PROYECTO DE REFUERZO ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE DE UN EDIFICIO DE VALOR PATRIMONIAL DE ADOBE EN LA

CIUDAD DE SALTA

ROBERTO ADOLFO CARO Ingeniero en Construcciones - roberto.adolfo.caro@estudiant.upc.edu

Profesor Titular - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de Salta - Argentina Asesor Secretaría de Obras Públicas - Gobierno de la Provincia de Salta – Argentina

MARÍA ALEJANDRA CEBALLOS Ingeniero Civil - alece@unsa.edu.ar

Profesor Adjunto - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de Salta – Argentina

Resumen Se describe el Proyecto de Refuerzo Estructural Sismorresistente en uno de los más valiosos testimonios de la arquitectura doméstica de comienzos del siglo XIX, con el objeto de restaurar y refuncionalizar un edificio de gran valor patrimonial de adobe, que de Vivienda pasará a funcionar como Museo. En la actualidad el edificio presenta un estado de agrietamiento importante en los muros, sobre todo en la planta alta. También se observan en malas condiciones los cimientos. Durante muchos años no se realizaron tareas de mantenimiento, lo cual originó humedades en los techos, cielorrasos y muros. Se decidió por la Técnica de Refuerzo con Malla de Acero y Mortero Proyectado en ambas caras de los muros (planta baja y planta alta), anclada en vigas de fundación. A nivel de techos, se ejecuta sobre los muros una viga collar de hormigón armado, a la cual se vincula la estructura de madera de los techos. Para verificar la nueva estructura, se utilizaron:

1. Método Aproximado: Utilizando formulaciones ya determinadas a través de ensayos de muros en escala natural y verificando según el reglamento INPRES-CIRSOC 103.

2. Modelando el Sistema con el Programa SAP 2000, utilizando los espectros del reglamento INPRES-CIRSOC 103 y verificando el estado tensional obtenido.

Podemos ver los resultados de ambos métodos y verificar la validez del Método Aproximado, lo cual nos garantiza el uso del mismo en situaciones similares. Se muestran fotografías del estado del edificio desde el año 2004 a la fecha.

Abstract This work describes the project of the earthquake-resistant structural reinforcement in one of the most valuable testimony of the domestic architecture of the early nineteenth century, in order to restore and refunctioning a building of heritage value of adobe, which as housing will operate as a museum. Currently the walls of the building present a significant cracking state, especially on the upper floor. The foundations are also in poor conditions. For many years there was no maintenance, which resulted in moisture in roofs, ceilings and walls. The reinforcement technique chosen was the use of steel mesh and mortar projected on both sides of the walls (ground floor and first floor), anchored to the foundation beams. At the level of ceilings, a collar beam reinforced concrete is built on walls, which is linked to the wooden ceilings structure. To verify the new structure the following procedures were employed:

1. Approximate Method: Using formulations already determined through tests on actual scale walls and checking the values according to INPRES-CIRSOC 103.

2. Modeling de structure with SAP 2000 program using the spectra of INPRES-CIRSOC 103 and checking the obtained stress states.

We can see the results of both methods and verify the validity of the approximate method, which guarantees us the use of it in similar situations.

Pictures showing the condition of the building since 2004 to date are presented.

PROCEDIMIENTO DE REFUERZO

El procedimiento de refuerzo elegido (Malla de Acero y Mortero Proyectado), consiste en la aplicación de una malla de acero en ambas caras del muro, vinculadas entre sí en puntos regularmente espaciados, recubriéndola luego con un mortero cementicio proyectado.

La secuencia de trabajo es la siguiente: Remoción del revoque existente. Picado de la superficie a reparar para aumentar la rugosidad y mejorar la adherencia del mortero proyectado y el muro. Ejecución de perforaciones cada 0.75m (en ambas direcciones) para colocar los pasadores que materializarán el anclaje de las mallas. Colocación de separadores (espesor 0.01m) o bien aplicar una primera capa de mortero cementicio del mismo espesor. Colocación de los anclajes y fijación de la malla. Aplicación de una segunda capa de mortero cementicio recubriendo totalmente la malla. Previo a la colocación de la malla, se ejecutará una viga de fundación a ambos lados del muro, la cual se apoyará sobre sendos dados de hormigón ciclópeo (hormigón de piedra), los cuales se fundarán a una profundidad de 1,50m bajo el nivel del terreno natural. Esta viga cumple dos funciones:

• La primera, la de anclar la malla de refuerzo de los muros a la fundación.

• La segunda, lograr una mayor superficie de asiento de los muros y cimientos existentes, con lo cual reducimos la tensión de contacto suelo-fundación.

Los entrepisos se rigidizan y se vinculan al refuerzo del muro. A nivel de techos, además, se ejecuta sobre los muros una viga collar de hormigón armado, a la cual se vincula la estructura de madera de los techos.

Fig. 1: Propuesta de Refuerzo Planta Baja

Fig. 2: Propuesta de Refuerzo Planta Alta

Fig. 3: Propuesta de Refuerzo Nivel Techos

Fig. 4: Detalles del Refuerzo

VERIFICACIÓN DEL REFUERZO

• MÉTODO APROXIMADO

De acuerdo a las investigaciones realizadas por Decanini y Ochat [1], basándose en ensayos de muretes efectuados en EE. UU., Italia, Yugoslavia y Chile, ejecutaron ensayos de muros a escala natural, sin refuerzo y luego de la rotura, con el refuerzo.

En éstas investigaciones se llegó a determinar que la relación entre la Tensión de Corte Máxima del Refuerzo (Tc) y la Resistencia a Compresión del Mortero Proyectado (f’c) está dada, para cargas cíclicas, por la siguiente expresión:

Tc = 21,2 . (f’c) 1/2 [KN/m²] – (f’c en KN/m²) (1)

CORTE

Análisis

En esta primera parte del trabajo, se analizó la estructura reforzada, obteniéndose los esfuerzos de origen sísmicos aplicando el Método Estático del Reglamento Inpres-Cirsoc 103 [2],[3].

Para este análisis se obtuvo:

Zona Sísmica 3 - Suelo Tipo III Ductilidad µ =1,00 Período Fundamental T = 0,14 s Coeficiente de Reducción R =1,00 Pseudoaceleración Sa = 0,425 Coeficiente Sísmico C = 0,425 . 1,3 / 1,00 = 0,55 Peso Total de la Construcción Wt = 22000 KN El Esfuerzo de Corte Basal Vo = C . Wt = 0,55 . 22000 KN = 12100 KN

Verificaciones

Se consideran solo las dos capas de mortero proyectado.

La tensión de corte solicitante será, tomando el muro más solicitado:

Para el muro de fachada (P.B.): 4030 / 2 / 21 / 0,08 = 1199 KN/m²

Para el muro de fachada (P.A.): 2500 / 2 / 21 / 0,05 = 1190 KN/m²

Se adopta f’c del mortero proyectado - f’c= 9000 KN/m²

Aplicando la expresión (1) la Tensión de Corte Resistente del refuerzo vale:

Tc = 2011 KN/m² que es mayor a la tensión de corte solicitante en P.B. y P.A.

La armadura horizontal del refuerzo se dimensiona para que resista el total del Corte solicitante.

Se coloca una armadura:

P.B.:malla de Ø 8 0,15 x 0,15 en cada capa de refuerzo. Vr=5290 KN<4030 KN

P.A.:malla de Ø 6 0,15 x 0,15 en cada capa de refuerzo. Vr=2960 KN<2500 KN

• MODELACIÓN CON EL PROGRAMA SAP 2000 [4]

Espesores de muros

PLANTA ALTA

PLANTA BAJA

0,45 0.45

0.50 0.50

0.75 0.60

ESPESORES DE MUROS

0.85 0.85

Tabla 1

Determinación de las propiedades mecánicas del adob e, mediante ensayos [5]

Se trató en todos los casos de extraer unidades completas del mampuesto. En laboratorio se determinó el contenido de humedad del material y las muestras fueron talladas para lograr probetas cúbicas de 10 cm de lado. No siempre fue posible conseguir dichas dimensiones exactas, debido a la heterogeneidad del material y sus inclusiones de materia orgánica.

Las probetas fueron ensayadas a compresión y se determinó el contenido de humedad al momento del ensayo.

Módulo de Elasticidad Longitudinal del adobe Se obtuvo el Módulo de Elasticidad del adobe a partir de ensayos realizados en la casa Leguizamón, descartando aquellos valores muy diferentes y considerando el promedio de los mismos. Se observa que en planta baja el adobe se ve más afectado por la humedad del suelo de fundación, dando por tanto valores mas bajos que aquellos arrojados de los ensayos de la planta alta. Por lo antedicho se decidió fijar para el cálculo un valor del módulo de elasticidad para planta baja y otro para los muros de planta alta. De lo dicho se determinaron los siguientes valores: a) Módulo de Elasticidad del adobe de Planta Baja

EaPB: 29000 KN/m2

b) Módulo de Elasticidad del adobe de Planta Alta EaPA: 70700 KN/m2

Coeficiente de Poisson del adobe Siguiendo los estudios realizados en México [6], se adoptó µ = 0,3 Módulo de Corte del adobe

aadobe

EG

2(1 )µ=

+

Módulo de Corte Planta Alta

2adobePAG 11154KN/ m=

b) Módulo de Corte Planta Baja 2

adobePBG 27192kN/m=

Análisis de las propiedades elásticas de los muros de adobe reforzado Las propiedades elásticas de los muros reforzados se estimaron considerando la Teoría de Mezcla Clásica [7[ ]y [8] para el módulo de elasticidad longitudinal E y para determinar el coeficiente de Poisson (comportamiento en paralelo). Para la obtención del Módulo de Elasticidad Transversal se consideró un comportamiento en serie. Todo ello ya que el adobe (o suelo) existe en la re alidad y debe ser

considerado en el análisis, a pesar de que, como se verá más adelante, los mayores esfuerzos son soportados por el mortero y e l acero del refuerzo. Para cada lámina del Hormigón Armado Datos a) Planta Alta: Malla de diámetro 6mm de 0,15 x 0,15 Espesor de la lámina de hormigón proyectado: 5 cm b) Planta Baja Malla de diámetro 8mm de 0,15 x 0,15 Espesor de la lámina de hormigón proyectado: 8 cm Modulo de Elasticidad del acero Ea=210.000.000 KN/m2 Modulo de Elasticidad del hormigón Eh°= 27.500.000K N/m2

Coeficiente de Poisson del acero µa = 0,3 Coeficiente de Poisson del hormigón µh° = 0,2 Módulo de Elasticidad del Hormigón Armado

hºaº a a hº hºE VE V E= +

Dado que el refuerzo del hormigón es una malla bi-direccional implica que el Módulo en ambas direcciones ortogonales es el mismo, por lo tanto:

1hº 2hºE E=

Siendo Va = proporción de acero en la dirección 1 Vhº = proporción del hormigón (matriz) Aa = área de la sección de acero /m Ahº= área de la sección de hormigón /m At= área total Coeficiente de Poisson del hormigón armado

hºaº hº a aµ = µ + µ .G

Para materiales homogéneos E

G2(1 )µ

=+

Módulo de corte para el acero 2

aG 80769231kN/ m=

Módulo de corte para el hormigón 2hºG 11458333kN/m=

hºaº 0,2µ =

Módulo de Corte del hormigón armado hº ahºaº

hº a a hº

G .GG

V .G V .G=

+

Módulo de Corte del muro de adobe reforzado hºaº adobeAdobeRef

hºaº adobe adobe hºaº

G .GG

V .G V .G=

+

Tabla 2

Para el Mu ro Reforzado a) Planta Alta Vhºaº = proporción de la sección de hormigón armado Vadobe = proporción del adobe Ahºaº = área de la sección de hormigón armado Aadobe= área de la sección adobe At= área total del refuerzo

hºaº

hºaºtotal

AV

A= adobe

adobetotal

AV

A=

Módulo de Elasticidad longitudinal del muro de adobe reforzado

adobeRef hºaº hºaº adobe adobeE E .V E .V= +

Coeficiente de Poisson del muro de adobe reforzado, por no haber diferencia sustantiva se adopta:

adobeR 0,3µ =

AdobeR hºaº hºaº adobe adobe.V .Vµ µ µ= +

espesor Hº Aº

(bhºaº) m

espesor adobe en (badob ) m

espesor total de

muro( bt) m

Peso esp γRef

KN/m3

Definición de los

materialesEadobe

Ref KN/m2

Gadobe

Ref

KN/m2

0,1 0,35 0,45 19,3333 MatPA1 6319400 34938

0,4 0,5 19,2000 MatPA2 5694530 339700,65 0,75 18,8000 MatPA3 3819920 313640,75 0,85 18,7059 MatPA4 3378835 30808

00,16 0,29 0,45 20,1333 MatPB1 10068189 17298

0,34 0,5 19,9200 MatPB2 9064270 163950,44 0,6 19,6000 MatPB3 7558392 152040,69 0,85 19,1294 MatPB4 5343865 13737

Planta Alta

Determinación del Peso Específico, Módulo de Elasti cidad y Módulo de Corte del muro de adobe reforzado

Planta Baja

Se definieron ocho materiales para caracterizar los muros de diferentes espesores y según pertenecen a la planta alta o baja ya que varían las propiedades mecánicas

Imágenes del Programa SAP2000

Fig. 5: Combinación 1,3Ew+Esx Tensiones S12

Fig. 6: Combinación 1,3Ew+Esx Tensiones S22

Fig. 7: Combinación 1,3Ew+Esx

Tensiones S11

Fig. 8:Tensiones S22 (KN/m2) – Estado de Carga:1,3 Ew+Esx

Coordenada y=0,425

Fig. 9:Tensiones S22 (KN/m2) – Estado de Carga:1,3 Ew+Esx

Coordenada y=5,36

Fig. 10:Tensiones S22 (KN/m2) – Estado de Carga:1,3 Ew+Esx

Coordenada x=0,425

Se modeló el Sistema con el Programa SAP 2000 [4] , tomando para el material compuesto elementos isótropos.

Se utilizó el espectro sísmico del Reglamento [2], para zona 3 y suelo tipo III. Ductilidad igual a 1, para ser coherentes con el método de resolución utilizado. Con las distintas hipótesis de estados de cargas, se obtuvieron los distintos estados de tensiones. Determinación de tensiones en los materiales compo nentes

Aplicando nuevamente la teoría de mezcla, se recorre el camino inverso

partiendo de la determinación de las tensiones en el adobe reforzado, luego en el hormigón armado y adobe, para culminar con las tensiones en el hormigón y el acero.

Determinación de las tensiones en el adobe reforzad o Determinación de las rigideces del compuesto

Fig.11:Tensiones S22 (KN/m2) – Estado de Carga:1,3 Ew+Esx Coordenada x=23,715

1 11 12 1

2 12 22 2

12 66 12

C C 0

C C 0

0 0 C

σ εσ ετ γ

=

111

12 21

EC

1 µ µ=

−

222

12 21

EC

1 µ µ=

−

12 212

12 21

EC

1µ

µ µ=

−

Dirección de las tensiones en el muro de adobe reforzado

Fig. 11: Tensiones principales

Tabla 3

Por la teoría de mezcla tenemos:

1

H A Ado1 1ε ε ε° °= =

Para la determinación de las tensiones en los distintos componentes se

selecciona un elemento de muro de adobe reforzado con tensiones elevadas de los resultados del programa SAP 2000 , en este caso como ejemplo tomamos el elemento denominado 1007 que pertenece a la planta baja y el material está definido como PB4 (muro de 0,85m de espesor) .

A partir de las máximas tensiones observadas en el elemento se van calculando las tensiones en los materiales componentes.

Por lo tanto del programa SAP tomamos los siguientes valores de tensión en el muro de adobe reforzado:

espesor Hº Aº

(bhºaº) m

espesor adobe en (badob ) m

espesor total de

muro( bt) m

Definición de los

materiales

0,1 0,35 0,45 MatPA1 6944396 2083319

0,4 0,5 MatPA2 6257725 18773180,65 0,75 MatPA3 4197714 12593140,75 0,85 MatPA4 3713006 1113902

0,16 0,29 0,45 MatPB1 11063944 33191830,34 0,5 MatPB2 9960736 29882210,44 0,6 MatPB3 8305925 24917770,69 0,85 MatPB4 5872379 1761714

Planta Baja

Cálculo de las rigideces del

material compuesto

Planta Alta

111

12 21

EC

1 µ µ=

−12 2

1212 21

EC

1µ

µ µ=

−

1 11 1 12 2

2 12 1 22 2

C C

C C

σ ε εσ ε ε

= += +

S11= σ2 σ1= 1742,48 KN/m2 S22= σ1 σ2= 809,68 KN/m2

(2)

S12

Determinación de las tensiones en el hormigón armad o

Tabla 4

8578,05 KN/m2

3233,24 KN/m2

Determinación de las tensiones en el Adobe

Tabla 5

1 11 1 12

1 22

H A H A H A H A H A2

H A H A H A H A H A2 12 2

C C

C C

σ ε ε

σ ε ε

° ° ° ° ° ° ° ° ° °

° ° ° ° ° ° ° ° ° °

= +

= +

σ ° ° =H A1

σ ° ° =H A2

1 11 1 12

1 22

Ado Ado Ado Ado Ado2

Ado Ado Ado Ado Ado2 12 2

C C

C C

σ ε ε

σ ε ε

= +

= +

espesor Hº Aº

(bhºaº) cm

Planta Alta 10 29364427 5872885Planta Baja 16 29441895 5888379

Cálculo de las rigideces del H° A°

22212211ECµµ=−

111

12 21

EC

1 µ µ=

−12 2

1212 21

EC

1µ

µ µ=

−

Determinación de las Rigideces del Adobe

Planta Alta 77692 23308

Planta Baja 31868 9560

111

12 21

EC

1 µ µ=

− 22212211ECµµ=−

12 212

12 21

EC

1µ

µ µ=

−

Tensiones en el Adobe

Determinación de las tensiones en el Hormigón y el Acero

E KN/m2 GKN/m2

Hormigón 27500000 11458333 28645833 5729167

Acero 210000000 80769231 230769231 69230769

Determinación de las Rigidez del Hormigón y del Ac ero

22212211ECµµ=−

111

12 21

EC

1 µ µ=

−12 2

1212 21

EC

1µ

µ µ=

−

Tabla 6

Tensiones en el Hormigón Tensiones en el Acero

(5)

9,46 KN/m2

4,39 KN/m2

(3)

8346,11 KN/m2

3145,82 KN/m2

(4)

68474,94 KN/m2 31818,32 KN/m2

Ado1σ =

Ado2σ =

1 2

H H H H H2 12 22C Cσ ε ε° ° ° ° °= +

H H H H H1 11 1 12 2C . C .σ ε ε° ° ° ° °= +

H1σ ° =

H2σ ° =

A1σ ° =

A2σ ° =

Verificaciones Con las tensiones en cada material del compuesto (hormigón, acero y adobe)

se verifica utilizando las formulaciones para material isótropo desarrolladas por Oller S. y al., 2003 [9]. La función general de rotura es:

(6) Para hormigón (mortero), acero y adobe (suelo) tenemos: σx = S11 , σy = S22 , σz = 0 , τxy = S12 , τxz = 0 , τyz = 0, λ1 = λ2 = λ3 = λ = 1 fxc= fy

c,= fzc= f c , fx

t= fyt,= fz

t= f t , αx = αy = α z = α = 1/ 2 [(f c/ f t) – (f t/ f c)] Para adobe (suelo): │ f c/ f t │ ≈ 2 Para hormigón (mortero) y acero: fxy = √(f t f c ) / √(2+ λ) - τxy = S12

Para adobe (suelo): fxy

c= 1/√3*(2 c √4 cosφ ) / (3 – senφ) , fxy t= 1/√3*(2 c √6 cosφ ) / (3 + senφ)

de ambos se toma el menor - τxy = S12 c = 1/2 f t √Ro

Mohr , RoMohr = │ f c/ f t │, φ:ángulo fricción interna del adobe (suelo).

Con la ecuación (6) se verifican los cuatro puntos de cada uno de los elementos: Si Fσ(σ,σ,σ,σ,f) < 0 el elemento permanece elástico Si Fσ(σ,σ,σ,σ,f) ≥ 0 el elemento rompe

En nuestro ejemplo, en todos los puntos de los elementos utilizados, se cumple que Fσ(σ,σ,σ,σ,f) < 0, por lo tanto podemos confirmar que tanto el hormigón (mortero), acero y adobe (suelo) no rompen.

Fig. 12: Fotos año 2004

Fig.13: Fotos año 2006

Fig. 14: Fotos año 2008

Fig. 15: Fotos año 2010

CONCLUSIONES

Como conclusión principal, podemos decir que en los casos de construcciones regulares, tanto en planta como en elevación, son aplicables las formulaciones planteadas en el Método Aproximado , con las verificaciones expresadas en el mismo. Esto nos permite utilizar la técnica del Refuerzo con Malla de Acero y Mortero Proyectado en una forma sencilla y rápida, sabiendo que sus resultados son altamente confiables y el funcionamiento sismorresistente del conjunto tiene una buena performance. La modelación del sistema con el Programa SAP2000, también nos sirve para concluir donde es necesario colocar armaduras adicionales en la malla de refuerzo, siendo estos sectores los bordes de las aberturas existentes (puertas, ventanas, etc.), que es donde se producen la concentración y las mayores tensiones. AGRADECIMIENTOS

Agradecemos la valiosa colaboración prestada para llevar adelante este trabajo, al Dr. Sergio Oller, Dra. Liz Nallim y Mg. Mario Toledo.

REFERENCIAS 1. Decanini Luis, Ochat Ernesto. Refuerzos de Paneles Dañados de Mampostería

mediante Capas de Mortero y Armaduras en Mallas. Resultados Experimentales y Criterios para el Proyecto. Departamento de Estructuras. Universidad Nacional de Córdoba - Argentina.

2. INPRES-CIRSOC 103 (1983). Instituto Nacional de Prevención Sísmica - Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles: “Normas Argentinas para Construcciones Sismorresistentes – Parte I: Construcciones en General“.

3. INPRES-CIRSOC 103 (1991). Instituto Nacional de Prevención Sísmica - Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles: “Normas Argentinas para Construcciones Sismorresistentes – Modificaciones y Anexo a la Parte I (Construcciones en General) y Anexo a la Parte III (Construcciones de Mampostería)”.

4. SAP 2000. Versión 10. CSI Analysis Reference Manual (2005). Computer and Structures, inc. Berkeley, California. USA.

5. Gea S. (2009). INFORME: Ensayos mecánicos en muestras de adobe del edificio “CASA DE LEGUIZAMÓN” (2009). Universidad Nacional de Salta – Argentina.

6. Bazán E., Padilla M., Meli R. Seguridad de casas de adobe ante sismos. Estudios analíticos. UNAM. México.

7. Vinson J. R. and Sierakowski R. L. (1987). The Behavior of Structures Composed of Composite Materials. Kluer Academic Publishers - London.

8. Jones R. M. (1999). Mechanics of Composite Materials. Taylor and Francis - U.S.A.

9. Oller S., Car E., Lubliner J. (2003). Definition of a general implicit orthotropic yield criterion. Computer methods in applied mechanics and engineering 192 (2003) pp 895-912.