ESTUDIO DE UN SISTEMA DE REFUERZO PARA

ESTRUCTURAS DE ADOBE

Manuel Fierro Ingeniero Civil UdeC

Marzo 2011

ESTUDIO DE UN SISTEMA DE REFUERZO PARA ESTRUCTURAS DE ADOBE

Resumen

Se analizan los daños provocados por sismos sobre estructuras construidas en adobe. Además se plantea un sistema de reparación para aquellas viviendas que presentan daños significativos. Para ello, se analizan los tipos de falla que ocurren en las estructuras de adobe, las zonas más vulnerables y el sistema de refuerzo propuesto.

1. INTRODUCCION El adobe es uno de los materiales constructivos más antiguos y más utilizados en el mundo entero. Sin ir más lejos, gran parte de la herencia cultural y arquitectónica de América Latina está construido en este material. Su popularidad se basa principalmente en sus amplias ventajas: - Bajo costo - Buena aislación térmica - Disponibilidad amplia de materia prima - Bajo nivel de especialización para su construcción Sin embargo, la vulnerabilidad de estas estructuras frente a movimientos sísmicos representa una preocupación tanto para organismos técnicos como entidades encargadas de salvaguardar nuestro patrimonio. Específicamente en nuestro país tenemos una amplia experiencia en la construcción y reparación de estructuras de adobe. Si consideramos los datos del terremoto del 27 de febrero de 2010, podemos darnos cuenta que gran parte de las viviendas dañadas son de adobe (Fig. 1)

Fig. 1 Catastro viviendas dañadas 27F (Fuente: MINVU 2010)

Esto nos lleva a la necesidad de entender el comportamiento del adobe para poder generar una solución técnica confiable para la reparación y reconstrucción en adobe, sin la necesidad de perder parte de nuestra historia.

2. ACCION SÍSMICA SOBRE CONSTRUCCIONES EN ADOBE

Aunque buena parte de los edificios históricos construidos en tierra se encuentran de pie, la experiencia ha demostrado que son vulnerables a los terremotos y que pueden ser afectados notablemente por eventos símicos de magnitudes intermedias y altas. Para el caso de Chile, tenemos que el país se encuentra ubicado en una zona de alta sismicidad conocida como el “Cinturón de Fuego del Pacífico”. Esto es producto del choque tectónico entre la placa Sudamericana y la placa de Nazca y la subducción de ésta última en la placa continental. La energía que se produce debido a la tensión entre ambas placas se puede acumular para manifestarse en grandes movimientos telúricos como fue el caso del terremoto de Valdivia en 1960 (Fig. 2). Este sismo se convertiría luego en el de mayor magnitud que se haya tenido registro en el mundo.

Fig.2 Algunas imágenes de la ciudad del Valdivia (1960) En los últimos 50 años, Chile ha sido afectado por un buen número de eventos, lo que ha representado grandes pérdidas materiales y humanas. El último registrado el 27 de Febrero del 2010 en la zona central provocó 524 víctimas, 800 mil damnificados y cerca de 200 mil viviendas destruidas o gravemente dañadas. Entre los edificios dañados, el CMN indicó que 75 bienes patrimoniales resultaron con daños mayores, destruidos y desaparecidos.

Fig.3 Algunas imágenes del Terremoto en Chile del 27 de Febrero del 2010

En resumen, tenemos que la fuerza de destrucción de un sismo depende de los siguientes parámetros: - Magnitud - Ubicación del epicentro (profundidad y distancia horizontal) - Geología y topografía del lugar - Características del suelo - Duración y frecuencia Las edificaciones son afectadas mayormente por los impactos horizontales creados por el movimiento de la tierra en el mismo plano. Finalmente, dentro de una vivienda, el peligro reside en que los muros colapsen hacia fuera, dejando caer la cubierta y los entrepisos al interior de la misma. Esto nos lleva a pensar que las características más relevantes para que una estructura tenga un buen comportamiento sísmico son: - Resistencia contra fuerzas horizontales - Ductilidad (capacidad de deformación) Esto significa: Comportamiento sísmico = resistencia x ductilidad. Por lo que podemos tener una estructura de alta resistencia (costosa) y baja ductilidad que puede resistir un sismo de gran magnitud. En este caso, tenemos las construcciones antiguas con muros de adobe de entre 60 y 80 cm. que resistieron sismos por siglos (Fig. 4).

Fig.4 Ejemplo de casas de adobe dañadas por acciones sísmicas

3. CLASIFICACIÓN DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ADOBE En las estructuras de adobe se presentan distintos tipos de daños provocados por eventos sísmicos de mediana y alta intensidad. Esto nos lleva a analizar los elementos que constituyen las estructuras y que nos deben proporcionar la seguridad frente a un terremoto. - Cimientos - Muros - Elementos de arriostramiento horizontal - Elementos de arriostramiento vertical - Entrepiso - Techo De los elementos mencionados, un factor importante dentro del comportamiento de la estructura viene relacionado con la ESBELTEZ de los muros (Es = H / e). De acuerdo a esto, las investigaciones nos han permitido realizar la siguiente clasificación: - Muros gruesos: Es < 6 - Muros intermedios: 8 < Es < 6 - Muros delgados: Es > 8 Esto permite que, para el caso de muros delgados tengamos inestabilidad tan pronto como aparecen las primeras fisuras. Para el caso de muros gruesos, la estabilidad no se pierde con la aparición de las primeras grietas. Este análisis nos permite reconocer las fallas más frecuentes en este tipo de estructuras. Estas fallas pueden agruparse en las causadas por fuerzas perpendiculares al plano del muro y las que actúan en su propio plano. 3.1 Daños causados por fuerzas perpendiculares al p lano del muro Las grietas originadas por fuerzas fuera del plano del muro son las primeras que se presentan y pueden aparecer incluso con niveles bajos de intensidad sísmica. Estas grietas no necesariamente significa la pérdida de estabilidad de la estructura. Para este caso, los factores que afectan la estabilidad de los muros son: - Grosor del muro y esbeltez - Conexión entre muro y techo o el sistema de piso - Si el muro es portante o no - La longitud libre del muro o distancia entre las intersecciones de los muros

transversales - La condición de la base del muro

Para esta acción tenemos los siguientes casos: 3.1.1 El colapso de tímpanos En el caso de viviendas con techos de dos aguas, comúnmente se utiliza la construcción de un tímpano como una continuación de los muros extremos. La mayor altura los hace más 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. En estos casos se presentan dos tipos de falla fuera del plano: 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 (Ver Fig. 5 y 6).

Fig. 5 Inicio de la grieta en la parte superior del tímpano

Fig. 6 Colapso total del tímpano

3.1.2 Grietas verticales en las esquinas y volteo d el muro fuera del plano 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 (Fig. 7, 8 y 9).

Fig. 7 Grieta vertical en las esquinas en casi toda la longitud del muro

Fig. 8 Grieta vertical en esquina superior del muro

Fig. 9 Volteo lateral de muro en zona rural

3.1.3 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 (Ver Fig. 10).

Fig. 10 Volteo lateral de muro en zona rural 3.1.4 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 figura 11, en que algunos machones cortos de adobe han impedido el volteo desde la base

Fig. 11 Colapso lateral a partir del alféizar de la ventana 3.2 Daños causados por fuerzas cortantes en el plan o 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 Para esta acción tenemos los siguientes casos: 3.2.1 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 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 (Ver Fig. 12).

Fig. 12 Ejemplos de grietas por fuerza cortante en el plano del muro

3.2.2 Grieta 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 (Ver ejemplos en Fig. 13).

Fig. 13 Ejemplos de grietas cerca de los vanos 3.2.3 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 (Ver Fig. 14).

Fig. 14 Esquema de las grietas en las esquinas

Considerando que las fallas planteadas se originan principalmente por la acción de fuerzas sísmicas horizontales, debemos mencionar además las provocadas por vibración sísmica vertical. 3.3 Daños provocados pos fuerzas sísmicas verticale s 3.3.1 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 (originadas dentro de la placa tectónica), con foco superficial, la aceleración vertical puede llegar a tener valores importantes, teniendo como resultado el colapso de los muros por el incremento de dicho empuje horizontal con el consecuente colapso del techo dentro de la vivienda (Ver Fig. 15).

Fig. 15 Daños por influencia del techo

3.3.2 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 disminuye 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 - Inadecuada cimentación o ausencia total de ella - Instalaciones de agua defectuosas empotradas en los muros de adobe 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 (Ver ejemplos en Fig. 16).

Fig. 16 Ejemplos en los cuales la humedad en la parte baja reduce la sección del muro 3.3.3 Daños por erosión Usualmente las viviendas de tierra poseen un enlucido cuya finalidad es proteger los muros de acciones erosivas externas. Cuando no existe o se pierde por falta de mantención, el efecto de la erosión provoca una disminución en la sección del muro, reduciendo su resistencia al corte y a cargas verticales, con los consiguientes efectos adversos en caso de sismos (Ver Fig. 17).

Fig. 17 Ejemplos de erosión en muros y pilares que han perdido su recubrimiento 3.3.4 Daños por combinación de 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. 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 (Ver Fig. 18).

Fig. 18 Ejemplos de intervenciones de estructuras de adobe con otros materiales 3.3.5 Daños por asentamiento o deslizamiento de ter reno En general, las viviendas rurales se ubican en laderas de cerros o en terrenos inclinados, para lo cual se realizan trabajos de corte y relleno para obtener una zona plana de asentamiento. Cuando estos trabajos se hacen en forma manual y sin criterios técnicos, puede ocasionar que el peso de la vivienda haga ceder el terreno, generando grietas, que sumado a un efecto sísmico provoque el colapso de la estructura (Ver referencia en Fig. 19).

Fig. 19 Ejemplos de riesgo por deslizamientote terreno 3.3.6 Daños ocasionados por errores constructivos y de diseño En algunos casos, errores en el diseño (irregularidades en planta y en altura y mala distribución de muros) y en proceso de construcción (como se enumeran en la Fig. 20) contribuyen a aumentar la vulnerabilidad sísmica de la estructura.

Fig. 20 Errores constructivos que provocan riesgos de derrumbe

4. REHABILITACIÓN SISMICA DE ESTRUCTURAS EN ADOBE

Las características propias de este tipo de construcciones están relacionadas directamente con la reconocida vulnerabilidad sísmica que se le atribuye. Por ello, la reducción de dicha característica se alcanza a través de una serie de intervenciones estructurales, con la finalidad última de proteger a los habitantes de la vivienda. 4.1 Rehabilitación de muros con malla de acero El sistema consiste en instalar una serie de mallas por franjas horizontales y verticales en las zonas críticas de los muros principales de la vivienda. Los tramos de malla se instalan en ambas caras en forma simultánea, interconectadas con alambre de 8 mm colocados a través de perforaciones realizadas previamente en el muro. Los alambres van separados a 20 cm. en promedio en ambas direcciones. Luego de afianzada la malla, se aplica un enlucido con arena y cal hidráulica. - Descripción del proceso constructivo (1) Ubicación de orificios en el muro y preparación de alambres para conexión

(2) Detalle de la instalación de las mallas en muros y esquinas

(3) Detalle de la instalación de las mallas en tímpanos

(4) Abrir los orificios sobre el muro para que coincida con las venas de la malla. Los orificios deben quedar espaciados a distancias cercanas a 20 cm. en ambas direcciones.

(5) Rellenar los orificios con mortero fluido de cal y arena en proporción 1:2.

Luego se procede a ajustar los alambres de las mallas no traslapadas.

(6) Instalación de la malla en esquinas. Se dejan 50 cm. en uno de los muros esquineros y 20 cm. en el otro muro que conforma la esquina para traslapar con la malla contigua. Luego se procede a las mallas horizontales. En el caso de los traslapes, el alambre debe unir ambas mallas.

(7) Aplicación del enlucido. Se debe humedecer la superficie antes de la

aplicación del revoque. Se recomienda sólo aplicar el mortero en la zona donde viene aplicada la malla.

4.2 Rehabilitación de muros con elementos de madera confinante Consiste en la instalación de tablas de madera horizontales y verticales que permitan aumentar la resistencia de los muros y mantener la consistencia y unidad de la estructura. Las tablas vienen instaladas por ambas caras, unidas a través de pernos de acero que permiten fijar el entramado de madera al muro. Estas tablas deben ser de buena calidad, libres de fisuras, grietas, desgarres, defectos o nudillos. Las tablas horizontales se instalarán a 50 cm. medidos desde el sobrecimiento hacia arriba y a 20 cm. desde la viga corona de entrepiso (cadena) hacia abajo. Se colocarán tablas horizontales adicionales para cumplir con una separación vertical máxima de 1,5 m. Las tablas verticales se instalarán a 10 cm. de las esquinas, tal como lo muestra la figura 21. Se colocarán tablas verticales adicionales para cumplir con una separación horizontal de 1,5 m. Además se colocarán tablas verticales en los bordes de las aberturas de puertas y ventanas y en las esquinas de intersección con otros muros contiguos.

Fig. 21 Especificaciones en las esquinas para las tablas verticales El ancho de la madera debe ser superior a la altura del muro dividida en 15 y mayor a 20 cm. Las tablas deben ser con espesores superiores a 2 cm. A nivel de entrepisos, las tablas verticales deben unirse a la cadena a través de un perno de conexión. El ancho de las platinas debe ser del orden de ¾ del ancho de la tabla con espesores de 1/8” o superior. El espaciamiento máximo entre pernos de conexión de las tablas de refuerzo debe ser de 50 cm.

- Descripción del proceso constructivo (1) Ubicación del entramado, para cumplir con especificaciones de diseño.

(2) Tallar sobre el muro el espacio para confinar la tabla de madera

(3) Perforar los orificios para los conectores

(4) Instalar las tablas de refuerzo verticales. Sólo se ajustarán los pernos que

no queden en las intersecciones. Luego se instalan las tablas de refuerzo horizontales. Luego de ello se puede comenzar a ajustar los pernos de las intersecciones.

.

(5) Ajustar la totalidad de pernos de conexión. En las esquinas se instalan las platinas de 1/8” con pernos con rosca para madera. En algunos casos puede coincidir con los pernos de conexión. Para los traslapes de madera, se consideran el uso de un perno de conexión adicional, tal como lo muestra la figura

(6) Colocar trozos de malla sobre las tablas de refuerzo de madera para

finalmente aplicar un mortero de revoque.

5. CASO DE ESTUDIO: REHABILITACION DE CASA EN LLAY LLAY

Antecedentes Vivienda: Casa Patronal del Fundo Ucuquer Lugar: Llay Llay Fecha Construcción: Su construcción inicia en el 1891 por orden de

Don Agustín Edwards Ross Características: Muros de albañilería de adobe de un espesor de

70 a 80 cm. Los muros alcanzan largos de 8 metros con alturas de 5,5 metros.

Empresa ejecutora: Constructora Mediterráneo La constructora Mediterráneo está realizando la restauración de una vivienda construida en el siglo XIX, la cual fue gravemente afectada por el terremoto del 27 de Febrero.

ETAPAS DE TRABAJO

1. RECONOCIMIENTO DE DAÑOS

Podemos reconocer grietas en las esquinas y desplome parcial. Esto viene acompañado de pérdida del recubrimiento en la zona afectada (revoque de tierra). Se puede apreciar una ausencia de mantenimiento. En algunos sectores claramente se encuentran deteriorados por acción del agua filtrada a través del techo (problemas con la cubierta de la techumbre). Debido al espesor del muro, se presentan grietas verticales, ocasionadas por esfuerzos de corte que no logran ser disipados (Ver Fig. 22).

Fig. 22 Presencia de grietas en las esquinas y grietas verticales Se logra apreciar algún tipo de intervención sobre el proyecto original, agregando otros materiales a la construcción y provocando daños por efectos de elementos con rigideces distintas que no logran comportarse en forma monolítica al ser solicitados por cargas sísmicas (Ver Fig. 23).

Fig. 23 Cambios en el proyecto original (uso de otros materiales). En algunos muros, se puede apreciar que en alguna reparación o mantención anterior, se decide cambiar el revestimiento de barro por un mortero de cemento. Al no utilizar algún sistema que permitiera la adherencia total del estuco sobre el adobe (generalmente se utiliza una malla de acero tipo malla de gallinero o plancha de metal desplegado para tales efectos), se generaron planos de falla y desprendimiento del revoque, tal como se puede apreciar en la Fig. 24. Generalmente se utiliza algún sistema que logre unir ambos elementos (adobe y mortero).

Fig. 24 Desprendimiento de recubrimiento realizado con un mortero de cemento. En este punto, debemos señalar un tema importante referente al recubrimiento de los muros: control de humedad . Si se utiliza un estuco de cemento sólo en la cara interior del muro, se genera una barrera de vapor, que no permite el flujo normal de humedad (muro respirable). Esto provoca que se aloje el agua entre el muro y el estuco, provocando una meteorización paulatina del elemento de adobe. Esto se puede apreciar claramente en la Fig. 25.

Fig. 25 Deterioro del adobe por contacto permanente con la humedad del muro. ANÁLISIS Y PROPUESTA DE REPARACIÓN Debido a que el nivel de daños es considerable, se decide utilizar una solución combinada de reforzamiento, el cual contempla el uso de un entramado de madera confinante y una malla de alambre tipo Grass Track (Inchalam). Estos sistemas serán aplicados sobre los muros dañados, por ambas caras. Esto permitirá crear una envolvente de refuerzo que permita absorber nuevas solicitaciones y otorgar un monolitismo a la estructura.

MATERIALES Madera y Accesorios

Meteorización del adobe

+

Malla de acero

IMPLEMENTACION DE LA SOLUCIÓN En las siguientes fotos podemos apreciar algunos detalles del proceso constructivo que se utiliza para instalar el sistema propuesto para la reparación de la vivienda. Perforación del muro Dimensionamiento de la malla

Instalación del entramado de madera Reparación del cielo del corredor

Instalación de las tablas de madera Instalación de la malla

Detalles parte superior del muro Instalación del Revoque

Detalles del revoque con mortero Detalles del revoque con mortero

Detalles de la malla Detalles del entramado y la malla

RESULTADOS A la fecha, los trabajos aún se encuentran en ejecución.

6. CONCLUSIONES - De acuerdo a la información recopilada para el pres ente estudio,

podemos establecer la necesidad de aunar criterios para el diseño de sistemas de reparación de viviendas en adobe, con l a finalidad de disminuir su vulnerabilidad frente a cargas sísmica s.

- El sistema de refuerzos propuesto en este documento permite

disminuir considerablemente el nivel de riesgo fren te a terremotos debido a que se genera una envolvente bidimensional en ambas caras de los muros, permitiendo la absorción de tensiones fuera y dentro del plano del muro, permitiendo así evitar el colap so.

- El reto de adecuar sísmicamente una construcción de adobe es una

actividad beneficiosa en el largo plazo, ya que pre serva los recursos históricos así como garantiza la seguridad de vida de sus ocupantes.

- Se hace necesario establecer normativas para constr uir en adobe con

factores de seguridad que disminuyan al mínimo el r iesgo sísmico.

7. BIBLIOGRAFIA - Manual para la rehabilitación de viviendas construi das en adobe y

tapia pisada

Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica y Red de Solidaridad Social de la Presidencia de la República de Colombia, 2005

- Norma Técnica de Edificación NTE E.080 ADOBE

Código Peruano, 1999

- Caracterización de Daños en Construcciones de Adobe Daniel Torrealba Dávila, 2003

- Manual de Catastro. Reconocimiento de Daños

Ficha www.reconstruye.cl, 2010

- Terremoto 27 de Febrero 2010, Informe Técnico

Servicio Sismológico de la Universidad de Chile, 2010

- Manual de construcción para viviendas antisísmicas de tierra

Gernot Minke, Universidad de Kassel, Alemania, 2005

- Manual para la reparación y reforzamiento de vivien das de albañilería confinada dañada por sismos

Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo, 2009

- Guía de planeamiento e ingeniería para la estabiliz ación

sismorresistente de estructuras históricas de adobe

LeRoy, Kimbro, Ginell; The Getty Conservation Institute, 2003