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Manual de construcción para viviendas antisísmicas de tierra

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Manual de construcción para viviendas antisísmicas de tierra
Gernot Minke
Manual de construcción
para viviendas antisísmicas
de tierra
Forschungslabor für Experimentelles Bauen
Universidad de Kassel, Alemania
Forschungslabor für Experimentelles Bauen
Universidad de Kassel, Alemania
Primera edición: Septiembre 2001
Tercera edición revisada y ampliada: Abril 2005
Contenido
Agradecimientos
Introducción
1.
1.1
1.2
2
3
4.
5.
6.
6.1
6.2
6.3
6.4
7.
7.1
7.2
7.3
7.4
8.
9.
10.
10.1
10.2
10.3
11.
12.
12.1
12.2
13.
14.
15.
16.
Generalidades sobre los sismos
Localización, magnitud, intensidad
Aspectos estructurales del sismo
Emplazamiento de la vivienda
Forma de la planta
Daños típicos provocados por
los sismos y errores de diseño
Aspectos estructurales
Muros antisismicos de tapial
(tierra apisonada)
Generalidades
Estabilización por la masa
Estabilización por la forma
Refuerzos internos
Muros de adobe
Generalidades
Refuerzos internos
Muros de bloques machihembrados
Refuerzos horizontales y verticales
de hormigón armado
Muros de bahareque (quincha)
Muros de elementos textiles
rellenos con tierra
Uniones criticas de los elementos
estructurales
Uniones entre cimientos,
sobrecimientos y muros
Encadenados de muros
Encadenados que actúan como
vigas soleras
Tímpanos
Cubiertas
Generalidades
Cubiertas aisladas de la estructura
de muros
Vanos para puertas y ventanas
Cúpulas
Bóvedas
Revoques y pinturas
Referencias bibliográficas
4
5
6
6
6
8
9
11
13
14
14
15
16
19
22
22
24
26
27
28
30
34
34
35
36
37
38
38
38
41
42
46
49
51
3
Agradecimientos
Este manual se publicó en el contexto del
proyecto de investigación ”Viviendas
sismoresitentes con materiales locales y
climatización pasiva en zonas rurales de los
Andes” patrocinado por las instituciones alemanas
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) y Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (gtz).
La redacción y traducción fueron realizadas por
Rosario Loayza de Fischer, en conjunto con Alexander Fischer y el autor.
Los dibujos fueron elaborados por Vera Frey, el
layout y los dibujos en computadora por Friedemann Mahlke.
Kassel, Septiembre 2001
Gernot Minke
4
Introducción
En regiones propensas a movimientos sismicos,
la resistencia de las construcciones a estos
impactos es hoy en día una condición
imprescindible.
La elección de los materiales de construcción
depende de la disponibilidad, los conocimientos
y experiencias locales relacionados a la
construcción y la aceptación de la población.
El barro como material de construcción a perdido
credibilidad debido al desconocimiento de sus
amplias posibilidades, al prejuicio de ser
considerado el ”material de los pobres” y a que
gran parte de las viviendas recientemente
construidas en tierra colapsaron por el efecto de
ultimos sismos.
En varias regiones Andinas propensas a
movimientos sísmicos la utilizacion del adobe para
la construcción esta prohibida.
En Mendoza, Argentina por ejemplo más del 80%
de la población rural sigue construyendo sus
viviendas con adobe a pesar de estar prohibida la
construcción con dicho material, este fenomeno
se debe a los costos elevados del hormigón
armado y el ladrillo.
Se debe tener en cuenta que algunas viviendas
de tapial del siglo XVIII y XIX resistieron todos
los sismos sin daños mayores, mientras que las
nuevas viviendas construidas con adobes y
ladrillos colapsaron.
Un censo del gobierno Salvadoreño demostro que
las viviendas de adobe no fueron mas afectadas
durante en sismo de 2001 que aquellas construidas
con bloques de cemento.
Las propuestas estructurales de este manual están
orientadas a los requerimientos sismicos locales,
esto significa que están diseñadas solo para evitar
el colapso de las edificaciones.
En sismos moderados se pueden tolerar daños
menores, como grietas pero de ninguna manera
daños estructurales. En sismos de la intensidad
de diseño (considerada en la región) se pueden
aceptar daños menores estructurales pero no el
colapso. Esto implica que la construcción tendrá
capacidad de deformación y de absorción de la
energía sísmica.
En este manual se trata de demostrar que es
posible diseñar y construir estructuras simples
empleando muros de tierra para obtener una
resistencia máxima contra efectos de un sismo.
Las soluciones propuestas están orientadas a
viviendas de bajo costo de un solo nivel, que
pueden ser construidas sin conocimientos
especializados en zonas rurales de Latinoamérica.
Este manual esta basado en proyectos de
investigación llevados a cabo en el Forschungslabor für Experimentelles Bauen (FEB), (Instituto
de Investigación de Construcciones Experimentales) de la Universidad de Kassel, Alemania, en
la recopilación de la literatura existente, en el
análisis de los daños de los sismos en Guatemala
y Chile, en la construcción de prototipos de
viviendas antisismicas en Guatemala, Ecuador y
Chile así como seminarios de científicos que se
llevaron a cabo bajo la dirección del autor en 1997
y 1998 en Santiago de Chile y Mendoza Argentina.
Estos seminarios y la publicación del presente
manual fueron patrocinados por las instituciones
alemanas, Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) y Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (gtz) en el contexto del proyecto de
investigación ”Viviendas sismoresitentes con
materiales locales y climatización pasiva en zonas
rurales de los Andes”.
Para obtener más informaciones sobre la
construcción con tierra se recomienda consultar
el ”Manual de construcción con tierra, Montevideo, Uruguay, publicadora Nordan 2001” del
autor en el que se puede encontrar información
detallada sobre las diferentes técnicas de
construcción con tierra, las características del
material de construcción, las posibilidades de
optimizar las mezclas y varios ejemplos
internacionales de arquitectura en tierra.
5
1. Generalidades
tensidad la perceptibilidad y la fuerza local de
destrucción de un sismo.
La fuerza local de destrucción de un sismo y con
ello sus efectos dependen principalmente de los
siguientes parámetros:
- Magnitud
- Profundidad del foco y distancia al lugar
- Geología, topografía
- Suelo y subsuelo local
- Duración y frecuencia en el lugar
1.1 Localización, magnitud e intensidad de
los sismos
El sismo ocurre por el movimiento de las capas
tectónicas o por actividades volcánicas.
Las áreas en el mundo más propensas a
movimientos sismicos se muestran en la fig. 1-1.
Los de mayor intensidad se han detectado en el
anillo del Pacífico, desde Canadá hasta Chile
influyendo también en Nueva Zelanda, Japón y
Nueva Guinea. Otra zona propensa a los sismos
se encuentra a lo largo del anillo ecuatorial, ver
fig. 1-1.
En Asia se detectaron sismos de una intensidad
de 8 en la escala de Richter y en los Andes por
encima de 8.7. Cerca de cien sismos con una
intensidad mayor a 6 y veinte con una intensidad
mayor a 7 en la escala de Richter son registrados
anualmente. Muchos miles de personas son
afectadas por estos cada año.
Por consiguiente, la magnitud es solamente uno
de los muchos factores que influyen en las consecuencias de un sismo.
La aceleración del suelo y la frecuencia respectiva de las aceleraciones determinan los daños en
las construcciones.
Las edificaciones son afectadas mayormente por
los impactos horizontales creados por el movimiento de la tierra en el plano horizontal. Los
impactos verticales creados por la actividad
sísmica son menores al 50%.
Dentro de las viviendas el peligro reside en el
hecho que los muros tienden a colpasar hacia fuera
dejando caer la cubierta y los entrepisos al interior de la misma.
Una solución técnica antisísmica para construcciones hasta dos niveles busca que los muros no
se abran hacia fuera y que las cubiertas se encuentren bien arriostradas.
1.2 Efectos estructurales del sismo
La magnitud M del sismo usualmente esta medida en la escala de Richter. Esta escala es
logarítmica, no tiene limite superior y es una
medida de la energía que se libera en el lugar
donde se produce el sismo (la llamada energía en
el epicentro).
La escala de intensidad I de Mercalli está subdividida en 12 grados. En ella, se indica como in-
1-1
Zonas sísmicas
(Houben,
Guillaud 1984)
6
La magnitud de los valores máximos de la
deformación horizontal d, de la velocidad
horizontal v y de la aceleración horizontal a en
un sismo de intensidad mediana son:
resistencia como de la ductilidad. Todas estas
soluciones posibles tienen probabilidades
similares de resistir un sismo de gran intensidad
sin colapsar:
d = 0.1 a 0.3 m
v = 0.1 a 0.3 m/s
a = 0.1 a 0.3 m/s² = 0.15 a 0.30 g
-
Una aceleración horizontal de 0.3 g significa que
30% del peso propio de los elementos
constructivos actúan como fuerza en el sentido
horizontal en la construcción.
En el dimesionamiento de acuerdo con el método
de la fuerza equivalente, la resistencia contra
fuerzas horizontales está determinada por una
fuerza estática y no una dinámica.
Cuanto mayor es la ductilidad disponible (y cuanto
mayores son las deformaciones plásticas
permitidas) tanto menor puede ser la fuerza
equivalente. Esta relación fundamental se utiliza
para disminuir la fuerza equivalente necesaria para
una solución elástica en dependencia de la
ductilidad disponible.
De lo anterior, se puede concluir que las
construcciones antisismicas deben disponer de
una ductilidad mayor. Esto significa que deben
ser capaces de asumir parte de la energía con las
deformaciones plásticas.
Las siguientes características son las más
relevantes para el comportamiento de una
estructura durante un sismo:
-
Cuanto menor la resistencia, mayor es la
ductilidad necesaria
Cuanto menor la ductilidad, mayor es la
resistencia necesaria
La primera solución posible consiste en construir
una estructura con una resistencia tan alta, que
resista el sismo sin deformación plástica. De esta
manera no es necesaria la ductilidad y por lo tanto
no se requiere capacidad de deformación de la
estructura. Esta solución normalmente es muy
poco económica, debido a que exige grandes
esfuerzos para la resistencia.
Ejemplos de esta solución son las antiguas
residencias de tapial con muros de un espesor de
más de 60 cm, que resistieron sismos durante
siglos.
Considerando que los sismos de gran intensidad
no son comunes, se puede aceptar deformaciones
plásticas de la estructura si no se produce un
colapso.
Frecuentemente, se escoge una solución con
estructura de resistencia mediana. Con ello, la
intensidad de diseño causará solamente
deformaciones plásticas moderadas y el
requerimiento de ductilidad se mantiene
relativamente bajo.
Para sismos de mayor intensidad todavía quedan
reservas plásticas suficientes, que impiden un
colapso aunque con grandes deformaciones y
daños.
Para ello, hay que cubrir los requerimientos de
ductilidad con un dimensionamiento y un diseño
apropiados.
Resistencia contra fuerzas horizontales
Ductilidad (capacidad de deformación)
Ductilidad es la capacidad de una estructura de
sufrir deformaciones sin romperse. En este caso,
se aceptan conscientemente daños que se
producen por causa de la salida del rango elástico.
Entre ambas características existe una
interdependencia intima. Esta es de gran
importancia para toda la ingeniería.
Con respecto al riesgo de colapso se puede
establecer aproximadamente la relación siguiente:
(Texto según Grohmann, 1998)
«calidad» del comportamiento = resistencia x
ductilidad.
De acuerdo con esta relación, una estructura debe
tener por ejemplo una gran resistencia y una baja
ductilidad o una resistencia baja y una ductilidad
alta o puede tener valores medianos tanto de la
7
2. Emplazamiento de una
vivienda en pendiente
En áreas propensas a movimientos sísmicos el
emplazamiento de la vivienda en el sitio es muy
importante. Por ello se deben tener en cuenta las
siguientes reglas:
peligroso
a) No debe emplazarse la vivienda en el corte
de una pendiente del terreno debido a que
los impactos horizontales de la tierra durante
el sismo pueden provocar el colapso del muro
adyacente, ver fig. 2-1.
b) No debe emplazarse la vivienda sobre una
pendiente, para evitar el deslizamiento de la
edificación, ver fig. 2-2.
c) No debe emplazarse la vivienda cerca a
fuertes pendientes, para evitar daños por
deslizamientos del terreno, ver fig. 2-3 y 2-4.
d) En el caso en el que se deba emplazar la
vivienda en un terreno en pendiente se debe
crear una plataforma, con suficiente distancia
hacia los bordes de la pendiente, ver fig. 2-5.
e) Es recomendable que las viviendas masivas
y pesadas se emplacen en terrenos suaves y
arenosos, para reducir la fuerzas del impacto
del sismo. Mientras que las viviendas livianas
y flexibles como las de bahareque, se pueden
emplazar sobre terreno rocoso.
f) Se deben evitar los desniveles en la vivienda,
si estos fuesen necesarios deben estar
separados a una distancia de por lo menos 1
m, creando así espacios autónomos.
seguro
2-1
peligroso
2-2
peligroso
2-3
peligroso
2-4
seguro
2-5
2-1 a 2-5
Emplazamiento de la construcción en pendiente
8
3. Forma de la planta
Para obtener estabilidad de la vivienda la forma
de la planta es muy importante.
En general:
a) Mientras más compacta la planta, más estable
será la vivienda. Una planta cuadrada es mejor
que una rectangular y una circular es la forma
óptima, ver fig. 3-1.
b) Las plantas con ángulos no son
recomendables, si estas fuesen necesarias se
recomienda separar los espacios, la unión
entre los mismos debe ser flexible y liviana,
ver fig. 3-2.
malo
mejor
optimo
3-1 Plantas
Un método simple para simular el impacto de un
sismo se demostró en una tesis de doctorado en
la Universidad de Kassel donde un peso de 40
kg. sobre un péndulo de 5,5 m de longitud se dejó
oscilar y golpear modelos de viviendas
antisismicas, ver fig. 3-3. Se hicieron estudios
comparativos con una planta cuadrada y una
circular mostrando la mayor estabilidad de esta
ultima.
Luego de dos golpes el modelo con la planta
cuadrada mostró grietas en las esquinas, ver fig.
3-4. Luego de tres golpes el muro quedo
parcialmente dañado, ver fig. 3-5. Después de
cuatro golpes dos de los muros colapsaron, ver
fig. 3-6.
El modelo con la planta circular presentó las
primeras grietas recién luego de tres golpes, ver
fig. 3-7, luego de 6 golpes una parte del muro se
desplazó, ver fig. 3-8. Incluso hasta después de
siete golpes el modelo no colapsó (Yazdani, 1985).
Syed Sibtain construyó varias viviendas
antisismicas en Afganistán utilizando muros
convexos reforzados en las esquinas con
contrafuertes , ver fig. 3-9. La estabilidad obtenida
con este diseño es tan buena como la que se
obtiene con plantas circulares (Sibtain, 1982).
peligroso
seguro
3-2
3-3 Simulacro de un impacto sísmico (Minke 2001)
9
3-4
3-5
3-9 Planta de un vivienda sísmica en Afganistán
(Sibtain 1982)
3-6
3-7
3-8
3-4 a 3-8 Ensayos sísmicos para modelos con plantas
cuadradas y circulares (Minke 2001)
10
4. Daños típicos provocados por
movimientos sísmicos y errores
de diseño
Las figuras 4-1 a 4-3, muestran grietas típicas en
modelos a escala 1:5 provocadas por un
movimiento sísmico simulado (Tolles et al. 2000)
En ellos, se pudo observar que:
En los vanos de las ventanas a partir de las
esquinas inferiores aparecen grietas diagonales
hacia abajo. Si el área de muro entre los vanos de
la ventana y la puerta es muy angosta, esta se
debilita y tiende a derrumbarse.
Si los dinteles no penetran suficientemente en la
mampostería, estos colapsan como se puede ver
en la fig. 4-3.
Si no hay una traba entre los dinteles y la
mampostería sobre los mismos, aparecen grietas
horizontales. Si no se ejecuta un encadenado
(collarín) y si este no tiene traba con la sección
superior del muro esta se quiebra, pudiendo
derrumbarse, ver fig. 4-3.
La fig. 4-4 muestra un vivienda diseñada con el
propósito de ser antisismica en la que las esquinas
se reforzaron con contrafuertes. La prueba de
simulación de un sismo, demostró que esta
construcción sin encadenado no era estable
aunque la construcción de la cubierta era muy
liviana y estructuralmente aislada ver figs. 4-5 y
4-6 (Sibtain 1982).
La fig. 4-7 muestra 10 errores en una vivienda
rectangular de adobe, que pueden provocar
underrumbe durante un sismo.
4-1
4-2
4-3
4-1 a 4-3 Grietas típicas producidas por impactos sísmicos
simulados en modelos (Tolles et al. 2000)
4-4 Viviendas antisismicas, Afganistán (Sibtain 1982)
11
5. Aspectos estructurales
Principalmente hay tres distintas posibilidades
para construir una vivienda antisismica:
1. Los muros y la cubierta deben ser tan estables
para que durante el sismo no sufran
deformaciones.
2. Los muros pueden sufrir deformaciones
menores absorbiendo la energía cinética del
sismo debido al cambio de la forma. En este
caso la cubierta debe estar bien arriostrada
con el muro mediante un encadenado.
3. Los muros deben construirse como en el
segundo caso, pero se debe diseñar la cubierta
como un elemento estructural aislado, es decir
con columnas exentas de los muros para que
durante el sismo ambos sistemas tengan un
movimiento independiente.
En el primer caso las viviendas deben tener una
estructura de hormigón armado con columnas en
las esquinas y en los bordes de los vanos,
conectadas con el encadenado superior, así como
con el cimiento.
Una variante para construir un muro rígido sin
deformaciones durante el sismo, es conectar las
esquinas de los muros con tensores formando un
cruce.
En este caso existe el riesgo durante el sismo,
que al ser el impacto muy grande las fuerzas se
concentren en un punto que al estar sobrecargado
rompa el tensor, conllevando al colapso de muro,
ver fig. 5-1.
4-5 y 4-6 Modelos de la vivienda de la fig. 4-4 después
de impactos sísmicos simulados (Sibtain, 1982)
1.
Ausencia de un refuerzo horizontal (encadenado, collarín
o viga cadena)
2. Los dinteles no penetran suficientemente en la
mampostería
3. El ancho de muro entre los vanos de la ventana y la puerta
es demasiado angosto
4. El ancho entre los vanos de la ventana y la puerta en
relación a las esquinas es demasiado angosto
5. Ausencia de un sobrecimiento (zócalo)
6. El vano de la ventana es demasiado ancho
7. El muro es muy largo y delgado sin tener elementos de
estabilización
8. La calidad de la mezcla del mortero es pobre (con una baja
capacidad aglutinante), las uniones verticales no están
completamente rellenas, las uniones horizontales son
demasiado gruesas (más de 1,5 cm)
9. La cubierta es demasiado pesada
10. La cubierta tiene un arriostramiento débil con el muro
4-7 Errores estructurales que provocan riesgos de derrumbe
durante un sismo
12
Los sistemas del segundo y tercer caso con muros
dúctiles (flexibles), pueden construirse sin
hormigón armado y sin tensores, lo que los hace
mucho más económicos.
Por ejemplo, los muros construidos con el sistema
de bahareque también denominado bajareque o
quincha (wattle and daub en inglés), poseen esta
ductilidad.
La fig. 5-2 muestra una vivienda de bahareque
en Guatemala que después de un sismo, sufrió
deformaciones sin colapsar y fue solo necesario
apuntalar uno de sus muros.
Los impactos verticales de la tierra provocados
por el sismo, son mucho menores que los
horizontales. Hay dos tipos de impactos
horizontales que deben tenerse en cuenta:
Los que son paralelos al plano del muro y los que
son perpendiculares al mismo (las fuerzas que son
diagonales al muro se pueden dividir en dos componentes una paralela y la otra perpendicular).
El impacto de las fuerzas paralelas al muro, produce un desplazamiento menor de la sección superior del muro en relación a la inferior, debido a
la inercia de la masa. Por ello, se producen fuerzas de cizalladura en el muro que ocasionan grietas oblicuas.
Mientras mayor la altura del muro y mayor el peso
de la cubierta, mayor será el riesgo de la aparición
de grietas.
Los impactos perpendiculares al muro provocan
un momento que puede provocar su colapso. Para
disminuir este riesgo, este debe ser suficiente-
mente ancho o estar reforzado mediante muros
intermedios, contrafuertes y un encadenado.
Los muros altos y delgados pueden colapsar aunque estén reforzados con contrafuertes o muros
intermedios, ya que estos se pandean y quiebran.
Los daños mayores provocados por un sismo, ocurren cuando los muros colapsan hacia el exterior
dejando caer la estructura de la cubierta.
Por ello, la tarea principal del diseño antisismico
es asegurar que los muros no caigan hacia el
exterior o diseñar una estructura de cubierta
aislada es decir sobre columnas exentas de la
estructura del muro, ver cap. 12.
Para el diseño de viviendas antisismicas se debe
tener en cuenta que las fuerzas del sismo que se
ejercen sobre la construcción deben ser
proporcionales a la masa de la misma y que el
desplazamiento es mayor de acuerdo a la altura
de la construcción.
5-1
5-2 Vivienda de bahareque afectada
por un sismo en
Guatemala (Minke 2001)
13
6. Muros antisismicos de tapial
(tierra apisonada)
6.1 Generalidades
La técnica del tapial consiste en rellenar un
encofrado con capas de tierra de 10 a 15 cm
compactando cada una de ellas con un pisón.
El encofrado esta compuesto por dos tablones
paralelos separados, unidos por un travesaño, ver
fig. 6-3. En francés esta técnica se denomina pisé
de terre o terre pisé, en inglés rammed earth.
En comparación con técnicas en las que el barro
se utiliza en un estado más húmedo, la técnica
del tapial brinda una retracción mucho más baja y
una mayor resistencia. La ventaja en relación a
las técnicas de construcción con adobe, es que
las construcciones de tapial son monolíticas y por
lo tanto poseen una mayor estabilidad.
En los encofrados tradicionales, los tablones
paralelos separados se unen por medio de
travesaños (de un espesor considerable) que
atraviesan el muro, ver fig. 6-3 estos al desmoldar
el elemento dejan espacios vacíos que
posteriormente deben ser rellenados. Para evitar
un encofrado que requiera tener la altura de un
piso y para evitar los travesaños se desarrolló en
el Instituto de Investigación de Construcciones
Experimentales (FEB) de la Universidad de
Kassel , un encofrado trepador, utilizando solo un
travesaño de espesor mínimo en la base (4 x 6
mm), ver fig. 6-4.
Antiguamente el barro se compactaba con herramientas manuales utilizando pisones de base cónica, en forma de cuña o de base plana, ver fig.
6-1.
Al utilizar pisones de base cónica y aquellos que
tienen forma de cuña, las capas del barro se
mezclan mejor y se obtiene una mayor cohesión
si se provee a la mezcla una humedad suficiente.
No obstante el apisonado con este tipo de pisones
requiere de un mayor tiempo que aquel ejecutado
con pisones de base plana.
Los muros apisonados con pisones de base plana,
muestran uniones laterales débiles y por ello
deben recibir solamente cargas verticales.
Es preferible utilizar un pisón de dos cabezas con
una cabeza redondeada en un lado y en el otro
una cuadrada. Esto permite que se pueda utilizar
el pisón del lado cuadrado para compactar las
esquinas con efectividad y del lado redondeado
para el resto. Tales pisones son utilizados aún hoy
en día en el Ecuador, ver fig. 6-2.
En el segundo cuarto del siglo XX se utilizaron
en Alemania, Francia y Australia compactadores
6-1 Pisones utilizados para compactación manual
(Minke 2001)
6-2 Pisón de dos cabezas empleado en Ecuador
(Minke 2001)
14
eléctricos y neumáticos.
En casi todas las técnicas tradicionales de barro
apisonado, el encofrado se desmonta y se vuelve
a montar horizontalmente paso a paso.
Esto significa que la tierra es apisonada en capas
de 50 a 80 cm de altura, la capa superior de un
muro de tapial siempre es mas húmeda que la
inferior parcialmente ya seca, por ello hay una
retracción más alta en la capa superior. Lo que
conlleva a la aparición de fisuras en la junta de las
mismas.
Esto puede ser peligroso ya que el agua capilar
puede filtrarse hacia estas juntas y quedarse allí,
provocando humedecimiento y desintegración.
Como se puede ver en la misma figura, también
pueden aparecer fisuras verticales en estos muros.
Para evitar las fisuras horizontales de retracción
se deben ejecutar los muros verticalmente y para
ello se puede emplear el encofrado trepador.
6-3 Encofrados para tapial (Minke 2001)
6-4
Encofrado trepador
para paneles de tapial
(Minke 2001)
6.2 Estabilización por la masa
sismos, mientras que varias construcciones
modernas vecinas con muros de menor espesor
colapsaron a pesar de que muchas fueron
construidas con ladrillos y reforzadas con
elementos de hormigón.
Hoy en día viviendas de este tipo ya no se
construyen debido al tiempo de ejecución
requerido para construir muros de 60 a 100 cm de
espesor. Por ello, es necesario buscar nuevas
soluciones.
Cuando los impactos horizontales del sismo
alcanzan el muro perpendicularmente este tiende
a colapsar. Solamente los muros de gran espesor,
tienen la capacidad de resistir estas cargas
laterales sin requerir elementos de estabilización
adicionales.
Se sabe de la existencia de residencias de dos
plantas en Mendoza, Argentina, de más de 150
años de antigüedad que resistieron todos los
15
6.3 Estabilización por la forma
Debido a que los muros delgados son débiles a
las impactos horizontales perpendiculares y ya que
los refuerzos de hormigón armado son costosos,
se propone una solución simple de estabilización
mediante la forma angular, es decir elementos de
muro en forma de L, T, U, X, Y o Z que solo por
su forma proveen resistencia al volcamiento y al
colapso, como se puede ver en la fig. 6-5.
Existe una regla para el diseño de los extremos
libres de estos elementos. Si el muro tiene un
espesor de 30 cm, el extremo debe ser de no más
de 3/4 de la altura y no menos de 1/3 de la altura,
ver fig. 6-6.
Esta longitud mínima es necesaria para transmitir
las fuerzas diagonalmente a los cimientos.
Con longitudes mayores, los extremos libres
deben ser estabilizados, mediante otros angulares
o columnas.
Cuando el muro esta anclado abajo con el
cimiento y fijado arriba con el encadenado, es
posible utilizar elementos de mayor altura o
menor espesor. Sin embargo, la altura del muro
no debe ser mayor a 8 veces el espesor (fig 6-7).
6-6 Proporciones aconsejadas para el diseño de elementos
6-5 Elementos de muro estabilizados por su forma
16
Las fuerzas perpendiculares al muro se transfieren a la sección del muro paralela a las mismas.
Debido a que las fuerzas se concentran en la
esquina del ángulo, este tiende a abrirse, por ello
es recomendable diseñarlas con un espesor mayor
a la del resto del elemento evitando el ángulo
recto, como se puede ver en la fig. 6-8 y 6-9. Esta
es una solución sencilla especialmente para la
técnica del tapial.
La fig. 6-12 muestra distintas propuestas para
plantas utilizando estos elementos angulares.
Para obtener una estabilización lateral, se recomienda que la junta de dos elementos de muro
sea machihembrada como se puede ver en la fig.
6-10.
Para obtener una estructura mas felxible se pueden emplear elementos de pequeña longitud y
hacer una junta sin machihembrado si los elementos están anclados arriba y abajo, ver fig. 6-11.
Durante un movimiento sísmico esta unión puede abrirse sin colapsar debido a que cada elemento
tiene un movimiento independiente. Este es un
sistema semiflexible que absorbe los choques del
sismo. Un proyecto en el que se implementó esta
técnica se describe en la sección 6.4.
6-8 Forma de un ángulo peligroso y de uno mejorado
6-7 Relación aconsejable para muros de tapial
6-9 Diseño de esquinas de elementos de tapial
17
6-10 Estabilización lateral mediante una unión
machihembrada
6-11
6-12 Propuestas de plantas diseñadas con elementos angulares
18
6.4 Refuerzos internos
Una solución para estabilizar muros de barro
contra los impactos horizontales del sismo es
utilizar elementos verticales de madera o bambú
dentro del muro, anclados con el sobrecimiento y
fijados al encadenado, ver fig. 6-13.
Los elementos de refuerzo horizontal son poco
efectivos e incluso pueden ser peligrosos, debido
a que no se puede apisonar bien la tierra debajo
de los mismos y ya que el elemento de refuerzo
no tiene una anclaje con la tierra se debilita la
sección en estos puntos y pueden aparecer
quiebres horizontales durante el sismo.
Una sistema de paneles de tapial reforzados con
bambú se desarrolló en 1978 como parte de un
proyecto de investigación en el FEB, y se implemento exitosamente en Guatemala con la Universidad de Francisco Marroquin (UFM) y el Centro de Tecnología Apropiada (CEMAT), ver figs.
6-14 a 6-19.
En este proyecto se construyeron elementos de
80 cm de largo y de un piso de altura, de tapial
reforzado con bambú utilizando un encofrado de
metal en forma de T de 80 cm de largo, 40 cm de
altura y 14 a 30 cm de espesor, ver fig. 6-16 y 619. La estabilidad de los elementos se obtuvo con
4 varillas de bambú de 2 a 3 cm de espesor y la
sección T. Estos elementos se fijaron en la base
a un encadenado de bambú dentro de un zócalo
de mampostería de piedra (hormigón ciclópeo) y
en la parte superior a un encadenado de bambú
rectangular.
6-13
6-14
6-15
19
6-16
6-17
durante el sismo. Esto significa que estas juntas
pueden abrirse y que toda la estructura se deforma
(disipando la energía cinética sísmica) sin que la
unidad del muro se quiebre o colapse. Las
columnas sobre las que descansa la cubierta se
ubicaron a 50 cm del muro hacia el interior, ver
fig. 6-14 de manera tal que la estructura de la
cubierta fuera independiente del sistema de
muros.
Debido a la nervadura integrada al elemento, este
tiene aproximadamente cuatro veces más
resistencia a las impactos horizontales que un
muro de 14 cm de espesor.
Luego del secado aparecieron grietas verticales
de 2 cm de espesor entre los elementos, estas se
rellenaron posteriormente con barro y actúan
como juntas de fallo prediseñadas permitiendo un
movimiento independiente a cada elemento
6-18
20
En 1998 el FEB y científicos de la universidad
de Santiago de Chile elaboraron otro proyecto de
investigación para una vivienda antisismica de
tapial reforzado. La vivienda se construyó en
2001 y tiene 55 m² de superficie útil, ver figs. 620 y 6-21.
El diseño esta regido por la idea de separar la
estructura de la cubierta de la de los muros. La
cubierta descansa sobre columnas independientes
de los muros macizos de tapial, haciendo que
ambos elementos se muevan de acuerdo a su
propia frecuencia en caso de un sismo.
Los muros de tapial de 40 cm tienen forma de L
y U. El ángulo recto que se forma en estos
elementos se sustituye por un ángulo de 45
grados para rigidizar la esquina.
El muro de tapial descansa sobre un
sobrecimiento de hormigón ciclópeo de 50 cm de
espesor. Los refuerzos verticales del tapial los
constituyen cañas de coligüe (bambú chileno) de
2.5 a 5 cm de espesor, fijados al encadenado
superior y anclados en el cimiento, ver fig. 6-21.
El encadenado esta constituido por dos rollizos
de álamo en forma de escalera sobre los muros.
Las ventanas y puertas son de piso a techo y no
tienen segmentos de muro macizo sobre los
vanos.
Asimismo el tímpano de la fachadas este y oeste
se ejecutó con un tabique estructuralmente
aislado para evitar el peligro de la caída de
materiales macizos durante el sismo.
6-20 y 6-21
Refuerzo vertical de bambú
6-19
6-14 a 6-19 Prototipo de una vivienda antisismica de bajo
costo con tapial reforzado, Guatemala, 1978
(Minke 2001)
Vivienda antisismica de tapial reforzado en Alhué, Chile 2001
21
7. Muros de adobe
Los bloques de barro producidos a mano
rellenando barro en moldes y secados al aire libre
se denominan adobes. Cuando la tierra húmeda
se compacta en una prensa manual o mecánica se
denominan bloques de suelo. Los ladrillos
producidos mediante un extrusor en una ladrillera,
sin cocer se denominan ladrillos crudos. Los
bloques más grandes compactados en un molde
se denominan bloques compactados o adobones.
La elaboración de los adobes se realiza ya sea
rellenando los moldes con un barro de consistencia
pastosa o lanzando un barro menos pastoso en el
molde.
Hay muchos tamaños y formas de adobes en el
mundo, la fig. 7-1 muestra diferentes moldes, que
usualmente son de madera. En Latinoamérica las
medidas mas comunes son 38 x 38 x 8 cm o 40 x
20 x 10 cm. La fig. 7-2 muestra un proceso de
elaboración de adobes en Ecuador.
Existen también prensas manuales para elaborar
bloques de tierra, la más conocida es la CINVARam, ver fig. 7-3. Existen varias variantes de esta
prensa por ejemplo la CETA-Ram, ver fig. 7-4,
7-1 Moldes para adobes ( Minke 2001)
7-2 Proceso de elaboración de adobes en Ecuador
7.1 Generalidades
22
Para la ejecución de la maposteria deben tenerse
en cuenta las siguientes recomendaciones:
- Las capas horizontales del mortero no deben
tener un espesor mayor a 2 cm.
- Las uniones verticales deben rellenarse com
pletamente con mortero.
- La calidad del mortero debe ser alta con un con
tenido de arcilla alto para obtener una buena
adherencia y una alta resistencia a la flexión.
- Los adobes deben mojarse antes de su
colocación.
desarrollada en la Universidad Católica de Asunción del Paraguay y permite elaborar tres unidades a la vez.
Mientras que una persona produce por día 300
adobes a manos, con este tipo de prensa una
persona solo llega a producir aproximadamente
150 unidades.
Estos bloques tienen la ventaja de tener medidas
constantes y superficies lisas.
La desventaja es que la resistencia a compresión
y flexión es menor y por ello es usualmente
necesaria la estabilización con cemento entre 4 a
8%.
Palanca
Molde
Pistón
7-4 CETA-Ram, Paraguay
7-3 CINVA-Ram, Colombia
23
Tapa
7.2 Refuerzos internos
El Instituto nacional de normalización de la
vivienda en Perú (ININVI), desarrolló un sistema
de refuerzo interno para muros en el que hay dos
tipos de adobes, unos tienen ranuras de 5 cm de
diámetro en los extremos y otros son mitades de
adobes con una sola ranura para obtener la traba.
Por estas ranuras atraviesan varillas de caña, ver
fig. 7-5. En este sistema se refuerzan los muros
mediante contrafuertes integrados, intermedios
y en las esquinas, ver fig. 7-6.
La fig. 7-8 muestra una vivienda revocada,
construida con este sistema. En esta figura se
pueden ver las vigas horizontales de las cerchas
de la cubierta, conectadas con los contrafuertes,
logrando así una buena ligazón entre la cubierta
y los muros.
La figs. 7-6 y 7-8 muestran los aspectos más importantes para el diseño de una vivienda con este
sistema. Si los muros tienen una longitud 12 veces mayor al espesor, se recomienda ejecutar un
contrafuerte (machón) intermedio. En la intersección se requiere también un contrafuerte.
Las cañas horizontales que se pueden ver en la
fig. 7-5 ubicadas sobre los adobes, usualmente son
desventajosas, debido a que debilitan la
resistencia del muro a un impacto sísmico en vez
de reforzarlo.
La falla surge por la débil ligazón entre las capas
de adobe en las que se encuentran las cañas,
debido a que la capa de mortero no es
suficientemente gruesa para proveer una buena
unión. Para obtenerla es necesaria una capa de
mortero de 2 cm sobre y debajo de la caña, que
da como resultado una junta de 6 a 8 cm.
En este sistema los adobes deben ser rugosos,
para que la adherencia de estos al mortero sea
suficiente. Si no se cumplen estos requerimientos
los elementos horizontales debilitan la estructura.
La fig. 7-7 muestra una planta usada en El
Salvador (Equipo Maiz 2001).
7-5 Sistema ININVI, Perú
7-6 Planta del sistema ININVI, Perú (Pereira 1995)
Si el diseño no provee contrafuertes en las esquinas, se requiere reforzar las mismas por ejemplo
con hormigón armado, como se puede ver en la
fig. 7-10. En la propuesta de arriba se requiere
hacer una traba cada 50 cm entre las varillas de
acero verticales y la mampostería de adobes, que
consiste en varillas de acero horizontales dobladas y enganchadas a la mampostería.
7-7 Planta del sistema ININVI, Perú (Pereira 1995)
24
7-8 Centro de educación
Acomayo, Perú
(Pereira 1995)
7-9 Diseño con el sistema
de adobes reforzados
con contrafuertes
7-10 Esquinas reforzadas
con hormigón
armado
25
7.3 Muros de bloques machihembrados
Esta es una solución interesante para construir
muros sin mortero con bloques de suelo cemento
que encajan entre si por medio de un sistema de
machihembrado.
En la fig. 7-11 se pueden ver diferentes diseños
de bloques. Estos son producidos con un prensa
manual y la tierra debe ser estabilizada con
cemento.
Estos muros pueden resistir los impactos sísmicos,
si reciben suficiente carga de la cubierta, si están
reforzados por elementos verticales (caña o hierro)
en cada intersección y en los espacios intermedios
y si estos elementos están arriostrados con el
encadenado.
Asimismo, la estructura es flexible y puede
absorber la energía cinética del sismo debido a
que los perfiles machihembrados tienen una
tolerancia mínima que permite a los bloques
moverse levemente en la dirección horizontal.
El sistema fue desarrollado en el Asian Institute
of Technology, Bangkok, las figs. 7-12 y 7-13
muestran la aplicación del mismo en la primera
vivienda piloto construida en 1984 en Tailandia.
En este caso los orificios fueron rellenados con
una lechada de cemento y arena en relación 1:3.
La fig. 7-14 ilustra un sistema similar desarrollado en la Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela. El sistema consiste en mampostería de
bloques de suelo cemento machihembrados con
ranuras y contiene refuerzos horizontales «rafas»
a una altura de 1.20 m de hormigón armado, de 6
cm de espesor anclados con cañas a los machones
verticales.
El anclaje entre los bloques machihembrados
tiene un espesor de solo unos milimetros y por
ello la resistencia a los impactos laterales es baja.
7-11 Bloques machihembrados (Weinhuber 1995)
7-12 y 7-13
Vivienda piloto, Tailandia 1984 (Weinhuber 1995)
Las figura 7-15 muestra una propuesta del autor
para incrementar esta resistencia mediante una
union de 40 mm de espesor con la que se obtiene
no solo una union vertical como en los otros
sistemas sino tambien una horizontal entre los
bloques.
En los orificios de los bloques se pueden colocar
refuerzos verticales, por ejemplo bambu fijado con
cemento. Si en los extremos de los muros hay
columnas de hormigon y sobre los muros un
encadenqdo de hormigon no son necesarios los
refuerzos verticales.
7-15 Sistema de bloques machiembrados FEB, 2001
26
7.4 Muros con sistemas de refuerzo
horizontales y verticales de hormigón
armado
Las desventajas de los muros de mampostería
común, es su tendencia a colapsar por efecto del
sismo y la dificultad de controlar la calidad de ejecución de la obra.
Un método común para el mejoramiento del comportamiento sísmico de construcciones de
mampostería, es la utilización de columnas
verticales y encadenados horizontales de
hormigón armado alrededor de la mampostería.
Primero se realiza la mampostería y posteriormente se ejecutan los refuerzos verticales y
horizontales (refuerzo vertical mínimo 4 varillas
de 14 mm y estribos con diametro de 6 mm a una
distancia de 10 cm en la parte final)
En la fig. 7-16 se puede ver que es importante la
traba entre las columnas de hormigón y la
mampostería.
Esta solución es costosa, muy rígida y no tiene la
ventaja de la ductilidad (flexibilidad).
7-16 Estructura de hormigón armado con relleno de
mampostería
7-14 Sistema de la Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela (Pereira 1995)
27
8. Muros de bahareque (quincha)
La técnica del bahareque, que en algunos países
de Latinoamérica se denomina quincha ( en inglés
wattle and daub) consiste en elementos verticales
y horizontales formando una malla doble que crea
un espacio interior, posteriormente rellenado con
barro, ver fig. 8-2 y 8-3. Existen también sistemas
con una sola malla, ver fig. 8-1. Los elementos
verticales usualmente están compuestos por
troncos de arboles, los horizontales de caña de
bambú, caña brava, carrizo o ramas.
Este sistema tiene la ventaja de ser dúctil
(flexible) lo que lo hace resistente a los impactos
de los sismos.
La desventaja de este sistema es que en la
practica frecuentemente aparecen grietas y
fisuras, debido a que el espesor de la capa de
revoque sobre los elementos de madera no tiene
un espesor suficientemente.
Por las grietas y fisuras penetra el agua de la lluvia
provocando expansión y desprendimiento del
revoque de barro.
Asimismo, existe el riesgo que las vinchucas
puedan vivir en estos huecos, contagiando el «mal
de chagas». Por ello, esta técnica se recomienda
solo si la ejecución es perfecta sin fisuras, ni
grietas. El sistema requiere control y
mantenimiento, si aparecen grietas en la
superficie deben ser selladas inmediatamente.
La fig. 8-3 muestra una vivienda construida con
elementos prefabricados que después del
ensamblaje fueron rellenados con bolas de barro.
Este sistema fue desarrollado por el Centro de
Pesquisas e Desenvolvimiento (CEPED),
Camari, Brasil.
El diseño de las arquitectas Kuhn, Poblete y
Trebilcock, ver fig. 8-4, muestra una propuesta
que utiliza el sistema de bahareque como relleno
entre elementos de tapial que actúan como
columnas.
La fig. 8-5 muestra una solución errónea muy
primitiva, utilizada muchas veces en países de
Latinoamérica como alternativa al sistema
bahareque. Los rellenos entre las columnas
verticales son de mampostería de adobes puestos
de canto y entre ambas columnas se tensa alambre
de púas interior y exteriormente para rigidizar los
muros. Como se puede ver este muro es muy
frágil y no es recomendable, en este caso se debe
reducir la distancia entre las columnas, tensar
mejor los alambres y revocar la superficie.
8-1 Edificación de bahareque tradicional, Venezuela
(Minke 2001)
8-2 Variantes del la técnica del Bahareque
(según Vorhauer 1979)
28
8-4 Propuesta para una planta (Laboratorio de Construcciones Experimentales, Kassel 1998)
8-3 Bahareque con elementos prefabricados CEPED, Brasil
8-5 Solución errónea al sistema bahareque
29
9. Muros de elementos textiles
rellenos con tierra
En el Instituto de Investigación de
Construcciones Experimentales (FEB) de la
Universidad de Kassel, Alemania, desde 1977 se
investigaron diferentes posibilidades para utilizar
en la construcción de muros elementos textiles
rellenos con tierra arcillosa, pómez o arena.
La fig. 9-1 muestra el prototipo de una vivienda
con muros antisismicos, construidos con
mangueras textiles rellenas con tierra y pómez,
en la Universidad de Kassel, Alemania, en 1978.
Se rellenaron las mangueras de yute con un
embudo y se colocaron en hiladas en forma de U,
estas se fijaron verticalmente con cañas de bambú
delgadas, ver fig. 9-2.
El yute se cubrió con varias capas de pintura de
cal, ver fig. 9-3, para prevenir la putrefacción del
material y para estabilizar la superficie e
impermeabilizarla.
La estructura de la cubierta descansa sobre
columnas exentas ubicadas hacia el interior del
espacio.
Como parte de un proyecto de investigación de
cooperación del FEB, la Universidad Francisco
Marroquin (UFM) y el Centro De Estudios
Mesoamericano sobre Tecnología Apropiada
(CEMAT) ambos de Guatemala, en 1978 se
construyó una vivienda prototipo de 55 m² en
Guatemala utilizando mangueras rellenas para los
muros, ver fig. 9-7.
9-2 y 9-3 Muro de mangueras textiles rellenas
9-1 Prototipo de una vivienda antisismica, Universidad de Kassel, Alemania 1978
30
9-4 a 9-6 Proceso de construcción con mangueras textiles rellenas
9-7 Prototipo de una vivienda antisismica de bajo costo, Guatemala 1978
31
9-8 Planta y fachada de la vivienda antisismica, Guatemala 1978
32
Esta técnica se desarrolló a partir de ensayos
previos y fue adaptada a las condiciones locales,
ver figs. 9-4 a 9-8. En ella, las mangueras de 10
cm de diámetro se hicieron de tela de algodón y
se rellenaron con suelo volcánico compuesto
fundamentalmente por pómez. Estas se
embebieron en una lechada de cal (para evitar la
putrefacción de la tela), ver fig. 9-5 y
posteriormente se colocaron entre columnas
verticales ubicadas a una distancia de 2.25 m, ver
fig. 9-6.
Una estabilidad adicional se logro con cañas de
bambú fijadas verticalmente a un distancia de 45
cm entre cada panel. Luego de que los muros se
fijaron se les dio un acabado con dos capas de
pintura de cal preparada con 1 bolsa de cal
hidráulica, 4 kg. de sal común, 2 kg. alumbre y 30
litros de agua.
La estructura de la cubierta descansa sobre
columnas exentas ubicadas a 50 cm de los muros
hacia el interior. Los costos materiales de esta
estructura resultaron ser la mitad de los costos de
una vivienda similar construida con bloques de
hormigón.
En el prototipo mostrado en la fig. 9-1, el muro
de la derecha en forma de U fue construido con
otro sistema de muros textiles rellenos. Se clavan
al suelo columnas delgadas de madera y se fija
yute por dentro de la estructura, obteniendo un
bolso de yute dentro de la estructura que se rellena
con tierra y pómez. El muro concluido se pintó
con una lechada de cal para evitar su putrefacción.
Los elementos de este sistema se pueden
prefabricar en longitudes de hasta 10 m para luego
doblarse y enrollarse facilitando el transporte, ver
figs. 9-9 a 9-11.
9-9 a 9-11 Elementos textiles rellenos para muros
33
10. Uniones criticas de los
elementos estructurales
10.1 Uniones entre cimientos,
sobrecimientos y muros
10-1
Cimentación para muros perimetrales
10-2
Disposición del elemento de madera que actúa
como traba
10-3
Fundación desplazable
Respecto a la altura (h) del cimiento se puede
decir que está conformado por dos partes
inseparables una de ellas denominada sección de
carga (h1) que es la parte del cimiento que recibe
las cargas de la construcción y las distribuye en
un área mayor, estará dimensionada en función
de V y deberá cumplir con la relación h/V=2; y la
sección de soporte (h 2) cuya función es la de
recibir las cargas y transmitirlas al suelo. Su altura
no será menor a 0.20 m.
Es decir la altura mínima del cimiento será de 0.40
m. Puede ser más alto si la resistencia del suelo
no es suficiente o si el suelo tiende a congelarse
hasta una profundidad mayor.
El espesor usualmente es 20 cm mayor que el
del sobrecimiento, ver fig. 10-1.
En un muro de tapial de 50 cm de espesor, el
cimiento y el sobrecimiento pueden tener el
mismo espesor que el muro.
Los sobrecimientos son usualmente ejecutados
con ladrillos o piedras pero deberán ejecutarse
preferentemente con hormigón ciclópeo u
hormigón armado. Su altura no deberá ser menor
a 0.30 m.
Las uniones entre el cimiento y el sobrecimiento,
asi como entre el sobrecimiento y el muro deben
tener una buena traba para hacerlas resistentes a
los impactos horizontales del sismo, es decir para
evitar que se quiebren.
Las superficies de los cimientos y sobrecimientos
no deben ser lisas sino más bien deben tener
elementos de traba (piedras, cañas o elementos
de madera) que logren una mejor unión, estos
elementos deben situarse cada 30 a 50 cm, ver
fig. 10-2.
En el caso en el que una protección sobre el
sobrecimiento contra la humedad ascendente
(cartón asfáltico o plástico) sea necesaria, esta
debilita la unión por ello los elementos verticales
de traba son muy importantes.
En la fig. 10-2 se puede ver la disposición del
elemento de madera que actúa como traba.
En muros de adobe, es necesario utilizar un
mortero con una buena capacidad aglutinante para
la unión entre el sobrecimiento y la primera hilada
de adobes. El mortero a utilizarse para las juntas
34
espesor mayor en forma redondeada que descanse
en un canal relleno con canto rodado de 4 a 16
mm de diámetro.
Los impactos del sismo son parcialmente
absorbidos por este canal, debido a que el canto
rodado puede desplazarse.
entre las hiladas debe tener la misma calidad.
Una propuesta del autor todavía no
experimentada para reducir el impacto del sismo,
es diseñar un cimiento flotante, es decir una
fundación desplazable como se puede ver en la
fig. 10-3.
En este caso la base del cimiento debe tener un
10-4
Anclaje del encadenado con el muro de tapial
10-5
10.2 Encadenados de muros
Los muros deben estar coronados con
encadenados (viga cadena, collarín), que
trnsmitan las fuerzas de flexión que ocurren por
los impactos perpendiculares al muro. Estos pueden actuar también como soporte de la estructura de la cubierta. Es importante un buen
arriostramiento entre el encadenado y el muro de
tierra.
En muros de tapial, durante el apisonado se
pueden colocar dentro del mismo piezas de
madera sostenidas por alambres de púas que
posteriormente se fijarán con el encadenado, ver
fig. 10-4. Una mejor solución es mediante
elementos de madera o de bambú colocados
dentro del muro, anclados en el sobrecimiento y
fijados al encadenado, como se puede ver en las
figs. 10-5, 6-14 y 6-21.
En muros de adobes, no es sencillo obtener un
arrriostramiento suficiente entre el encadenado
y la mampostería de adobe.
Cuando se ejecuta un encadenado de hormigón
armado, en la ultima hilada de adobes las juntas
verticales deben dejarse libres para ser rellenadas con la mezcla de hormigón obteniendo así una
buena traba.
10-6
10-7
10-8
35
Anclaje del encadenado con los
elementos de refuerzo del muro
10-9
Cuando se emplean elementos de madera, estos
deben ser cubiertos por mortero de cemento con
capas de un espesor mínimo de 2 cm, ver fig. 106.
Debido a que bajo la influencia sísmica se crean
momentos en las esquinas de los encadenados
estas deben ser rígidas. Las figs. 10-6 a 10-8,
muestran diferentes soluciones para reforzar las
esquinas de los encadenados de madera sobre
muros de adobe, las figs. 10-9 a 10-11 muestran
diferentes soluciones para reforzar las esquinas
de los encadenados de hormigón armado sobre
muros de adobe y la fig. 10-12 muestra una solución para encadenados de madera sobre muros
de tapial.
10-10
10-11
10.3 Encadenados que actúan como vigas
soleras
10-6 a 10-12
Soluciones para
reforzar las esquinas
de los encadenados
peligroso
Si los encadenados actúan también como vigas
soleras de la cubierta, estos deben descansar sobre
el eje del muro, ver fig. 10-13.
Si la solera es angosta, es necesario ejecutar la
ultima hilada del muro con ladrillo cocido para
distribuir uniformemente la carga de la misma en
la sección del muro. Si la solera descansa
directamente sobre los adobes se corre el riesgo
que durante el movimiento sísmico, la ultima
hilada tienda a quebrarse debido a su poca
resistencia a la flexión, ver fig. 10-14.
Es necesario que los tijerales de la cubierta, repartan su carga uniformemente sobre el encadenado. Por ello, se deben ejecutar entre estos elementos, cuñas de madera o de hormigón (fig. 1015).
La fig. 10-15 izquierda muestra una solución con
dos troncos de madera como encadenado, que
descansan sobre una mezcla de mortero de cemento, a la derecha se puede ver una solución
para un encadenado de hormigón. El
arriostramiento entre el encadenado y el tijeral,
debe ser rígido.
10-12
seguro
10-13 Emplazamiento del encadenado sobre el muro
peligroso
seguro
10-14 Distribución de las cargas a través de una hilada de
ladrillos cocidos sobre un muro de adobe
10-15 Soluciones para uniones entre encadenados y tijerales
36
11. Tímpanos
Si se construyen los tímpanos como
prolongaciones de los muros, estos tienden a
colapsar durante un sismo a causa de los impactos
horizontales perpendiculares a su eje.
La solución optima es construir una cubierta a
cuatro aguas evitando los tímpanos.
Si estos fuesen necesarios, se recomienda
construirlos como tabiques aislados del sistema
de muros, fijados a la estructura de la cubierta
como se puede ver en la fig. 11-1.
Cuando un tímpano debe ser construido con
adobes o tapial, debe ser estabilizado con
contrafuertes, ver fig. 11-2, o mediante una
estructura de hormigón armado, esta solución
resulta muy costosa y por lo tanto no es
recomendable, ver fig. 11-3.
11-1
Tímpano fijado en la estructura de la cubierta
11-2 Tímpano estabilizado con contrafuertes
11-3
37
Tímpano estabilizado con estructura de hormigón
armado
12. Cubiertas
12.1 Generalidades
La cubierta debe ejecutarse tan liviana como sea
posible.
Las cubiertas con tejas o ripias de piedra no son
recomendables debido a su peso y al riesgo que
estas caigan dentro de la vivienda.
Para el diseño de viviendas antisismicas se recomiendan cubiertas a cuatro aguas. En el proyecto de las figs. 12-8 a 12-9 se muestra una solución
de cubierta a cuatro aguas simple y económica,
que descansa sobre una planta cuadrada.
Las cubiertas a dos aguas son construcciones sencillas, pero requieren tímpanos que no son recomendables debido a que pueden colapsar si no
estan bien diseñados, ver capitulo 11.
Para espacios de menos luz, las cubiertas a una
agua son más economicas pero en este caso las
vigas sobre las que descansan los tijerales requieren estar unidas formando un encadenado inclinado.
12.2 Cubiertas aisladas de la estructura de
los muros
12-1
Debido a que en el sismo la cubierta tiene una
frecuencia de movimiento diferente a la de los
muros, es recomendable que esta descanse sobre
columnas exentas de la estructura del muro.
Las columnas deben estar separadas del muro para
poder tener un movimiento independiente.
Las figs. 12-1 a 12-4 muestran propuestas del
autor para viviendas diseñadas con este sistema
estructural.
Es necesario que las columnas estén empotradas
en los cimientos y ancladas a la cubierta mediante
riostras. Estas uniones deben ser semirigidas de
tal manera que posean una ductilidad suficiente.
Las figs. 12-5 y 12-6, muestran secciones
verticales de viviendas que fueron descritas en la
sección 6.4.
En el primer caso las columnas sobre las que
descansa la cubierta están emplazadas dentro del
espacio y en el segundo caso se encuentra fuera.
12-2
38
12-4
12-5
Sección de una vivienda antisismica de tapial
reforzado, Guatemala, 1978 (Minke 2001)
12-3
12-1 a 12-4 Propuestas para viviendas con cubiertas aisladas
12-6
Sección de una vivienda antisismica de tapial
reforzado en Alhué, Chile 2001
39
En las figs. 12-7 a 12-9 muestran la construcción
de una vivienda de bajo costo que fue construida
en 1989 en Pujili, Ecuador (diseño: Gernot Minke
y FUNHABIT, Quito).
En esta vivienda el sistema de muros está
compuesto por dos elementos en forma de U
separados por una puerta y una ventana.
Los elementos tienen un espesor de 40 cm, son
de tapial con una mezcla de tierra arcillosa y
piedra pómez para mejorar el aislamiento térmico.
La cubierta de cuatro agua descansa sobre una
viga, apoyada sobre cuatro columnas exentas que
arriostran la cubierta.
La unión entre las vigas y las columnas es solo
semirigida permitiendo la ductilidad necesaria
durante el sisimo.
La cubierta fue construida con troncos de eucalipto cubiertos con caña brava, el recubrimiento
consiste en una mezcla de tierra arcillosa, pómez,
estiércol, fibra de sisal, y aceite usado de motor,
que después del secado fue pintado con una pintura blanca.
12-7 a 12- 9 Vivienda antisismica de bajo costo, Pujili,
Ecuador 1989
40
13. Vanos para puertas y
ventanas
Los vanos para puertas y ventanas debilitan la
estabilidad de los muros. Durante el sismo se crean
grietas diagonales desde las esquinas y sobre los
dinteles grietas horizontales, ver fig. 4-1 a 4-3.
Los dinteles requieren estar empotrados por lo
menos 40 cm en la mampostería de adobes, para
obtener una buena traba, ver fig. 13-1.
Una mejor solución es ejecutar los dinteles de
vanos contiguos a un mismo nivel, uniendo ambos
en un solo elemento, ver fig. 13-2. Pero en este
caso la parte superior del dintel es debil.
Esta solución puede ser mejorada si el dintel a su
vez actúa como encadenado y si el antepecho
debajo de la ventana no se ejecuta con
mampostería sino con un elemento flexible de
planchas de madera o bahareque. De esta manera
la ventana tiene la misma función que la puerta al
separar los elementos del muro, ver fig. 13-3.
La solución optima para muros de adobe consiste
en reforzar los bordes de los vanos mediante columnas verticales ancladas en la mampostería de
adobes, ver fig. 13-4.
Las siguientes reglas deben tenerse en cuenta
para la ejecución de vanos, ver figs. 13-5 y 13-6:
a) Las vanos para ventanas no deben tener una
longitud mayor a 1.20 m, ni más de 1/3 de la
longitud de la fachada.
b) La longitud del muro entre los vanos y entre
estos y el borde de los muros debe ser de
mínimo 1/3 de la altura del muro, pero no
menor a 1 m.
c) Las puertas deben abrirse hacia afuera. Al lado
opuesto de la puerta se recomienda ejecutar
otra o una ventana que pueda utilizarse como
salida de emergencia, ver fig. 13-6.
13-5
13-1
peligroso
13-2
mejor
13-3
óptimo
13-1 a 13-3
Dimensionamientos de vanos
41
Soluciones para dinteles
13-4
Solución optima para vanos
13-6
Posición de ventas y puertas
aconsejable
14. Cúpulas
14-1
Componentes de la resultante en el arranque
(Minke 2001)
14-2
Excentricidad permitida
14-4
Diseño de la abertura de la puerta en una cúpula
El problema principal en el diseño estructural de
cúpulas es la transferencias de los empujes a las
fundaciones. La fig. 14-1 muestra como la fuerza
resultante en el arranque puede separarse en dos
componentes una vertical y una horizontal.
Mientras mas inclinada la resultante menor su
componente horizontal.
El soporte de la cúpula debe ser un encadenado
horizontal de hormigón armado, acero o madera
que debe estar arriostrado con la cúpula y el muro
para evitar que la cúpula se desplace durante el
sismo. Este encadenado debe asimismo tener un
perfil inclinado hacia el interior que contenga el
movimiento de la cúpula en caso de un sismo,
ver fig. 14-3.
14-3
42
Estabilización del encadenado mediante contrafuertes
Debido al gran peso de una cúpula es necesario
estabilizar el muro mediante contrafuertes, ver
fig. 14-3. La union entre el encadenado y la cupula
asi como entre el muro y el encadenado debe ser
muy estable para transmitir las fuerzas horizontales del sismo.
Si la cúpula arranca directamente sobre un
sobrecimiento la estructura es más estable, ver
fig. 14-2. En este caso el cimiento debe actuar
como encadenado y se ejecuta usualmente con
hormigón armado y la resultante de la cúpula debe
bajar por el medio tercio de la superficie del
cimiento, es decir que la excentricidad debe ser
de 1/6 del espesor del cimiento, ver fig. 14-2.
En esta solución se debe tener en cuenta, que
los vanos de ventanas y puertas desestabilizan la
estructura de la cúpula. Por ello, se deben diseñar
las aberturas para los ingresos a la cúpula y para
las ventanas en forma de bóvedas que intercepten
la cúpula y que así transmitan las fuerzas de
compresión a los cimientos, ver fig. 14-4.
Una cúpula antisismica debe tener una sección
especial que evite todas las fuerzas de anillo de
compresión y tensión, asimismo la línea de
presiones de la cúpula debe mantenerse en el
centro del espesor de la cúpula y la excentricidad
debe ser menor a 1/6.
En una cúpula de forma semiesferica la línea de
14-7
Coordenadas de
7 proporciones
para una cúpula
(Minke 2001)
43
presiones sale del centro de su espesor y se crean
fuerzas de anillo a tensión en los arranques que
tienden a abrirse y producen el colapso de la misma, ver fig. 14-5.
La fig. 14-6 muestra la curva ideal para la sección
de una cúpula que no produce fuerzas de anillo,
en relación con las curvas de una parábola, una
catenaria y un semicírculo.
Esta curva fue derivada mediante un programa
de computadora, pero puede obtenerse utilizando
la lista de coordenadas de la fig. 14-7, en la que r
es el radio y h la altura de la cúpula sin contar el
14-5
sobrecimiento, tomadas hasta el centro del
espesor de la cúpula. La relación de r y h define
la sección. Esta figura, contiene coordenadas
para 7 diferentes proporciones, así como el ángulo
α, la superficie A y el volumen V variables en
cada caso.
Para construir una cúpula sin encofrado con esta
sección estructuralmente optima, se diseñó en el
FEB una guía rotatoria, que tiene un ángulo recto
con el que se colocan los bloques. Este ángulo
está ajustado a un brazo rotatorio fijado a un poste vertical. Las figs. 14-8 a 14-11 muestran la aplicación de esta técnica para una cúpula de 8.80 m
de luz libre y 5.50 m de altura libre que se construyó en La Paz, Bolivia en 2000. Los adobes de
esta cúpula se elaboraron manualmente con un
molde especial con esquinas redondeadas.
Con esta forma se obtienen una buena distribución
del sonido. El comportamiento acústico es
optimizado tambien al profundizar las uniones
verticales entre los adobes obteniendo un efecto
de absorcion del sonido y mediante la inclinacion
de cada hilada se evita el efecto de focalizacion
del sonido.
Sección semiesferica no aplicable para el diseño
antisismico (Minke 2001)
parábola
curva ideal
semicírculo
catenaria
14-6
Curva ideal para la sección de una cúpula en relación
a otras curvas comunes (Minke 2001)
14-9
Colocación de los adobes con la guia rotataria,
La Paz, Bolivia 2000
14-8
44
Guia rotatoria, La Paz, Bolivia 2000
14-10 Vista exterior de la
cúpula, La Paz,
Bolivia 2000
14-11 Vista interior de la
cúpula, La Paz,
Bolivia 2000
45
15. Bóvedas
15-1
Viga cadena estabilizada mediante tensores o contrafuertes
15-2
Excentricidad permitida
15-3
Línea de presiones y catenaria (Minke 2001)
Las bóvedas durante un sismo tienen una
estabilidad menor a la de las cúpulas descritas en
el capitulo 14.
La viga cadena debe ser muy estable debido a
que las fuerzas resultantes de la bóveda crean
flexión en este elemento.
Es aconsejable que la planta de las bovedas sea
cuadrada, en el caso en el que la planta requiera
una forma rectangular, son necesarios tensores o
contrafuertes que refuercen la viga cadena, ver
fig. 15-1.
Se recomienda que al igual que las cúpulas, las
bóvedas arranquen directamente sobre el
sobrecimiento para obtener una mejor estabilidad
en caso de sismo, ver fig. 15-2.
La sección transversal de una bóveda que por lo
general esta cargada solo por su propio peso, debe
tener la forma de una catenaria invertida, de tal
manera que solo contenga cargas de compresión,
ver fig. 15-3.
Una regla importante para el diseño y cálculo es
que la resultante de la bóveda debe bajar por el
medio tercio de la superficie del cimiento. Esto
significa que la excentricidad debe ser menor o
igual a 1/6 del espesor, ver fig. 15-2. El cimiento
debe tener un encadenado de hormigón armado
que pueda resistir las fuerzas perpendiculares del
sismo. En la fig. 15-4 se puede ver la sección de
una vivienda con un sobrecimiento mal ejecutado, ya que la resultante sale del material y crea
un momento en el sobrecimiento que podría provocar su colapso durante el sismo.
Las fachadas de la bóveda deben ser reforzadas
al igual que los tímpanos descritos en el capitulo
11. La mejor solución seria que estos sean
elementos livianos y flexibles ejecutados por
ejemplo con bahareque o con una estera de
madera revocada.
La fig. 15-5 muestra un diseño del autor, para una
vivienda antisismica de bajo costo en la región
de Gujarat, India.
Una propuesta del autor para bóvedas antisismicas
de adobe reforzadas con bambú, que se construyó
en un prototipo de ensayo, se puede ver en las
figs. 15-6 a 15-10.
Esta fue construida, con arcos de adobes especiales con orificios por los que atraviesa una estructura de bambú.
46
La estructura de bambú se construyó con tres
secciones de bambú cortadas longitudinalmente.
Para facilitar su doblado estas fueron sumergidas
en agua durante tres días.
Se doblaron las secciones de bambú sobre estacas
clavadas en la tierra formando la catenaria, que
es la forma ideal para una bóveda, ver fig. 15-7.
Para estabilizar el arco se fijaron las secciones con
alambre cada 50 cm. Una vez armado, el arco se
monto sobre el sobrecimiento en posición vertical
y se fijo a los hierros que sobresalen del
sobrecimiento, ver fig. 15-8.
El bambú requiere estar bien anclado en el
sobrecimiento, debido a que durante el sismo esta
unión puede recibir esfuerzos de tensión.
Sobre los adobes se colocó una membrana de
poliester cubierta de PVC fijada y tensada al
sobrecimiento, que tiene la doble función de proteger la bóveda de las inclemencias del tiempo y
pretensar el arco proveyendo mayor estabilidad.
Esta se obtiene mediante el pretensado de la
membrana a tensión que produce un pretensado
a compresión en la bóveda. Si el prentensado es
muy fuerte, la seccion optima cambia de una
catenaria a una elipse.
Los impactos del sismo pueden deformar la
bóveda, por ello las juntas entre los adobes
pueden abrirse pero no se produce el colapso
debido a la estructura de bambú.
La estabilidad de la bóveda depende de su ductilidad.
Mortero de barro estabilizado o recubrimiento de
paja fijada sobre una
capa de asfalto
Malla de caña
revocada
con barro
Mortero
de
cemento
Cocina
Baño
Tensor
resultante
Terrazoa
15-4
15-5
Sección de una bóveda mal diseñada
47
Diseño para una vivienda antisismica en India
15-6
Elaboración de adobes especiales
15-8 y 15-9
Bóveda antisismica
reforzada con bambú
FEB Kassel, 2001
15-7
Construcción del arco de bambú
48
Para zonas sísmicas en Argentina e Iran el autor
desarrolló un sistema similar pretensado para
bóvedas de adobe.
La Fig. 15-10 muestra el diseño para un colegio
en Bam, Iran, donde las bóvedas tienen un espesor
de 30 cm. Las mismas estan pretensadas
mediante perfiles de metal fijados al encadenado
de hormigon armado ubicado en la base de la
bóveda. Fuerzas iguales de pretension son
recibidas en cada seccion mediante el uso de una
llave de esfuerzo de torsion. La seccion optima
de la bóveda fue derivada por un programa de
computacion, esta seccion garantiza que las
fuerzas resultantes de la carga muerta de la
estructura y las fuerzas de pretension desciendan
en el medio de la seccion del muro.
15-10 Escuela en Bam, Iran
49
16. Revoques y pinturas
Los muros de adobe requieren un revoque que
puede ser de barro, cal o barro estabilizado con
cal, cemento o asfalto (bitumen).
No debe aplicarse nunca un revoque de cemento,
debido a que este es frágil y quebradizo, así como
muy poco flexible y por ello tiende a crear fisuras
por las cargas térmicas que expanden y contraen
el material y por impactos mecánicos.
Si el agua penetra en estas fisuras el barro se expande y el revoque tiende a desprenderse.
En la vivienda más antigua de tierra apisonada
construida en Alemania en 1795, se encontró
durante trabajos de reparación en 1992 una
erosión masiva por congelamiento que destruyó
el barro hasta una profundidad de 20 cm, debido
a que el agua penetró a través del revoque de
cemento que fue aplicado algunas décadas antes.
La Iglesia en Ranchos de Taos, Nuevo Mexico,
ver fig. 16-1, construida con adobes en 1815, se
revocó con cemento durante una restauración llevada acabo en 1967. Once años después el revoque de cemento debió ser desmantelado debido
a que el barro mostraba daños severos provocados por las filtraciones del agua de lluvias a través de las fisuras.
Si se aplica un revoque de barro, es aconsejable
estabilizar la superficie con una lechada de cal o
cal-caseina.
Los muros de tapial no requieren revoques, basta alisar la superficie en estado húmedo con una
plancha de madera o fieltro y aplicar posteriormente una pintura como protección contra la erosión de la lluvia.
Esta pintura debe ser de cal o cal-caseina y deben
aplicarse tres capas. La primera muy aguada
debido a que la solucion debe penetrar en el muro
2 o 3 mm.
16-1
Iglesia San Francisco
de Asís, Ranchos de
Taos, EEUU
50
Referencias bibliográficas
Sobre el autor
Equipo Maiz (ed.): La casa de adobe
sismorresitente, El Salvador, 2001
Grohmann, M. : Introducción al diseño
Sismorresistente, en: Laboratorio de Construcción
Experimental, Universidad de Kassel (ed.):
Viviendas sismoresistentes (Informe no
publicado), Kassel, Alemania, 1998
Laboratorio de Construcción Experimental:
Universidad de Kassel (ed.): Viviendas
sismoresistentes (Informe no publicado), Kassel,
Alemania, 1998
Houben, H.; Guillaud, H.: Earth Contraction
Primer, Bruselas, Bélgica 1984
Gernot Minke es arquitecto y
catedrático de la universidad de
Kassel donde el dirige el
Forschungslabor für Experimentelles Bauen (FEB)
(Instituto de Investigación de
Construcciones Experimentales.)
Desde 1974 se han llevado a
cabo mas de 30 proyectos de
investigación y desarrollo en el
campo de construcciones
ecológicas, viviendas de bajo
costo y especialmente en el
campo de las construcciones
con tierra.
En su estudio el autor, ha
diseñado varias edificaciones
particulares y públicas donde el
barro es el material predominante.
Sus obras se encuentran no solo
en Europa, sino también en
América del Sur, América
Central e India.
El es autor de varios libros, mas
de 200 artículos y ha participado
en más de 30 conferencias
internacionales. Asimismo, ha
dado varias charlas en
diferentes universidades del
mundo y cátedras en Guatemala, Paraguay, México y Venezuela como profesor visitante.
ININVI (Instituto Nacional de Investigación
y Normalización de la vivienda de Perú):
Construcciones en adobe
Minke, G.: Manual de construcción con tierra,
Montevideo, Uruguay, 2001
Pereira, G.,H.: Habiterra (Catalogo de la
exposición), Bogotá, Colombia, 1995
Sibtain, S.N.: To build a village, Parramata,
N.S.W. Australia, 1982
Tolles, E.L.; Kimbro, E.E. et al.: Sismic
stabilization of historic adobe structures, Getty
Conservation Institute, Los Angeles, EEUU,
2000
Vorhauer, K.:Low Cost / Self Help Housing
(Gate Modul 6/6, Eschborn, Alemania 1979)
Weinhuber, K: Building with Interlocking Blocks,
en: gtz (ed.) Wall Building , Technical Brief,
Eschborn, Alemania 1995
Yazdani, H.: Erhöhung der Lebensdauer von
Lehmbauten in erdbebengefährdeten Gebieten
Afghanistans ( Tesis de doctorado, no publicada),
Universidad de Kassel, Alemania, 1985
Las figuras sin fuentes mencionadas, pertenecen
al autor.
51
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