Edificios Altos de Mamposteria Definitiva
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Edificios Altos de
Mampostería
Amador Terán GilmoreAmador Terán Gilmore
Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralToma de Protesta Nueva Mesa Directiva
Delegación Estado de México
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Antecedentes Antecedentes
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¿Por que construir edificios altos de mampostería?
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Las experiencias previas hacen necesario ser cuidadosos en el caso
que se aspire lograr la verticalización de la vivienda a través de
sistemas estructurales de mampostería confinada.
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IntroducciónIntroducción
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El nivel de daño que sufren los elementos estructurales y no
estructurales dependen de los valores que adquiere durante el
sismo el desplazamiento lateral. Un menor nivel de respuesta
implica menor nivel de daño.
daño = f (comportamiento no lineal)
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En términos de entender que es lo que hay que hacer para diseñar
edificios de mampostería que no se conforman a lo planteado
hasta el momento, es necesario modelar el rango no lineal de
comportamiento de sus muros estructurales. Lo anterior permite
entender como evoluciona el daño en el sistema estructural, yhace posible establecer medidas enfocadas a estabilizar su
comportamiento ante cargas laterales.
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La envolvente de comportamiento histerético (curva de
capacidad) permite caracterizar el comportamiento no lineal delos elementos de mampostería.
-60
-40
-20
0
20
40
60
-0.01 -0.005 0 0.005 0.01DISTORSIÓN (cm/cm)
C O R T A N T E B A S A L
( T o n )
Ciclos histeréticosde carga.
Envolvente decomportamientohisterético.
V máx
V agr
V ult
DI agr DI máx DI ult
K 0
Agrietamiento del murola mampostería.
Cortante máximo en elmuro de mampostería.
Cortante último en elmuro de mampostería.
Las propiedades utilizadasen el análisis, son tomadas de
muros aislados
Envolvente decomportamiento
histerético.
Corte
Mampostería Confinada sinRefuerzo Horizontal.
RDF agr V V =
H K
V DI agr
agr
0
=
agr maxV V 25.1= 003.0=
max DI
agr u V V 8.0=
005.0=u DI
El uso de refuerzo horizontal
puede llegar a duplicar la
capacidad de deformación
lateral de la mampostería.
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a) Primer agrietamiento diagonal.
Carga lateral
Carga vertical
Carga lateral
Carga vertical
b) Degradación de rig idez.
c) Degradación de r igidez y de resistencia.
Carga vertical Carga vertical
d) Falla del muro.
Carga lateral Carga lateral
Puntos de cambio en la envolvente delimitan diferentes etapas de
comportamiento y de nivel de daño, y por tanto son la base paraestablecer umbrales de desplazamiento.
OI SV
PC? ???
0.003-0.006
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Desarrollos RecientesDesarrollos Recientes
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h
h
h
3h
Sección con las propiedades de
los muros.
Seccióninfinitamente
rígida a flexióny a corte.
Estructura de mampostería confinada Modelo de la columna ancha
Sección deviga que
considera lacontribución
de la losa
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h
h
h
3h
Sección con las propiedades de
los muros.
Seccióninfinitamente
rígida a flexióny a corte.
Estructura de mampostería confinada Modelo de la columna ancha
Sección deviga que
considera lacontribución
de la losa
Modelo
modificado de la
columna ancha
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Es posible utilizar software comercial para este tipo de modelado.
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V bas
DI (%)
V bas
DI (%)
V bas
ARTICULACIONES CON LAS PROPIEDADES A CORTE DE LA MAMPOSTERÍA
DI (%)
F
α F
a) Primer agrietamiento diagonal.
Carga lateral
Carga vertical
Carga lateral
Carga vertical
b) Degradación de rigidez.
c) Degradación de rigi dez y de resistencia.
Carga vertical Carga vertical
d) Falla del muro.
Carga lateral Carga lateral
El modelo permite asociar directamente las demandas no lineales
de los muros con una patrón de grietas y nivel de daño.
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Modelo 1:2 (Arias y Alcocer)
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
1
23
45
6
7
8
V b /W
δ1 (m)
Curva de capacidad y evaluación del nivel de daño
(1.8g)
(2.5g)
(2.2g)
(1.6g)
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Ubicación del Daño: ¡Planta baja débil!
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0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
δ (cm) DI
Entrepiso Entrepiso
¡Acumulación de
deformación y por
tanto de daño!
25%
80%
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Cambio de EnfoqueCambio de Enfoque
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Distorsión
La inestabilidad ante cargas laterales que los muros robustos de
mampostería exhiben a distorsiones bajas hace que sea necesario
buscar otra forma de aportar resistencia lateral a un edificio alto de
mampostería.
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Considere para la Zona de Transición del Distrito Federal lasdemandas de distorsión para dos edificios regulares: uno de cinco
pisos y el otro de quince pisos. Para el ejemplo el periodo de los
edificios se estima como el número de pisos entre 10.
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4
T (seg)
Sd (cm)
..
. 0.0035
.
. 0.0094
En caso de que se forme un piso blando, las demandas de distorsión
correspondientes a la planta baja pueden fácilmente duplicarse o
triplicarse con respecto a los valores anteriores.
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Un incremento en la relación de aspecto de un muro de
mampostería resulta en que su falla deje de caracterizarse por un
mecanismo regido por corte. Un buen diseño y detallado resulta
en que muros con relación de aspecto de dos o mayores puedandesarrollar un comportamiento no lineal de importancia
dominado por efectos de flexión.
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Priestley y Elder 1982
¡Sección planapermanece plana!
CompresiónCompresión
CompresiónCompresión
Diseño adecuado
a corte
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Las pruebas llevadas a caboa nivel internacional
muestran que un buen
diseño y detallado resultan
en que muros con relación
de aspecto de dos o
mayores puedan desarrollar
un comportamiento no
lineal estable a distorsiones
relativamente altas. Loanterior sugiere que el uso
de muros esbeltos haría
posible el diseño de
estructuras altas de
mampostería con respuesta
estable ante cargas
laterales.
0.010.01
V
M p
V
M p
V R ≥ 2M p /H
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h
h
h
3h
Sección con las propiedades de
los muros.
Seccióninfinitamente
rígida a flexióny a corte.
Estructura de mampostería confinada Modelo de la columna ancha
Sección deviga que
considera lacontribución
de la losa
Δ
V
Δag Δu Δr
Vag
VuVr
Resorte no-lineal a corte
ϕ
M
ϕy ϕu
MyMu
Resorte no-lineal a flexión
Modelo re-
modificado de lacolumna ancha
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EjemploEjemplo
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Se consideró un edificio de diez pisos estructurado con base enmuros de mampostería confinada. Cada piso tiene 3 metros de
altura, lo que resulta en una altura total de 30 metros. El edificio,
que exhibe regularidad estructural , se destina a alojar un hotel, y se
le considera ubicado en la Zona de Transición del Distrito Federal.
Pasillo
Dirección crítica
Fachada
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El diseño del edificio solo fue posible al
considerar una mampostería de altaresistencia.
Opción
Propiedades Mecánicas Dimensiones EstructuraciónE m
(MPa)
E c
(MPa)
f*m
(MPa)
ν *
m
(MPa)
f *c
(MPa)
t mm
(mm)
t mc
(mm)
t losa
(mm)
1.1 3138.13 ----------- 6.86 0.49 --------- 150 -------- 120 Sin muros de
concreto,
losas macizas1.2 3138.13 ----------- 13.73 0.98 --------- 150 --------- 120
2.1a 3138.13 237798.66 6.86 0.49 29.42 150 200 120 Con muros de
concreto paralelos a ladirección corta hasta
el sexto nivel, losas
macizas
2.2a 3138.13 237798.66 13.73 0.98 29.42 150 200 120
2.1.b 3138.13 237798.66 6.86 0.49 29.42 150 200 120 Con muros de
concreto paralelos a la
dirección larga entodos los entrepisos,
losas macizas
2.2.b 3138.13 237798.66 13.73 0.98 29.42 150 200 120
3.1 3138.13 -------------- 6.86 0.49 --------- 200 -------- 120 Sin muros de
concreto, losas
macizas3.2 3138.13 -------------- 13.73 0.98 --------- 200 -------- 120
4.1 3138.13 -------------- 6.86 0.49 --------- 150 --------- 120 Sin muros de
concreto, losas
macizas4.2 3138.13 -------------- 13.73 0.98 --------- 150 --------- 120
2 0
2 0
2 0
20
4 0
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Para el análisis por sismo se adoptaron las especificaciones de las
NTCDS del RCDF. Bajo la consideración de un comportamiento
dominado por flexión en los muros, se adoptó un Q de 2. Dado
que la distorsión máxima de entrepiso para muros esbeltos de
mampostería es mayor que los valores considerados por lasNTCM, no se revisaron las distorsiones de entrepiso durante el
diseño del edificio.
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En términos de resistencia, a nivel global se revisaron los
requerimientos de cortante basal mínimo, y a nivel local, la
resistencia a flexo-compresión y corte para cada muro. El diseño
por resistencia se hizo conforme a los requerimientos de las NTC
del RCDF. Por cuestiones económicas, se limitó la cuantía de acero
horizontal de los muros a 0.001.
227
2 0
20
512
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El periodo en la dirección larga del edificio resultó de 0.8
segundos. Mientras los muros orientados en la dirección corta y
aquellos que forman los pasillos en la dirección larga trabajan
como grandes vigas en voladizo, los muros y pretiles ubicados en
las fachadas de la dirección larga trabajan como marcos.
V
V
V
V
V
Altura
MomentoV V V V V
V V V V V
V V V V V
V V V V V
V V V V V
Altura
Momento
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Modificaciones al
Diseño Original
Modificaciones al
Diseño Original
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V V V V V
V V V V V
V V V V V
V V V V V
V V V V V
V V V V V
a) b)
Se observó que las demandas de corte en los muros de fachada en
la dirección larga eran excesivas y resultaban en la formación deun piso blando. Debido a ello se decidió eliminar los pretiles de
cada dos pisos.
-60
-40
-20
0
20
40
60
-0.01 -0.005 0 0.005 0.01DISTORSIÓN (cm /cm)
C O R T A N T E B A S A L ( T o n )
Ciclos histeréticosde carga.
Envolvente decomportamientohisterético.
0.003-0.006 0.010
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Debido a las acciones derivadas del acoplamiento que aportan a
los muros, los pretiles de mampostería de la fachada tendían a
dañarse de manera excesiva. Aunque esto no implicaba un riesgo
de colapso, se decidió reducir la incertidumbre por medio de usar
pretiles de concreto reforzado.
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Finalmente, se redujo la cuantía de acero longitudinal en los
castillos de los muros, ya que el diseño a flexo-compresión de losmuros hecho con el método optativo de las NTCM subestima de
manera importante su capacidad a flexión.
M/f *m t L
2
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
P / f m
t L
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Resistencia Nominal
Resistencia Ultima
Método Optativo
512
51 2
Curvatura (1/m) ϕ
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035
M o m e n t o ( k N - m )
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Propuesta Final
Alternativa 3.2
V
M p
V
M p
V R ≥ 2M p /H
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V V V
Los muros de pasillo en la dirección larga exhiben una rigidez
notable y un comportamiento dominado por flexión debido al
débil acoplamiento provisto por las losas de entrepisos.
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Para estimar las propiedades estructurales del edificio, se preparó
un modelo de análisis no lineal. En términos del periodo
fundamental de vibración para la dirección larga del edificio, el
modelo estima un valor de 0.78 segundos.
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Se buscó el sitio dentro de la Zona de Transición que resultará enlas mayores demandas de deformación lateral. Esto resultó en la
consideración movimientos con periodo dominante 1 seg. Se
usaron 12 movimientos escalados de tal manera que en conjunto
representaran el sismo de diseño especificado por el Apéndice Ade las NTCS.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6
T (seg)
S a
a) MediaT (seg)
S a
b) Media + σ
μ = 1
μ = 2
μ = 3
μ = 4
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0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
δaz (m)
V b (KN)
OISV
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0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
δ (m)
Nivel
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012
Nivel
DE
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ConclusionesConclusiones
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Los ensayos experimentales llevados a cabo a nivel internacional
indican que el comportamiento de muros esbeltos de
mampostería puede llegar a ser dúctil, y estar asociado a una altacapacidad de deformación lateral.
La construcción de edificios de mampostería de gran altura será
posible en la medida que se desarrollen en México mamposteríasde alta resistencia y se planteen sistemas estructurales que
promuevan el comportamiento a flexión de los muros. Dentro de
este contexto, la normativa actual debe modificar algunos de los
requerimientos con que se analizan y diseñan las estructuras de
mampostería.
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Los resultados obtenidos a partir del modelado no lineal del
edificio de diez pisos, y de la evaluación de su desempeño
estructural, sugieren que los muros contemplados para el edificio
no tendrán problemas en términos de su resistencia a corte. Al
respecto, es importante mencionar que dicha resistencia fue
evaluada a partir de una propuesta establecida a nivel
internacional, la cual debe ser avalada o corregida a la brevedadpara su uso dentro del contexto de la práctica mexicana. La
presencia de castillos en los extremos de los muros del edificio
estabiliza su respuesta a flexión, y elimina la posibilidad de
aplastamiento de la mampostería.
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Se diseñó una segunda alternativa para el sistema estructural deledificio, la cual considero el uso de marcos rígidos de concreto
reforzado con detallado estándar. Ambas versiones fueron
capaces de acomodar adecuadamente las demandas sísmicas; y
en lo global exhiben un desempeño sísmico similar. La porciónresistente a sismo de los sistemas estructurales exhiben
prácticamente el mismo peso.