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Edición N°14
CALIDAD
ESTUDIO DE LA CONEXIÓN JUNTA PLACA-ALBAÑILERÍA
Por: Ing. Ángel San Bartolomé
Profesor Principal PONTIFICIA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
asambar@pucp.edu.pe
Algunos edificios presentan en su estructura muros de concreto armado ("placas") unidos en el mismo plano a muros de albañilería (Figura 1), presentándose en ciertos casos grietas verticales en esa interfase.En este artículo se trata de explicar, utilizando la teoría de elementos finitos, las posibles causas por las que se forman estas grietas y analizar si existe la necesidad de separar ambos materiales con una junta vertical o utilizar un solo material en el muro. Este texto es un resumen del artículo original disponible en: http://blog.pucp.edu.pe/albanileria.
CARACTERÍSTICAS DEL MODELO UTILIZADO
Para el estudio se utilizó un modelo de 5 pisos (Figura 2), donde el muro de albañilería tenía la misma geometría que la placa: 15 cm de espesor por 3 m de longitud y una altura de piso igual a 3 m Las cargas verticales y laterales aplicadas en cada nivel fueron de la misma magnitud en cada muro; esto se hizo para atribuir la diferencia de deformaciones y esfuerzos entre 2 nudos equidistantes del eje central vertical (puntos "a" y "c" en la Figura 2), exclusivamente a la diferencia de materiales. Por ejemplo, para el caso de carga vertical, si los materiales fuesen los mismos, entonces por simetría los puntos "a" y "c" de la Figura 2, tendrían el mismo desplazamiento vertical: Da = Dc.
Se utilizaron elementos tipo "Shell" de 30x30 cm con 15 cm de espesor, con lo cual se obtuvieron 100 elementos por cada piso y por cada tipo de muro. En la Figura 2 los elementos de albañilería son de color naranja, mientras que los elementos de concreto son de color gris. Adicionalmente, se consideró que la base del muro estaba empotrada y que los nudos de cada nivel deberían desplazarse horizontalmente en la misma cantidad, para así simular la hipótesis del diafragma rígido dada por las losas de techo.
EFECTOS DE LA CARGA VERTICAL
En cada nudo de cada nivel se aplicó una carga vertical de 450 kg, que proporciona un esfuerzo axial promedio en cada piso de ? =1.05 kg/cm2, y que acumulado en el primer piso resulta ? = 5.25 kg/cm2. Puesto que la distribución de cargas verticales fue simétrica (se excluyó al peso propio) y la geometría de la estructura es también simétrica, su respuesta dependerá exclusivamente de la diferencia de los materiales existentes: albañilería y concreto.
En la Figura 3 se puede ver que los esfuerzos axiales en la albañilería estuvieron por debajo del valor promedio (5.25 kg/cm2), mientras que en el concreto el valor máximo fue casi el doble del esfuerzo promedio. En la interfase, el esfuerzo axial en la albañilería se incrementó notoriamente, lo que es contraproducente para esa unión. Es interesante observar que en el borde derecho de la placa el esfuerzo axial de compresión se minimizó, debido a la flexión del sistema causada por la asimetría de los materiales.
Respecto a los desplazamientos, vemos que por la asimetría en las cargas verticales y por la forma de la estructura, si los materiales hubieran sido los mismos, entonces la sección transversal se hubiera desplazado verticalmente en la misma cantidad. Asimismo, la expansión horizontal en los dos sentidos hubiera sido de la misma magnitud. Sin embargo, por la diferencia de materiales se produjo adicionalmente desplazamientos laterales (Figura 4), recargados hacia el lado del material más débil. En adición, los desplazamientos verticales entre 2 nudos equidistantes en 30 cm de la interfase albañilería-columna fueron diferentes, desplazándose la albañilería en mayor proporción que el concreto; esto es nocivo para la unión albañilería-columna y podría conducir a la formación de la grieta vertical en esa unión.
EFECTOS DE LA CARGA LATERAL
Asumiéndose un esfuerzo cortante promedio en el primer piso igual a 10 kg/cm2, la fuerza cortante resultante en la base es: V = 90000 kg. Esta fuerza se distribuyó a la largo de la altura en forma triangular y fue aplicada en los nudos centrales de cada nivel.
En la Figura 5 se puede apreciar que los esfuerzos cortantes en la placa son más altos que en la albañilería, lo cual es lógico porque el concreto, al ser más rígido que la albañilería, absorbe una mayor proporción de la fuerza cortante aplicada. Por otro lado, si no hubiera existido placa, el esfuerzo cortante en el borde derecho de la albañilería sería nulo y máximo en su zona central, pero con la placa el esfuerzo cortante en el borde derecho de la albañilería se maximizó, lo cual es contraproducente para la unión placa-albañilería.
En la Figura 6, correspondiente a la diferencia de desplazamientos horizontales (D albañilería - D concreto) a lo largo de la altura del primer piso, se nota que esta diferencia se hace máxima en la mitad de la altura. Esto quiere decir que ante cargas sísmicas podría formarse una grieta vertical en la unión albañilería-placa, que correría desde la zona central hacia los extremos. Nótese que en el último nivel (h = 300 cm) esta diferencia es nula, ya que existe el confinamiento de la losa de techo.
La Figura 7 muestra la variación de los desplazamientos verticales (Dv) a lo largo de la sección transversal del último nivel. Puede apreciarse que esta variación prácticamente es lineal, con lo cual, a pesar que el sistema presenta 2 materiales distintos, se cumple la hipótesis de Navier (la sección plana se mantiene plana después de haberse aplicado las cargas).
También puede notarse que los desplazamientos verticales absolutos en la albañilería son mayores que en el concreto. Si sólo existiera un material, la distribución de desplazamientos verticales hubiera sido asimétrica (con los mismos valores absolutos, pero con signos contrarios) y el desplazamiento vertical en el eje central sería nulo.
EFECTOS DE TEMPERATURA
Se supuso un incremento de temperatura ?T = 10 o C uniforme para toda la estructura y un coeficiente de dilatación térmica para el concreto ? = 1.2x10-5 / o C, mientras que para la albañilería se adoptó la mitad de este valor.
En la Figura 8 se muestra la variación a lo largo de la altura del piso 5 de la diferencia de desplazamientos horizontales (Da-Dc), entre 2 puntos equidistantes a 30 cm del eje vertical central (Figura 2).
También se observa que la diferencia de desplazamientos horizontales entre los nudos "a" de la albañilería y "c" del concreto, se maximiza en la zona central del piso, por lo que de agrietarse verticalmente la unión albañilería-concreto, la grieta correría desde la zona central hacia los extremos. Debe mencionarse que a la altura de los niveles 4 (h = 1200 cm) y 5 (h = 1500 cm), la diferencia de desplazamientos Da-Dc es nula, porque esos nudos se conectaron a diafragmas rígidos. Asimismo, se destaca que el desplazamiento horizontal absoluto de la albañilería (Da) fue mayor que el del concreto (Dc).
JUNTA VERTICAL EN LA UNIÓN ALBAÑILERÍA-PLACA
La placa se aisló de la albañilería con una junta vertical de 2 cm de espesor (Figura 9), de forma tal que los nudos correspondientes a cada nivel tengan el mismo desplazamiento lateral (diafragma rígido dado por la losa de los techos) y haciendo que los nudos adyacentes al eje central vertical de cada nivel (marcados en el interior del círculo de la Figura 9), pertenecientes a los muros de concreto y de albañilería, tengan los mismos desplazamientos y giros.
En el caso donde solo existió carga vertical simétrica (Figura 10), los esfuerzos producidos por la flexión hicieron que la distribución de esfuerzos axiales en el primer piso variaran muy poco en relación al caso donde no existió la junta vertical. Lo propio ocurrió cuando la estructura estuvo sujeta sólo al incremento de temperatura. De esta manera, resulta aconsejable unificar el material de ambos muros.
Para el caso en que sólo existió carga sísmica, la junta vertical hizo que la estructura se flexibilice en un 9% y que la distribución de esfuerzos cortantes en el primer piso (Figura11) sea semejante a la existente en secciones rectangulares, con valores mínimos en los extremos y máximos en la zona central de cada muro. Sin embargo, el esfuerzo cortante en la interfase del primer nivel se incrementó en 145% respecto al caso en que no existió la junta; esto es peligroso para la losa de techo.
CONCLUSIONES
- El estudio se encuentra limitado al caso de una estructura sencilla e isostática, donde las acciones aplicadas sirvieron sólo para analizar tendencias generales en la conexión albañilería-placa de concreto armado.
- El análisis ante acciones de gravedad sísmica y de temperatura, indicó que no es adecuado conectar en el mismo plano un muro de albañilería con otro de concreto armado, porque podría formarse una grieta vertical en esa unión, hecho que ha ocurrido en algunas edificaciones reales. La presencia de esta grieta dejaría a la albañilería sin confinamiento ante acciones sísmicas en el mismo plano y sin arriostre vertical ante acciones sísmicas perpendiculares al plano.
- La creación de una junta vertical en la interfase albañilería-placa, generaría concentración de esfuerzos cortantes en esas zonas de las losas de techo (no atravesadas por la junta), por tanto, la mejor solución es que el muro sea hecho de un solo material.
- El análisis no contempló la contracción de secado del concreto, fenómeno que es mínimo en la albañilería, pero importante en la placa. Este efecto también podría causar el agrietamiento vertical en la unión albañilería-placa./li>
- >En la albañilería confinada las columnas de concreto armado presentan secciones transversales pequeñas, por lo que ellas se mimetizan a la albañilería.
REFERENCIAS
- San Bartolomé A., Bernardo J. y Peña M. Efectos del peralte de las columnas en el comportamiento sísmico de los muros de albañilería confinada. Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica. X Jornadas. Santiago de Chile. Mayo del 2010. Este artículo también aparece en el capítulo "Albañilería Confinada" del blog http://blog.pucp.edu.pe/albanileria.
- San Bartolomé A., Quiun D. y solva W. Libro: Diseño y construcción de estructuras sismorresistentes de albañilería. Fondo Editorial de la Pontifícia Universidad Católica del Perú. ISBN: 978-9972-42-956-9. Lima, febrero del 2011.
