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CORRECCIÓN POR ESBELTEZ EN PILAS DE ALBAÑILERÍA
ENSAYADAS A COMPRESIÓN AXIAL. PROYECTO SENCICO-PUCP.
Por: Daniel Quiun, Ángel San Bartolomé y Giuseppe Mendoza PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
RESUMEN
Con el apoyo financiero de SENCICO, se ensayaron a compresión axial 60 pilas de albañilería, construidas con unidades de arcilla y de concreto, con el objeto de determinar experimentalmente los coeficientes de corrección aplicables sobre la resistencia característica f´m en pilas que presentan esbelteces distintas al valor nominal (5 para SENCICO, 2004; y, 2 para INDECOPI, 2003). Los resultados indicaron que los coeficientes de corrección tuvieron una mejor aproximación hacia los valores proporcionados por SENCICO, 2004, que hacia los valores especificados por INDECOPI, 2003 (que son iguales a los indicados por ASTM C 1314, 2003).
1. INTRODUCCIÓN
Las pilas de albañilería son prismas compuestos por dos o más hiladas de unidades enteras (ladrillos o bloques) asentadas una sobre la otra mediante mortero, con una altura total que no debe ser excesiva a fin de facilitar su construcción, almacenaje y transporte desde la obra hacia un laboratorio. Estas pilas, con una edad nominal de 28 días, se ensayan a compresión axial y los resultados se utilizan para diseñar estructuralmente los muros de un edificio, así como para controlar la calidad de la construcción de la albañilería.
Sin embargo, la resistencia característica a compresión axial de las pilas (f´m) depende de la relación altura-espesor o esbeltez (Fig.1), por lo que la norma nacional de Albañilería E. (ININVI, 1982 y SENCICO, 2004), adopta un valor nominal de esbeltez igual a cinco. Para otras esbelteces, se especifica coeficientes que se aplican sobre la resistencia respectiva, para de este modo estimar la resistencia que se obtendría con la esbeltez nominal.
Puesto que los coeficientes de ININVI, 1982, no tienen respaldo experimental y son distintos a los especificados por normas extranjeras (NCh, 1993; NSR, 1998) e incluso por la norma nacional INDECOPI, 2003 (con coeficientes iguales a los indicados por la norma ASTM C 1314, 2003), en este proyecto se pretende obtener en forma experimental factores de corrección para f´m adecuados a nuestra realidad.
h
t
Fig.
Pila de albañilería sujeta a compresión axial.
Esbeltez = E = h / t
h
2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES
Con la finalidad de evitar la influencia de parámetros ajenos a la variable en estudio, se utilizaron materiales de calidad definida, que se emplean en la construcción de muros portantes de albañilería armada y confinada en el Perú. Los ensayos respectivos fueron ejecutados en el Laboratorio de Estructuras Antisísmicas de la Pontificia Universidad Católica del Perú (INF-LE 118, 2005) y en este artículo sólo se presenta un resumen de los resultados obtenidos.
2.1. Características de las Unidades de Albañilería
En este proyecto se utilizaron 4 tipos de unidades (ver la identificación en la Fig.2): tres de ellas fueron ladrillos sólidos (de arcilla y de concreto) que se utilizan en la construcción de muros de albañilería confinada, en tanto que la cuarta unidad fue un bloque de concreto vibrado que se utiliza en la construcción de muros de albañilería armada. Los ladrillos empleados fueron del tipo King Kong industrial y artesanal, mientras que el bloque fue del tipo industrial.
Debe mencionarse que inicialmente se adquirieron ladrillos KKI sólidos de arcilla procedentes de una fábrica reconocida. Al someter estas unidades a la prueba de compresión, los resultados oscilaron entre 195 a 322 kg/cm^2. Debido a esta gran dispersión, hubo que cambiar de fábrica.
Los ensayos realizados (Fig.3) para clasificar a las unidades: variación dimensional, alabeo y compresión axial, así como las pruebas adicionales: absorción y porcentaje de huecos, proporcionaron los resultados mostrados en la Tabla 1.
Fig.2. Unidades de albañilería empleadas, de izquierda a derecha: 1) King Kong Artesanal de arcilla (KKA); 2) King Kong Industrial de arcilla (KKI); 3) King Kong industrial de Concreto (KKC); y, 4) Bloque de Concreto Vibrado (BCV).
KKA KKI KKC BCV
Fig.3. Ensayos de la unidad de albañilería. De izquierda a derecha: Variación de dimensiones, alabeo y compresión.
Tabla 2. Resistencia a Compresión del Mortero Proporción volumétrica Resistencia promedio (kg/cm^2 ) Coeficiente de variación 1: ½ : 4 (con cal) 144 9.1% 1: 0: 4 (sin cal) 143 5.0%
2.3. Concreto Líquido (Grout)
Las celdas de las pilas hechas con bloques de concreto vibrado (BCV) fueron rellenadas con grout en proporción volumétrica cemento: arena: confitillo 1: 2 ½ : 1 ½, preparado en una mezcladora con un slump de 10 pulgadas (Fig.5).
Al instante de efectuar el vaciado, se prepararon 4 probetas de grout de 10x10x19 cm, empleando como moldes a los bloques forrados con papel filtro, de tal modo que se permita una transferencia natural del agua del grout hacia los bloques. Estas probetas no fueron curadas, sino que se mantuvieron en los moldes durante 28 días, para posteriormente ensayarlas a compresión a una velocidad de carga de 5 ton/min. La resistencia promedio fue f´c = 202 kg/cm^2 , con una dispersión de resultados de 14%.
3. CARACTERÍSTICAS DE LAS PILAS
3.1 Número de Hiladas
Para definir la altura de las pilas de albañilería, se consideró lo siguiente:
- La facilidad constructiva empleando un número entero de unidades, el almacenaje en obra, la facilidad en el transporte desde la obra hasta un laboratorio, la maniobralidad en el laboratorio a fin de aplicarles capping e instalarlas en la máquina de ensayos. Así, por ejemplo, se descartaron las pilas de 5 hiladas hechas con bloques de concreto vibrado (BCV) por ser muy grandes y pesadas.
- El rango de esbelteces y la esbeltez nominal especificada por SENCICO, 2004.
Considerando los puntos mencionados, las pilas hechas con ladrillos de arcilla (KKA y KKI) y de concreto (KKC) tuvieron 2, 3, 4 y 5 hiladas, mientras que las pilas hechas con bloques de concreto vibrado (BCV) tuvieron 2, 3 y 4 hiladas.
3.2. Identificación de las Pilas
Por cada esbeltez y por cada tipo de unidad, se construyeron 4 pilas, lo que proporcionó un total de 60 pilas (Fig.6). Cada pila fue identificada por la unidad utilizada (U), el número de hiladas
Fig.5. Grout. De izquierda a derecha: slump, moldes con papel filtro, ensayo de compresión y forma de falla de una probeta ensayada.
(nH) y un dígito (i = 1 a 4): U – nH - i. Por ejemplo, la pila KKA-3H-2 es de ladrillo King Kong Artesanal, de 3 hiladas, siendo la segunda de una serie compuesta por 4 pilas.
4. CONSTRUCCIÓN DE LAS PILAS
Antes del asentado, las unidades fueron seleccionadas eliminando aquellas que presentaban fisuras, o estaban mal cocidas, para posteriormente limpiarlas. En todos los casos, las juntas horizontales de mortero cubrieron toda la superficie de asentado de la unidad (Fig.7) y tuvieron un grosor nominal de 1 cm. Este grosor fue controlado mediante un escantillón (regla graduada), mientras que la verticalidad fue controlada con una plomada.
4.1. Pilas con Unidades de Arcilla
Los ladrillos de arcilla (KKA y KKI, Fig.8) fueron regados durante media hora, unas 10 horas antes de asentarlos, con el objeto de disminuir su elevada succión natural, de modo que al instante de asentarlos, su superficie esté relativamente seca (para que succione el cementante del mortero) y su núcleo esté saturado (para que el agua existente en el núcleo sirva para curar al mortero). En estos casos se utilizó mortero 1: 0: 4 (sin cal).
Fig.7. Mortero cubriendo la superficie de asentado. De izquierda a derecha: ladrillo de arcilla, ladrillo de concreto y bloque de concreto.
Fig.
Total de pilas construidas
Fig.
Ladrillos de arcilla humedecidos (izq.) y construcción de pilas (der.).
6. FORMAS DE FALLA DE LAS PILAS
En las figuras 12 a 15 se muestra las formas de falla de las distintas pilas ensayadas a compresión axial. En todos los casos la falla fue frágil. Para el caso de las unidades KKI, las caras laterales tendieron a deslaminarse. Para el caso de las unidades KKC, las grietas verticales tendieron a pasar por las ranuras del ladrillo. Para el caso de las unidades BCV, se notó poca adherencia en la interfase grout-bloque.
Fig.
Equipo de ensayo.
celda
gata
pila
rótula
Marco de reacción
Fig.12. Pilas de ladrillo artesanal KKA.
3 hiladas 4 hiladas
5 hiladas
2 hiladas
7. RESULTADOS NUMÉRICOS
En la Tabla 3 se indica para las 60 pilas ensayadas a compresión axial: la altura de la pila (h), su espesor (t), la esbeltez (E = h/t), el área de la sección transversal (A), la carga máxima soportada (P), la carga máxima promedio (Pm) y la dispersión porcentual (D) de resultados para cada serie. Esta dispersión se calculó dividiendo una desviación estándar entre la resistencia promedio (coeficiente de variación).
2 hiladas 3 hiladas 4 hiladas
5 hiladas
Fig.13. Pilas de ladrillo industrial KKI.
2 hiladas 3 hiladas^ 4 hiladas 5 hiladas
Fig.14. Pilas de ladrillo de concreto KKC.
2 hiladas
3 hiladas 4 hiladas
Fig.15. Pilas de bloques de concreto BCV.
grout
Tabla 4. Evaluación del Coeficiente de Corrección por Esbeltez (CC). UNIDAD E = h/t Pm (kN) Dispersión f´m (kg/cm^2 ) CC 1.85 179.98 4.7 % 67.99 0. 2.79 145.36 8.0 % 53.01 0. 4.59 134.21 13.2 % 46.19 0.
KKA
KKI
BCV
La curva de ajuste responde a la siguiente expresión:
CC = -0.0053 E^3 + 0.051 E^2 – 0.0631 E + 0.7074 [ecuación 1]
9. COMPARACIÓN DE RESULTADOS CON LOS COEFICIENTES ESPECIFICADOS
POR INDECOPI y SENCICO
Los coeficientes de corrección por esbeltez que especifica INDECOPI, 2003 (iguales a los indicados por ASTM C 1314, 2003) están normalizados para una pila con esbeltez E = 2, por lo que para efectos comparativos hubo que estandarizar estos coeficientes a una esbeltez E = 5, que es el valor nominal empleado por SENCICO 2004. Los valores de INDECOPI, 2003; SENCICO, 2004; y, de la ecuación 1, se presentan tanto en el Gráfico 1, como en la Tabla 5, donde además se indica la diferencia porcentual de los valores de ambas normas respecto a los obtenidos mediante la curva de ajuste.
Tabla 5. Comparación de los Valores CC. E = h/t 1.3 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 4.5 5. INDECOPI (original)
INDECOPI
(E = 5)
SENCICO --- --- 0.73 0.80 0.86 0.95 0.98 1.
Ecuación 1 0.70 0.71 0.74 0.79 0.84 0.93 0.97 1. Diferencia SENCICO- Ecuación 1
Diferencia INDECOPI- Ecuación 1
En la Tabla 5 y en el Gráfico 1 puede apreciarse que los coeficientes de corrección proporcionados por SENCICO, 2004, se acercan en mayor grado a la curva de tendencia de los valores experimentales (ecuación 1) que los valores proporcionados por INDECOPI, 2003. Además, se aprecia que las diferencias se acentúan cuando las pilas son poco esbeltas (E < 3).
10. CONCLUSIONES
- La curva de tendencia del coeficiente de corrección (CC) por esbeltez de las pilas de albañilería ensayadas a compresión axial, para 3 tipos distintos de unidades, mostró una buena aproximación hacia los valores de CC proporcionados por SENCICO, 2004; mientras que los valores especificados por INDECOPI, 2003 (iguales a los indicados por ASTM C 1314, 2003) se alejaron más de esta curva. Por tanto, es preferible emplear los valores de CC indicados por SENCICO, 2004, que son los mismos a los dados por ININVI, 1982.
- INDECOPI, 2003 (al igual que ASTM C 1314, 2003), utiliza una esbeltez nominal E = 2 (donde CC = 1), que corresponde aproximadamente a una pila compuesta por 2 ladrillos, mientras que la esbeltez estándar para SENCICO, 2004, es E = 5. Habiéndose comprobado experimentalmente que los valores de CC son muy sensibles para esbelteces menores que 3, resulta aconsejable que la esbeltez estándar sea la especificada por SENCICO, 2004 y que las pilas estén compuestas por lo menos por tres unidades de albañilería.
- Las pilas hechas con ladrillos de concreto industrial (KKC) mostraron resultados incoherentes, obteniéndose mayor resistencia a compresión en las pilas más esbeltas. Por tanto, es necesario continuar la investigación para este tipo de unidad, esta vez construyendo por lo menos 10 pilas por cada esbeltez, para analizar si la inconsistencia puede deberse a las ranuras que muestra esta unidad.
