MANUAL DE DISEÑO DE ELEMENTOS NO
ESTRUCTURALES
Por:
Luis Javier Arenas Correa
Revisado:
Ing. Juan Carlos Botero Palacio
Universidad Eafit
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Civil
Medellín
2009
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manual constructivo de elementos no estructurales, Guías, Proyectos, Investigaciones de Arquitectura
manual constructivo de elementos no estructurales
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2018/2019
1 / 83
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MANUAL DE DISEÑO DE ELEMENTOS NO
ESTRUCTURALES
Por:
Luis Javier Arenas Correa
Revisado:
Ing. Juan Carlos Botero Palacio
Universidad Eafit Facultad de Ingeniería Ingeniería Civil Medellín
1. INTRODUCCIÓN
Al presentarse un evento sísmico se generan cargas que son transmitidas de forma directa o indirecta, a la estructura y a los elementos no estructurales, que hacen parte de esta, como lo son: acabados, elementos arquitectónicos y decorativos, instalaciones hidráulicas y sanitarias, instalaciones eléctricas, instalaciones de gas, equipos mecánicos e instalaciones especiales, muros, etcétera, los cuales dependiendo la magnitud de la fuerza sísmica pueden presentar diferentes patologías según el grado de severidad.
Particularmente, cuando un elemento no estructural no ha sido diseñado previamente, puede generar desprendimiento de las fachadas, caídas de los antepechos o áticos, fisuras de magnitud considerable en muros, volteo de muros; siendo estos efectos de alta peligrosidad para la vida humana y generando sobrecostos importantes en la continua reparación y rehabilitación de dichos elementos. De allí radica la necesidad y la obligación de presentar un análisis y diseño de estos.
En la actualidad, la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica propone la reforma de las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistentes, NSR-98, que llevarán como título NSR-09, en la cual se plantean nuevas expresiones para el diseño de la mampostería no reforzada. En este trabajo se hace una comparación de los resultados obtenidos mediante la aplicación de las dos normas (NSR-98 y NSR-09).
El presente trabajo corresponde a un manual de diseño mampostería no reforzada, que pretende agilizar la metodología de cálculo y diseño, y consta de investigación, recopilación, detalles y presentación de un ejemplo de diseño, además de difundir los requerimientos mínimos que deben adoptarse en los diseños de nuestras edificaciones según la normatividad vigente, y especialmente haciendo que éstas sean seguras y económicas ante la posible ocurrencia de un evento sísmico.
3. PATOLOGÍA
Cuando los elementos no estructurales no son diseñados para absorber las cargas sísmicas a las cuales pueden ser expuestos, sufren daños de bajo, medio y alto nivel. Estos daños pueden percibirse fácilmente, ya que su estructura física se ve alterada por fisuras de gran variabilidad de tamaños, pero se debe tener presente que los daños pueden llegar a ser contundentes, al punto de que este elemento no estructural (muro en mampostería de arcilla cocida, elemento en el cual se enfoca detalladamente este manual) deba de ser reparado, y al instante de verse expuesto a un evento severo la posibilidad de ser derribado por la misma fuerza sísmica a la cual se vea expuesto.
A continuación se presentarán casos típicos de daños en muros de mampostería, definiendo su patología, mostrando las características y la magnitud de cada daño, y en los casos más significativos, se ilustrará la apariencia típica de este elemento dañado por la acción de las fuerzas sísmicas. (AIS, Junio de 2004).
3.1. MURO MACIZO (SÓLIDO), FISURACIÓN POR FLEXIÓN,
APLASTAMIENTO DE BORDE Ó DESLIZAMIENTO DE JUNTA
Debido a la fuerza sísmica que absorbe un muro de este tipo, puede sufrir daños leves presentando fisuras horizontales muy delgadas, en el borde a tracción una posible fisuración diagonal y un descascaramiento menor en el borde a compresión. A medida que la fuerza sísmica se va incrementando, el daño puede ser moderado, donde se presentan fisuras horizontales y descascarado del mortero en las juntas de la base del muro indicando que ha ocurrido un corrimiento en el plano de hasta aproximadamente 6 mm, con una posible fisuración diagonal y descascaramiento en el borde a compresión, siendo visible que las fisuras se extienden hacia arriba varias hiladas, con otro grupo de fisuras diagonal en la parte superior del muro, teniendo inclusive destrucción de unidades. En el caso de un daño fuerte, se presentan grietas en las juntas horizontales cerca de la base del muro con características semejantes al daño moderado pero con un ancho de hasta 12 mm, con una posible fisuración diagonal y descascaramiento en el borde a compresión.
La apariencia típica que suelen adoptar estos elementos luego de ser sometidos a una carga sísmica se observan en la figura 1.
Figura 1. Daños en muros macizos
3.2. MURO SÓLIDO, FISURACIÓN POR FLEXIÓN O APLASTAMIENTO DEL
BORDE INFERIOR
Cuando se presentan daños leves en este tipo de muros, la patología que se manifiesta son fisuras horizontales en las juntas de pega en el borde inferior del muro, en estas fisuras se analiza y se contempla que son fisuras horizontales en 1 a 3 grietas en la parte central del muro. Teniendo claro que no ha habido corrimiento del muro a lo largo de la grieta. No hay fisuras de unidades. En el momento que el daño se incremente y se dé del orden de leve y moderado, no se tienen evidencia de alguna consecuencia o manifestación de ningún tipo de falla en el elemento. En el caso de que se incremente la intensidad y se manifieste un daño de tipo fuerte, el elemento presenta fisuras horizontales en la junta de pega en el extremo inferior del muro, estas fisuras horizontales se encuentran ubicadas 1 a 3 grietas en la parte central de muro, con un posible corrimiento a lo largo de la grieta, siendo posible la manifestación de una fisuración diagonal en el borde inferior del muro, posiblemente a través de las unidades, con algo de descascaramiento. El caso más extremo se da cuando los daños son de tipo severo. En esta instancia se presentan fisuras horizontales en la junta de pega en el borde inferior del muro, además de fisuras horizontales en la parte central del muro, con corrimiento a lo largo de la grieta, y adicionalmente una fisuración diagonal en el borde inferior del muro, posiblemente a través de las unidades, con algo de descascaramiento. En el caso específico que los muros posean una
relación de esbeltez, (^) 〉〓 > 1.5 , (siendo L la longitud del muro y H la altura de este
mismo), se presentan fisuras en la parte superior, y fisuras verticales de menores dimensiones. La apariencia típica que suelen adoptar estos elementos luego de ser sometidos a una carga sísmica, se muestra en la figura 2.
Figura 2. Fisuras en muro sólido por flexión.
La apariencia típica que suelen adoptar estos elementos luego de ser sometidos a una carga sísmica, se observa en la figura 4.
Figura 4. Muro diafragma, comportamiento de aplastamiento de esquinas
3.5. MURO DIAFRAGMA (RELLENO DE PÓRTICO), DESLIZAMIENTO DE
JUNTAS
En este tipo de elementos cuando se presenta un daño mínimo, se presenta un aplastamiento del mortero alrededor del perímetro del pórtico, cerca de las esquinas. Para el caso de un daño moderado, hay un aplastamiento del mortero y fisuración de unidades en zonas más amplias, adyacentes a la viga y columnas. En el instante que se presente un caso de mayor intensidad clasificado como fuerte, se presenta un significante aplastamiento del mortero y de las unidades que se extienden alrededor de casi todo el perímetro del pórtico, con mayor importancia a lo largo de la altura de las columnas.
La apariencia típica que suelen adoptar estos elementos luego de ser sometidos a una carga sísmica, se ilustra en la figura 5.
Figura 5. Muro diafragma, deslizamiento de juntas
3.6. MURO DIAFRAGMA (RELLENO DE PÓRTICO), TRACCIÓN DIAGONAL
En el caso que este elemento se somete a fuerzas sísmicas mínimas muy leves, se presenta fisuración en las diagonales de la mampostería, especialmente asociada con rotura de adherencia entre el mortero y las unidades, generando una fisuración concentrada en el centro del muro. Diferente al caso considerado como moderado en el cual se presenta una fisuración en escalera a todo lo largo de sus diagonales, puede observarse algún aplastamiento del mortero. Las fisuras no se abren por el confinamiento que ejerce el pórtico.
Al incrementarse la intensidad de la fuerza sísmica el daño es considerado de magnitud fuerte, en este caso las fisuras se anchan hasta unos 3 mm, asociadas más que todo, con aplastamiento en las esquinas. Es evidente mucha pérdida de mortero generalmente aparece más de una fisura. Porciones enteras de muro pueden correrse lateralmente.
La apariencia típica que suelen adoptar estos elementos luego de ser sometidos a una carga sísmica, se muestra en la figura 6.
Figura 6. Muro diafragma, tracción diagonal
3.7. MURO DIAFRAGMA (RELLENO DE PÓRTICO), APLASTAMIENTO DE
ESQUINAS Y FISURACIÓN DIAGONAL
Al presentarse un daño mínimo en este elemento, se presenta una separación del mortero a lo largo de la viga, además una fisuración en las juntas de pega. En el caso de que el daño sea considerado como moderado para un pórtico dúctil con viga fuerte-columna débil, fluye primero la viga, y primero se rompen las unidades de las esquinas por compresión donde pueden aparecer fisuras diagonales en los nudos. Pasando de intensidad, en el caso de un daño fuerte, aparece una abundante fisuración de vigas y columnas. Con una fisuración diagonal que atraviesa las unidades y descascaramiento de caras de las unidades en las esquinas.
Al momento de definir el origen de una patología, se recomienda analizar todos los factores y agentes que participan en el proceso de la construcción de la unidad o elemento, que para este caso es el muro de mampostería no reforzada, garantizando que los procesos hayan sido ejecutados de manera adecuada, tanto el proceso de diseño como el mismo procedimiento técnico, y avalando la calidad de los materiales e insumos utilizados.
Dado que el diseño de elementos no estructurales, posee un grado de incertidumbre debido a la intensidad de un evento sísmico pueden presentarse daños los cuales se espera que sea de un nivel bajo y/o moderado.
Para el caso especifico de este manual, los muros no estructurales son aquellos fabricados con unidades de arcilla cocida, y están unidos en su conjunto por un mortero de pega típico utilizado en la construcción de edificaciones, luego de estar unidos como un sistema y comportarse como un elemento o unidad, se ve sometido o expuesto a cargas sísmicas, para las cuales como lo exige la normatividad, en la actualidad: Normas colombianas de diseño y construcción sismo resistente NSR-98, deben ser diseñados y estar en capacidad de absorber y soportar las cargas a las que sea sometido, claro está, desde que sean menores o iguales a las de diseño. Por ello cuando es sometido a una carga mayor, se evidencia la ocurrencia de patologías que dependiendo de la intensidad y grado de la fuerza, hacen que sea catalogado en una escala de daños. El muro de mampostería no estructural es diseñado para que pueda trabajar de manera independiente a la estructura, teniendo la capacidad de absorber, soportar y disipar esta fuerza que se le aplica sin que presente daño alguno.
Ya que se conoce el proceso que atraviesa el elemento (diseño y construcción, bajo el régimen de la normatividad), debe tenerse claro el material con el cual se está trabajando, ya que las unidades de mampostería de arcilla cocida (ladrillos), son elementos de variable presentación, como lo es: geometría, resistencia, composición físico-química, etc. Por ello, este manual dedica el siguiente capítulo a la exposición de la unidad de interés, presentando un listado de características, comportamiento y propuestas comerciales de la mampostería.
4. MATERIALES
Teniendo presente el objetivo principal de este manual, el diseño de elementos no estructurales, particularmente los muros de mampostería no reforzada, en el cual la unidad característica y material utilizado es la mampostería (ladrillos), que para el caso de la ciudad de Medellín tiene un comercio variado en características o descripciones que se soliciten para la utilización de este insumo.
El muro de mampostería no reforzada es utilizado de manera continua y repetitiva en las edificaciones de la actualidad, sin importar cual sea su uso o ubicación. El muro debe tener un diseño previo, con el cual se define el tipo de muro: reforzado o no reforzado, luego de esta definición se debe escoger el tipo de unidad de mampostería a utilizar y prever su disposición en el sitio, ya que estas unidades pueden ser de perforación horizontal o perforación vertical.
En la actualidad se está preparando la reforma del código colombiano de construcciones sismo resistentes NSR-98, bajo el nombre NSR-09. Debido a esto, la Asociación de Ingeniería Sísmica (AIS), ha hecho recomendaciones para que el comité 098 encargado de las normas técnicas de los ladrillos se encuentre revisando aquéllas unidades que se refieren a unidades de mampostería para muros, excluyendo aquella mampostería que se refiere a enladrillados y adoquinados. Esta revisión no incluye un estudio exhaustivo de la mampostería utilizada en fachada, pero los productores de mampostería deben de estar atentos a estas modificaciones y reglamentaciones que se van a hacer efectivas para la utilización y fabricación de este material.
Siendo efectiva y clara la norma, se ha dividido en tres partes:
- Unidades no estructurales.
- Unidades estructurales.
- Unidades para fachada. Esta parte solo se refiere a los requisitos que se aplican a las unidades que vayan a estar expuestas a la intemperie o a la vista, como acabado.
La norma (NSR-98 y NSR-09) presenta requisitos mínimos de calidad del producto, para los anteriores tipos de mampostería, dando así, una definición de competencia en la calidad y producción de las unidades de mampostería:
- Ladrillos no estructurales: “En cualquier caso e independientemente de que se cumplan los requisitos de las unidades de mampostería no estructural indicada para cada tipo de unidad, el dimensionamiento de los muros no estructurales y los procedimientos de cálculo, deben
unidades de mampostería deben cumplir ciertos requisitos para poder ser definidas como unidades de mampostería estructural o unidades simples no estructurales, dando a entender que las unidades de perforación vertical no son de uso exclusivo en elementos estructurales.
Tabla 2. Ladrillos no estructurales
LADRILLOS NO ESTRUCTURALES. Ancho (cm) Alto (mm) Tabique (mm) Pared (mm) # celdas/ancho # celdas/alto % vacíos Kg/m² 10 19 8.0 10 1 3 66.50% 60. 10 23 9.5 10 1 3 66.80% 59. 12 19 7.0 9 2 3 66.10% 73. 12 23 8.0 9 2 3 66.70% 71. 14 19 7.0 9 2 3 68.80% 78. 14 23 7.5 10 2 3 68.30% 79. 20 19 7.5 9 3 3 69.10% 111. 20 23 8.0 10 3 3 68.90% 112.
Tabla 3. Ladrillos estructurales
LADRILLOS ESTRUCTURALES. Ancho (cm) Alto (mm) Tabique (mm) Pared (mm) # celdas/ancho # celdas/alto % vacíos Kg/m² 10 19 12.5 16 1 3 50.10% 89. 10 23 12.5 16 1 3 53.20% 84. 12 19 12.5 16 2 3 44.20% 120. 12 23 12.5 16 2 3 47.00% 114. 14 19 12.5 16 2 3 48.40% 130 14 23 12.5 16 2 3 51.40% 122. 20 19 12.5 16 3 3 50.10% 179. 20 23 12.5 16 3 3 53.20% 168.
Tabla 4. Elementos de perforación vertical
Dimensión Clase I Clase II Ancho (mm) (^120 120 120 140 140 120 120 120 140 ) Largo (mm) 240 320 390 290 390 240 320 390 290 390 Pared exterior (Pe) mm 22 22 22 25 25 19 19 19 19 19 Tabique exterior (te) mm (^20 20 20 25 25 19 19 19 19 ) Tabiques interiores (t) mm (^) 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.
tabiques (^2 2 4 2 4 2 2 4 2 )
A. Bruta (cm²) (^288 384 468 406 546 288 384 468 406 ) A. Neta (cm²) 135.64 153.24 218.04 185 277.5 128.42 143.62 208.58 158.12 241. % vacíos 47.10% 39.91% 46.59% 45.57% 50.82% 44.59% 37.40% 44.57% 38.95% 44.21%
Los elementos no estructurales no cuentan con una abundante y detallada documentación en la literatura técnica de la cual pueda hacerse uso. Todos los artículos y documentos dedican sus ideas y objetivos a los elementos estructurales, por ello, la Asociación colombiana de ingería sísmica (AIS) propone la modificación y ampliación de la NSR-98 especialmente en este capítulo. Los elementos no estructurales deben fundamentarse en la ASTM C56 como antecedente.
Debe preverse el uso debido de las unidades, ya sean de perforación vertical u horizontal. Los ladrillos no estructurales de perforación vertical pueden ser combinados con estructurales de perforación vertical, exclusivamente cuando van a ser utilizados como piezas esquineras de muro (unidad que va al extremo de cada muro), y el muro tiene una disposición de aparejo trabado, ya que esta se ve expuesta repetitivamente al corte de la unidad para completar la longitud del muro. Esta unidad suele ser llamada unidad especial de perforación horizontal.
Dado la variabilidad del tipo de piezas que sean adquiridas para la ejecución e instalación en el sitio u obra, se hace énfasis en la necesidad de que los fabricantes de las unidades diferencien y marquen claramente cada tipo de unidad, con sus respectivas características; perforación horizontal ó perforación horizontal, además de la definición específica del tipo de uso, estructural o no estructural, anexando la resistencia promedio que resiste cada unidad.
En la utilización de unidades, el ladrillo vertical no estructural pesa mucho menos, tiene mayores áreas para el paso de instalaciones hidrosanitarias y eléctricas además facilita el amarre de los elementos no estructurales (dovelas). Los ladrillos de menor peso poseen ventajas importantes; como lo es el aprovechamiento racional de los recursos naturales (menor consumo de materia prima), mayores rendimientos en extrusión, secado, cocción y transporte, lo que redunda en un
- Ladrillo de perforación vertical:
- Ladrillos macizos:
El anterior conjunto de elementos se presentan de manera individual con el fin de ilustrar las unidades más comunes disponibles en el mercado, puesto que este mismo puede generar limitantes tanto para el diseño y/o abastecimiento en el sitio donde se requieran las unidades. A continuación, el manual de diseño de mampostería no reforzada, presenta el capítulo de clasificación de los muros según su uso, teniendo en cuenta que las unidades de mampostería pueden conforman diferentes sistemas (muros) dependiendo del método como que haya sido diseñado, siendo consecuente con la normatividad vigente.
5. CLASIFICACIÓN DE LOS MUROS SEGÚN SU USO
Los muros son elementos lineales, capaces de contener, cerrar o soportar cargas, recibiendo distintas denominaciones según su aplicación.
Para el análisis de este apartado se remitió al capítulo D de la normas colombianas de diseño y construcción sismo resistente colombiana NSR-98 y NSR-09, en el cual se hace exposición de los tipos, usos y combinaciones de mampostería permitidas para la construcción de edificaciones en nuestro país. El capítulo contiene la mampostería tanto en su uso estructural y su uso no estructural (capitulo D-9), por ello se nombrarán todos los tipos existentes permitidos, para luego hacer énfasis en el uso no estructural que es el tema principal de este manual de diseño de mampostería no reforzada.
“El capítulo D establece los requisitos mínimos de diseño y construcción para las estructuras de mampostería y sus elementos. Estas estructuras tienen un nivel de seguridad comparable a las estructuras de otros materiales, cuando se diseñan y construyen de acuerdo con los requisitos del reglamento.” (NSR-98 y NSR-09).
Ya que la normatividad presenta diferentes tipos de mampostería, y en vista de que el artículo trata uno de estos tipos detalladamente, se hace de vital importancia conocer las clases de mampostería que contiene el reglamento, de manera tal que se pueda diferenciar fácilmente cada uno de los tipos:
5.1. MAMPOSTERÍA DE CAVIDAD REFORZADA
Es la construcción realizada con dos paredes de piezas de mampostería de caras paralelas reforzadas ó no, separadas por un espacio continuo de concreto reforzado, con funcionamiento compuesto que cumple los requisitos de la norma. Este sistema estructural se clasifica, para efectos de diseño sismo resistente, como uno de los sistemas con capacidad especial de disipación de energía en el rango elástico (DES).
5.2. MAMPOSTERÍA REFORZADA
Es la construcción con base en piezas de mampostería de perforación vertical, unidas por medio de mortero, reforzada internamente con barras y alambres de acero que cumplen los requisitos de la norma. Este sistema estructural se clasifica, para efectos de diseño sismo resistente, como uno de los sistemas con capacidad especial de disipación de energía en el rango elástico (DES), cuando todas sus celdas se inyectan con mortero de relleno y como uno de los sistemas con capacidad moderada de disipación de energía en el rango inelástico (DMO),
requieren de un completo estudio y análisis, con el fin de garantizar estructuras confiables y seguras luego de la ocurrencia de un evento sísmico y se prevengan tanto los daños materiales como la pérdida de vidas humanas, que es el costo que en ningún momento se desea pagar por negligencia o el defecto en un análisis o diseño.
Se pretende hacer la descripción de la metodología de diseño de la mampostería no reforzada haciendo un paralelo entre las normatividad vigente (NSR-98) y la propuesta de reforma (NSR-09), debido a que ambas presentan unas diferencias conceptuales.
6. METODOLOGÍA DE DISEÑO DE LA
MAMPOSTERÍA NO REFORZADA
Para la definición y exposición de toda la temática de metodología de diseño, se adopta una exposición comparativa y clarificadora de cómo el reglamento vigente NSR-98 y la propuesta de la reforma NSR-09, poseen similitudes, pero además, se enmarcan las nuevas propuestas y mejoras que posee la NSR-09, dando claridad que toda reforma que se presente, se hace con el fin de dar mejoras, análisis más simples, concretos, confiables en la propuestas de diseño y requerimientos que deben adoptarse para todo este nuevo tipo de elementos.
6.1. MUROS DE MAMPOSTERÍA NO REFORZADA
La mampostería no reforzada se clasifica como tal, si cumple los requerimientos que a continuación se numeran, además debe cumplir lo establecido en el capítulo D-1 (NSR-98 y NSR-09); donde se definen los requerimientos mínimos que debe cumplir un diseño de mampostería no estructural, haciendo que este tenga continuidad y sea acorde a todo el reglamento, es decir, se cumplen artículos concadenados, como lo son: se debe cumplir con los requisitos generales del capítulo D-1, las normas y procedimientos del capítulo D-2, las especificaciones para materiales del capítulo D-3 y los requisitos de construcción del capítulo D-4, todos los anteriores capitulo pertenecen al reglamento (NSR-98 y NSR-09), de este último capítulo no se hará énfasis ya que lo relevante en el artículo son los métodos de diseño de elementos no estructurales sin enfocarse en la parte constructiva explícitamente.
6.1.1. REQUISITOS GENERALES
- Alcance: se establece los requisitos mínimos de diseño y construcción para las estructuras de mampostería y sus elementos. Estas estructuras tienen un nivel de seguridad comparable a las estructuras de otros materiales, cuando se diseñan y construyen de acuerdo con los requisitos del presente reglamento (NSR-98 y NSR-09), se debe cumplir con un diseño especifico para los siguientes elementos (ver tabla 5):