DEFINICIÓN DE DISEÑO ESTRUCTURAL.

El diseño estructural debe ser visto como una aproximación creativa para la solución constructiva de un problema de ingeniería civil planteado por la sociedad a la que se pertenece. 

EVOLUCIÓN DEL DISEÑO ESTRUCTURAL. 

Desde el neolítico, en todas las representaciones constructivas de las cuales tenemos constancia en nuestros días, se muestran soluciones a problemas o inquietudes, manifestadas en diversos rubros por las sociedades primitivas o asentamientos formales. A través de la historia, estas soluciones fueron modificándose y por medio de la  comunicación entrelazada o generacional, fueron mejoradas. En cada representación vemos la tecnología utilizada por el gremio constructor. Por ejemplo, en la irrigación de los  campos agrícolas, en la dotación de agua a las ciudades, que son instalaciones que aún permanecen. Por otro lado, de singular las edificaciones que también permanecen, son las  conmemorativas o rituales, las religiosas y las de gobierno, como si se tratara de demostrar con esto, los acontecimientos memorables, o de otra manera, la permanente unidad deseable entre el cielo y la tierra. Sin embargo las estructuras de carácter utilitario en  algunos casos permanecen aún habiendo perdido vigencia por tratarse de sistemas protegidos, como los de los alcantarillados. En otros casos han permanecido en parte los acueductos y villas calzadas en casos más aislados. Además, siempre existió como hasta ahora la premisa de la permanencia de lo importante. Así, es notable la cantidad de monumentos que han llegado en un magnífico estado de conservación hasta nuestros días. No obstante cabe hacer notar algunas excepciones de estructuras cotidianas, las que además de mostrarnos los edificios principales, han mostrado otros aspectos muy importantes de la vida diaria. Por ejemplo, la ciudad filistea de Hebron, que fue abandonada antes de una invasión que no se produjo, y además no fue retornada por los filisteos, situación de la que no se sabe la causa. Pero el abandono y las magníficas construcciones dieron lugar al  redescubrimiento de una ciudad industrial con una capacidad de producción de 1000 ton de aceite de oliva al año. Tómese en cuenta que la capacidad de Israel a la fecha de este  redescubrimiento era de 4000 ton al año del mismo producto. Desde el principio de los asentamientos humanos en comunidades, digamos ya formales, el material estructural empleado para las construcciones fue la piedra. Elemento abundante en la naturaleza, el cual con ingenio y destreza, podía ser remoldeado y trabajado, con base en un desarrollo de las herramientas convenientes para cada tipo de piedra que se deseaba  utilizar. En las saciedades desarrolladas primeramente como ciudades-estado se produjeron diversos tipos de estructuras que dieron lugar a una amplia utilización de la piedra como  principal elemento estructural. Así, la vemos aplicada en grandes acueductos, calzadas,  templos, palacios, tumbas, monumentos conmemorativos y ceremoniales con sus muros de contención, sus murallas, sus bóvedas, arcos, columnas, etc. Una vez que las limitaciones del uso de la piedra se fueron encontrando, se buscaron alianzas estructurales: primero con la madera, al encontrar dentro de su relativa  homogeneidad, propiedades para el trabajo a tensión, compresión, flexión y cortante. Así, uniendo piezas de madera por medio de bloques de argamasa, al fraguar estos dentro de ciertos límites, aprisionaban a la madera, y por fricción se unían a cada piedra, formando un primitivo tensor. En algunos casos, entramados de madera deben haber formado estructuras importantes, por ejemplo, la techumbre del Partenón en la que su cubierta salvó claros de 40m sin apoyos intermedios. Así también, al encontrar limitaciones a la piedra por trabajabilidad, y en gran parte gracias al ingenio del constructor, nació la idea de fabricar una "piedra", que fuese fácil de  moldear, transportar y colocar en obra. De estas necesidades, mediante un proceso de cocción del barro, nace el tabique recocido, que además daba una resistencia aceptable, y se podía fabricar en grandes cantidades y por sus dimensiones, era fácil de transportar, a su vez fácil de colocar en obra, uniendo las piezas entre sí por medio de morteros de arena, cal y cemento natural. 

Durante un lapso grande, el uso del tabique floreció creando estilos tan importantes como el Gótico, donde se aprovechó su excelente uso estructural, en los muros, contrafuertes y bóvedas. Aunado al Gótico, en otras sociedades el uso de la madera proliferó, buscando ampliar los espacios, encontrándose así con las limitaciones de los elementos estructurales simples. Lo que derivó en una búsqueda de unión entre ellos, dando lugar a las armaduras primitivas.Es importante hacer notar los lapsos tan elongados, entre el uso de un material y su sucesor. La piedra se utiliza fundamentalmente desde 7 000 A.C. hasta 1800 D.C. El tabique surge como material estructural desde 500 D.C. hasta nuestros días. Sobre la madera también se puede decir que surge desde el principio de los asentamientos humanos, y su uso  permanece hasta nuestros días. Aunque el uso estructural de estos tres materiales está en vías de extinción en las sociedades desarrolladas, se llegan a utilizar en casos esporádicos y particulares. Las características del acero despertaron la curiosidad de los ingenieros, pero no  analizaron el uso de este material a la construcción, debido a la difícil trabajabilidad estructural del  hierro forjado o colado, primero por la fuerza necesaria para fabricar grandes piezas y después, por la fragilidad del material obtenido. Fue hasta mediados del siglo XIX cuando Bessemer con su convertidor, da lugar al acero, elemento a todas luces ideal estructuralmente hablando, alta capacidad a la tensión, a la compresión y al cortante. Además, moldeable en un tren de laminación, en cualquier forma o elemento largo. Versátil en su uso, tanto para columnas como para trabes y armaduras, una vez instalados en el desarrollo de los elementos estructurales, su uso proliferó, desplazando  estructuralmente primero a la piedra y después, paulatinamente a la madera, sin embargo, este desarrollo es lento. Por otro lado, los investigadores idean los perfiles "I", "C", etc, que no sólo economizan el material, sino que también aumentan la resistencia de las secciones. Y es a fines del siglo XIX cuando se construye el primer edificio "alto", de 15 niveles. A partir de entonces, el progreso de la construcción de edificios fue en constante aumento. También a mediados del siglo XIX, después de haber experimentado con el acero adherido a un conjunto de piedras y adosando este material a piezas de concreto intuitivamente, nace el concreto reforzado, el cual empieza a competir con el acero, desplazando a la  madera y, por supuesto, a la piedra. El concreto reforzado se desarrolla rápidamente, haciendo necesario normarlo tanto en sus variables propiedades, como en su comportamiento estructural diverso. El concreto  reforzado rápidamente toma su lugar en el campo de la construcción, a veces desplazando al acero, a veces combinándose con el, a veces dando lugar a otras tecnologías como son los concretos ligeros, los concretos prefabricados simples y los compuestos, es decir  elementos estructurales y decorativos o elementos combinados. Otra ramificación del concreto "reforzado" ha sido el uso de los elementos de concreto presforzados o postensados, elementos que constituyen en sí, todo un comportamiento de gran desarrollo para las estructuras. De estos dos materiales (acero y concreto), puede decirse que su desarrollo iniciado hace unos 150 años, ha continuado en forma vertiginosa, y que continuará por muchos años más. Como puede verse en forma muy sintetizada, el camino para el desarrollo de las estructuras y, por lo tanto, para el del diseño estructural, ha sido largo, muy largo. Hasta ahora sólo se  ha hablado de las limitantes impuestas por los materiales. Sin embargo, una limitante  importante en el desarrollo de las estructuras recientes, fue también la dificultad para llevar a cabo los análisis estructurales. Un acontecimiento que marcó la ruptura de esta última limitante, fue la aparición de las computadoras. Estas se han convertido en los impulsores del análisis estructural,  incrementando velocidad y certidumbre en las soluciones. Aquí es donde, en nuestra  opinión, se debe hacer una reflexión para inducir al ingeniero estructural a utilizar las  computadoras en el diseño estructural, estimulando la capacidad creativa del profesional de las estructuras antes de aplicar incluso la capacidad resolutiva de las máquinas, ya que está resuelven pero no diseñan, ni proponen como podemos realizar el arte de diseñar. Utilizando los materiales actuales (concreto y acero) la tecnología de procesadores y la  creatividad del ingeniero, pretendemos a continuación, establecer una metodología para  llevar a cabo, de manera sistemática, el proceso del diseño estructural. Para lograr esto  debemos hacer hincapié en que se deben realizar diseños preliminares crudos, dando  formas y conclusión a las propuestas iniciales. Éstas pueden llevar a soluciones compuestas, completas y renovadoras de las ya existentes hasta ahora. Por ejemplo, en edificios altos se presentan problemas de análisis muy complejos, como son,  comportamientos en el tiempo, es decir, cómo se comportará la estructura bajo la acción de una serie variable de sismos de baja a mediana intensidad. Intensidades que requieren una  adecuada respuesta y un comportamiento estructural seguro. El software que actualmente está disponible constituye una herramienta muy útil para lo que proponemos, ya que su costo inicial puede ser aplicado a 3 ó 4 estructuras durante un año, y después, se puede actualizar a un costo menor (algunos proveedores ofrecen actualizaciones anuales a un costo bajo). De este modo, no se caerá en la obsolescencia  del programa y se habrá resuelto un problema con una aportación al diseño estructural,  además de incrementar el grado de certidumbre obtenido en la solución final.

METODOLOGÍA DEL DISEÑO ESTRUCTURAL 

Información necesaria para realizar un diseño estructural.

El proceso del diseño estructural  para un proyecto dado, parte de la base de tener a la mano la siguiente información:  

-Destino y uso de la estructura;

-Anteproyecto con dimensiones macrogeométricas;

-Estudios geotécnicos de la zona;

-Estudios topohidráulicos del área;

-Aproximaciones definidas para la ubicación de la estructura;

-Regionalización sísmica;

-Zonificación eólica;

-Definición de los materiales estructurales compatibles con el anteproyecto;

-La técnica constructiva del lugar.

Una vez conseguida esta información, en conjunto con el autor del proyecto arquitectónico, se definirán las opciones de estructuración, estableciendo la ubicación de los soportes verticales y horizontales. Con esta proposición estructural, se procederá a realizar un  prediseño de las secciones de los elementos estructurales. 

Prediseño de secciones para un primer análisis. Se puede establecer un método sencillo, para obtener una primera aproximación de las secciones que se utilizarán en un modelo estructural. Los principales parámetros que definen una sección estructural son el área y sus momentos de inercia en los ejes principales. Estos a su vez, están regidos por una carga axial y los  momentos flexionantes en los ejes principales. Para estructuras regulares, los valores de carga axial y momentos flexionantes se pueden obtener de manera sencilla y conservadora mediante los siguientes pasos:

Cálculo de pesos por nivel. Suponiendo una carga por unidad de área de 1.2 ton/m² para edificios de concreto y de 1.0 ton/m² para edificios de acero, cubrimos prácticamente cualquier posibilidad de cargas  muertas y vivas. Si este valor lo multiplicamos por el área de cada nivel, obtendremos el peso total de cada uno de ellos.

Obtención de carga axial en cada columna. Si dividimos el peso total del edificio, que es la suma del peso de todos sus niveles, entre el número de columnas, podremos conocer el valor de la carga axial máxima promedio en cada columna. O de manera más aproximada, podemos definir áreas tributarias para cada tipo de columna. Si se trata de un edificio alto, se puede tabular el cambio del valor de la carga axial, en cada nivel del mismo.

Cálculo del cortante sísmico, en cada columna. Multiplicando el coeficiente sísmico  correspondiente a la zona geotécnica en que se ubica el edificio, por el peso total del  edificio se puede obtener un cortante total en las columnas del primer nivel. Para obtener el cortante en las columnas de cada nivel se puede recurrir al método estático tradicional. Si dividimos este cortante total entre el número de columnas, obtendremos el cortante sísmico promedio en cada columna.

Obtención de los momentos flexionantes en cada columna. Una vez obtenido el cortante por columna, se pueden obtener los valores máximos y mínimos de los momentos que actuarán sobre la misma. Estos valores se obtienen multiplicando el cortante, por la altura de entrepiso y por la mitad de la altura de entrepiso respectivamente.

Una vez obtenidos los dos elementos mecánicos más significativos para el prediseño de las secciones, se procederá a proponer las dimensiones de éstas, que satisfagan los  requerimientos de área y momentos de inercia. Esas dimensiones dependen ahora de los  materiales a emplear.

Prediseño de columnas de concreto. Suponiendo que el acero toma la flexión, podemos obtener un área aproximada de las columnas, mediante la siguiente ecuación: 

A = P/0.4f*_c 

Las secciones se mantendrán en los diferentes niveles del edificio, en función de la cantidad de acero, y en función de la economía que representa el ahorro de concreto al reducir el área, una vez que el uso de los moldes ha llegado a su número previsto para la obtención de secciones adecuadas en aspecto y hermeticidad.

Prediseño de columnas en acero. De igual manera se pueden proponer secciones utilizando la ecuación: 

A = P/f_sc + M/f_sf 

En este caso se puede mantener la sección durante los primeros 3 a 5 niveles reduciendo espesores de placas cada 3 ó 4 niveles, pero conservando las dimensiones externas,  analizando si se hace necesario un cambio en las dimensiones externas, cuando ya no sea razonable una reducción a los espesores de placas.

Prediseño del sistema de piso. El sistema de piso se diseñará en forma preliminar a partir de las siguientes premisas: 

• Si se trata de un sistema no contribuyente a la rigidez de los marcos, en zona de suelo blando, las trabes se diseñarán por carga vertical como una sección no contribuyente a la rigidez de entrepiso en forma básica, sabiendo que la estructura resistente a las fuerzas sísmicas estará formada por muros de cortante.

• Si se trata de una zona sísmica con un suelo rígido a media profundidad, el sistema requerido está constituido por trabes de rigidez mayor, pero la rigidez básica estará proporcionada por columnas robustas.

• En edificios  desplantados en suelos rígidos, para la solución del sistema de piso, se deberá proveer un sistema balanceado. Es decir, las secciones de las columnas serán similares en lo posible a las secciones de las trabes, definiéndose de ese modo un sistema que llamamos balanceado, es decir un sistema en el cual las trabes contribuyen de manera efectiva a la absorción de los momentos flexionantes que les produce su conexión con las columnas.

Análisis de las opciones de sistema estructural planteadas. 

Una vez prediseñadas las secciones para cada opción de estructuración, se realizará el análisis estructural de cada una de las opciones planteadas. Para este análisis se puede recurrir al uso de diversos programas de computadoras. Entre los más utilizados de procedencia extranjera están: STAAD, ETABS, SAP, etc. En sus diferentes versiones, y de programadores nacionales: CADSE, ELMER Gc. etc. 

Los datos necesarios para realizar este análisis son:

Geometría de la estructura. Dimensiones, de entre-ejes, claros, alturas, etc.

Propiedades de los materiales. Módulo de elasticidad, módulo de Poisson, módulo de cortante, constante térmica. La mayoría de los  programas, cuentan ya con estos datos, por lo que sólo es necesario escoger el material a  utilizar.

Propiedades de los elementos. Área, momento de inercia en los ejes principales, constante  de torsión. O bien, dimensiones de las secciones dadas. Estos datos se tomarán del  prediseño realizado con anterioridad.

Propiedades de elementos especiales. Muros, losas, cascarones, que los programas calculan por el método del elemento finito, las propiedades requeridas son: espesor, material,  condiciones de conectividad con los elementos que los rodean, etc.

Condiciones y combinaciones de cargas. Se deberá hacer una estimación de las cargas verticales a emplear, y dependiendo del programa utilizado se proveerá de este dato.  Existen programas en los que sólo se requiere la carga por unidad de área, sin embargo,  para otros programas, se deberán calcular las cargas por longitud sobre cada una de las vigas.

Datos para análisis por cargas sísmicas. Los programas requieren de los siguientes datos: Coeficiente sísmico, factor de ductilidad, aproximación deseada en el proceso de cálculo. Estas variables dependen del código utilizado. Para este fin los programas cuentan con librerías de diversos códigos. Dependiendo de la complejidad de la estructura, del programa empleado y del procesador utilizado, el tiempo de cálculo puede variar entre algunos minutos y varias horas.

Estudio de los resultados obtenidos.

Como resultado del análisis se obtienen los siguientes resultados: 

Desplazamientos de la  estructura. Tanto verticales como horizontales, esto nos dará una idea clara de la rigidez de la estructura propuesta. Si los desplazamientos son inaceptables, el incremento en las dimensiones de las secciones  de las columnas será una de las modificaciones sustantivas. Si no consideramos suficiente  este incremento, o no es conveniente por razones de orden físico, se puede recurrir a los  muros de cortante de los núcleos centrales de comunicación. 

Elementos mecánicos en cada uno de los elementos de la estructura. Con estos se podrá realizar un prediseño y/o revisión de las secciones propuestas con  anterioridad, y estudiar  su factibilidad. Algunos programas realizan ya esta revisión, basados en los códigos especificados por el usuario. Además, existen programas especializados en cada material, que son capaces de calcular una cuantificación aproximada del material a emplear, lo cual dará una idea del costo de la estructura.

Refinamiento de la opción seleccionada. 

Una vez que se ha controlado la estructura desde el punto de vista  global, el diseño estructural continuará con una etapa de refinamiento y revisión definitiva  fundamentalmente al análisis de la alternativa seleccionada. Prefiriéndose una de las siguientes opciones de estructuración: tubo en tubo, macrorigidez periférica, sistema de rigidez a base de marcos estructurales, muros de cortante, etc.