PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA CIVIL LABORATORIO DE ESTRUCTURAS ANTISISMICAS El Laboratorio de Estructuras Antisísmicas del Departamento de Ingeniería, con más de 20 años de experiencia, cuenta con equipo e instalaciones que permiten la ejecución de ensayos estáticos y dinámicos en especímenes a escala natural o reducida. Se dispone de equipo para construcción y traslado de especímenes, montaje de dispositivos, aplicación de carga, medición, adquisición y procesamiento de datos. En el Laboratorio se desarrollan tres tipos de actividades: • Apoyo a los cursos de Pre-Grado y Maestría • Investigación en materiales locales para mejorar su comportamiento sísmico • Servicio Técnico a la Industria de la Construcción Los ensayos que habitualmente se realizan son: I. - Ensayos mecánicos: compresión, tracción, flexión, compresión diagonal, corte, impacto, etc. en distintos materiales y elementos estructurales. II. - Carga horizontal monotónica y cíclica en sistemas y componentes estructurales. III. - Simulación sísmica en modelos a esca!,o natural y reducida. IV . - Verificación de equipo de aplicación de carga. Se cuenta con celda de carga patrón calibrada en el National Standards Testing Laboratory, U.S.A. V. - Compresión en probetas estándar de concreto , Servicio de recojo de probetas de obra. VI. - Determinación de la calidad del concreto fresco in-situ. VII. - Determinación de la calidad y uniformidad del concreto endurecido in-situ mediante probetas diamantinas y esclerometría. VIII. - Evaluación de la capacidad de estructuras mediante pruebas de carga. IX. - Consu ltoría en temas de estructuras y de patología estructural en general. Cualquier informa_ción adicional al 460-2870 anexo 259, Directo/fax 261-8889, e-mail ledi@pucp.edu.pe PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA CIVIL EFECTOS DE LOS ESTRIBOS SOBRE EL COMPORTAMIENTO A COMPRESIÓN DE LAS COLUMNAS DE CONFINAMIENTO Angel San Bartolomé Luis Labarta DI-SIC-2001-05 Lima, abril 2001 - EFECTOS DE LOS ESTRIBOS SOBRE EL COMPORTAMIENTO A COMPRESIÓN DE LAS COLUMNAS DE CONFINAMIENTO Por: Ángel San Bartolomé y Luis Labarta PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ RESUMEN Con el propósito de estudiar el efecto de los estribos sobre el comportamiento a compresión de los talones correspondientes a los muros de albañilería confinada, se construyeron 21 especímenes, utilizando tres tipos de estribos y dos espaciamientos, los cuales fueron ensayados sometiéndolas a carga axial de compresión. l. INTRODUCCION Frente a la presencia de fuerzas sísmicas en muros portantes de albañilería confinada, los elementos de confinamiento tienen la función de proveer una segunda línea resistente que comienza a ser operativa una vez que el paño de albañilería -que provee la primera línea resistente- se agrieta diagonalmente. Hasta el momento del agrietamiento, es posible suponer un comportamiento integrado y elástico del muro confinado. Una vez ocurrido el agrietamiento diagonal, el triángulo superior gira en torno al talón, creándose concentraciones de esfuerzos por flexocompresión que pueden causar la trituración del concreto de la columna de confinamiento y el pandeo del refuerzo vertical (Foto 1). En este instante, se reduce drásticamente la capacidad resistente del muro. La propuesta de diseño a la rotura, planteada en la Ref.1, contempla el fenómeno descrito mediante un adecuado diseño de las columnas de confinamiento, por lo que en este proyecto se trata de investigar la aplicación de dicha propuesta analizando el espaciamiento requerido en los estribos para evitar el pandeo del refuerzo vertical, así como evaluar el comportamiento del confinamiento dado por los estribos proponiendo otras alternativas diferentes al estribo tradicional con gancho a 135º, y analizar de forma comparativa las características de resistencia y ductilidad mediante ensayos de compresión axial 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS ESPECÍMENES 2.1 Características Geométricas La carga axial producida por los esfuerzos de flexocompresión actuantes en el talón del muro confinado, se transmite hacia la base de la columna como hacia los alrededores de la albañilería que la circunda, sin embargo, debido a que el concreto es más rígido y resistente que la albañilería, se ha supuesto que el concreto absorbe un mayor porcentaje de carga axial, con lo cual, para que falle el talón, será necesario que primeramente falle el concreto. De esta manera, el espécimen a estudiar será de concreto armado con dimensiones de 20x20 cm de sección transversal y 40 cm de altura, con lo cual, al ser la esbeltez 2:1, el espécimen se comportará como una columna sin esbeltez. 1 2 2.2 Materiales Se empleó un concreto con resistencia a la compresión a los 28 días de edad igual a 175 Kg/cm2 , resistencia mínima requerida por la Ref.l. Por otro lado, debido a las pequeñas dimensiones de la columna y a los ganchos de los estribos, se utilizó piedra chancada con tamaños menores a 3/4", de tal modo de evitar la formación de cangrejeras. El acero de refuerzo utilizado tuvo un escalón de fluencia definido, empleándose para el refuerzo vertical 4 varillas de acero corrugado de 3/8" de diámetro y para los estribos acero liso de 6 mm de diámetro. Se utilizó 3 tipos de estribos (Foto 2): estribos con un gancho de 7.5 cm de longitud a 135º , estribos con 1¾ vueltas y estribos en espiral (zuncho); y dos espaciamientos: 5 cm y 10 cm. Los especímenes tuvieron un recubrimiento de 1 pulgada. 2.3 Casos Analizados Se analizaron 7 casos, a una razón de 3 especímenes por caso, lo cual hace un total de 21 especímenes. Los casos analizados se presentan a continuación (ver Fotos 2 y 3): CASO 1: Sin refuerzo (no existió estribos ni refuerzo vertical). CASO 2: Sólo con refuerzo vertical (sin estribos). CASO 3: Con refuerzo vertical y estribos con gancho a 135º separados a 10 cm. CASO 4: Con refuerzo vertical y estribos con gancho a 135º separados a 5 cm. CASO 5: Con refuerzo vertical y estribos con 1 ¾ vueltas separados a 1 O cm. CASO 6: Con refuerzo vertical y estribos con 1 ¾ vueltas separados a 5 cm. CASO 7: Con refuerzo vertical y zuncho con paso a 5 cm. 2.4 Proceso Constructivo El concreto se elaboró en una mezcladora, tomándose testigos para el control de calidad. El concreto fue vibrado para evitar la formación de cangrejeras (Foto 5). Al día siguiente; se procedió a desencofrar; posteriormente, los especímenes fueron curados durante 7 días cubriéndolos con sacos de yute húmedos (Foto 6). 3. DISEÑO A LA ROTURA Según el diseño a la rotura (Ref.1 ), los estribos a emplear podrán ser: con 1 ¾ de vuelta, con ganchos a 135º o zunchos. En los extremos de las columnas, en una altura no menor de 45 cm o 1.5d (por debajo o encima de la viga, solera o sobrecimiento), deberá colocarse el menor de los siguientes espaciamientos (s) entre estribos: sl = Av fy / [0.3 tn f'c (Ac /An- 1)] s3=d/ 4 Donde: s: separación entre estribos Av: área de estribos s2 = Av fy / (0.12 tn f'c) s4 = 10cm 1 [ 1 1 Ac: área bruta de la sección transversal de una columna An: área del núcleo confinado de una columna (descontando el recubrimiento) fy: esfuerzo de fluencia del acero f' e: resistencia a la compresión del concreto tn: espesor del núcleo confinado de una columna d: peralte de la columna ( en la dirección del sismo) Asumiendo: Av= 0.57 cm2 (estribos de 6 mm de diámetro) Ac = 20 x 20 = 400 cm2 An = 225 cm2 (el recubrimiento utilizado fue 2.5 cm) fy = 4200 Kg/cm2 f'c = 175 Kg/cm2 tn = 15 cm d = 20 cm Se obtiene: sl = 4.0 cm, s2 = 7.5 cm, s3 = 5.0 cm, s4 = 10.0 cm El diseño manda como separación entre estribos: 4 cm. En el presente proyecto se ha trabajado con dos espaciamientos: 5 cm y 10 cm. 4. MÉTODO DE ENSAYO 4.1 Equipo de Ensayo e Instrumentación Los ensayos de los especímenes se realizaron con una gata hidráulica de 200 toneladas de capacidad, acoplada a un marco de reacción compuesta por dispositivos metálicos (Foto 7). La aplicación de la carga se hizo mediante una bomba hidráulica eléctrica. La instrumentación consistió de LVDT que permitieron medir los desplazamientos axial y lateral, para así analizar el comportamiento de los especímenes en el rango elástico. 4.2 Técnica de Ensayo El ensayo de los especímenes se realizó a una velocidad de carga de 10 ton/min, en el Laboratorio de Estructuras de la Universidad Católica. Los especímenes tuvieron 28 días de edad y su superficie fue recubierta previamente con un capping de yeso. El ensayo se interrumpió cuando se llegó a una carga de 50 toneladas para retirar la instrumentación, para evitar que ésta se vea afectada por la rotura del espécimen. Luego de pasar la carga máxima, el ensayo culminó cuando se produjo una caída del 70% en la resistencia. 5. PROCESAMIENTO DE RESULTADOS 5.1 Descripción del Comportamiento El comportamiento de los especímenes estuvo dentro de lo esperado, observándose una falla explosiva en los casos 1 (Foto 8) y 2, especímenes que no tuvieron confinamiento transversal, y una falla relativamente dúctil en el resto de casos (Fotos 9, 10 y 11). 3 4 En los especímenes con confinamiento se observó, luego de alcanzar la carga máxima, el desprendimiento del recubrimiento por la fluencia del refuerzo transversal. En todos estos casos, el núcleo se mantuvo intacto hasta el final del ensayo, cumpliendo el objetivo del diseño a la rotura (Ref.1) . Los especímenes con estribos con gancho a 135º separados a 10 cm tuvieron un desconchamiento prematuro (al 30% de caída de su resistencia). Debido a que se sobre esforzó a los especímenes, llegándose a detener el ensayo cuando se produjo una caída de resistencia del 70%, se pudo observar un notorio pandeo tanto del espécimen como del refuerzo vertical, mostrándose más pronunciado en el refuerzo vertical de las probetas con estribos espaciados a 10 cm (ver Fotos 9, 10 y 11). Las deformaciones obtenidas resultaron independientes del refuerzo transversal que tuvieron los especímenes, debido a que en el rango elástico la deformación de los estribos es casi nula, ya que éstos sólo trabajan cuando el concreto se agrieta internamente. 5.2. Análisis de Resultados en el Rango Inelástico. Parámetro "D". El comportamiento inelástico fue evaluado utilizando la variación de la carga a través del tiempo que duró el ensayo, ya que no se tuvo información de las deformaciones por haberse retirado los L VDT por lo que no se pudo calcular la ductilidad del espécimen. Sin embargo, se definió un parámetro "D" que simulaba la ductilidad, para esto, cabe mencionar que después de haberse retirado los LVDT, la velocidad de carga fue la misma en todas los especímenes, por lo que el tiempo que duró el ensayo constituye una medida de la capacidad que tuvo el espécimen para mantener la carga hasta que ésta degradó en 70%. Por otro lado, según la propuesta de diseño a la rotura (Ref.1 ), el núcleo de concreto confinado por los estribos es el elemento que se diseña a compresión, por lo tanto, eliminando el recubrimiento, se espera una degradación de carga hasta del 44%: f.- 15 --j I[l]I r- 20 -----1 a = Pmax / (20 * 20) = P / (15* 15) P = (15*15) / (20*20) Pmax P = 0.56 Pmax Aceptando en condiciones últimas hasta un 50% de degradación de carga, se define al parámetro "D" como un factor indicativo de la capacidad de retención de carga que tenía cada espécimen: D = tso / t máx Donde: t50 = tiempo en el cual la carga degradó 50% t máx = tiempo en el cual ocurre la carga máxima 7 r 1 - 5.3. Comparación del Comportamiento lnelástico Con el propósito de analizar el comportamiento inelástico de cada caso, se seleccionó un espécimen representativo, normalizando los resultados a una misma resistencia máxima y a un mismo tiempo en alcanzarla. La normalización de resultados se realizó debido a que cada espécimen alcanzó su carga máxima en distintas magnitudes y tiempo, por lo que se adoptó como patrón de normalización a la resistencia característica a compresión axial (175 Kg/cm2) y un tiempo de 420 seg en alcanzarla a una velocidad de 10 ton/min. Los valores "D" de las probetas seleccionadas se resumen en el cuadro siguiente, además se presenta el gráfico normalizado esfuerzo vs.tiempo de los 7 casos estudiados. CASO ANALIZADO D 1) Probeta sin refuerzo 0.00 2) Probeta sólo con refuerzo vertical 0.00 3) Probeta con estribos con gancho@ 10cm 1.07 4) Probeta con estribos con gancho @ 5cm 1.97 5) Probeta con estribos de 1 ¾ vueltas @ 10cm 1.07 6) Probeta con estribos de 1 ¾ vueltas @5cm 1.85 7) Probeta con zuncho@ 5cm 2.11 200~------------------~ 180 160 _ 140 N E U 120 -;, ~ 100 0 ~ j 80 so 40 20 200 GflAFICO NORMALIZAD□ - - - Sin réh.r~~o GanQho@IO - - 1314@ 10 -2vooho@5 600 Tiempo (sc,g) 6.CONCLUSIONES Y COMENTARIOS Comportamiento en el rango elástico: - - - S61o ref f.1111'1 - Gancnc@S - - - 1314@5 800 1000 • No pudo registrarse variaciones significativas en el control de las deformaciones transversales ejercida por los estribos, debido a que los L VDT fueron retirados cuando aún las probetas se encontraban en el rango elástico. Es decir, mientras que el concreto no falle, puede emplearse cualquier tipo de estribo. 5 6 Respecto al comportamiento inelástico de las probetas se concluye: □ Los elementos de confinamiento con espaciamiento a 5 cm cumplieron con la propuesta de diseño a la rotura (que mandaba un espaciamiento a 4 cm) de mantener la resistencia. Los tres casos que presentaron el espaciamiento a 5 cm, retuvieron la resistencia permitiendo una degradación de hasta 50% de su carga máxima, porcentaje que se considera aceptable ya que contempla el desprendimiento del recubrimiento. Dicha degradación se mantuvo hasta momentos previos a la finalización de los ensayos. o El zuncho constituyó el mejor confinamiento. Esta alternativa mostró una buena retención de la carga, no excediendo el 40% de degradación hasta momentos previos al final del ensayo. Además mostró una recuperación en la carga, la cual llegó hasta un 70% de la carga máxima. Para una caída de carga del 50% tuvo un "D 11 igual a 2.11, valor notoriamente mayor al alcanzado por los otros estribos. o Los estribos con gancho y los estribos 1 ¾ de vuelta mostraron un comportamiento similar, tanto con separación de 10 cm como con separación de 5 cm. o Los estribos separados a 10 cm tuvieron una degradación rápida de resistencia, observándose para una degradación del 50% un D 1 extremadamente menor (1.07) respecto a los otros casos. o En cuanto a los estribos separados a 5 cm, se observó un mejor comportamiento. Aunque no se notó una recuperación notoria de la carga, esta se mantuvo constante al 50% de la carga máxima hasta momentos antes de finalizar el ensayo, en que ya mostró una caída pronunciada. Los valores "D" fueron 1.97 para el caso estribo con gancho y 1.85 para el caso estribo con 1 ¾ de vuelta. o Los casos que no tuvieron estribos tuvieron un comportamiento esperado, observándose en éstos una falla explosiva. o En todos los especímenes analizados se presentó pandeo del refuerzo vertical. Esto se debió a que dicho refuerzo estuvo afectado por altos esfuerzos transversales que proporcionó el concreto al tratar de expandirse. La diferencia estuvo que para un espaciamiento excesivo (10 cm) el pandeo se presentó prematuramente. De lo expuesto se tiene los siguientes comentarios: • Los estribos 1 ¾ se presentan como una buena alternativa para reemplazar a los estribos con gancho en el caso de columnas de confinamiento con pequeñas dimensiones (utilizadas en los muros de albañilería en aparejo de soga), generando la misma efectividad, con lo cual quedaría resuelto el problema que presentan los estribos cuyos ganchos estorban el paso del concreto formando cangrejeras. • Para mejorar el comportamiento sísmico, es recomendable el uso de zunchos, ya que estos proveen una menor degradación de resistencia en el rango inelástico. • Los estribos deben colocarse al espaciamiento estipulado por el diseño a la rotura (Ref.1), ya que se ha observado que los estribos colocados a gran espaciamiento pierden su capacidad de retención de carga y por ende el núcleo de concreto confinado por dichos estribos fallaría por la degradación de su resistencia a compresión. • La cantidad de acero que se necesitó para los especímenes ( de 40 cm de altura) con un espaciamiento de 5 cm fue de: Estribos con gancho: Estribos 1 ¾: Zuncho: 1.08Kg 1.62 Kg 0.88 Kg Por lo tanto, el zuncho además resulta ser la alternativa más económica (20% más barato que el estribo con gancho), lo cual no sucede con el estribo 1 ¾ que resulta 65% más caro que el estribo con gancho. • El único punto en contra que tiene el zuncho es su fabricación, debido a que es más dificultosa su elaboración y además se necesita tener un espacio amplio para poder doblar una longitud continua considerable. REFERENCIAS l. CONSTRUC,CIONES DE ALBAÑILERIA. Comportamiento Sísmico y Diseño Estructural. Angel San Bartolomé. Fondo Editorial PUCP, 1998. 2. ALBAÑILERIA ESTRUCTURAL Héctor Gallegos. Fondo Editorial PUCP, 1991 3. ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO Park y Paulay. 1978 4. ESTRUCTURACION Y DISEÑO DE EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO Antonio Blanco. Libro 2. CIP, 1997 5. NORMA DE ALBAÑILERIA E-070, NORMA DE CONCRETO ARMADO E-060, NORMAS ASTM. 7 Foto l. Detalle de la falla por flexocompresión en el talón de un espécimen de 3 pisos compuesto por muros confinados, ensayado en mesa vibradora. Foto 2. Estribos tipo zuncho, con 1 ¾ de vuelta y con gancho. Foto 3. Refuerzo vertical y transversal utilizado en los casos 4, 6 y 7. 8 Foto 4. Molde de los especímenes Foto 6. Curado con sacos de yute húmedo sobre los especímenes. Foto 7. Vista global del ensayo de compresión axial. Foto 5. Vaciado y vibrado del concreto 9 Foto 8. Estado final del espécimen no reforzado (caso 1). Foto 10. Estado final del espécimen con estribos 1 ¾ vuelta @ 5 cm. Foto 11. Estado final del espécimen zunchado. 10 0E (OLUMNJ .' SD 5- Foto 9. Estado fina l del espécimen con estribos 1 3/4 vuelta @ 1 O cm. . úYECTO - TESIS LABARiA - C LU NAS 1 so ?-C/t i-99 /'&0.f(. " Publicaciones Recientes de la Sección Ingeniería Civil Publicación Dl-97-o2 Daños en estructuras de concreto armado ocacionados por el sismo de Nazca en Noviembre de 1996 Alejandro Muñoz P., Antonio Montalbetti S., Marcos Tinman B. Publicación DI-98-01 Fuerzas de Diseño y Control de Desplazamientos en la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente Alejandro Muñoz P. Febrero, 1998 Publicación DI-SIC-98-02 Comentarios a la Norma Técnica de Edificación E-050, Sueldos y Cimentaciones Manuel Olcese F., Jorge Zegarra P. Febrero, 1998 Publicación D1-SIC-99-01 Estudio Experimental de una Técnica de reforzamiento para Edificaciones Existentes con problemas de columna corta. Proyecto de Investigación SENCICO - PUCP Angel San Bartolomé, Alejandro Muñoz P., Daniel Quiun, Maricella Durán, César Rivera. Junio, 1999 Publicación DI-SIC-2001-01 Fuerzas Sísmicas de Diseño para Edificaciones de Albañileria Alejandro Muñoz Angel San Bartolomé Carlos Rodríguez Enero, 2001 Publicación DI-SIC-2001-02 Riesgo Sísmico de Edificios Peruanos Alejandro Muñoz Marcos Tinman Daniel Quium Enero, 2001 Correspondencia: Pontificia Universidad Católica del Perú Departamento de Ingeniería - Sección lng. Civil Apartado 1761 - Lima - Perú. Teléfono: 51-1-460-2870 ( ext. 190) Fax: 51-1-463-6181 e-mail: civil@pucp.edu.pe http://www.pucp.edu .pe/unid/facul/cing/civil r , LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Es el Laboratorio de Ingeniería más antiguo de la Universidad, ya que fue inaugurado en 1967. El área del Laboratorio de Mecánica de Suelos, incluyendo oficinas es de 720 m 2• Se cuenta con el equipo exigido por los estándares internacionales: balanzas mecánicas y electrónicas, hornos, mallas y tamices, picnómetros, cucharas de Casagrande, permeámetros, consolidómetros, martillos y moldes de compactación, densímetro nuclear, prensa C.B.R. electrónica, equipo para compresión no confinada, cono de arena, equipo de corte, muestreadores, máquina de abrasión de Los Angeles, equivalente de arena, prensa Marshall, equipos para realizar div�rsos ensayos en mezclas asfálticas. Adicionalmente se cuenta con un equipo que permite efectuar ensayos de compresión triaxial en especímenes de hasta 100 mm de diámetro. 1 l En el Laboratorio de Mecánica de Suelos se realizan los siguientes ensayos en suelos, agregados para concreto y asfalto y mezclas asfálticas: I. - ENSAYOS DE CLASIFICACION: Contenido de humedad, peso específico de sólidos, densidad natural, análisis granulométrico (tamizado y sedimentación), límites de consistencia. II. - ENSAYOS DE CONTROL: Proctor estándar y modificado y controles de densidad en el campo. III.- ENSAYOS PARA DISEÑO: _ C.B.R., compresión simple, corte directo. IV.- ENSAYOS TRIAXIALES: UU, CU y CD en muestras de 35, 50, 70 y 100 mm de diámetro. V. - ENSAYOS ESPECIALES EN SUELOS: consolidación, expansión, permeabilidad, compactación tipo Harvard, Pinhole Test VI. - DETERMINACION DE PROPIEDADES DE SUELOS EN EL CAMPO: toma de muestras, descripción visual - manual, SPT, auscultación con cono tipo Peck, pruebas de carga VI.- AGREGADOS PARA CONCRETO, MORTERO Y ASFALTO: granulometrías, peso específico y absorción, peso unitario volumétrico, impurezas orgánicas, contenido de arcilla, partículas ligeras, porcentaje menor que la malla #200, inalterabilidad en sulfato de sodio, abrasión de Los Ángeles, equivalente de arena, partículas chatas y alargadas y caras fracturadas; diseño y rotura Marshall, lavado asfáltico y viga Benkelman. Estos ensayos permiten obtener los parámetros necesarios para el diseño de edificios, puentes, plantas industriales, proyectos mineros, obras portuarias, presas, carreteras, aeropuertos, canales, terraplenes, taludes, etc. Asimismo, nuestra unidad está en condiciones de efectuar estudios de Mecánica de Suelos completos, para los diferentes proyectos de Ingeniería Civil. Cualquier información adiciongl al Tel/Fax 460-4510, o a nuestra dirección electrónica: suelos@pucp.edu.pe