COMPORTAMIENTO SÍSMICO Y ALTERNATIVAS DE

REHABILITACIÓN DE EDIFICACIONES EN ADOBE Y TAPIA

PISADA CON BASE EN MODELOS A ESCALA REDUCIDA

ENSAYADOS EN MESA VIBRATORIA

Luis E. Yamin* , Ángel E. Rodríguez **, Luis R. Fonseca***, Juan C. Reyes****,Camilo A. Phillips*****

RESUMEN

El presente artículo resume los resultados principales de una investigación tendiente a determinar lasprincipales características y propiedades mecánicas de los elementos estructurales que conforman lasedificaciones en tierra y a partir de esta información plantear alternativas de rehabilitación sísmicaacordes con las características y entorno de este tipo de construcciones en Colombia. Las medidas derehabilitación planteadas que consisten básicamente en reforzamiento con mallas de acero y pañetes abase de cal y reforzamiento con elementos de madera confinantes, fueron sometidas a un programaexperimental mediante la realización de ensayos sobre probetas sometidas a diferentes tipos de solicita-ciones, ensayos sobre muros a escala natural sometidos a cargas en el plano y perpendiculares al plano,ensayos de modelos a escala 1:5 sometidos a la acción de mesa vibratoria y ensayos de viviendas aescala 1:1.5 sometidas a carga cíclica horizontal. Los resultados de la investigación permiten establecerlas ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas de rehabilitación analizados. Se encuentra que, apesar de la alta vulnerabilidad sísmica de estos sistemas constructivos, el método de rehabilitación conelementos de madera confinantes representa una alternativa viable y atractiva para la disminución delriesgo en este tipo de construcciones.

SUMMARY

This paper summarizes the main results of a research project carried out to determine the maincharacteristics and mechanical properties of the structural elements that conform the earth madeconstructions, and to propose seismic rehabilitation alternatives according to the seismic hazard andcharacteristics of this kind of structures in Colombia. The proposed seismic rehabilitation alternativesconsist of reinforcement with wire mesh covered with lime based mortar, and confining reinforcementwith wooden elements. These alternatives were subjected to a series of tests on small specimens, full scalewalls loaded on both directions, shaking table tests on 1:5 scale models and cyclic horizontal loading on1:1.5 house models. The results of the research allow to establish advantages and disadvantages for the

Director CITEC y Profesor Asociado de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.e-mail: lyamin@uniandes.edu.co

Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail: ed-rodri@uniandes.edu.co

Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail:lfonsec@uniandes.edu.co

Profesor Instructor e Investigador de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.e-mail: jureyes@uniandes.edu.co

***** Profesor de Cátedra e Investigador de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.e-mail: c-philli@uniandes.edu.co

Facultad de Ingeniería

**

***

****

175

UnidadesParámetro

315 179

AdobeEscala 1:5

DensidadMódulo de Elasticidad kgf,/cm2

Módulo de Ri;_idezResistencia a Comresión

Resistencia a CortanteResistencia a Flexión 0.23

rehabilitation alternatives studied. Considering the high seismic vulnerability of earth made constructions,the confining reinforcement with wooden elements was found to be a promising alternative to reduce theseismic risk of this type of constructions.

INTROD

Muchas de las edificaciones del período colo-nial español, fueron construidas en mamposte-ría de adobe y/o tapia pisada. Los materialespara la construcción de las iglesias y de las ca-sas de la época se limitaron generalmente a losque estaban disponibles en la región y trabaja-dos comúnmente por artesanos locales. Comoconsecuencia de su edad, diseño y funciones,los edificios de adobe y tapia son estructurasde tipo histórico v de legado cultural significa-tivo dentro de las comunidades, La alta vulne-rabilidad sísmica de estas herencias arquitec-tónicas ha sido claramente identificada, tantoque muchas de estas han sido reparadas o re-construidas varias veces en el mismo sitio de ladestrucción de la estructura precedente por unterremoto, En diversos terremotos ocurridosen el mundo, estructuras construidas con di-chos materiales han demostrado tener un malcomportamiento, colapsando en forma muyrápida, incluso ante los sismos moderados, loque generalmente provoca la muerte de susocupantes y grandes pérdidas económicas, cul-turales y patrimoniales.

La reducción de la vulnerabilidad sísmica deedificios históricos y culturales involucra con-sideraciones adicionales a los procesos de re-habilitación de edificios convencionales, talescomo la necesidad de mantener lo más

inalterado posible las características históricasy culturales de las mismas.

PROPIEDADES l^iti^a;NIC.AS DE LOS

ATERIAI,ES

Se realizó una caracterización general de laspropiedades mecánicas de los materiales utili-zados en las construcciones en tierra en rela-ción al peso y a la resistencia ante diferentessolicitaciones de esfuerzos actuantes. Se ade-lantaron ensayos de caracterización sobreprobetas a escala natural y sobre probetas aescala reducida 1:5, En la O se resumen las prin-cipales propiedades mecánicas encontradas apartir de las probetas a escala real y a escalareducida,

ira 1f E

escala 1.)

.vio de tracción diagonal - muretes a

Libia 1. opiedades m eccí. icas de los materiales es l =.adiados

modelada

176iJ . I v_ ^ S I D F. C .^ ^. C7 S A NDES

1 77

Como se puede concluir de los resultados quese presentan, las propiedades mecánicas prin-cipales de los materiales no varían significati-vamente en función de la escala de las probetasexcepto en los casos en que el peso propio delespécimen comienza a afectar los resultados.En dichos casos resulta claro que las resisten-cias medidas en los modelos a escala reducidapresentarán en general valores mayores que loscorrespondientes a em. ala real.

NATIVAS DE L1fiAC':t1N GIS iCA

Considerando la alta amenaza sísmica a la queestán sometidas las edificaciones de adobe ytapia en Colombia y su gran vulnerabilidad anteeventos de este tipo, es necesario desarrollaralternativas de reforzamiento o rehabilitacióncine tengan en cuenta no solo los aspectos téc-nicos relacionados con el comportamiento delmaterial y del tipo constructivo sino las condi-ciones socioeconómicas v las características his-tórico culturales de estas edificaciones. Se pre-tende entonces preservar al máximo la arqui-tectura original, utilizando en lo posible mate-riales similares o compatibles con los origina-les, tratando de conservar el aspecto generalde la vivienda y sus terminados. Las alternati-vas de reforzamiento que se estudian en la pre-sente investigación tienen por objetivo dismi-nuir el riesgo sísmico al que están sometidaseste tipo de edificaciones, Se pretende enton-

e evitar el colapso de la edificación duranteerremoto con el fin de salvaguardar la vida

ele los ocupantes. Adicionalmente se pretendetambién minimizar las pérdidas económicasasociadas generalmente a personas de bajos re-cursos económicos. Las medidas propuestasestán dirigidas principalmente a la rehabilita-ción de viviendas existentes y no a la construc-ción de nuevas viviendas de construcciónsismorresistente,

Luego de una amplia revisión bibliográfica, in-vestigación y análisis sobre el comportamientode este tipo de edificaciones, se seleccionarondos alternativas de rehabilitación que cumplencon los criterios de facilidad constructiva,

Facultad de I ngenleria

minimización de intervención del sistema es-tructural existente y uso de materiales econó-micos de fácil consecución e instalación. Laprimera de ellas consistente en el reforzamientocon malla y mortero de cal en sitios estratégi-cos de la edificación. Esta alternativa está ba-sada en amplios desarrollos de investigación enpaíses como Perú (Zegarra, 2001). La segundaalternativa seleccionada consiste en elreforzamiento mediante elementos confinantesde madera, la cual esta basada en trabajos deinvestigación adelantados en el Centro de In-vestigación y Desarrollo Tecnológico, C1TEC,de la Universidad de los Andes.

Reforzamiento con malla y mortero de cal

Esta técnica consiste en instalar mallaelectrosoldada por franjas horizontales y verti-cales (simulando vigas y columnas de confina-miento, respectivamente) en las zonas críticasde la vivienda. La malla se sujeta a la paredmediante clavos y tapas de gaseosa cada 30 cmy se instala tanto en la parte externa como enla interna del muro, Adicionalmente se propor-cionan anclajes o conectores que atraviesan elmuro a espaciamientos aproximados de 50 cmen las dos direcciones. Estos conectores estáncompuestos por alambre de 8 mm colocado enorificios previamente perforados los cuales serellenan con mortero de cal y arena en propor-ción 1:2. Posteriormente la malla se recubrecon mortero de cal y arena con el mismoproporcionatniento. Se pretende con esta me-dida evitar la inestabilidad lateral que se pre-senta de forma súbita en viviendas no reforza-das cuando se agrietan durante la ocurrenciadel terremoto.

Esta propuesta de reforzamiento se ha estu-diado ampliamente en el Perú, México y otrospaíses. La técnica se basa principalmente en losresultados del proyecto «Estabilización de lasconstrucciones de adobe existentes en los paí-ses andinos» desarrollado por el Centro Regio-nal de Sismología para América del Sur(Ceresis) y la Pontificia Universidad del Perú.En la bibliografía consultada (Zegarra, 2001 y

Universidad de los Andes, 2002) se describeen mejor detalle este tipo de rehabilitación queha demostrado sus cualidades en algunos even-tos sísmicos recientes. Esta alternativa se apli-

có a uno de los modelos de adobe a escala re-ducida (1:5) en estudio, como se presenta enla Figura 2.

Figura 2. Retomar rienro con malla y mortero

1 7 8

Reforzamiento con elementos confinantes enmadera

Esta alternativa consiste en instalar elementosde madera en el plano del muro, por las doscaras simultáneamente e interconectarlos en-tre sí mediante pernos pasantes cuyo orificiopreviamente perforado se rellena con morterode cemento. La ubicación y las dimensiones delos elementos de madera serán variables segúnel diseño específico del muro, Sin embargo acontinuación se plantean unas especificacionesmínimas tentativas.

Los elementos de madera confinantes para vi-viendas de uno y dos pisos a escala real debe-rán tener una dimensión mínima de 15 cm x 2cm y deben instalarse tanto en sentido hori-zontal como en sentido vertical. Para su insta-lación se recomienda abrir regatas con las di-mensiones de la madera en los muros de adobey/o tapia o de un espesor ligeramente superiorcon el fin de «pañetar» posteriormente el ele-mento de refuerzo para conservar la aparienciaoriginal del muro. La madera será como míni-mo de la Clase C según el Título G de la NSR-98.

Horizontalmente deben colocarse elementoscerca a la base de los muros y cerca a la losa deentrepiso y a distancias verticales que no de-ben sobrepasar en principio los 2.0 m. En elsentido vertical deben colocarse elementosconfinantes cerca de las uniones o interseccio-nes con otros muros perpendiculares, alrede-dor de aberturas de puertas y ventanas, y a dis-tancias horizontales de máximo 3.0 m. Los ele-mentos verticales y horizontales debeninterconectarse siempre entre sí mediante per-nos pasantes de I A de pulgada colocados en elcentro del punto de intersección. Además, loselementos horizontales de muros ortogonalesdeben conectarse entre sí mediante conectoresmetálicos tipo platina de '% con la forma de laesquina.

Dicha conexión debe realizarse tanto en la carainterna como en la externa. La platina de co-nexión debe estar anclada al muro y a los ele-mentos de madera mediante pernos pasantesde Vi de pulgada. Todos los elementos de ma-dera confinantes deben estar firmemente an-clados al muro mediante pernos tes de `Ade pulgada cada 50 cm, cuyo .cr ° c .o previa-mente perforado debe inyectarse con mortero

U N I v L R S I D A D DE LOS ANDES

179

de cemento, mínimo del tipo S dado en el Tí-tulo D de la SR-9S.

Además, todas las maderas utilizadas en elreforzamiento de muros en tierra serán atrave-sadas con puntillas colocadas cada 15 cm conel fin de garantizar una superficie de contactorugosa con tos muros de tierra, garantizandoasí la compatibilidad de deformaciones entrelos dos materiales.

Cuando el muro presente aberturas tales comoventanas o puertas se deben colos:ar° elementosconfinantes de madera en dirección vertical alado y lado del hueco. Estos elementos debenprolongarse en lo posible hasta las losas de en-trepiso superior e inferior en el piso sujeto areforzamiento o hasta los elementos de made-ra horizontales más cercanos,

Cuando esta alternativa de rehabilitación seaplique sobre muros de tapia pisada debenrellenarse los agujeros dejados por las agujas(formaletas de .instrucción) con mortero decal v arena. Ad. . , •e deben clavar cunas demadera sobre el mortero para garantizar un-adecuada adherencia. Este tipo de refuerzo fueaplicado a dos modelos, uno en tapia y el otroen adobe. En la Figura 3 se muestra la aplica-ción de este esquema de rehabilitación a unode los modelos a escala reducida,

Figura 3. Refuerzo con maderas confinante

Facultad de I n g e n i e r i a

MODELACIÓN ExPERi ^

Especinienes para ensayo

Se diseñaron y construyeron una serie de mo-delos de viviendas a escala 1:5 para ser someti-dos a ensayos de excitación en la base median-te mesa vibratoria. Se realizaron un total decuatro (4) modelos, tres de un solo nivel y unode dos niveles. Tres de los modelos se constru-yeron en adobe, implementando en dos de elloslas alternativas de reforzamiento en estudio. Elcuarto modelo de dos niveles se construyó entapia pisada y se reforzó con elementosconfinantes de madera.

Los ensayos en mesa vibratoria se utilizan prin-cipalmente para identificar formas de falla ca-racterísticos y para analizar el posible efectode las medidas de rehabilitación en forma com-parativa con los modelos sin ningún tipo de re-fuerzo. Las características de cada uno de losmodel ; se resumen en la O.

lode os constriFigura 4. os a. escala 1:5.

de a una señal sintética generada a partir de unregistro del sismo de Tauramena de 1995 (Es-tación el Rosal). Este sismo corresponde a unaseñal característica que puede llegar a presen-tarse en Bogotá en terreno firme para un sismoque se genere en la falla frontal de la Cordille-ra Oriental de Colombia.

La señal introducida al sistema de la mesavibratoria, se especifica en términos de histo-ria de desplazamientos y se determinó medianteintegración directa de la señal de aceleraciónsintética,

Tabla 2. Características de modelos ensayados

ModeloNo. No. de pisos Material Tipo de Refuerzo DimensionesCarga vertical

(kg)

i 1 !adobe Sin refuerzoAncho: 60 cmLargo: 60 cmAlto: 90 cm

35 (cubierta)

11 1 Adobe MaderaAncho: 60 cmLargo: 60 cmAlto; 90 cm

35 (cubierta)

Ili 1 Adobe MallaAncho: 60 cmLargo: 60 cmAlto: 90 cm

35 (cubierta)

IV 2 Tapia Pisada MaderaAncho; 60 cmLargo: 60 cmAlto: 150 cm

35 (cubierta)45 (entrepiso)

Procedi ato c Ensayo

Con el fin de conservar las leyes de lamodelación a escala se hace necesario aplicarsobrecargas artificiales a nivel de la cubierta yde entrepisos intermedios cuando existente.Para el presente caso, el escalamiento obliga ala aplicación de una sobrecarga a nivel de lacubierta de 35 kgf. Aún así, resulta imposiblemodelar la fuerza inercia] directa sobre las pa-redes de la edificación ya que sería necesarioincrementar artificialmente la masa de losmuros con un factor de 5, Por estarazón, elensayo de estos modelos a escala reducida re-presenta, en este caso, un análisis cualitativoprincipalmente y que debe usarse de maneracomparativa entre diferentes especimenes condiferentes configuraciones.

Todos los modelos fueron sometidos a la señalque se presenta en la Figura 4, que correspon-

La modelador, a escala reducida genera princi-palmente un cambio en las características di-námicas del modelo por cuanto que a pesar degenerar un escalamiento geométrico uniforme,las propiedades de los materiales se mantienenprácticamente inalteradas (ver Tabla 1). Al noconservarse el periodo de vibración fundamen-tal del modelo, se hace necesario escalar el ejedel tiempo de la señal de entrada, para mante-ner la similitud en la fuerza dinámica de exci-tación.

caso, dado que el factor de escalageométrico es de 5 y que no se puede aumen-tar la masa del modelo con el fin de simular lasfuerzas inerciales, el factor de escala del tiem-po aplicado es igual a 5. De esta manera, elmovimiento dinámico de estas pruebas dura unpoco más de 15 segundos, que es equivalente a75 segundos en el dominio del prototipo.

U H,. I ID A D. - -.. O; A f i .- ,.

180

o,.^;. ^k..

Figura 5. Solicitación sísmica empleada (Registrosintético sismo de Tauramena, 1995)

Cada modelo fue sometido a una serie de si-mulaciones del movimiento sísmico seleccio-nado. Esto se hizo escalando la señal de entra-da, iniciando desde 0.05 g e incrementandocada 0.05 g hasta llegar a la amplitud que con-lleve al colapso del modelo. La aceleraciónmáxima del registro varía de esta forma desdeun valor de 0.05 g hasta un valor máximo de2.0 g o hasta que se presentara la falla del es-pécimen.

Con el fin de tener en cuenta los efectosortogonales del sismo en una edificación real,

los modelos se colocaron sobre la mesavibratoria a un ángulo de 45 0 con respecto a ladirección de aplicación de la señal sísmica, detal manera que la señal llegue a cada muro dela edificación en un sentido diferente al de susejes principales.

La instrumentación de cada uno de los mode-los consistió en la colocación de acelerómetrosa nivel de la cimentación (mesa vibratoria),entrepiso y cubierta, y transductores de des-plazamiento en las dos direcciones principalesdel modelo a nivel de entrepiso y cubierta.

Resultados de los ensayos

En las Tablas 3 a 6 se presenta una descripcióncuantitativa v cualitativa del comportamientoobservado en cada una de las etapas del ensa-yo. Se indica en cada caso el desplazamientomáximo en la base, la aceleración máxima co-rrespondiente y una breve descripción de losefectos de dicha excitación en cada uno de losmodelos.

Tabla 3 Secuencia del ensayo - F'ivie^;

PruebaNo

Escala Desp.máximo

(mm)

Aeel. máx. en la base

(g)Observaciones Fotografía de la falla % de

Tiempo% deDesp.

1 20 /i 1% 0.37 0. 5 No daño

2 20% 5% 1.85 0.25 Fisuras muy pequeñas3 20% LO la 3.70 0,50 Fisuras claramente definidas

4 20% jc 5 .55 Q 75 Desarrollo del sistema de lisuras

5 20% 20% 7.40 1.t?0 Aumento del tamaño de fisuras

b 20% 25% 9.25 1.25Desprendimiento de bloques

e^ uenos

7 20% 35% 12,95 1.75sprendimiento de bloques

considerables

8 20% 40% 14.80 2.00Caída de cerca del 50 ^ de muros

9 ©%`

40 14 80 } Perdida de mas del 60% demuros

10 20% 40% 14,80 21}{1 Colapso de la edificación por falta de apoyo

Facultad de Ingeniería181

Tabla 4, Secuencia del ensayo - Vivienda II

PruebaPrue Escala Desp. Acel. nuíx. máximo en la base

(mm) (g)Observaciones Fotografía de la falla No % de

Tiempo% deDesp.

1 209e 1% 0.37 0.05 No daño2 20% 5% 1.85 0.25 Fisuras muy pequeñas3 20% 109n 3.70 0.50 Fisuras claramente definid.:-

4 209. 1 5 90 5.55 0.75 Desarrollo del sistema de lisuras

5 209c 2051 7.40 1.00 Aumento del tamaño de fisuras

6 20i 25 r: 9.25 1.25 Desprendimiento de bloques peluches

DIE 30% 11.10 1.50 Agrietamiento mareado enmu ros

8 20{7n 3590 12.95 1.75 C aída de un lado de la cubierta9 2í190 351 12.95 1,75 Cola so tata'. de la cubierta

10 20% 1:11 14.80 2.00 Caída esquinas superiores demuros FbFalla de culatas y maderas queII 40% 120% 44.40 1.50 la confina

Ta1=1cI^.S cia del ensayo Vivienda III

PruebaNo

escala Desp. Acel.en la base

(g)Observaciones Fotografía de ►a falla% de

Tiempo% deDesp.

máximoI

t 211 0.37 0.05 No daño2 2` 5% 1.85 0.25 Fisuras rutty pequeñas3 . o r 10`ié: 3.70 0.50 Fisuras claramente definidas

4 20 K> 15% 5,55 0 75 Aumento del tamaño defisuras - Vrietas

5 20% 20% 7.40 1.00 Formación completa deetas dta^oaaleS 1

b 20 <, 259n 9.25 i25Desprendimiento de morteromalla en grietasDesprendimiento de muros dcimentación

^,i0 0 ., 11.10 n1.5.

8 40% 60% 22,20 075 Rotura de malla de refuerzo en las grietas

9 40% 120% 44.40 1.50 Deformación excesiva,mecanismo colapso

10 40%. 120% 44.40 1.50 t=alla catastrófica

Tabl a 6. Secuaoc:; la lel ensayo - Vivienda IV

PruebaNo

ESCALA Desp.máximo(mm)

Acel. máx.en la base

(g)Observaciones Fotografía de la falla

% deTiempo

% deDesplaz

20% 11 0.37 0.05 No daño2 201 51 1.85 025 Fisuras muy peq ueñasME 10 3.70 0.50 Fisuras claramente definid as

159c 5.55 0.75 Formación de fisurasGrietas considerables en e l5 20% 20% 7.40 1.00 primer nivel

6 20 r, 25 k 9.25 1 25 Aumento de grietas en e lprimer nivelDesprendimiento de ns7 20% ! 11.10 1.50 rimer nivelCaída de bloques de tal la

8 20/n 35% 12.95 1,=5esx uina leenivel

9 2090 35% 12.95 palta de confinamientodesvrendimlento

.10 40% 6f)90 22.20 0.75 Caída bloque de muros -- 5( ymoras ler nivel

I l 4 0% 120% 44.4044 Iso Perdida de mas del 709 e muros

12 40% 150% 55.50 Desprendimiento de materialdel 2 d " nivel

.113 55.50 1,88 Falla de len nivel lo sostiene las maderas

14 40% 1501 55.5( 1.88 Colapso total del modelo

182UNV I D AD DE l.i;s AN D E s

En la Tabla 7 se presenta un resumen de losresultados principales, Se incluye la acelera-ción máxima para la cual se genera el primeragrietamiento significativo, la aceleración máxi-ma del registro y el desplazamiento caracterís-tico en el cual se presenta el colapso. Adicio-nalmente se indica el rango de períodos de vi-bración natural al igual que el rango deamortiguamientos medidos. El rango de medi-ciones incluye el estado no fisurado al igual que

el estado fisurado. Estos parámetros se obtie-nen a partir de los registros de aceleración ydesplazamiento, tomados en los diferentes in-crementos de carga. El periodo se obtiene di-rectamente de la función de transferencia en-tre el registro en cubierta y el de cimentaciónmientras que el amortiguamiento se obtienemediante el método del decrementologarítmico de la señal libre. Finalmente se in-dica el tipo de falla y el mecanismo de colapso.

Tabla Í indos de 6112,tvos de . a con cargos sísmicas

Aaagrietamiento

(g)

Aacolapso

(g)

Desplazamientomax. en la base para colapso

(mm)

Rango : Y: nodosde vibración

(elástico a asurado)(seg)

(%) Mecanismo de colapso

0.4 2.0 14.8 0.06 - 0.12 2.8 - 3.4Falla frágil de muros. FallaCatastrófica. Colapso total.

0.5 1,5 44.4 0.05 - 0.09 2-a 'a2Falla de cubierta y parte superiorde muros. Falla progresiva. No haycolapso total Falla en la unión entre muros, fallade malla y volteo del muro. Fallacatastrófica retardada.

0.5 1.5 44.4 0.05 - 0.10 3,0 - 3,5

0.5 2.0 55.5 0,093 - 0,13 2,7 - 3.1

Falla de muros de primer piso.Reforzamiento y segundo pisointactos.Falla catastrotaca retardada

183

pretación de resultados

Los resultados obtenidos permiten en primerainstancia ratificar la alta vulnerabilidad sísmicade las construcciones en tierra, aún luego deverse sometidas a los tipos de rehabilitaciónseleccionados en el presente estudio. Las fa-llas se producen por la falta de conexionesmonolíticas entre de bloques de la estructuralos cuales tienden a separarse por la genera-ción de grietas que normalmente van desde lasesquinas o puntos de concentración de esfuer-zos hasta las aberturas de puertas o ventanas.Estos sistemas tienden a presentar en generalcolapsos súbitos generando fallas catastróficas.

La alternativa de rehabilitación basada en ma-llas de refuerzo adosadas a los muros existen-tes y recubiertas con morteros de cal propor-ciona claramente una mayor ductilidad al sis-tema con lo cual se mejoran las características

Facultad de Ingeniería

de disipación de energía. El sistema prolongala vida de la estructura durante el terremoto yretarda la ocurrencia del colapso. A pesar deesto el mecanismo de colapso corresponde alde una falla catastrófica con riesgo alto a la vidade los ocupantes.

Por otro lado la alternativa rehabilitación basa-da en elementos confinantes de madera paraedificaciones de un piso presenta igualmenteuna mejor ductilidad y características genera-les de disipación de la energía. El colapso eneste caso correspondió al colapso de la cubier-ta ya que los muros mantuvieron su consisten-cia y estabilidad global a pesar de no haber co-locado elemento longitudinal de confinamien-to en la corona de las culatas. El sistema evi-dencia menor riesgo a la pérdida de vida de losocupantes y variación importante en el meca-nismo de colapso esperado. En dicho caso deberealizarse la consideración de que la falla pue-

de no presentarse en la estructura de soportesino también en la estructura de cubierta la cualdebe igualmente someterse a una revisión des-de el punto de vista estructura.

Finalmente la construcción en tierra de dospisos reforzada con elementos confinantes demadera presenta altos niveles dedeformabilidad y un comportamiento muy si-milar al observado para el modelo equivalentede un piso. Sin embargo los altos esfuerzos deflexión producen en este caso sobre la tapiapisada altos esfuerzos cíclicos de compresión

que ante la falta de un confinamiento efectivoconlleva a la falla en las esquinas de los murosdel primer nivel y el consecuente colapso ca-tastrófico por efectos de volcamiento. A pesarde la falla la edificación manifiesta cierta duc-tilidad y capacidad de deformación cíclica queretarda la conformación del mecanismo finalde colapso.

A continuación se presenta un registro foto-gráfico de los mecanismos de falla y colapso encada una de las estructuras ensayadas (Figuras6, 7, 8 y 9).

Figura 7. Grietas á ño mareados - Viniendo II

8. Detalle de Brie; ; principales V' ienc' III

184UN , E , ^^, DE LOS ANDES

rietas y deterioro de pri, er r: "vel — Viviendati IV

N ANALÍTICA

Mediante la realización de modelos elásticosde las estructuras, se pueden estimar los nive-les de esfuerzos existentes en los diferenteselementos estructurales de la vivienda previa-mente a la degradación de la rigidez que se pre-senta con la aparición de zonas de agrietamien-to generalizadas. Los modelos se utilizan prin-cipalmente para establecer comparaciones en-tre las diferentes configuraciones de viviendasy para estudiar de manera analítica la inciden-cia del refuerzo en cada caso o el posible efec-to de alternativas de rehabilitación.

Generalización del comportamiento del ma-terial

El comportamiento observado de los materia-les en estudio permite proporner la utilizaciónde modelos bilineales para efectos de unamodelación analítica aproximada. El compor-tamiento bilineal estaría caracterizado por dospuntos básicos que son el de agrietamientoinicial (punto en el cual se presenta un cambiode rigidez significativo en el sistema) y el pun-to de resistencia última. Con base en los resul-tados de los ensayos de propiedades para cadamaterial se proponen las propiedades del ado-be y la tapia indicadas en la Tabla 8 para efec-tos de la modelación analítica. El modulo deelasticidad para la madera se torna igual a130.000 kgf,/cm2.

MaterialDensidad(Ton/m')

Horizontede esfuerzos

Módulo elásticoestático

(k: cm2 )

Esfuerzogrietamient i

(k_ cm2)

Esfuerzoúltimo

(t cm2)

Deformaciónagrietamiento

%

Deformación última

%

Adobe 1.90

Co ón 1150 i0 1.00 1.50Cortante 300 0.15 0.6 0,14 1.2Tracciónindirecta

1150 0.10 0.21 0.17 1.40

TTapia 1.90

800 3,0 6 0.34 0.7300 0.22 0.5 0.45

Tracciónindirecta

800 0.20 0.26 0.36 1.50

Tabla 8. Propiedades brisicas os materiales supuestas para e nalisis

185

Teoría de falla

Con el fin de comparar los esfuerzos actuantesdados por el modelo analítico con los esfuer-zos resistentes del material de adobe o tapia seutiliza una teoría de falla del material basada

r ac.ültad de Ir:.ier_iera

en el esfuerzo principal de compresión y en elesfuerzo cortante resistente, determinados anivel de agrietamiento en ensayos de compre-sión simple y en ensayos de tracción diagonalde muretes. Esta teoría conocida como criteriode falla de Mohr, puede representarse mediante

^

Modc'o I Modelo II

Modelo III Modelo IV

186

un diagrama de esfuerzos principales (s, vs. s3),tal como se muestra en las Figuras 10 y 1 parael adobe y la tapia respectivamente.

Figura lo. Diagrama de criterio de falla de Mohrpara adobe

Figura 11. Diagrama de criterio de falla de Mohrpara tapia

Descripción del modelo de análisis

Para cada uno de los modelos experimentalesde vivienda a escala reducida 1:5, se desarrollóun modelo analítico elástico utilizando el pro-grama SAP2000 (C.S.I Inc, 2002). Para el efec-to se utilizaron elementos finitos tridimensio-nales tipo Solid para modelar muros y elemen-tos tipo Frame para modelar vigas y refuerzos.En el caso del refuerzo con mallas se utilizaron

elementos tipo Shell para modelar este tipo derefuerzo. El modelo incluye la cubierta y lasmasas asociadas al peso propio de los elemen-tos estructurales principales y entrepiso, lo cualrepresenta la totalidad de la masa de la edifica-ción. Las propiedades de los materiales se se-leccionaron de acuerdo con las recomendacio-nes dadas anteriormente. En la Figura 12 sepresenta un esquema general de los cuatromodelos desarrollados. Para comparar el com-portamiento analítico del modelo IV con unmodelo equivalente sin refuerzo se plantea enforma hipotética el modelo V, equivalente alIV pero sin refuerzo.

Figura 12. Modelos analíticos de viviendas a esca-la 1:5

Resultados del modelo de análisis

En la Tabla 9 se presenta la comparación delperiodo fundamental de vibración analítico decada modelo con el obtenido experimentalmen-te.

UNIVERSID Fi C DE LOS ANDE

No. dePisos Material Tipo de Refuerzo

Período fundamentalExperimental Analítico

Adobe Sin refuerzo 0.06 0.06Adob d a 0.05 0.05Adob 0.05 0.05

2 Tapia pisada adera 0.09 0.112 Tapia pisada Sin refuerzo N.A. 0.15

Modelo

Tabla 9. Períodos fundamentales modelos de vivienda

En las Figuras 13 a 16 se presentan distribucio-nes características de esfuerzos críticos en cadauno de los modelos en estudio, ante la una so-licitación en la base de 0.5 g.

En el modelo de vivienda I (Figura 13), el cualno posee refuerzo, se observa esfuerzos princi-pales mínimos del orden de -0.2 a -0.8 kg;cm' y máximos del orden de 0.1 a 0.36 kg/cm'. Estos últimos exceden la capacidad delmaterial y por esto fácilmente se fisura. Se

observa que los máximos esfuerzos se presen-tan en las esquinas de la base de muros. Unaconcentración de esfuerzos en las esquinas depuertas y ventanas es notoria. En los muros anivel de dinteles, se observa un cambio de es-fuerzos máximos, lo cual indica una concen-tración de esfuerzos cortantes correspondien-te a una fisura horizontal en los modelos expe-rimentales.

Figura 14. Distribución de esfuerzos máximos viviendo tipo I1

Esfuerzos en 1.: ,,:oros Esfuerzo cortante en is malla

F'igara 1. Distribución de esfuerzos máximos vi-vienda tipo III

Figura 13. Distribución de erienda tipo 1

os máximos vi-

En el modelo de adobe reforzado con madera,Vivienda II, (Figura 14), se observo una peque-ña disminución en el valor de los esfuerzos,comparada con el modelo sin reforzar. Las par-tes del muro en donde confina la madera seaprecia una reducción de esfuerzos, especial-mente esfuerzos de tensión. Además, los ele-mentos de refuerzo unen partes importantesde concentración de esfuerzos, uniendo lasposibles grietas. Se observa en este modelo, quelos esfuerzos principales mayores se encuen-

Facultad de Ingeniería

187

188

trae en esquinas inferiores, lo cual genera de-terioro anticipado de estas y concentraciónposterior de esfuerzos a niveles superiores,como se evidencia en el modelo experimental.Además del efecto anterior, los elementos derefuerzo generan un aumento significativo enlos esfuerzos admisibles de los materiales, tan-to por los efectos confinantes como por el efec-to de refuerzo directo.

En el modelo de refuerzo con malla, ViviendaIII (Figura 15), se observa una disminución sig-nificativa de esfuerzos en todos los muros de laedificación. Se presentan esfuerzos máximosdel orden de 0.18 kg/cm'. De esta forma sepresentan fisuras únicamente en esquinas o din-teles de puertas, donde se concentran esfuer-zos máximos superiores a lo admisibles. En estecaso, el refuerzo en malla y mortero de cal,toma gran parte del esfuerzo de los muros ge-nerado por las fuerzas sísmicas, transformán-dolo en esfuerzos de tensión y de corte princi-palmente (Figura 15). La base de los murosconfinada por malla también presenta concen-traciones importantes de esfuerzos lo cual con-forma en últimas el mecanismo de colapso ob-servado en los experimentos.

La vivienda IV, de dos niveles reforzada conmadera (Figura 16), en comparación con laVivienda V de referencia, evidencia una dismi-nución leve de esfuerzos. Esto se debe en granparte a que en esta construcción predominanlos esfuerzos de flexión, para lo cual los ele-mentos de madera resultan mucho más efecti-vos. Al igual que en los casos anteriores el prin-cipal efecto se traduce en un aumento en losesfuerzos admisibles del material producidospor el confinamiento y por el refuerzo directogenerado,

En el modelo de vivienda V, en tapia, sin refor-zar, (Figura 17), se observa una alta concentra-ción de esfuerzos en el primer nivel, debido engran parte a la flexión generada en la construc-ción por efecto de las fuerzas sísmicas latera-les. Los esfuerzos principales máximos son delorden de 0.1 a 0.8 kg/cm2 . Igualmente se pre-

sentara puntos de altas concentraciones de es-fu, rzos en las esquinas de marcos de puertas yventanas del primero y segundo nivel. Las in-tersecciones de los muros de primer nivel es-tán sometidas a esfuerzos principales conside-rables de tensión, generados en gran parte poresfuerzos de corte, lo cual conlleva a la falla deestos elementos.

0® Distri 7 ion de esviend,i tipo 1V

FiguraI7. Distribución de eviendo tipo V

CONCLUSIONES `t RECOMENDACIONES

Con base en los resultados experimentales yanalíticos encontrados se pueden establecer lassiguientes conclusiones generales:

Las viviendas de adobe y tapia representanconstrucciones de alta vulnerabilidad sísmicaprincipalmente asociada a la falta de resis-

UsIvE SIDAD D_ LOS ANDES

erzos rncixirrtos vi-

erzos mcáxii .os

189

tencia a la tensión de los materiales, a la po-bre calidad de las construcciones y a la faltade consideraciones básicas tales como ama-rres, confinamiento, continuidad y otras.

• Las medidas de rehabilitación estudiadasmejoran sensiblemente el funcionamientosísmico, por cuanto proporcionan continui-dad estructural, previenen inestabilidad yproporcionan confinamiento para reducir oretardar las dislocaciones relativas de las sec-ciones de paredes agrietadas.

• Las medidas de rehabilitación propuestas sepueden utilizar con eficacia para disminuirel riesgo sísmico a que están sometidas lasviviendas de adobe y tapia. A esto se asociauna disminución en el riesgo de pérdida devidas, reduciendo igualmente la probabili-dad de derrumbamiento catastrófico, con unimpacto limitado en la parte histórica deledificio intervenido. Sin embargo, las alter-nativas estudiadas no permiten aún garanti-zar la no ocurrencia de muertes.

• La modelación analítica tridimensional con-juntamente con una teoría de falla acordecon el comportamiento observado del ma-terial permiten estimar cargas y deformacio-nes admisibles y resistentes para diferentesconfiguraciones de viviendas para efectos deldiseño del reforzamiento.

• La alternativa de reforzamiento basada enelementos confinantes de madera parecepresentar ventajas comparativas con respec-to a la alternativa basada en malla y pañetede mortero con cal. Esta y otras alternativasdeben estudiarse en modelos a escala natu-ral para eliminar la incertidumbre asociada ala modelación a escala.

• Las cubiertas evidencian en general un altogrado de vulneraba' dad, por cuanto a pesarde lograr la estabilización de los muros, losmovimientos fuertes siguen generando el co-lapso de la estructura de cubierta con el con-secuente riesgo a la vida de los ocupantes.

Facultad de Ingeniería

Por esta razón las cubiertas deben, en gene-ral, someterse a reforzamiento, especialmen-te en las zonas de los apoyos sobre los mu-ros, en los anclajes y las uniones de continui-dad.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean dar gracias a las entidadesparticipantes del presente proyecto:

Corporación la Candelaria, Centro de Investi-gaciones y Desarrollo Tecnológico, CITEC,Universidad de los Andes, Centro de Investi-gación en Materiales y Obras Civiles, CIMOC,Universidad de los Andes y al Fondo de Re-construcción del Eje Cafetero, FOREC.

REFERENCIAS

AIS - Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, «Es-tudio General de Amenaza Sísmica de Colombia». SantaFe de Bogotá, octubre de 1996.

Bariola J y Vargas J., «Earthquake Resistance Provisionsfor Adobe Constructions in Peru» 1988.

Corporación la Candelaria y Universidad de los Andes«Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de re-habilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada».Bogotá, 2002.

CSI Inc. «SAP 2000, Three Dimensional Static andDynamic Finite Element Analysis Structures. ComputerApplications for Structural and Earthquake Engineering».California, 2002.

Euscatigue M., Torres T., «Advances in Seismic Researchof Adobe Houses». 1993.

Harris H., Sabnis G., «Structural modeling and experi-mental techniques». 2a edición, CRC Press. Florida - USA,1999.

Hernández O., «Evaluación Experimental de procedimien-tos para reforzar vivienda de adobe y hacerla resistenteante la acción sísmica». 1983.

Minke G., «Manual de construcción para viviendasantisísmicas». Universidad de Kassel, Alemania, 2 a Ed.2001.

NICEE Org, Manual NICEE (Internet www.nicee.com).

NSR-98, «Norma Colombiana de Diseño y ConstrucciónSismo Resistente». Ley 400 de 1997, 1998.

Ottazi G., Yep J., «Ensayos de Simulación Sísmica de Vi-viendas de Adobe». 1989.

Ottazi G., Yep J., «Shaking Table Tests of Improved Ado-be Masonry Houses». 1988.

Rodríguez A., Fonseca L., «Comportamiento sísmico y al-ternativas de rehabilitación de edificaciones en adobe ytapia pisada con base en modelos a escala reducida ensa-yados en mesa vibratoria» Tesis de Maestría en IngenieríaCivil, Estructuras y Sísmica, Universidad de los Andes.2003.

Scawthorn C., «Dynamic Test of Adobe building model».1985.

Tolles L., Kimbro E., «Seismic Stabilization of HistoricAdobe Structures». 2000.

Vera R., Albiter A., «Seismic Capacity and retrofiting ofAdobe Construction». 2000.

Zegarra L., Giescke A., «Reconditioning of existing ado-be housing to mitigate the effects of earthquakes». 1993.

Zegarra L., San Bartolomé A., «Manual Técnico para elreforzamiento de las viviendas de adobe existentes en lacosta y la sierra». 2001.

190 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES J