muro arriostrado en sus cuatro extremos es igual a la máxima aceleración resisten-te entre los dos mecanismos de trans-ferencia de carga.

5. Modelos experimentales

A continuación se presentan algunos resultados de aplicación del modelo propuesto en prototipos de muros ensayados a escala real en la mesa vi-bradora de la Universidad EAFIT.

5.1. Modelo No. 1

Condiciones de frontera: Viga en concreto en el extremo superior e intersección trabada entre el muro a ensayar (muro 1) y las aletas (muros 2 y 3). Ver figuras 5.

Mecanismo: por las condiciones de frontera se generan al mismo tiempo los mecanismos horizontal y vertical.

Materiales: unidades de arcilla de perforación horizontal, 10x20x40. Mortero de pega tipo N, f ’cp=7.5MPa. Cemento Rio Claro tipo 1. Arena de concreto CONASFALTOS. Triturado CONASFALTOS. Acero fy=420MPa.

Dimensiones del muro: altura 2.40m, longitud 4.00m.

5.1.1. Resultados del modelo analítico

- Mecanismo de transferencia horizontal:

Momentos resistentes: MRT=0.15KN/m. MRC=0.38KN/m.MR=0.53KN/m.

Factor de empotramiento: λ=8

Aceleración resistente: AR=1.02g

Figura 5. Representación Modelo No. 1.

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- Mecanismo de transferencia vertical:

Sobrecarga en el muro: Aunque no hay sobrecarga como tal sobre el muro, la viga superior impide la ex-pansión vertical libre del muro gene-rándose una sobrecarga estimada de 2.0KN/m.

Desplazamiento superior considera-do: δ2=0.01m

Ubicación de la fisura: y/H=0.35

Aceleración resistente: AR= 0.40g

5.1.2. Resultados del modelo expe-rimental

Aceleración resistente: Aa= 1.10g

Esta aceleración resistente coincide bastante bien con la predicha por el mecanismo de transferencia horizon-tal: AR= 1.02g, que es la que controla este ensayo en el que están habilita-dos los dos mecanismos.

5.2. Modelo No. 2

Condiciones de frontera: Sin viga en el extremo superior e intersección tra-bada entre el muro a ensayar (muro 1) y las aletas. Ver foto 1.

Mecanismo: Por las condiciones de frontera únicamente se genera el me-canismo horizontal.

Materiales : Unidades de arcilla de perforación horizontal 10x20x40. Mortero de pega tipo N, f ’cp=7.5MPa. Cemento Rio Claro tipo 1. Arena de concreto CONASFALTOS. Triturado CONASFALTOS. Acero fy=420 MPa (4.200 kgf/cm2).

Dimensiones del muro: Altura 2.40m, longitud 4.00m.

5.2.1. Resultados del modelo ana-lítico

Iguales a los del Modelo No. 1 para el caso de flexión horizontal.

Aceleración resistente: AR= 1.02g.

5.2.2. Resultados del modelo expe-rimental

Aceleración resistente: AR= 1.00g

Nuevamente, esta aceleración resis-tente coincide bastante bien con la predicha por el mecanismo de trans-ferencia horizontal: AR= 1.02g, que es la que se presenta en este ensayo.

5.3. Modelo No. 3

Condiciones de frontera: Viga en concreto en el extremo superior del muro a ensayar y suelto de las aletas.Ver foto 2.

Mecanismo: Por las condiciones de frontera únicamente se genera el me-canismo de transferencia vertical de cargas.

Materiales: Unidades de concre-to de perforación vertical10x20x40. Mortero de pega tipo N, f ’cp=7.5MPa. Cemento Rio Claro tipo 1. Arena de concreto CONASFALTOS. Triturado CONASFALTOS. Acero fy=420 MPa (4.200 kgf/cm2).

5.3.1. Resultados del modelo ana-lítico

- Mecanismo de transferencia vertical:

Sobrecarga en el muro: 2.0KN/m, igual que en el Modelo No. 1.

Desplazamiento superior considera-do: δ2=0.01m

Ubicación de la fisura: y/H=0.35

Aceleración resistente: AR= 0.29g

5.3.2. Resultados del modelo expe-rimental

Aceleración resistente: AR = 0.28g

El modo de falla presentado fue el esperado: una fisura horizontal aproxi-madamente en el tercio superior del

muro. Todo lo anterior coincide muy bien con el modelo analítico propues-to.

5.4. Modelo No. 4

Condiciones de frontera: Viga en con-creto en el extremo superior del muro a ensayar y suelto de las aletas. A di-ferencia del caso anterior, se puso una sobrecarga sobre la viga del extremo superior, que le transmitía al muro una compresión de 2.0 KN/m. Ver figura 6.

Mecanismo: Por las condiciones de frontera únicamente se genera el me-canismo vertical.

Materiales: Unidades de concre-to de perforación vertical10x20x40. Mortero de pega tipo N, f ’cp=7.5MPa. Cemento Rio Claro tipo 1. Arena de concreto CONASFALTOS. Triturado CONASFALTOS. Acero fy=420 MPa (4.200 kgf/cm2).

5.4.1. Resultados del modelo ana-lítico

- Mecanismo de transferencia vertical:

Sobrecarga en el muro: 4.0KN/m. Al efecto de confinamiento de la viga su-perior mencionado en el Modelo No. 1, y que aplica una sobrecarga en el muro de 2.0 KN/m, se suma la sobre-carga propiamente dicha e igual a 2.0 KN/m.

Desplazamiento superior considera-do: δ2=0.01m

Ubicación de la fisura: y/H=0.4

Aceleración resistente: AR= 0.45g

5.4.2. Resultados del modelo expe-rimental

Aceleración resistente: AR = 0.45g

Nuevamente, el modo de falla presenta-do fue el esperado: una fisura horizontal aproximadamente en el tercio superior del muro. Todo lo anterior coincide muy bien con el modelo analítico propuesto.

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Foto 1. Modelo No. 2.Foto 2. Modelo No. 3.

5.5. Modelo No. 5

Condiciones de frontera: Viga en con-creto en el extremo superior del muro y trabado en las aletas. Igual que en el caso anterior, se puso una sobrecar-ga sobre la viga del extremo superior, que le transmitía al muro una compre-sión de 2.0 KN/m. Ver figura 7.

Mecanismo: Por las condiciones de frontera se generan los mecanismos horizontal y vertical de transmisión de cargas.

Materiales: Unidades de concre-to de perforación vertical10x20x40. Mortero de pega tipo N, f ’cp=7.5MPa. Cemento Rio Claro tipo 1. Arena de concreto CONASFALTOS. Triturado CONASFALTOS. Acero fy=420 MPa (4.200 kgf/cm2).

5.5.1. Resultados del modelo ana-lítico

- Mecanismo de transferencia horizontal:

Momentos resistentes: MRT=0.12KN/m. MRC=0.32KN/m.MR=0.44KN/m.

Factor de empotramiento: λ=8

Aceleración resistente: AR=0.61g

Figura 6. Representación modelo No. 4

Figura 7. Rpresentación modelo No. 5

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- Mecanismo de transferencia vertical:

Sobrecarga en el muro: 4.0KN/m. Igual que en el Modelo No. 4.

Desplazamiento superior considera-do: δ2=0.01m

Ubicación de la fisura: y/H=0.4

Aceleración resistente: AR = 0.45g 5.5.2. Resultados del modelo expe-rimental

Aceleración resistente: AR = 0.62g

Como en todos los demás ensayos, esta aceleración resistente coincide bastante bien con la predicha por el mecanismo de transferencia horizon-tal: AR = 0.61g, que es la que controla este ensayo en el que están habilita-dos los dos mecanismos.

6. Recomendaciones y conclusiones

Se presenta en este artículo una me-todología simplificada para estimar la resistencia de muros de mampostería no reforzada cuando son sometidos a aceleraciones perpendiculares al pla-no del muro.

Los resultados analíticos de los mo-delos propuestos coinciden bastante bien con los que se obtienen de en-sayos en mesa vibradora de muros a escala natural.

Los resultados obtenidos de acuer-do con el modelo propuesto indican que respetando ciertas condiciones de aspecto geométrico en los muros, podría habilitarse el sistema de mam-postería no confinada no reforzada en zonas de amenaza sísmica intermedia y alta.

Cuando el muro, por las condiciones de frontera, se ve sometido tanto al mecanismo de flexión vertical como horizontal, la resistencia final resisti-da por el muro será la que aporte el máximo momento resistente entre el

mecanismo vertical y el horizontal. Lo anterior se debe al comportamiento frágil de la mampostería.

Dado que el mecanismo por flexión horizontal es el que mayor resistencia proporciona a muros con relaciones de aspecto, L/H, menores o iguales a 2.0, se sugiere que para estos casos, y desde los diseños arquitectónicos y estructurales, se habilite este meca-nismo disponiendo apoyos laterales apropiados para los muros y exigien-do una buena traba entre muros per-pendiculares.

Cuando se presenten vanos por la lo-calización de puertas y ventanas de-ben disponerse elementos verticales de apoyo a los muros, como columnas o dovelas, que permitan la generación del mecanismo horizontal.

En todos los casos, las vigas de ama-rre superior e inferior son obligatorias en este tipo de edificaciones para lograr un comportamiento solidario de toda la edificación y una correcta transmisión de cargas entre todos los elementos resistentes.

La longitud libre no soportada del muro, y al cuadrado, es inversamente proporcional a la resistencia del muro cuando es sometido a cargas perpen-diculares a su plano, si se desea utilizar el mecanismo de resistencia por trans-ferencia horizontal de cargas, debe en-tonces cuidarse mucho de no exceder las luces horizontales de los muros.

El mecanismo de transferencia vertical puede usarse en caso de luces hori-zontales muy grandes, pero debe pro-veerse un muy buen apoyo, casi inde-formable, en la viga superior, y en lo posible comprimir el muro con cargas verticales. Aún así, las aceleraciones resistentes que se consiguen son re-lativamente bajas si se comparan con las que se estiman para el mecanismo de transferencia horizontal de cargas.

7. Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo finan-ciero proporcionado por COLCIEN-

CIAS para la realización del proyecto de investigación. A la Universidad EAFIT por el soporte técnico, econó-mico y logístico, y al equipo del centro de laboratorios de la Universidad por el apoyo que brindaron para la realiza-ción del proyecto.

De manera muy especial los auto-res agradecen los aportes brindados por las empresas cofinanciadoras del proyecto de investigación: INDURAL, LUNSA, ANFALIT y CONCRETODO.

8. Referencias

Doherty, K.T., Griffith, M.C., Lam, N., and Wilson, J. (2002). “Displacement-based Seismic Analysis for Out-of-plane Ben-ding of Unreinforced Masonry Walls”. Earthquake Engineering and Structu-ral Dynamics, 31: 833-850.

Jaramillo, J.D (2002). “Mecanismo de transmisión de cargas perpendicu-lares al plano del muro en muros de mampostería no reforzada”. Revista de Ingeniería Sísmica, No. 67, p.p 53-78.

Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (1997). Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Capítulos A, D y E.

Paulay. T. y M.J.N Priestley (1992), “Seis-mic design of reinforced concrete and masonry buildings”, primera edición, John Wiley & Sons, New York, 744 pp.

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Técnicas de refuerzo sismo resistente para estructuras históricas de albañilería

1. Introducción

La preservación de las estructuras his-tóricas y en particular las técnicas de intervención para mejorar su com-portamiento sísmico no es una tarea sencilla, esto se debe principalmente a que es necesario preservar el valor cultural del inmueble. Este valor está constituido por diversas característi-cas; las cuales son igual de importan-tes al momento de considerar una in-tervención, pues todas ellas se deben preservar. Ver tabla 1.

Por otro lado, existe una amplia gama de técnicas de refuerzo para mejorar la respuesta estructural de las cons-trucciones antiguas de albañilería. Estas intervenciones siempre tienen una acción directa sobre la estructura original, sus materiales o elementos; la cual puede afectar la integridad y la autenticidad de los materiales origi-nales y las características estructurales del inmueble a intervenir.

Debido a esto, cada construcción se convierte en un problema único, con su propia identidad. Por lo tanto, no se puede dar ninguna regla en ge-neral para valorar en modo a priori la eficacia de una posible intervención. Ni mucho menos, en generalizar una técnica para un problema en particu-lar. En la práctica, cada una de las po-sibles soluciones se deben considerar con sumo cuidado y se debe valorar en detalle tanto su aplicabilidad, como

sus pros y contras de cada problema en específico.

2. Selección de las Técnicas de Refuerzo

La selección de una técnica de refuer-zo debe estar basada en los principios de conservación y los criterios mo-dernos para el análisis y restauración de estructuras históricas; los cuales se encuentran estipulados en la Carta de Venecia y en los criterios ISCARSAH de ICOMOS1. Estos principios incluyen los ya bien conocidos requisitos de dise-ño. Ver tabla 2.

Cabe hacer notar que, cualquier técni-ca de refuerzo produce normalmente alguna pérdida del valor cultural, pues-to que implica un cierto cambio en los materiales y elementos originales. Debido a esto, cada técnica se debe juzgar con base en su posible costo (pérdida del valor cultural) y beneficio (incremento en su vida útil, aumento en su capacidad sísmica, reducción de la probabilidad del daño parcial o to-tal tanto de la estructura como de su contenido artístico, etc.).

Las técnicas de refuerzo aquí presen-tadas constituyen soluciones gene-rales que se utilizan en la práctica. El hecho que se hayan utilizado no im-plica que sean las soluciones adecua-das o más efectivas para un problema en general. No quiere decir, tampoco, que estas soluciones cumplen con to-

1Ambos documentos se encuentran disponibles en formato pdf en: http://www.icomos.org2Algunos documentos que se pueden consultar y que se encuentran disponibles en Internet sobre estas y otras técnicas de refuerzos son:- Guidelines for the conservation of historical masonry structures in seismic areas, Improving the Seismic Resistance of Cultural Heritage Buildings – Informe EECCP-EU-India Economic Cross Cultural Program. Disponible en http://www.civil.uminho.pt/eu-india - Zegarra L., San Bartolomé A., Quiun D., Giesecke A. Manual técnico para el reforzamiento de las viviendas de adobe existentes en la costa y sierra, GTZ-CERESIS-PUCP, Lima, Perú, 1997. Disponible en: http://www.ceresis.org/proyect/madobe/manual.htm - Roque J. Reabilitação estrutural de paredes antigas de alvenaria, Tesis de Maestría, Universidad de Minho, Portugal, 2002. Disponible en: http://www.civil.uminho.pt/masonry - Borri A., Corradi M. and Vignoli A. New materials for strengthening and seismic upgradinginterventions. Workshop Ariadne 10 New Materials for safeguarding cultural heritage, 2002. Disponible en: http://www.itam.cas.cz/~arcchip/ariadne_10.shtml

Fernando PeñaInstituto de Ingeniería, UNAM. Edificio 2 – 315, Circuito Escolar, Ciudad Universitaria México DF, México. FPenaM@iingen.unam.mxFotografía: Fernando Peña

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dos los principios y criterios de diseño y restauración. De hecho muchas de las técnicas utilizadas comúnmente en la práctica se contraponen a los principios de conservación. Esto se debe al gran cambio que estos méto-dos producen en los materiales origi-nales y en la estructura, o porque son irreversibles o son ampliamente inva-soras. Por lo tanto, el diseñador debe analizar cuidadosamente las solucio-nes propuestas, tomando en cuenta la “unicidad” del problema a resolver (las características de la estructura, la naturaleza de los problemas estruc-turales o del material que la afectan, el propósito de la intervención, su valor cultural, etc.) y por lo tanto dar una respuesta crítica sobre la aplica-bilidad de las soluciones propuestas y escoger así la mejor opción posible. El diseñador debería también tomar en cuenta que la solución propuesta esté de acorde con los principios de restauración. Como ya se mencionó, cualquier posible solución producirá un costo y un beneficio en cuanto a la conservación de los valores culturales del inmueble. Por lo que, es responsa-bilidad del profesionista encargado la de elegir la solución que proporcione la mejor relación costo – beneficio.

3. Selección de los Materiales

Los materiales que se usarán en las intervenciones deberían respetar los requisitos de diseño presentados en la Tabla 2. En forma particular el de durabilidad y compatibilidad (quí-mica, física, mecánica, etc.) con los materiales originales. De este modo, se recomienda el uso de materiales tradicionales, que ya hayan mostrado tanto su durabilidad como su com-patibilidad con materiales históricos (morteros, piedras, ladrillos de arcilla, etc.). Por ejemplo, los morteros reali-zados con materiales tradicionales, tal como el mortero de cal y arena, han demostrado ampliamente su durabi-lidad y su compatibilidad con otros materiales históricos.

Los materiales modernos (concreto, acero, resinas, etc.) han mostrado en

Valor Cultural

Arquitectura

Ingeniería

Historia

Arte

Requisitos deDiseno

Las intervenciones que causen la mínima alteración o impacto al sistema estructural original deberían de preferirse, siempre y cuando provean un nivel de seguridad adecuado.

Los materiales y los dispositivos técnicos utilizados para reparación o refuerzo deben ser compatibles con los originales. Es decir, que ningún efecto indeseable debería resultar de su utilización. Los materiales antig-uos no deberían experimentar alguna forma de deterioro químico cuando este en contacto con los materiales nuevos (compatibilidad química). Los materiales nuevos no deberían experimentar fenómenos químicos o físicos que puedan causar algún daño (tal como agrieta-miento) en los materiales existentes.Se deberían preferir reparaciones que sean lo menos invasoras posibles. Ya que esto contribuye a preservar la integridad de las estructuras. Entre varias alternativas posibles, se debería dar preferencia a la que presente una invasión mínima.

Siempre que sea posible, las medidas adoptadas deben ser reversibles. Es decir, que al desmantelarlas el material original o la estructura regresan al estado en que estaba antes; sin daño o deterioro permanente. Un requi-sito menos rígido es el de la remoción con deterioro limitado o duradero en la construcción original. La reversibilidad o remoción abre la posibili-dad de reponer o cambiar, en el futuro, el refuerzo por otro más adecuado o efectivo.

Respeto a la autenticidad estructural

Mínima alteración o impacto

Compatibilidad

No sea invasor

Monitorización

Reversibilidad y remoción

Seguridad estructural

Tabla 1. Valores Culturales Intrínsecos de un Edificio Histórico.

Tabla 2. Clasificación de los Requisitos de Diseño.

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algunos casos, problemas de durabi-lidad y compatibilidad. Por ejemplo, el acero de hierro y carbono llega a presentar corrosión fácilmente, lo que puede llevar a la pérdida de su capa-cidad de refuerzo. Además, la natura-leza expansiva de la corrosión puede generar agrietamiento severo o in-cluso la destrucción del material his-tórico. Obviamente, para las interven-ciones en que se precise la utilización de acero se recomienda que éste sea inoxidable. Recientemente otros me-tales de mayor durabilidad y compati-bilidad, como el titanio, se han hecho más accesibles debido a que su costo se ha reducido; permitiendo un mayor uso de ellos.

El concreto y el mortero de cemento Portland presentan problemas signifi-cativos de compatibilidad cuando se encuentran en contacto con albañile-rías de piedra o ladrillo. Estos proble-mas de compatibilidad abarcan tanto fenómenos químicos (por ejemplo la contaminación de la piedra original o ladrillo con sales solubles contenidas en el cemento Portland cuya cristali-zación es expansiva) como fenóme-nos mecánicos, los cuales producen deterioro significativo en los compo-nentes originales de albañilería.

Las resinas epóxicas han mostrado en muchos casos problemas de durabili-dad muy significativos debido a una preparación o aplicación inadecuada. Las resinas epóxicas han causado tam-bién problemas de compatibilidad cuando son utilizadas en inyecciones, debido a la drástica reducción de la permeabilidad y transpiración natural de los materiales originales.

Algunos materiales modernos tales como los Polímeros de Fibras Reforza-das (FRP) han mostrado ser aplicacio-nes prometedoras en la reparación y refuerzo de albañilería estructural. Sin embargo, el problema de estos mate-riales es, otra vez, la falta de informa-ción o suficiente experiencia sobre su durabilidad real. Su utilización en re-habilitación o restauración de estruc-turas de albañilería es relativamente

reciente, por lo que aún no ha habido la oportunidad de probar su adecua-da resistencia a lo largo de los años.

4. Técnicas de Refuerzo

El comportamiento sísmico de una es-tructura se puede mejorar si se reduce la demanda sísmica, si se aumenta su capacidad o mediante una combina-ción de ambas acciones. La demanda sísmica se puede reducir: a) aumen-tando, suprimiendo o redistribuyen-do el peso de la estructura, b) modi-ficando el período fundamental para obtener una menor amplificación de la aceleración del suelo, c) mejorando las características del suelo o aislando la estructura del movimiento del suelo y d) cambiando el uso de la estructura. Por otra parte se puede aumentar la capacidad sísmica reforzando los ele-mentos estructurales y/o añadiendo elementos estructurales nuevos.

Existen diversos criterios para clasificar las técnicas de refuerzo. Aquí se utili-zará el criterio que las divide en tradi-cionales y modernas. Las tradicionales son aquellas que han sido aplicadas con métodos y materiales similares a los originales y que han sido utilizadas en el pasado. Las técnicas modernas son aquellas que utilizan materiales y dispositivos que se utilizan general-mente en la construcción de edificios nuevos.

Las principales desventajas que pre-sentan las técnicas modernas es que no cuenta en algunos casos, con la experiencia suficiente para validar la efectividad, la durabilidad y la com-patibilidad mecánica con la estructura original de los materiales y dispositivos usados. Por lo que, estas técnicas se deberían utilizar cuando las técnicas tradicionales no sean aplicables o no proporcionen el nivel de refuerzo sís-mico deseado. Su utilización necesita un estudio detallado de los posibles efectos en la estructura y materiales originales.

A continuación se hará una breve des-cripción de las técnicas tradicionales y

modernas más usadas en la práctica2 .

4.1. Técnicas Tradicionales o Históricas

Conexiones Locales: Esta técnica permite, en un modo sencillo, dar continuidad a diversas partes de la es-tructura mediante el uso de diferentes dispositivos (por ejemplo grapas).

Confinamiento de Columnas y Mu-ros: El confinamiento de elementos permite incrementar su capacidad para resistir compresión, su capacidad de deformación e incrementan su ri-gidez. Cabe hacer notar que si bien esta técnica incrementa la capacidad del elemento, tiene poca influencia en la capacidad global de la estructura. El confinamiento de columnas se da principalmente con placas de acero colocadas en las zonas críticas del ele-mento. Mientras que el confinamien-to de muros se hace, principalmente, mediante barras de acero inoxidable colocadas transversalmente.

Contrafuertes: La colocación de con-trafuertes en las zonas críticas de la estructura ayuda a incrementar la ca-pacidad lateral de la estructura. El pa-pel que juega este tipo de elementos consiste en impedir los mecanismos de falla relacionados con las deforma-ciones laterales, al tomar parte de las fuerzas horizontales.

Reconstrucción local: La mamposte-ría dañada es retirada y es reemplaza-da por mampostería nueva que tenga propiedades mecánicas similares a la original. Esta técnica contribuye a pre-servar las propiedades mecánicas ori-ginales y a dar continuidad a la estruc-tura. Esta técnica puede considerarse parcialmente reversible.

Rejunteo: Consiste en remover el mortero dañado y degradado de las juntas y sustituirlo con mortero nue-vo que cumpla con las características de compatibilidad (preferentemente con mejores propiedades mecánicas) y durabilidad. Esta técnica se puede considerar parcialmente reversible.

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Substitución de Elementos: Esto es la substitución completa de un elemen-to estructural. Los materiales y tecno-logías utilizadas deben ser similares a los originales o si se utilizan solucio-nes alternativas (modernas) deben de cumplir con los requisitos de la Tabla 2. El objetivo principal de esta técnica es que el elemento recupere tanto su función original como la corrección de algunos defectos. Un ejemplo típi-co es la sustitución de pisos y techos.

Tensores: Los tensores son barras o cables de acero que trabajan a ten-sión y se encuentran anclados a la estructura mediante placas u otros dispositivos. Tienen diferentes aplica-ciones pero todas tienen la función de dar estabilidad o continuidad en-tre diferentes partes de la estructura, por lo que son usados para mejorar el comportamiento global del edificio. Esta técnica no es invasora y puede ser fácilmente removida.

4.2. Técnicas Modernas

Anclajes: El anclaje de un elemento, mediante barras o cables de acero, ayuda a mejorar la estabilidad de la estructura o impedir deformaciones excesivas.

Costuras Armadas: Esta técnica se basa en la realización de oquedades en los elementos a reforzar, en donde se introducen barras de metal (acero inoxidable, titanio, etc.), las cuales son después inyectadas, generalmente con mortero. Esta técnica no es muy recomendable, debido a que es alta-mente invasora y no es reversible.

Encamisados de Concreto: En caso de que un elemento presente altos niveles de esfuerzos de compresión, una excesiva deformación lateral o se requiera mejorar la continuidad de los elementos, se puede construir una estructura de concreto armado que recubra al elemento original. Se ha observado que para obtener un trabajo eficiente de los elementos de concreto, éstos se deben colocar a ambos lados del muro; así como que

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Cimentación

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tengan una buena conexión entre ellos mediante la distribución de va-rios conectores. Esta técnica se reco-mienda principalmente para reforzar cimentaciones, ya que es altamente invasora, pues al recubrir el elemento original se pierde parte de la identi-dad arquitectónica del inmueble. Ob-viamente, esta técnica no se puede aplicar cuando el elemento contenga pinturas murales u otro tipo de ador-no arquitectónico o artístico.

Inyección: El objetivo de esta técnica consiste en inyectar mortero o resinas epóxicas a través de grietas o agujeros previamente realizados, para rellenar las cavidades y vacíos al interior de los elementos tratados; así como para re-llenar grietas. Esto permite mejorar las características mecánicas del material. Sin embargo, esta técnica no es rever-sible y debería realizarse con materia-les que hayan mostrado su compati-bilidad con los materiales originales, como el mortero de cal y arena. Cabe recordar que no se debe utilizar está técnica cuando el elemento presente frescos u otro tipo de pintura mural, pues el material de inyección puede llegar a dañarlos irremediablemente.

Refuerzo Externo: La aplicación de refuerzo en las caras externas de los elementos, utilizando material de alto rendimiento (como son las FRP, mallas de acero, polímeros, etc) permite in-crementar su capacidad. Este refuerzo se une con el elemento original me-diante resinas epóxicas, morteros o pegamentos. Para que este tipo de re-fuerzo tenga un buen rendimiento es necesario que la superficie en la que se aplica sea regular. Sin embargo esta técnica no es reversible y obviamen-te no se puede aplicar en superficies que deban ser conservadas en su for-ma original (pinturas murales, frescos, adornos arquitectónicos, etc).

5. Comentarios Finales

El refuerzo de construcciones histó-ricas tiene como objetivo el corregir las posibles insuficiencias estructura-les del edificio o la de mejorar su res-

Reconstrucción local de una bóveda. Nótese el uso de piedra del mis-mo tipo, así como la disposición de mangueras para una posterior inyección, con el fin de rellenar posibles vacíos.

Refuerzo externo mediante encami-sado de perfiles de acero y concreto. Aquí se trato de que la intervención fuera lo menos invasora posible y la estructura sufriera la mínima altera-ción.

Refuerzo externo mediante la coloca-ción de un nuevo elemento de alba-ñilería. Esta intervención de emergen-cia es invasora, altera la arquitectura del edificio y no respeta la estructura del edificio. Sin embargo, es reversible y de fácil remoción permitiendo que al final de la intervención el edificio recupere su forma original.

Intervención en un antiguo claustro en el que se observan diferentes ti-pos de intervenciones. Parte de los muros del piso superior se han re-construido con albañilería de ladrillo, se ha reconstruido también parte de los arcos (reconstrucción local), se ha sustituido la pilastra del piso inferior (sustitución de elementos) y se han colocado soleras para dar continui-dad a la pilastra adosada al muro (co-nexiones locales).

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puesta estructural. Sin embargo cual-quier acción de refuerzo causará, por sí misma, algunas pérdidas culturales como por ejemplo un cambio en los materiales originales y características estructurales. Debido a esto, siempre será mejor dar un adecuado y conti-nuo mantenimiento a la estructura, que hacer grandes obras de restaura-ción.

Los criterios modernos para la restau-ración de estructuras históricas pro-ponen que las intervenciones sean mínimas caracterizadas por ser no in-vasoras, por su reversibilidad, su com-patibilidad y durabilidad de los mate-riales, entre otros requisitos. Al dirigir la concepción y diseño de una posible intervención, el profesionista necesita considerar un conjunto de alternati-vas posibles que permitan obtener el nivel necesario de seguridad estruc-tural. Entre estas alternativas, se debe preferir la que cause el menor cambio a la estructura y por ende provoque la menor pérdida del valor cultural.

Tanto el arquitecto como el ingeniero deben entender que cada problema constituye un caso único; por lo que no se puede formular ninguna regla general. Las diferentes técnicas mo-dernas o tradicionales deben ser estu-diadas con detalle y se deben analizar siguiendo un criterio de costo – bene-ficio. Ninguna regla o razonamiento general pueden sustituir la experien-cia y el buen juicio del diseñador.

Dos tipos diferentes de intervención en caso de demo-lición parcial de la estructura. La primera es tradicional y consistió en la colocación de contrafuertes. Sin embargo, la colocación de locales comerciales en la base de los contrafuertes, así como de publicidad alteran el estilo ar-quitectónico del inmueble. La segunda es una interven-ción moderna que incluye la colocación de perfiles de acero. Aquí se observa que la intervención es lo menos invasora posible, ya que el acero se colocó en las zonas críticas de la estructura.

Reconstrucción de los capiteles de las columnas. En este caso en particular, se utilizaron vigas de concreto armado para restringir la parte superior de las columnas al darles continuidad con el resto de la estructura. Así mismo, se regresa en parte a la concepción original de la estruc-tura.

Intervención con el fin de crear una cochera. Aquí no se respeta la autenticidad estructural, no existe compa-tibilidad, además de no ser reversible. El elemento de concreto reforzado se coloca en contacto directo con la albañilería histórica, lo cual en un futuro puede provocar problemas de sulfatación o efloresencia.

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Mortero por m2 de muro

# de ladrillos

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Horas hombre por m2

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PUNTILLAS

CON CABEZA SIN CABEZA

LITRO m3 Long. (pulg)

Cantidad libra

Long. (pulg)

Cantidad libra

TOLETE 7 x 12 x 25 0,07 30 15,00 0,016 2000 1,50 1/2 2036 1/2 3243

TOLETE 7 x 12 x 25 0,12 48 36,00 0,035 1250 2,40 1 941 1/4 2930

TOLETE 7 x 12 x 25 0,25 96 70,00 0,070 1000 4,80 1 1/2 363 3/4 2014

HUECO No.2 5 x 38 x 23 0,05 11 6,82 0,007 1613 1,70 2 150 7/8 1966

HUECO No.4 9 x 38 x 23 0,09 11 12,27 0,013 900 1,77 2 1/2 104 1 1306

HUECO No.5 12 x 38 x 23 0,12 11 16,50 0,017 670 2,20 3 57 1 1/4 1023

HUECO No.6 15 x 38 x 23 0,15 11 20,00 0,021 540 2,15 3 1/2 30 1 1/2 632

HUECO No.8 23 x 38 x 23 0,23 16 40,00 0,040 400 6,40 4 23 2 276

BLOQUE No.1 20 x 20 x 40 0,20 12 28,00 0,028 400 4,60 4 1/2 22

BLOQUE No.2 15 x 20 x 40 0,15 12 21,00 0,022 550 3,45 5 16

BLOQUE No.3 10 x 20 x 40 0,10 12 14,00 0,014 860 2,05 5 1/2 14

BLOQUE No.4 5 x 20 x 40 0,05 12 7,00 0,007 1090 2,70

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sLadrillos, Tejas y pisos Moore S.A. Sala de Ventas: Cr. 5 No. 66A - 06PBX: 217 1887 - Fax: 312 5031www.moorebrick.com

Tablas técnicastabla de rendimientos para mampostería

Estructural Liviano Estructural 36 cm Tableta

Productos:LadrilloBloque estructuralPisos y adoquinesTejasPiezas especiales

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Dimensiones:1/4 2610 x 10 cm10 x 20 cm15 x 15 cm20 x 20 cm

Dimensiones:1/4 266 cm8 cm28 x 26 cm

Espesores:3.5 cm6 cm

Espesores:3.5 cm5 cm6 cm

DIMENSIONES: 26 x 12.5 x 6PESO APROX. Kg./Un.: 2.50RENDIMIENTO m2: 53

DIMENSIONES: 36 x 12 x 6PESO APROX. Kg./Un.: 4.00RENDIMIENTO m2: 32

DIMENSIONES: 1/4 26 x 6 x 1.5PESO APROX. Kg./Un.: 1.40RENDIMIENTO m2: 32

DIMENSIONES: 26 x 26PESO APROX. Kg./Un.: 5.75RENDIMIENTO m2: 8

DIMENSIONES: 26 x 6 x (3.5 - 6)PESO APROX. Kg./Un.: 2.20RENDIMIENTO m2: 64

DIMENSIONES: 26 x 12.5 x (3.5 - 5 - 6)PESO APROX. Kg./Un.: 4.54RENDIMIENTO m2: 31

Tablón 26 x 6 cm 26 x 12.5 cm