Resistencia a la compresión de ladrillos en el municipio de Ocaña

Abstract

Resumen La resistencia a la compresión de unidades de arcilla cocida de mampostería bajo fuerzas compresivas concéntricas uniaxiales fueron investigadas en los 16 chircales que rodean la ciudad de Ocaña Los valores de resistencia a la compresión concéntrica uniaxial de todos los ladrillos producidos no cumplen lo establecido en la norma técnica colombiana (NTC) 4205. La resistencia a la compresión axial de la mampostería utilizada es vulnerable a la acción de cargas gravitacionales y se espera que disminuya su rigidez a la flexión, generando en las edificaciones estructuras vulnerables en su capacidad a la compresión ya sea por solicitaciones debidas al uso de la edificación, por acción del viento o sismo. Palabras Claves: Ladrillos, Mampostería, Propiedades de los ladrillos, Resistencia en ladrillos. Abstract The compressive strength of fired clay unit masonry under uniaxial concentric compressive forces were investigated in sixteen (16) Brick makers surrounding Ocaña City. The values of compressive strength of all uniaxial concentric produced bricks do not meet in the Colombian technical standards (NTC) 4205. The axial compressive strength of used masonry is vulnerable to gravity action loads and is expected to decrease the bending stiffness, resulting in vulnerable structures in their ability to compression either due to requests by building uses, wind or earthquake action.

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RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE
LADRILLOS EN EL MUNICIPIO DE OCAÑA
Recepción:
Octubre 10 de 2011
Aprobación:
Diciembre 13 de
2011
Nelson Afanador García
Ms.C. Ingeniería Civil, Énfasis en Estructuras, Universidad de
los Andes Bogotá
Investigador grupo GITYD, Facultad de Ingeniería
Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Colombia
nafanadorg@ufpso.edu.co
Carlos M. Piscal Arévalo
Ms.C. Ingeniería Civil, Énfasis en Estructuras, Universidad de los Andes Bogotá
Investigador grupo CIMON
Universidad de la Salle, Colombia
cpiscal@unisalle.edu.co
Samuel Medina
Ms.C. en Estructuras, Universidad de los Andes Mérida
Investigador grupo GICCA, Facultad de Ingeniería
Universidad Francisco de Paula Santander, Colombia
ing_mjsamuel@hotmail.com
Resumen
La resistencia a la compresión de unidades
de arcilla cocida de mampostería bajo fuerzas
compresivas concéntricas uniaxiales fueron
investigadas en los 16 chircales que rodean la
ciudad de Ocaña
Los valores de resistencia a la compresión
concéntrica uniaxial de todos los ladrillos
producidos no cumplen lo establecido en
la norma técnica colombiana (NTC) 4205.
La resistencia a la compresión axial de la
mampostería utilizada es vulnerable a la acción
de cargas gravitacionales y se espera que
disminuya su rigidez a la flexión, generando
en las edificaciones estructuras vulnerables
en su capacidad a la compresión ya sea por
solicitaciones debidas al uso de la edificación,
por acción del viento o sismo.
Palabras Claves:
Ladrillos, Mampostería, Propiedades de los
ladrillos, Resistencia en ladrillos.
Abstract
The compressive strength of fired clay unit
masonry under uniaxial concentric compressive
forces were investigated in sixteen (16) Brick
makers surrounding Ocaña City.
The values of compressive strength of all
uniaxial concentric produced bricks do not
meet in the Colombian technical standards
(NTC) 4205.
The axial compressive strength of used
masonry is vulnerable to gravity action loads
and is expected to decrease the bending
stiffness, resulting in vulnerable structures
in their ability to compression either due to
requests by building uses, wind or earthquake
action.
Key Words:
brick, brick properties, Masonry, resistance
bricks.
Introducción
Los ladrillos toletes macizos de arcilla son
utilizados en la construcción de obras civiles

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principalmente en edificios y viviendas, estas
últimas diseñadas ya sea con un sistema de
pórticos resistentes a momentos, mampostería
reforzada o mampostería confinada según
Reglamento Colombiano de construcciones
sismo resistentes (NSR 2010).
Durante su vida útil estas construcciones
están sujetas a la acción de cargas verticales
u horizontales que pueden generar fracturas
en piezas de mampostería y en muros,
si su calidad no es la adecuada pone en
peligro a sus ocupantes principalmente;
estas fracturas influyen directamente en el
aumento de su vulnerabilidad sísmica (Cuellar,
Portillo, Renderos y Vides, 2006 y Asociación
Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 2004).
Algunas investigaciones sobre la resistencia a
la fractura de ladrillos producidos mediante un
proceso de fabricación manual, por extrucción y
por presión, han determinado valores mínimos
y máximos además de la función de densidad
de probabilidad de la resistencia a flexión con
fines de diseño (Gallegos, Casabonne (2005)
e Instituto Colombiano de Normas Técnicas.
(NTC) (2000)).
El método propuesto determina la función de
probabilidad de la resistencia a la compresión
derivada de ensayos en unidades de ladrillo
tolete macizo de arcilla para la totalidad de los
fabricantes con el fin de estimar la probabilidad
de falla a esfuerzos de trabajo ante la exigencia
sísmica para los ladrillos producidos en la
ciudad.
Un análisis numérico fue realizado, aplicando
el método de elementos finitos, realizando una
discretización a un material homogenizado en
el cual se indica el estado de esfuerzos a que
está sujeto el ladrillo (Bakhteri J., Makhtar A. &
Sanbasivam (2004)).
Estos resultados determinaron la vulnerabilidad
a nivel de materiales de mampostería en las
edificaciones que usan el ladrillo tolete macizo
de arcilla.
Metodología
La presente investigación científica usó la
metodología utilizada para determinar las
propiedades físicas y mecánicas de los
ladrillos fue tomada de la NTC 4017 “Métodos
para muestreo y ensayos de unidades de
mampostería y otros productos de arcilla” (NTC
2005), en donde se exponen los procesos de
selección y preparación de la muestra, además
se realiza una modelación matemática que
permite observar el estado de esfuerzos en
compresión a que está expuesto el ladrillo.
La arcilla está compuesta básicamente por
silicato de aluminio hidratado, puede tener
varias impurezas que varían en proporción
y afectan tanto las propiedades químicas
como físicas de la arcilla (Amrhein J. (1998)),
afectando su resistencia.
La resistencia a la compresión de ladrillo de
arcilla, f´cu, se usa como control de calidad en
su elaboración (dosificación de los materiales,
temperatura y tiempo de horneado) con el fin
de conocer la calidad de los materiales y la
materia prima utilizada en la fabricación de la
unidad, esto permite estimar la resistencia a la
compresión de la mampostería f´m, a partir de
fórmulas que relacionan las propiedades de la
unidad y los morteros (Takeuchi C. (2007)).
El ensayo de compresión consistió en llevar el
ladrillo a la falla y registrar la carga de rotura
en el área de contacto, ver Figura 1, para
determinar el esfuerzo de compresión máximo
(Gere M.G. & Goodno B. J. (2011)) (1).
Figura 1 Ensayo de compresión en ladrillos

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Figura 2. Ubicación de chircales
Figura N°3. Ladrillo discretizado en 150 elementos.
Figura 4. Modelo típico indicando la carga aplicada y las condicio-
nes de frontera.
En donde
f´cu = resistencia a la compresión del ladrillo Pa
x 104 (o Kgf/cm2).
W = carga máxima (de rotura) en N (ó Kgf).
Tomada de la máquina universal de ensayos
PU-100.
A = promedio de las área brutas de las
superficies superior e inferior del espécimen
en cm2.
En Ocaña se encuentran 16 chircales que
producen aproximadamente 352.000 ladrillos/
mes, ubicados en diferentes partes de la
ciudad (según encuesta realizada), ver Figura
2. El estudio tomo la población de los chircales
que se encuentran en la ciudad y realizó la
prueba de compresión tomando 33 ladrillos
por cada chircal, para un total de 528 ladrillos.
Para el manejo de la base de datos se utilizó
Excel, reporte dado por la máquina Universal
de ensayos tipo Pinzuar PU-100 y el software
estadístico statgraphics.
El análisis numérico en el ladrillo uso un
elemento isoparamétrico de 8 nodos, que fue
discretizado en 150 elementos véase figura 3.
El modelo asume que la muestra soporta una
carga axial compresiva de 241.81 Kgf, como se
ve en la Figura 4, para esta carga se produce
un esfuerzo de 40 Kgf/cm2 el cual corresponde
al máximo encontrado. Las condiciones de
frontera para la base corresponden a una
condición de empotramiento. El modelo
corresponde a una arcilla local donde las
dimensiones son: 65 mm x 127 mm x 238 mm
(altura x ancho x longitud).

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Resultados
La resistencia a la compresión promedio
encontrada en los ladrillos de arcilla cocida
producidos de forma manual en Ocaña oscilan
entre 13.34 a 39.50 Kgf/cm2 (ver Figura N.
5) comparado con lo exigido (véase la línea
continua en la parte superior Figura 5), de 140
Kgf/cm2 (NTC 2000). Los resultados del ensayo
de compresión presentan un coeficiente
de variación por encima del 30% con una
desviación estándar menor a 7.0 Kgf/cm2 en
promedio, ver Figura 6.
Figura 5. Resistencias a compresión promedio
Figura N°6. Resistencia a compresión (Kgf/cm2).
Figura 7. Resistencias a compresión percentil -5
Figura 8. Resistencia a la compresión promedio de ladrillos en Ocaña
Los resultados indican que los valores máximo
y mínimo del percentil 5 de los resultados a
compresión son 10.62 y 24.47 Kgf/cm2 para el
chircal 16 y 7 respectivamente. Esto significa
que en el caso del fabricante N. 16, el 5% de los
datos se encuentran por debajo de 10.62 Kgf/
cm2 (1,62 MPa), lo cual es véase Figura N.5 y
Existe una variabilidad en los resultados a
compresión promedio para cada chircal, ver
Figura 8, que no permite estandarizar una
resistencia a la compresión de los ladrillos
fabricados en Ocaña.
Con los valores de esfuerzo soportados por
los especímenes en el ensayo de compresión,
y las medidas geométricas (precisión de ±
0.01 mm) de cada muestra de ladrillo, se
generó una distribución de probabilidad que

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Figura 9. Función de distribución de probabilidad de Weibull de 3
parámetros para el chircal 9.
Figura N°10. Distribución de esfuerzos de compresión en la direc-
ción vertical del ladrillo.
se ajusta a los resultados obtenidos, llamada
“Distribución de probabilidad de Weibull de
3 parámetros” (Palacios L. H. 2010), la cual
define la probabilidad de falla a la compresión
de ladrillos, ver Figura 9. Por ejemplo para el
chircal 9 y un esfuerzo de compresión de 30
Kgf/cm2 (3 MPa) la probabilidad de falla es del
70 %, lo cual es muy alta, si esperamos que
resistan 100 Kgf/cm2 (10 MPa).
En las piezas de ladrillo de arcilla cocido
presentes en el municipio de Ocaña para
el estado de carga y apoyos presentados
en la figura N.4 y considerando un módulo
de elasticidad longitudinal de 23.333 MPa,
una relación de Poisson de 0,1 (Hemant B.,
Kaushik, Durgesh C. & Sudhir K. (2007) y
Dayaratnam (1987)) y una relación constitutiva
lineal, se esperan concentraciones de esfuerzos
en las esquinas del elemento debido a la
discontinuidad del elemento, ver Figura 10, que
hacen del elemento sea aún más susceptible
de falla a la compresión en estas zonas del
elemento, generando desprendimientos.
Conclusiones
La resistencia a la compresión en ladrillos de
arcilla cocida producida de forma manual en
Ocaña tiene una resistencia a la compresión
promedio de 23.95 Kgf/cm2, el cual representa
tan sólo el 17.11 % del valor esperado para
5 unidades, el cual es bajo para ser usado
en edificaciones y genera una disminución
en la fuerza de conjunto de la mampostería
a la compresión (f´m) además del módulo
de elasticidad (Em). Esta resistencia a la
compresión es baja comparada con la
exigencia a nivel nacional (NTC 2000) de 140
Kgf/cm2 y tiene una alta desviación estándar,
pues en promedio es de 9.09 Kgf/cm2 y un
coeficiente de variación que fluctúa entre 12.92
% y 87.94 % correspondiente a los chircales
16 y 7 respectivamente.
Aunque el chircal 7 es el de mayor resistencia
a la compresión, también es el de mayor
coeficiente de variación, el cual lo hace el
más sensible en términos de la resistencia
esperada a la compresión.
La función de distribución de probabilidad
en su mayoría es definida por la función de
distribución de probabilidad de 3 parámetros
de Weibull, especial para materiales de
resistencia corta.
La propiedad del material más importante en
el diseño estructural de la mampostería es la
resistencia a la compresión, f´m, es importante
en la determinación de la carga axial permisible
y tensiones de compresión a la flexión,
esfuerzos cortantes, esfuerzos combinados y
cargas de los pernos de anclaje, con valores
tan bajos hace de la edificación vulnerable
al fisuramiento y pérdida de capacidad de
soporte.
En la actualidad se adelanta un proyecto de
investigación que dará cuenta de posibles
mezclas de arcillas que mejoren la calidad

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Agradecimientos
Al estudiante del programa de Ingeniería
mecánica Eduar E. Pérez Rojas y los
estudiantes de Ingeniería Civil, por su
contribución al desarrollo de esta investigación.
Bibliografía
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D.C. Colombia.
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Cañas”. San Salvador.
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actualización. Santa fe de Bogotá D.C. Colombia.
Instituto Colombiano de Normas Técnicas (NTC). (2005). “Métodos para
muestreo y ensayos de unidades de mampostería y otros productos de arcilla
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Takeuchi C, (2007). Comportamiento en la mampostería estructural,
Universidad Nacional de Colombia, Santa fe de Bogotá.
Palacios L. H., (2010) Calculo de los parámetros de la distribución de
Weibull, Extraído 15 de agosto 2011. http://confiabilidad.net/articulos/
calculo-de-los-parametros-de-la-distribucion-de-weibull/
de los ladrillos en términos de su resistencia
a la compresión y que permitirá mantener
un constante monitoreo a sus propiedades
mecánicas desarrollas en todas los chircales.