smis reforzamiento de muros con fibra de vidrio

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Sociedad Mexicana de Ingeniera EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniera Estructural

RESISTENCIA A TENSIN DIAGONAL DE MUROS DE MAMPOSTERA REFORZADOS CON

FIBRA DE VIDRIO

Quinez Esquivel Basilia1, Velzquez Dimas Juan Ignacio1, Reyes Salazar Alfredo1 y Castorena Gonzlez Jos Humberto2.

RESUMEN Se presentan resultados de ensayes a compresin diagonal de 8 muros cuadrados de 1.20 m de tabique de barro, 5 de ellos se utilizaron como especmenes de control y 3 fueron reforzados con GFRP (plstico reforzado con fibra de vidrio) con el objeto de determinar la influencia del porcentaje de refuerzo en la ganancia en resistencia y ductilidad. Los resultados muestran que la resistencia a tensin diagonal y la ductilidad de los especmenes reforzados aumenta significativamente, se concluye que la tcnica de refuerzo presenta potencial para disminuir la vulnerabilidad de edificaciones para vivienda construida con muros de mampostera de barro recocido.

ABSTRACT This paper presents the experimental results of 8 URM walls tested under monotonic diagonal in plane loading, 3 walls were retrofitted with glass fiber composites. According to the obtained date, the strength and ductility were significantly increased. Therefore, GFRP strips are an efficient way to retroffit and strength URM buildings to prevent damage induced for seismic and settlement loads. .

INTRODUCCIN La vulnerabilidad de edificaciones de mampostera sin refuerzo diseadas con poca o ninguna consideracin de los requerimientos de diseo ssmico o sin la rigidez necesaria en la cimentacin para evitar los daos provocados por los asentamientos diferenciales, ha quedado demostrada con los daos generados ante la incidencia de dichos fenmenos. Adems, ha resaltado el hecho de que la resistencia a tensin diagonal es una de las variables que ms influyen en el comportamiento de sistemas constructivos a base de muros de mampostera. En la ltima dcada, los investigadores en Amrica Latina han enfocado su esfuerzo a la realizacin de estudios analticos y experimentales del desempeo de diferentes formas de reparacin y refuerzo para muros de mampostera sujetos a cargas laterales; sin embargo, existen pocos reportes de investigacin sobre la utilizacin de materiales compuestos como refuerzo en muros de mampostera a pesar de que en los ltimos aos en algunos pases de Europa, en Japn, en Estados Unidos y en Canad su uso se ha incrementado tanto para refuerzo como para rehabilitacin de edificaciones de concreto y mampostera. En este estudio se presentan los resultados preliminares de un programa experimental que tiene como objetivo evaluar el desempeo del material compuesto por fibra de vidrio y resina (GFRP) al ser utilizado como elemento de refuerzo para incrementar la resistencia al cortante en muros de mampostera de barro recocido. Puesto que la resistencia al cortante de muros de mampostera se establece en funcin de su resistencia a tensin diagonal, esta primera etapa se enfoc a determinar el incremento en la resistencia a tensin diagonal y en la ductilidad que proporciona el refuerzo con el material compuesto. Posteriormente se probar esta tcnica en muros a escala natural sujetos a fuerza lateral. 1 Facultad de Ingeniera, Universidad Autnoma de Sinaloa (UAS), Ciudad Universitaria, Culiacn,

Sinaloa, Mxico, CP 80040 Email: [email protected], [email protected] , [email protected] 2. Escuela de Ingeniera Mochis, Universidad Autnoma de Sinaloa (UAS), Ciudad Universitaria, Los

Mochis, Sinaloa.

XV Congreso Nacional de Ingeniera Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006

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MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos se han empleado en la industria marina y aeroespacial por ms de tres dcadas, stos estn formados por fibras continuas ya sea de vidrio, carbn, aramid u otro material unidas por una resina que puede ser epxica o polister, sus propiedades mecnicas dependen de la relacin entre el volumen de las fibras y de la resina (Jones, 1975), para la mayora de las aplicaciones el volumen de las fibras es del 40 al 60%. La funcin de las fibras es soportar la carga y la de la resina es aglutinar las fibras al mismo tiempo que las protege de la accin de agentes agresivos como cidos y rayos ultravioleta adems de darle estabilidad dimensional al compuesto. Las fibras se adhieren a la superficie del elemento estructural a reparar y/o reforzar y se orientan en la direccin que se desea incrementar la resistencia a tensin o se adhieren al elemento estructural encamisndolo si se desea incrementar su ductilidad. Las fibras en tensin tienen un comportamiento elstico lineal hasta la ruptura. La ventaja de los materiales compuestos son su durabilidad y las altas relaciones de resistencia/peso y rigidez/peso, la desventaja es su vulnerabilidad a los rayos ultravioleta (parrilla, 1998). Durante los ltimos diez aos, la utilizacin de los materiales compuestos en la ingeniera civil ha tenido un gran crecimiento segn lo constatan el gran nmero de aplicaciones e investigaciones reportadas sobre el tema (saadatmanesh y Ehsan, 1998; El-Badry, 1996; Nanni, 1993). Sweidan, (1993) demostr analticamente la efectividad de usar barras de materiales compuestos en lugar de acero para preesforzar muros. Mojsilovic y Mert, (1996) realizaron experimentos sobre muros de block a base de silicatos y arcillosos de 1 m de ancho por 18 cm de espesor con alturas de 2.6 a 5 m. los cuales fueron presforzados en direccin perpendicular a la junta mediante dos tendones de materiales compuestos. Los resultados de las pruebas mostraron que se tiene un incremento en la resistencia a flexin as como en la carga de agrietamiento adems de observarse una distribucin uniforme del agrietamiento. Schwegler (1995) propuso y estudi el uso de compuestos de carbono en forma de lminas. Estas lminas se adhieren a los muros mediante resinas sirviendo como refuerzo en tensin. Schwegler mostr la efectividad de este refuerzo realizando pruebas sobre muros a escala real, tanto para cargas en el plano como fuera de el y desarroll un modelo analtico para cargas en el plano. Eshani y Saadatmanesh (1994) realizaron estudios experimentales sobre modelos vigas de tabique reforzadas con laminas de fibra de vidrio y mostraron que esta tcnica incrementa la resistencia ltima a flexin de hasta 20 veces el peso propio de los modelos y las deflexiones son del orden de 1/50 del claro. Posteriormente aplicaron lminas de fibra de vidrio a un muro externo de un edificio comercial de un nivel en Glendale, California. A partir de eso se inici la aplicacin de hojas a base de fibras de vidrio, las cuales se colocaron a ambos lados en las caras de muros de mampostera de tabiques de concreto en un edificio que fue daado durante el sismo de Northridge, California. Triantafillou (1998) realiz experimentos sobre vigas de tabiques de arcilla, huecos y reforzados con tiras de materiales compuestos. Su objetivo fue estudiar el efecto del refuerzo sobre el mecanismo de falla y la resistencia. Obtuvo grficas de interaccin entre momento resistente y cantidad de refuerzo y concluye que, con el fin de economizar, se pueden utilizar tiras de material compuesto sobre muros de mampostera en lugar de cubrirlos totalmente con lminas. Velzquez-Dimas (1998), Velzquez-dimas et. al. (2000) y Ehsani et. al. (1999) realizaron un estudio experimental con el fin de identificar los modos de falla de muros de mampostera reforzados con tiras de compuestos. Se estudi la variacin de la resistencia y la rigidez de los muros en funcin de la cantidad de material compuesto adherido a la superficie y de la relacin altura/espesor del muro. Observaron que segn la cantidad de refuerzo, la falla puede ser por tensin en el compuesto, compresin en el muro o delaminacin. De acuerdo a los resultados de las investigaciones mencionadas y otras ms recientes, el uso de materiales compuestos en la reparacin y/o refuerzo de estructuras de mampostera: permiten incrementar el confinamiento de muros lo que se traduce en mejores resistencias y mayor ductilidad, aumenta la resistencia a

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flexin fuera del plano, mejora la resistencia a cortante en el plano, no aumenta el peso de las edificaciones y presenta relativa facilidad en su aplicacin.

PROGRAMA EXPERIMENTAL DESCRIPCIN DE LOS ENSAYES La presente investigacin consisti en la elaboracin y ensaye a compresin diagonal de 8 muros cuadrados de 1.20 m, hechos con tabique de barro recocido de fabricacin regional, unidos por mortero cemento-cal-arena. Se realizaron ensayes para determinar las propiedades de los materiales utilizados en la elaboracin y refuerzo de los muretes. Cinco de los muros se ensayaron a compresin diagonal dos de los cuales fueron posteriormente reparados con material compuesto por fibra de vidrio y resina y ensayados de nuevo a compresin diagonal. Tres fueron reforzados con el material compuesto variando para cada uno de ellos el porcentaje de refuerzo y se les aplic compresin diagonal. Se registraron la carga aplicada y las deformaciones a lo largo de las diagonales. Materiales El tabique de barro recocido utilizado en los muretes es de fabricacin artesanal con dimensiones promedio de 25 x 12.7 x 4.6 (NMX-C-038-ONNCEE), resistencia a compresin promedio fp= 10.2 Mpa (104 kg/cm2) (NMX-C-036-ONNCEE), peso volumtrico 20.38 KN/m3 (2.08ton/m3 ), absorcin total 23.2% (NMX-C-037), absorcin inicial 39 gr/min (NMX-C-407), mdulo de ruptura MR= 1.03 Mpa (10.5 kg/cm2) , Esfuerzo de adherencia 0.186 Mpa (1.9 kg/cm2 )(NMX-C-082), resistencia a la tensin 0.26Mpa (2.7 kg/cm2). El elemento de unin de las piezas de barro fue mortero cemento-cal-arena, fabricado in situ, con un proporcionamiento de acuerdo a la costumbre de la regin (1-2-6 en volumen).Se tomaron 3 muestras de cada batida para determinar su resistencia a compresin (NMX-C-061). Los muretes M1, M2, M6, y M7 fueron elaborados con mortero de resistencia a la compresin de 4.9 MPa (50 kg/cm2 ) y los muretes M3, M4, M5 y M8 con mortero de 7.35 Mpa (75kg/cm2 ). Para determinar la resistencia a compresin de la mampostera se elaboraron 5 pilas. La resistencia a compresin promedio de las pilas fue fm = 3.57 Mpa (36.4 kg/cm2 ) (NMX-C-415-ONNCEE). Para el refuerzo se utiliz fibra de vidrio denominada petatillo el cual est conformado por fibras de vidrio entrecruzadas en direccin ortogonal entre si, con densidad de 860 gr/m3 y resina polister las cuales al combinarse forman un material compuesto denominado GFRP con resistencia a la tensin de 269.5 Mpa (2750 kg/cm2), la resistencia a la adherencia entre el material compuesto y las piezas utilizadas es 47.9 Mpa. (4.7kg/cm2). Es importante notar que la resistencia a la adherencia entre compuesto y pieza es mayor que la adherencia entre pieza y mortero y mayor que la resistencia a tensin del tabique (ver Fig. 3). Las propiedades del material compuesto fueron determinadas sobre muestras de 1 mm. de espesor. La fibra de vidrio y la resina se adquirieron en comercios que se dedican a la venta de plsticos y no presenta ningn problema su adquisicin ya que an en provincia y en pueblos pequeos existen establecimientos de ese tipo. Muros Uno de los principales problemas de la regin en cuanto a desempeo de la mampostera utilizada en las edificaciones de inters social es el agrietamiento diagonal en los muros, el cual en general se debe a los asentamientos diferenciales provocados por arcillas expansivas ante la falta de rigidez en las plataformas de cimentacin y baja adherencia en la unin tabique-mortero debida en ocasiones a mala calidad de la mano de obra. El objeto de la investigacin es determinar el desempeo del GFRP al ser utilizado como refuerzo de materiales compuestos en muros de mampostera construidos en condiciones reales, por lo que los muros se fabricaron en condiciones de obra por un albail, al que no se le dieron instrucciones de cuidados especiales (Ver figura 1). Los muros as construidos presentaron irregularidad en el espesor de las juntas variando de 2


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cm. a 3.8 cm. Se observaron tambin en algunos de los muros pequeas grietas debidas a contraccin del mortero. La nomenclatura para los muros es: M-SR para los muros sin refuerzo, M-SRR para los muroa sin refuerzo ya ensayados y reparados y M-RN para los muros reforzados con material compuesto donde N es el porcentaje de refuerzo colocado respecto al rea.

Figura 1 Fabricacin de los muretes RESULTADOS Con el objeto de determinar la contribucin del refuerzo de material compuesto en el mdulo de ruptura de la pieza de tabique se reforzaron diez piezas de tabique. Cinco en la zona central del tabique de modo que no se form anclaje entre apoyos y pieza y cinco en la zona central en toda la longitud del tabique de modo que al apoyarlo se gener un anclaje en los apoyos. Las diez piezas se ensayaron apoyadas en sus extremos con carga en el centro del claro, se encontr que el ndice de incremento en el mdulo de ruptura fue 3.9 para las piezas sin anclaje y 4.4 para la pieza con anclaje. La falla en los elementos sin anclaje se present en uno de los apoyos con desprendimiento del compuesto a partir de la zona de falla (ver Figura 2) sin embargo, no hubo deslizamiento de la fibra respecto al tabique sino que se desprendi con considerable cantidad de material del tabique. La falla en los elementos con anclaje se present en la zona central al fracturarse el tabique y provocar el desprendimiento del compuesto sin deslizamiento entre el refuerzo y la pieza (Ver Figura 3).

Figura 2. Prueba de adherencia Figura 3. Falla de tabique con refuerzo Tabique-compuesto sin anclaje

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Los muros fueron ensayados a compresin diagonal (ASTM E 519) en un marco de carga rgido, la fuerza fue aplicada con un gato hidrulico y medida con una celda de carga. Se colocaron cuatro micrmetros. Uno en cada diagonal vertical con aproximacin de 0.001 pulg. y uno en cada diagonal horizontal con aproximacin de .0001 pulg. La carga se aplic aproximadamente con una velocidad de 10 kg/seg. Se registraron la carga y las deformaciones de las diagonales a intervalos de 250 kg. Los muros M1, M2, M3, M4 Y M5 se cargaron monotnicamente hasta la falla, Los muros M1 y M3 fallaron sobre la diagonal vertical con una falla por tensin diagonal (la grieta atraves tanto el tabique como las juntas), los muretes M2 y M5 fallaron casi sobre la diagonal vertical por una combinacin de tensin diagonal y cortante. El murete M4 fall por cortante fuera de la diagonal vertical. En los muretes M2, M5 y principalmente en el M4 se observaron juntas de espesor variable llegando a ser hasta de 3.8 cm. Los muros M1 y M5 fueron reparados, sin sellar la grieta, con tiras de material compuesto de 6 cm. de ancho colocadas a cada 10 cm. En ambas caras del murete. El muro M1 reparado fall por compresin en la zona de los cabezales de carga. Y el M5 reparado fall por delaminacin (desprendimiento del refuerzo), inicindose en una zona del borde del muro donde el espesor de junta era 3.5. Los muros M6, M7 y M8 fueron reforzados respectivamente, con tiras de material compuesto de 6 cm. de ancho cubriendo el 15%, 37% y 60% del rea del muro Para colocar el refuerzo se procedi de la siguiente manera: Se marc la zona a reforzar, se limpi de polvo la superficie, se impregn la zona a reforzar con resina aplicada con brocha, se cortaron las tiras de fibra de vidrio y se colocaron pegndolas con resina utilizando una brocha (Ver figura 4).

Figura 4. Preparacin del murete para su refuerzo El muro M6-R15 present falla fuera de la diagonal. Cuando se le aplic el 78% de la carga ltima se escuch un sonido provocado por un ligero desprendimiento de la parte central del compuesto en la fibra que se encuentra sobre la diagonal principal. Posteriormente la falla se presenta a partir de una falla por cortante en el tercio suprior del muro, provocando la delaminacin en esa zona.


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El muro M6-R37 present un ligero desprendimiento en la parte central del muro cuando se le aplic el 71% de la carga mxima y la delaminacin brusca se inicia al 96% de la carga mxima. El muro M8-R60 fall fuera de la diagonal, la falla inici con deslizamiento entre la pieza y junta por falta de adherencia y provoc la delaminacin. Al 65% de la carga mxima escuch un sonido provocado por un desprendimiento inapreciable entre compuesto y mortero de la parte central, al 96% de la carga mxima, se inicia la delaminacin en la zona de falla y el desprendimiento total se da cuando la carga ha decrecido el 24% respecto a la carga mxima. No se midieron las ltimas deformaciones debido a que se movieron de su posicin algunos micrmetros. Las Tablas 1,2 y 3 y la Grfica 4 muestran los resultados de los ensayes de los muros. En la Tabla 3, P1 y D1 son la carga y la deformacin angular para las cuales la grfica carga-deformacin angular deja de ser aproximadamente lineal.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0.005 0.01 0.015

Deformacin angular

Car

ga (k

N)

M2-SR

M3-SR

M4-SR

M5-SR

M6-R15

M7-R37

M8.R60

Figura 4. Grfica carga-desplazamiento de muros en compresin diagonal

Tabla 1 Resultados de ensayes a compresin diagonal

MURO CARGA MXIMA KN, (kg)

TENSIN DIAGONAL Mpa, (kg/cm2)

DEFORMACIN ANGULAR (m/m)

M1-SR 52.4 (5340) 0.24 (2.5) 0.0078

M2-SR 39.5 (4031) 0.19 (1.9) .00097

M3-SR 46.6 (4752) 0.21 (2.2) .001

M4-SR 33.5 (3417) 0.16 (1.6) .0014

M5-SR 31.5 (3209) 0.15 (1.5) .0017 M6-R15 56.6 (5772) 0.26 (2.7) .003

M7-R37 89.9 (9166) 0.42 (4.3) .007

M8-R60 131.5 (13406) 0.62 (6.3) .0085

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Tabla 2 Comparacin de resultados de ensayes a compresin

de muros reparados

MURO CARGA MXIMA KN, (kg)

TENSIN DIAGONAL Mpa, (kg/cm2)

DEFORMACIN ANGULAR (m/m)

M1-SR 52.4 (5340) 0.24 (2.5) 0.0078

M1-SRR 47.9 (4880) 0.22 (2.3) -

M5-SR 31.5 (3209) 0.15 (1.5) .0017

M5-SRR 62.9 (6408) 0.29 (3.0) .0038

Tabla 3. Caractersticas del desempeo de los muretes

MURO P1 kN (kg)

Pmax kN (kg)

D1 Dmax Pmax/ P1

Dmax/ D1

M1-SR 47.3 (4819) 52.4 (5340) .006 .0078 1.11 1.3 M2-SR 34.3 (3497) 39.5 (4031) .00053 .00097 1.15 1.8 M3-SR 42.0 (4280) 46.6 (4752) .0005 .001 1.11 2.0 M4-SR 28.9 (2942) 33.5 (3417) .0009 .0014 1.16 1.5 M5-SR 29.0 (2953) 31.5 (3209) .0013 .0017 1.08 1.3 M6-R15 41.9 4272) 56.6 (5772) .00056 .003 1.35 5.3 M7-R37 52.8 (5388) 89.9 (9166) .0011 .007 1.70 6.4 M8-R60 84.1 (8576) 131.5 (13406) .0014 .0081 1.56 5.8

Los muros reforzados con el 15%, 37% y 60% de material compuesto, tuvieron respectivamente, un incremento en su carga ltima, ya que presentaron 1.39, 2.21 y 3.23 veces el promedio de la carga ltima de los muros no reforzados. Tambin tuvieron una ductilidad de 3.35, 4.05 y 3.67 veces el promedio de la ductilidad de los muros no reforzados. Aunque el muro reforzado con el 60% de material compuesto tuvo una mayor resistencia, su ganancia en ductilidad fue menor (ver Tabla 3). El incremento de la carga ltima present una relacin lineal con el incremento del porcentaje de refuerzo segn se observa en la Figura 5.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60 70

% de refuerzo

carg

a (K

N)

Figura 5. Variacin de la carga ltima respecto al % de refuerzo


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El muro M5 reparado tuvo un incremento de 2 veces su resistencia ltima. Respecto al muro M1 reparado no se puede establecer ninguna conclusin ya que su falla se debi a compresin en la zona de los cabezales. (ver Tabla 2) En la Tabla 4 se muestra un anlisis preliminar de los costos de refuerzo con fibra de vidrio y resina polister para los muros M6, M7 y M8 se observa que el refuerzo del 60% es ms econmico respecto a la resistencia pero es ms caro respecto a ganancia en ductilidad. Este anlisis est hecho respecto al costo de los especimenes de ensaye. En Estados Unidos el costo de refuerzo con materiales compuestos en edificios de mampostera no reforzada es el 50% respecto al costo del refuerzo equivalente utilizando concreto (Ehsani y Saadatmanesh, 1997b), el cual aade mayor peso a la estructura.

Tabla 4 Costo de los especimenes reforzados

MURO COSTO/M2 $

COSTO POR TONELADA RESISTIDA $

COSTO POR DUCTILIDAD/m2

M6-R15 380.00 65.8 71.6 M7-R37 393.00 42.8 61.4 M8-R60 452.00 33.7 77.9 M-SR 259.00 64.2 163.9

CONCLUSIONES. La resistencia a tensin diagonal y la ductilidad de los muros reforzados con material compuesto por fibra de vidrio y resina se increment significativamente. El material compuesto utilizado para refuerzo de los muros tiene un gran potencial para su uso como refuerzo de nuevas edificaciones de mampostera de barro o rehabilitacin de edificaciones ya existentes ya que al incrementar la resistencia a tensin diagonal de sus muros, (sin ganancia en peso) se aumenta su capacidad para resistir las fuerzas laterales en el plano, adems, la ganancia en ductilidad permite un mejor desempeo en solicitaciones ssmicas y reduce la vulnerabilidad. El procedimiento utilizado para reforzar los muros es sencillo, los materiales son de fcil acceso, no se requiere mano de obra especializada ya que el material compuesto tiene un tiempo de endurecimiento de 24 horas, lo cual permite el uso relativamente rpido de la edificacin.

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