EXPERIMENTACIÓN, MODELAMIENTO Y ANÁLISIS DE MÓDULOS BÁSICOS DE TAPIA PISADA EXPERIMENTATION, MODELING AND ANALYSIS OF BASIC MODULES OF RAMMED EARTH
Fabián Enrique Peña Alvarado, Diego Mauricio Burgos Soracá Ingenieros Civiles (Candidatos), de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Afiliados al Grupo de Investigación en Construcción Antisísmica de la UPTC-GICA- en la línea de Investigación Desarrollo científico y tecnológico de la construcción del futuro. Email:
[email protected];
[email protected] Oscar Javier Gutiérrez Junco Ingeniero Civil. Especialista en Estructuras, Magister en Ingeniería Civil, Estructuras y Sísmica. Docente Investigador Grupo de Investigación en Construcción Antisísmica de la UPTC-GICA Email:
[email protected]
RESUMEN
El presente estudio tiene como objetivo analizar el comportamiento de muros de tapia pisada bajo la acción de cargas horizontales, comparando los patrones de fuerza y desplazamiento obtenidos en campo, con curvas proyectadas por expresiones matemáticas y modelos en software.
En primer lugar se determinaron las propiedades físico-mecánicas del material mediante ensayos de laboratorio aplicados a probetas, luego se llevaron a cabo ensayos de carga horizontal a muros de tapia pisada a escala real. Tomando la parte lineal descrita en los patrones obtenidos en campo y teniendo en cuenta las propiedades del material se aplicaron
expresiones propias de la teoría elástica para luego ser comparadas con las del desarrollo experimental. Posteriormente se realizaron simulaciones empleando software estructural, analizando el comportamiento de los muros.
Palabras Clave: Tapia pisada, resistencia de materiales, comportamiento estructural.
ABSTRACT
The main objective of this project is to understand the behavior of a rammed earth wall under horizontal load action by comparing the force and displacement patterns obtained with similar curves projected by mathematical expressions and models in software for analysis of structural integrity
First, the physical and mechanical properties of the building material, or earth, were identified through laboratory test, then the tests of horizontal loading to rammed earth walls were carried out. Defined linearity from the patterns obtained in field tests and taken into account the material properties, some mathematical expressions of the elastic theory were applied and compared with the experimental development ones. Afterwards, some simulations were applied by using structural software, so we could analyze the behavior of the rammed earth walls
Key words: Rammed earth, resistance of materials, structural behavior.
1. INTRODUCCIÓN
Las tecnologías y la producción de materias primas en la construcción se han desarrollado rápidamente durante los últimos años, pero en algunos casos los elevados costos de adquisición limitan las oportunidades de construir una vivienda con espacios adecuados para el desarrollo social, sin embargo la construcción en tierra puede constituir una solución integral con bajo impacto ambiental la cual rescata los rasgos culturales de la sociedad a través de prácticas constructivas empleadas por anteriores generaciones, asegurando su buen comportamiento.
Teniendo en cuenta que en Colombia la mayor parte de las construcciones son de tierra, que los profesionales desconocen el tema y que no existen normas ni manuales de diseño y rehabilitación consolidados; el grupo de investigación GICA de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia busca realizar aplicaciones concretas direccionadas a la preservación de este tipo de obras.
La técnica de construcción empleando muros de tapia pisada ha sido poco difundida debido a la incertidumbre de sus propiedades al momento de responder a las diferentes solicitaciones de servicio, por lo tanto es importante llevar a cabo un estudio más específico que nos permita determinar los estados límites edificaciones
de carga y así evaluar este tipo de
En la medida que aumenta el sentido de responsabilidad ambiental, la construcción en tapia pisada está experimentando un resurgimiento principalmente en países desarrollados como Estados Unidos, Alemania, Francia y Australia mediante la construcción de viviendas y casos experimentales con propósitos de proyectos reales.
2. METODOLOGIA
Se utilizo un material extraído de la zona noroccidental de los predios de la Universidad al cual se le hicieron las pruebas organolépticas de campo descritas en su texto por Houben y Guillaud [1], encontrándose un material arenoso con bajo contenido de arcilla, opaco, de color café claro con betas amarillas y sin olor. Ante la prueba de sedimentación se obtuvieron unas proporciones de arena del 47%, arcilla 32% y limo 21%.
Se realizaron ensayos de caracterización en el laboratorio de Suelos y Materiales de la Universidad, en la Tabla 1 se presentan los valores obtenidos para los límites de consistencia que corresponden a una arena fina arcillo-limosa de baja plasticidad (ML-OL) y mediana compresibilidad.
Tabla 1. Límites e índices de consistencia del material. Humedad Natural (%)
15.8
Limite Liquido (%)
36.7
Limite Plástico (%)
28.5
Limite de Contracción (%)
18.4
Índice de Plasticidad (%)
8.2
Índice de Liquidez (%)
-1.5
Índice de Consistencia (%)
2.5
Según el ensayo granulométrico se tiene un suelo bien gradado y normalmente distribuido, con un valor de gravedad especifica igual a 2.7
En el ensayo de compactación proctor se obtuvo una densidad máxima de 16.3 KN/m3 y una humedad optima del 7%.
Se tomaron micrografías a muestras de tapia pisada empleando el microscopio electrónico de barrido (MEB) que admite la visualización y caracterización superficial de materiales inorgánicos y orgánicos dando una apariencia tridimensional.
De manera similar a la investigación de Giraldo y Pérez [2] un análisis petrográfico permite ver la naturaleza y estado de las fracciones constituyentes, comparar las proporciones de vacios, la adherencia entre partículas y la forma como estas interactúan para proporcionar las propiedades físicas y desempeño del material.
En la micrografía (Imagen 1) se presentan láminas de arcilla traslapadas unas sobre otras que en algunos casos envuelven grano fino, los poros a este nivel no son considerables, se aprecian fisuras con aberturas menores a una micra y algunas zonas hidratadas, donde las partículas se acomodan debido a la energía aplicada en cada golpe, en algunos casos pueden atrapar líquidos y gases entre ellas. La muestra observada corresponde a una edad de 42 días.
Imagen 1. Micrografía a 1000 aumentos.
En cuanto a las propiedades resistentes se desarrollaron ensayos a un número escaso de recursos debido a las limitaciones de recursos sin embargo es claro que un estudio como este debe ser definido para una muestra representativa.
Se elaboraron tres bloques de tapia de 0.23m x 0.23m x 0.24m que fueron fallados bajo compresión normal en la maquina universal de ensayos (Imagen 2), encontrándose para una densidad de 15.8KN/m3 una resistencia a la compresión de 0.51MPa (Valores promedio). La Gráfica 1 describe el comportamiento del material en este ensayo.
Imagen 2. Ensayo a compresión normal.
Gráfica 1. Resistencia a la compresión normal
Se fabricaron tres muretes de tapia de 0.45m x 0.45m x 0.23m que fueron sometidos a compresión diagonal obteniendo de manera indirecta valores de esfuerzo al corte del elemento (Imagen 3), se encontró en promedio una resistencia al corte de 0.31Mpa para una densidad media de 15.9KN/m3. En la Gráfica 2 se observa el comportamiento del elemento.
Imagen 3. Ensayo indirecto de tracción diagonal.
Gráfica 2. Resistencia indirecta a la tracción.
EL módulo de elasticidad empleado en los modelos se obtuvo a partir de las curvas de esfuerzo-deformación de los bloques de tapia a compresión bajo el criterio de la línea secante que corta la curva en el esfuerzo correspondiente a la deformación unitaria 0.000050, así como la deformación unitaria correspondiente al 40 % del esfuerzo máximo.
Adicionalmente se realizaron probetas cilíndricas para determinar el módulo de elasticidad con un dispositivo sistematizado para tal fin. La densidad de los cilindros promediaba los 18KN/m3, los cuales fueron compactados empleando el equipo proctor.
En la falla de los cilindros, en promedio se alcanzo una resistencia a la compresión de 0.13MPa, un módulo de elasticidad de 371,2MPa y una relación de poisson de 0.26 (Imagen 4). Los valores de módulo de elasticidad y resistencia a la compresión son elevados comparados con los arrojados por los bloques expuestos a compresión donde las deformaciones fueron medidas entre platos de carga de la maquina universal mientras que en las probetas cilíndricas se emplearon anillos en aluminio ubicados a un cuarto de la altura de la probeta a lado y lado a los que se les adaptaron LDVT con precisión de 0.5 micras para tomar las deformaciones, el registro correspondiente a la relación de poisson es similar con el encontrado en la investigación de Rodríguez, et al. [3].
Imagen 4. Módulo de elasticidad y relación de Poisson.
Se construyeron seis muros en tapia de 2.0m x 2.0m x 0.45m cimentados en concreto ciclópeo a los que se les aplico una carga horizontal en la parte superior para simular la carga por sismo (Imagen 5). A tres de los muros se les aplicó la carga en su eje longitudinal y a los otros tres en su eje transversal, con el fin de comparar el aporte por rigidez en los dos sentidos.
Imagen 5. Muros de ensayo.
Se tomo como muro de reacción un macizo rocoso medianamente fracturado (Imagen 6), la fuerza se aplico mediante un gato mecánico accionado por un sistema de corona sin fin adaptado a un software especializado en la toma de datos de fuerza y deformaciones.
Imagen 6. Detalles del montaje.
Para distribuir la carga se colocaron en la parte superior del muro planchones en madera sujetos con varillas, la velocidad de aplicación de carga fue de 3mm/min.
Con respecto al modelamiento del comportamiento lineal presentado en campo, se simuló un muro considerando las propiedades mecánicas del material obtenidas en el laboratorio empleando Sap2000.
Para representar el muro se simularon las juntas propias de cada armada mediante un material de menores características resistentes y el apoyo en madera se represento mediante diafragmas rígidos sobre los cuales se aplico la carga (Imagen 7, Imagen 8).
Imagen 7. Modelo de carga longitudinal.
.
Imagen 8. Modelo de carga transversal.
3. DISCUSION Y RESULTADOS
Para analizar el comportamiento ante carga horizontal de un muro en tapia pisada el estudio se basa en la teoría elástica, según Gutiérrez [4] la deformación por flexión pura (1) y por efecto cortante o deformaciones angulares (2) generan una acción combinada en el muro tal como se muestra en la secuencia de la Ilustración (12). f
PH 3 3EI
(1)
1,2 PH AG
(2)
Ilustración 1. Deflexión de un muro en voladizo
La deflexión total para una serie de valores de carga se estimó según la expresión (3), Se elaboro una curva de fuerza contra desplazamiento contemplando las propiedades físicomecánicas del material obtenidas en el laboratorio. PH 3 3EI
1,2 PH AG
(3)
Los patrones de carga obtenidos en campo presentan un comportamiento lineal antes de la aparición las fisuras, esto permite hacer un análisis basado en la teoría elástica (Gráfica 3, Gráfica 4).
Las cargas máximas obtenidas reflejan valores bajos, debido a la baja densidad de los muros (Máximo 16.3KN/m3 ensayo Proctor modificado), ya que en estudios como el realizado por Rodríguez, et al. [3] se tienen densidades promedio de 18 KN/m 3 probablemente por diferencias en las características del material.
Gráfica 3. Compatibilidad de modelos bajo carga longitudinal.
Gráfica 4. Compatibilidad de modelos bajo carga trasversal.
Se puede observar que el modelo experimental difiere del modelo matemático en la pendiente de las curvas, en otros términos en la rigidez del muro. Esto se debe a que en la expresión matemática se asume que el muro es completamente monolítico, cosa que no pasa en la realidad pues se presentan las juntas típicas del sistema constructivo y además la incertidumbre en las mediciones de las propiedades del material, los procedimientos constructivos y la falla de los muros por ejemplo en la localización de la zona de aplicación de la carga (planchones).
En el modelo ante carga horizontal en el sentido longitudinal, en el muro se generan concentraciones locales de esfuerzos; hacia la parte central predominan tracciones alrededor de la diagonal entre el punto de carga y su opuesto inferior.
Al comparar los esfuerzos generados en el software (Imagen 8) y las fisuras de los muros experimentales (Imagen 9) se observa la falla diagonal, la cual no está totalmente definida ya que en las juntas constructivas se disipa parte de la energía aplicada por la fuerza.
Imagen 9. Esfuerzos presentes en el sentido longitudinal.
Imagen 10. Falla típica en el sentido longitudinal.
Para la carga en el sentido transversal los esfuerzos se concentran en la base (Imagen 10), en la cara de aplicación de la fuerza se tienen fisuras por tracción, en la parte posterior el desmoronamiento del material es producto de la compresión (Imagen 11).
Imagen 11.Esfuerzos presentes en el sentido transversal.
Imagen 12. Falla típica en el sentido transversal.
La respuesta a carga horizontal transversal presenta una rotación en la base, con tendencia al volcamiento que sucedería si se supera el centro de gravedad del elemento
La rigidez del muro está dada por la pendiente de la curva de fuerza-desplazamiento; manteniendo las propiedades físico mecánicas del material, para un muro de 2m x 2m x m.45m se tienen valores de rigidez en el sentido longitudinal y transversal mostrados en la Tabla 2 y en la Tabla 3 respectivamente.
Tabla 2. Rigidez en el sentido longitudinal (KN/mm) MODELO EXPERIMENTAL MODELO MATEMATICO SIMULACION EN SOFTWARE
0.945 2.392 1.667
Tabla 3. Rigidez en el sentido transversal (KN/mm) MODELO EXPERIMENTAL
0.371
MODELO MATEMATICO
0.202
SIMULACION EN SOFTWARE
0.204
Se pudo observar experimentalmente que el aporte por rigidez de un muro en el sentido trasversal esta por el orden del 40% respecto al sentido longitudinal, sin embargo en ensayo de fuerza horizontal en el sentido transversal se observó que parte de la carga que se registraba hacia parte del peso propio del muro.
En el modelo matemático el aporte por rigidez tiene una relación del 8.5% del sentido transversal respecto al longitudinal considerando que el muro se encuentra totalmente empotrado en la base cosa que difiere en la realidad pues se presenta una leve rotación perceptible en el sentido trasversal.
En la simulación en software la relación que se presenta es del 12.5%, debido a que la rigidez en el sentido longitudinal se redujo porque se consideraron las juntas constructivas.
4. CONCLUSIONES
Se obtuvieron valores de la resistencia a compresión y resistencia al corte para el material, sin embargo es importante considerar que el número de ensayos no es representativo y dan cuenta de la variabilidad que ofrece el material, lo que indica que se debe llevar a cabo un control en la calidad del mismo. La tapia pisada es un material que se puede analizar mediante expresiones y software para estructuras mientras el material se encuentra en el rango elástico asumiendo aproximaciones en lo referente a su conformación con el de ser un material continuo, homogéneo e isotrópico lo cual en la realidad no lo es. Se evidencia la necesidad de colocar colmillos de amarrare horizontal en los muros para rigidizar la estructura, de igual forma es importante mantener una energía de
compactación constante para lograr un acabado uniforme y minimizar las juntas entre cada armada. La configuración constructiva del muro fue desfavorable ya que la carga se aplicó a la armada de menores dimensiones generando el desprendimiento de la misma y fallas locales, en otras palabras la disposición de los bloques dentro de la configuración del muro afecta la forma de falla. Según lo visto en los muros experimentales y en la simulación en software se encontró coincidencia en las zonas del fisuramiento inicial con las de mayor esfuerzo tanto en carga en el sentido longitudinal como transversal. El aporte por rigidez transversal de los muros es mínimo respecto a la rigidez en el sentido longitudinal a pesar que los muros cuentan con un espesor considerable. Se ve la necesidad de reglamentar un ensayo de compactación dirigido específicamente al estudio de la construcción en tierra, ya que el realizado en los moldes cilíndricos del proctor no representa las condiciones propias del pisado en campo. Igualmente para los ensayos de resistencia es necesario definir las dimensiones y forma de las probetas, las edades de falla entre otras.
AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al personal de Laboratorio de Suelos y Materiales de la UPTC, a los docentes de la Escuela de Ingeniería Civil, al Ing. Santiago Rivero y amigos que cooperaron en el desarrollo de la investigación.
REFERENCIAS
[1] HOUBEN, Hugo. GULLAUD, Hubert. Earth construction technologies appropiate to developing countries. Edición previa. Bruselas. 1984. 361 p. 300-312.
[2] GIRALDO, John. PEREZ, Raúl. Concreto bajo el microscopio, Petrografía: ciencia aplicada al estudio del concreto y sus materias primas. En: Noticreto. N° 61; p. 40-46. ISSN 0120-8489.
[3] RODRÍGUEZ, Ángel. FONSECA, Luis. YAMÍN, Luis. Comportamiento sísmico y alternativas de rehabilitación de edificaciones en adobe y tapia pisada con base en modelos a escala reducida ensayados en mesa vibratoria. Bogotá. Universidad de Los Andes. 2003. En: Google [buscador en línea]. [Citado en 12 de Septiembre de 2007].
[4] GUTIERREZ JUNCO, Oscar. Mampostería estructural. Bogotá. Orión editores Ltda. 2004. p. 140-145. ISBN: 958-0162-25-8
BIBLIOGRAFIA
AIS, FOREC. Estudios de vulnerabilidad sísmica, rehabilitación y refuerzo de casas en adobe y tapia. Informe final. 2004. 194 p.
DIAZ, K. RIOS J. Alternativas de rehabilitación de adobe y tapia pisada. Bogotá. Universidad de Los Andes. 2004. En: Google [buscador en línea]. [Citado en 12 de Septiembre de 2007].
EASTON, David. The rammed earth house. Vermont, USA. Chelsea green publishing company. 1996. 272 p. ISBN: 0-930031-79-2
MATTHEW, Hall et al. Rammed earth sample production: context, recommendations and consistency. En: Engineering Village [base de datos en línea]. Construction and Building Materials 18 (2004) 281-286 (24 de Noviembre de 2003) 6 pág. [Citado en 11 de Septiembre de 2007].
MEDINA ACERO, Oscar. Implicaciones de la compactación en el estudio de la tapia pisada. Tunja, 2006, 196 p. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil.
RAMIREZ, Oscar. Geotecnia básica: Apuntes de clase. 2ª ed. Tunja, Grupo de imprenta y publicaciones UPTC, Copyright. 427 p. ISBN: 660-062-9.
Artículo perteneciente a la categoría de investigación científica y tecnológica.
