Evaluación del comportamiento sísmico e influencia de la dirección del movimiento en módulos de adobe reforzado con geomalla

ÍNDICE

Resumen

Agradecimientos

1. Introducción
1.1. Antecedentes
1.2. Cartilla de Construcción de Adobe Reforzado con Geomalla
1.3. Objetivos
1.4. Metodología

2. Características de los Materiales
2.1. Adobe
2.2. Geomalla
2.2.1. Reglamentación para el Uso de Geomalla en Construcciones de Adobe
2.2.2. Ensayo de Control ASTM D6637

3. Diseño y Construcción de los Módulos
3.1. Características Físicas y Geométricas del Módulo
3.2. Características del Refuerzo con Geomalla
3.3. Verificaciones del Módulo según la Norma E.080 Adobe
3.4. Procedimiento Constructivo

4. Diseño del Ensayo
4.1. Introducción
4.2. Características del Ensayo
4.2.1. Características de la Mesa Vibradora
4.2.2. Señal Sísmica y Fases del Ensayo
4.2.3. Instrumentación del Ensayo Unidireccional
4.2.4. Instrumentación del Ensayo a 45°

5. Identificación Dinámica y Detección de Daños
5.1. Métodos de Identificación Dinámica Utilizados
5.1.1. Determinación del Periodo Natural de Vibración
5.1.2. Determinación del Coeficiente de Amortiguamiento
5.2. Métodos de Detección de Daños Utilizados
5.3. Caracterización de Daños en Construcciones de Adobe

6. Módulo No Reforzado Ensayo Unidireccional (M000)
6.1. Introducción
6.2. Ensayo Dinámico
6.2.1. Fase 1 (Δ = 30mm)
6.2.2. Fase 2 (Δ = 80mm)
6.2.3. Fase 3 (Δ = 130mm)
6.2.4. Plano de Grietas en Muros
6.3. Interpretación de Resultados
6.3.1. Valores Máximos
6.3.2. Periodo Natural de Vibración y Coeficiente de Amortiguamiento
6.3.3. Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo
6.3.4. Envolvente Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo

7. Módulo Reforzado Ensayo Unidireccional (M100-T4100)
7.1. Introducción
7.2. Ensayo Dinámico
7.2.1. Fase 1 (Δ = 30mm)
7.2.2. Fase 2 (Δ = 80mm)
7.2.3. Fase 3 (Δ = 130mm)
7.2.4. Plano de Fisuras del Tarrajeo
7.2.5. Plano de Daños de la Geomalla
7.2.6. Plano de Fisuras y Grietas de Muros
7.3. Interpretación de Resultados
7.3.1. Valores Máximos
7.3.2. Periodo Natural de Vibración y Coeficiente de Amortiguamiento
7.3.3. Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo
7.3.4. Envolvente Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo

8. Módulo Reforzado Ensayo a 45° (M100-T4100D)
8.1 Introducción
8.2. Ensayo Dinámico
8.2.1. Fase 1 (Δ = 30mm)
8.2.2. Fase 2 (Δ = 80mm)
8.2.3. Fase 3 (Δ = 130mm)
8.2.4. Plano de Fisuras del Tarrajeo
8.2.5. Plano de Daños de la Geomalla
8.2.6. Plano de Fisuras y Grietas de Muros
8.3. Interpretación de Resultados
8.3.1. Valores Máximos
8.3.2. Periodo Natural de Vibración y Coeficiente de Amortiguamiento
8.3.3. Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo
8.3.4. Envolvente Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo

9. Discusión de Resultados
9.1. Comportamiento Sísmico
9.2. Envolvente Cortante Basal vs. Desplazamiento Relativo
9.3. Periodo Natural de Vibración y Coeficiente de Amortiguamiento
9.4. Estimación y Variación de la Rigidez

10. Conclusiones y Recomendaciones Constructivas
10.1. Conclusiones
10.2. Recomendaciones Constructivas

Referencias y Bibliografía

Anexos
Anexo A Protocolo de Ensayo
Anexo B Planos de Arquitectura de los Módulos M100-T4100 y M100-T4100D
Anexo C Planos de Estructuras de los Módulos M100-T4100 y M100-T4100D
Anexo D Planos de Instrumentación del Módulo M100-T4100
Anexo E Planos de Instrumentación del Módulo M100-T4100D

Resumen

La presente tesis de investigación tiene como objetivo principal comprobar el comportamiento dinámico del sistema constructivo presentado en la cartilla “Construcción de casas saludables y sismorresistentes de Adobe Reforzado con geomallas” publicada por la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) y cuyos autores: Julio Vargas Neumann, Daniel Torrealva y Marcial Blondet impulsaron esta nueva tecnología que busca mejorar las viviendas de adobe e incrementar su resistencia ante los sismos. Esta tecnología se puso en práctica en la zona afectada por el terremoto del 15 de agosto del 2007 ocurrido en la costa sur del Perú.

Se construyeron dos módulos idénticos de adobe reforzado con geomalla de 3,25m x 3,25m a escala natural y fueron sometidos a ensayos dinámicos en la mesa vibradora del Laboratorio de Estructuras de la PUCP. Uno de los módulos fue sometido a un movimiento unidireccional, paralelo a dos de sus muros y el otro en una dirección de 45° con respecto a sus cuatro muros. La geomalla utilizada como refuerzo fue la Tensar BX4100 y se colocó externamente en los muros cubriendo el 100% del área deéstos. Se comparan los resultados de ambos ensayos con un ensayo realizado previamente de un módulo de adobe no reforzado.

Además, se buscó evaluar la influencia en el comportamiento sísmico que existe al cambiar la orientación del módulo en la mesa vibradora de un grado de libertad, comparando los resultados de ambos ensayos.

Agradecimientos

Un especial agradecimiento a mi asesor, Dr. Marcial Blondet, por el tiempo dedicado al desarrollo de esta tesis y por sus invaluables consejos, tanto en el ámbito académico como personal.

Agradezco a la Ing. Gladys Villa García y al Ing. Julio Vargas por el apoyo y la confianza brindada en el desarrollo de esta investigación. Al personal del Laboratorio de Estructuras por su ayuda y cooperación durante todo el proceso de construcción y ensayo de los módulos.

Agradezco también al Rectorado de la PUCP, que financió los ensayos realizados en esta investigación y sin el cualésta no hubiera sido posible. A la empresa Tecnología de Materiales S.A. y al Ing. Augusto Alza por su cooperación en el proyecto y la donación de los rollos de geomalla.

Finalmente, agradezco a mis amigos quienes siempre me incentivaron a terminar la tesis y a mi familia por su amor, comprensión y apoyo incondicional.

1. Introducción

1.1. Antecedentes

El Perú es un país altamente sísmico por encontrarse en el denominado Círculo de Fuego del Pacífico región que bordea el Océano Pacífico y que es escenario del 75% de la sismicidad del planeta ya que muy cerca de sus costas se encuentra la colisión de la placa continental de Nazca y la placa Sudamericana, creando una presión tectónica que eventualmente libera energía manifestándose en sismos de diversa magnitud.

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Figura 1.1 Sección transversal de las placas Nazca y Sudamericana (Fuente: INDECI, 2009)

El uso del adobe como material de construcción es muy común en zonas rurales del país por ser asequible y de bajo costo, sin embargo, es un material muy vulnerable a los terremotos. A raíz del terremoto de Ancash del 31 de Mayo de 1970, el cual ocasionó la muerte de casi 70 000 personas y la destrucción de una gran cantidad de edificaciones de adobe, se inició formalmente las investigaciones sistemáticas sobre el adobe.

Recientemente, en el año 2007, se realizó el Censo Nacional llevado a cabo por el Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI) que mostró que el 34.8% de viviendas en el Perú (2 229 715 viviendas) son de adobe o tapial. Más aún, en zonas rurales este porcentaje se eleva a 68.5% (1 102 798 viviendas). Sin embargo, si bien el porcentaje de viviendas de tierra con respecto al total de viviendas ha venido disminuyendo en el Perú en los últimos años, el número global de estas viviendas sigue aumentando. Es por estos motivos que la investigación en el reforzamiento de viviendas de adobe sigue siendo de vital importancia y desde sus inicios, en la PUCP específicamente, se han propuesto diferentes soluciones como son el uso de malla interna de caña y malla electrosoldada como material de refuerzo.

1.2. Cartilla de Construcción de Adobe Reforzado con Geomalla

A partir del año 2005 se empezaron a desarrollar nuevas investigaciones dirigidas por los profesores de Ingeniería Civil: Daniel Torrealva, Marcial Blondet y Julio Vargas que se orientaban a buscar nuevas propuestas de refuerzo sísmico de edificaciones de adobe con materiales que puedan ser producidos en grandes cantidades. Uno de los materiales utilizados como refuerzo fue la geomalla y se empezó a desarrollar con este material un procedimiento de construcción de viviendas sismorresistentes.

A raíz del sismo de 8.0 Mw (USGS) del 15 de Agosto de 2007 y cuyo epicentro se ubicó frente a la ciudad de Pisco, los departamentos de Lima, Ica y Huancavelica se vieron seriamente afectados. Un total de 596 personas fallecieron, 1 292 personas resultaron heridas de gravedad y cerca de 90 000 edificaciones, en su gran mayoría de adobe, fueron destruidas o declaradas inhabitables (INDECI, 2009).

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Figura 1.2. Vivienda de adobe y quincha afectada Figura 1.3. Colapso parcial de una vivienda de adobe por el sismo de Pisco (Fuente: EEFIT, 2008) tras el sismo de Pisco (Fuente: Hulburd, 2008)

El Rectorado de la PUCP encomendó a los mencionados profesores la elaboración y presentación de una propuesta de construcción para los damnificados de dicho desastre. En Diciembre de 2007 se publicó la cartilla titulada “Construcción de Casas Saludables y Sismorresistentes de Adobe Reforzado con Geomallas” en dos versiones, una para zonas de la costa y otra para la sierra. Esta cartilla está orientada de forma gráfica y didáctica que permite capacitar principalmente a las personas afectadas por el sismo y sin queéstas requieran de un conocimiento técnico previo en construcción.

En la cartilla se presenta la construcción de una vivienda de aproximadamente 50 m² en planta y cuatro ambientes de adobe reforzado con geomalla. La cartilla incluye también las instrucciones para construir una cocina mejorada y una letrina de hoyo seco ventilado ubicada en la parte exterior de la vivienda.

En Marzo de 2008 esta tecnología se reglamentó oficialmente con la publicación del anexo Nº1 “Refuerzo de Geomalla en Edificaciones de Adobe” de la Norma E.080 Adobe, en el cual se detalla el uso de este material como refuerzo de construcciones en adobe.

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Figura 1.4. Ilustraciones de la Cartilla de Construcción (Fuente: Vargas et al, 2007)

A partir de entonces, esta tecnología fue aplicada en la zona del desastre a través de proyectos de capacitación masiva y construcción realizados por la Dirección Académica de Responsabilidad Social (DARS), que lideró en la PUCP las acciones para la reconstrucción de la zona afectada por el sismo del 15 de Agosto de 2007. A su vez, esta tecnología fue aplicada y diseminada en las zonas afectadas por otras instituciones como la Cruz Roja, CARE PERÚ, GTZ, Cáritas del Perú, entre otras.

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Figura 1.5. Cartilla de construcción Versión Costa

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Figura 1.6. Vivienda construida de adobe reforzado

(Fuente: Vargas et al, 2007) (Fuente: DARS)

Hasta el 2008, las investigaciones realizadas con procedimientos constructivos muy similares al descrito en la cartilla habían demostrado que esta tecnología incrementaba la resistencia sísmica de las edificaciones de adobe. Sin embargo, era necesario realizar ensayos dinámicos adicionales que validaran el procedimiento constructivo exactamente como había sido publicado en la cartilla, el cual se ha venido aplicando en la reconstrucción de las zonas afectadas.

1.3. Objetivos

El objetivo general del proyecto es contribuir a la construcción de viviendas de adobe sismorresistentes.

Los objetivos específicos son los siguientes:

- Evaluar el comportamiento sísmico de dos módulos de vivienda de adobe ensayados en el Laboratorio de Estructuras del Departamento de Ingeniería (LEDI), en los cuales se utilizó como refuerzo la geomalla Tensar BX4100 en el 100% de ambas caras de los muros y comprobar si su desempeño es satisfactorio desde el punto de vista sismorresistente, con miras a validar la técnica que se viene aplicando en la reconstrucción del área afectada por el sismo del 15 de Agosto del 2007,
- Evaluar la influencia en el comportamiento sísmico que existe al cambiar la orientación del módulo en la mesa vibradora de un grado de libertad, comparando el módulo orientado en dirección normal al movimiento y el módulo a 45°.

1.4. Metodología

Se construyeron entre agosto y octubre del 2008 dos módulos a escala natural de adobe reforzados externamente con la geomalla Tensar BX4100 que cubría la totalidad de los muros y posteriormente fueron ensayados en la mesa vibradora del Laboratorio de Estructuras de la PUCP. Los ensayos realizados en este proyecto fueron financiados íntegramente por el Rectorado de la PUCP.

Este proyecto de investigación comprendió las siguientes etapas:

1. Diseño de los módulos: Confección de los planos de diseño, detalle del corte y traslape de geomalla. Cálculo del metrado y presupuesto de los materiales que se van a utilizar.

2. Diseño del ensayo: Determinación de la señal y las fases del ensayo, así como la instrumentación para cada módulo.

3. Construcción de los módulos: Construcción de dos módulos, de igual dimensión y configuración, reforzados con el mismo tipo de geomalla.

4. Ensayo de los módulos: Ensayo de dos módulos en la mesa vibradora empleando una señal e incrementando el desplazamiento de la mesa en cada fase del ensayo.

5. Proceso de datos: Se determinaron, en cada uno de los módulos, las respuestas máximas, frecuencia, amortiguamiento y rigidez para cada fase. Se evaluó la contribución de la geomalla en la resistencia y rigidez del módulo. Además, se evaluó el comportamiento del módulo observando las grietas y daños ocurridos durante el ensayo.

6. Informe final: Se realizó un informe final en el cual se describieron los trabajos realizados, los datos obtenidos en cada ensayo, el análisis y discusión de resultados y conclusiones.

2. Características de los Materiales

Las características de los materiales requeridos para la construcción adecuada de una vivienda de adobe se establecen en la Norma Técnica de Edificación E.080 Adobe. Por lo tanto, los materiales utilizados en esta investigación deben seguir los mismos parámetros. A continuación se detallan los requerimientos establecidos y las características de los materiales utilizados en la construcción y refuerzo de los dos módulos de adobe.

2.1. Adobe

Los adobes utilizados para el asentado de los muros fueron de planta cuadrada. Se utilizaron medias unidades o unidades rectangulares en los extremos y en las esquinas de los muros para el amarre entre hiladas. Las dimensiones de las unidades completas de adobe fueron de 250mm x 250mm x 70mm de altura. Las medias unidades de adobe fueron de 125mm x 250mm x 70mm de altura. Cabe indicar que estas dimensiones difieren lo indicado en la cartilla, en la cual las dimensiones son de 400mm x 400mm x 100mm y 200mm x 400mm x 100mm para los unidades completas y medias unidades de adobe respectivamente. Esto se hizo con el propósito de no sobrepasar la capacidad portante de la mesa vibradora.

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Figura 2.1. Dimensiones nominales de los adobes

El uso de paja en la mezcla para preparar adobes, en el mortero de asentado y en la torta de barro de los techos es común en el Perú. La paja reduce la contracción por secado de la mezcla y mejora la adherencia entre el adobe y el mortero. El tipo de paja puede variar según la disponibilidad en la zona y se recomienda utilizar la paja de arroz, de trigo, gras común, bagazo de caña, ichu o guano de ganado.

En la elaboración de los adobes se utilizó paja de césped del propio campus de la universidad y así poder controlar la propagación de fisuras y mejorar la estabilidad ante agentes externos de las unidades de adobe. Se cortó la paja en pedazos de 50mm aproximadamente.

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Figura 2.2. Muestra de paja utilizada

Para la elaboración de los adobes se preparó una mezcla de suelo, arena gruesa y paja en una proporción de 5:1:1 en volumen, utilizando la mezcladora de eje vertical del laboratorio.

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Figura 2.3. Muestra de los adobes utilizados

2.2. Geomalla

La geomalla, o malla de polímero, fue el material utilizado como refuerzo de los muros de adobe. Dentro del rango de geomallas hay dos grandes tipos: Uniaxiales y Biaxiales. Las primeras se utilizan cuando la fuerza a resistir en tracción trabaja en una sola dirección y su dirección es conocida. Las geomallas biaxiales se utilizan cuando la dirección de las fuerzas a resistir no es conocida o las fuerzas tienen varias direcciones y es justamente el caso en el reforzamiento de muros de adobe.

La geomalla se define como un material geosintético constituido por un conjunto de costillas paralelas conectadas, con aberturas de suficiente tamaño para permitir la trabazón del suelo, piedra, u otro material geotécnico con el que esté en contacto ( Koerner, 2005 ). El uso de este material se da casi exclusivamente en aplicaciones geotécnicas como refuerzo de taludes, mejoramiento de la subrasante de vías y refuerzo de base de pavimentos. Por lo tanto, su uso ha sido ampliamente comprobado en diferentes obras de ingeniería, más no aún en viviendas de adobe. Actualmente, en el Perú, este material es importado exclusivamente y generalmente está disponible en rollos de 3 ó 4m de ancho y una longitud de 50 ó 75m.

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Figura 2.4. Dimensionas de las aberturas de la Figura 2.5. Rollo de geomalla Tensar BX4100 geomalla Tensar BX4100

Dentro de las geomallas disponibles en el mercado local, la marca Tensar International Corporation (Tensar) es una de las más utilizadas y se encuentra en tres tipos: BX1100, BX1200 y BX4100. Las dos primeras han sido probadas en anteriores ensayos en la PUCP ( Torrealva, 2005; Madue ñ o, 2005; Blondet et al., 2006 ) y si bien han demostrado ser efectivas como refuerzo de estructuras de adobe, su costo es elevado si consideramos que las construcciones de adobe son en su mayoría de bajo costo y se realizan en zonas rurales.

Siguiendo los lineamientos de la cartilla, en la cual se busca contribuir a la reconstrucción de la zona afectada por el sismo de 2007, se decidió usar la geomalla Tensar BX4100 en el reforzamiento de los módulos, que es la más económica entre los tres tipos de geomalla disponibles, aunque es la de menor resistencia a la tracción. A continuación se compararán las características físicas y económicas de las geomallas Tensar proporcionadas por Tecnología de Materiales S.A., representantes de esta marca en el Perú:

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Tabla 2.1. Propiedades físicas de las geomallas biaxiales Tensar

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Las iniciales MD denotan la dirección principal de la geomalla (dirección de extrusión de la máquina) y XMD 4 la dirección transversal Los valores mostrados son valores mínimo promedio o valores MARV (siglas en inglés de Minimum Average Roll Value), el cuál se calcula como el valor promedio menos dos veces la desviación estándar de un número de ensayos realizados en rollos seleccionados de un lote

Se puede observar en la Tabla 2.1 que la geomalla BX4100 tiene aberturas más grandes y costillas de menor espesor que las otras dos geomallas, por lo cual sus valores de resistencia a la tracción por metro de longitud son menores.

Tabla 2.2 Comparación económica y resistente de las geomallas biaxiales Tensar

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Dentro de las geomallas Tensar disponibles en el mercado nacional, la geomalla BX4100 resulta ser la más económica. Las geomallas BX100 y BX1200 resultan ser 26% y 200% respectivamente, más caras que la geomalla BX4100.

2.2.1. Reglamentación para el Uso de Geomalla en Construcciones de Adobe

El uso de la geomalla como material de refuerzo en construcciones de adobe se reglamentó en el Anexo N°1: “Refuerzo de Geomalla en Edificaciones de Adobe” de la Norma E.080 Adobe. Los requisitos que debe cumplir este material son los siguientes:

1. Conformación de retícula rectangular o cuadrada, con abertura máxima de 50mm y nudos integrados.
2. Capacidad mínima de tracción de 3.5kN/m (350kgf/m), en ambas direcciones, para una elongación de 2%.
3. Flexibilidad y durabilidad para su uso como refuerzo embutido en estructuras de tierra.

Se verificó el cumplimiento de estos criterios en la geomalla seleccionada. El primer criterio se comprobó midiendo la abertura máxima en la geomalla con un vernier. La abertura en la dirección longitudinal del rollo fue de 33mm mientras que en la dirección transversal fue de 37mm, 4mm mayor a la abertura nominal de 33mm de las especificaciones técnicas.

Las especificaciones técnicas cumplían con el segundo criterio, sin embargo, se decidió realizar ensayos de tracción en muestras de geomalla para verificar los valores nominales y el comportamiento de la geomalla a esfuerzos de tracción. Los resultados se detallan en el Capítulo 2.2.2.

2.2.2. Ensayo de Control ASTM D6637

La geomalla fue sometida a ensayos de tracción unidireccional para comprobar la resistencia nominal especificada por el fabricante. Se procedió según el ensayo ASTM D6637 “Standard test method for determining tensile properties of geogrids by the single or multi-rib tensile method”. Se ensayaron seis muestras, tres en el sentido longitudinal del rollo y tres en el sentido transversal al rollo. Las dimensiones de las muestras fueron de 180mm de ancho por 220mm de longitud.

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Figura 2.6. Ensayo de tracción en la máquina universal

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Figura 2.7. Muestra después del ensayo

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Figura 2.8. Gráfica Fuerza por unidad de ancho vs. Deformación unitaria en muestras ensayadas en la dirección longitudinal al rollo

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Figura 2.9. Gráfica Fuerza por unidad de ancho vs. Deformación unitaria en muestras ensayadas en la dirección transversal al rollo

Se puede observar en las Figuras 2.8 y 2.9 que la geomalla tiene un comportamiento elástico no lineal en ambas direcciones y una gran capacidad de deformación, llegando a valores del 8 al 13% de la longitud inicial de la muestra. Se observa también que en la dirección longitudinal al rollo la geomalla tiene mayor capacidad de deformación que en la dirección transversal, sin embargo, en esta última dirección la resistencia a la tracción resulta mayor. Por lo tanto, la geomalla BX4100 es un material anisotrópico en las dos direcciones longitudinales.

Tabla 2.3. Comparación de las propiedades físicas de la geomalla BX4100 entre los resultados obtenidos y los proporcionados por el fabricante

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Los valores mostrados son valores mínimo promedio o valores MARV (siglas en inglés de Minimum Average Roll Value), el cuál se calcula como el valor promedio menos dos veces la desviación estándar de un número de ensayos realizados en rollos seleccionados de un lote Los resultados resumidos en la Tabla 2.3 mostraron que la geomalla resistió en ambas direcciones fuerzas del orden del 24 al 50% por encima de los valores proporcionados por el fabricante. Por lo tanto, los valores en las especificaciones técnicas son confiables y pueden ser usados para el diseño.

Es claro que los valores obtenidos de estos ensayos no pueden ser usados genéricamente para otras geomallas disponibles en el mercado sino para la geomalla Tensar BX4100 específicamente. Otro tipo de geomalla deberá ser ensayada para verificar sus características y resistencias o, en su defecto, solicitar al proveedor las especificaciones técnicas respectivas.

3. Diseño y Construcción de los Módulos

3.1. Características Físicas y Geométricas del Módulo

Los dos módulos construidos en esta investigación y el módulo no reforzado se diseñaron con las mismas dimensiones y configuración. Estos parámetros se definieron tomando como referencia investigaciones previas con el fin de comparar los resultados obtenidos. En este capítulo se hará referencia a los módulos como a un único módulo típico.

El módulo estaba conformado por cuatro muros de 3.25m de longitud, 0.25m de espesor y de alturas diferentes. El muro izquierdo y derecho tenían las mismas dimensiones y contaban con una ventana central. En el muro frontal se ubicaba la puerta mientras que el muro posterior no tenía abertura alguna. Este último tenía una altura mayor que el muro frontal, creando una inclinación en el techo de 8%.

A comparación de la cartilla, en donde la vivienda que se muestra es de 7.20m x 7.20m y cuenta con cuatro ambientes, en el laboratorio se ensayó únicamente el equivalente a un ambiente por las restricciones de tamaño y peso en la mesa vibradora. Sin embargo, la densidad de muros en el módulo y en la vivienda de la cartilla fue muy similar. Para la dirección paralela al muro izquierdo y derecho, la densidad de muros fue 0.15m² de muros por m² área en planta en ambos casos. En la dirección paralela a los muros frontal y posterior, la densidad de muros fue 0.10m² /m² en el módulo y 0.09m² /m² en la vivienda.

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Figura 3.1. Vista isométrica del módulo

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Figura 3.2. Vista en planta de la vivienda de la cartilla

El módulo se construyó sobre un anillo cuadrado de cimentación de concreto armado de 3.25m de lado, sección cuadrada de 0.3m x 0.3m, que representaba la cimentación rígida de una vivienda típica. Además, sirvió para anclar el módulo a la mesa vibradora y como soporte durante el transporte desde la zona de construcción hacia la plataforma de ensayo.

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Figura 3.3. Elevación frontal de los muros

Las juntas horizontales y verticales entre adobes fueron de 20mm. Cada una de las hiladas era de 90mm de altura, 70mm correspondientes a la unidad de adobe y 20mm al mortero. La cantidad de adobes utilizados en el módulo fue de 761 unidades y 144 medias unidades. A continuación se detalla el metrado de adobes del módulo típico:

Tabla 3.1. Metrado de adobes en módulo típico

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Figura 3.4. Hilada impar Figura 3.5. Hilada par

Para los dinteles de la puerta y ventanas se utilizó una viga compuesta de cañas. El objetivo de utilizar estos dinteles “flexibles” fue reducir la generación de grietas que ocurren en la unión del muro y el dintel durante un movimiento sísmico al ser el dintel de un material distinto al del adobe.

Se colocó una viga collar de madera en la parte superior de los muros que permitiera una transferencia de esfuerzos y se comporte como un arriostre horizontal que impida el libre desplazamiento de los muros durante un movimiento sísmico. La viga collar estaba conformada por largueros y travesaños de madera de 2” x 6” de sección.

En la cartilla, la viga collar sirve también de dintel ya que se coloca sobre los vanos en toda la vivienda. Sin embargo, se decidió seguir con la misma configuración con la cuál se había ensayado el módulo no reforzado para poder comparar los resultados posteriormente.

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Figura 3.6. Vista en planta de la viga collar Figura 3.7. Vista en planta de las vigas de techo

Sobre la viga collar que amarraba todos los muros se colocó el techo. Este consistía de seis vigas de madera de 2” x 4” en la dirección muro frontal-muro posterior. Sobre estas vigas se colocó perpendicularmente nueve listones de madera de 2” x 2”. Se dejó una abertura en la zona central del techo de 1m² aproximadamente para que las correas de la grúa pasen a través deésta y se enganchen en el anillo de cimentación durante el traslado del módulo. Se decidió no colocar tejas ni otro material sobre el techo ya que el peso real del módulo sobrepasó los cálculos teóricos y podía exceder el límite del peso máximo de la mesa, como se detalla más adelante. No obstante, durante un movimiento sísmico, el peso de la cobertura del techo y la torta de barro que tradicionalmente se colocan en una vivienda de adobe como la mostrada en la cartilla es considerable y puede influir en el comportamiento de la estructura.

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Figura 3.8 Vista en planta de los listones de techo

Para calcular el peso teórico del módulo típico se consideró los pesos unitarios de los materiales utilizados según la Norma E.020 Cargas:

Peso unitario del adobe: 16kN/m³

Peso unitario de la madera (Tipo B): 10kN/m³

Además, se consideró el peso unitario del mortero de barro y del tarrajeo igual al del adobe.

Tabla 3.2. Peso teórico del módulo típico

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El peso total teórico del módulo con tarrajeo calculado fue 123kN, mientras que el peso total teórico del módulo sin tarrajeo fue 99kN. Estos pesos no incluyen los materiales de refuerzo.

3.2. Características del Refuerzo con Geomalla

La geomalla se cortó en ocho paños que se colocaron en cada una de las caras del módulo. Además, se utilizaron cuatro paños de geomalla para envolver el anillo de cimentación en cada uno de los muros y que sirvieron de anclaje a la geomalla de refuerzo de los muros. A continuación se detalla el metrado de geomalla:

Tabla 3.3. Metrado de geomalla de cimentación en módulo típico

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Tabla 3.4. Metrado de geomalla en refuerzo de muros en módulo típico

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Se usaron 19.52m² de geomalla para la cimentación y 75.62m² de geomalla para el reforzamiento de los muros. En total se utilizó 95.14m² de geomalla por módulo, incluyendo traslapes. Dado que el costo por m² de la geomalla BX4100 fue $1.15, el costo total de geomalla utilizada fue $109.4 por módulo.

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Figura 3.9. Paños de geomalla

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Figura 3.9. Paños de geomalla (Continuación)

Para sujetar la geomalla de refuerzo a los muros se utilizó rafia. La rafia es un material plástico de fibras de polipropileno utilizado comercialmente para embalaje y amarre de objetos. Se denominó “punto de rafia” a cada lugar donde se ubicó la rafia colocada durante el asentado de los adobes y que serviría luego para sujetar la geomalla al muro. Cada uno de estos puntos de rafia constaba de 4 tiras de rafia de 0.6m de longitud. Se distribuyeron a lo largo de los muros espaciados cada 0.25m horizontalmente y cada 3 hiladas de separación verticalmente.

En el muro frontal se colocaron 70 puntos de rafia, en el muro derecho e izquierdo se colocaron 82 en cada uno y en el muro posterior 103, que hicieron un total de 337 puntos de rafia. La longitud total de rafia utilizada fue 808.8m.

El costo de la rafia fue $3.54/kg y se calculó el peso por unidad de longitud de la rafia en 0.91gr/m, que dio un costo total en rafia utilizada de $2.6 por módulo. El costo total del reforzamiento por módulo, considerando geomalla y rafia, fue $112.0 y, por lo tanto, el costo del reforzamiento por m² de área en planta fue $10.6/m².

3.3. Verificaciones del Módulo según la Norma E.080 Adobe

La norma E.080 Adobe especifica ciertos requisitos que una construcción sismorresistente de adobe debe cumplir. Los módulos construidos estuvieron sujetos a estos requisitos ya que fueron construidos a escala natural. A continuación se detallan las verificaciones concernientes a las dimensiones y esbeltez de los muros que especifica la norma E.080 Adobe.

El espesor de los muros se determinará en función de la altura de los mismos y de acuerdo a la esbeltez de los muros se exige un mínimo tipo de refuerzo.

Tabla 3.5. Refuerzo mínimo en función de las dimensiones del muro según Norma E.080 Adobe

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Con la mayor altura de 2.25m del muro posterior, la mayor esbeltez en el módulo fue 9. Un muro con esta esbeltez le corresponde un reforzamiento mínimo de una solera como arriostre horizontal, elementos continuos de refuerzo horizontal y vertical en toda su longitud (Tabla 3.5), lo cual se logró con la viga collar de madera y la geomalla de refuerzo en los muros. Sin embargo, el espesor mínimo permitido es 0.30m lo cual no se llegó a cumplir en el módulo que tuvo un espesor de muros de 0.25m. La reducción de estos 0.05m se debió a la limitación en el peso que puede cargar la grúa al transportar el módulo desde la zona de construcción hacia la zona de ensayo.

Por otro lado, cuando se utilizan columnas y vigas de concreto armado como refuerzo en construcciones de adobe, la norma permite utilizar unidades de hasta 0.20m de espesor.

En la Tabla 3.6 se describen las demás verificaciones de las dimensiones del módulo y se observa queéste cumplió con cada una de ellas.

Tabla 3.6. Verificación del Módulo según la Norma E.080 Adobe

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El procedimiento seguido en la construcción de los módulos M100-T4100 y M100T4100D fue el mismo, por lo que en este capítulo se describirá un único procedimiento constructivo basado en lo especificado en la cartilla “Construcción de Casas Saludables y Sismorresistentes de Adobe Reforzado con Geomallas” ( Vargas et al, 2007 ).

A diferencia de la construcción de una vivienda típica de adobe en donde se construye un cimiento y sobrecimiento de concreto o pirca, el módulo se construyó sobre un anillo de cimentación de concreto armado por las condiciones del ensayo. Este anillo de cimentación ya se encontraba construido y se reutiliza para los diferentes ensayos que se realizan en el laboratorio, por lo que se tuvo que idear una manera de simular el procedimiento de colocar el refuerzo de geomalla en la cimentación como se indica la cartilla. Enésta se señala que la geomalla de cimentación debe quedar embutida a 0.10m por debajo del borde superior del sobrecimiento y para simular esta situación en el módulo, se decidió que la geomalla de cimentación pase por debajo del anillo de cimentación, envolviéndolo en forma de “U”. Luego se fijó la geomalla al anillo colocando una platina de acero a 0.10m por debajo del borde superior del anillo y sujetada con pernos. Se tuvo cuidado en dejar la misma longitud de geomalla que sobresalió a cada lado del muro, aproximadamente 0.30m por encima del anillo.

Si bien con esta solución el anclaje de la geomalla de cimentación fue más seguro que el mencionado en la cartilla, fue la solución más conveniente considerando las condiciones del ensayo.

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Figura 3.10. Geomalla de cimentación según la cartilla (Fuente: Vargas et al, 2007)

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Figura 3.11. Fijación de la geomalla de cimentación en el módulo

Antes de realizar el asentado de adobes, se definió in situ la plantilla de la hilada par e impar. Luego, se procedió a elaborar el mortero de asentado utilizando para ello una mezcladora de eje vertical. La proporción en volumen de suelo, paja y arena gruesa en la mezcla fue 3:1:1. La paja se cortó en longitudes no mayores a 50mm. Los adobes se humedecieron con agua antes de realizar el asentado.

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Figura 3.12. Emplantillado de adobes

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Figura 3.13. Preparación del mortero de barro

Se colocaron los puntos de rafia durante el asentado para unir la geomalla de refuerzo a los muros de adobe en sus dos caras. Cada punto de rafia constó de cuatro cintas de rafia de 0.6m de longitud que sobresalían mínimo 0.15m a cada lado del muro. En la cartilla, se especifica que los puntos de rafia se deben colocar cada 0.30m horizontalmente y la separación vertical debe ser cada tres hiladas como máximo. Además deben colocarse en la hilada inmediatamente inferior a la parte baja de las ventanas y a los dos lados de cada vano a 0.10m de distancia.

En el módulo, la rafia se empezó a colocar luego de la primera hilada y se siguieron los pasos especificados en la cartilla, con la salvedad que la separación horizontal fue 0.25m ya que este espaciamiento facilitaba su colocación al utilizar como referencia la dimensión de los adobes.

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Figura 3.14. Distribución horizontal de rafia (Fuente: Vargas et al, 2007)

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Figura 3.15. Colocación de rafia

Para los dinteles se utilizaron cañas, las cuales se cortaron a una longitud de 1.85m colocadas en tres capas y amarradas con alambre #16. Previamente se seleccionaron las cañas más uniformes y se pelaron con un machete.

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Figura 3.16 Asentado de adobes

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Figura 3.17 Dintel de caña

La viga collar de madera se ensambló íntegramente en el piso y luego utilizando la grúa se colocó sobre el módulo. Se rellenó con mortero de barro los orificios entre los largueros y travesaños de la viga collar.

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Figura 3.18. Muros del módulo terminados

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Figura 3.19. Colocación de barro en la viga collar (Fuente: Vargas et al, 2007)

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Figura 3.20. Embarrado de la viga collar

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Figura 3.21. Colocación y amarre del paño de geomalla

Se cortaron ocho paños de geomalla correspondientes a cada una de las caras de los cuatro muros. Luego de colocar el paño sobre la cara del muro, se pasó las tiras de rafia dejadas en el muro a través de las aberturas de la geomalla y se hizo un doble nudo, adosando firmemente el refuerzo al muro. Esta tarea se debió realizar por al menos dos personas, ya que mientras una amarraba los puntos de rafia la otra debía sujetar la geomalla.

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Figura 3.22. Amarre de traslapes de geomalla

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Figura 3.23. Amarre y traslape de la geomalla de refuerzo con la geomalla de cimentación

En la parte superior, las geomallas verticales de caras opuestas se amarraron con rafia y se clavaron a la viga collar. Después de fijar adecuadamente la geomalla, se colocó el techo. El techo se ensambló íntegramente en el piso y con la ayuda de la grúa se colocó sobre la viga collar previamente fijada sobre los muros.

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Figura 3.24. Fijación de la geomalla sobre la viga

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Figura 3.25. Colocación del techo collar

Todos los traslapes entre las geomallas de refuerzo de los muros fueron de 0.4m y los traslapes entre la geomalla de cimentación y la geomalla de refuerzo de los muros fueron de 0.3m y se amarraron con los puntos de rafia colocados durante el asentado. Posteriormente, se cortó el excedente de los nudos de rafia para dejar la superficie del muro lista para el tarrajeo y se utilizaron grapas y clavos en los lugares donde la geomalla no se adhirió bien al muro.

El acabado de los muros se realizó en dos capas. Se colocó una primera capa de tarrajeo de barro de 10mm de espesor en una proporción de mezcla de 3:2:1 (tierra: paja: arena gruesa) y dejando la superficie rugosa. Esta capa debía colocarse manualmente, haciendo bolas de barro y presionándolas fuertemente al muro para que se adhiera adecuadamente. Luego, se colocó una segunda capa de tarrajeo de 15mm de la misma mezcla. Antes de colocar cada una de las capas de tarrajeo se debió limpiar la superficie del muro y humedecerla con agua.

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Figura 3.26 Primera capa de tarrajeo

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Figura 3.27 Segunda capa de tarrajeo

Por último, luego que la segunda capa del tarrajeo secó completamente, se sellaron las fisuras producidas por la contracción de fragua utilizando una mezcla fluida de proporción en volumen de 1:1 (tierra: arena fina). Esta mezcla se aplicó sobre la superficie de los muros pasando una brocha en forma perpendicular a las fisuras. Finalmente, se dejó secando el módulo hasta la fecha del ensayo.

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Figura 3.28. Sello de fisuras con brocha

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Figura 3.29. Módulo finalizado

La construcción del módulo M100-T4100 empezó el 4 de agosto de 2008 y culminó el 21 del mismo mes, en un total de 18 días.

El módulo M100-T4100D se empezó a construir el 25 de agosto y culminó el 6 de octubre de 2008, en un total de 43 días. La construcción de este módulo demoró más debido a que no se contó con el personal necesario durante buena parte de ese periodo.

4. Diseño del Ensayo

4.1. Introducción

El Laboratorio de Estructuras Antisísmicas “Cristóbal de Losada y Puga” de la PUCP cuenta con una mesa vibradora de simulación sísmica unidireccional que permite ensayar dinámicamente módulos de adobe de un piso a escala natural. Los ensayos dinámicos nos dan información representativa del comportamiento real de las estructuras de adobe frente a eventos sísmicos. Esta afirmación es particularmente válida en el caso del adobe, debido a que sus características de fragilidad y baja resistencia complican el diseño y la ejecución de ensayos estáticos ( Blondet et al, 2006 ).

4.2. Características del Ensayo

4.2.1. Características de la Mesa Vibradora

]La mesa vibradora se puede desplazar en una sola dirección horizontal con una amplitud máxima de 150mm y una aceleración máxima aproximada de 1.6g. La mesa pesa en total 176.58kN (18 000kgf) y la plataforma de ensayo tiene un área de 4.4m x 4.4m. El peso máximo que puede colocarse en la plataforma de la mesa vibradora está limitado por el peso máximo que puede cargar la grúa, es decir 160kN.

4.2.2. Señal Sísmica y Fases del Ensayo

La señal de comando utilizada en los ensayos fue derivada del registro de aceleraciones del terremoto del 31 de Mayo de 1970 en la dirección de la componente N82E. Este registro fue captado por el Instituto Geofísico del Perú (IGP) en la ciudad de Lima.

La parte de mayor magnitud del registro de aceleraciones se filtró y se integró numéricamente de acuerdo a las especificaciones del sistema de control del simulador. Se obtuvo así una señal de desplazamientos donde el desplazamiento máximo de esta señal de comando se normalizó a la unidad. El ensayo constó de tres fases y el parámetro de control fue el desplazamiento máximo en la plataforma de la mesa vibradora. La amplitud deseada se obtuvo amplificando la señal de comando y así incrementando los desplazamientos en cada fase. En la primera fase, la amplitud máxima de la señal de comando se amplificó a 30mm, en la segunda a 80mm y en la tercera a 130mm.

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Figura 4.1. Señal de comando

Durante la ejecución del ensayo se registró la respuesta del simulador ante la señal de comando utilizada. Se registraron los desplazamientos y aceleraciones en la plataforma de la mesa vibradora.

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Figura 4.2. Desplazamiento de la plataforma de la mesa en cada fase Módulo no reforzado (M000)

La respuesta del simulador fue bastante precisa al registrar valores muy cercanos a la señal de comando. A pesar de que no hubo un control sobre las aceleraciones, se pudo hallar una correlación entre los desplazamientos y las aceleraciones máximas en la mesa. Para las tres fases con amplitud máxima de 30mm, 80mm y 130mm se registraron aceleraciones máximas aproximadas de 0.3g, 0.8g y 1.3g respectivamente en la mesa vibradora. Un factor de correlación aproximado entre desplazamientos y aceleraciones máximas podrá ser entonces de 0.01g/mm.

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Figura 4.3. Acelerogramas de las tres fases registradas en la plataforma de la mesa Módulo no reforzado (M000)

En las Figuras 4.4 y 4.5 se muestran los espectros de respuesta elástica para la señal de la Fase 3 (aceleración máxima en la mesa vibradora de 1.3g) para estructuras con un coeficiente de amortiguamiento del 5 y 10%.

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Figura 4.4 Espectro de desplazamientos relativos para la señal de la Fase 3

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Figura 4.5 Espectro de pseudo aceleraciones para la señal de la Fase 3

La energía aplicada al módulo es de especial interés. En un sismo real se pueden producir movimientos en el suelo en hasta 6 direcciones (3 traslacionales y 3 rotacionales). Durante el terremoto de Pisco, el cual produjo el colapso de muchas viviendas de adobe, la aceleración máxima registrada en una componente horizontal fue 0.5g en la estación de Parcona, Ica ( IGP ) sobre suelo blando, menos de la mitad de la aceleración máxima en la mesa vibradora en la Fase 3 del ensayo (i.e. 1.3g). Por lo tanto, una vivienda típica de adobe suele colapsar ante aceleraciones mucho menores a las que se producen durante la Fase 3. Sin embargo, en los numerosos ensayos dinámicos realizados en la mesa vibradora donde se han sometido varios módulos típicos de adobe no reforzado a un movimiento en una sola dirección traslacional se ha observado que esto no se cumple.

Es evidente entonces que la energía aplicada al módulo, por ejemplo, durante un ensayo en la mesa vibradora con una aceleración unidireccional máxima de 0.3g no es la misma que una vivienda experimenta durante un sismo real con una aceleración máxima de 0.3g en alguna componente horizontal. Sin embargo, también es evidente que hay varios factores que influyen durante un ensayo en la mesa vibradora como son la diferencia en peso de la estructura y el techo, la longitud entre arriostres, la mano de obra utilizada y el procedimiento constructivo empleado en un módulo en comparación a una vivienda real.

No existe aún un estudio que determine la correlación entre la señal de un ensayo dinámico unidireccional en la mesa vibradora de la PUCP con un sismo real. No obstante, por los daños observados en los módulos durante muchos ensayos dinámicos, se suele denominar a la señal aplicada durante la Fase 1 (30mm), Fase 2 (80mm) y Fase 3 (130mm) como la de un sismo leve, moderado y severo, respectivamente.

Antes de cada una de las tres fases y al finalizar el ensayo se realizaron vibraciones libres. Estas consistieron en un movimiento tipo pulso rectangular para registrar la vibración libre del módulo y así poder obtener el periodo y el coeficiente de amortiguamiento en cada instrumento. Cada vibración libre se basó en cuatro pulsos con una amplitud de 1.5mm.

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Figura 4.6. Señal de comando de vibración libre

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Figura 4.7. Señal registrada en la mesa durante la vibración libre Módulo M000

Los desplazamientos registrados en la mesa mostraron oscilaciones no deseadas entre pulsos (Figura 4.7.), lo cual indica que hubo distorsiones en los valores registrados durante la vibración libre del módulo. No hubo en realidad una vibración libre pura ya que en todo momento la plataforma de la mesa vibradora estuvo en movimiento, aunqueésta fuera mínima. Sin embargo, se mantuvo la premisa en los cálculos de vibración libre y las distorsiones que podrían influenciar los cálculos se discuten en los resultados obtenidos de cada módulo.

Dado que la respuesta de una estructura en vibración libre se define como la respuesta de la estructura cuando cesan las excitaciones dinámicas externas aplicadas a ésta, se consideró como vibración libre a la parte de la señal inmediatamente posterior al pulso. En vibración libre, las ecuaciones y procedimientos para los cálculos del periodo y amortiguamiento son válidos y se describen en detalle en el Capítulo 5.

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