2. MUROS DE CARGA

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Escuela De Arquitectura

Muros de Carga

Introducción. Un muro de carga es un sistema estructural que distribuye cargas repartiéndolas a través de los volúmenes verticales más cercanos que servirán de soporte. Estas cargas crean fuerzas y esfuerzos internos en los muros. Los muros de carga pueden ser encontrados en la naturaleza. Un ejemplo es una formación rocosa natural en UTAH, que mide 700 pies de alto Figura 2.1.

2.1 Formación natural de roca en UTAH

La formación de roca es el resultado de la erosión, la cual no ha removido el material de carga mas pesado. La formación resultante es mas ancha en la base que en la parte superior, lo cual distribuye la acumulación de cargas sobre un área muy larga y contribuye a la estabilidad de la formación. Otro ejemplo de muro de carga en la naturaleza es el montículo de hormigas Brasileñas Figura 2.2. El montículo cónico de las hormigas esta constituido por muchas piezas pequeñas. La anchura de la base del cono distribuye la acumulación de cargas sobre un área muy larga y le provee una estabilidad natural. La única abertura al exterior aparece en la parte superior donde no es interrumpida la continuidad estructural del muro, Figura 2.3.

2.2 Hormiguero de Hormigas Brasileñas

ESTRUCTURAS Y DISEÑO ARQUITECTONICO

2.3 Sección del hormiguero

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2.2 Distribución de Cargas. La distribución de fuerzas en un muro de carga es similar a la distribución en el montículo de las hormigas brasileñas y en la formación de roca natural. El peso del muro incrementa hacia su base. Si la fuerza de compresión (f=P/A) del material permanece aproximadamente constante, entonces el área deberá de aumentar más que el incremento de la carga, de esta manera la pared deberá ser mas gruesa hacia la base.

El área en la base de este muro es más chica que en el muro inclinado, y la carga del muro excede la capacidad de carga del terreno. Incrementando el área en la base del muro con una zapata, como se muestra en la figura 2.5, distribuirá el peso total del muro sobre una gran área del terreno. La distribución de cargas vivas y muertas dentro de los muros de carga puede ser ilustrada con un gran número de croquis.

La forma resultante de la sección del muro, ilustrada en la figura 2.4, figura un triangulo que es llamado muro inclinado. Esta forma del muro de carga es bastante común en la construcción con materiales débiles a la compresión. El incremento a lo ancho en la base del muro de carga distribuye el peso total del muro sobre una gran área del terreno. Como resultado de esta distribución, el peso del muro no excede la capacidad de carga del terreno.

2.4 Muro de piedra de mampostería

Figura 2.5. El esfuerzo en este muro incrementa hacia la base desde el área donde su grosor no varía y es constante. Este tipo de muro no es estructuralmente eficiente como un muro inclinado ya que el material en la parte superior no está completamente esforzado. 2.5 Muro de tabique, vertical


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Figura 2.6 Ilustra fuerzas comunes actuando sobre y dentro un muro de carga. Para máxima eficiencia estructural, las vigas deben de estar más cercanas para poder distribuir la carga eficientemente a través de todo el muro. Las sombras triangulares en las elevaciones del muro ilustran aproximadamente la distribución de cargas de dichas vigas. Esta distribución de cargas incrementa uniformemente desde la parte superior hasta la base a través de todo el muro. La distribución uniforme de cargas causa un incremento gradual de esfuerzos en el muro y un esfuerzo uniforme en la zapata y en el terreno. Figura 2.7 Si la continuidad estructural es interrumpida por una larga apertura como se ilustra en este esquema, los esfuerzos no incrementarán uniformemente por todo el muro y las cargas en la zapata no serán uniformes. Nótese el incremento en la distribución de cargas alrededor de la abertura. Este muro de carga es menos eficiente que el muro ilustrado en la figura 2.6 ya que las cargas no se transfieren directos ni uniformemente a la zapata.

2.6 Cargas en un muro de carga común

2.7 Cargas en un muro de carga con una abertura


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Figura 2.8 Muestra una parte de un muro de carga con las cargas espaciadas con grandes intervalos. La distribución de cargas dentro del muro no es uniforme bajo este tipo de cargas. Los esfuerzos internos varían considerablemente cerca de la parte superior del muro, pero este está mostrando un poco de grados de desigualdad a través de la base. Este tipo de muros de carga no es tan eficiente en la distribución de cargas y resistente a las fuerzas como lo es el muro con las cargas menos espaciadas. Figura 2.9 Cuando las vigas están sumamente espaciadas, una gran carga concentrada es transferida al muro. Estas pesadas cargas pueden tender a tronar el muro por debajo de las vigas. Frecuentemente son utilizadas placas de carga para distribuir las cargas concentradas de las vigas sobre una gran área del muro. Esto puede reducir la concentración de los esfuerzos en la parte superior del muro como se muestra en el dibujo. Una porción del muro entre los soportes no es de carga. Los esfuerzos cerca de la base del muro no son uniforme como en las Figuras 2.6 y 2.7 y la distribución de las cargas hacia la zapata puede causar esfuerzos desiguales en ésta. El dibujo mostrado en la Figura 2.9 demuestra que un muro de carga bajo muy espaciadas cargas concentradas no es un sistema estructural eficiente.

2.8 Vigas en un muro de carga

2.9 Vigas muy espaciadas en un muro de carga


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Figura 2.10. Un mejor uso de materiales es obtenido incrementando el grosor del muro bajo la concentración de cargas. Estas cargas están concentradas en puntos de mayor área llamadas pilastras. Menos material puede ser utilizado entre las pilastras ya que las fuerzas son considerablemente menores en el muro y en las pilastras. Las zapatas también son alargadas bajo las pilastras para equilibrar la distribución de las cargas al terreno. El muro entre las pilastras no es requerido para cargar más peso que el suyo, y podría ser considerado como un muro que no carga. Este tipo de construcción recuerda el sistema de postes y vigas en el cual las cargas están concentradas y transmitidas al terreno a través de pilastras o columnas. 2.3 Estabilidad lateral. Figura 2.11 compara la estabilidad entre dos formas geométricas: el triángulo y el rectángulo. La sección transversal de casi todos los muros de carga es casi siempre rectangular o triangular. El centro de gravedad del triángulo es más cercano a su base que el del rectángulo. El centro de gravedad bajo en el triángulo lo hace más resistente al volteo de lo que resiste el rectángulo. La ancha base del triángulo también contribuye para su estabilidad. Los contrafuertes son un método efectivo para desarrollar una estabilidad lateral en materiales débiles a la compresión. Un método mucho mejor para desarrollar una estabilidad lateral debe ser considerado cuando un material fuerte a la compresión este disponible.

2.10 Cargas concentradas en las

2.11 Estabilidad en un triángulo y un rectángulo


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Figura 2.12 Ilustra un método para obtener estabilidad lateral añadiendo contrafuertes a un muro delgado y un grosor continuo. Los contrafuertes aumentan la estabilidad del muro a través de la triangulación en una porción del muro. Este no es el método más eficiente para desarrollar estabilidad ya que este necesita agregar mas material para soportar la aplicación de cargas. Los contrafuertes en esta ilustración estabilizan el muro de carga mientras que las pilastras en la figura 2.10 transfieren las cargas concentradas a la zapata.

2.12 Muro de carga con contrafuertes

El método más efectivo para desarrollar estabilidad a través de la geometría en lugar de la masa puede ser demostrado con cartas de juego. Figura 2.13 muestra dos cartas acomodadas lado con lado formando un muro recto que no estaría estable sin los soportes.

2.13 Estabilidad en una sección delgada


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2.14 Estabilidad en una sección delgada

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2.16 Carta curvada

2.15 Muro estable

Figura 2.14 La estabilidad sin soportes adicionales es posible cuando dos cartas sean acomodadas en ángulos rectos entre si. Figura 2.15 Este método es utilizado en los muros de carga. Figura 2.16 Muestra que la estabilidad puede ser obtenida con una sola carta en forma de curva. La estabilidad de la carta es incrementada cuando el radio de esta decrece. Figura 2.17 Los muros cilíndricos y curvos son ejemplos de muros de carga estables. Estos ejemplos han mostrado como la estabilidad de los muros de carga puede ser obtenida a través del cuidadoso uso de la geometría.

2.17 Muros curvos

Análisis de Diseño


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El diseño del primitivo refugio mostrado en la figura 2.18 fue una ingeniosa aplicación de principios estructurales básicos utilizando piedra rudimentaria. Combinando muro y techo en un solo elemento, actuando como elemento estructural y divisorio, este refugio desarrolla estabilidad natural a través de la geometría del cono. El plano circular permite a las piedras sostenerse firmemente una contra otra hasta que el diámetro de este disminuyera hasta llegar a la parte superior. El uso de este irregular material, unido sin mortero, depende de la gravedad para su rigidez. El muro aumenta su espesor hacia la base, otorgando estabilidad. A diferencia, la sencilla estabilidad funcional del montículo de las hormigas brasileñas, esta estructura hecha por el hombre demuestra un ejemplo de discontinuidad estructural a través de la introducción de una apertura en la parte baja del muro de carga. La localización de la apertura en el punto de concentración una carga muy pesada requiere dirigir este peso hacia otro lado de la apertura. En este ejemplo, la piedra dintel usada para puentear la apertura y obtener un buen elemento constructivo. Donde largas piedras no estaban disponibles, los vacíos eran atravesados por un arco o una ménsula.

2.18 Muro de carga primitivo, estructura real


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piedras dintel la cual provoca una mínima distribución vertical de cargas.

Figura 2.19 Las torres del templo Egipcio ilustran un ejemplo de estabilidad desarrollada en un volumen, empleando un muro con contrafuerte. Con cuarenta pies de grosor en la base, el muro de mampostería inclinado hacía la parte interior, y con 100 pies de altura. El centro de gravedad es bajo y el grosor de la base de este volumen triangulado resiste el volteo. El contrafuerte reparte el enorme peso del muro sobre una gran área a la base previniendo un indebido acomodo de la estructura. Este manejo de los esfuerzos dentro de la capacidad del material del muro. El gran grosor e inmenso peso revela por las torres limitando el tamaño de las aperturas muy pequeñas. Esto podría ser aumentado con el uso de


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2.19 Pylons, Templo de Horus, 237-57 A.C.

La casa Griega mostrada en la Figura 2.20 ilustra un sistema característico de muro porticado: un proyecto generalmente restringido a volúmenes rectangulares. El primer muro vertical de fachada, construido para la adoración, no fue capaz de sostener grandes concentraciones de cargas. Las cargas del tejado eran generalmente distribuidas uniformemente a lo largo de dos muros de carga paralelos perforados por algunas aperturas. El enclaustro del volumen estaba completo por la introducción de dos muros que no son de carga. El tamaño del enclaustro rectangular estaba restringido por los limites estructurales de la construcción del techo, generalmente construido de madera.

los lados soportan cargas concentradas tan bien como resisten los esfuerzos que provocan los techos de madera. Los muros de piedra entre los contrafuertes no son necesariamente muros de carga.

2.20 Casa griega

El granero Medieval mostrado en la figura 2.21 ilustra un método descubierto para dar estabilidad en muros con la adhesión de contrafuertes, Este es un uso mas económico del material en los muros con contrafuertes Este incremento en el grosor en muchos puntos rigidizando la relativa altura del muro delgado y dotándolo de estabilidad a través de la geometría dela triangulación. Mientras que los contrafuertes en la parte final del extremo superior proveen de resistencia a los muros contra el volteo, estos independientes de ESTRUCTURAS Y DISEÑO ARQUITECTONICO

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2.21 Granero medieval, Bradford-on-Avon, 1350

Figura 2.22 Aperturas en un muro divisorio están expresadas en la fachada de este palacio Renacentista. La profunda recesión de la entrada y la exposición de las ventanas exponen el grosor del muro construido. Las pequeñas aperturas del nivel inferior, en contraste con el gran tamaño de las del nivel superior, refleja la necesidad de conservar una gran cantidad de masa para resistir las cargas acumuladas de los niveles superiores. El alineamiento vertical de las aperturas y la masa de los muros intermedia permite la transferencia de las cargas al terreno. Expuesta la piedra dintel, aberturas no muy anchas, arcos, mostrando las largas aperturas, dramáticamente expresando la distribución de cargas sobre esta interrupción en la continuidad de la estructura. Figura 2.23 Ilustra la influencia de materiales en el diseño de un muro divisorio en el suroeste de los Estados Unidos. El diseño de esta estructura es influenciada por el calor opresivo de la región. El grosor de los muros con contrafuerte provee de estabilidad y distribuye excesiva masa de los muros Las propiedades físicas del adobe es justificada , ya que este acto es para aislar contra o de los techos del material estructural hasta llegar a tronar bajo su propio peso. La distribución uniforme de las cargas del techo,

de esta manera se evitara la concentración de las pesadas vigas de madera, es lo que permite una cargas sobre una gran área, previniendo el debilitamiento cargas en el débil material de sostén. Los estrechos tramos de las aperturas están unidos con

pequeños dinteles expuestos los cuales expresan la distribución de cargas en estas aperturas.


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alineamiento vertical de los vacíos y los sólidos permite la transferencia de cargas directamente al terreno. El muro de carga, cuando es utilizado en edificios de gran altura, consume una larga porción del área del piso en los niveles inferiores y esto limita el uso de este sistema estructural en este tipo de edificios. 2.22 Palacio Strozzi, Florencia 1489-1559

2.2

2.23 Iglesia de la Misón, Nuevo México, Siglo 17

Figura 2.24 Las limitaciones de los muros de carga de mampostería en un sistema estructural para grandes edificaciones evidentes como el Edificio Monadnock. Los muros masivos de 16 pisos de altura incrementan su grosor hacia la base para esparcir las cargas y prevenir el rompimiento del ladrillo bajo la enorme acumulación de peso. El grosor del muro queda especificado por la profundidad de las ventanas. El

La iglesia de concreto reforzado mostrada en la Figura 2.25 ilustra un método para obtener estabilidad en muros de carga a través de su geometría. El concreto reforzado permite la construcción de muros monolíticos siendo relativamente delgados. Los muros, con una falta de estabilidad revelada por la masa, han dado un giro de 90 grados dando rigidez y resistencia al volteo. Cada segmento independiente del muro plegado tiende a


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desarrollar su propia estabilidad. El cristal fue introducido en medio de estos dos segmentos para proveer de una gran iluminación natural, pero enfatizando la independencia estructural de cada segmento.

La expresión estructural del muro de carga es muy evidente en la casa ilustrada en la figura 2.27. Los dos muros de carga soportan una porción de las cargas del techo. Los muros de cristal no son obviamente muros de carga y proveen generosamente la entrada de luz natural sin afectar al sistema estructural.

2.25 Templo de la Unidad, Oak park, Frank Lloyd Wright, 1906

Figura 2.26 Ilustra un ejemplo de la estabilidad resultante de la geometría de una plano curvo. El ladrillo vidriado, un material fuerte a la compresión y uniforme en tamaño y capacidad, ha sido unido para crear dos altos muros esbeltos. Estos muros han sido estabilizados por la geometría de su curvatura igual que por el volumen. Esta curvatura resiste la tendencia del muro al volteo, de esta manera reserva su angosto espesor economizando en material. La geometría de su estructura crea dos largas aperturas naturales, las cuales aparentemente no afectan la continuidad estructural del sistema. ESTRUCTURAS Y DISEÑO ARQUITECTONICO

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concreto como un sistema estructural para construcciones de gran altura. El concreto reforzado ofrece fuerza y estabilidad ya que se convierte en un monolito. Cuatro muros de carga de concreto reforzado, se observan en sección y en planta, gradualmente aumenta su delgadez, partiendo desde la base hasta los últimos niveles donde son más delgados, y así resistir todo el peso acumulado de los pisos superiores. La estabilidad lateral se da gracias a la triangulación de los muros de carga.

2.26 Centro de fe, Universidad de Brandeis, Abramovitz, 1955

2.27 Casa NOYES, New Canaan, NOYES, 1956

Figura 2.28. Muestra un edificio de treinta y dos pisos que demuestra el potencial de los muros de carga de ESTRUCTURAS Y DISEÑO ARQUITECTONICO

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Un inusual decremento de aberturas al exterior es logrado utilizando muros de carga de la manera mostrada en la Figura 2.29. Mediante El emplazamiento de muros de concreto reforzado con una trayectoria radical alrededor de un largo espacio central, el arquitecto es capaz de soportar el techo, el cual es sostenido por cables colgados en los muros, y provee de suficientes espacios interiores con una muy pequeña penetración de los elementos estructurales. Estos arreglos de los muros de carga abren el espacio periférico párale interior del edificio, creando así una dinámica expresión visual del sistema estructural.

2.28 Oficinas Pirelli, Milan, Ponti, 1960


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El edificio de oficinas mostrado en la figura 2.30 es un ejemplo de un muro perimetral en la construcción de un rascacielos. A diferencia de la estructura esquelética de los rascacielos desarrollada a finales del S. XIX, esta solución de edificios altos ha roto con la estructura y patrones familiares, así creando una mayor área libre para oficinas. El muro de carga externo divide los esfuerzos entre muchos elementos opuestos a la concentración de cargas verticales del esqueleto en unas largas columnas. Este muro exterior consiste en líneas de cuatro y una y media pulgada de diámetro, altas-rectas alcanzan un tamaño de 2 pies y son de 4 pulgadas de cemento cubiertas con concreto prefabricado que provee de una protección contra incendios y un acabado. El incremento de los esfuerzos los cuales aumentan en el muro de carga desde la base, no es expresado en este ejemplo, pero son acomodadas dentro de la base de la torre tubular con un incremento graduador del acero y del grosor del muro hasta la planta baja llevado un comportamiento tradicional de un muro en arco.

2.29 Primera sociedad unitaria congregacional, Hartford, Lundy, 1968


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Figura 2.31 Ilustra algunas de las condiciones inusuales de la utilización de un muro de carga como columna. En este caso dieciséis huecos cilíndricos construidos con concreto reforzado provee de un soporte estructural para el edificio. La estabilidad lateral es una indudable característica de esta forma cilíndrica – un buen ejemplo de estabilidad desarrollado mediante la geometría. Además para transmitir las cargas y proveer de estabilidad lateral esta torre también cuenta con comunicación vertical (escaleras y elevadores), espacios para ductos verticales, áreas de almacenamiento y otros servicios. Como resultado de esta configuración y localización, estos elementos de muro de carga asumen el rol de columnas dentro de un género de sistema estructural de muro de carga, así como el sistema de columnas de carga y trabes, el cual es especialmente flexible.

2.30 IBM, Seattle, Yamasaki, 1964


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2.31 Centro de comunicaciones Yamanashi, Kofu, Japón, kenzo Tange

La principal fuerza que actúa sobre y dentro de la construcción de los muros de carga, esta limitada por la dirección vertical, pero este sistema estructural también es resistente a las fuerzas horizontales. Encargado de la conservación de energía ha conducido un creciente número de estructuras subterráneas las cuales son capaces de detener el empuje lateral de la tierra. La configuración de la residencia mostrada en la Figura 2.32 es una particular y dramática expresión y efectivo uso estructural de muros contenedores como soporte para el techo y sus cargas y como un muro delimitante. Los numerosos ESTRUCTURAS Y DISEÑO ARQUITECTONICO

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ángulos utilizados en este diseño contribuyen con la resistencia de los muros de contención generando estabilidad lateral a través de su geometría. El aire fresco y la iluminación natural a través de generosas aperturas, algunas de las cuales responden su localización al sistema estructural.

RESUMEN - MURO DE CARGA 1. El muro de carga es un sistema de soporte construido por materiales compresivos.

2.32 Casa Alexander, El montecito, California, Coate, 1977

2. Éste no encierra el espacio, aunque éste puede definir limitaciones espaciales. 3. Este es más eficiente cuando se le aplican cargas uniformes. 4. La geometría es más eficiente que el volumen en el desarrollo de la estabilidad.


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5. Las aperturas en un muro disminuyen la continuidad del sistema estructural, y pueden estar limitadas en tamaño y cantidad. 6. Las aperturas naturales existen entre dos muros de carga. 7. El sistema restringe la libertad de desplazamiento.


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