Change detection

Los muros estructurales son elementos que resisten esfuerzos combinados de cortante, flexión y axial. Aportan gran rigidez a las estructuras, controlan desplazamientos laterales y distorsiones de entre pisos (Derivas), además reduce responsabilidad sísmica en columnas. La ventaja de estos elementos es la perdida mínima de rigidez y resistencia frente a excitaciones sísmicas. (Moehle, 2014). Una óptima distribución de muros estructurales de manera simétrica en una edificación permitiría un óptimo comportamiento estructural, resistiría eficientemente cargas verticales y laterales; y sería económico. (McCormac & Brown, 2011).

Los muros estructurales presentan diferentes configuraciones en las edificaciones, siendo los más comunes:

 Muros estructurales Bajos

 Muros estructurales esbeltos

 Muro estructural-Pórtico

 Muros estructurales acoplados

Fig. 2-1 Configuraciones de muros estructurales en edificaciones (Moehle, 2014) 2.1.2. Tipos de muros estructurales y mecanismos de falla

Los muros estructurales se dimensionan y diseñan para controlar los desplazamientos

17 requerimientos arquitectónicos. Por ello para satisfacer ambos requerimientos, tanto

estructural como arquitectónico, se generan diferentes configuraciones de muros estructurales dentro de una misma edificación. Las configuraciones usuales se detallan a continuación:

 Muros estructurales bajos: Los muros estructurales bajos presentan una relación de altura y longitud igual o menor que dos. (Wight & MacGregor, 2012). Estos muros están sometidos mayormente o en su totalidad a esfuerzos de corte, por lo que la demanda de acero a flexión es mínima, además su brazo de palanca es relativamente grande. Se recomienda distribuir el acero a flexión de manera uniforme sin colocar núcleos

confinados en los extremos. Generalmente presentan cargas verticales de compresión muy pequeñas, se debe despreciar su efecto en el aumento de resistencia a la cortante. No existe una gran pérdida de ductilidad de estos elementos cuando son sometidos a fuerzas

sísmicas, porque puede absorber esfuerzos sin incurrir en el rango inelástico y el bajo contenido de acero de refuerzo incrementa la ductilidad. (Park & Paulay, 1988). Los muros bajos presentan gran rigidez impidiendo el desarrollo de un arco a flexión. El patrón de grietas generadas debido a fuerzas sísmicas revela la necesidad de estribos. La

descomposición de la fuerza vertical sísmica implica refuerzo horizontal para resistir esfuerzo cortante y refuerzo vertical para resistir esfuerzos de compresión. En la Fig. 2-2 se aprecia la descomposición de la fuerza cortante vertical en un muro bajo.

Fig. 2-2 Distribución de esfuerzo cortante en muros bajos (Park & Paulay, 1988)  Muros estructurales esbeltos: Los muros estructurales esbeltos tienen una relación de

altura y longitud mayor a dos. Este tipo de muro presenta comportamiento semejante al de una viga peraltada empotrada (ancho pequeño) sujeto a deformaciones por cortante y de deflexión, ver Fig. 2-3. Debido al ancho pequeño puede ocurrir un problema de

18 (Fuerzas de gravedad y sísmicas). Sin embargo, las losas que actúan como diafragma rígido 1 que arriostran lateralmente al muro, por ello la longitud crítica de pandeo es la altura de piso. (Park & Paulay, 1988)

Fig. 2-3 Muro de cortante en voladizo (Park & Paulay, 1988)

Un muro estructural esbelto está sometido a fuerzas de compresión debido a cargas de gravedad e incrementadas por cargas sísmicas. Los muros estructurales esbeltos sometidos a cargas sísmicas presentan la rótula plástica en su parte inferior, generándose las primeras grietas en la zona de tracción, reduciendo su área efectiva y por ende su rigidez, ver Fig. 2-4. Por la inversión de momentos producida por la carga cíclica sísmica; La zona opuesta que previamente soportó esfuerzos de compresión, también es afectada por grietas

generadas por esfuerzos de tracción. Por consiguiente, un muro estructural sometido a fuerzas sísmicas es más susceptible al pandeo lateral, no solo por el daño ocasionado (pérdida progresiva de rigidez), sino también por el incremento de fuerzas en compresión por la acción sísmica. (Moehle, 2014)

1 _{Diafragma rígido: Elemento horizontal que transmite las fuerzas inerciales a los elementos de resistencia} sísmica. Permite desplazamiento horizontal uniforme a los elementos verticales.

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Fig. 2-4 Pandeo lateral influenciado por grietas de tracción (Moehle, 2014)  Muro estructural-Pórtico: Las edificaciones regularmente están conformadas por sistemas

estructurales duales, siendo los pórticos y los muros estructurales los sistemas más

combinados. Los pórticos son sistemas estructurales que presentan gran flexibilidad y una baja rigidez lateral, mientras que los muros estructurales presentan rigidez y carecen de flexibilidad, generando así una complementación. Sin embargo, la interacción de muros estructurales y pórticos, debido a la discrepancia estructural (incompatibilidad de rigidez), generan concentración de esfuerzos en elementos verticales de conexión (vigas),

ocasionando súbitamente rotulas plásticas, ver Fig. 2-5. En muchas ocasiones, en un análisis dinámico elástico se generan grandes esfuerzos de cortante y flexión, incitando al diseñador proveer mayor resistencia al elemento. Sin embargo, dotar de mayor resistencia a un elemento estructural, induce perdida en la ductilidad, incitando fallas frágiles. ( Bozzo & Barbat, 2000)

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Fig. 2-5 Interacción Muro estructural – Pórtico (James G. Macgregor, 2012)

Debido a rigideces divergentes entre ambos sistemas, existe una incompatibilidad de deformaciones laterales que genera diferentes desplazamientos laterales en un mismo nivel. Por ello que, en algunas ocasiones en el análisis de un muro estructural conectado a un pórtico, los esfuerzos de cortante y flexión presentan magnitudes en sentido opuesto. Este fenómeno dependerá de la rigidez del pórtico, si el pórtico es flexible, no afecta en las deformaciones del muro, ver Fig. 2-6. Sin embargo, si el pórtico es muy rígido, tendrá incidencia en las deformaciones del muro estructural. (James G. Macgregor, 2012)

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Fig. 2-6 Efecto de rigidez del pórtico en iteración Muro - Pórtico (James G. Macgregor, 2012)

 Muros estructurales acoplados: Generalmente las estructuras presentan muros continuos que precisan de aberturas considerables (Ventanas, ductos, caja de ascensor y escaleras, etc.), por ello los muros estructurales son unidos mediante vigas de acople. Este sistema de acoplamiento, transfiere esfuerzos de cortante de muro a muro mediante vigas muy rígidas (relación pequeña de luz y peralte) donde las deformaciones a cortante son muy notables. La gran rigidez y empotramiento de las vigas de acople genera gran sensibilidad a los movimientos relativos de los muros desarrollándose también deformaciones axiales. (Park & Paulay, 1988).

Estudios indican que, en muros acoplados expuestos a sismos severos, las vigas de acople fallan antes de lograr la resistencia máxima del muro. Las vigas de acople, a menudo cortas y peraltadas, pueden estar sujetadas a elevados esfuerzos cortantes cuando se desarrolla la resistencia máxima a flexión. Estas fuerzas cortantes no solo inhiben el desarrollo total de la capacidad a flexión, sino que también restringen la ductilidad

obtenible. (Park & Paulay, 1988). Frente a cargas sísmicas, los muros acoplados presentan primeramente rotulas plásticas en las vigas de acople, seguidamente se generan las rotulas plásticas en la parte inferior de los muros, ver Fig. 2-7.

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Fig. 2-7 a) Muros acoplados y b) Mecanismo de falla de muros acoplados (Moehle, 2014) 2.1.3. Distribución de acero de refuerzo

La configuración del acero de refuerzo es trascendental para un óptimo funcionamiento estructural de un muro. Presenta un mejor comportamiento si los núcleos confinados

presentan refuerzo más concentrado y no tan distanciado, los núcleos deben estar situados en las zonas más extremas como se puede observar en la Fig. 2-8. Puesto que el peralte efectivo es mayor, genera mayor brazo de palanca del centroide de aceros a tracción, ocasionando mayor resistencia y capacidad de curvatura de deformación. (Moehle, 2014)

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Fig. 2-8 Influencia de la distribución del refuerzo en la resistencia del muro (Moehle, 2014)

El comportamiento dúctil del muro se optimiza confinando los núcleos extremos de la misma manera que una columna (Estribos), donde las deformaciones por compresión del concreto son superiores a 0.003, ver Fig. 2-9. Estos estribos deben confinar las varillas de flexión para evitar pandeo por fuerzas de compresión. (Park & Paulay, 1988)

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2.2.Sistema estructural de pórticos arriostrados