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REVISIÓN DE LITERATURA ACERCA DE LAS VARIABLES QUE
INCIDEN EN EL COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE MUROS
DELGADOS DE CONCRETO REFORZADO
Autor(es)
Carlos Augusto Botero Ochoa
Faber Arley Marín Vergara
Universidad de Antioquia
Facultad de Ingeniería, Escuela Ambiental
Especialización en Análisis y Diseño de Estructuras
Medellín, Colombia
2021
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Revisión de literatura acerca de las variables que inciden en el comportamiento sísmico de
muros delgados de concreto reforzado
Carlos Augusto Botero Ochoa
Faber Arley Marín Vergara
Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título
de:
Especialista en Análisis y Diseño de Estructuras
Asesores (a):
Juan Carlos Obando Fuertes
Línea de Investigación:
Muros delgados de concreto reforzado
Universidad de Antioquia
Facultad de ingeniería – Escuela ambiental
Especialización en análisis y diseño de estructuras
Medellín, Colombia
2021.
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Tabla de contenido
RESUMEN .....................................................................................................................................................4
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................5
Objetivo general ...................................................................................................................................8
Objetivos específicos ............................................................................................................................8
MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE .........................................................................................................9
ESTUDIOS EXPERIMENTALES ......................................................................................................................13
ESTUDIOS ANALÍTICOS ...............................................................................................................................24
CONCLUSIONES ..........................................................................................................................................33
Bibliografía .................................................................................................................................................36
Lista de figuras
Figura 1. Comparación rentabilidad en sistemas estructurales (Tomado de Revista Construdata ed. 143) ________ 10 Figura 2. Piso y marco de reacción del laboratorio de estructuras de la EIA sede Palmas _____________________ 15 Figura 3. Configuración del ensayo EPFL ___________________________________________________________ 15 Figura 4. Configuración y lectura del ensayo ________________________________________________________ 17 Figura 5. Comportamiento del muro y modo de falla _________________________________________________ 17 Figura 6. Montaje de muro en el marco de prueba ___________________________________________________ 19 Figura 7. Modo de falla de los dos especímenes fallados ______________________________________________ 20 Figura 8. Recopilación de los ensayos realizados a la fecha ____________________________________________ 21 Figura 9 Montaje de ensayo EPFL (CEER 2018) ____________________________________________________ 22 Figura 10 Evidencias en laboratorio y en campo de inestabilidad lateral en muros (Red colombiana de investigación
en ingeniería) ________________________________________________________________________________ 23 Figura 11. Comparación de parámetros de acuerdo con diferentes normas de diseño sísmico. (Mesa Mazo, 2018) 31 Figura 12. Comparación de parámetros de acuerdo con diferentes normas de diseño sísmico. (Mesa Mazo, 2018) 33
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RESUMEN
Las edificaciones cuyo sistema estructural son muros vaciados de concreto, se han incrementado
en los últimos años en países latinoamericanos, siendo común en edificaciones de cinco niveles de
altura. Lo anterior, debido al alto déficit de vivienda y la demanda en el sector inmobiliario,
además, la rentabilidad que genera su sistema constructivo conocido como construcción
industrializada.
La mayoría de las edificaciones construidas con dicho sistema: Cuentan con espesores cuyas
dimensiones varían entre 80mm y 150mm, el refuerzo es en bajas cuantías y generalmente se
compone de una o dos mallas electro-soldadas y solo en algunos casos tienen elementos de borde
con muy poco recubrimiento, tienen relaciones de esbeltez altas y muros con longitudes de todos
los tamaños. Normalmente, se conoce como sistema estructural de muros delgados de concreto
reforzado. (Mesa Mazo, 2018)
Actualmente, no existe certeza acerca del comportamiento del sistema estructural de muros
delgados de concreto reforzado ante cargas sísmicas, sin embargo, en países como Colombia y
Ecuador donde las normas constructivas lo permiten, su uso se ha extendido de edificaciones de
baja altura y mediana altura.
La falta de soporte científico que permita conocer el comportamiento real del sistema estructural
de muros delgados de concreto reforzado, los tipos de fallas evidenciados en muros de concreto
reforzado luego de los eventos sísmicos ocurridos en Chile y Nueva Zelanda, las actualizaciones
de los códigos constructivos de países como Chile, Perú y Estados Unidos y la falta de normativa
local que permita garantizar un adecuado comportamiento sísmico de nuestras edificaciones, ha
llevado a que algunas instituciones de educación superior y profesionales del gremio ingenieril
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indaguen y profundicen en el tema. Este trabajo presenta una revisión literaria acerca de las
investigaciones realizadas sobre el sistema estructural de muros delgados de concreto reforzado.
Palabras clave: Muros delgados, concreto reforzado, construcción industrializada, esbeltez,
espesor de muro, malla electro soldada, baja cuantía, carga axial, comportamiento sísmico.
INTRODUCCIÓN
El sistema tradicional de muros estructurales ha sido ampliamente usado a nivel mundial debido a
su capacidad de soportar fuerzas laterales, en países como Chile y Nueva Zelanda se ha utilizado
en gran medida este sistema, los espesores de muro empleados son robustos permitiendo por
ejemplo que se pueda presentar un confinamiento del concreto entre dos capas de acero, lo cual,
no es posible para el sistema industrializado de muros delgados de concreto reforzado que se está
realizando en países de Latinoamérica, ya que este difiere notablemente del sistema estructural
tradicional de muros de concreto reforzado y no es posible debido a, los bajos espesores con los
que estos se diseñan y construyen. Los muros de concreto reforzado tradicionales tienen espesores
superiores a los 200mm, mientras que los muros delgados de concreto reforzado cuentan con
espesores entre 80mm y 150mm, por lo cual, son más vulnerables que los muros tradicionales.
Como consecuencia a un alto déficit de vivienda, el sistema constructivo de muros delgados
industrializados de concreto reforzado ha cobrado fuerza en las últimas décadas en varios países
de América Latina, debido principalmente a la considerable reducción en los tiempos de ejecución
y la economía que estos representan para el proyecto.
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En Colombia, se utiliza este sistema estructural principalmente para vivienda de interés social y
vivienda de interés prioritario, en edificaciones con alturas variables hasta 25 niveles y con
espesores de 8 cm hasta 15 cm (muros delgados). Dichos muros varían desde secciones típicas
rectangulares, T, C, L, hasta formas poco convencionales y tienen la responsabilidad de asumir
cargas verticales propias de la edificación, además, fuerzas laterales producidas por eventos de
viento o sismo. (Velez & Riveros, Capacidad de disipación de energia de muros delgados de
concreto reforzado consideraciones y estudio de caso, 2018)
En cuanto a cargas verticales se ha evidenciado un comportamiento adecuado debido a la rigidez
propia del sistema estructural, sin embargo, el refuerzo de estos muros es mínimo y se compone
normalmente de una capa de refuerzo, no cuenta con ningún tipo de confinamiento y debido a sus
bajas cuantías es comúnmente utilizada la malla electro soldada como elemento de refuerzo a
cortante y flexión en el alma del muro, en algunos diseños se incluyen elementos de borde, pero,
si ningún confinamiento debido al reducido espesor del muro.
Algunos estudios sobre este tipo de edificaciones han indicado que la capacidad de deformación
inelástica de estos muros podría ser limitada y el nivel de daños severo, aún para bajos niveles de
deriva (Velez, y otros, 2017).
En las fallas evidenciadas luego de los terremotos de Chile (2010) y Nueva Zelanda (2011) en
sistemas estructurales tradicionales con muros gruesos, se encontraron adicional a las fallas por
carga axial, flexión y cortante, fallas por inestabilidad fuera del plano (pandeo). Los edificios de
muros estructurales que actualmente se construyen en Colombia son más susceptibles a pandearse
debido a que son delgados con altas relaciones de esbeltez, esto ha llevado a la investigación y la
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realización de una serie de ensayos de laboratorio con el fin de conocer el verdadero
comportamiento del sistema estructural en caso de presentarse un evento sísmico.
Es relevante conocer el comportamiento sísmico de estas edificaciones y las variables que inciden
en su comportamiento, para considerarlas en las metodologías de diseño, con el fin de hacer diseños
seguros que protejan y salvaguarden la vida y el patrimonio de los colombianos.
En los eventos sísmicos de Chile (2010) y Nueva Zelanda (2011), se pudo evidenciar fallas en
edificaciones con sistema tradicional de muros de concreto reforzado para las cuales no estaban
diseñados y que no fueron tenidas en cuenta debido a que hasta esa fecha no se conocían (pandeo
fuera del plano), destaca especialmente pandeo fuera del plano que se relaciona directamente con
la relación de esbeltez del muro. Haciendo énfasis en aclarar que el sistema tradicional de muros
de concreto y el sistema industrializado de muros delgados actual son sistemas diferentes. Se puede
afirmar o correlacionar que, si en el sistema tradicional de muros de concreto el cual es un sistema
robusto y eficiente ante cargas laterales, pueden resultar en daños significativos posiblemente
mayores a los esperados en condiciones de diseño, en el sistema de muros delgados industrializados
la situación es crítica debido a la esbeltez de sus muros, bajas cuantías de refuerzo y capacidad de
deformación limitada, despierta el interés en el sector ingenieril y la necesidad de conocer el
verdadero comportamiento del sistema de muros delgados de concreto reforzado ante cargas
laterales.
En Colombia, estos sistemas estructurales se diseñan utilizando recomendaciones del código ACI-
318, sin embargo, la práctica constructiva colombiana difiere significativamente de la práctica de
edificaciones de muros de concreto reforzado para los que fue concebido dicho código y no es
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posible establecer con claridad la aplicabilidad de las recomendaciones del ACI para las
edificaciones con muros delgados (Arteta, Blandón, Bonett, & Carrillo, 2018).
Todas las condiciones observadas dejan cuestionamientos sobre el comportamiento del sistema
estructural de edificios de muros delgados ante cargas laterales, se han evidenciado vacíos en la
actual normativa colombiana NSR-10. Lo cual, motiva y hace relevante el indagar sobre el tema,
evaluar los diferentes mecanismos de falla que pueden presentarse, conocer que variables y de qué
forma inciden en el comportamiento sísmico del sistema estructural de muros delgados de concreto
reforzado y así, aportar a la ingeniería estructural del país.
La mayor vulnerabilidad del sistema estructural de muros delgados de concreto reforzado se debe
a que el método de diseño no ha sido científicamente probado y estudiado a fondo, además, no se
tiene suficiente información sobre las variables que inciden en el comportamiento sísmico del
elemento estructural.
En el presente trabajo se realizará una revisión literaria acerca de los estudios que se han
desarrollado sobre el comportamiento de muros delgados de concreto reforzado.
OBJETIVOS
Objetivo general
Realizar una revisión de literatura acerca de las investigaciones sobre el comportamiento sísmico
de muros delgados de concreto reforzado.
Objetivos específicos
➢ Buscar, revisar y recopilar información existente en la literatura acerca de las variables que
inciden en el comportamiento sísmico de muros delgados de concreto reforzado.
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➢ Analizar y recopilar información de códigos y normas constructivas de varios países donde
se reglamente la construcción de muros delgados de concreto reforzado para realizar una
comparación con respecto a la norma sismo resistente colombiana.
➢ Analizar y comparar con la información existente buscando concluir como inciden las
variables y como se pueden mitigar, para mejorar el comportamiento sísmico de muros
delgados de concreto reforzado.
MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
Los sistemas estructurales de muros vaciados son utilizados mundialmente debido a su capacidad
de resistir cargas laterales y mitigar el daño de elementos no estructurales a través del control de
los desplazamientos laterales (Ramos & Hube, 2017)
En Colombia, se ha popularizado la construcción de proyectos de vivienda de muros delgados de
concreto reforzado en zonas de amenaza sísmica intermedia-alta y en todo rango de alturas. Puesto
que la normativa colombiana NSR-10 no contiene prescripciones específicas para este tipo de
edificios, es común que se diseñen con los mismos lineamientos y con la misma ductilidad supuesta
de los edificios con muros gruesos (Velez & Riveros, 2018).
Una de las razones fundamentales para el uso del sistema de muros vaciados en concreto es la
economía en el proceso de construcción, según la revista colombiana Construdata, en la edición
143 del año 2007, la construcción de edificaciones en muros industrializados presenta las siguientes
ventajas:
• Utiliza cuatro elementos fundamentales: formaleta, concreto, acero y mano de obra.
• Utiliza entre 12 y 14 operarios por unidad de vivienda.
• Las instalaciones van empotradas en los muros.
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• Los muros son de bajo espesor.
En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se presentan otros datos entregados
por la revista Construdata ed. 143 donde se realiza un comparativo con los demás sistemas
estructurales, y se evidencia el factor económico que influye en la utilización de este sistema en el
país, principalmente para viviendas de interés social e interés prioritario.
Figura 1. Comparación rentabilidad en sistemas estructurales (Tomado de Revista Construdata ed. 143)
Se evidencia como los costos administrativos reflejados en parámetros como los tiempos de
construcción y la cantidad de mano de obra, así como los tenores de concreto y de acero presentan
reducciones considerables en los sistemas de muros vaciados frente a otros sistemas estructurales.
De las ventajas presentadas anteriormente, una en particular se ha convertido en el foco de
diferentes investigaciones encaminadas a la definición de las condiciones mínimas que se deben
exigir en los diferentes códigos y normas sismo resistentes mundiales con el fin de garantizar la
vida y el patrimonio de las personas: “los muros son de bajo espesor”
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Un alto porcentaje de la población en Colombia se encuentra ubicada en zonas de amenaza sísmica
intermedia y alta, sin embargo, en los últimos años el país no ha sido afectado por eventos sísmicos
de gran magnitud.
Eventos sísmicos como: El terremoto y posterior tsunami ocurrido en Chile en el año 2010 de
magnitud 8.8 dejo a su paso 525 fallecidos, 500.000 viviendas sufrieron graves daños y dejo
alrededor de 2 millones de damnificados; y el terremoto ocurrido en la parte sur de Nueva Zelanda
en el año 2011 de magnitud 6.3 dejando a su paso edificaciones colapsadas y más de 250 personas
fallecidas, con daños estimados en 12 mil millones de dólares entre reparaciones e indemnizaciones
causaron daños devastadores y dejaron a su paso afectaciones significativas en sus estructuras.
Algunas de las imágenes tomadas luego de estos eventos corresponden a edificaciones en muros
de concreto que si bien no muestran desplome presentaron fallas significativas aun teniendo
espesores y refuerzo considerablemente mayores a los utilizados en el país.
Luego de estos eventos sísmicos, diferentes grupos de investigadores se han dedicado a evaluar los
comportamientos evidenciados en edificaciones que presentaron afectaciones considerables tanto
en Chile como en Nueva Zelanda.
El sistema estructural de muros vaciados se implementa en el mundo hace varios años, sin embargo
las consideraciones de diseño en cuanto al espesor y cuantías de acero por ejemplo, se encuentran
distantes de la realidad que hoy se vive en países latinoamericanos como Colombia y Ecuador,
donde se han tomado estas investigaciones para desarrollar un sistema aparentemente similar, con
consideraciones matemáticas iguales pero con respuestas ante cargas sísmicas diferentes tal como
se evidencia en algunos de los estudios revisados.
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La experiencia indica que el análisis y diseño de muros debe considerar, además del
comportamiento típico en el plano donde interactúan los esfuerzos por carga axial, flexión y corte,
la evaluación de los efectos de inestabilidad lateral fuera del plano (Arteta, Blandón, Bonett, &
Carrillo, 2018)
En Colombia, el nivel de amenaza sísmica en las ciudades principales es menor comparado con
países como Chile y Nueva Zelanda, sin embargo, los espesores de muros que se están utilizando
para la construcción de vivienda en el país, son excesivamente menores que los utilizados en los
países antes mencionados (Arteta, Blandón, Bonett, & Carrillo, 2018)
Algunas de las variables que se han estudiado independientemente de si el sistema es en muros
convencionales o muros delgados son las siguientes:
• La esbeltez es la relación entre la altura libre entre pisos y el espesor del muro. La esbeltez
se relaciona directamente con la estabilidad lateral del elemento y ha sido estudiado
exhaustivamente en los últimos años (Rosso A. , y otros, 2018)
• La relación de aspecto (Ar) se define como la relación entre la altura total del muro y su
longitud. Este parámetro se relaciona con la capacidad de rotación del muro y, por
consiguiente, con el nivel de desplazamiento no lineal que puede desarrollar el muro antes
de presentarse la falla. En este sentido, la relación de aspecto influye considerablemente en
el nivel de ductilidad del muro y del edificio. Por lo general, para obtener factores de
capacidad de disipación de energía (R) entre 4 y 6, se recomienda como límite superior para
la relación de aspecto un valor igual a 6.0. Elementos con relaciones de aspecto mayores a
esto no alcanzan a salir del rango elástico de comportamiento por lo que deberían diseñarse
sin considerar el factor de reducción R (Priestley M, Clavi, & Kowalaky, 2007)
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• Relación de carga axial. Este parámetro relaciona la carga axial actuando sobre el muro y
la resistencia máxima a la compresión del concreto. Por teoría de la mecánica del concreto
reforzado se puede demostrar que, si la carga axial aumenta la resistencia a la flexión de
los muros, la capacidad de desplazamiento lateral y la capacidad de disipación de energía
disminuyen. Esto ha sido corroborado experimentalmente en ensayos de muros (Su R &
Wong, 2007)
Se han realizado numerosas investigaciones con enfoque analítico y experimental para el sistema
de muros tradicionales y mucho menos estudios del mismo tipo para el sistema de muros delgados.
A continuación, se presenta una descripción de las investigaciones desarrolladas por diferentes
organizaciones e investigadores específicamente sobre la estructuración de muros delgados.
ESTUDIOS EXPERIMENTALES
Los estudios experimentales que se han realizado enfocándose específicamente en el
comportamiento de muros delgados han sido realmente muy pocos, debido a que en los países
latinoamericanos que es donde más se está promoviendo este sistema, es difícil obtener los recursos
necesarios para desarrollar este tipo de investigaciones. Desde el año 2010, un grupo de
investigadores colombianos han realizado una serie de proyectos de investigación en colaboración
con la Escuela Politécnica Federal de Lausane (EPFL) para evaluar experimental y numéricamente
este tipo de elementos estructurales.
En mayo de 2015, se realizó una investigación organizada por el CEER (Colombian Earthquake
Engineering Reserch Network) con el objetivo de evaluar el desempeño ante cargas laterales de los
muros identificados como vulnerables y de acuerdo con sus propiedades geométricas y mecánicas,
analizar muros esbeltos de concreto reforzado representativos de una muestra de edificios reales
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localizados en los municipios de Envigado y Medellín y se construyeron cuatro prototipos a escala
real llamados 1EIA, 2EIA, 3EIA y 1EPFL, en la figura 2 y figura 3 se puede ver el montaje de
cada ensayo, la motivación fue evidenciar que la configuración estructural y el detallado de
refuerzo de los muros esbeltos de concreto reforzado que se diseñan y se construyen en Colombia,
poseen características particulares y no han sido investigados de manera exhaustiva, los ensayos
consistieron en someter cada muro a un ensayo cuasi estático para evaluar su capacidad, reflexionar
y dar respuesta a los cuestionamientos de la actual práctica constructiva de muros rectangulares de
concreto reforzado en Colombia. Los resultados experimentales ponen en evidencia las
limitaciones en cuanto a capacidad de rotación de este tipo de muros y, por consiguiente, las
restricciones en cuanto a los desplazamientos laterales. La mayoría de los muros solo llegaron a
niveles del 1% o 1.5% de deriva, lo cual representa una condición desfavorable considerando que
estos valores deben estar asociados a la condición de servicio y no a un estado ultimo o de falla.
Este escenario se genera debido a la ausencia de confinamiento y a los altos niveles de esbeltez que
presentan los muros, lo cual propicia un agrietamiento en la sección critica del muro (base) para
bajos niveles de carga lateral, produciéndose una pérdida significativa de rigidez lateral para
niveles bajos de deriva entre piso. De esta forma cuando se alcanza el límite de deriva establecido
en la NSR-10 del 1% de deriva, los muros han perdido cerca del 80% de su rigidez lateral inicial.
(Blandón, Rave Arango, & Bonett Díaz, 2015)
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Figura 2. Piso y marco de reacción del laboratorio de estructuras de la EIA sede Palmas
Figura 3. Configuración del ensayo EPFL
En mayo de 2017, se realizó una investigación organizada por la universidad del norte y la
asociación colombiana de ingeniería sísmica, la cual llevo a cabo un ensayo cuasi - estático en
muros delgados de concreto reforzado en edificios colombianos, motivado por la falta de estudios
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de este tipo en el país y fue dado a conocer mediante el artículo “ensayos cuasi - estáticos cíclicos
de muros delgados de concreto reforzado en edificios colombianos” presentado en el octavo
congreso nacional de ingeniería sísmica. El ensayo busca comprobar que los muros delgados de
concreto reforzado tienen capacidad limitada de deformación inelástica y un nivel de daño severo
para bajos niveles de deriva, consistió en identificar variables que inciden en el comportamiento
sísmico de muros delgados de concreto reforzado destacando esbeltez, nivel de carga axial,
geometría del elemento, detallado y tipo de refuerzo. En este caso particular, se ensayó un muro en
forma de T reforzado con acero dúctil (ver figura 4) su estudio se centró en el tipo de refuerzo
empleado, la capacidad del muro se evaluó mediante un ensayo de carga lateral cíclica cuasi -
estática en el plano y con carga axial constante correspondiente al 5% de la capacidad del concreto.
Los resultados obtenidos (ver figura 5) han permitido corroborar la baja capacidad de rotación
inelástica del sistema, la cual fue inferior al 0.75%, la baja capacidad de disipación de energía y la
condición de falla controlada por la fractura de refuerzo en el alma y el aplastamiento del concreto.
(Velez, y otros, 2017)
En conclusión, el muro se caracterizó por tener una capacidad limitada de disipación de energía,
alcanzando una deriva máxima de 0,63% antes de la ruptura del acero en el alma, falla asociada a
una concentración de deformaciones plásticas. Los resultados indican que el comportamiento de
muros delgados de concreto reforzado puede no satisfacer las expectativas de desempeño
propuestas en la normativa vigente y sugieren necesario realizar ajustes al proceso de análisis y
diseño para poder cumplir con los objetivos de desempeño esperados para edificaciones de
comportamiento sismo resistente.
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Figura 4.configuración y protocolo de desplazamiento lateral del ensayo
Figura 5. comportamiento del muro y modo de falla (aplastamiento del concreto)
En 2020, se realizó una investigación organizada por el grupo de investigación en ingeniería
sísmica, eólica, geotécnica y estructural (G-7), la cual llevo a cabo dos ensayos en muros delgados
y esbeltos de concreto reforzado representativos de la construcción industrializada en américa
latina, motivado por los cuestionamientos existentes sobre su comportamiento sísmico y fue dado
a conocer mediante el artículo “desempeño sísmico de muros delgados y esbeltos de concreto
reforzado representativos de la construcción industrializada en américa latina” publicado por
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CINTER divulgación técnica para la asociación de ingeniería estructural ACHE. El ensayo busca
comprobar que el sistema de muros delgados de concreto reforzado tienen capacidad limitada y
que las prácticas de diseño no son adecuadas para zonas de amenaza sísmica alta, consistió en
identificar variables que inciden en el comportamiento sísmico de muros delgados de concreto
reforzado destacando tipo de refuerzo. En este caso se ensayó la capacidad de dos muros uno con
carga lateral monotónica con refuerzo dúctil y el segundo con carga lateral cuasi estática con malla
electrosoldada de ductilidad limitada, ambos con carga axial constante, relación momento-cortante
de 2.1, alturas, espesor, cuantías y el detallado de refuerzo corresponde a las condiciones típicas de
este tipo de elementos estructurales, (ver figura 6 montaje del ensayo).
El análisis del comportamiento de los muros delgados de concreto reforzado, muestra que las
prácticas de diseño y construcción de este sistema constructivo probablemente no garantizan un
desempeño sísmico adecuado en zona de amenaza sísmica alta, teniendo en cuenta que la respuesta
experimental que se puede observar en la figura 7 se caracterizó por: Primero una baja capacidad
de deformación, segundo una alta degradación de la rigidez, tercero un nivel de daño considerable
para la deriva de diseño límite de 1%, cuarto inestabilidad fuera del plano, y quinto probabilidad
de sufrir fallas de tipo frágil. (Ortega, Torres, Marulanda, Thompson, & Areiza, 2020)
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Figura 6. Montaje de muro en el marco de prueba
En la figura 8 se muestra una recopilación de los ensayos realizados a la fecha sobre muros
representativos del sistema estructural de muros delgados de concreto reforzado, detalla el nombre,
tipo de sección, las dimensiones del espécimen, resistencia a la compresión del concreto, las
cuantías de refuerzo utilizadas y el comportamiento observado en el ensayo incluso si se observó
pandeo fuera del plano.
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Figura 7. Modo de falla de los dos especímenes fallados
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Figura 8. Recopilación de los ensayos realizados a la fecha
El grupo CEER en el año 2018, presentó un informe donde hace referencia a dos ensayos a escala
real, uno realizado en la Escuela de Ingeniería de Antioquia EIA y el otro en una alianza con la
Escuela Politécnica Federal de Lausana en Suiza EPFL.
En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.9 se observa el montaje a escala real del
ensayo realizado por el grupo CEER en alianza con la EPFL, donde se puede apreciar el reducido
espesor del muro, el refuerzo y el tipo de falla que presentó al someterse a una simulación de
fuerzas sísmicas.
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Figura 9 Montaje de ensayo EPFL (CEER 2018)
De acuerdo con la Figura 10, los primeros ensayos en los que se evidencio inestabilidad por pandeo
fuera del plano, fue en los ensayos de la PCA (1981), pero, solo hasta la ocurrencia de los eventos
sísmicos de Chile (2010) y Nueva Zelanda (2011), se pudo observar en campo las evidencias de la
inestabilidad fuera del plano en muros gruesos. (Rosso A. , y otros, 2017), realizó experimentos en
muros con características similares a los muros colombianos y comprobaron el alto potencial de
pandeo fuera del plano en muros con espesores de 80mm.
En la Figura 10, se puede evidenciar el tipo de falla de inestabilidad lateral fuera del plano ocurrido
en los eventos sísmicos en Chile y Nueva Zelanda a pesar de que se pueden observar espesores
mucho mayores comparando con el ensayo de Rosso, Almeida & Beyer (2015), además, en los
ensayos antes realizados por la PCA, este tipo de falla fue replicado en muros delgados similares a
los utilizados actualmente en edificaciones en Latinoamérica.
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Figura 10. Evidencias en laboratorio y en campo de inestabilidad lateral en muros (Red colombiana de
investigación en ingeniería)
En general se observó en los pocos ensayos experimentales que hay documentados que, ante las
fuerzas sísmicas, los muros delgados pueden presentar con mayor facilidad pandeos fuera del
plano. Además de los pandeos, se evidencio en el ensayo del CEER en la Escuela de ingeniería de
Antioquia, que comparando los valores de deriva establecidos en la NSR-10 para este sistema
estructural con los obtenidos de manera experimental, ninguno de los especímenes alcanzo siquiera
a llegar al límite, y el que se acercaba ya había perdido gran parte de su capacidad de deformación
lateral, es decir estaban entrando de una fase de comportamiento plástico. Lo que se puede
evidenciar debido a las condiciones controladas del laboratorio, en un caso real se esperaría que
estos muros que desarrollan este comportamiento fallen de manera abrupta, (Arteta, Blandón,
Bonett, & Carrillo, 2018)
Bibliográficamente existe escasa información debido a que el sistema de muros delgados de
concreto reforzado ha tenido gran auge en América Latina sin un método de diseño bien
documentado, experimentalmente se ha incursionado en la realización de ensayos de laboratorio
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que permitan desglosar las variables que influyen en su comportamiento sísmico y en base a ellas
se han creado especímenes a escala real para verificar su comportamiento experimental versus
modelo matemático
ESTUDIOS ANALÍTICOS
Los estudios analíticos están basados principalmente en la evaluación de la respuesta sísmica de
los edificios construidos en muros delgados de concreto reforzado mediante modelos matemáticos,
modificando algunas de las variables y realizando el análisis de la edificación.
La red colombiana de investigaciones en Ingeniería sísmica CEER, es uno de los grupos de
investigación que más ha trabajado en el estudio del comportamiento de las estructuras de muros
delgados desde 2015, tanto con ensayos experimentales como con resultados reales obtenidos,
luego de los terremotos de Chile y Nueva Zelanda en 2010 y 2011 respectivamente.
Las principales variables que han estudiado son la densidad en planta de los muros, la esbeltez, la
relación de aspecto, la relación de carga axial, el confinamiento del elemento, el tipo y las cuantías
del refuerzo, la distribución en planta de los muros, el factor de capacidad de disipación de energía,
además de algunas variables dinámicas como el periodo fundamental de la estructura, entre otras.
Su base de datos experimental consistió en identificación de edificios construidos con el sistema
estructural de muros delgados ubicados en ciudades principales de Colombia, seleccionadas
cuidadosamente por su importancia, densidad poblacional y grado de amenaza sísmica. Las
ciudades seleccionadas fueron Medellín, Bogotá, Cali y Armenia, las dos primeras con una
amenaza sísmica intermedia y las dos últimas con amenaza sísmica alta; conformaron una muestra
total de 177 edificios con información general y 60 con información detallada a nivel de planos
estructurales y memorias de cálculo.
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Con esta información recopilada, La red colombiana de investigaciones en Ingeniería sísmica
CEER, realizó:
Primero: Descripción general con los parámetros específicos de cada edificación.
Segundo: Análisis estadístico global consistente en una clasificación general de las edificaciones y
la densidad de muros. A partir de los parámetros generales, los edificios se clasificaron con base
en tres parámetros: la forma de la planta del edificio (cuadrada o rectangular), el nivel de amenaza
sísmica (intermedia o alta) y la altura total del edificio, La densidad de muros es un parámetro que
relaciona el área total de muros en la dirección que soporta la demanda de cortante, con respecto
al área total de la planta del edificio (Arteta, Blandón, Bonett, & Carrillo, 2018)
Tercero: Análisis estadístico especifico a nivel de elemento estructural a partir de los 60 edificios
de los cuales se disponía de información detallada a nivel de planos estructurales, se recopiló
información de 450 muros estructurales (Arteta, Blandón, Bonett, & Carrillo, 2018)
Cuarto: Evaluación numérica elástica de la respuesta sísmica, para la determinación de las
solicitaciones y comportamiento sísmico de la estructura, se realizaron modelos tridimensionales
en ETABS analizando materiales, cargas estimadas, demanda sísmica, periodo fundamental de
vibración y análisis cronológico lineal de edificios de la base de datos de la ciudad de Armenia. La
principal y más importante conclusión de los estudios realizados por el CEER es la propuesta de
incluir en el nuevo código colombiano de diseño sismorresistente, un sistema estructural nuevo
definido como muros estructurales delgados entre 10 y 15 centímetros de ductilidad limitada,
proponiendo un factor de reducción de la fuerza sísmica R igual a 3, y limitando las alturas totales
de los edificios a 12, 20 y 24 metros para zonas de amenaza sísmica alta, intermedia y baja
respectivamente. Al igual que propone limitar las derivas de piso a tan solo el 0,5%.
26
Otro de los factores importantes en su propuesta es la utilización de acero de baja ductilidad como
la malla electrosoldada en edificaciones de hasta 3 niveles únicamente, o en el tercio superior del
edificio, en edificaciones de mayor altura. La cuantía del acero longitudinal debe garantizar que el
momento de fluencia sea 1.2 veces mayor que el momento de agrietamiento del muro que se esté
diseñando.
Y con respecto a la carga axial máxima, propone que la máxima carga axial tomada por el muro
sea el 10% de la multiplicación entre el área bruta de la sección transversal del muro y la resistencia
a la compresión nominal del diseño.
La capacidad de disipación de energía reflejada en el factor R para la NSR-10, es un factor
fundamental para la modelación y la posterior respuesta de una edificación ante cargas sísmicas,
un estudio realizado mediante la elaboración de un modelo matemático para un edificio de 5 pisos,
realizando la variación del factor de disipación de energía entre 2 extremos, R=4 para diseñarlo
como lo permite la NSR-10 para muros estructurales con capacidad de disipación de energía
moderada (DMO) y R=1 siendo conservadores con esta reducción de la fuerza sísmica, arrojo que
para ninguno de los dos casos se hacía necesario elementos de borde, por lo que el volumen de
concreto fue el mismo para los 2 modelos, sin embargo, para la evaluación del acero se presentó
un aumento de casi el 80% cuando se aplicaron la fuerzas sísmicas sin reducción (R=1),
cumpliendo en la mayoría de los muros con la cuantía mínima establecida en el código. A pesar de
que el análisis de los desplazamientos arrojo resultados bajos, en Colombia la normativa está
basada en muros tradicionales de espesores mayores y no tiene en cuenta características que afectan
la capacidad de disipación de energía en el rango inelástico tales como la ausencia de
confinamiento, la estabilidad lateral y el refuerzo frágil, ya que en la mayoría de los casos el
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refuerzo utilizado es en malla electrosoldada en una sola capa. (Velez & Riveros, Capacidad de
disipación de energia de muros delgados de concreto reforzado consideraciones y estudio de caso,
2018)
Como se ha mencionado anteriormente, luego de los sismos de Chile (2010) y Nueva Zelanda
(2011), algunos ensayos se han dirigido hacia la comparativa entre las respuestas sísmicas de muros
con las características que tiene los muros de estos países afectados por grandes terremotos y los
muros que desde hace un tiempo vienen implementándose en países de América Latina, y en la
modelación y comparación de estos, se ha obtenido resultados que demuestran que los muros de
los edificios de Chile y Nueva Zelanda modelados presentaron fallas principalmente por flexo
compresión y pandeo, mientras que los muros de bajos espesores no alcanzaron a desarrollar ni
siquiera su capacidad y no se alcanzó a evidenciar ni siquiera pandeo ya que se presentaba primero
la fractura del acero de refuerzo. (Arango, Valencia, Viviescas, Begambre, & Ospina, 2019)
Estos resultados conllevan a valorar la importancia de otra de las variables de las cuales se ha
hablado en el desarrollo de este documento, el acero de refuerzo, las bajas cuantías y la poca
capacidad de ductilidad que presenta la malla electrosoldada como refuerzo principal de los muros
delgados en concreto reforzado y muestra la necesidad de realizar cambios en la manera de diseñar
buscando construir estructuras eficientes y con un buen grado de seguridad.
La revista Engineering Structures en 2021 publica un artículo científico “Seismic performance of
mid-rise thin concrete wall buildings lightly reinforced with deformed bars or welded wire mesh”
investigación que tuvo como objetivo proporcionar evidencia sobre el riesgo sísmico de los
edificios de muros delgados de hormigón reforzados con dos tipos de refuerzo que son acero dúctil
refuerzo tradicional con barras corrugadas y malla electrosoldada de baja ductilidad. Consistió en
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evaluar un edificio de seis niveles construido en Bogotá con paredes de 100 mm de espesor y
detallado de refuerzo con malla electrosoldada, se utiliza como estudio de caso. Después de
recopilar información relevante de los dibujos estructurales del edificio, se creó un modelo no lineal
en OpenSees utilizando la interacción de cortante-flexión múltiple de elemento de línea vertical
(SFI-MVLEM). Para evaluar el efecto de la ductilidad del acero, se creó un segundo modelo de
referencia del edificio estudiado utilizando barras de acero corrugado como refuerzo. Se realizaron
análisis dinámicos incrementales en los modelos utilizando el conjunto de registros sísmicos de
fuente lejana proporcionado por la FEMA P-695 y un conjunto de registros sísmicos para zonas de
subducción, que sirvieron de insumo para el desarrollo de funciones de fragilidad del edificio. Los
resultados muestran que la fractura del acero de refuerzo es un modo de falla frecuente del edificio
reforzado con malla electrosoldada, mientras que la falla del edificio reforzado con barras
corrugadas fue controlada por el límite de deriva de los muros.
La conclusión se resume en lo siguiente:
Primero: Los resultados de la deriva entre pisos muestran que el edificio experimentó un
comportamiento de cuerpo rígido a partir del tercer piso, que se traducen en grandes esfuerzos de
demanda particularmente en el primer piso. Segundo: Las relaciones demanda / capacidad para la
cizalla y el momento a lo largo de la altura del edificio indican que la flexión en la parte inferior
del primer piso del edificio controla la respuesta del edificio. Tercero: Las demandas de esfuerzo
en el primer piso desencadenan la fractura del acero (malla electrosoldada) en el primer piso del
edificio, es el modo de falla dominante de este edificio este comportamiento se produce debido a
la limitación de ductilidad del acero laminado en frío utilizado para este tipo de mallas, la ductilidad
adicional proporcionada por el acero en las barras corrugadas contribuye significativamente a
reducir este modo de falla. Cuarto: El comportamiento sísmico del edificio detallado con malla
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electrosoldada esta fuera del rendimiento objetivo de los códigos de diseño, ya que la probabilidad
de falla en el nivel máximo creíble de terremoto y en el diseño nivel son 41% y 23%,
respectivamente para el conjunto FEMA P-695 las probabilidades correspondientes para el
conjunto de subducción son 37% y 15%. Quinto: El uso de barras corrugadas en lugar de malla
electrosoldada mejora notablemente el comportamiento sísmico de los edificios para aceleraciones
superiores a 35% del sismo de diseño. En el diseño y máxima credibilidad para niveles de
sismicidad, la probabilidad de falla para el FEMA P-695 establecido para el edificio reforzado con
barras corrugadas es 16% y 25%, respectivamente, Cuando se considera el conjunto de subducción,
las probabilidades son 13% y 25%. Para este edificio, el modo de falla dominante fue la superación
del límite de deriva (Arroyo, Feliciano, Carrillo, & Hube, 2021)
Los hallazgos de este estudio afirman que debe limitarse el uso de muros delgados de concreto
reforzado en edificios ubicados en regiones de riesgo sísmico intermedio y alto. Este tipo de sistema
debe evitarse especialmente cuando los muros se refuerzan con malla electrosoldada laminada en
frío, como la ductilidad del acero utilizado la malla electrosoldada es limitada, esto ejerce un efecto
negativo e influencia el comportamiento sísmico, el cual, cae por debajo de niveles de desempeño
símico aceptables. Los resultados también demuestran que el comportamiento sísmico esperado
mejora cuando se utilizan barras de acero corrugado, teniendo en cuenta esto, se recomienda para
el diseño de nuevos edificios utilizar barras corrugadas al menos en el tercio inferior de los muros,
particularmente en muros en forma de I y T. (Arroyo, Feliciano, Carrillo, & Hube, 2021)
Los trabajos futuros sobre este tema se pueden realizar en diferentes áreas uno de ellos está
evaluando los límites de altura que se deben imponer a este tipo de sistema y otro tema interesante
es el uso de la metodología FEMA P-695 para la estimación del factor de reducción sísmica (R)
apropiado para este tipo de edificios, así como desarrollar un conjunto sólido de recomendaciones
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de diseño basadas en una gran muestra de edificios con diferentes configuraciones estructurales.
Los autores de este artículo forman parte de un equipo de investigación en Colombia que
actualmente está realizando esta tarea. (Arroyo, Feliciano, Carrillo, & Hube, 2021)
ANÁLISIS DE LAS NORMAS SISMORESISTENTES DE DIFERENTES PAISES
A continuación, se presenta la Figura 11, donde se comparan los parámetros exigidos por diferentes
normas sismo resistentes de Colombia, Chile, Perú y Estados Unidos. La normativa colombiana
NSR-10 tiene bases de la ACI-318 del año 2008, norma que al igual que la norma peruana y la
norma chilena han reglamentado el uso de muros de ductilidad limitada. Además, la normativa
colombiana muestra similitud en los parámetros exigidos, sin embargo, requiere actualización dado
que es más permisible en cuanto a espesor mínimo de muro, permite el uso de malla electro soldada,
no tiene espesor mínimo del elemento de borde y no exige doble capa de refuerzo. (Mesa Mazo,
2018).
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Figura 11. Comparación de parámetros de acuerdo con diferentes normas de diseño sísmico. (Mesa Mazo, 2018)
Después de los eventos sísmicos de Chile y New Zelanda mencionados en este documento, varios
países de Latinoamérica se dieron la tarea de actualizar sus normas y códigos de construcción para
estar a la vanguardia, debido a que luego de estos eventos, se evidencio en el sistema de muros
tradicionales de concreto reforzado mostraron fallas por cortante, flexión y pandeo lateral fuera del
plano, analizando esto ajustaron el diseño de muros de concreto reforzado por ejemplo el código
ACI-318 exige en sus diseños de muros doble capa de refuerzo, si lleva elemento de borde este no
puede tener un espesor inferior a 300mm, el acero de refuerzo debe contar con una resistencia a
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mínima de 420MPa, adicionalmente limita la cuantía a 0,0012 vertical y 0,002 horizontal y el
espesor mínimo de muro en base a la relación de esbeltez Lu/25; de la misma forma Chile principal
afectado del evento sísmico actualizo su norma NCh-430 en esta tabla presenta las mismas
condiciones del código ACI-318 siendo más riguroso en la relación de esbeltez Lu/16; El código
peruano separo el sistema de muros delgados de concreto reforzado (ductilidad limitada) de los
muros tradicionales de concreto reforzado (muros estructurales), en los muros de ductilidad
limitada exige un espesor de 100mm como mínimo, la malla electrosoldada no se permite ya que
la resistencia mínima del acero debe ser de 420MPa, se permite una sola capa de refuerzo pero se
aumento la cuantía vertical a 0,005, mientras que, el sistema de muros tradicionales los limito a un
espesor mínimo de 150mm. Colombia por su lado cuenta con una normativa que no se actualiza
hace más de 10 años que no hace diferencia entre el sistema de muros delgados del sistema de
muros tradicional y que tiene pocas limitaciones para estos sistemas, por ejemplo no exige doble
malla de refuerzo, permite el uso de malla electrosoldada, no exige un espesor mínimo para el
elemento de borde, la cuantía es muy baja del 0,0012 vertical y 0,002 horizontal y como si fuera
poco no tiene un limitante para el espesor del muro.
Lo anterior, deja expuesto que existe falta de conocimiento sobre el comportamiento sísmico de
dicho sistema estructural y que la norma sismo resistente colombiana tiene vacíos normativos para
el sistema de muros delgados. Además, la cantidad de proyectos de este tipo que actualmente se
desarrollan en el país, ha motivado a la investigación bibliográfica y experimental de varios
profesionales y universidades del país.
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Figura 12. Comparación de parámetros de acuerdo con diferentes normas de diseño sísmico. (Mesa Mazo, 2018)
Con respecto a la malla electrosoldada la Figura 12 hace la comparativa y muestra que Chile y
Estados Unidos las prohíben en sus diseños, Perú las permite solo para los últimos tres niveles de
altura de la edificación y Colombia las permite sin ninguna restricción.
CONCLUSIONES
• La raíz de la problemática actual radica en que la normativa colombiana NSR10 adopta
como base la ACI-318, no hace o especifica la diferencia entre el sistema de muros
delgados de concreto reforzado y un sistema de muros tradicionales de concreto reforzado,
en Norteamérica no diseñan edificios de muros delgados de concreto reforzado, por lo cual,
las bases del ACI-318 son correctas, sin embargo, el reglamento colombiano si diseña y
construye edificios de muros delgados de concreto reforzado pero en las mismas
condiciones que diseña muros tradicionales de concreto reforzado debido a que la
normativa no hace distinción entre ellos. Estos muros delgados de concreto reforzado traen
consigo errores de diseño ya que no existe actualmente una metodología de diseño probada
para tal sistema estructural.
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• En los ensayos experimentales realizados y recopilados en la presente monografía se
evidencio un patrón de falla similar en los especímenes ensayados y en los resultados
arrojados por las diferentes investigaciones, donde los muros fallaron por aplastamiento del
concreto en la base del muro, perdida de rigidez, el acero falló por falta de ductilidad o baja
cuantía y el comportamiento tuvo baja capacidad de disipación de energía y fallaron por
debajo o alrededor de la deriva del 1% para condiciones de servicio y no de falla,
demostrando así que son muros de ductilidad limitada y que su desempeño no es el esperado
en los parámetros normativos.
• El CEER (COLOMBIAN EARTHQUAKE ENGINEERING RESEARCH NETWORK) es
quien más ha documentado y realizado un proceso investigativo coherente y mediante su
investigación ha sido un gran aporte para la ingeniería del país y de Latinoamérica, gracias
a sus resultados, se ha generado conciencia y la necesidad de realizar cambios en la actual
normativa colombiana.
• Las modificaciones que el CEER recomienda para ser incluidas en la próxima norma sismo
resistente colombiana, de acuerdo a los resultados obtenidos en su investigación para
dimensionamiento, diseño y detallado de los muros son: Primero, que el acero de refuerzo
con deformaciones de rotura menores o iguales al 3% podrán ser utilizados en el refuerzo
principal de muros de carga hasta tres pisos o únicamente en los tres pisos superiores en
caso de ser una edificación más alta, muy similar al código peruano. Segundo, la
deformación unitaria en el concreto en flexo compresión no puede exceder 0,003. Tercero,
la deformación unitaria en el acero en flexo tracción no puede exceder 0,06. Cuarto, los
empalmes por traslapo deben estar por fuera de zonas con articulación plástica plausible y
en cualquier caso no se puede construir encima de la interfaz muro – cimentación. Quinto,
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En el diseño a flexión y carga axial de muros se debe considerar la configuración de la
sección transversal completa (secciones T, C, L, entre otras). Sexto, la carga axial de
servicio, estimada usando combinación de carga 1D+0,25L debe ser inferior a 0,1 Ag*f´c.
• En varios estudios revisados, se ha analizado la malla electrosoldada como elemento de
refuerzo a flexión y a cortante en el alma del muro, es la variable más analizada, y no se
encuentra explicación, del porque se permite para la construcción de edificaciones cuando
es ampliamente conocido que su capacidad de respuesta sísmica es limitada y que las barras
de acero corrugado tienen un mejor desempeño con igual cuantía. Los estudios existentes
concluyeron que, la malla electrosoldada tiene una baja capacidad de deformación y un
comportamiento frágil, no cumple con el límite de deriva establecido y el desempeño del
muro construido es menor al especificado.
• En los estudios revisados también se fallaron muros reforzados con barras de acero
corrugado estructural, y se comprobó que su comportamiento tiene mayor capacidad de
disipación de energía comparado con la malla electrosoldada debido a que es un acero más
dúctil y más apropiado para la construcción de estructuras de concreto reforzado. Sin
embargo, estos muros reforzados con barras de acero corrugado tampoco cumplen con el
límite de deriva y con un desempeño adecuado, la deriva es un comportamiento de servicio
y no de falla ultima, la estructura no debería sufrir daños no reparables. En conclusión, la
baja cuantía no cumple con el desempeño esperado, por lo cual, la forma de diseño del
sistema de muros delgados de concreto reforzado está mal planteado y sus fundamentos no
son correctos.
• En general, se encontró como resultado en las investigaciones sobre muros delgados de
concreto reforzado, una baja capacidad de deformación, alta degradación de la rigidez, nivel
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de daño considerable para la deriva de diseño límite de 1%, inestabilidad fuera del plano, y
la probabilidad de sufrir fallas de tipo frágil.
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