DISEÑO SISMICO DE EDIFICIOS ALTOS

Propiedades estructurales de muros esbeltos de mampostería

Cuando un muro alcanza su capacidad de agrietamiento, se desarrollan patrones de grietas y daño que quedan fuertemente relacionados con los elementos mecánicos que dominan su comportamiento lateral. Dependiendo del tipo de mecanismo que desarrolle el muro y de su detallado (que incluye el uso de refuerzo vertical y/o horizontal, y el confinamiento del panel de mampostería por medio de castillos y dalas), este podrá exhibir un comportamiento frágil e inestable que resulte en niveles limitados de deformación inelástica; o un comportamiento dúctil caracterizado por una capacidad de deformación importante y una degradación controlada en presencia de cargas cíclicas.

En términos de muros esbeltos de mampostería, es muy importante estudiar cómo lograr que su comportamiento quede dominado por efectos de flexión, y que tipo de detallado hay que proveerles para que tengan la capacidad de desarrollar comportamiento dúctil. Normalmente, cuando se habla de la relación de esbeltez de un muro se hace referencia al cociente entre su altura y espesor. La relación entre la altura y ancho del muro suele denotarse relación de aspecto. Debido a la falta de una mejor terminología, en este artículo el término muro esbelto hace referencia a muros que tiene una relación de aspecto de 2 o mayor.

Modos de comportamiento

 
Los resultados experimentales sugieren que los muros de mampostería sujetos a carga lateral tienden a desarrollar tres tipos de comportamiento y daño: A) Flexión; B) Corte; y C) Flexión/Corte. El tipo de comportamiento que desarrolla el muro depende en gran medida de su: A) Relación de aspecto; B) Condición de carga y apoyo; y C) Cuantías de acero vertical y horizontal contenidas en el panel de mampostería y los elementos confinantes. En general, un muro esbelto de mampostería cuyo comportamiento quede dominado por flexión puede detallarse de tal manera que exhiba un comportamiento dúctil (Priestley y Elder, 1982; Shedid et al., 2009).

El daño por flexión debido a cargas laterales en el plano del muro se caracteriza por un patrón de grietas horizontales que desarrolla el mortero ubicado en la parte de tensión, y suele quedar caracterizado por la fluencia del acero vertical ubicado en la zona de tensión y por el aplastamiento de la mampostería en el extremo del muro ubicado en la zona de compresión. En el caso de mampostería confinada, el aplastamiento puede darse en el castillo, y esto suele venir acompañado por el pandeo de su acero longitudinal. La falla de un muro de mampostería confinada suele ocurrir cuando se presenta un agrietamiento horizontal excesivo, el aplastamiento del concreto en los castillos, o cuando finalmente aparecen grietas importantes a corte en el panel del muro (Meli et al.,2011).

Flexión

En términos de la situación ideal para un muro sujeto a cargas laterales, es importante promover su trabajo a flexión. Dentro de este contexto, es necesario establecer de manera razonable su capacidad resistente a flexión y flexo-compresión, y tomar medidas para estabilizar este comportamiento en el rango plástico de respuesta. La resistencia a flexión que tiene un muro de mampostería confinada se da a partir de la formación de un par de fuerzas. Mientras que una de ellas se da en lo esencial a partir de los esfuerzos de compresión que desarrollan la mampostería y el castillo en uno de los extremos del muro, la otra se da a partir del esfuerzo de tensión que desarrolla el refuerzo longitudinal del castillo ubicado en el otro extremo. La evidencia experimental disponible indica la pertinencia de usar la teoría convencional de flexión desarrollada para elementos estructurales de concreto reforzado para estimar la resistencia y capacidad de deformación de muros esbeltos de mampostería.

Corte

Lograr que un muro esbelto desarrolle un comportamiento dominado por efectos de flexión implica aportarle una capacidad adecuada a corte. Desde los años setenta del Siglo XX se han llevado a cabo ensayos de muros de mampostería para obtener expresiones empíricas que sean capaces de determinar de manera razonable dicha capacidad. Estudios recientes coinciden en señalar que la resistencia a corte de un muro de mampostería queda aportada por: A) La resistencia a corte del panel de mampostería; B) La contribución de la carga axial; y C) El acero horizontal en el muro. Aunque en México se cuenta con una ecuación capaz de predecir de manera razonable la resistencia a corte de muros de mampostería confinada, es importante mencionar que dicha expresión aplica a muros con relación de aspecto menor o igual que la unidad, y cuya mampostería no exhibe alta resistencia. En términos de hacer posible el diseño y construcción de edificios altos de mampostería, es necesario contar con una expresión que aplique al caso de muros esbeltos de mampostería confinada de alta resistencia.

 
Conclusiones

 
Los ensayos experimentales llevados a cabo a nivel internacional indican que el comportamiento de muros esbeltos de mampostería puede llegar a ser dúctil, y tener asociado altas capacidades de deformación lateral y disipación de energía. La construcción de edificios de mampostería de gran altura será posible en la medida que se desarrollen en México mamposterías de alta resistencia y se planteen sistemas estructurales que promuevan el comportamiento a flexión de los muros.

Dentro de este contexto, la normativa actual debe modificar y/o esclarecer las hipótesis con que se analizan y diseñan las estructuras de mampostería. De particular importancia para el diseño de edificios altos de mampostería resultan la revisión de los requerimientos normativos relativos a las distorsiones de entrepiso, y el conservadurismo implícito en el uso del método optativo para la determinación del diagrama de interacción flexión-carga axial de un muro de mampostería. Los resultados obtenidos a partir del modelado no lineal de un edificio de 10 pisos, y de la evaluación de su desempeño estructural, sugieren que los muros contemplados para el edificio no tendrán problemas en términos de su resistencia a corte. Al respecto, es importante mencionar que dicha resistencia fue evaluada a partir de una expresión establecida a nivel internacional, la cual debe ser avalada o corregida a la brevedad para su uso dentro del contexto de la práctica mexicana.

La presencia de castillos estabilizó la respuesta a flexión de los muros bajo consideración en este artículo, y eliminó la posibilidad de aplastamiento de la mampostería. El modelado de los muros a través de un modelo de fibras permitió entender que el bajo contenido de acero de los castillos resultó en profundidades pequeñas para el eje neutro del lado de la zona de compresión del muro, lo que a su vez resultó en que las deformaciones unitarias en las piezas de mampostería vecinas al castillo sujeto a compresión resultarán prácticamente nulas. Aunque en estudios experimentales se ha llegado a observar el aplastamiento de las piezas de mampostería en la zona de compresión; puede decirse, a partir de los resultados presentados en este artículo, que un diseño adecuado de los castillos hace posible una respuesta estable a flexión de muros confinados de mampostería de alta resistencia. Aunque durante su respuesta ante sismo, el edificio de 10 pisos llega a exhibir daño severo en los muros extremos de fachada, la estabilidad global queda garantizada por un núcleo estructural formado por los muros de pasillo, los cuales son capaces de aportar una resistencia a sismo adecuada aún para elevadas demandas de desplazamiento de azotea.

Es importante hacer notar que los cambios sugeridos al sistema estructural originalmente planteado resultaron en un edificio con mayor capacidad de deformación lateral y que no desarrolla una planta baja débil una vez que ingresa a su rango plástico de comportamiento. Más allá de las consideraciones hechas en este trabajo para hacer posible el diseño de edificios altos de mampostería en zonas sísmicas, es relevante destacar la importancia de un control de calidad adecuado en términos de los materiales estructurales, y del detallado proporcionado en campo a los muros. Además de lo anterior, es importante llevar a cabo una serie de estudios experimentales capaces de desarrollar expresiones de diseño para muros esbeltos de mampostería fabricados con mamposterías mexicanas de alta resistencia. Dichos estudios deberán considerar la obtención de curvas esfuerzo-deformación axial que contemplen el comportamiento de la mampostería hasta la falla.

En JH - Soluciones Integrales S.A.S. “Realizamos diseño y cálculo estructural en Medellín"

Fuente:
SCIELO