La campaña experimental se realiza con el objetivo de comprobar la formulación presentada en los capítulos 2 y 3. En concreto, se verificará la validez de las propuestas para los principales parámetros en compresión simple (módulo de deformación E, resistencia a compresión f, comportamiento tenso-deformacional σ-ε) y, especialmente, los diagramas
de interacción de esfuerzos de flexo-compresión y corte. Estrategia
La orientación de esta tesis apunta a las estructuras históricas. Sin embargo, la uniformidad requerida en una campaña experimental, la necesidad de despejar incertidumbres, el número necesario de muestras y la posibilidad de aplicar la metodología propuesta a estructuras nuevas aconsejan que las fábricas ensayadas sean construidas con materiales conocidos y técnicas uniformes en lugar de tomar muestras de estructuras existentes.
Los parámetros que intervienen en el comportamiento uniaxial y en flexo- compresión y corte son muy numerosos y se refieren a distintas categorías (materiales, ejecución, tipología, aparejo, esfuerzos, tiempo, etc.). Para abordar un estudio de extensión razonable, se ha decidido fijar el tipo de
4-2
fábrica y su forma de ejecución y geometría, los materiales y el tiempo de aplicación de cargas. La variación se establece en las combinaciones de esfuerzos a que se somete a la fábrica y a los componentes individuales.
Descripción general de materiales, aparejo y ejecución
La fábrica ensayada es de ladrillo cerámico. Para eliminar del estudio las variables fracción y disposición de huecos en la tabla y ciertas condiciones de ejecución relacionadas con el relleno de tales huecos, se decidió realizar los ensayos con ladrillos macizos sin cazoleta. La resistencia deseada era media-baja como compromiso para reproducir fábricas históricas de distintas calidades.
El Departamento de Mecánica de Medios Continuos de la E.T.S.I. de Caminos de la U.P.M. se puso en contacto con HISPALYT, que acogió con interés la iniciativa y, tras consultar con los fabricantes, aconsejó encargar una partida ex-profeso para los ensayos. CERÁMICA MALPESA suministró una partida de 2,500 ladrillos y medios ladrillos macizos sin cazoleta, de dimensiones 240x120x50 [mm] y 120x120x50 [mm].
Los ladrillos se sometieron a ensayos de absorción y compresión simple normalizados en el laboratorio de materiales de INTEMAC. Los ensayos de absorción arrojaron valores en torno al 5%, por lo que Pedro López, jefe de ensayos, nos advirtió que la cerámica era similar a un gres y esperaba resistencias mucho mayores que las propias de la calidad media-baja que se deseaba. Los ensayos a compresión, figura 4.1, confirmaron estas predicciones con roturas explosivas y resistencias entre 90 y 110 N/mm2. La partida debió ser descartada ante la imposibilidad de los dispositivos de ensayo para suministrar carga suficiente. La causa de la elevada resistencia parece estar en la sobrecocción debida al pequeño número de piezas fabricadas en un horno preparado para volúmenes mucho mayores.
Piezas
Figura 4.1 Ensayo a compresión simple de los ladrillos macizos y rotura explosiva
4-3 El suceso tiene dos aspectos de interés: por un lado constatar las posibilidades actuales de fabricación de piezas de altas prestaciones. Por otro lado, la correlación existente, y que no se ha encontrado en la literatura, entre la absorción y la calidad o resistencia de las piezas. Esta correlación podría resultar muy útil, una vez calibrada en cada caso, para obtener información más profusa sobre la calidad de piezas cerámicas colocadas en obra, mediante un ensayo sencillo y que no requiere muestras enteras ni de gran tamaño.
Los ladrillos finalmente suministrados, figura 4.2, fueron fabricados por CERÁMICA MALPESA S.A., Bailén (Jaén). La denominación comercial del modelo es Sevilla Santa Justa. Tienen unas dimensiones exteriores de 240x115x50 y un porcentaje de huecos del 30%. El espesor de las paredes es de 17 mm y el de los tabiques interiores de 9 mm. El macizado se consigue durante la ejecución como se explica más adelante. La resistencia media a compresión simple perpendicular a la tabla, en ensayo normalizado UNE 67026:1994, realizado por el fabricante sobre 6 piezas y referida a la sección
completa, sin descontar huecos, es de fb=42.8 N/mm2, y la desviación
estándar de sfb=4.3 N/mm2, lo que supone un coeficiente de variación,
cV=10%.
El ensayo de absorción de agua según UNE 67027:1984, realizado por el fabricante sobre 3 piezas dio como resultado una absorción media del 10.5%, con un coeficiente de variación del 0.8%. La succión media (UNE 67031:1985) sobre tres piezas dio un resultado de 0.01 g/cm2·min.
El fabricante proporcionó además los ensayos de aspecto y estructura, dimensiones (el alto medio del ladrillo fue de 50.2, con cV=0.8%), planeidad, espesor de pared, masa (densidad neta media 1600 kg/m3, con cV=0.5%), eflorescencia, heladicidad e inclusiones calcáreas.
Se ha optado por un mortero mixto de cal y cemento Pórtland asimilable al tipo N de la clasificación anglosajona (tabla 2.11), de resistencia nominal
fm=5.0 N/mm2. La proporción se ha elegido como compromiso entre el
objetivo de representar morteros no muy rígidos, en cierta medida similares
Mortero
Figura 4.2. Canto, testa y tabla de las piezas. Escala 1:3
0 50 100
4-4
a los históricos, y la necesidad de disponer tiempos de curado breves (un mortero puro de cal aérea necesita meses o años para desarrollar su resistencia). En volumen, la proporción cemento:cal:árido es de 1:1:6 y la relación de agua/cemento+cal, la estricta para lograr una consistencia trabajable pero seca que asegure la uniformidad y estabilidad del espesor de las juntas de las sucesivas hiladas cuando el albañil asienta las superiores. La dosificación se prescribe finalmente en peso para asegurar la homogeneidad de las distintas amasadas.
De acuerdo con el tamaño de la hormigonera, se realizan amasadas de unos 60 l., observando las siguientes proporciones en peso:
Cal: 4.50 kg
Cemento: 7.00 kg
Árido: 50.0 kg
Agua añadida: 6.0 a 6.5 l
La cal es la usualmente empleada en construcción en España, cal hidráulica tipo II. Se suministra en forma de Hidróxido de Calcio en sacos de 16 kg. El fabricante es CAL DE CASTILLA.
El cemento, principal precursor de las resistencias a corto plazo, es Pórtland tipo CEM II/B-M 32,5. La clase de resistencia 32,5 es menor que las comúnmente utilizadas de 42,5 ó 52,5 para conseguir un mortero de rigidez significativamente menor que la de las piezas. El fabricante es FÁBRICA EL ALTO, Madrid.
El árido es silíceo, de río, limpio y sin mezcla arcillosa. La granulometría del árido se determinó en el laboratorio de Caminos de la ETSI Caminos de Madrid. La granulometría está contenida en el huso recomendado para la elaboración de morteros de albañilería por ASTM-33 (figura 4.3). Se suministró a granel y fue ensacada en bolsas de plástico para conservar el
Cal Cemento Árido 0 20 40 60 80 100 0.1 1 10 % qu e p asa
Tamaño de las particulas [mm]
Limite superior
Limite inferior
Recomendada ASTM-33
Figura 4.3 Granulometría del árido empleado y curvas recomendadas en fábrica Árido utilizado
4-5 mismo grado de humedad durante toda la campaña. El contenido de humedad determinado fue del 8.5 % en peso.
El aparejo se realiza a soga, solapando la mitad de la dimensión horizontal de cada pieza entre hiladas. Los medios ladrillos que se precisan para rematar las esquinas se obtienen cortando piezas enteras por su eje con radial.
Cada ladrillo se coloca rellenando completamente los huecos con el propio mortero con el que se ejecutan las llagas y tendeles pero antes de asentar el ladrillo en el murete. De esta forma se evita la creación de pasadores de cortante al rellenarse, más o menos aleatoriamente, los huecos con el mortero del tendel superior.
La uniformidad del nivel de humectación de los ladrillos se asegura mediante el procedimiento empleado por Bosiljkov [66] consistente en mantener los ladrillos sumergidos durante 30 minutos, secando al aire a continuación otros 30 min. y colocándose seguidamente. De esta forma, además de regularidad, se consigue un nivel de humedad próximo al óptimo
sin saturar el ladrillo, lo cual sería perjudicial para la adherencia (figura 2.8). El espesor de los tendeles se fija en 12 mm nominales, nivelándose cada hilada con cuerdas fijas a reglas calibradas. La consistencia seca del mortero asegura que los tendeles inferiores no se aplasten debido al peso y el golpeteo para nivelar las hiladas superiores.
Las juntas se terminan enrasadas a punta de paleta, es decir, sin rehundido (figura 4.4).
Los muretes se asientan sobre bases o zapatas con una primera capa de mortero de nivelación.
Ensayos.
Los ensayos se realizan sobre los materiales constituyentes y sobre la fábrica. Están orientados a determinar todos los parámetros necesarios para construir los diagramas de interacción y a obtener puntos experimentales de dichos diagramas. La tabla 4.3 resume todos los ensayos efectuados.
Antes de ensayar los materiales constituyentes se precisan dos ensayos sobre los áridos; determinación del grado de humedad, para hacer la oportuna corrección en la cantidad de agua añadida al mortero, y análisis granulométrico para confirmar la aptitud del árido para elaborar con él un buen mortero. La figura 4.3 muestra la adecuada granulometría del árido.
Aparejo y ejecución
Tendel a punta de paleta
Figura 4.4. Detalle de la ejecución de los tendeles, vista desde la testa
4-6
Los parámetros fundamentales de las piezas, además de los geométricos, son la resistencia a compresión fb y la resistencia a tracción ftb, de gran influencia
en la resistencia a compresión de la fábrica y la resistencia al corte en modo II (ver 2.4.4. Influencia de los parámetros).
Por tanto, los ensayos previstos determinan en primer lugar la resistencia a compresión. Se ensayaron 6 ladrillos enteros con el esfuerzo de compresión perpendicular a la tabla, conforme a UNE 67026:1994 EX y 1ª modificación 1995.
Para determinar la resistencia a tracción se previeron ensayos a flexotracción sobre piezas enteras. La resistencia a tracción directa se estimaría partir del resultado anterior, fxb, mediante la expresión (2.5). Ante la dificultad de la
determinación de la resistencia a flexotracción en un ensayo de flexión en tres puntos sobre los ladrillos huecos finalmente utilizados, por producirse superficies de rotura irregulares a través de las perforaciones del ladrillo, se determinó indirectamente la resistencia a tracción de las piezas mediante un ensayo no estándar (figura 4.5) similar al conocido ensayo brasileño. Para ello se cortó con radial la pared más gruesa del lado de la testa (espesor = 18 mm) y se aplicaron fuerzas verticales contenidas en el plano de la misma, como muestra la figura 4.6.
La rotura se produce por tracción horizontal inducida. Un cálculo en tensión plana (figura 4.6.c y d) relaciona la fuerza exterior P [kN], repartida en una longitud de 22.4 mm (dimensión de la tablilla), con la máxima tensión de tracción, en rotura ftb, [N/mm2] expresión (4.1). Ello supone un 12% de
diferencia con respecto a un ensayo brasileño sobre un disco de diámetro igual al alto del ladrillo.
[
N mm]
P[ ]
kNftb / 2 =σmax=0.41⋅ (4.1)
En este cálculo se ha supuesto un coeficiente de Poisson de 0.20, aunque los resultados son muy poco sensibles a este parámetro.
La resistencia a compresión del mortero fm debe determinarse para cada
grupo de muretes construido, si no para cada amasada. En primer lugar, para conocer este parámetro, que influye en la resistencia a compresión de la fábrica. En segundo lugar, para disponer de información sobre la diferente calidad de las amasadas obtenidas, que puede influir en la relación de rigideces piezas/mortero y en los parámetros de resistencia a cortante del criterio I, fvo y µ. Se determinará también la resistencia a flexotracción del
mortero fx,m, relacionada con la resistencia a flexotracción de la propia
fábrica.
En cada caso, se obtienen 3 prismas de 40x40x160 [mm], compactados a 60 golpes estándar y ensayados a flexión en tres puntos y, posteriormente a compresión pura.
Ensayos sobre los ladrillos
Ensayos sobre el mortero
Figura 4.5Ensayo de tracción indirecta
4-7
Ensayos de corte con precompresión
Una vez obtenidas las propiedades de las piezas y mortero, se determinaron las propiedades de la interfaz, esto es, la resistencia a corte en ausencia de tensión normal, fvo y el coeficiente de rozamiento µ.
Para llevar a cabo estas medidas se diseña una probeta tipo tripleta, en que se ensayan simétricamente 2 juntas al mismo tiempo, similar a la empleada por otros autores (figura 2.44). El dispositivo de aplicación de cargas, figura 4.7, permite variar el nivel de precompresión N entre distintos ensayos y aumentar el esfuerzo cortante que solicita cada junta V hasta rotura.
Ensayos sobre tripletas de fábrica
GATO CÉLULA DE CARGA
N
2V
2V
CÉLULA DECARGA
Figura 4.7. Dispositivo para el ensayo de las tripletas
b a
b
c
d
Figura 4.5 a)Sección efectuada sobre el ladrillo
b) Aplicación de carga sobre la testa, de 18 mm de espesor
c) Esquema de tensiones de compresión
d) Esquema de tensiones horizontales de tracción
4-8
La figura 4.8 muestra el detalle de la tripleta o bocadillo.
Los niveles de precompresión variaron desde la práctica descarga hasta el máximo posible, ya que se llevaron a cabo ensayos en compresión simple para obtener el valor de f para este tamaño de probeta.
En todo el rango posible de axiles, los ensayos sobre tripletas determinaron, por tanto, el comportamiento de las unidades de fábrica para roturas pertenecientes a los criterios I, II y III. Con este ensayo se determina, por tanto, no sólo las propiedades de la interfaz sino también parte del diagrama de interacción en ejes N-V para excentricidad nula (o muy pequeña).
Las cargas axiles se aplican mediante un gato de émbolo, que forma parte del dispositivo de placas, rótula y barras que reacciona contra sí mismo, como puede verse en las figuras 4.7 y 4.9.
Entre las placas frontales y las tablas de las piezas se interponen planchas de poliestireno expandido de 20 mm de espesor para regularizar el apoyo.
20 50 12 50 12 240 214 Poliestireno expandido Ladrillocerámico Junta de mortero 50 20
Figura 4.8. Dimensiones de las tripletas de ensayo y aplicación del cortante
V
32 mm
V
2V
4-9 El cortante, o fuerza paralela a los tendeles, se aplica una vez estabilizada la compresión, por aproximación de los platos de la prensa hidráulica. Entre los platos y la probeta se interponen 4 listoncillos de madera blanda, de sección cuadrada de unos 15 mm de lado dispuestos lo más próximos posible a la junta, como se aprecia en las figuras 4.8. Esta disposición es la más adecuada para minimizar el momento flector secundario en el centro de la probeta, que de esta forma es igual al producto del cortante por el espesor del tendel, unos 12 mm, M=0.012·V.
La figura 4.10 izquierda muestra algunas probetas listas para ensayar.
Los resultados fundamentales son los pares de esfuerzos de rotura precompresión-fuerza de corte. Para determinarlos se disponen sendas células de carga, además de la lectura directa del servo-control de la prensa hidráulica que duplica la medida del cortante.
Complementariamente, se intentaron tomar medidas de las deformaciones transversales. La figura 4.10 derecha muestra la disposición de comparadores fijos a una referencia exterior. Las medidas obtenidas de los movimientos de los ladrillos central y laterales acusaban la importante deformación de los cuadradillos de madera, órdenes de magnitud superior a la deformación de la fábrica. Otros intentos de medir sin referencia exterior, con bases extensométricas resultaron imposibles debido al estorbo de las barras del dispositivo. Finalmente se renunció a obtener medidas de la deformación.
La figura 4.11 muestra un bocadillo que va a ser ensayado a compresión simple. No se realizó ningún refrentado, sino que en las caras se colocaron planchas de poliestireno iguales a las dispuestas en los ensayos de corte con precompresión.
El número total de ensayos sobre tripletas fue de 30, 4 en compresión simple y 26 con distintas combinaciones de compresión y corte.
Figura 4.10 Tripletas acopiadas mostrando los listones para aplicación de la fuerza cortante. Derecha, comparadores referidos a una base exterior midiendo
4-10
Ensayos de compresión simple
La siguiente fase de ensayos tiene como fin determinar el comportamiento en compresión simple. El valor que se busca principalmente es la resistencia a compresión de la fábrica f. Además se midieron deformaciones para estimar el módulo de deformación longitudinal y la curva σ-ε.
Los muretes se diseñaron con esbeltez suficiente y con dimensiones de acuerdo con los requisitos RILEM, figura 4.12:
Se realizaron 6 ensayos de compresión simple, denominados CS1, CS2, CS3, CS4, CSD1 y CSD2*. Todos los muretes estaban formados por 9
hiladas de dos piezas cada una, con unas dimensiones medias WxH=500x565 [mm]. La figura 4.13 muestra un esquema a escala de los muretes y del dispositivo isostático de reparto.
*CS por compresión simple, la letra D denota medida de deformaciones.
Ensayos sobre muretes
Figura 4.11 Ensayo a compresión simple sobre una tripleta.
W H hb t b wb H ≥ W : 565 mm > 500 mm H ≥ 5 hb: 565 mm > 250 mm H ≥ 3 t b: 565 mm > 348 mm H ≤ 5 t b: 565 mm < 580 mm W ≥ 2wb: 500 mm > 480 mm
4-11 Los primeros ensayos (CS1 a CS4) se realizaron al principio de la campaña para determinar la resistencia a compresión, con la que dimensionar los sucesivos ensayos. Una de las caras de los muretes se enjalbegó con lechada de escayola para marcar el patrón de fisuración. Por la otra cara se colocaron dos pares de bases extensométricas en los ángulos de un cuadrado de 200 mm de lado centrado en el muro. Con estas bases fue posible tomar 4 medidas, dos de deformación vertical, y dos de deformación transversal. Se comprobó que, a diferencia del hormigón, la fisuración se aprecia mucho mejor en los ladrillos vistos que en la superficie blanca. La rígida capa de yeso se deforma más en los tendeles que sobre los ladrillos, arrugándose y desprendiéndose en lascas, de manera que se pierde el contacto con la fábrica.
Los dos últimos ensayos (CSD 1 y 2) se realizaron al final de la campaña para obtener con mayor precisión la ley tensión deformación. Con objeto de verificar si la deformación es aproximadamente uniforme en toda la sección (ver comentario de Yokel al respecto en 2.3.3, página 2.86) se instrumentaron con 4 pares de bases en cada cara, más dos en los costados. La figura 4.14 muestra a escala la disposición de las bases y la placa de acero de 40 mm de espesor, interpuesta para mejorar el reparto. Los muros se ensayaron en la prensa hidráulica con incrementos lentos de carga, tomando lecturas en cada paso.
En cada ensayo se midió la geometría de los muros, el replanteo exacto de las bases y el espesor de los tendeles en una posición convencional y fija para todos, coincidente con el cuarto del primer ladrillo, para evitar medir en llagas. 500 800 12 50 565 9 HILADAS 116
Figura 4.13. Muretes de compresión simple CS1 a CS4. Dimensiones nominales, esquema de reparto de carga y bases A1,A2, B1 y B2 para medidas extensométricas.
N B1 B2 A1 A2 MORTERO DE NIVELACIÓN ≠ 40 mm
4-12
Ensayos de compresión excéntrica en el plano
Los ensayos de compresión excéntrica (CE) se realizaron con muretes idénticos a los de compresión simple. En principio se previeron 10 ensayos para determinar 5 puntos de la parábola más exterior del diagrama de interacción en ejes axil-momento. Los resultados, que mostraron una aparente sobre-resistencia no esperada, aconsejaron ampliar el muestreo. Finalmente se ensayaron 17 probetas.
Cada punto experimental del diagrama de interacción N-M se determina con dos o tres ensayos. Los ensayos se realizaron en la prensa hidráulica, la excentricidad deseada se conseguía interponiendo una pieza blanda, de madera, entre el plato de la prensa y el dispositivo de reparto. El ensayo se desarrollaba a excentricidad constante con axil y momentos crecientes, por pasos lentos de carga hasta rotura. Las excentricidades ensayadas se recogen en la tabla 4.1, van desde 1/10 hasta 2/5 del canto (W).
El resultado principal de estos ensayos a rotura es la fuerza de rotura, que proporciona axil y momento últimos. Esta fuerza se medía mediante la lectura directa del sistema hidráulico de la prensa, tras un calibrado mediante célula de carga. Además se colocaron 3 pares de bases extensométricas en cada cara separadas 200 mm en cada dirección para controlar tres lecturas de deformaciones verticales y dos de deformaciones horizontales.
Tabla 4.1 Excentricidades en los ensayos de compresión excéntrica sobre muretes
Excentricidad [mm] 45 60 90 125 150 175 205
Excentricidad relativa [e/W] 0.09 0.12 0.18 0.25 0.30 0.35 0.41
Nº de ensayos 3 2 2 3 2 2 3 F1 F2 A1 C1 E1 A2 C2 E2 B1 B2 D1 D2 F1 F2
Figura 4.14 Esquema de replanteo a escala de las bases extensométricas en muretes CSD. Derecha, foto de CSD1.
4-13 El dispositivo isostático de reparto se configuró con 1 ó 2 apoyos finales sobre el murete, en función de las posibilidades por la estabilidad del propio