1 INTRODUCCION

El Sistema de Construcción Drywall, es una tecno-logía utilizada desde hace mas de 150 años en todo el mundo y en Colombia se ha venido imponiendo en los últimos años en las construcciones como un sistema alternativo de construcción, este sistema constructivo consiste en combinación de diferentes materiales como son los perfiles de acero galvaniza-do, laminas de fibrocemento, laminas de yeso, per-nos autorroscantes y anclajes, este sistema es utili-zado para la construcción de muros de fachadas, muros divisorios, entrepisos y cielo rasos. Las prin-cipales ventajas que ofrece el Sistema de Construc-ción DRYWALL, son su rapidez de ejecución, gran versatilidad, menor peso sobre estructuras existen-tes, limpieza y un menor costo que los sistemas tra-dicionales, ofreciendo además mejores niveles de confort.

En los muros utilizados en el sistema DRYWALL, se pueden realizar diferentes configu-raciones dependiendo del uso de cada muro, por ejemplo, para un muro divisorio se usa lámina de

yeso - perfil de acero - lámina yeso, para un muro de fachada la combinación será lámina de fibrocemen-to - perfil de acero – lámina yeso y para un muro de carga la config.ción utilizada es lámina de fibroce-mento

Figura 1. Construcción en sistema Drywall

Muros en sistema drywall como elementos estructurales ante cargas sísmicas

A. Rico Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia

RESUMEN: En la actualidad se esta utilizando con frecuencia las construcciones industrializadas de drywall y se están empleando como elementos portantes tanto para cargas verticales como para cargas sísmicas. En este articulo se presenta una comparación del comportamiento ante cargas horizontales de tres tipos de muros construidos en el sistema, con diferentes materiales en las láminas exteriores: uno con las dos láminas de fi-brocemento, el segundo, con una lámina de fibrocemento y la otra de yeso y el tercero con las dos láminas de yeso; adicionalmente se realizan modelos estructurales de computador de los muros y se comparan contra los experimentales y finalmente se determinan las secuencias de falla de las probetas.

ABSTRACT: During these days, people are frequently building industrialized constructions with drywall sys-tems which are being used as vertical and lateral loads resisting structures. This article shows a comparison of the behavior of lateral loads for three kind of walls with different materials for the external boards, built up with the system: the first system is built with two fiber cement boards, the second system is built with one fi-ber cement board and the other is a gypsum board, and the third system is built with two gypsum boards; ad-ditionally there were computer modeled wall structural systems which results are compared with the experi-mental ones. Finally it determines the failure sequence of the models.

perfil de acero – lámina de fibrocemento y para cada uno de los elementos utilizados en el sistema se le puede variar el espesor y así obtener una gran varie-dad de combinaciones, las cuales se utilizan de acuerdo a las necesidades de la edificación.

Otra de las características del sistema es que el sistema es muy liviano en comparación con las cons-trucciones tradicionales en concreto, lo que implica una menor demanda estructural ante eventos sísmi-cos.

TOPTEC S.A. es una empresa dedicada a la fa-bricación de materiales de construcción, la cual ha desarrollado una gran parte del sistema constructivo DRYWALL, han diseñado los anclajes, a las losas de cimentación, uniones entre muros, entre muros y entre pisos y han diseñado y producido una máquina roladora para producir los perfiles de lamina delgada con mas dobleces que los comerciales, para aumen-tar la capacidad de estos.

Siendo el objetivo estudiar el comportamiento de los muros en sistema DRYWAL, como elementos estructurales ante cargas horizontales para poder di-señar edificaciones con este sistema para que sean sismo resistentes.

2 DESCRIPCION DE LAS PROBETAS

Como ya se mencionó anteriormente se realizaron tres tipos de probetas diferentes las cuales serán comparadas y analizadas. A continuación se presen-tan las características de cada una de ellas.

Tabla 1. Cantidad y características de las probetas

Calibredel paral

Monotóni 2Dinámico 2

Yeso Monotóni 2e=12mm Dinámico 2

Yeso Yeso Monotóni 2e=12mm e=12mm Dinámico 2

Cant.

FBC-FBC

26 Fibrocemento e=8

Fibrocemento e=8

Probeta Lámina 1 Lámina 2 Ensayo

FBC-YS 26 Fibrocemento e=8

YS-YS 26

Se diseñaron los muros con dimensiones estándar

comerciales de las láminas de yeso y fibrocemento, las cuales tienen una altura de 2.20m y un ancho de 1.20m.

Cada muro esta compuesto por dos láminas ya sea de fibrocemento o de yeso dependiendo de la probeta, una en cada cara exterior del muro. En la parte central se instalan perfiles de acero galvaniza-do de lámina delgada, los cuales han sido rolados técnicamente; el espesor del muro varía de acuerdo a la configuración entre 105 y 113mm.

Los perfiles metálicos utilizados son perfiles de lámina delgada, formados en frío, la sección de este

perfil es tipo C con dobleces que contribuyen estruc-turalmente, el alto del perfil de acero es de 89mm, su ancho de 43mm y el espesor de la lámina es de 0.46mm, equivalente a calibre 26.

Figura 2. Sección perfil vertical y probeta en planta.

3 PROCESO CONSTRUCTIVO

El armado de la estructura se realiza en forma hori-zontal sobre una superficie nivelada, primero se construye un armazón metálico conformado por tres parales de lámina delgada, los cuales serán los ele-mentos verticales que se fijan a las canales horizon-tales con dos pernos autoperforantes por ambos la-dos arriba y abajo.

Figura 3. Construcción armazón metálico.

Una vez esté armada la estructura metálica cen-

tral del muro, se instala una de las dos láminas ex-ternas fajándolas cada 30 cm con los pernos autoper-forantes a los parales verticales, después se procede

a ubicar el muro en el sitio donde se va instalar, en este caso en el pórtico de pruebas y se fija a la base por medio de anclaje llamado sismo resistente, el cual consiste en una platina pisada por un ángulo de mayor espesor y un perno de expansión, a los para-les verticales exteriores y finalmente se procede a instalar la otra lámina de la misma manera que se fi-jó la primera.

Figura 4 Montaje Muro

4 ETAPA EXPERIMENTAL

4.1 Descripción del montaje Los ensayos se realizaron en las instalaciones de la planta de producción de TOPTEC en Manizales, donde tienen sus laboratorios de pruebas y control de calidad.

El muro se montó en el pórtico de carga apoyán-dose en la parte inferior sobre una viga de concreto, a la cual se fijaron los anclajes sismo resistentes (fig. 7) los cuales se adhirieron a la viga con adherente epóxico, para evitar deslizamientos del anclaje como sucedió en primera instancia, con pernos de anclaje mecánico por medio de pernos de 3/8” de diámetro.

En la parte superior del pórtico se instalo una vi-ga metálica en celosía, para que cumpla con dos fun-ciones: una es mantener vertical el muro mientras se aplica la carga horizontal y la otra es soportar los pistones con los que se aplica la deformación al mu-ro y los deformímetros.

Figura 5. Montaje de probeta en pórtico de carga

Figura 6 Diseño montaje experimental

Para realizar los ensayos cíclicos, en la parte su-

perior del muro y a cada lado de este, se instaló un pistón que aplica la carga sobre la probeta. Dichos pistones hidráulicos tienen una capacidad de defor-mación de 250 mm y tiene la capacidad de ejercer un fuerza de 200.000 N.

Los ensayos de histéresis se realizarán con de-formación controlada, es decir se empieza a aplicar la carga en un sentido hasta una deformación pre-viamente fijada y al alcanzar la carga correspondien-te, el pistón se detiene y empieza a accionar el pistón que esta en el lado opuesto.

Figura 7. Anclaje sismoresistente

Figura 8. Pistón de carga A cada pistón de carga esta asociado un defor-

mímetro, el cual solo mide las deformaciones en el sentido en que está aplicando carga.

4.2 Características de los materiales

Las características de los materiales utilizados en los ensayos, se tomaron de manuales técnicos de los proveedores comerciales de las láminas, y se resu-men las siguientes tablas Tabla 2. Propiedades de los materiales Lámina de acero para perfilesfy 248 MPafu 400 MPaE 200000 MPa

Tabla 3. Propiedades de los materiales Pernos Autoroscantesfy 248 MPafu 400 MPaE 200000 MPa

Tabla 4. Propiedades de los materiales Lamina Fibrocementof´c 15 MPaE 7900 MPaResistencia traccion clavo 32 Kg Tabla 5. Propiedades de los materiales Lamina YesoMódulo Flexion 5.2 MPaE 4800 MPaResistencia traccion clavo 21 Kg

4.3 Parámetros experimentales Para cada tipo de probeta, se realizaron inicialmente dos ensayos monotónicos para determinar la defor-mación elástica del sistema, aplicando fuerzas que deformaban la estructura más que su capacidad elás-tica, de esta manera se determinó cual podría ser la deformación apropiada para realizar los ensayos histeréticos.

De acuerdo a lo mencionado anteriormente, se dice que los ensayos histeréticos se realizaron con desplazamiento controlado, esto para evitar que las probetas se deformaran exageradamente y así estas se pudieran recuperar y volver a tomar carga en el otro sentido.

La capacidad de elongación de los pistones utili-zados para los ensayos es de 250mm, por tal motivo las pruebas monotónicas no superaban esta deforma-ción. 5 ANALISIS DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

5.1 Ensayo Monotónico En este ensayo, se aplica carga en un solo sentido a cada una de las tres configuraciones de probetas, de acuerdo a lo propuesto anteriormente en la descrip-ción de probetas.

En la figura 9 se presentan las gráficas obtenidas en la realización de los ensayos.

En cada una de las probetas se aplicó carga hasta llevar el muro a la falla total. Cada configuración de probetas presentó diferente forma de falla.

En las probetas de fibrocemento-fibrocemento la falla se presentó en la parte inferior de los parales,

donde se sujetan al anclaje sísmico y por deforma-ción de la canal inferior del muro (Fig. 10 y 11)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 50 100 150 200 250Deformación (mm)

Car

ga (N

)

FB-FBFB-YSYS-YS

Fig. 9. Curva esfuerzo deformación

Tabla 6. Cargas aplicadas en ensayos monotónicos Carga fluencia Deformación Carga última DeformaciónN mm N mm4846 48.61 6670 2303706 25.3 3697 56.782147 19.13 23.07 94.61

Tabla 7. Cálculo de rigideces iniciales Probeta Rigidez

N/mmFB-FB 71.52FB-YS 146.48YS-YS 111.24

En los ensayos realizados a las probetas fibroce-

mento-yeso y yeso-yeso, las fallas estructurales

Figura 10. Desgarramiento inferior del paral probeta FB-FB

empiezan a presentarse en el sitio donde las láminas exteriores se unen con los parales verticales por me-dio de los tornillos autoperforantes, presentando rup-tura en la lámina de yeso (fig. 12), debido a que las láminas de yeso tienen menor capacidad de carga que las de fibrocemento.

Figura 11. Deformación canal inferior probeta FB-FB

Figura 12. Desgarre lámina de yeso

5.2 Ensayo histerético

Como se observa en las figuras 13, 14 y 15, en la aplicación de la carga en el primer recorrido la es-tructura tiene un comportamiento similar al obtenido en la prueba monotónica, en el momento de aplicar la primera carga en el sentido inverso, la estructura

empieza a recuperar su deformación, quedando con un desplazamiento permanente.

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

-60 -40 -20 0 20 40 60

Deformación (mm)

Car

ga (N

)

Figura 13. Comportamiento histerético probeta fibrocemento fibrocemento

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

-40 -20 0 20 40 60Deformación (mm)

Car

ga (N

)

Figura 14. Comportamiento histerético probeta fibrocemento yeso

En la fig. 16 se observa la perdida de rigidez de

los tres sistemas en el primer ciclo histerético, debi-do a que la carga aplicada esta excediendo la capa-cidad del muro y este no se puede recuperar para re-cibir carga nuevamente.

6 MODELOS ANALITICOS

Con la ayuda del programa de análisis estructural SAP2000, se realizarán modelos matemáticos de

muros de acuerdo a las tres config.ciones de probe-tas ya mencionadas.

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

-40 -20 0 20 40

Deformación (mm)

Car

ga (N

)

Figura 15. Comportamiento histerético probeta yeso yeso

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4

# Ciclos

Rig

idez

(N/m

m)

FB-FB

FB-YS

YS-YS

Figura 16. Curva rigidez vs. Números de ciclos El modelo de computador se realizará creando la

sección del paral metálico con sus propiedades físi-cas como son área, inercia, radio de giro, módulo de sección, esfuerzo de fluencia y módulo de elastici-dad. Las láminas laterales se modelaran por medio de elementos tipo Shell y se unirán estos elementos por medio de pasadores.

Los modelos estructurales se realizaron de la si-guiente manera:

Para cada probeta se crearon tres planos paralelos en sentido XZ, en el plano central se armó el marco de la estructura metálica con las propiedades calcu-ladas para los parales y canales (Tabla 8) con ele-mentos tipo Frame; en los planos externos se simula-ron las láminas de fibrocemento y yeso dependiendo

del caso por medio de elementos tipo Shell, cada Shell se discretizó en seis secciones.

Las láminas exteriores se unen a los parales verti-cales por medio de un perno con sus correspondien-tes propiedades y se le asigna un Constraint Equal para unir el paral, la lámina y los pernos en cada es-quina.

En la parte inferior del muro se modelaron los pernos de anclaje, a los cuales se les asignó los apo-yo del modelo como simplemente apoyados.

La carga aplicada al modelo, corresponde a la magnitud total utilizada en el ensayo de laboratorio localizada en el nudo superior de la estructura divi-dida en tres partes iguales; en los dos nudos exterio-res y en el nudo de la estructura metálica.

Figura 17. Modelo de computador Los datos obtenidos por este análisis, serán com-

parados con los obtenidos experimentalmente y se analizará cada uno de los elementos que pueden fa-llar de la estructura y se determinarán las posibles secuencias de falla.

Tabla 8. Propiedades físicas parales verticales Propiedad Valor Unidad

Paral vertical Canal horizontalArea 120 85 mm2Inercia X X 160214 17290 mm4Inercia Y Y 33805 133976 mm4Modulo de seccion X X 3672 591 mm3Modulo de seccion Y Y 1028 2533 mm3Radio de giro X X 36.51 36.65 mmRadio de giro Y Y 16.77 14.27 mm

7 ANALISIS Y RESULTADOS

7.1 Análisis de fallas de laboratorio Experimentalmente se observa que los muros pre-sentan fallas en los sitios de apoyo de la estructura en los tres tipos de probeta como se demuestra en las fig.s 10 y 11.

En los muros de config.ción fibrocemento-fibrocemento, el mayor desplazamiento se presenta debido a la deformación, en el canal inferior de la estructura metálica y por el desgarre de la lámina de acero del paral vertical, sitio donde se instala el an-claje antisísmico. La deformación en este sitio es proporcional a la altura de la probeta y por eso la de-formación total es considerable. No se presentan de-formaciones o fallas en los nudos donde existen per-nos autoperforantes de conexión. Las fallas que se presentan son de desgarre o deslizamiento de anclaje en el paral del lado donde se aplican las cargas, paral que trabaja a tensión, y de pandeo en el paral de compresión.

Figura 18. Falla paral de compresión

Los muros de configuración en los que se utilizan láminas de yeso, se presentan deformaciones en los nudos de unión de las láminas con los parales verti-cales y no son considerables las deformaciones en los apoyos.

7.2 Análisis modelos analíticos

Analíticamente, de acuerdo a la carga aplicada en el modelo de computador, se obtienen los desplaza-mientos de las estructuras y se realizan la gráficas del comportamiento elástico de ellas (Fig. 19, 20 y 21). Comparándolas con las experimentales, se pue-de observar que los desplazamientos son menores obtenidos experimentalmente, debido a que la de-formación en los materiales de anclaje son superio-res en los experimentos.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 50 100 150 200 250Deformación (mm)

Car

ga (N

)

Figura 19. Curva esfuerzo deformación probeta fibrocemento- fibrocemento

0

500

1000

1500

20002500

3000

3500

4000

4500

0 10 20 30 40 50 60Deformación (mm)

Car

ga (N

)

Figura 20. Curva esfuerzo deformación probeta fibrocemento yeso

Como resumen de las tablas de carga deforma-ción de cada una de las probetas se presenta el cál-culo de las rigideces analíticas. Se debe resaltar que los valores analizados son de un modelo lineal.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60 80 100Deformacion (mm)

Car

ga (N

)

Figura 21. Curva esfuerzo deformación probeta yeso yeso

FDK = (1)

Tabla 9. Rigideces modelos analíticos

N/mmFB-FB 416.67FB-YS 1068.18YS-YS 277.42

De la figura 22 se pueden observar los sitios de

mayores esfuerzos en las láminas exteriores, como son el sitio de aplicación de la carga, los apoyos de muro en la parte inferior y los sitios cercanos a los pernos autoperforantes que unen dichas láminas a los parales verticales

7.3 Análisis modelos de falla De acuerdo a lo observado en las probetas experi-mentales, el proceso de falla de las probetas es dife-rente, entre las que utilizan láminas de fibrocemento y las de yeso.

La secuencia de falla de los muros de fibroce-mento empieza por el anclaje, primero la canal de lámina se empieza a deformar con la tensión en el paral, simultáneamente esta se empieza a desgarrar; posteriormente se fractura la lámina fallando por cortante en la parte inferior del muro(fig. 23) y cuando las cargas siguen creciendo, en el sentido

opuesto falla por compresión (fig. 24); las láminas en los pernos superiores no sufren desgarre.

Figura 22. Gráfico de esfuerzos en láminas exteriores

En los muros que se construyen con láminas de

yeso no se deforma la canal inferior debido a que la carga de tensión es inferior, pero la falla de la probe-ta se presenta en las uniones de la lámina a los perfi-les por medio de los pernos, primero se presenta en el lado opuesto al sitio de aplicación de la carga y después pasa a los pernos de la canal inferior.

En los ensayos que se hicieron inicialmente con deformaciones considerables, no se presentó nunca colapso de estructura.

Figura 23. Falla inferior muro lado tensión

Figura 24. Falla inferior muro lado compresión

Figura 25. Falla punzonamiento lámina yeso

7.4 Ventajas Una de las ventajas del sistema, es el poco peso

que tienen los elementos que conforman la estructu-ra en comparación a la construcción tradicional, lo que hace que la demanda sísmica sea inferior. Por ejemplo para una estructura de una vivienda, es normal Tabla 10. Cargas para muro Elemento Craga UnidadEntrepiso 50 Kg/m2Acabados 100 Kg/m2Muros 150 Kg/m2Cubierta 60 Kg/m2Total 360 Kg/m2 que un muro portante tenga unos 4 m de área aferen-te portante en el nivel superior, dicho muro puede alcanzar a tener que resistir una carga muerta de

1440 Kg y sísmicamente con una aceleración Sa=0.5 la carga horizontal puede ser de 720 Kg/ml, esta magnitud se encuentra alrededor de la estudiada en el ensayo.

8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De acuerdo a los resultados presentados, los muros que tienen más resistencia ante las cargas laterales o sísmicas son los que se construyen con las dos caras de fibrocemento. Por tal motivo estos son los que se deben usar en las construcciones de Drywall como elementos de cargas sísmicas.

Se deben controlar las deformaciones horizonta-les de los muros para no exceder los límites de des-plazamiento horizontal permitidos.

De acuerdo al sistema drywall en una estructura se utilizan las tres config.ciones de muros estudia-das, no siendo el objeto de las de yeso soportar car-gas pero si cumplen la función de muros divisorios, por tal motivo se debe analizar para cada muro las deformaciones y cargas que estos pueden presentar por estar unidos a la estructura.

En los ensayos realizados no se tuvieron en cuen-ta las cargas verticales que soportaría el muro, de acuerdo a cargas presentadas en la tabla 10. Dichas cargas podrían mejorar el comportamiento de los anclajes en los muros, debido a que ya no se presen-tarían deslizamientos ni desgarros por la tensión a que están sometidos, pero se debe controlar el pan-deo de los perfiles por compresión.

Se puede considerar que el conjunto del muro ac-túa como elementos diafragma y por tal motivo los desplazamientos encontrados analíticamente, son in-feriores a los encontrados experimentalmente.

Para garantizar la compatibilidad entre todos los materiales que conforman la estructura de los muros de drywall, se deben estudiar y analizar los estados límites de ellos como son los de la tensión en los pernos de anclaje, las conexiones pernadas por des-garramiento, fluencia en el alma de las láminas de acero, la compresión en los parales verticales y las compatibilidades de corte y punzonamiento en las láminas exteriores.

9 AGRADECIMEIENTOS

Finalmente, agradecerle a la Compañía Toptec S.A., a su departamento de Control de Calidad y a sus tra-bajadores por haber patrocinado y permitido realizar los ensayos de los cuales es objeto este artículo.

10 REFERENCIAS

American Institute of Stell Contruction, Manual of Stell Construction. United States of America, 1989

García, Luis E. Dinámica Estructural aplicada al Diseño Sís-mico. Colombia: Universidad de Los Andes.

Galambos, Theodore; Johnston, Bruce. Diseño de estructuras de acero con LRFD. Mexico Prentice hall,1999.

Intenational Code Council, International Buidilg Code, California, 2000

Nilson, Arthur H.; Winter, George. Design of Concrete Struc-tures. Tokio: McGraw-Hill, 1972.

NSR-98. Norma Sismo Resistente. Asociación de Ingeniería Sísmica, Bogota, Colombia. 1998.

Toptec, Manual Tecnico, Manizales, 2005