Construcciones de Adobe Resistentes a los Terremotos

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Construcciones de Adobe Resistentes a los Terremotos: Tutor

INTRODUCCIÓN

El adobe es uno de los materiales de construcción más antiguos y de uso más difundido. El uso de unidades de barro secadas al sol data desde 8000 B.C. (Houben y Guillard 1994). El uso de adobe es muy común en algunas de las regiones más propensas a desastres del mundo, tradicionalmente a lo largo de América Latina, Africa, el subcontinente de India y otras partes de Asia, el Oriente Medio y el Sur de Europa.

Alrededor del 30% de la población mundial vive en construcciones de tierra. Aproximadamente el 50% de la población de los países en desarrollo, incluyendo la mayoría de la población rural y por lo menos el 20% de la población urbana y urbano marginal, viven en casas de tierra. (Houben y Guillard 1994).
Por ejemplo, en Perú, 60% de las casas son construidas con adobe o con tapial. En India, de acuerdo al Censo de 1971, 73% de todas las edificaciones son hechas de tierra (67 millones de casas habitadas por 374 millones de personas. En general, este tipo de construcción ha sido usada principalmente por la población rural de bajo ingreso económico. En la Enciclopedia Mundial de Vivienda se presentan ejemplos de prácticas constructivas en adobe de diferentes países. (www.world-housing.net)
El adobe es un material de construcción de bajo costo y de fácil accesibilidad que es elaborado por comunidades locales. Las estructuras de adobe son generalmente autoconstruídas, porque la técnica constructiva tradicional es simple y no requiere consumo adicional de energía. Profesionales calificados (ingenieros y arquitectos) generalmente no están involucrados con este tipo de construcción y de allí la designación de “construcción no ingenieril”.

COMPORTAMIENTO SÍSMICO

Además de ser una tecnología constructiva simple y de bajo costo, la construcción de adobe tiene otras ventajas, tales como excelentes propiedades térmicas y acústicas. Sin embargo, las estructuras de adobe son vulnerables a los efectos de fenómenos naturales tales como terremotos, lluvias e inundaciones. La construcción tradicional de adobe tiene una respuesta
muy mala ante los movimientos telúricos, sufriendo daño estructural severo o llegando al
colapso, causando con ello pérdidas significativas en términos de vida humana y daño
material. La deficiencia sísmica de la construcción de adobe se debe al elevado peso de la estructura, a su baja resistencia y a su comportamiento frágil. Durante terremotos severos,
debido a su gran peso, estas estructuras desarrollan niveles elevados de fuerza sísmica, que
son incapaces de resistir y por ello fallan violentamente. Daño material y pérdidas humanas
considerables han ocurrido en áreas donde este material se ha usado. Esto es confirmado en
los informes de terremotos recientes. En el terremoto de 2001 en El Salvador, más de
200,000 casas de adobe fueron severamente dañadas o colapsaron, 1 100 personas murieron
bajo los escombros de estas edificaciones y más de 1000 000 personas quedaron sin hogar
(USID El Salvador 2001). Ese mismo año, el terremoto en el sur de Perú causó la muerte de
81 personas, la destrucción de casi 25 000 viviendas de adobe y daño severo en 36 000 casas,
dejando sin vivienda a más de 220 000 personas (USAID Peru 2001).

Los modos típicos de falla durante terremotos son severo agrietamiento y desintegración de
muros, separación de muros en las esquinas y separación de los techos de los muros, lo que
en la mayoría de casos, lleva al colapso.

COMPORTAMIENTO SÍSMICO MEJORADO DE CONSTRUCCIONES NUEVAS

Debido a su bajo costo, la construcción de adobe continuará siendo usada en áreas de alto riesgo sísmico del mundo. Para un porcentaje significativo de la población global, que actualmente vive en edificaciones de adobe, es de suma importancia el desarrollo de tecnologías constructivas de relación costo-beneficio eficiente, que sean conducentes a mejorar el comportamiento sísmico de la construcción de adobe. Basándose en el estado del arte de estudios de investigación y aplicaciones en campo, los factores clave para el comportamiento sísmico mejorado de la construcción de adobe son:

1. Composición de la unidad de adobe y calidad de la construcción.
2. Distribución robusta.
3. Tecnologías constructivas mejoradas incluyendo refuerzo sísmico.


Composición de la Unidad de Adobe y Calidad de la Construcción

Factores Clave

Las características de los suelos que tienen mayor influencia en la resistencia de la albañilería de adobe son aquellas relacionadas con el proceso de contracción por secado o con la resistencia seca del material.
– Arcilla: el componente más importante del suelo; provee la resistencia seca y causa la contracción por secado del suelo.
– Control de la microfisuración del mortero de barro debida a la contracción por secado:
requerido para obtener albañilería de adobe fuerte.
– Aditivos: paja y en una menor proporción arena gruesa son aditivos que controlan la
microfisuración del mortero durante la contracción por secado y por ende, mejoran la
resistencia de la albañilería de adobe.
– Construcción: la calidad de la mano de obra juega un papel importante en obtener una
albañilería de adobe fuerte, resultando en variaciones de resistencia globales del orden del
100%.

Recomendaciones

– Arcilla: Realizar el “ensayo de resistencia seca” – con el suelo elegido hacer por lo menos
tres bolitas de barro de aproximadamente 2 cm de diámetro. Una vez se han secado
(después de por lo menos 24 horas), aplastar cada bolita entre el dedo pulgar e índice. Si
ninguna de las bolitas se rompe, el suelo contiene suficiente arcilla como para ser usado
en la construcción de adobe, siempre que se controle la microfisuración del mortero
debida a la contracción por secado. Si algunas de las bolitas pueden ser aplastadas, el
suelo no es adecuado, ya que carece de la cantidad suficiente de arcilla y debería ser
descartado.

– Ensayo del rollo: Es una alternativa para elegir el suelo en el campo. Usando ambas
manos, hacer un pequeño rollito de barro. Si la longitud sin romperse del rollito
producido está entre 5 y 15 cm, el suelo es adecuado. Si el rollito se rompe con menos
de 5 cm, el suelo no debe ser usado. Si la longitud sin romperse del rollito es mayor de
15 cm, se debe añadir arena gruesa. (CTAR/COPASA 2002).

– Aditivos: paja; especialmente al preparar el mortero, añadir al barro la máxima cantidad
de paja posible que permita una adecuada trabajabilidad. Si no se dispone de paja, realizar el “ensayo de control de microfisuración”. Hacer dos o más emparedados de adobe (dos bloques de adobe unidos con mortero). Después de 48 horas de secado en la sombra, los emparedado
s se abren cuidadosamente y se examina el mortero. Si el mortero no muestra fisuración
visible, el suelo es adecuado para la construcción de adobe. Cuando la fisuración es notoria y abundante, usar arena gruesa (de 0.5 a 5 mm de tamaño aproximadamente) como aditivo para controlar la microfisuración debido a la contracción por secado.

– Aditivos: arena gruesa; la proporción más adecuada suelo-arena gruesa se determina realizando el ensayo de control de microfisuración con por lo menos 8 emparedados fabricados usando morteros con diferentes proporciones de suelo y arena gruesa. Se recomienda que las proporciones suelo-arena gruesa varíen entre 1:0 (sin arena) hasta 1:3 en volumen. El emparedado con la mínima cantidad de arena que no muestra microfisuración visible al ser abierto luego de 48 horas de haber sido fabricado, indica la proporción suelo:arena gruesa que se deberá usar en la construcción de adobe.

– Temas constructivos: humedecer las unidades de adobe antes de ser asentadas Todas la
caras que estarán en contacto con el mortero deberían ser humedecidas superficialmente.
Esto se puede lograr salpicando agua.

– “Dormido” del barro: el efecto positivo de almacenar el barro durante uno o dos días
antes de la fabricación de las unidades de adobe o del mortero es una práctica tradicional
en Perú. Este procedimiento permite una mayor integración y distribución del agua entre
las partículas de arcilla, logrando de esta manera activar sus propiedades cohesivas.

– Otras recomendaciones generales: eliminar todos los elementos ajenos al barro; mezclar
meticulosamente tan uniformemente como sea posible, secar los bloques de adobe a la
sombra; limpiar los adobes antes de asentarlos, hacer juntas de mortero uniformes y
totalmente llenas; y asegurar que el muro esté a plomo.


Distribución Robusta

Uno de los principios esenciales de la construcción de adobe sismo resistente es el uso de
distribuciones en planta compactas y tipo caja. Las recomendaciones principales se resumen
a continuación (Coburn y otros, 1995, EERI, 2003):

• Construir casas de sólo un piso.
• Usar un techo liviano y aislado en lugar de un techo de tierra pesado y compacto.
• Disponer la distribución de muros para proveer soporte mutuo por medio de muros transversales, en intervalos regulares en ambas direcciones o usar contrafuertes.
• Mantener los vanos de los muros pequeños y bien distribuidos.
• Construir sobre una cimentación firme.

La Forma Más Segura es una Casa Cuadrada de Un solo Piso, con Ventanas Pequeña y una
Planta Compacta y Regular, con Abundantes Muros Transversales (Coburn y otros,1995)

Los muros son los principales elementos portantes en una edificación de adobe. Algunas
recomendaciones empíricas relacionadas a la construcción de muros resistentes a los
terremotos son las siguientes:

• La altura del muro no debería exceder ocho veces el espesor del muro en su base y en ningún caso debería ser mayor que 3.5 m
• La longitud sin arriostres de un muro entre muros transversales no debería exceder de 10 veces el espesor del muro, con un máximo de 7 m.
• Los vanos no deberían exceder de un tercio de la longitud total del muro.
• Ningún vano debería tener un ancho superior a 1.2 m
• Proveer muros de 1.2 m de longitud mínima entre vanos.

Las recomendaciones relacionadas con la longitud del muro y los tamaños y
distribución de los vanos en una construcción de adobe se resumen en la Figura.



Tecnologías Constructivas Mejoradas

Uso de Refuerzo Horizontal y Vertical

El reforzamiento puede hacerse con cualquier material dúctil, incluyendo: caña, bambú,
junco, parra, soga, madera, malla de gallinero, malla de púas o barras de acero. El refuerzo
vertical ayuda a mantener la integridad del muro fijándolo a la cimentación y a la viga collar y
restringe la flexión perpendicular al plano y el corte coplanar. El refuerzo horizontal ayuda a
transmitir la flexión y las fuerzas de inercia en los muros transversales (perpendiculares al
plano de la solicitación) hacia los muros que resisten el cortante (coplanares con la solicitación), también restringe los esfuerzos de corte entre muros adyacentes y minimiza la propagación de las fisuras verticales. El refuerzo vertical y horizontal debería estar unido entre sí y a los otros elementos estructurales (cimentación, viga collar, techo) por medio de hilo de nylon. Esta unión provee una matriz estable, que es de por si más fuerte que sus componentes individuales. La colocación del refuerzo debe ser cuidadosamente planificada y las unidades deben ser fabricadas tomando provisiones especiales en cuanto a sus dimensiones.

En la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP), Lima, Perú, se han realizado múltiples investigaciones en edificaciones de adobe reforzadas con caña (Blondet y otros, 2002). El primer proyecto de investigación desarrollado en la PUCP en 1972 consistió en el estudio experimental de varias alternativas, con materiales disponibles en zonas rurales, para el refuerzo estructural de casas de adobe. Los modelos fueron construidos sobre una plataforma de concreto. El ensayo consistió en inclinar lentamente la plataforma y medir el ángulo de inclinación en el momento del colapso. La componente lateral del peso del modelo fue usada para cuantificar la máxima fuerza sísmica. La conclusión principal fue que un refuerzo interior logrado con caña vertical, combinado con caña horizontal aplastada colocada cada cuatro hiladas, aumentaba considerablemente la resistencia de los modelos..

En 1992, ocho modelos a escala natural de una edificación consistente en una habitación de
un piso fueron ensayados en un simulador de sismos. Los resultados de estos ensayos han
demostrado que el refuerzo horizontal y vertical de caña, combinado con una sólida viga
collar, pueden prevenir la separación de los muros en las esquinas debido a un sismo severo
y de esta manera pueden mantener la integridad estructural aun después que los muros estén
muy dañados. Se probó que el reforzamiento resultó muy efectivo en prevenir el colapso de
las edificaciones durante los ensayos.
Grabaciones cortas de video mostrando los ensayos de simulación sísmica del modelo de
edificación de adobe sin refuerzo (MnoR_D120) y del modelo reforzado con caña
(Mr_D140). (www.world-housing.net “Tutorials”)


Contrafuertes y Pilastras

El uso de contrafuertes y pilastras en las partes críticas de una estructura aumenta la
estabilidad y el esfuerzo resistente. Los contrafuertes actúan como soportes que pueden
prevenir el volteo del muro hacia adentro o hacia fuera. Los contrafuertes y las pilastras
también mejoran la integración de los muros que convergen en las esquinas. Las secciones
críticas incluyen:

- Esquinas, donde las pilastras toman la forma de muros cruzados y
- Ubicaciones intermedias en muros largos, donde los contrafuertes toman la forma de
muros perpendiculares de arriostre que son integrados a la estructura del muro.

El uso de contrafuertes y pilastras para la resistencia mejorada de construcciones de
adobe ha sido reportado en El Salvador, como parte de un esfuerzo de educación de
base y reconstrucción posterior a los terremotos del 2001 (Dowling 2002, Dowling en
proceso).


Viga Collar

Una viga collar (también conocida como viga corona, viga de amarre, viga anillo, viga solera
o banda sísmica) que amarra los muros formando una estructura tipo caja es uno de los componentes esenciales para la resistencia ante terremotos de la construcción de albañilería
portante. Para asegurar el buen comportamiento sísmico de una edificación de adobe, se
debe colocar una viga collar continua como un cinturón. La viga collar debe ser fuerte,
continua y muy bien amarrada a los muros y debe recibir y soportar el techo. La viga collar
puede ser construida de concreto o de madera.

Además de la viga collar, el uso de conectores de madera tipo tijeral entre el dintel y la viga
collar demostraron ser efectivos en los ensayos realizados en la PUCP, Peru (Blondet, 2002).
El comportamiento de una edificación de adobe no reforzada y de un modelo con refuerzo
horizontal y vertical de caña, viga collar y conectores tipo armadura se ilustra a continuación.


REFORZAMIENTO SÍSMICO DE CONSTRUCCIONES DE ADOBE EXISTENTES

En la PUCP se ensayaron técnicas simples para reforzar viviendas de adobe existentes. El
refuerzo externo propuesto fue desarrollado con el propósito de retardar el colapso de la
estructura durante un sismo severo. Se ensayaron diferentes materiales de refuerzo, como
tablas de madera, soga de ½ pulgada, malla de gallinero y malla electrosoldada. Se hicieron
ensayos de simulación sísmica en muros en forma de “U”, con y sin refuerzo.

Los ensayos dinámicos demostraron que la mejor solución para viviendas de adobe existentes es un reforzamiento consistente en malla electrosoldada (alambre de 1 mm espaciado cada ¾ pulgada) clavado, mediante tapas metálicas de botella, contra el adobe. La malla es colocada en franjas horizontales y verticales simulando vigas y columnas, y es cubierta con mortero de cemento y arena. Esta solución demostró ser altamente efectiva en retardar el colapso de la estructura.

Durante el terremoto de Arequipa en Perú (2001), las viviendas de adobe existentes que habían sido reforzadas externamente con malla electrosoldada recubierta con mortero cemento-arena, como parte de un programa de reforzamiento piloto, soportaron el evento sísmico sin daño alguno. Sin embargo las viviendas sin refuerzo colapsaron o fueron severamente dañadas.


PROTECCIÓN SÍSMICA DE CONSTRUCCIONES HISTÓRICAS DE ADOBE

Durante los terremotos, las edificaciones históricas de adobe, independientemente de su alto
valor arquitectónico o cultural, son vulnerables a sufrir el mismo daño que cualquier otra
estructura de adobe. En consecuencia, es importante proveer protección adecuada a estas
edificaciones para asegurar la protección de vidas humanas y al mismo tiempo preservar su
autenticidad.

El Instituto Getty para la Conservación llevó a cabo el Proyecto Getty de Adobe Sísmico
(PGAS) con el propósito de desarrollar procedimientos técnicos para prevenir la inestabilidad estructural de las edificaciones históricas de adobe durante terremotos, con un mínimo de intervención en su material original.

Como parte de este proyecto, nueve modelos a escala pequeña (1:5) de edificaciones de
adobe fueron ensayados en la mesa vibradora del Centro Sismológico John A. Blume de la
Universidad de Stanford en Palo Alto, California, U.S.A. Dos modelos a gran escala (1:2)
fueron ensayados durante la fase final del programa de investigación del PGAS en el
Instituto de Ingeniería Sísmica y de Ingeniería Sismológica (IZIIS) de la Univesidad “SS.
Cyril Methodius” de Skopje, República de Macedonia..

Los elementos de reforzamiento que demostraron ser efectivos fueron:

• Tiras de nylon, hechas de nylon tejido flexible de 0.3 cm de ancho. Éstas fueron colocadas horizontal y verticalmente, foedificación o alrededor de un muro individual. Las tiras pasaban a través de pequeños huecos en el muro y los dos extremos fueron amarrados firmemente. Las tiras verticales fueron muy efectivas para reducir el riesgo de colapso del muro fuera de su plano.
• Elementos verticales en el núcleo central consistentes en varillas de acero de 0.30 o0.48 cm de diámetro anclados con mortero epóxico. Las varillas son taladradas directamente dentro del adobe después de cavar en forma de V cada extremo. Se encontró que estos elementos fueron especialmente efectivos en retardar y limitar el daño tanto en los muros paralelos como perpendiculares a la solicitación.
  
• Vigas de amarre de madera ancladas a los muros con tornillos de hilo grueso o diafragmas parciales de madera.
  
• Tirantes de cordón de nylon fueron instalados para reducir el desplazamiento diferencial entre fisuras y para proveer una conexión a través del muro.
  

CONCLUSIONES

Algunas reglas para el comportamiento sísmico resumen a continuación.