1. INTRODUCCIÓN
⌅La construcción es el causante del 20% de las emisiones de efecto invernadero (1(1) Mukherjee, S. P., & Vesmawala, G. (2013). Literature review on technical aspect of sustainable concrete. International Journal of Engineering Science Invention, 2(8), 1-9.
).
Es por ello, que durante los últimos años se haya tratado de generar
materiales sostenibles en el medio ambiente, reduciendo los efectos
contaminantes existentes en el mundo y a su vez que reduzcan los costes
en la construcción, favoreciendo a la sociedad.
Por otra parte,
otro de los aspectos importantes es la mejora del rendimiento
estructural de las edificaciones, derivado de las exigencias de la
sociedad provocadas por los avances tecnológicos de los sistemas en
construcción (disipadores, aisladores, muros, riostras) y los nuevos y
modificados materiales utilizados en construcción (2(2)
Dominguez-Santos, D., Ballesteros-Perez, P., & Mora-Melia, D.
(2017). Structural resistance of reinforced concrete buildings in areas
of moderate seismicity and assessment of strategies for structural
improvement. Buildings, 7(4), 89.
),
necesarias debido a las catástrofes producidos durante los últimos 50
años referentes a los terremotos y los agentes climatológicos, derivados
del cambio climático.
La versatilidad del hormigón en las
estructuras, debido a las propiedades mecánicas, la rapidez y la
facilidad de montaje que tiene este material, haya hecho que sea uno de
los materiales más utilizados en la construcción. Es por ello, que en
muchos países ubicados en zonas sísmicas altamente exigentes como
Turquía (3(3) De Landa, M. (1997). A thousand years of nonlinear history.
), Nepal (4(4) Mehta, P. K., & Monteiro, P. J. (2017). Concrete microstructure, properties and materials.
), Perú (5(5) Thorat, P. K., Papal, M., Kacha, V., Sarnobat, T., & Gaikwad, S. (2015). Hollow concrete blocks-A new trend. International Journal of Engineering & Research, 5(5), 9-26.
) y Chile (6(6)
Ahmad, R., Malik, M. I., Jan, M. U., Ahmad, P., Seth, H., & Ahmad,
J. (2014). Brick Masonry and Hollow Concrete Block Masonry-A Comparative
Study. International Journal of Civil and Structural Engineering Research (IJCSER), 1(1), 14-21.
, 7(7) Maroliya, M. K. (2001). Load carrying capacity of hollow concrete block masonry column. IOSR J. Eng.(IOSRJEN), 2(10), 5-8.
),
se haya utilizado mayoritariamente como solución estructural para
reducir la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones. Sin embargo, las
características dúctiles y térmicas que tiene este material, disminuye
las condiciones energéticas de las edificaciones, sobre todo cuando es
usado en los muros.
Las características que tiene este material
en los muros de relleno, ha hecho que durante la última década, se hayan
realizado numerosos estudios con la finalidad de mejorar sus
propiedades. Entre todos los estudios existentes, se ha demostrado la
eficiencia que tiene la introducción de elementos compuestos de hormigón
en los muros de relleno (8(8)
Avila, L., Vasconcelos, G., Lourenço, P. B., Mendes, N., Alves, P.,
& Costa, A. C. (2012). Seismic response analysis of concrete block
masonry buildings: An experimental study using shaking table.
, 9(9)
Frasson Jr, A., Casali, J. M., Oliveira, A. L., & Prudêncio Jr, L.
R. (2012, June). A Mix design methodology for concrete block units. In Proceedings of the 15th International Brick and Block Masonry Conference, Florianapolis, Brazil (pp. 3-6).
)
en edificaciones porticadas de baja altura, sin embargo, existe
desconocimiento de su comportamiento en edificaciones de mayor altura.
El
objetivo de este trabajo es contribuir al uso de materiales ligeros en
edificaciones de mediana y gran altura, que puedan impactar
positivamente en las políticas de ahorro de energía, la sostenibilidad
en la fabricación, el reciclaje de residuos (10(10) Rathi, S. O., & Khandve, P. V. (2015). AAC block-A new eco-friendly material for construction. International Journal of Advance Engineering and Research Development, 2(4), 410-414.
)
y la mejora de algunas de las propiedades estructurales
sismorresistente (flexión, ductilidad y disminución de pesos) de las
edificaciones, utilizando materias primas obtenidas de residuos
agrícolas y forestales (aserrín o viruta) que se producen en grandes
cantidades y que son eliminados en vertederos sin ninguna
revalorización, sin alterar las propiedades de los materiales y
elementos tradicionales.
2. ANTECEDENTES
⌅La utilización de muros en las edificaciones porticadas ha sido una de las soluciones más empleadas para mejorar las condiciones estructurales en el mundo de la construcción.
Los materiales mayormente utilizados en los muros y en la construcción son los hormigones, el cemento y la arcilla, elementos que han demostrado su eficacia y su eficiencia en las edificaciones.
Durante los últimos años, estos materiales han sido objeto de numerosos estudios e investigaciones, con la finalidad de mejorar algunas de sus propiedades y características. Para ello, la introducción de diferentes aditivos en su fabricación, ha sido el detonante para mejorar sus propiedades más deficitarias.
En la
literatura científica, hay abundantes estudios sobre la introducción de
aditivos incorporados al hormigón y al cemento tradicional. Son
ejemplos, la adición de fibras metálicas o de polipropileno a la mezcla
que aumentan las propiedades de capacidad de carga (11-13(11)
Mindess, S., & Vondran, G. (1988). Properties of concrete
reinforced with fibrillated polypropylene fibres under impact loading. Cement and Concrete Research, 18(1), 109-115.
(12)
Bayasi, Z., & McIntyre, M. (2002). Application of fibrillated
polypropylene fibers for restraint of plastic shrinkage cracking in
silica fume concrete. Materials Journal, 99(4), 337-344.
(13) Ashour, S. A., & Wafa, F. F. (1993). Flexural behavior of high-strength fiber reinforced concrete beams. Structural Journal, 90(3), 279-287.
), de resistencia al corte o la ductilidad (14(14) Oh, B. H. (1992). Flexural analysis of reinforced concrete beams containing steel fibers. Journal of structural engineering, 118(10), 2821-2835.
).
Asimismo, pero desde un punto de vista ambiental (daños causados por la
extracción de materias primas y/o las emisiones de CO2), algunas
mezclas han considerado la adición de cenizas volcánicas (15(15) Sabir, B. B., Wild, S., & Bai, J. (2001). Metakaolin and calcined clays as pozzolans for concrete: a review. Cement and concrete composites, 23(6), 441-454.
), madera (16(16)
Quaranta, N., Caligaris, M., López, H., Unsen, M., & Di Rienzo, H.
(2008). Adición de aserrines de descarte en la producción de mampuestos
cerámicos. In Actas del Octavo Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales.
), hormigón reciclado (17-19(17)
Nili, M., Sasanipour, H., & Aslani, F. (2019). The effect of fine
and coarse recycled aggregates on fresh and mechanical properties of
self-compacting concrete. Materials, 12(7), 1120.
(18)
Xie, J., Zhao, J., Wang, J., Wang, C., Huang, P., & Fang, C. (2019).
Sulfate resistance of recycled aggregate concrete with GGBS and fly
ash-based geopolymer. Materials, 12(8), 1247.
(19) Liu,
W., Cao, W., Zhang, J., Qiao, Q., & Ma, H. (2016). Seismic
performance of composite shear walls constructed using recycled
aggregate concrete and different expandable polystyrene configurations. Materials, 9(3), 148.
), entre otros.
Estos materiales, aparecen con mayor o menor relevancia en diferentes elementos constructivos en los edificios. Entre ellas, los bloques de hormigón y los ladrillos de arcilla, que son utilizados mayoritariamente en los muros de cerramiento (estructurales y no estructurales) y en particiones interiores debido a su coste y a sus buenas características constructivas.
Debido a ello, varios investigadores han estudiado
la influencia de aditivos en estos elementos, con la finalidad de
mejorar las propiedades térmicas (20(20)
Zhu, L., Dai, J., Bai, G., & Zhang, F. (2015). Study on thermal
properties of recycled aggregate concrete and recycled concrete blocks. Construction and Building Materials, 94, 620-628.
, 21(21)
Miličević, I., Bjegović, D., & Siddique, R. (2015). Experimental
research of concrete floor blocks with crushed bricks and tiles
aggregate. Construction and Building materials, 94, 775-783.
), acústicas (22(22)
Pastor, J. M., García, L. D., Quintana, S., & Peña, J. (2014).
Glass reinforced concrete panels containing recycled tyres: Evaluation
of the acoustic properties of for their use as sound barriers. Construction and Building Materials, 54, 541-549.
), mecánicas (23(23)
Ergün, A. (2011). Effects of the usage of diatomite and waste marble
powder as partial replacement of cement on the mechanical properties of
concrete. Construction and building materials, 25(2), 806-812.
), entre otros.
Se
ha demostrado que la utilización de muros en las edificaciones
porticadas de baja altura mejora el comportamiento sísmico de las
edificaciones, debido a la mayor rigidez y resistencia elástica inicial
que infringen estos elementos en las estructuras (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
, 25(25)
López-Almansa, F., Domínguez, D., & Benavent-Climent, A. (2013).
Vulnerability analysis of RC buildings with wide beams located in
moderate seismicity regions. Engineering structures, 46, 687-702.
, 26(26)
Domínguez, D., López-Almansa, F., & Benavent Climent, A. (2014).
Comportamiento, para el terremoto de Lorca de 11-05-2011, de edificios
de vigas planas proyectados sin tener en cuenta la acción sísmica.
).
Sin embargo, esta afirmación no es tan relevante en las edificaciones
de mediana y gran altura, debido a la gran rigidez y al peso que
proporcionan estos elementos a las estructuras. Para solucionar estos
problemas, estos elementos han sido sustituidos por otros más complejos
que no dependan de estas características; disipadores, riostras,
aisladores de base, entre otros. Estos elementos, han demostrado un buen
rendimiento en las edificaciones, pero la complejidad, los costos y la
preparación que requiere su colocación en las construcciones por parte
de los trabajadores, se ha visto afectado en su utilización en las
estructuras.
Debido a ello, los muros tradicionales siguen siendo la solución más utilizada en la construcción. Es por ello, que diferentes materiales se hayan introducido como aditivos a estos elementos (bloques) que componen los muros, con la finalidad de mejorar alguna de sus propiedades.
Entre los diferentes materiales que se
pueden usar como aditivos en el cemento está la madera, que tiene
propiedades interesantes desde el punto de vista sísmico y mecánico (27-29(27)
Page, J., Djelal, C., & Vanhove, Y. (2020). Optimisation of
vibrocompaction process for wood-based concrete blocks. The
International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 109(3),
1189-1204.
(28) Bootle, K. R. (1983). Wood in Australia. Types, properties and uses. McGraw-Hill book company.
(29)
Filiatrault, A., & Folz, B. (2002). Performance-based seismic
design of wood framed buildings. Journal of Structural Engineering,
128(1), 39-47.
, 24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
), funciona bien cuando está flexionado y comprimido (30(30)
Alengaram, U. J., Salam, A., Jumaat, M. Z., Jaafar, F. F., & Saad,
H. B. (2011). Properties of high-workability concrete with recycled
concrete aggregate. Materials Research, 14(2), 248-255.
), y tiene una baja conductividad térmica (31(31) ASTM D143 - 09. (2009) Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber. USA Standard.
), acústica y eléctrica (Norma ASTM D143-09 1927 (31(31) ASTM D143 - 09. (2009) Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber. USA Standard.
); Wangaard 1966 (32(32)
Wangaard, F. F., Kellogg, R. M., & Brinkley, A. W. (1966).
Variation in wood and fiber characteristics and pulp-sheet properties of
slash pine. Tappi, 49(6), 263.
); Hearmon 1948 (33(33) RFS Hearmon - Forest Products Research, (1948). The elasticity of wood and plywood.
)).
Destacar que países sísmicos como Chile, Colombia y otros países del sudeste asiático, tienen grandes reservas de madera (34(34) Carle, J. y Holmgren, P. (2008). Wood from planted forests: A global outlook 2005-2030. For. Prod. J. 58, 6.
, 35(35) Raga, F. (2009). The Chilean forestry sector and associated risks. Trébol, 51, 10-19.
).
Estos países procesan este material para crear múltiples productos
derivados, lo que significa que tienen grandes volúmenes de desechos de
madera en fábricas y aserraderos que podrían ser potencialmente
utilizados para otros fines (36(36)
González, P. (2006). Disponibilidad de residuos madereros provenientes
de la industria primaria de la madera para uso energético XI Región de
Aysén. In Proceedings of the seminar Hacia una Politica Nacional de Bioenergía, Aysen, Chile.
), como en la construcción.
3. MATERIALES Y MÉTODOS UTILIZADOS
⌅3.1. Consideraciones previas
⌅Es evidente que la dosificación de aditivos en las mezclas de hormigón determina las propiedades finales que adquiere (por ejemplo, la resistencia, la ductilidad y la trabajabilidad).
Este estudio, continua la investigación empezada por D. Dominguez et al. (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
)
para edificaciones de altura. Para ello, se utiliza los resultados
mecánicos de compresión y flexo-tracción realizados a los bloques de
hormigón con aserrín y viruta obtenidos con las máquinas hidráulicas del
laboratorio de construcción de la Facultad de Ingeniería de la
Universidad de Talca.
La fabricación del hormigón utilizado en los bloques, siguió las especificaciones de las normas chilenas (37-40(37) NCh 1019 Of 09. (2009). Hormigón. Determinación de la Docilidad. Método del Asentamiento del cono de Abrams. Instituto Nacional de Normalización: Santiago, Chile. (Chilean Standard).
(38) NCh 1037 Of77, 1977 (1997). Hormigón. Ensayo de Compresión de Probetas Cúbicas y Cilíndricas. Instituto Nacional de Normalización: Santiago, Chile. (Chilean Standard).
(39) NCh 163, 2013. (2013). Áridos Para Morteros y Hormigones. Requisitos. Instituto Nacional de Normalización: Santiago, Chile. (Chilean Standard).
(40) NCh 165 Of 77. (2009). Áridos Para Morteros y Hormigones-Tamizado y Determinación de la Granulometría. Instituto Nacional de Normalización: Santiago, Chile. (Chilean Standard).
) y españolas (41(41) Real Decreto 1247. (2008). Instrucción de Hormigón Estructural. EHE 08; Spain. (Spanish Standard).
,42(42) CTN 140. (2010). Eurocodigos Estructurales. Una Norma Española (UNE). (Spanish Standard).
).
Las mezclas utilizadas para la fabricación de los bloques de hormigón, reemplazaron parte de la grava por aditivos de madera (aserrín o virutas). Para este estudio, solo se consideró la utilización de bloques ordinarios y bloques con la incorporación de un 10% de aditivo de madera en la preparación de las mezclas, debido a su uso estructural y a sus propiedades resistentes.
Los bloques utilizados fueron sometidos a ensayos de compresión y flexo-compresión según la Norma chilena NCh 181. Para cada muestra, se determinó su capacidad mecánica, mediante las curvas de compresión y flexo-compresión.
Tal y como se indica en (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
),
se ha buscado el respeto por el medio ambiente y la sostenibilidad,
utilizando productos abundantes existentes en lugares altamente sísmicos
como Chile y Japón. Es por ello, que en esta investigación y en (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
),
se utilizarán los desechos de industrias y fábricas madereras (en forma
de aserrín y viruta), procedentes de diferentes especies de árboles,
para incluir en las mezclas que componen los bloques. Los detalles de
las mezclas y de las granulometrías, se especificaron en (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
).
Para la modelización de los muros de mampostería teniendo en cuenta las
juntas de unión entre mortero y bloque, se ha utilizado (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
, 25(25)
López-Almansa, F., Domínguez, D., & Benavent-Climent, A. (2013).
Vulnerability analysis of RC buildings with wide beams located in
moderate seismicity regions. Engineering structures, 46, 687-702.
, 43(43) Crisafulli, F. J., Carr, A. J., & Park, R. (2000). Analytical modelling of infilled frame structures. Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering, 33(1), 30-47.
, 44-47(44)
Lizárraga, J. F., & Pérez Gavilán, J. J. (2015). Modelación no
lineal de muros de mampostería empleando elementos de contacto.
Ingeniería sísmica, (93), 41-59.
(45) Smyrou, E., Blandon, C.,
Antoniou, S., Pinho, R., & Crisafulli, F. (2011). Implementation and
verification of a masonry panel model for nonlinear dynamic analysis of
infilled RC frames. Bulletin of Earthquake Engineering, 9(5),
1519-1534.
(46) Wararuksajja, W., Srechai, J., & Leelataviwat, S.
(2020). Seismic design of RC moment-resisting frames with concrete
block infill walls considering local infill-frame interactions. Bulletin of Earthquake Engineering. 18(14), 6445-6474.
(47)
Di Domenico, M., Ricci, P., & Verderame, G. M. (2019). Predicting
the out-of-plane seismic strength of unreinforced masonry infill walls. Journal of Earthquake Engineering, 1-38.
).
3.2. Resultados mecánicos utilizados
⌅La resistencia a la compresión promedio de todos los bloques de hormigón realizado en (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
),
se midió a los 7, 14 y 28 días después de su elaboración. Como se dijo
previamente, este estudio solo contempla los resultados aptos para su
uso estructural según la Norma Chilena NCh 181 (2006), es decir, los
bloques de hormigón tradicionales y los bloques de hormigón con el 10%
de agregados de aserrín y viruta. Los valores medios de los ensayos de
laboratorio, utilizados para esta investigación aparecen en la tabla 1.
).
Tipo de bloque | Compresión (N/mm²) | Flexo-tracción (N/mm²) | Peso bloque (N) |
---|---|---|---|
0% (Ordinario) | 1.47 | 0.31 | 160.02 |
Con el 10% Aserrín | 1.28 | 0.34 | 136.12 |
Con el 10% Viruta | 1.20 | 0.33 | 135.55 |
Los valores obtenidos en la tabla 1 provienen de las curvas de capacidad de compresión y flexo-tracción de los bloques de hormigón realizados a los 28 días después de su fabricación. Estas curvas fueron obtenidas de acuerdo con la Norma chilena NCh 1037.
4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL
⌅Esta
sección describe el comportamiento sísmico de modelos estructurales
representativos de zonas medianamente sísmicas utilizando análisis
estáticos no lineales (Push-over). Los cálculos se implementaron con el
software de análisis estructural Seismostruct v.7.0.2. Este software, se
basa en un análisis de elementos finitos, producto de la empresa
Seismosoft® (48(48) SeismoSoft. (2020). A Computer Program for Static and Dynamic Nonlinear Analysis of Framed Structures. Available online: http://www.seismosoft.com.
).
Este software, permite estimar la relación entre el desplazamiento en
la última planta y el cortante máximo en la base de los edificios bajo
cargas estáticas y dinámicas, considerando el comportamiento de los
materiales no lineales en todas sus geometrías. Los resultados de estos
análisis estático no lineales (Push-over), se muestran en las
respectivas curvas de capacidad.
4.1. Descripción de los pórticos analizados
⌅Los
modelos analizados en este trabajo se basan en estructuras porticadas,
debido a la abundancia de este sistema de construcción en muchos países
latinoamericanos y europeos (25(25)
López-Almansa, F., Domínguez, D., & Benavent-Climent, A. (2013).
Vulnerability analysis of RC buildings with wide beams located in
moderate seismicity regions. Engineering structures, 46, 687-702.
, 26(26)
Domínguez, D., López-Almansa, F., & Benavent Climent, A. (2014).
Comportamiento, para el terremoto de Lorca de 11-05-2011, de edificios
de vigas planas proyectados sin tener en cuenta la acción sísmica.
). Estas estructuras, se caracterizan por tiempos de ejecución rápidos y pocos recursos materiales.
Tradicionalmente,
el comportamiento estructural de los edificios hechos de vigas y
columnas sin ningún tipo de dispositivo antisísmico durante los
terremotos no ha sido satisfactorio. En consecuencia, es necesario
incorporar muros u otros elementos resistentes con la intención de
disminuir los posibles daños ocasionados (25(25)
López-Almansa, F., Domínguez, D., & Benavent-Climent, A. (2013).
Vulnerability analysis of RC buildings with wide beams located in
moderate seismicity regions. Engineering structures, 46, 687-702.
, 26(26)
Domínguez, D., López-Almansa, F., & Benavent Climent, A. (2014).
Comportamiento, para el terremoto de Lorca de 11-05-2011, de edificios
de vigas planas proyectados sin tener en cuenta la acción sísmica.
), cumpliendo con las exigencias Normativas.
En los últimos años, la mayoría de los países europeos han estado adaptando sus códigos nacionales (estructurales) para parecerse a los códigos europeos (Eurocódigos) y americanos. En consecuencia, los resultados de este trabajo pueden considerarse representativos para un porcentaje significativo de edificios existentes en Europa y parte de América Latina.
Como se muestra en la figura 1, cada modelo de pórtico está formado por 4 vanos de 5 metros de longitud (esta medida es a ejes de pilares). De los 4 vanos que conforma cada pórtico, 2 de ellos está relleno de muros de bloques, mientras que los otros 2 se dejan vacíos. Los vanos vacíos, simularían a las ventanas y puertas que tendría la composición arquitectónica de los edificios.
El diseño de los elementos de hormigón armado de estos pórticos (vigas y pilares), han sido diseñados considerando la Normativa americana ACI-318 y la Normativa española EHE-08, sin considerar las fuerzas sísmicas y sin considerar los muros de relleno.
Los bloques que conforman los muros de relleno de los pórticos se ubican por debajo de la viga superior de cada planta sin ningún anclaje a los elementos estructurales.
La altura entre pisos es de tres metros, con a una altura libre por planta de 2.60 metros. Esto significa, que los modelos utilizados tienen una altura de 12, 24, 36 y 48 metros para los pórticos de 4, 8, 12 y 16 alturas, respectivamente. La configuración de los pórticos es regular y simétrica en elevación (Figura 1). Estos pórticos, cuyos muros de relleno se ubican en los vanos externos, corresponderían a las fachadas externas de los edificios.
Los elementos estructurales horizontales de los pórticos corresponden a vigas de 30 cm de ancho y 40 cm de alto en todas las alturas. Los elementos verticales de cada pórtico están formados por cinco columnas cuadradas que varían en 10 cm de lado (X, Y) cada 4 plantas. Las cuatro plantas superiores de los modelos corresponden a columnas de 30x30 cm. La composición de las medidas de las columnas aparece detallada en la Figura 1. La continuidad estructural de los elementos que conforman los pórticos se logra a través de las armaduras longitudinales, correspondientes a varillas de acero que conectan las vigas y columnas, cumpliendo con todos los requerimientos de los códigos europeos y americanos de diseño estructural.
Los muros de relleno no estructurales están hechos de bloques de hormigón de 19.1 cm espesor, separados por mortero de 1 cm de espesor y con refuerzos transversales de acero tipo escalera cada cuatro líneas de bloques (Figura 2).
Las características y propiedades más importantes de los modelos se resumen en la Tabla 2. Los materiales utilizados para los elementos estructurales (vigas y columnas), fueron: hormigón HA-30 correspondiente con una resistencia característica de fck = 29.42 N/mm2 y acero B-500-S, con un límite elástico del acero fyk = 490.33 N/mm2. Ambos materiales están definidos en la Norma CTE DB SE AE.
Tipo de Pórtico | Altura total (m) | Longitud total (m) | Vigas (cm²) | Pilares (cm²) | Peso total (kN) | Periodo fundamental (s) |
---|---|---|---|---|---|---|
4 - NW | 12 | 20.5 | 30x40 | 30x30 | 2691 | 0.56 |
4 - WTB | 12 | 20.5 | 30x40 | 30x30 | 3273 | 0.32 |
4 - WAB | 12 | 20.5 | 30x40 | 30x30 | 3239 | 0.35 |
4 - WVB | 12 | 20.5 | 30x40 | 30x30 | 3228 | 0.36 |
8 - NW | 24 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40 | 5485 | 0.88 |
8 - WTB | 24 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40 | 6650 | 0.62 |
8 - WAB | 24 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40 | 6581 | 0.68 |
8 - WVB | 24 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40 | 6559 | 0.69 |
12 - NW | 36 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50 | 8410 | 1.24 |
12 - WTB | 36 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50 | 10156 | 0.91 |
12 - WAB | 36 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50 | 10054 | 0.98 |
12 - WVB | 36 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50 | 10020 | 1.00 |
16 - NW | 48 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50/60x60 | 11495 | 1.65 |
16 - WTB | 48 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50/60x60 | 13823 | 1.26 |
16 - WAB | 48 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50/60x60 | 13686 | 1.31 |
16 - WVB | 48 | 20.5 | 30x40 | 30x30/40x40/50x50/60x60 | 13641 | 1.32 |
En la Tabla 2, cada pórtico se denota con un número y letras. El primer número indica la cantidad de alturas que tiene el pórtico y las letras, el tipo de elemento utilizado en los muros de relleno: “NW” significa pórtico sin muros, “WTB” significa pórtico con bloques tradicionales, “WAB” significa pórtico con bloques con agregado de aserrín y “WVB” significa pórtico con agregados de viruta de madera. Esta tabla muestra la altura y la longitud total del pórtico, las dimensiones de las vigas y pilares, el peso del pórtico siguiendo la combinación de acciones G + 0.3Q según el Eurocódigo 8, y los períodos fundamentales de los diferentes modelos analizados.
En la combinación de acciones que determina el peso
del pórtico, G determina el peso propio de la estructura y Q las cargas
vivas, considerándose un uso residencial, administrativo o pequeño
comercio, correspondiente a 2 kN/m2 (49(49) CTE DEB SE F, (2006). Documento Básico. Código Técnico de la Edificación. Seguridad Estructural: Fabrica. Ministerio de Fomento: Madrid, Spain. (Spanish Standard).
) en todas las plantas del pórtico a excepción del piso superior (techo), cuya carga fue de 1 kN/m2 (mantenimiento).
El presente trabajo, no tuvo en cuenta la colaboración de la carpintería de ventanas en las aberturas, debido a su gran fragilidad.
Por último, en cada una de las plantas que conforma el pórtico, se ha considerado un comportamiento rígido “diafragma”, elemento que limita los posibles desplazamientos en el eje vertical.
4.2. Modelo del pórtico
⌅Los
elementos que componen cada uno de los pórticos fueron modelados
utilizando elementos finitos de barra. Para cada elemento estructural
(columnas y vigas), se siguieron las prescripciones propuestas por
Mander (50(50) Mander, J. B., Priestley, M. J., & Park, R. (1988). Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of structural engineering, 114(8), 1804-1826.
) para el hormigón y el modelo bilineal de Ferrara (51(51)
Bosco, M., Ferrara, E., Ghersi, A., Marino, E. M., & Rossi, P. P.
(2016). Improvement of the model proposed by Menegotto and Pinto for
steel. Engineering Structures, 124, 442-456.
) para barras de acero reforzado.
Además, las vigas y pilares existentes están representadas por elementos finitos de barra no lineales (52(52) Spacone, E., & Filippou, F. (1996, June). Flexibility-based frame models for nonlinear dynamic analysis. In Proceedings of the 11th World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco, Mexico (pp. 23-28).
),
donde las no linealidades se concentran en las rótulas plásticas
ubicadas en los extremos de cada barra, correspondiente al 15% de la
longitud total del elemento (53(53) Scott, M. H., & Fenves, G. L. (2006). Plastic hinge integration methods for force-based beam-column elements. Journal of Structural Engineering, 132(2), 244-252.
). De acuerdo con Scott et al. (54(54)
Scott, M. H., Fenves, G. L., McKenna, F., & Filippou, F. C. (2008).
Software patterns for nonlinear beam-column models. Journal of Structural Engineering, 134(4), 562-571.
),
se consideró que las uniones/conexiones entre las columnas y vigas de
hormigón eran rígidas, mientras que el comportamiento histerético que
representa la distribución de tensiones, fueron calculadas con modelos
de fibra basados en las propiedades del material y la geometría de los
elementos estructurales (discretizado con 300 fibras). En el modelo, las
cargas se han aplicado sobre las vigas.
Las tolerancias utilizadas para los desplazamientos y las rotaciones, fueron del orden de 10-5 en todos los casos con un número máximo de 300 iteraciones.
Para
el análisis numérico, se utilizó el método Newmark-β, método de
integración numérico fiable, ampliamente utilizado en dinámica de
estructuras. En este método, los factores Beta (β) y Gama (γ), son
coeficientes que dependen de la frecuencia natural (w) y la
amortiguación (ς) de la estructura. Para este trabajo, se utilizaron β =
0.25 y γ = 0.5, ya que con estos valores el método Newmark-β es
implícito y estable (55(55) Gavin, H. (2001). Numerical integration for structural dynamics. Department of Civil and Environmental Engineering, Duke University: Durham, NC, USA.
). Finalmente, se consideró el modelo de Rayleigh de 4% (modo 1) y 6% (modo 2) (56(56) Haldar, A., & Mahadevan, S. (2000). Probability, reliability, and statistical methods in engineering design. John Wiley.
).
El método para la combinación modal utilizada en los análisis fue la
combinación cuadrática completa (CQC) con una amortiguación
correspondiente a 0.04 (4%).
La simulación del comportamiento
mecánico de cada material en los elementos del pórtico, requiere
ingresar varios datos correspondientes a las propiedades del material.
Es por ello, que los valores experimentales de plastificación y rotura
obtenidos a partir de las curvas de capacidad de cada uno de los
materiales se consideraron suficientes. Por otra parte, las
deformaciones unitarias correspondientes a los procesos de falla del
hormigón y acero usaron los valores estándar de Seismostruct (48(48) SeismoSoft. (2020). A Computer Program for Static and Dynamic Nonlinear Analysis of Framed Structures. Available online: http://www.seismosoft.com.
):
agrietamiento del hormigón (0.0001), desprendimiento del hormigón
(−0.002), rotura del hormigón (−0,002), fluencia (0.0025) y fractura de
acero (0.06). Además, los criterios referentes a la curvatura y las
rotaciones, se verificaron a través de la capacidad de rotación de
Mergos y Kappos (57(57)
Mergos, P. E., & Kappos, A. J. (2015). Estimating fixed-end
rotations of reinforced concrete members at yielding and ultimate. Structural Concrete, 16(4), 537-545.
) y a la capacidad de corte establecida en el Eurocódigo EC-8.
4.3. Modelos de los muros de relleno
⌅La
presencia de paneles de relleno modifica considerablemente el
comportamiento estructural de las estructuras RC, haciéndolas más
resistentes y rígidas. El modelado de la pared de relleno considera el
comportamiento inelástico no lineal, la determinación de las propiedades
mecánicas y la interacción con el pórtico. Sin embargo, hay muchas
técnicas que permiten analizar los muros rellenos. En este sentido,
Crisafulli et al. (43(43) Crisafulli, F. J., Carr, A. J., & Park, R. (2000). Analytical modelling of infilled frame structures. Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering, 33(1), 30-47.
)
realizó una revisión detallada con varias publicaciones sobre este
tema. Después de realizar una revisión de la literatura, este trabajo
adopta el enfoque de doble puntal propuesto por Crisafulli e
implementado por Piestley et al. (58(58) Priestley, M. N., Calvi, G. M., & Kowalsky, M. J. (2007). Displacement-based seismic design of structures. IUSS press.
)
utilizando el software Seismosoft®. El criterio principal considerado
para la selección de este sistema de cálculo, fue el buen desempeño de
los efectos de interacción panel-pórtico propuesto para estos modelos
utilizados. Además, el enfoque de doble puntal se ha aplicado con éxito
para la predicción de la respuesta sísmica de pórticos de hormigón
armado de varias plantas, con resultados verificados (59(59) Crisafulli, F. J., & Carr, A. J. (2007). Proposed macro-model for the analysis of infilled frame structures.Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering,40(2), 69-77.
).
El
enfoque de Crisafulli, propone un macromodelo para la evaluación de la
respuesta global de este sistema. El modelo se implementa como un
elemento de panel de cuatro nodos, que está conectado al pórtico en las
uniones de viga-columna (Figura 3).
Internamente, el elemento del panel explica por separado el
comportamiento de compresión y corte del muro de mampostería, utilizando
dos puntales paralelos y un resorte de corte en cada dirección. Este
modelo, permite considerar adecuadamente la rigidez lateral del panel y
la resistencia del panel de mampostería, particularmente cuando se
espera una falla de corte a lo largo de las juntas de mortero o una
falla de tensión diagonal. Otros detalles numéricos sobre la
transformación de las fuerzas en los nodos internos y ficticios a las
fuerzas externas en los cuatro nodos se pueden seguir en (60(60) Crisafulli, F. J. (1997). Seismic behaviour of reinforced concrete structures with masonry infills.
).
4.4. Caracterización de los muros de relleno
⌅Para
la calibración del modelo utilizado en este trabajo para los muros de
bloques, se han utilizado los parámetros geométricos y mecánicos de la tabla 3 empleados por D. Dominguez et al. en (24(24)
Dominguez-Santos, D., Mora-Melia, D., Pincheira-Orellana, G.,
Ballesteros-Pérez, P., & Retamal-Bravo, C. (2019). Mechanical
properties and seismic performance of wood-concrete composite blocks for
building construction. Materials, 12(9), 1500.
). La definición de cada uno de los parámetros se encuentra en (60(60) Crisafulli, F. J. (1997). Seismic behaviour of reinforced concrete structures with masonry infills.
).
).
Unidades | Bloques tradicionales | Bloques con aserrín | Bloques con viruta |
---|---|---|---|
t (mm) | 191 | 191 | 191 |
A1 (mm²) | 276970.21 | 276970.21 | 276970.21 |
dw (mm) | 5830.95 | 5830.95 | 5830.95 |
bw (mm) | 1457.74 | 1457.74 | 1457.74 |
Eb (N/mm²) | 36000 | 17964.07 | 16463.41 |
b (mm) | 192 | 192 | 192 |
j (mm) | 20 | 20 | 20 |
Em (N/mm²) | 11709.30 | 4986.75 | 4429.08 |
hw (mm) | 3000 | 3000 | 3000 |
Ej (N/mm²) | 37150.60 | 37150.60 | 37150.60 |
h (mm) | 3400 | 3400 | 3400 |
ft (MPa) | 15 | 12 | 11.5 |
fmθ (MPa) | 12.05 | 11.51 | 11.40 |
τmax (MPa) | 2.66 | 2.51 | 2.48 |
γp (kN/m³) | 13.93 | 11.85 | 11.80 |
z (mm) | 852.81 | 1055.68 | 1087.43 |
λ | 0.00180 | 0.00149 | 0.00144 |
θ (°) | 30.96 | 30.96 | 30.96 |
Ic (mm⁴) | 675e6 | 675e6 | 675e6 |
5. DISEÑO DE LOS PÓRTICOS
⌅Los códigos de diseño estructural, describen diferentes procedimientos para el análisis de los edificios. Este trabajo considera 3 tipos de análisis:
-
Análisis estático utilizando las Normas de hormigón armado norteamericano ACI-318 y la Norma española EHE-08, mediante las cuales, se han diseñado los elementos estructurales de los pórticos (vigas y pilares).
-
Análisis espectral utilizando las Normativas sismorresistentes europea (EC-8) y española (NCSE-02) para obtener las fuerzas sísmicas y el cortante basal de los pórticos. Los resultados obtenidos serán comparados con los resultados del análisis estatico no lineal (Push-over).
-
Análisis estático no lineal (Push-over), mediante el cual, se estima la capacidad última y plástica en términos de resistencia y desplazamiento para cada uno de los pórticos.
5.1. Modelos de los muros de relleno
⌅En este apartado, se realizará un estudio comparativo de los cortantes basales máximos de cada uno de los pórticos analizados teniendo en cuenta la Normativa sismorresistente española (NCSE-02) y la Normativa europea (EC-8).
Los resultados obtenidos en la tabla 4, usando los espectros de las Normativas española y europea consideran un tipo de suelo de dureza medio (tipo II (NCSE-02) / Tipo C (EC-8)) y una aceleración sísmica moderada (ag = 0.24g), para un edificio de importancia normal (S = 1). Para todas las estructuras se han considerado un amortiguamiento del 5%.
Tipo de pórtico | NCSE-02 (kN) | EC-8 (kN) |
---|---|---|
4-NW | 762 | 832 |
4-WTB | 1340 | 1456 |
4-WAB | 1226 | 1331 |
4-WVB | 1191 | 1294 |
8-NW | 992 | 1079 |
8-WTB | 1408 | 1532 |
8-WAB | 1284 | 1397 |
8-WVB | 1265 | 1377 |
12-NW | 1080 | 1172 |
12-WTB | 1472 | 1597 |
12-WAB | 1366 | 1483 |
12-WVB | 1339 | 1453 |
16-NW | 1113 | 1208 |
16-WTB | 1457 | 1582 |
16-WAB | 1401 | 1522 |
16-WVB | 1391 | 1510 |
5.2. Análisis estático no lineal (Push-over)
⌅El
análisis estático no lineal de empuje incremental se emplea en la
estimación de la capacidad horizontal máxima de una estructura, teniendo
en cuenta la deformación y el contenido de frecuencia del movimiento de
respuesta dinámica. Para la evaluación y cálculos efectuados, se han
utilizado las siguientes referencias (Antoniou y Pinho, 2004 (61(61) Antoniou, S., & Pinho, R. (2004). Development and verification of a displacement-based adaptive pushover procedure. Journal of earthquake engineering, 8(05), 643-661.
); Ferracuti et al., 2009 (62(62)
Ferracuti, B., Pinho, R., Savoia, M., & Francia, R. (2009).
Verification of displacement-based adaptive pushover through
multi-ground motion incremental dynamic analyses. Engineering Structures, 31(8), 1789-1799.
)).
En la realización de los cálculos, la distribución de carga lateral no se mantiene constante, sino que se actualiza continuamente durante el análisis, de acuerdo con las formas modales y los factores de participación derivados del análisis de valor propio en cada paso del proceso de cálculo. Este método es multimodal, y explica el ablandamiento de la estructura, el alargamiento de su período y la modificación de las fuerzas de inercia debido a la amplificación espectral.
La actualización constante de los patrones de carga
lateral de acuerdo con las propiedades modales que cambian
constantemente el sistema, proporciona mejores estimaciones de respuesta
que los métodos convencionales, especialmente en los casos en que
existen irregularidades de resistencia o rigidez en la estructura y/o
los efectos de modo más altos (por ejemplo; Crowley et al. 2008 (63(63)
Crowley, H., Borzi, B., Pinho, R., Colombi, M., & Onida, M. (2008).
Comparison of Two Mechanics-Based Methods for Simplified Structural
Analysis in Vulnerability Assessment.Advances in civil Engineering.
)).
El
algoritmo adaptativo que se implementa en SeismoStruct, es muy flexible
y puede aceptar varios parámetros diferentes que se adaptan a los
requisitos específicos de cada proyecto en particular. Son ejemplos, los
métodos de combinación modal SRSS y CQC (Chopra, A. K., 1995 (64(64) Chopra, A. K. (1995).Dynamics of structures theory and.
)).
Este
análisis, permite calcular la capacidad de resistencia horizontal
máxima de estructuras cuya respuesta dinámica no se ve afectada
excesivamente por los niveles de deformación experimentados. Es decir,
la distribución de fuerzas horizontales que simulan la respuesta
dinámica se puede suponer constante. El análisis Push-over es uno de los
cuatro procedimientos de análisis incorporados en FEMA 356/ASCE 41, que
se utilizan en enfoques de diseño basados en el rendimiento. Para los
lectores interesados, se puede encontrar una descripción detallada del
método en (25(25)
López-Almansa, F., Domínguez, D., & Benavent-Climent, A. (2013).
Vulnerability analysis of RC buildings with wide beams located in
moderate seismicity regions. Engineering structures, 46, 687-702.
, 65(65) Paulay, T., & Priestley, M. N. (1992). Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings.
).
La metodología seguida en este trabajo, concentra las fallas de los pórticos en las rótulas plásticas que aparecen en las zonas cercanas a los nodos de cada elemento estructural (vigas y columnas). Los análisis se realizaron asumiendo una distribución de carga triangular. Este patrón de carga se incrementa proporcionalmente con un factor (λ · p) hasta que se alcanza la inestabilidad estructural. Para finalizar, en esta investigación se utiliza un control de respuesta correspondiente a un aumento en el desplazamiento de los nodos del piso superior.
Las figuras 4, 5, 6 y 7, muestran el comportamiento estático “no lineal” de los modelos analizados de 4, 8, 12 y 16 alturas respectivamente. Las gráficas representadas, permiten analizar el comportamiento elastoplástico de los pórticos previo al colapso. El comienzo de cada curva permite localizar el comportamiento elástico de las estructuras previo a una falla mayor. En la zona elástica, se apreciaron pequeñas diferencias entre los diferentes casos analizados. Sin embargo, a medida que aumenta la fuerza aplicada, las diferencias de desplazamiento son mayores entre los diferentes modelos para el mismo nivel de carga. Durante el aumento de la carga inicial, previa a la primera falla importante, son los muros de relleno los que soportan las fuerzas de corte de las estructuras. Estos elementos, aumentan la rigidez inicial de la estructura, haciendo fallar posteriormente los elementos estructurales principales (vigas y pilares). Esto se observa con una pérdida importante en la rigidez estructural inicial, una vez que se alcanza la resistencia máxima (tabla 5). Por otra parte, se puede ver como el comportamiento estructural de los pórticos con muros, una vez alcanzado el cortante máximo, tiende a igualarse con las estructuras sin muros. Esto se debe a que los muros colapsan antes que los elementos principales del pórtico (vigas y pilares), que son los que soportan la estructura.
Tipo de pórtico | Kelas (kN/m) | Keff (kN/m) | Kelas / Keff |
---|---|---|---|
4-NW | 3147 | 1928 | 1.63 |
4-WTB | 88877 | 84898 | 1.04 |
4-WAB | 56256 | 30072 | 1.87 |
4-WVB | 53408 | 28550 | 1.87 |
8-NW | 1996 | 1275 | 1.56 |
8-WTB | 44042 | 31540 | 1.39 |
8-WAB | 19600 | 9820 | 1.99 |
8-WVB | 18776 | 9531 | 1.97 |
12-NW | 973 | 427 | 2.27 |
12-WTB | 25323 | 23070 | 1.10 |
12-WAB | 19728 | 7705 | 2.56 |
12-WVB | 19884 | 9582 | 2.07 |
16-NW | 803 | 354 | 2.26 |
16-WTB | 20826 | 18070 | 1.15 |
16-WAB | 15680 | 6190 | 2.53 |
16-WVB | 15537 | 7069 | 2.19 |
La plasticidad en las curvas de capacidad se genera principalmente por las grietas producidas en el hormigón de los muros de relleno y a la plasticidad del refuerzo de acero existente en los elementos estructurales primarios. Estos efectos, se determinan por la formación de rótulas plásticas en cada uno de estos elementos. El mayor o menor número de rótulas que se forman determinará la longitud de estas curvas y la ductilidad de las edificaciones.
Las siguientes tablas (tabla 6 - 9tabla 6, 7, 8, 9), muestran los resultados estructurales obtenidos de las curvas de capacidad para cada uno de los pórticos. Los valores concernientes a la fuerza cortante de plastificación en la base del pórtico (Fy) y al desplazamientos de plastificación en la parte superior del pórtico (δy), se han obtenido a través del sistema de áreas semejantes explicado en ATC-40, mientras que los valores concernientes a la fuerza cortante última en la base del pórtico (Fu) y al desplazamiento último en la parte superior del pórtico (δu) corresponden al punto de la curva donde la estructura sufre un descenso importante en su resistencia. Los valores de ductilidad (μ), se obtienen de la relación existente entre la deformación última (δu) y la plástica (δy).
Tipo de bloque | δy (m) | δu (m) | Fy (kN) | Fu (kN) | μ |
---|---|---|---|---|---|
4-NW | 0.149 | 0.268 | 469 | 517 | 1.80 |
4-WTB | 0.018 | 0.022 | 1626 | 1858 | 1.20 |
4-WAB | 0.026 | 0.056 | 1474 | 1685 | 2.14 |
4-WVB | 0.027 | 0.058 | 1453 | 1657 | 2.13 |
Tipo de bloque | δy (m) | δu (m) | Fy (kN) | Fu (kN) | μ |
---|---|---|---|---|---|
8-NW | 0.298 | 0.517 | 595 | 660 | 1.74 |
8-WTB | 0.038 | 0.063 | 1669 | 1994 | 1.67 |
8-WAB | 0.086 | 0.193 | 1674 | 1895 | 2.25 |
8-WVB | 0.088 | 0.196 | 1643 | 1868 | 2.23 |
Tipo de bloque | δy (m) | δu (m) | Fy (kN) | Fu (kN) | μ |
---|---|---|---|---|---|
12-NW | 0.368 | 0.968 | 359 | 413 | 2.62 |
12-WTB | 0.056 | 0.080 | 1421 | 1846 | 1.43 |
12-WAB | 0.082 | 0.233 | 1608 | 1798 | 2.86 |
12-WVB | 0.071 | 0.177 | 1414 | 1696 | 2.49 |
Tipo de bloque | δy (m) | δu (m) | Fy (kN) | Fu (kN) | μ |
---|---|---|---|---|---|
16-NW | 0.479 | 1.260 | 384 | 446 | 2.63 |
16-WTB | 0.080 | 0.113 | 1664 | 2048 | 1.42 |
16-WAB | 0.106 | 0.300 | 1662 | 1857 | 2.83 |
16-WVB | 0.107 | 0.260 | 1661 | 1838 | 2.43 |
6. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
⌅El añadido de muros, aumenta significativamente la rigidez de los pórticos. El añadido de aditivos de madera en los bloques que conforman los muros disminuye la rigidez de los muros respecto de los bloques tradicionales, pero, sin embargo, aumenta la relación existente entre la rigidez plástica y elástica, prácticamente duplicándose.
Por otra parte, el añadido de aditivos de madera en la composición de los bloques rigidiza significativamente los pórticos, pero, sin embargo, produce un aumento en los desplazamientos elásticos y últimos respecto a los bloques tradicionales. Esto se traducirá en un mejor desempeño de la estructura frente a los movimientos sísmicos. Esta mejora, aumenta con el número de alturas de los pórticos.
La adición de aserrín o virutas de madera disminuye la densidad de los hormigones utilizados en la confección de los bloques. En este caso, la inclusión de aserrín y viruta disminuyó el peso de los bloques un 15%, lo que se concluye en una reducción de las fuerzas sísmicas.
En este estudio, los valores obtenidos de los ensayos de laboratorio, se compararon con los requisitos establecidos en las Normas del código estructural chileno (NCh181). En este sentido, todos los materiales utilizados en este trabajo cumplen con los requisitos establecidos por el cemento NCh148 (1969), los agregados NCh163 (2013) y los estándares de características del agua NCh1498 (1982). La selección de este país es debido a la exigencia estructural de sus Reglamentos, haciendo cumplir los requisitos establecidos por otros reglamentos internacionales, como los Estados Unidos (ASTM 2004), México (NTC-M 2004), España (CTE DEB SE F 2006) o el Eurocódigo 6 (2005), entre otros.
En lo referente a los análisis estructurales efectuados a los pórticos, la resistencia de los mismos con el añadido de aditivos de madera disminuye la capacidad resistente de los mismos, pero mejora su comportamiento dúctil.
En este documento se ha estudiado el comportamiento estructural de los pórticos a través de análisis estáticos lineales (Normativa) y no lineales (Push-over). Desde el punto de vista del diseño sísmico, uno de los atributos más importantes de los materiales es su ductilidad, que refleja la capacidad de absorción y la disipación de energía que una estructura puede tomar antes de colapsar. En este sentido, un edificio debe disipar la energía que el movimiento del suelo le transfiere durante un terremoto. La forma más efectiva de hacerlo es mediante la deformación lateral y el deterioro local: daños internos donde la energía transferida a los materiales se convierte en calor. Si durante un episodio sísmico se alcanzara la deformación horizontal máxima estimada del análisis estático no lineal (Push-over), la estructura podría colapsar. Precisamente, la mayor o menor deformación que un terremoto exige en una estructura, se expresa en términos de ductilidad.
El comportamiento estático “no lineal” (Push-over) de los edificios con muros de relleno con bloques con aditivos para madera, mostró una mejora desde el punto de vista dúctil respecto de los muros ordinarios, haciendo estructuras más eficientes desde el punto de vista de disipar energía. En particular, una mayor flexibilidad en estos elementos disminuye la rigidez edificatoria, mejorando su rendimiento estructural. Además, cuanto más altos son los edificios, más significativa es la mejora.
La inclusión de muros en los pórticos, mejora significativamente la resistencia de los mismos desnudos. La diferencia de resistencias de los pórticos con muros de relleno respecto de los desnudos aumenta con la altura, produciéndose aumentos de 3 a 4 veces en los pórticos de 4 y 8 alturas y de 4 a 5 veces en los pórticos de 12 y 16 alturas.
La inclusión de muros de relleno de bloques tradicionales disminuye la ductilidad de los pórticos un 33%, un 4%, un 45% y un 46% en los pórticos de 4, 8, 12 y 16 alturas respectivamente. Sin embargo, la inclusión de bloques con agregados de aserrín aumenta la ductilidad de las construcciones un 19%, un 29%, un 9% y un 8% en los pórticos de 4, 8, 12 y 16 alturas respectivamente.
Los cortantes basales últimos obtenidos de los cálculos normativos para los edificios sin muros son más restrictivos que los análisis Push-over realizados. Sin embargo, la inclusión de muros de relleno en los pórticos mejora el comportamiento sísmico de las construcciones, aumentando significativamente y haciendo mayores los cortantes basales respecto de los análisis Normativos. Además, ninguno de los pórticos con muros, teniendo en cuenta los cortantes obtenidos de las Normativas llega a plastificar.
Los desplazamientos máximos de los pórticos con muros disminuyen significativamente respecto de los pórticos desnudos. Sin embargo, la inclusión de muros de relleno con bloques con agregados de madera aumenta la capacidad de deformación en casi 3 veces las deformaciones respecto de los muros realizados con bloques tradicionales. De igual manera, las deformaciones plásticas aumentan con la inclusión de bloques con agregados de madera.
La utilización de bloques con agregados de madera en los muros de relleno aumenta la relación existente entre rigideces elásticas y efectivas. Este aumento es más significativo a medida que los pórticos aumentan de altura.
7. CONCLUSIONES
⌅La resistencia de los pórticos se incrementa considerablemente con la utilización de muros de relleno.
La ductilidad de los pórticos disminuye con el uso de bloques tradicionales, sin embargo, el uso de los agregados de madera en la composición de los bloques, mejora significativamente esta propiedad. Esta ductilidad se incrementa con el aumento de alturas de las construcciones.
La normativa sismorresistente europea (EC-8) es levemente más restrictiva que la Normativa española (NCSE-02).
Los cortantes basales obtenidos en los análisis estáticos no lineales (Push-over) en los pórticos desnudos no cumple con los requisitos estructurales de las Normativas sismorresistentes. Sin embargo, la utilización de muros de relleno en los pórticos cumple con las exigencias de las Normativas sismorresistentes utilizadas en esta investigación.
La utilización de agregados de madera en los bloques de hormigón no afectaría significativamente en la resistencia de los pórticos con muros tradicionales. Sin embargo, las mejoras dúctiles de los bloques con agregados de madera, acompañadas de la reducción de peso de las edificaciones, podrían ser beneficiosas para el comportamiento sísmico de las edificaciones.
Finalmente, desde una perspectiva económica, la introducción de derivados de madera en el hormigón podría reducir el costo de las edificaciones, disminuyendo la cantidad de material y haciéndolas más eficientes estructuralmente desde el punto de vista sísmico.
El presente estudio es meramente exploratorio. A priori, los bloques con agregado de aserrín parecen exhibir leves mejoras en los comportamientos estructurales desde un punto de vista sísmico que los bloques con viruta. Sin embargo, el autor considera que estos resultados pueden variar cuando se tienen en cuenta otros porcentajes de aditivos, tipos de madera o granulometrías de madera. Además, también se deben analizar otras resistencias del hormigón y el acero utilizadas, así como otro número de pisos y/o configuraciones de edificios, para encontrar las dosis óptimas aplicables a una variedad más amplia de contextos. Como se puede observar, el número de combinaciones posibles para verificar es enorme. Por lo tanto, es previsible que sean necesarios varios estudios adicionales para cubrirlos a todos.