Investigación experimental en ingeniería estructural: una opción para México

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LA INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL:
UNA OPCIÓN PARA APOYAR EL DESARROLLO DE LA INGENIERÍA MEXICANA
Sergio M Alcocer Martínez de Castro
Instituto de Ingeniería
UNAM
RESUMEN
En este trabajo se presentan algunos conceptos sobre el desarrollo de la investigación
experimental en la ingeniería estructural. Se destacan algunas aplicaciones que ha tenido
en nuestro país, encabezadas por el autor, dirigidas a: caracterizar los materiales de
construcción; educar ingenieros y personal de laboratorio; evaluar el comportamiento de
equipo mecánico, eléctrico y electrónico; conocer o mejorar el comportamiento de
elementos y sistemas estructurales ante solicitaciones diversas; probar una idea o un
concepto estructural; desarrollar o refinar modelos analíticos; y desarrollar nuevos
materiales y sistemas de construcción.
Además de lo anterior, se señala que la investigación experimental tiene una singular
importancia para México ante la actual situación de debilidad de la ingeniería del país. En
efecto, su desarrollo en todo el país contribuirá a contar con profesionales mejor
preparados, con habilidades y capacidades de planeación, diseño, observación, análisis y
síntesis de las variables que afectan un fenómeno o comportamiento estructural.
Igualmente, este tipo de investigación facilitará la construcción de un conjunto sólido de
conocimientos congruente con nuestra realidad técnica y socio-económica, de modo que
sirva como cimiento de experiencias, criterios, guías, normas y reglamentos aplicables al
país. Es este conjunto de conocimientos de índole nacional el que contribuirá a mantener
la soberanía del país, expresada en el ámbito de la ingeniería, como: la capacidad de
decidir sobre cómo diseñar, construir, mantener y rehabilitar nuestra infraestructura para
resolver nuestros problemas.
INTRODUCCIÓN
La investigación experimental en ingeniería estructural es tan antigua como la propia
disciplina. Vitruvio, en su famoso tratado sobre arquitectura e ingeniería, da cuenta de las
proporciones de los edificios y elementos estructurales obtenidas, sin duda, mediante la
observación y procesos de prueba y error aplicados en la práctica cotidiana y en ensayos
físicos. Más recientemente, aunque aún lejos en el tiempo, conocemos las experiencias
de Galileo sobre el comportamiento de vigas y arquitrabes sujetas a cargas
concentradas.
Actualmente, la investigación experimental en ingeniería estructural ha alcanzado niveles
de desarrollo sorprendentes que abren enorme posibilidades. Estos están basados, a su
vez, en los avances que se han logrado en tecnologías de la información y en la
1
El tema de este trabajo es la investigación experimental, en modelos físicos, en la ingeniería
estructural; comprende a los materiales, componentes y sistemas estructurales, a escala reducida
o natural, sometidos a algún tipo de acción o combinaciones, sea en condiciones controladas de
laboratorio o bien en el campo. Incluye, también, los estudios presenciales o remotos, en
cualquiera de sus fases de desarrollo.

instrumentación. Así, es posible contar con estructuras o modelos estructurales
instrumentados con sensores inalámbricos, de tamaño diminuto, e incluso es factible
controlar ensayos y observar el comportamiento de manera remota, a varios miles de
kilómetros de distancia. Aún más, la nanociencia y la nanotecnología, en un futuro
cercano, abrirán la posibilidad de fabricar materiales y sistemas estructurales con
sensores de bajo precio y gran potencia y versatilidad.
La investigación experimental en ingeniería estructural se da, fundamentalmente, en las
universidades, aunque existen ejemplos notables, como el Japón, en donde la industria
de la construcción ha invertido enormes sumas de dinero y talento para consolidar una
infraestructura experimental excelente. En este sentido, es correcto afirmar que
prácticamente no hay universidad de alto prestigio e impacto en la ingeniería estructural
que no cuente con un laboratorio o bien, con una línea de investigación sobre
experimentación en prototipos reales en el campo.
En nuestro país, la investigación experimental en estructuras ha sufrido altibajos,
especialmente relacionados con los ciclos económicos, que le han impedido un avance,
al menos, sostenido y uniforme. Como ejemplo de estos ciclos se puede consultar la
memoria conmemorativa de los 40 años del Instituto de Ingeniería de la UNAM (Instituto,
1996).
En 1992, por iniciativa del Centro Nacional de Prevención de Desastres, se organizó el
Taller Nacional "Presente y Futuro de la Investigación Experimental en Estructuras en
México, Japón y Estados Unidos". En el evento se reunieron representantes de 10
universidades nacionales, quienes presentaron la infraestructura y equipamiento
disponibles, así como los proyectos de investigación y asesoría que estaban en
desarrollo. De esta reunión fue clara la necesidad, por un lado, de establecer una red de
laboratorios nacionales, de modo de potenciar las capacidades individuales, así como de
fortalecer y modernizar la infraestructura y equipos.
Varios años después, como una respuesta a lo anterior, en el Programa Especial de
Prevención y Mitigación del Riesgo de Desastres 2001-2006, integrante del Plan Nacional
de Desarrollo 2001-2006, se planteó, como meta sexenal, el fortalecimiento de
laboratorios de materiales y estructuras de una decena de universidades del interior.
Lamentablemente, el proyecto asociado no ha iniciado y no parece existir un futuro
promisorio para su logro.
No obstante lo anterior, las lecciones y recomendaciones derivadas del Taller están
vigentes y hoy, más que nunca, deben retomarse.
Objetivos de la investigación experimental en ingeniería estructural
La experimentación en estructuras y materiales persigue varios objetivos; a saber
(Klingner, 1992):
Caracterizar los materiales de construcción;
Educar ingenieros, arquitectos y personal de laboratorio;
Mejorar equipo de laboratorio;
Evaluar el comportamiento de equipo mecánico, eléctrico y electrónico;
Desarrollar nuevos materiales y sistemas de construcción;
Conocer o mejorar el comportamiento de elementos y sistemas estructurales ante
solicitaciones diversas;
Probar una idea o un concepto estructural; y
2

8. Desarrollar o refinar modelos analíticos.
El caso más común en el medio de la ingeniería estructural corresponde a la
determinación de las propiedades mecánicas de los materiales de construcción. En
efecto, los laboratorios de aseguramiento de la calidad cuentan con equipo y procesos
diseñados para conocer dichas propiedades. En ocasiones, especialmente debido a la
falta de laboratorios privados en la zona, las universidades y centros de investigación
locales realizan estas actividades.
Los objetivos no. 4 a 8 son más propios de los centros de investigación. En estos casos,
los ensayos abarcan principalmente determinaciones de tipo mecánico (resistencia,
rigidez, entre otras); sin embargo, el surgimiento de nuevos materiales con componentes
químicos no tradicionales, como resinas poliméricas, ha obligado al establecimiento de
protocolos de investigación que consideren la caracterización química de materiales y
componentes estructurales. En ella se incluyen, muy marcadamente, aspectos de
durabilidad.
Alcances de este trabajo
El objeto de este trabajo es describir, de manera sucinta, los principales resultados y
avances logrados a partir de los proyectos de investigación y desarrollo en los que el
autor ha tenido la oportunidad de participar o dirigir. En cada proyecto se señala el
impacto más sobresaliente que tuvo el estudio para la ingeniería mexicana. Al final del
documento se plantean algunas reflexiones sobre el futuro de este campo y la
importancia que reviste como palanca para el desarrollo de la ingeniería mexicana.
Para facilitar la lectura, el documento se ha organizado según el material constructivo
ensayado. Por limitación en la extensión del trabajo, se dispensan los antecedentes
técnicos y las explicaciones detalladas, mismos que se pueden consultar en las
referencias citadas.
ACERO DE REFUERZO
Soldadura a gas y presión: aplicación a barras de refuerzo mexicanas
La soldadura a gas y presión, SGP, es un proceso de unión en estado sólido, en el cual
no se funde el metal, sólo se calienta lo suficiente para trabajarlo en un estado plástico. El
principio de formación de la junta se apoya en la unión por transferencia molecular, la
cual se logra aplicando, simultáneamente, calor y esfuerzos de compresión.
Si bien las investigaciones realizadas en el Japón han permitido establecer metodologías
para su aplicación (Sociedad, 1996a), era de interés evaluar la viabilidad de usar SGP en
barras mexicanas para refuerzo de concreto. Para ello, se estableció un amplio programa
experimental que cubrió: 1) determinación de las propiedades del acero empleado; 2)
elaboración de soldaduras (probetas); y 3) aplicación de ensayos destructivos y no
destructivos para la aceptación y rechazo de las soldaduras (Pacheco y otros, 2001). La
hipótesis por verificar era que, dado que el acero de refuerzo mexicano tiene controles de
calidad más laxos comparados con el japonés, y por ende, contenidos de carbono quizá
más elevados, no era posible realizar este tipo de uniones.
Se utilizaron barras de acero laminadas en caliente provenientes de diferentes coladas y
de las siderúrgicas con mayor campo comercial en México, lo que permitió tener
3

muestras representativas del material empleado en la industria de la construcción. Con el
fin de aplicar y verificar las diversas técnicas para aceptación o rechazo, se elaboraron
soldaduras defectuosas. Para ello se propuso que los defectos en ellas fueran
ocasionados por los descuidos con mayor probabilidad de ocurrencia en la construcción
de estructuras de concreto reforzado. Estos resultaron ser adiciones de sustancias en la
interfaz de la unión: pintura de aceite, pasta de cemento, agua, tierra, escoria por corte
con soplete y óxido producto del intemperismo. Asimismo, se incluyó en el programa
experimental la realización de ensayos metalográficos de los bulbos de soldadura de
dichas barras.
En la fig 1, se presentan algunos resultados obtenidos de los ensayos no destructivos
(ultrasonido) que se aplicaron sólo en soldaduras con defecto incluido. En el eje de las
abscisas se indicó el tipo de defecto y en el de las ordenadas el porcentaje de barras
detectadas según la técnica aplicada.
Evaluación en barras del No. 6 Evaluación en Barras del No. 8
120 -- - - - -- -- - -
icx OVIS1al
soIcncx1es
515 60 Dttrasnd
P LLJIL[1r1[irh40
20
p1tura mTento tierra corte con óddo
gas
Eecto
120
160
80
60
40
20
ri1rI1riri1lpitura cenanto tierra corte con óxido
gas
to
Figura 1 - Porcentaje de barras detectadas según el tipo de ensayo y defecto en soldadura
Impacto de la investigación experimental: Se obtuvo evidencia suficiente para permitir el
uso de SGP para unir barras de fabricación mexicana si se cumplen con algunos
requisitos durante la ejecución (tipo de flama), en las dimensiones finales del bulbo y de
capacitación del personal soldador. Asimismo, con relación a las técnicas de aceptación o
rechazo se encontró que el ultrasonido es confiable para detectar inclusiones por recorte
con gas y tierra, debido a la variación notoria de densidades. Sin embargo, no es
adecuado para detectar el óxido provocado por una flama oxidante en la zona de la junta
de ambas barras por soldar.
ESTRUCTURAS DE CONCRETO
Método de puntales y tensores: evidencia experimental de su aplicabilidad en
condiciones sísmicas
Uno de los principios del diseño estructural moderno es que la falla de una estructura, o
de un componente estructural, implique modos dúctiles y se eviten, o al menos se
retrasen, los de tipo frágil. Desde este punto de vista, la solución del problema de
cortante, y la adecuada transmisión de este tipo de fuerzas, resultan de gran importancia
en el diseño de concreto estructural, ya que inherentemente están asociados a modos de
falla frágiles. Para el diseño por cortante se han planteado numerosas teorías basadas,
tanto en los principios de la mecánica de materiales, como en formulaciones empíricas
que son resultado directo de la experiencia y la investigación experimental. En general,
todas ellas tienen como fundamento común la analogía plástica de la armadura,
planteada hace más de un siglo.
-

El modelo de puntales y tensores, MPT, es una generalización de la analogía de la
armadura que permite representar el flujo de esfuerzos en un elemento. El método resulta
particularmente útil en el diseño de regiones con discontinuidades geométricas o de
aplicación de carga concentrada. Ha sido usado durante años para predecir y analizar el
comportamiento del concreto reforzado; sin embargo, existe muy poca evidencia
experimental del desempeño de elementos diseñados con base en él, y su aplicación se
ha limitado prácticamente al análisis bajo condiciones estáticas de carga (Mitchell y otros,
2002).
Con objeto de proporcionar resultados experimentales que puedan ser usados para
verificar su aplicabilidad en el diseño sísmico y analizar las posibles ventajas de su uso,
se consideró conveniente realizar ensayos de laboratorio, bajo cargas monótonas y
cíclicas alternadas, de elementos de concreto diseñados con el MPT (Uribe y Alcocer,
2001 & 2002). La hipótesis por verificar era que el MPT puede aplicarse para diseño por
sismo, quizá con adecuaciones sobre las resistencias límite aceptables a los puntales y
los nudos.
Se ensayaron cuatro vigas peraltadas de concreto reforzado, con relación claro de
cortante a peralte efectivo de 1.17; dos ante cargas monótonas y dos ante cargas cíclicas
reversibles. Las dimensiones y armado de las vigas se muestran en la fig 2. El refuerzo
longitudinal del lecho inferior de la viga fue continuo; adicionalmente se colocaron 3 No. 8
para resistir las fuerzas requeridas por el MTP. Con objeto de aplicar fuerzas cortantes
elevadas, se aumentó intencionalmente la cuantía de refuerzo longitudinal en la zona de
máximo momento flexionante. El refuerzo longitudinal se ancló por medio de ganchos
estándar a 90 grados. A fin de evaluar el efecto de confinamiento sobre la longitud de
adherencia de la barra con doblez, en un extremo de la viga se suprimieron los estribos
en la zona de desarrollo.
En la fig 3 se muestra el MPT usado en el diseño; el modelo supone que, en cada
extremo de la viga, parte de la carga se transfiere de la placa de carga directamente al
apoyo, a través de un puntal inclinado (mecanismo de puntal). El resto se supone que es
tomado por los estribos, los cuales forman parte de una armadura con dos puntales
inclinados en cada extremo. Para esta viga, se calculó que el 66% de la carga sería
resistida por los estribos.
1
11
20
25
25
22
10
6.5
17
dimensiones en cm
Figura 2- Armado de los especímenes
5

P=97 t
31,5
68.5
20
15.8
94.2
11 0
dimensiones en cm
Figura 3- Modelo de puntales y tensores empleado
Rotación media, %
0
200
160
- 120
80
40
o
0.56 1.11 1.67 2'
2000
1600
FIP_
MR
RDF diseño FIP
CT
1200
RDF(70%)
800
400
• primer agrietamiento inclinado
primera fluencia
O
0 10 20 30 40
dellexión, mm
•
'• -
• N. L.
• •
• •J •
Inclinacron de las 9rletas
ííÍíí1tá
Figura 4- Envolventes de respuesta para semiciclos Figura 5- Reorientación del puntal principal de
positivos 1 compresión en el modelo CR
En la predicción de la resistencia de la viga se consideró que la fluencia de los estribos
controlaría el modo de falla. En la fig 4 se compara el comportamiento medido con la
resistencia calculada. La falla de la viga, efectivamente, estuvo controlada por la fluencia
de los estribos, seguida por la abertura de una grieta inclinada, aplastamiento del
concreto y por un doblamiento local del refuerzo longitudinal (fig 5).
Impacto de la investigación experimental: Se obtuvo evidencia que permite afirmar que el
MPT es una herramienta simple y conservadora que permite al diseñador visualizar el
flujo de fuerzas y reconocer la necesidad de un detallado cuidadoso para lograr un
comportamiento dúctil. Asimismo, sugiere la posibilidad de usar el MPT para diseño
sísmico.
Estructuras prefabricadas: conexiones viga-columna
No obstante que se considera que las estructuras prefabricadas son seguras, durables,
confiables, económicas y sujeto de elevados controles de calidad, su uso en zonas
sísmicas es todavía limitado por la falta de guías de diseño, especialmente si se compara

con las disponibles para concreto colado en sitio. En particular, es notoria la ausencia de
requisitos de diseño de conexiones viga-columna.
En el diseño de sistemas prefabricados resistentes a cargas laterales se han adoptado
dos enfoques. El más usado se basa en la emulación de la construcción monolítica; el
otro, considera las propiedades del comportamiento de los elementos prefabricados
unidos mediante juntas secas o húmedas.
El uso de estructuras prefabricadas es permitido en el Distrito Federal y su diseño y
detallado están establecidos en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y
Construcción de Estructuras de Concreto, NTC-C (2004a), las cuales buscan emular el
comportamiento de las estructuras coladas en sitio. Asimismo, las Normas Técnicas
Complementarias para Diseño por Sismo, NTC-S (2004c) establecen para este tipo de
estructuras un factor de comportamiento sísmico, Q, igual a 2, menor que los valores
aceptados para marcos dúctiles colados en sitio (iguales a 3 ó 4).
Con objeto de verificar la hipótesis de comportamiento monolítico, se ensayaron tres
conexiones de elementos prefabricados viga - columna, las cuales fueron desarrolladas
en México (Pérez, 2001; Alcocer y otros, 2002). El objeto de la investigación fue evaluar
la respuesta del nudo, así como su rigidez, capacidad de deformación y resistencia al ser
sometidas a elevadas demandas de fuerza cortante y de adherencia.
El sistema consiste de columnas prefabricadas de varios niveles que tienen aberturas en
cada nivel de piso. Estas aberturas permiten la colocación, en obra, de las vigas
prefabricadas. Las barras longitudinales de la columna son continuas a través de las
aberturas y se colocan en las esquinas para dejar suficiente espacio para las maniobras
de montaje de las vigas. En la zona de la conexión, la columna se detalla para mejorar la
transmisión de fuerzas de cortante, así como para fomentar una compactación más
uniforme del concreto. Las vigas pueden ser presforzadas o no; en una dirección forman
un marco resistente a sismo, mientras que en la otra son solamente portantes del sistema
de piso. Éste, a su vez, está formado por placas huecas extruidas y frecuentemente
presforzadas, que trabajan en una dirección.
El punto de interés del estudio fue la manera en que el refuerzo del lecho inferior de las
vigas se hace continuo a través del nudo. En un caso, el refuerzo continúa fuera de la
viga en forma de dobleces a 90 grados, los cuales se unen con los de la viga colineal
mediante estribos. En otro caso, el refuerzo longitudinal se empalma con barras en forma
de letra U que sobresalen de la viga, tal que se unen en su intersección con las barras de
-
las otras vigas mediante un perno vertical
-. de acero (fig 7). En un tercer modelo, el
refuerzo longitudinal de la viga se detalló
- .. de modo de promover la formación de la
* . . articulación plástica de la viga a una
distancia igual a un peralte y medio de la
cara de la columna. En todos los casos,
el refuerzo longitudinal del lecho superior
/ - .-' •!. de las vigas es continuo.
-
Los especímenes ensayados, de tamaño
natural, representaron un nudo interno de
los pisos inferiores de un marco de varios
Figura 6- Geometría de/os modelos riSoS. Por facilidad y economía, se
modeló la región delimitada por los
puntos de inflexión supuestos en vigas (al centro del claro) y en columnas (a la mitad de
7

102 lo
j4
145 4.1.1.1 145
102
+
84
145
¿ft
14 42
89
11
172cm
102
Compresión
4I
.:. .Tensión
42
1~
116
42
Fuerzas en toneladas
116
344 cm
Figura 8 - Posible MPT en el nudo para el modelo J2 al
momento de alcanzar su resistencia
la altura). Las variables experimentales estudiadas fueron el tipo de marco (bi y
tridimensional), así como el detalle de continuidad a través del nudo. Los modelos fueron
ensayados aplicando desplazamientos controlados en el extremo superior de la columna
en la dirección de las vigas portantes, este—oeste. Los desplazamientos correspondieron
a incrementos de 0.5% de distorsión. El intervalo de distorsiones fue de O a 3.5%. En los
modelos tridimensionales, se aplicaron adicionalmente ciclos bidireccionales.
En las figs 6 a 8 se muestran, respectivamente, la geometría de los modelos, el armado
del nudo del modelo J2 y un MPT posible cuando se alcanza la resistencia de J2.
8No.1 - H
T 12.5 m
1 No. 1 501 cm
Estribos No.
F- 50 crnH
Columna Sección A-A
2No 10----.- --
2No8
2 No 3
Estribos N 50jcm
T12.5mm L_
-- 50 cmH
Viga Sección B-B
T5lcm
50 c
Figura 7 - Detalles de la unión viga columna del modelo J2
La fig 8 representa un posible MPT
derivado a partir de las
deformaciones y esfuerzos que
ocurrieron en el concreto y el acero
al alcanzar la resistencia del nudo
J2.
De los ensayos se concluyó que
este tipo de conexiones facilita y
agiliza el procedimiento
constructivo. Asimismo, los modelos
exhibieron una respuesta histerética
estable y simétrica, con una
resistencia prácticamente constante
hasta distorsiones de 3.5%. No
obstante lo anterior, fue claro que el
principio de emulación de sistemas
colados en sitio no fue satisfecho.
lmacto de la investigación exrerimental: Se desarrollaron recomendaciones de diseño,
detallado y construcción para los tres tipos de conexión estudiados. Estas se basan en
las propiedades observadas y medidas durante los ensayos. Asimismo, se verificó
experimentalmente la idoneidad del criterio de diseño y detallado propuesto por Abdel-
Fattah y Wight (1987) para alejar las articulaciones plásticas en las vigas de la cara de la
E]

columna, lo que permitió incluirlo, con algunas modificaciones basadas en la experiencia
mexicana, en la versión 2004 de las NTC-C (2004a).
Rehabilitación 2 de estructuras de concreto
Los sismos de 1985 produjeron en la ciudad de México una apreciable cantidad de daños
y colapsos, parciales o totales, en estructuras a base de marcos de concreto reforzado.
Las características de ellos eran la elevada flexibilidad lateral de las columnas, alta
concentración de refuerzo longitudinal en forma de paquetes, refuerzo lateral colocado a
grandes separaciones y, en general, un inadecuado detallado del refuerzo para promover
un comportamiento dúctil ante las fuerzas inducidas por el sismo (Rosenblueth y Meli,
1986). Como consecuencia del sismo, un amplio número de estructuras, con y sin daño,
fueron rehabilitadas empleando varias técnicas. Entre ellas destaca el encamisado de
vigas y columnas, mediante concreto colado en sitio o bien por medio de ángulos y
soleras metálicas. También como producto de los sismos, los daños en la infraestructura
telefónica fueron cuantiosos; para las centrales telefónicas, uno de los procedimientos de
rehabilitación más común fue construir muros de concreto en toda la altura,
conectándolos a la estructura original (marcos de concreto con muros diafragma de
bloque). En lo que sigue se describen proyectos relacionados con los temas referidos.
Conexiones viga-columna rehabilitadas con encamisados de concreto
Con objeto de evaluar la idoneidad del encamisado de concreto de marcos como una
técnica de rehabilitación, se ensayaron cuatro conexiones viga-columna, a escala natural,
después de haber sido reparadas y/o reforzadas mediante encamisado de columnas
solamente, o bien encamisando las vigas y las columnas (Alcocer y Jirsa, 1993; Alcocer,
1993). Las variables estudiadas fueron la condición de daño previo a la rehabilitación, así
como la disposición del refuerzo longitudinal de la camisa de la columna. La estructura
existente fue diseñada de acuerdo con la práctica mexicana y estadounidense de los
años 50 y 60, y detallada sin consideraciones de ductilidad.
En las figs 9 a 11 se muestran, respectivamente, las dimensiones de los modelos y el
marco de carga, los detalles de uno de los especímenes, así como las envolventes de
respuesta de los cuatro modelos (cinco ensayos). Todos los especímenes fueron
probados bajo la misma historia de distorsiones cíclicas bidireccionales hasta alcanzar un
valor máximo de 4%. La hipótesis por verificar era que el encamisado era una solución
adecuada para promover la formación de mecanismos plásticos de colapso viga débil -
columna fuerte.
De la envolvente de respuesta (fig 11) es claro que la resistencia y rigidez de los modelos
rehabilitados (RB - reparado con paquetes de barras longitudinales en la camisa; SB -
reforzado con arreglo similar de barras; SD - reforzado con acero longitudinal distribuido
en el perímetro; y SD-B - similar a SD y con vigas encamisadas) fueron superiores a la
de la estructura original, O.
2
En este trabajo, el término rehabilitación incluye a la reparación y al refuerzo. La reparación
implica la restitución de algunas o todas las características mecánicas del elemento o estructura
dañada; el refuerzo se identifica como la intervención de una estructura sin daño para mejorar su
desempeño sísmico.

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Figura 9— Dimensiones de los especímenes y marco de carga
12.7 mm
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Figura 10— Detalles del refuerzo de los especímenes
E-W Dirección
40r
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30
5
1::
.Especlmen O
-Espécimen RB
-Espécimen SD
-Espécimen SB
Espécimen
0 1 2 3 4 5
Distorsión, %
Figura 11 - Envolventes de respuesta
Las pruebas indicaron que el encamisado fue eficiente para rehabilitar la estructura
existente. Así, los especímenes rehabilitados exhibieron un mejor desempeño en
términos de resistencia, rigidez y capacidades de deformación y de disipación de energía,
que el de la estructura original.
Impacto de la investigación experimental: Con base en la construcción y el desempeño
de los especímenes se establecieron recomendaciones para la construcción y el diseño.
Relacionadas con la construcción, las recomendaciones incluyen: la preparación de las
superficies existentes para promover un comportamiento monolítico, así como el tamaño
de las perforaciones para pasar el nuevo armado; el tipo de habilitado del refuerzo para
facilitar la colocación del concreto; las características de la cimbra para facilitar la salida
del aire atrapado y la necesidad de usar aditivos fluidificantes para mejorar la
compactación del concreto.
Para fines de diseño se recomendó considerar el cambio en el modo de falla, la ubicación
de la sección crítica por flexión en la viga, así como la participación de la losa para resistir
11

el momento flexionante negativo (tensión en las fibras superiores). También se
plantearon recomendaciones para determinar la resistencia a cortante del nudo
encamisado, así como para evaluar la rigidez y el efecto de daño previo.
Columnas encamisadas con ángulos y soleras metálicas
Con objeto de evaluar el desempeño sísmico futuro de edificios rehabilitados en la ciudad
de México, se seleccionó un conjunto de edificios que hubiesen sido rehabilitados con
técnicas diferentes, de los cuales se dispusiera de un mínimo de información y que fueran
razonablemente simétricos y sencillos de modelar (Alcocer, 1995). Uno de ellos es el
edificio BL (Alcocer y Durán-Hernández, 2002). Con objeto de calibrar los modelos
matemáticos, el edificio se instrumentó con 7 acelerómetros de modo de medir, durante el
proyecto de investigación, algún sismo de subducción de intensidad moderada.
El edificio BL es una estructura de concreto reforzado de 11 pisos a base de losas
planas, diseñada según la versión 1966 de las normas en vigor en el Distrito Federal con
un coeficiente sísmico de 0.06. El edificio tiene una planta simétrica en planta, con tres
crujías en las dos direcciones. La cimentación es compensada y está apoyada en pilotes
de fricción. Al momento de los sismos de 1985, la estructura contaba con varios muros
diafragma de ladrillo de arcilla, los cuales se destruyeron casi completamente; es muy
probable que el edificio no sufriera daños que comprometieran su estabilidad, gracias al
incremento en rigidez, resistencia lateral y capacidad de disipación de energía que
ofrecieron los muros diafragma. El único daño estructural se manifestó en forma de
agrietamiento inclinado (por cortante) de anchura moderada, en algunas columnas
perimetrales de planta baja. Con objeto de rigidizar la estructura, se colocaron
contravientos metálicos en toda la altura de edificio, mismos que se conectaron a las
columnas (que fueron encamisadas con ángulos y soleras metálicas) y a las losas. En la
cimentación se adicionaron algunos pilotes en las esquinas.
En la fig 12 se muestra la variación de los periodos fundamentales de vibración en las
direcciones EO y NS. Los eventos de las abscisas corresponden a los medidos hasta
ahora. En esta figura se presentan los periodos calculados a partir de las condiciones
actuales del edificio. No obstante que los periodos medidos son diferentes de los
calculados, los cambios son demasiado pequeños para sugerir algún daño en la
estructura, como se ha comprobado físicamente.
Como parte de este proyecto, se ensayaron cuatro columnas de concreto reforzado. Una
se reforzó de acuerdo con las NTC-C (2004a), mientras que las otras tres
correspondieron a diseños de los años 50 y 60 (estribos con ganchos a 90 grados y con
amplias separaciones, así como refuerzo longitudinal concentrado en esquinas). Dos de
las tres columnas fueron encamisadas con ángulos y soleras metálicas, reproduciendo
las condiciones de las columnas rehabilitadas del edificio BL. Una de estas dos fue
rehabilitada tras haber sido dañada; la otra se intervino sin daño previo. En la fig 13 se
muestra el armado de la columna existente, así como los detalles del encamisado
metálico. Las columnas fueron ensayadas sometiendo su extremo superior a distorsiones
cíclicas reversibles y bidireccionales, y manteniendo la carga axial constante e igual a
0.15 veces la resistencia a carga axial. La hipótesis por verificar era que el encamisado
era una solución adecuada para promover la formación de mecanismos plásticos de
colapso viga débil - columna fuerte.
12

E70>
1 300 mm
Angulos 250 mm
(100s100x9.5mm)
J 300mm
Soleras
(50 x 9.5 mm)
300 mm
300 mm
L 1
300 mm
65 mm tipo
700 mm
2000 mm
700 mm
En la fig 14 se presenta el
comportamiento histerético de la
columna reforzada; se incluyen las
estimaciones de resistencia para fallas
por cortante y por flexión. La
contribución de la camisa al cortante se
calculó suponiendo un mecanismo
plástico bajo cargas laterales en el cual
plastifican las soleras por flexión en sus
extremos. Esta contribución
simplemente se añadió a la del
0 1 2 3 4 5 6 7 8 concreto y los estribos. El
Evento comportamiento histerético fue superior
Figura 12- Cambio en los periodos fundamentales al observado en la columna original y
de vibración en la reparada. Es claro, además, que
el modelo supuesto para calcular la
resistencia a cortante, incluyendo la camisa de acero, es bastante conservador. Esto se
explica porque en el modelo no se consideró el probable efecto que ejerce la camisa
como elemento confinante al incrementar la resistencia (y capacidad de deformación) del
concreto. En efecto, las grietas inclinadas sugieren la formación de una serie de puntales,
como los que ocurren en la analogía de la armadura, producto del trabajo de
confinamiento de la camisa.
Impacto de la investigación experimental: Estos ensayos han permitido evaluar el
desempeño de una técnica muy comúnmente empleada en México y para la cual existe,
a nivel mundial, poca información sobre su idoneidad. Se han desarrollado, aunque de
manera limitada, recomendaciones sobre la construcción (tipo y diseño de la soldadura,
por ejemplo), así como de diseño. Adicionalmente, los resultados de laboratorio han
permitido calibrar modelos matemáticos que serán empleados, a su vez, para evaluar una
posible respuesta inelástica del edificio, así como su nivel de seguridad. Es conveniente
que este tipo de experiencias se repita de manera sistemática para otras técnicas de
rehabilitación.
(12 No, 8)
(E No, 3 ©200 mm)
500 mm
flIsoomm
[1
0.88
0.86
(e
0.84
o
0.82
080
0.78
0.76
Columnas diseñadas con RDF 66 Encamisado metálico
lC-66-R. 0-60-Sl
Figura 13- Armado de la columna existente y detalle de la camisa metálica
13

C-66 -s
1000
z 800
- 600 -
CI
400
200
-200
LL -400
-600
-800
-1000
ArticuiacIones plásticas en extremos ---------
Primer agrie amiento
- /Porcorte
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Distorsión, %
Marcos con muros diafragma
rehabilitados con recubrimientos de
concreto
La adición de muros (recubrimientos) de
concreto a las centrales telefónicas fue
una de las técnicas que mayormente se
emplearon tras los sismos de 1985 por
la facilidad de su construcción. En
efecto, la estructura común de una
central telefónica consiste en marcos de
concreto con muros diafragma de
bloque de cemento, los cuales fueron
Figura 14 - Curia histerética de la columna construidos a paño con la cara externa
reforzada (sin daño) con camisa del marco. Por tanto, el concreto del
metálica nuevo muro se colocó contra el muro
diafragma, de modo que éste sirviera
como cimbra. Para que esta solución sea eficiente, es obvio que la conexión entre el
nuevo muro, y el marco y muro diafragma existentes, debe tener la resistencia y rigidez
adecuadas.
Con objeto de revisar si los anclajes propuestos para conectar el nuevo muro eran
adecuados, o que incluso, se pudieran mejorar, se elaboró un amplio programa
experimental en dos etapas (Alcocer y Flores, 2001; Flores, 2003). En la primera etapa se
hicieron ensayos en probetas pequeñas de las varias soluciones usadas y propuestas por
el equipo de investigadores. Los resultados de esta etapa permitieron plantear la
construcción y ensayo de cuatro marcos con muro diafragma. El primero, en condiciones
originales, se ensayó a la falla; los otros tres fueron rehabilitados, variando el tipo de
conector: barras de acero distribuidas sólo en el perímetro (marco), TP, distribuidas
uniformemente sobre el marco y el muro diafragma, TD, o finalmente, usando fijadores
instalados con carga explosiva, TH. Los modelos fueron ensayados bajo distorsiones
laterales cíclicas reversibles, manteniendo una carga axial constante sobre las columnas.
En la fig 15 se muestra la geometría y el armado de los modelos. En la fig 16 se
presentan las curvas envolventes de respuesta. De la comparación entre el
comportamiento del modelo de control TO y los tres especímenes con recubrimiento de
concreto, es evidente el incremento en rigidez y resistencia que aporta esta técnica de
rehabilitación. Durante las pruebas fue claro que el tipo de falla observado fue diferente
del considerado en el criterio de diseño. Esto es, para el diseño, se consideró una falla
por cortante del muro de concreto que implicaba la plastificación, e incluso fractura, de los
alambres de la malla de refuerzo. En contraste, la falla inició con el aplastamiento del
muro de mampostería, no obstante que éste permaneció firmemente adherido al
recubrimiento de concreto.
Debido a la gran adherencia entre el recubrimiento de concreto y el muro de
mampostería, el comportamiento de los especímenes TP y TD fue prácticamente
idéntico, por lo que los anclajes colocados en la mampostería del espécimen TD no
influyeron en la resistencia ni en la capacidad de deformación. Esto fue confirmado al
examinar los registros de datos obtenidos de los deformímetros colocados en algunos
conectores. En la fig 17 se muestran las curvas carga lateral - deformación obtenidas de
deformímetros en conectores colocados en el muro y en el marco. De la gráfica se
advierte que las curvas de los conectores del muro son esencialmente verticales, lo que
significa que la variación de la deformación fue nula al aplicarse la carga lateral. En
14

:
—•
..:::..
u......
u......
1 T. 1 0.002 0.004 0006 0.008 0.01 0.012 0014 0016
Distorón, mm/mm
90
80
70
5/60
319
50
o
40
30
20
10
900
800
700
z600
5,
500
300
200
100
80 A7T ..
-40
-80
_
80 A8i A8d
1:
Al0i- AlOd
-80 _ TD___
-0.2 -0.1 0 0.1 02 03 -0.1 0 01 0.2 03 04 r- 02 -01 0 0.1 02 03 i
Deformación, % 80 A121 Mil A4d
40
-40
-80
1 Li-0.2 -01 0 0.1 0203 -01 0 01 0203 04 -02 -01 0 01 02 03 04
Deformación % Deformación, %
5 0 0 0 46
42
45
ZAIO
¶A1I
1
1,4
contraste, las curvas de los conectares en el marco muestran una variación de la
deformación can la carga lateral, lo que sugiere que las conectares fueran deformadas al
transmitir el cortante entre el muro de concreto y el marca, así como que participaron
para mantener al recubrimiento unido a la estructura existente.
328
5E30112.5 5F38i12 O
Dimensiones en cm
Figura 15 - Geometría y armado de los Figura 16— Envolventes de respuesta
especímenes
40
-40
-80
Figura 17- Deformaciones medidas en los conectores de! modelo TD
15

Impacto de la investigación experimental: Con base en la construcción y el desempeño
de los especímenes se establecieron recomendaciones para la construcción y el diseño.
Las recomendaciones constructivas incluyen: la conveniencia, especialmente económica,
de colocar conectores sólo en el marco, así como de encamisar las columnas o bien
construir castillos que confinen el muro de mampostería. Asimismo se precisa el
procedimiento de instalación de los conectores, de modo que el sistema de conexión sea
rígido y resistente.
Para fines de diseño se recomienda que los conectores se sobre-diseñen, tal que sean
capaces de resistir, al menos, 1.5 veces la fuerza cortante de diseño. Además, se
propone un criterio para estimar la rigidez lateral de la estructura rehabilitada.
ESTRUCTURAS DE MAMPOSTERÍA
Mampostería confinada
La mampostería confinada es la modalidad constructiva más ampliamente usada en
nuestro país (Meli y otros, 1994); en efecto, la mayor parte de la construcción se
concentra en vivienda y, dentro de ella, la mayoría se ha construido y se construye de
mampostería confinada. Su desempeño ante sismos en México ha sido variable; mientras
se encuentran casos de comportamientos excelentes, también se han observado daños
importantes, especialmente cuando la distribución de muros y su detallado son
inadecuados. Ejemplo de lo anterior fueron los sismos de Manzanillo y Tehuacán de 1995
y 1997, respectivamente (Alcocer y otros, 1997; 2001). Con objeto de entender el
comportamiento de este tipo de estructuras ante sismos, así como para mejorar los
criterios de diseño y construcción, es indispensable desarrollar investigaciones de
manera continua.
Efecto del acoplamiento
Los estudios experimentales, a partir de los cuales se derivó buena parte de las normas
de diseño y construcción de mampostería en el país, se realizaron en muros aislados
sujetos a cargas monótonas o cíclicas alternadas (Meli, 1975). A partir de inicios de los
años 90, la nueva infraestructura experimental (laboratorios y equipos) del CENAPRED
permitió continuar con el programa de investigación, enfocando los primeros esfuerzos a
dilucidar el efecto que diferentes tipos de acoplamiento tienen en el desempeño de la
mampostería confinada. Para ello, se construyeron tres especímenes a escala natural,
cada uno compuesto por un par de muros con relaciones de aspecto 1 y 1 .5, unidos
(acoplados) de manera diferente (Alcocer y otros, 1994); el otro modelo, 3D, fue una
estructura tridimensional de dos pisos (Sánchez y otros, 1996; Sánchez, 1998). Todos los
especímenes se construyeron con ladrillos artesanales de barro. Previamente a los
experimentos, se planteó la posibilidad de que el acoplamiento de dalas y losas influyera
en cambiar el modo de falla, o al menos, en promover una mayor participación de
deformaciones de flexión.
Los especímenes fueron llevados a la falla mediante la aplicación de ciclos de
distorsiones, con amplitudes monótonamente crecientes, manteniendo la aplicación de
una carga vertical constante y con un valor de 0,49 MPa tal que reprodujera la carga
gravitacional en los muros inferiores de edificios de cinco niveles. En el caso del modelo
3D, la carga lateral se aplicó a través de gatos hidráulicos de modo que la relación de
cargas en el primer y segundo piso fuera tal que la distribución de fuerzas fuera
16

w-w
Á'1 :IYAVÁ
240 ± 10O 160
acotaciones en cm
250
250
25f
250
100
240 122
-------------
Levccón lC]lerc1 - 3D
triangular. En la fig 18 se muestra la geometría de los cuatro modelos. El patrón de
agrietamiento final y el comportamiento histerético medido en los cuatro modelos se
ilustran en la fig 19.
Consistente con lo observado en campo (Alcocer y otros, 1997; 2001, por ejemplo), el
modo de falla estuvo dominado por deformaciones al corte de los muros y no fue
modificado por el grado de acoplamiento. Asimismo, independientemente del grado de
acoplamiento, los esfuerzos cortantes de entrepiso correspondientes al agrietamiento
diagonal y a la resistencia fueron semejantes en los modelos.
ccotccones en cm
250
.Oslc frcnc
Figura 18 - Geometría de los modelos W-W, WBW, WWWy 3D
17

60
É30
-2
So
-30
II-
60I
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
Distorsión, cm/cm
-
-__
1
-
Distorsión, cm/cm
8
(5
N
o
u-
I!I.
60
30
-2
So
-30
Li-
-60'
-0.015 -001 -0005 0 0005 001 0015
Distorsión, cm/cm
-0015 -001 -0005 0 0005 001 0015
Distorsión, cm/cm
— ----
60
30
30
u-
Figura 19 - Patrón de agrietamiento final y comportamiento histerético de los modelos W-W, WBW,
WWWy 3D
Impacto de la investigación experimental: Los experimentos dejaron claro que es
aceptable extrapolar los resultados de muros aislados o de sistemas de muros planos,
para explicar el comportamiento de sistemas tridimensionales, más complejos, que
exhiban modos de falla comparables. Esta observación es importante ya que, como se
mencionó arriba, los requisitos de diseño de las normas vigentes están basados, en su
18

mayoría, en ensayes de muros aislados. Asimismo se verificó el adecuado
comportamiento de la mampostería confinada, expresada en función de la estabilidad del
comportamiento histerético, cuando se construye y detalla según las normas.
Otras dos observaciones relevantes se refieren a la capacidad de deformación y al
trabajo que realizan los castillos. Sobre la primera, los resultados sugieren que la
distorsión lateral límite para fines de diseño debe ser menor que la asociada a la
resistencia, en virtud de la rápida degradación del comportamiento post-resistencia. Con
base en ello, las distorsiones límite deberán ser menores de 0,005. Este hecho se tomó
en cuenta en los valores propuestos en la versión 2004 de las NTC-M (2004).
Las deformaciones verticales (acortamiento) medidas en los tabiques y castillos (Alcocer,
1997; Sánchez, 1998) sugieren que los castillos contribuyen, de manera predominante en
distorsiones cercanas a la resistencia, a mantener la estabilidad de la estructura ante
cargas verticales. Este fenómeno nos resalta la importancia de detallar los castillos, vigila
su ubicación y separación, así como limitar las distorsiones laterales de modo que el
daño en ellos (penetración del agrietamiento inclinado de la mampostería) sea limitado.
Efecto del refuerzo horizontal
Una de las modalidades de refuerzo de estructuras de mampostería consiste en la
colocación de barras o alambres de acero a lo largo de las juntas horizontales de
mortero. Si bien era conocida la bondad de esta técnica para incrementar la resistencia
(Hernández y Meli, 1976), no se contaba con la evidencia suficiente para plantear los
mecanismos resistentes, así como para postular un modelo que permitiera estimar la
contribución de este refuerzo a la resistencia.
Para avanzar el conocimiento, se ensayaron seis especímenes de mampostería
confinada a escala natural; cuatro fueron muros aislados y dos fueron sistemas con
muros con relaciones de aspecto iguales a 1 y a 1.5 unidos mediante una dala y una losa
de concreto. Igualmente que la etapa anterior, se usaron ladrillos artesanales de barro.
Los modelos fueron reforzados horizontalmente con diferentes cuantías de refuerzo
horizontal y distintos tipos de barras (barras corrugadas de acero con esfuerzo nominal
de fluencia, f, de 412 MPa; alambres corrugados, estirados en frío, con f)/= 589 MPa; y
escalerillas de alambre liso, con f= 491 MPa) (Alcocer y otros, 1994; Aguilar y Alcocer,
2001).
Con objeto de cuantificar la participación del refuerzo horizontal en la resistencia a fuerza
lateral, se instrumentaron los alambres horizontales con deformímetros eléctricos. Las
deformaciones medidas fueron convertidas a esfuerzos a través de la curva esfuerzo-
deformación obtenida de probetas del refuerzo. Con estos valores se logró establecer la
distribución de deformaciones de los alambres horizontales sobre las diagonales de los
muros (fig 20). Como se observa en la gráfica, las deformaciones se concentraron hacia
el centro del muro debido a la apertura de las grietas inclinadas según la dirección de
aplicación de la carga. Asimismo es claro que mientras algunos alambres alcanzaron
deformaciones cercanas o superiores a las de fluencia, otros, en los extremos superior e
inferior del muro, desarrollaron deformaciones muy pequeñas.
19

Q..
—o-
-
-•0-- Diagonal Dl
Figura 20 - Distribución de deformaciones en el refuerzo horizontal, a lo largo de las diagonales, en un
muro aislado con cuantía de refuerzo phfy = 0,42 MPa
A partir de esta distribución se determinó la proporción del refuerzo horizontal que había
alcanzado deformaciones plásticas, llamando a esta proporción factor de eficiencia del
refuerzo horizontal. A partir de esos experimentos, se logró advertir la variación y
dependencia de la eficiencia horizontal de varios factores, entre ellos, la cuantía de
refuerzo horizontal y la distorsión aplicada al muro.
Impacto de la investiciación experimental: Los ensayos evidenciaron el superior
desempeño de la mampostería con refuerzo horizontal, aun en cuantías reducidas,
traduciéndose en una mayor resistencia y, sobre todo, en un mejoramiento de las
capacidades post-elásticas de deformación y disipación de energía. La excepción fue el
uso de escalerillas ya que, al menos las fabricadas en México, exhiben un modo de falla
frágil que afecta la capacidad resistente y de deformación de la mampostería reforzada
con ellas.
A partir de estas pruebas, se elaboraron recomendaciones de diseño, detallado y
construcción que sirvieron de base para la versión 2004 de las NTC-M (2004b). Destaca
el criterio para estimar la resistencia nominal a carga lateral, en función de la eficiencia
del refuerzo horizontal, el cual depende de la cantidad ,ohfyh (fig 21). Desde un punto de
vista constructivo, se estableció en las NTC-M la necesidad de que el refuerzo horizontal
sea continuo a lo largo del muro y se ancle en los extremos mediante ganchos estándar a
90 grados.
CO

100
80 Eíazy Váquéz dei Mercado, 1995
Pineda, 1996
(alambre)
60
(mal/a)
; 40
w
Diaz y Vázquéz del Mercado, 1995
(malla)
Pineda, 1996
(escalerilla)
20
+
,sipf ~ 6Okg/cmTI
=
2- - ,si 6,0< p5'< < 9,0 kglcrn
• ~! 9,0 kg/cm
10 12 14 16
h
f,, kg/cm 2
Figura 21 - Eficiencia del refuerzo horizontal, asociada a la resistencia, de muros de mampostería
confinada ensayados en e! CENAPRED
Comportamiento dinámico de estructuras tridimensionales
Como es sabido, la respuesta dinámica de materiales y sistemas estructurales varía en
función de la frecuencia (tasa de aplicación) de la historia de carga. Con objeto de
evaluar el desempeño de la mampostería confinada ante solicitaciones dinámicas del tipo
sísmico, el autor ha participado en dos campañas de experimentos en mesa vibradora. La
primera consistió en la construcción y ensaye de tres modelos simples (dos muros
paralelos unidos por una losa) a escala 1:3, en la cual la variable por estudiar fue la
relación de aspecto de los muros (Alcocer y otros, 1999). Los muros fueron ensayados
bajo señales senoidales de frecuencia constante.
En la segunda, se construyeron dos modelos a escala 1:2 de una vivienda de interés
social de uno y tres pisos (Alcocer y otros, 2004). En este programa experimental se
usaron los registros epicentrales de dos sismos, uno ocurrido en Guerrero y el otro en
Colima, como base para calcular acelerogramas artificiales de posibles sismos de
magnitudes 7.6, 7.8, 8.0 y 8.3 para Guerrero, y 8.1, 8.2 y 8.3 para Colima.
En la fig 22 se muestra el dibujo del patrón de agrietamiento final de las viviendas de 1 y
3 pisos. De la gráfica es evidente, primero, que el comportamiento estuvo controlado por
la planta baja del edificio de 3 pisos y, segundo, que el tipo de daño en los pisos
inferiores de cada modelo fue similar. En efecto, el modo de falla fue regido en ambos
casos, por cortante.
En la fig 23 se presentan las curvas histeréticas para diferentes estados límite y la
envolvente para todos los ensayes. Es clara la similitud entre las curvas histeréticas
medidas en los ensayos dinámicos con las medidas en los estáticos (algunas
presentadas en las secciones previas); la estabilidad de la respuesta hasta distorsiones
cercanas a la resistencia es clara. En la gráfica de la curva envolvente se señala con una
línea horizontal continua la mejor estimación de resistencia empleando propiedades
medidas (geometría y resistencias) en el modelo.
Impacto de la investigación experimental: Con base en las observaciones realizadas
durante las pruebas y en los análisis de los datos, la respuesta dinámica de los modelos
indica que los requisitos actuales de diseño de mampostería confinada (NTC-M, 2004)
21

Nw
son seguros, aunque quizá demasiado conservadores. Lo anterior puede justificar la
necesidad de reducir el número y complejidad de los requisitos de las normas.
De la comparación de valores medidos de carga y distorsiones al agrietamiento y a la
resistencia con los medidos en pruebas estáticas se desprende que la sobrerresistencia
de la mampostería confinada es del orden de 2, que el valor de la distorsión dinámica de
agrietamiento es del orden de 2,5 veces la estática y que la distorsión a la resistencia es
del orden de 0.4%. Estos resultados son importantes si interesa desarrollar una
metodología de diseño sísmico basada en desempeño.
Figura 22 - Patrón de agrietamiento final de las viviendas de 1 y 3 pisos
z
>
-----320
202
000
-
-
O 05 40 15
20
, ----..30
Inicial
255
jo
:° Resistencia
• 4O( -
•- --
IIIIIIIIL : Jiiiz
5 o 5
L,OL ElástIco
30
20
__.0_,
-
-------- ---------
----------
o 0 i5
.20
30 --.-
UItI,,a
i- :°
M
4T4I2 :j:
1-0 --D=4.1 --------------------
- .0 -2.0 -1.0 ( 0 10 20 30
-100------------ ----------------------
u
E -- RDF
M
Envolvente
-400
Distorsión de la planta baja, %
Figura 23 - Curias histeréticas y envolvente de respuesta de la vivienda de 3 pisos
22

12x25cm
4 no. 4
E no. 2 @ 20cm
fl 4no.4
E no. 2 @ 2011111
11 0 N4 11
4no 5 Sil 41/4,2#4y264
G = grapa
E = estribo
N2:
4no5 11-51
G no, 2 @ 7 C1°
Ot=::iI41/4 (p,elbrid), 2 #8 y 264
Ec.8 ( 411 nr,r) @ 15,11
4 54 = 12,7 ro,,,
4 1/4 836 ro,,,
Muros de tabique extruido multiperforado
Las investigaciones previas sobre el tema (Mann, 1988) dejaron claro que el modo de
falla de los ladrillos multiperforados es bastante frágil. Sin embargo, las ventajas
económicas que ofrecen estos ladrillos, comparadas con las de ladrillos tradicionales
hechos a mano, han convertido a este material en una solución muy popular en la
construcción de viviendas en México. Con objeto de evaluar el comportamiento ante
cargas inducidas por sismo, especialmente por el tipo de falla señalado, así como para
desarrollar guías de análisis, diseño y construcción, se llevó a cabo un programa de
ensayos en cuatro muros a escala natural (Zepeda y Alcocer, 2001). Las variables
experimentales fueron la cuantía de refuerzo horizontal y el tipo y detallado del refuerzo
de los castillos empleados como elementos verticales de confinamiento.
En la fig 24 se muestran las características de algunos de los muros ensayados. Los
muros N2 y N3 fueron reforzados horizontalmente con una cuantía cercana a la mínima
establecida por las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de
Estructuras de Mampostería, NTC-M (2004b); N4 fue reforzado con casi cuatro veces esa
cuantía. El patrón de agrietamiento y los lazos histeréticos carga lateral - distorsión del
modelo N4 se ilustran en la fig 25. Como era de esperarse, la distribución del
agrietamiento es muy uniforme sobre el muro, exhibiendo grietas de anchura pequeña.
Por su parte, de la curva se advierte un comportamiento estable en términos de
resistencia y capacidad de deformación, incluso hasta distorsiones de 0.005.
De manera análoga a los muros de ladrillo artesanal, se cuantificó la eficiencia del
refuerzo horizontal para resistir las fuerzas laterales; en la fig 26 se muestra el desarrollo
de la eficiencia con la máxima distorsión aplicada en las pruebas. Como se aprecia, la
eficiencia aumenta con la distorsión, de modo que, para fines de diseño es necesario
establecer una distorsión, asociada a algún estado límite, a fin de proponer el valor de
eficiencia.
Figura 24- Armado de los especímenes
23

vnx®
45
30
inclinado
VRDF
1
5
Distorsión, %
Figura 25 - Patrón de agrietamiento final y lazos histeréticos del muro N4
10 - Mampostoiia do
iazas tipo Multex Mamposteria de
tabique,tradicional
60
u
st
u
LU
Imoacto de la investiaación
experimental: Los resultados de las
pruebas indicaron que los ladrillos de
arcilla multiperforados pueden ser
empleados para resistir cargas sísmicas
si se coloca en el muro una cuantía
mínima de refuerzo horizontal y se
detalla adecuadamente el refuerzo de
los castillos. Con base en estos
ensayos, se elaboraron
recomendaciones de diseño, detallado
y construcción que sirvieron de base
para la redacción de la versión 2004 de
las NTC-M (2004b).
0 0,2 0.4 0.6 0,8 1,0 1,2 1,'
Distorsión, ¼
Figura 26 - Eficiencia del refuerzo horizontal para
resistir tuerza cortante Entre ellos destaca la posibilidad de
considerar a los muros como
confinados, aun cuando el refuerzo longitudinal y transversal de los "castillos" esté dentro
de las piezas doble hueco de mampostería de barro. Para estos casos, se debe usar un
factor de comportamiento sísmico, Q, igual al de muros de piezas huecas. En contraste,
debido a su mejor comportamiento, en muros con castillos externos y refuerzo horizontal,
las NTC-S permiten el uso de factores Q superiores. También de estos estudios se
verificó la posibilidad de aplicar el mismo criterio para estimar la resistencia nominal a
carga lateral, en función de la eficiencia del refuerzo horizontal, que se había derivado
para ladrillos hechos a mano.
Rehabilitación sísmica de estructuras de mampostería
Como se mencionó en la sección de rehabilitación de estructuras de concreto, las
estructuras se rehabilitan con objeto de restituir o mejorar la capacidad estructural, sea
porque la estructura se dañó, se construyó o diseñó de manera que la capacidad
estructural es insuficiente, cambió su uso, se le hicieron modificaciones, o bien porque la
norma local así lo exige.
En el caso de las estructuras de mampostería, su rehabilitación ha tenido lugar
primordialmente después de sismos, ya sea debido a daños que experimentó la
24

estructura o porque es deseo del propietario reforzarla, o bien cuando por deficiencias en
el diseño yio la construcción, es necesario mejorar su capacidad estructural.
De acuerdo con las NTC-M (20041J), son varias las técnicas de rehabilitación que se
pueden practicar individualmente o en combinación: reemplazo de piezas, mortero,
barras y concreto; reparación de grietas; reparación por corrosión; encamisado de
elementos de mampostería y concreto; adición de elementos confinantes; y adición o
retiro de muros.
Efecto de las mallas de acero soldado
Una de las técnicas de rehabilitación más empleadas en México consiste en la colocación
y anclaje de mallas de acero soldado sobre el muro de mampostería, recubiertas con
mortero, generalmente a base de cemento, colocado mediante medios manuales o
neumáticos. La principal variable en su aplicación en campo ha sido el tipo y número de
anclajes o conectores de la malla al muro. Así, se han usado alcayatas, clavos, barras
que atraviesan el muro o que se anclan parcialmente en el espesor, y que se colocan en
forma perpendicular u oblicua al muro. En varios casos se han usado resinas epóxicas
para fijar los conectores al muro.
Con objeto de identificar los mecanismos resistentes de muros rehabilitados con esta
técnica, así como de cuantificar contribución a la capacidad estructural, se realizó una
serie de ensayos ante cargas cíclicas alternadas de una estructura tridimensional de dos
niveles previamente dañada, así como de muros aislados de mampostería confinada. Las
variables de estudio fueron el nivel de daño, tipo de conector (clavo metálico para madera
y conector instalado mediante herramienta accionada por cargas explosivas), separador
entre la malla y el muro, número de conectores y calibre de la malla (Zepeda y otros,
1996; Ruiz y Alcocer, 1998). El desempeño fue comparado con el de estructuras de
mampostería confinada sin refuerzo en los muros, construidas como especímenes de
control.
En la fig 27 se muestran los patrones de agrietamiento final de los especímenes de
control y de los rehabilitados con malla, así como las curvas histeréticas
correspondientes. De las gráficas es claro que los modelos rehabilitados exhibieron una
distribución más uniforme de las grietas, caracterizada por fisuras de menor anchura y en
mayor cantidad, así como una capacidad estructural superior, medida en términos de
resistencia, capacidades de deformación y de disipación de energía.
Impacto de la investkación experimental: Los resultados de los ensayos robustecen las
evidencias recabadas en el campo sobre la idoneidad de usar los encamisados de malla
y mortero como una de las opciones más eficientes para mejorar la capacidad sísmica de
las estructuras. Asimismo, permitieron postular como mecanismo resistente el trabajo de
trabazón/fricción a lo largo de las grietas inclinadas en el sistema mortero-mampostería,
el cual se mantiene en la medida que la malla está anclada. A partir de estos ensayos, se
desarrollaron recomendaciones de diseño, detallado y construcción que sirvieron de base
para la redacción de sendos requisitos en la versión 2004 de las NTC-M (2004b).
25

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Espécimen MO
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Espécimen M2
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Espécimen M31
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Espécimen 3D 10,2
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Agrietamiento
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Distorsión, mm/mm
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Distorsion, mm/mm
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Distorsion, mm/mm
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Distorsión, mm/mm
Espécimen M3CO 102
11'l' gi 51
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--
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.125 '' .727
1.02 -0010 -0.01 -0,007 0 0,000 0,01 0.010 0,02
Distorsión, mm/mm
Figura 27- Patrón de agrietamiento final y curvas histeréticas fuerza cortante - distorsión
26

EQUIPOS
Figura 28 - Interruptor eléctrico de
420 kV una vez montado
sobre la mesa vibradora
Entre las recomendaciones se encuentran la densidad mínima de conectores, el tipo y
espesor mínimos del mortero, así como detalles constructivos sobre el doblez y anclaje
de las mallas alrededor de aberturas. Asimismo, se recomendaron valores de distorsión
inelástica límite para fines de análisis, así como expresiones para estimar la contribución
del encamisado a la resistencia a fuerza lateral.
Es importante señalar que en algunos casos, las soluciones estructurales de los nuevos
edificios de vivienda de bajo costo han involucrado la construcción de muros de concreto,
de espesores y refuerzos bajos, para resistir las fuerzas cortantes de diseño que exceden
a la resistencia de los de mampostería. Si bien esta solución es viable técnicamente, su
correcto desempeño depende de considerar las diferencias en comportamiento de los
muros de ambos materiales. Como una opción a la construcción de muros de concreto,
se pueden encamisar algunos muros de mampostería. Esta solución ofrece la ventaja de
no requerir cimbras y armados propios del concreto colado en sitio, manteniendo las
mismas cuadrillas (expertez) y, esencialmente, los mismos procesos constructivos.
Entre las necesidades de la industria mexicana se
encuentra la calificación y verificación del
desempeño, así como la acreditación y certificación
de equipos y procesos, sean estos propios o
adquiridos. En estos ámbitos, la ejecución de
ensayos dirigidos a evaluar el cumplimiento de
normas de referencia es una tarea primordial.
Ejemplos de estos han sido las verificaciones del
desempeño dinámico de equipo eléctrico, electrónico
y tuberías (Alcocer y otros, 1999; Alcocer y
Mendoza, 2002a; 2002b; Muriá y otros, 2003).
En la fig 28 se muestra un interruptor eléctrico de
420 kV una vez montado para ser ensayado en la
mesa vibradora del Instituto de Ingeniería (Muriá y
otros, 2003). En la base del interruptor se colocaron
cuatro disipadores de energía, consistentes de
sendas bases pendulares con frenado con fricción,
las cuales están, a su vez, compuestas de un resorte
y una zapata que está en contacto con una placa de
acero inoxidable.
Las pruebas se realizaron en los dos ejes ortogonales de simetría y se emplearon los
componentes NS y vertical de los registros sísmicos de Manzanillo de 1995 y de
Tecomán de 2003 obtenidos en la estación de campo del Complejo Termoeléctrica de
Manzanillo, y un registro sintético de Acapulco correspondiente a un sismo de las costas
de Guerrero de magnitud 8.3 y para suelos con periodos dominantes menores o iguales a
0.5 s.
La mayor respuesta del interruptor obtenida ante los tres registros sísmicos fue para el
evento de Manzanillo de 1995 y no se produjo ningún daño. En la fig 29 se muestra un
instante del la respuesta dinámica del sistema ante este evento para el intervalo de
tiempo en el cual se presenta la mayor disipación de energía en la base del interruptor,
donde están los dispositivos antisísmicos.
27

Desplazamiento. mm
Figura 29 - Desplazamientos para el sismo
de Manzanillo 95 al 100%. Cada línea une
las amplitudes de los registros de
desplazamiento obtenidos a distintas
alturas a un mismo instante.
tendientes a disminuir su vulnerabilidad.
4.0
3.2C
E
0.10
-150
Mesa
150
Zapata
Brida
CG
(15-19.5 s)
Impacto de la investigación experimental:
Hasta ahora, los ensayos de calificación de
equipo han permitido a los fabricantes
mexicanos exportar sus equipos, satisfaciendo
las normas señaladas por los compradores.
Asimismo, han repercutido en el rediseño de
equipos de modo que cumplan satisfacer los
objetivos de desempeño establecidos en el
proyecto. Específicamente, los resultados del
ensayo en el interruptor con aislamiento
mecánico en la base señalan la ventaja de
usar este tipo de dispositivos para reducir la
vulnerabilidad de estos equipos ante
solicitaciones sísmicas de elevada intensidad.
Este resultado es muy importante para el país
dada la necesidad de contar con
infraestructura de suministro eléctrico, en este
caso, que opere de manera continua durante y
después un gran evento sísmico. Para ello, es
indispensable desarrollar campañas de
medición, en laboratorio y en campo,
UNA PROPUESTA ESTRATEGICA
La investigación experimental y la soberanía en la ingeniería
Del material anterior, se desprende que la investigación experimental presentada ha
permitido: caracterizar los materiales de construcción; educar ingenieros y personal de
laboratorio; evaluar el comportamiento de equipo mecánico, eléctrico y electrónico;
conocer o mejorar el comportamiento de elementos y sistemas estructurales ante
solicitaciones diversas; probar una idea o un concepto estructural; desarrollar o refinar
modelos analíticos; y desarrollar nuevos materiales y sistemas de construcción.
Además de lo anterior, la investigación experimental tiene una singular importancia para
México ante la actual situación de debilidad de la ingeniería del país. En efecto, frente a
la creciente participación de firmas extranjeras de diseño, construcción, procura de
equipos, etc, en proyectos mexicanos, así como la adopción y/o desarrollo, o incluso,
simple traducción al castellano, de normas de materiales, equipos, diseño y construcción
con alcances internacionales, por mencionar algunos síntomas, se requiere que México
cuente con profesionales mejor preparados y con un cuerpo de conocimiento
desarrollado para nuestra realidad técnica y socio-económica.
Sobre el primer reto, conviene hacer énfasis en el papel que puede, y debe jugar, la
experimentación en la formación de ingenieros estructurales (y, por extensión, de otras
disciplinas). En efecto, la enseñanza de los conceptos y teorías se puede reforzar
enormemente si se acompaña de prácticas de laboratorio o campo en las cuales los
estudiantes puedan planear, diseñar y construir los experimentos, obseniar los
fenómenos, postular teorías, analizar los resultados de modo que las validen o las
rechacen y, así, entender mejor el flujo de fuerzas en los elementos y sistemas
estructurales. El desarrollo de estas habilidades y capacidades redundará en una mejor
práctica de la ingeniería, desde la concepción estructural hasta la ingeniería de detalle.
41

Con relación al segundo asunto, la investigación experimental en ingeniería estructural es
una de las oportunidades que tiene la ingeniería mexicana de desarrollar un conjunto de
conocimientos que, si bien deba ser consistente con nuestra realidad y útil para nuestras
necesidades, pueda competir y ser exportado. Esta base de conocimiento servirá para
contar con experiencias, criterios, guías, normas y reglamentos aplicables a las
condiciones país. Esta segunda oportunidad contribuirá, de manera significativa, a
mantener la verdadera soberanía del país, expresada en el ámbito de la ingeniería como:
la capacidad de decidir sobre cómo diseñar, construir, mantener y rehabilitar nuestra
infraestructura para resolver nuestros problemas.
Los retos y las estrategias
El desarrollo de la investigación experimental en ingeniería estructural en nuestro país
afronta varios retos que, de ser resueltos, se convertirían en oportunidades para el
desarrollo y fortalecimiento de la ingeniería.
Uno de los retos es el financiamiento de la investigación y de la infraestructura para
investigación. Tradicionalmente, tanto el desarrollo de los proyectos, como la adquisición
y modernización de la infraestructura se habían cubierto por fondos públicos, sea del
presupuesto destinado a ciencia y tecnología, o bien mediante proyectos patrocinados
por agencias gubernamentales a instituciones de investigación. Sin embargo, la notable
disminución en los presupuestos destinados a la investigación en años recientes
compromete de manera crítica la viabilidad futura de este tipo de investigación, en
especial por el desarrollo de costosos equipos de alta tecnología. Una estrategia para
revertir la situación es buscar una mayor participación del sector productivo privado
mediante la formación de alianzas estratégicas universidad-industria, a partir de las
cuales se modernice y amplíe la infraestructura a fin de proporcionar servicios
tecnológicos, asesorías y desarrollos dirigidos a resolver problemas específicos.
Evidentemente, la infraestructura también se podrá emplear para realizar investigación
con alto valor académico. La participación privada seguramente será de mayor
importancia conforme nuevos materiales se desarrollen, y sus propiedades y
características deban ser obtenidas.
No obstante la deseable participación privada en el financiamiento, seguirán siendo
indispensables los fondos públicos, especialmente porque los resultados de la
investigación experimental incrementan la seguridad de la población, la cual es una de
las responsabilidades del Gobierno. Para ello, se propone un acercamiento estratégico
con los sectores de protección civil y educación para plantear un programa de mediano
plazo de modernización y ampliación de la infraestructura experimental en el país. En
esta propuesta resultaría conveniente priorizar a las universidades por ser apoyadas, sea
porque su matrícula escolar es alta, poseen instalaciones que requieren de inversiones
bajas para su modernización, se encuentran localizadas en zonas de alto crecimiento
industrial y poblaciones, o combinaciones de las anteriores.
Otro reto es cambiar la cultura de los líderes de proyectos y de los patrocinadores,
especialmente en cuanto a costos y tiempo. En efecto, los investigadores frecuentemente
sobrepasan el presupuesto y el tiempo asignado al proyecto, argumentando retrasos en
la adquisición de equipos e insumos, así como la necesidad de mucho más tiempo para
decantar el conocimiento. La verdad es que los retrasos, si bien son siempre atribuibles a
las ineficaces administraciones universitarias, en un buen número de ocasiones se
explican por una insuficiente planeación y seguimiento del investigador en jefe. Por lo que
respecta a los patrocinadores, es necesario hacer énfasis, mediante extensas y
29

detalladas explicaciones, en los costos inherentes a la experimentación. Asimismo, se
sugiere, como estrategia, plantear el desarrollo de las investigaciones de modo de
entregar productos parciales que le permitan al patrocinador adquirir seguridad de que
sus recursos se están empleando bien, y de que los resultados obtenidos van en la
dilección correcta (o de que se está a tiempo de replantear el resto del proyecto).
Un reto más por vencer es lograr una mayor participación de profesores y alumnos en la
investigación experimental. En cuanto a los profesores, es conveniente plantear
modificaciones a los actuales sistemas de evaluación para promociones y becas (tipo
Sistema Nacional de Investigadores), en los cuales la investigación experimental es
castigada indirectamente al premiar la publicación de artículos. En efecto, la publicación
de artículos toma más tiempo porque la propia investigación experimental es
normalmente más lenta que la analítica o de gabinete. También se deben proponer
modificaciones en los programas de las materias de materiales e ingeniería estructural de
modo que los profesores organicen y supervisen prácticas de laboratorio congruentes con
la capacidad instalada. Por lo que se refiere a los alumnos, la experiencia con los clubes
de alumnos del Instituto Americano del Concreto indica que los estudiantes son fácil y
positivamente motivados en el trabajo experimental si se organizan concursos y
demostraciones en el laboratorio que les aclaren los conceptos y les fortalezcan los
conocimientos adquiridos en el salón de clase. En el caso de los alumnos, sin embargo,
el principal obstáculo por vencer es la creciente participación de la computación en la
ingeniería estructural, la cual frecuentemente deja de ser vista como una herramienta,
para ser considerada como fin último. Esto es la simple consecuencia del poco énfasis
que se da en los planes de estudio a los cursos de diseño y detallado, los cuales se
encuentran fuertemente ligados a la investigación experimental. Otra manera de acercar
a los estudiantes es mediante su participación en proyectos derivados de alianzas
estratégicas empresa-universidad con miras a lograr un puesto de trabajo.
Siendo México un país pobre, con enormes carencias sociales, es indispensable
potenciar las capacidades individuales a través del desarrollo de investigaciones de
alcance regional, intercambios, permisos para usar instalaciones de otros,
investigaciones conjuntas, entre otras. Para ello, resulta indispensable, en una primera
fase, organizar una red de laboratorios, públicos y privados, y crear mecanismos de
intercambio de información, experiencias y objetivos. En una segunda fase, se podrían
preparar propuestas conjuntas, dirigidas a los sectores productivo y/o público, para
investigar problemas de interés más o menos amplio. De este modo, el país estaría en
posibilidades de desarrollar el cuerpo de conocimiento señalado arriba.
AG RADECMI ENTOS
La investigación experimental en ingeniería estructural, como la aquí descrita, requiere de
la participación de un amplio número de personas. Además de reconocer a los coautores
de los trabajos referidos, el autor agradece el trabajo, las contribuciones y el entusiasmo
de los señores Pablo Olmos, Carlos Olmos, Martín Rodríguez y Jesús Aguayo. Agradece
al Centro Nacional de Prevención de Desastres, al Instituto de Ingeniería de la UNAM y al
Laboratorio Ferguson de la Universidad de Texas en Austin el apoyo y las facilidades
para ejecutar los estudios. Finalmente, se agradece el apoyo de la Agencia de
Cooperación Internacional del Japón, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Grupo
CEMEX, Grupo FESA, Instituto UC MexUS, MBT México, Novaceramic, Sicartsa-
Villacero y Siderúrgica Tultitlán.
30

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33

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