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Ingeniería e Investigación

versão impressa ISSN 0120-5609

Ing. Investig. v.29 n.3 Bogotá set./dez. 2009

 

Comportamiento de pórticos en Guadua angustifolia, rigidizados mediante páneles prefabricados en bahareque

Guadua angustifolia frames' performance when stiffened with precast adobe panels

Juan Carlos Herrera Martinez1 y Caori Patricia Takeuchi Tam2


1 Ingeniero civil, Universidad de Cartagena, Colombia. M.Sc., en Estructuras, Universidad Nacional de Colombia. Revisor y diseñador estructural jefatura de ingenieros del Ejercito. jcherreram@unal.edu.co, juanhe@ejercito.mil.co
2 Ingeniera civil y M.Sc., en Estructuras, Universidad Nacional de Colombia. Profesora, Universidad Nacional de Colombia. cptakeuchit@unal.edu.co


RESUMEN

Después del sismo de 1999 en Armenia, el estudio del comportamiento estructural de los sistemas de bahareque en Colombia toma relevancia debido al buen comportamiento que éstos presentaron ante el evento sísmico. Los estudios buscaban la tecnificación en la construcción de viviendas en bahareque y brindar los requisitos mínimos para obtener un grado adecuado de sismorresistencia y evitar así el colapso; además si se tiene en cuenta que la guadua es un material económico y rentable, social y culturalmente aceptado en una amplia región del país, se estaría en presencia de un material alternativo y no convencional que con la identificación de sus limitaciones y un adecuado uso permitiría su implementación en la fabricación de viviendas económicas, funcionales y seguras. Lo anterior motivó la presente investigación, en donde se hizo una evaluación experimental de un sistema de pórtico en guadua escala 1:1 rigidizado mediante la adición de dos tipos de páneles prefabricados de bahareque y ensayado ante cargas horizontales. Se halló la capacidad de disipar energía del pórtico y el aporte a la rigidez al adicionar los páneles, obteniendo resultados bastante alentadores, en donde se redujeron derivas en aproximadamente un 50% y se aumentó la resistencia del sistema en más de un 40%. Paralelamente, se realizaron modelos matemáticos para comparar resultados experimentales con resultados analíticos. Los modelos experimentales fueron construidos y ensayados en el Laboratorio de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia.

Palabras clave: guadua, pórtico, páneles, bahareque, rigidez.


ABSTRACT

Studying the structural behaviour of adobe systems in Colombia became extremely relevant after the 1999 earthquake in Armenia due to these systems' good performance during seismic events. These studies were aimed at modernising adobe house construction (by increased use of technology) and providing minimum requirements for them having a suitable degree of seismic resistance, thereby avoiding their collapse. Besides, if it is taken into account that guadua (the main material used in these systems) represents a cheap and profitable material which is socially and culturally-accepted in most of the country, then one has an alternative, unconventional material available which may be suitably used in constructing cheap, functional and safe housing (its limitations and best use having been identified). The foregoing gave rise to the present investigation in which an experimental evaluation was made of a guadua frame system using two types of prefabricated panels in adobe, under horizontal load. Two fullscale frames were built with guadua at the Universidad Nacional de Colombia's School of Engineering in Bogota; the frames' ability to dissipate energy and support inbuilt rigidity (by stiffening them with precast adobe) was tested and strength-deformation curves were experimentally found. Extremely encouraging results were obtained as drift was reduced by roughly 50% and the system's resistance was increased by more than 40%. Mathematical models were also constructed for comparing experimental reults with analytical ones.

Keywords: guadua, frame, adobe walls, strength.


Recibido: noviembre 11 de 2008
Aceptado: octubre 15 de 2009

Introducción

En un sistema de pórticos se tiene la unión entre un elemento de viga y un elemento de columna de tal manera que el pórtico es capaz de tomar fuerzas verticales, horizontales y momentos. Como sistema estructural de resistencia sísmica, el sistema de pórticos presenta una serie de ventajas ante los sistemas de muros, ya que no requiere una estricta continuidad vertical, regularidad en planta y altura, siendo arquitectónicamente más atractivo por permitir una mayor facilidad de distribución en los espacios.

Lo anterior, sumado a que la norma NSR-98 (AIS, 2002) no contempla los pórticos en guadua como sistema sismorresistente, y también por el creciente auge de utilizar sistemas constructivos en guadua, se empezó a realizar una serie de investigaciones que buscaban tecnificar un sistema constructivo modular que fuera económico, estéticamente atractivo y seguro, y que permitiera desarrollar una solución de vivienda. La primera investigación fue desarrollada por el Ing. Fabián Lamus (2008), quien diseñó y estudió el comportamiento estructural ante cargas horizontales del pórtico tipo utilizado en esta investigación. Lamus encontró que la unión viga-columna propuesta para el pórtico tenía un comportamiento de unión semirrígida con una constante de 60 KN-m/rad. Como se esperaba, se halló en dicha investigación que las deflexiones del pórtico tipo ante cargas horizontales eran grandes.

Para controlar las deflexiones excesivas del sistema de pórticos en guadua se realizó esta investigación en donde se adicionaron al pórtico páneles estructurales en bahareque de dos tipos: encementados y de tiras en guadua.

El objetivo general de esta investigación fue determinar el comportamiento estructural del sistema combinado de paneles en bahareque y pórticos en guadua y cuantificar el aporte a la rigidez que los páneles daban al sistema, con el fin de implementar este sistema combinado en la construcción de viviendas modulares.

Materiales y modelos físicos

Materiales

Se caracterizaron los materiales utilizados para la construcción de los pórticos y páneles. En la tabla 1 se encuentran las propiedades encontradas para la guadua utilizada en la fabricación de los pórticos y paneles; en la tabla 2 se describen las propiedades de la madera de los marcos de los páneles, y en la tabla 3 se resumen las propiedades del mortero de recubrimiento de los páneles.

Topología del pórtico

Los pórticos tenían una altura de 4,70 m, un ancho exterior de 4,00 m y una luz libre entre columnas de 3.70 m. Estaban conformados por culmos de Guadua angustifolia, cuyas propiedades mecánicas y físicas se encuentran en la tabla 1 con diámetros entre 100 mm. y 110 mm; espesores entre 10 y 16 mm; longitudes de 4,70 m para elementos de columna; 4,00 m para elementos de viga; 0,50 m para los separadores entre vigas y 0.35 m. para los separadores en columnas (Figura 1).

Las columnas estaban conformadas por 4 elementos de guadua de 4,70 m de longitud. Tenían 8 separadores de 0,35 m de longitud; 2 localizados en la mitad de la altura del primer, 2 en la mitad de la altura del segundo piso, formando una cruz para ambos casos, y los otros 4 se localizaron en la parte superior e inferior de cada viga que conformaba el nudo. Las vigas estaban compuestas por 2 elementos de guadua de 4,00 m de longitud. Éstas tenían 4 separadores de 0,50 m de longitud distribuidos a longitudes equidistantes cada 0,72 m. La unión entre la viga y la columna se realizó por medio de pasadores de acero roscado de ½ pulgada de diámetro y 240 Mpa de resistencia. El nudo tenía 10 pasadores o pernos, de aproximadamente 0,40 m de longitud. Además, para evitar falla por corte, poseía 6 zunchos en platinas metálicas de ½ pulgada de ancho y 0,03 pulgadas de espesor, 4 en las columnas y 2 en las vigas.

Especímenes ensayados

Páneles prefabricados

El panel de 0,90 m x 2,00 m constaba de una estructura interna y otra externa. La estructura interna estaba conformada por la diagonal; los pie derechos en guadua, de 100 mm de diámetro y 10 mm de espesor promedio; el marco en madera tipo Sajo, cuyas propiedades físicas y mecánicas se encuentran en la tabla 2, los parales y las soleras en listones de 50 mm x 100 mm (Figura 2). La estructura externa consistió en el recubrimiento, el cual fue de dos tipos: en bahareque encementado (Ver propiedades físicas y mecánicas del mortero en tabla 3) y en tiras de guadua sin cepillar.

Sistema panel - pórticos

Al pórtico descrito se le instalaron los páneles prefabricados en bahareque encementado y tiras de guadua. Se requirió fabricar un panel de menores dimensiones, 0,90 m x 1,80 m para el nivel superior del pórtico. Los páneles se localizaron en el pórtico de tal manera que sus diagonales formaran cruces.

Montaje e instrumentación del ensayo

Páneles

El panel se atornilló en dos puntos en la solera inferior, a un perfil metálico tipo MC, que a su vez se apoyaba en un perfil metálico tipo W, se adicionaron platinas de 1" de espesor que al entrar en contacto con los perfiles tubulares que se colocaban en los extremos del perfil W mejoraban la fijación de todo el sistema al marco de carga (Figura 3).

La instrumentación del panel para medir los desplazamientos se hizo con flexómetro en la solera superior y deformímetro mecánico en la solera inferior. Los páneles fueron cargados como se muestra en la Figura 4.

Pórticos

La instrumentación del pórtico se hizo colocando un flexómetro en el nudo superior y en el nudo intermedio del pórtico. Igualmente, las zapatas fueron instrumentadas con deformímetros para corregir las lecturas por movimiento vertical y horizontal de éstas. El pórtico fue cargado como se muestra en la Figura 4.

Anclaje sistema panel - pórtico

Páneles

La cimentación para los páneles en el sistema panel-pórtico consistió en un muro corrido en mampostería conformada por tres hiladas de ladrillos tolete de 0,4 m de longitud y 0,1 m de espesor, las celdas fueron rellenadas con concreto de 3.000 psi y tenían los pernos que servirían como anclaje para los páneles; se rellenaron en 8 celdas. La altura total de la cimentación fue de 0,33 m (Figura 5).

Pórticos

El pórtico descansaba sobre dos zapatas de 0,80 x 0,80 m de área transversal, de donde salía un pedestal en forma de cruz de 0,15 m de espesor y 0,50 m de alto. El pórtico se ancló a la cimentación por medio de 8 pasadores de aproximadamente 0,50 m de longitud. A su vez la cimentación se ancló al piso para evitar giros y movimientos traslacionales excesivos al ser ensayado (Figura 6).

Ensayos de laboratorio

Se realizaron ensayos de carga y descarga horizontal en una dirección; en la tabla 4 se resumen el tipo y la cantidad de ensayos.

Modelación numérica

Se elaboraron modelos numéricos lineales para intentar reproducir y verificar el comportamiento estructural obtenido en el ensayo de los páneles y pórticos. Se ingresó al programa el módulo de elasticidad, densidad y relación de Poisson. Se realizaron dos modelos para cada sistema ensayado: un modelo 1 simple y un modelo 2 más complejo. Los modelos numéricos se muestran en las figuras 7 a 14.

Resultados

Páneles

La tabla 5 muestra los resultados promedios de tres ensayos obtenidos para cada tipo de panel; se observa que los páneles pierden rigidez de un ciclo a otro, lo que refleja una degradación de los materiales que los componen. En la tabla 5, P es la carga, Δ el desplazamiento y K la rigidez.

Ensayos en sistema panel – pórtico

En los dos sistemas de páneles de bahareque y de tiras en guadua se observaron comportamientos similares para cada ensayo reali-zado y con un total de tres ciclos por ensayo. La carga máxima obtenida en cada ciclo fue la misma sin que ninguno de los dos sistemas de pórticos fuera exigido hasta la falla. En cada ciclo la capacidad de desplazamiento del pórtico va disminuyendo, presentando un comportamiento no lineal e inelástico dado que el pórtico al ser descargado no regresaba a su posición inicial acumulando una deformación permanente. (Ver Figuras 15 y 16). La tabla 6 muestra los resultados promedios obtenidos

Modelación en páneles

El resultado del análisis refleja el comportamiento experimental del panel sin recubrimiento. El paral izquierdo está a tensión, mientras que la diagonal, a compresión. La carga de falla de la unión fue de 590 N y la carga en la diagonal de 650 N. (Ver Figura 17).

Al adicionar el recubrimiento se modifica el comportamiento estructural del panel; todos los elementos que conforman el marco están sometidos a fuerzas de tensión o compresión caso contrario al panel sin recubrimiento. La carga de falla de la unión fue de 680 N. La carga que toma la diagonal debido al efecto del clavado de las tiras va variando tramo a tramo, este valor oscila entre 0,753 kN en el nudo superior y 0,313 kN en el nudo inferior (Figura 18).

Al adicionar el recubrimiento se modifica el comportamiento estructural del panel; los elementos que conforman el marco están sometidos a fuerzas de tensión o compresión, caso contrario al panel sin recubrimiento. La carga que se presenta en estos elementos varía longitudinalmente y aumenta a medida que se acerca a los apoyos, tal como ocurre en la distribución del esfuerzo en el recubrimiento (Figura 19). La carga de falla de la unión fue de 651 N, la diagonal toma una carga entre 0,156 kN a 0,282 kN. Los esfuerzos que se presentan en la parte superior del panel son menores a los de la parte inferior; donde se encuentran los apoyos del panel los esfuerzos son mayores, especialmente donde se produce la falla.

Modelación en pórticos

Se plantearon dos modelos numéricos lineales para analizar el comportamiento del sistema de pórticos con páneles en bahareque encementado. Un primer modelo simple, en donde no se modelaban las diagonales, los pie derechos, el marco en madera, el mortero y la malla de gallinero, y en lugar de éstos se colocaba una sección equivalente maciza. Este modelo se calibró con el desplazamiento del nudo superior. La diferencia porcentual entre desplazamientos analíticos y experimentales no fue superior al 8%, sólo 4 valores de 25 sobrepasaron este porcentaje y la diferencia fue por exceso, por lo cual se determina que el uso del modelo es posible.

En el segundo modelo se consideraron todas las partes constitutivas del panel excepto en el recubrimiento, en donde se volvió a simplificar la esterilla y la malla por una sola sección de espesor uniforme. Los resultados de éste no fueron buenos, ya que las diferencias entre desplazamientos experimentales y analíticos estuvieron por encima del 30% en la mayoría de los puntos; por este motivo se calibró variando sus módulos de elasticidad.

En general el mapa de esfuerzos principales absolutos obtenido en cada modelo es coherente con la falla que se presentó en el sistema (Figura 20).

Se plantearon dos modelos numéricos lineales para analizar el comportamiento del sistema de pórticos con páneles en tiras de guadua. Un primer modelo simple, en donde se modelaban diagonales del panel con un espesor y sección mayor, pero no se modelaban los pies derechos, el marco en madera y las tiras de guadua, se calibró con el desplazamiento del nudo superior. La diferencia porcentual para este modelo entre desplazamientos analíticos y experimentales no fue superior al 13%, sólo 3 valores de 25 sobrepasaron este porcentaje y la diferencia fue por exceso por lo cual se determina que el uso del modelo es posible.

En el segundo modelo se tuvieron en cuenta todas las partes constitutivas del panel. Los resultados de éste no fueron buenos ya que las diferencias entre desplazamientos experimentales y analíticos estuvieron por encima del 41% en la mayoría de los puntos; por este motivo se calibró variando sus módulos de elasticidad. (Figura 21).

Fallas

Se presentaron los siguientes tipos de fallas:

Páneles

En todos los tipos de páneles se presentó la misma falla, que fue el desgarramiento de la unión sometida a tensión (Figura 22).

Pórticos

La falla se presenta en los páneles de bahareque; la primera fisura, a una carga horizontal aplicada de 4.365 N en el panel superior continuo al punto de aplicación de la carga; el panel inferior se fisura a una carga horizontal aplicada de 5.159 N. La trayectoria de las fisuras es en dirección vertical debido a la esterilla, la fisuración más marcada se evidencia en la unión panel – panel. A pesar de que el mortero se fisura, éste no se desprende del panel. Los páneles superiores revelan una mayor fisuración, comportamiento reflejado por los modelos matemáticos en los cuales se ejercen en los páneles superiores los mayores esfuerzos (Figura 24).

Al momento de la falla los dos páneles centrales superiores sufren un desprendimiento en su solera superior y los pernos desgarran el elemento de viga superior a la que están conectados (Figura 25).

Conclusiones

En el primer ciclo la unión se fisuraba pero no sufría, desgarramiento, éste se presentaba en el tercer ciclo, por eso se asume que la diagonal y los recubrimientos aportan la mayor parte de la resistencia en los dos ciclos.

Al presentarse la falla en los páneles las uniones entre los elementos del marco (soleras y parales) en madera muestran desplazamientos y reflejan la acción de un elemento sobre el otro; a pesar de esto conservan su integridad, excepto por la unión inferior en la cara de la carga que falla por tensión. Las puntillas que unen la diagonal y los pies derechos se tuercen y tienden a salirse, de igual manera ocurre en las puntillas que unen pies derechos y soleras. Lo anterior es un reflejo de la degradación del panel al realizar el ensayo.

A medida que se hacen los ensayos los pórticos ganan rigidez pero pierden ductilidad, es decir, se llega a los mismos niveles de carga pero con menores desplazamientos.

El adicionar páneles estructurales a los pórticos mejora su comportamiento estructural debido a que se aumenta la resistencia en un 111% en pórticos con muros de bahareque encementado y en 93 % en pórticos con páneles de tiras en guadua; se aumenta la rigidez un 37% si se usan páneles de tiras de guadua y un 70% si se utilizan páneles en bahareque; y se reducen los desplazamientos en un 39% con páneles de tiras de guadua y un 50% con páneles en bahareque.

A medida que se efectuaban los ensayos en los pórticos los recubrimientos presentaban un comportamiento similar al de los ensayos en cada panel individual, es decir, los páneles en bahareque se fisuraban verticalmente y las aperturas de las fisuras aumentaban durante el ensayo; los paneles de tiras no sufrían daño.

Las fallas en los páneles al estar funcionando conjuntamente con los pórticos son diferentes a las halladas en los ensayos individuales de páneles, por lo general fallaba la solera inferior o superior en los puntos en donde se unían a los elementos de vigas y no en la unión entre marcos de páneles.

Al finalizar el ensayo las uniones entre pórticos y paneles sufrían desgarramientos, fisuras y deterioros, caso contrario a las uniones entre páneles, las cuales tenían señales de la acción de las fuerzas que actuaban en los elementos pero sin perder la integridad en la unión.

Aunque los páneles reducen las deflexiones, el sistema de pórticos en guadua no es recomendable para conformar un sistema estructural junto con muros o particiones frágiles, debido a que estas últimas se agrietarían, como ocurrió con los páneles de bahareque.

No es adecuado utilizar un análisis elástico lineal para representar el comportamiento de un sistema estructural, que en sus gráficos fuerza frente a desplazamiento mostró un comportamiento no lineal y posiblemente inelástico, por esto se obtuvieron variaciones entre los resultados analíticos y experimentales, y se hizo necesario calibrar los modelos.

El panel de bahareque encementado presenta una rigidez alrededor de un 24% mayor a la del panel de tiras, sin embargo el peso de un panel de bahareque encementado es de alrededor de 105 kg y el de un panel de tiras en guadua alrededor de 52 kg, un 50% menor al de bahareque encementado. Si se tiene en cuenta el peso y el comportamiento estructural, es recomendable escoger la solución de los páneles de tiras de guadua como alternativa de rigidización.

Para investigaciones futuras sería muy interesante para páneles en bahareque encementado modificar la orientación de la esterilla y cuantificar cómo afecta el comportamiento estructural del panel; pasar de un modelo plano a un modelo tridimensional con el fin de obtener resultados más ajustados a la realidad y que permitan llegar al objetivo final de esta línea de investigación: la fabricación de casa modulares en guadua, que sean confortables y seguras; y continuar ajustando los parámetros o variables de diseño que se introducen en un modelo computacional, con el fin de lograr resultados que describan de forma apropiada el comportamiento real del sistema pórtico – panel ante la solicitación de fuerzas gravitacionales y sísmicas (horizontales).

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