Redalyc. La ingeniería estructural

Ciencia Ergo Sum ISSN: 1405-0269 ciencia.ergosum@.mx Universidad Aut?noma del Estado de M?xico M?xico

Colina Mart?nez, Jaime de la; Ram?rez de Alba, Horacio La ingenier?a estructural

Ciencia Ergo Sum, vol. 7, n?m. 2, julio, 2000 Universidad Aut?noma del Estado de M?xico

Toluca, M?xico

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LA INGENIER?A ESTRUCTURAL

JAIME DE LA COLINA MART?NEZ* Y HORACIO RAM?REZ DE ALBA*

Recepci?n: 22 de septiembre de 1999 Aceptaci?n: 22 de octubre de 1999

Introducci?n

Una de las ?reas m?s importantes de la ingenier?a civil es la de estructuras. La estructura es la parte resistente de una construcci?n, desempe?a el mismo papel que los sistemas ?seo y muscular de los vertebrados: provee resistencia y rigidez para que, junto con otros sistemas, se alcance un fin com?n; por ello, la estructura es vital para que una construcci?n sea ?til. En este breve art?culo se ofrece un panorama del ?rea de la ingenier?a relacionada con el estudio de las estructuras en el contexto de la construcci?n; primero se explica por qu? es importante para una sociedad. Con el fin de conocer y apreciar la interesante labor de un ingeniero que trabaja en este ?mbito, se presenta de manera sucinta el proceso de dise?o de una construcci?n y el medio profesional donde se desarrolla.

Asimismo, se describen algunas facetas de su actividad y se relatan casos de algunos proyectos que destacan la importancia de esta ?rea y la gran responsabilidad a que se enfrentan los ingenieros estructuristas. Este trabajo

va dirigido al p?blico en general y pretende dar, de una manera clara y sencilla, una visi?n panor?mica de la ingenier?a estructural.

I. El espacio de la ingenier?a estructural

El desarrollo de un pa?s generalmente va acompa?ado de la construcci?n, de la operaci?n y del mantenimiento de su infraestructura; en ?sta se incluyen: viviendas, v?as de comunicaci?n, centros de salud, de educaci?n, de producci?n, de servicios, etc?tera. Es interesante apreciar que la ingenier?a estructural participa en la realizaci?n y el mantenimiento de esta infraestructura. Con el fin de describir esta participaci?n, se presenta el proceso de dise?o dentro de un proyecto y las actividades que desarrolla un ingeniero estructurista; para complementar la descripci?n del campo de acci?n de ?ste, tambi?n se mencionan las herramientas que usa y los profesionistas con los que se relaciona en su trabajo, tales como top?grafos, dibujantes, especialistas en mec?nica de suelos, ar-

quitectos, otros ingenieros (electricistas, mec?nicos, industriales, etc?tera), constructores, y otras (v?ase figura 1).

Tradicionalmente el proceso de dise?o se limitaba al c?lculo de los elementos que conforman la estructura a fin de que la construcci?n resultara estable y funcional. Esta forma de dise?o, sin embargo, limitaba la acci?n del ingeniero estructurista a las etapas finales del proyecto. Dado el avance de ?ste, resultaba dif?cil modificarlo a fin de lograr alg?n beneficio estructural. Actualmente, el proceso de dise?o inicia desde las primeras etapas del proyecto junto con el dise?o de otros sistemas (arquitect?nico, sanitario, de ventilaci?n, etc?tera). De esta forma, el proceso de dise?o ha evolucionado para convertirse en un trabajo de equipo, con un enfoque de sistemas que beneficia a todo el proyecto en su conjunto.

El dise?o estructural, visto como un proceso, involucra todas aquellas acti-

* Facultad de Ingenier?a, Universidad Aut?noma del Estado de M?xico. Tel.: (7) 214 08 55. Correo electr?nico: jcolina@coatepec.uaemex.mx y hra@coatepec.uaemex.mx

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vidades encaminadas a la definici?n de las propiedades del sistema (estructural) que proporcionan de manera econ?mica resistencia y rigidez a la construcci?n. Con el fin de mostrar un panorama m?s claro de la esencia del dise?o, se describen a continuaci?n las principales etapas impl?citas en el proceso de dise?o:

a) Estructuraci?n. Esta etapa define el sistema o sistemas estructurales que, de manera global, dar?n a la construcci?n resistencia y rigidez para que responda satisfactoriamente ante las acciones (cargas) a las que previsiblemente pueda someterse. La definici?n de estos sistemas se lleva a cabo junto con la selecci?n de los materiales que mejor se adapten al sistema elegido. La estructuraci?n es la parte esencial del proceso de dise?o ya que impactar? en el resto del proyecto estructural; por

ejemplo, en el caso de un edificio, es en esta etapa donde se define si la estructura ser? de concreto reforzado o de acero. Tambi?n se define si el edificio se "estructura" con marcos, con muros, con marcos contraventeados o con una combinaci?n de algunos de ellos. El criterio y la creatividad del ingeniero estructurista juegan un papel muy importante en este punto, particularmente en el caso de estructuras de formas poco comunes.

b) An?lisis. Esta etapa requiere de menos experiencia por parte del ingeniero que la empleada en la estructuraci?n, ya que aqu? se realizan actividades similares a casi todos los proyectos; sin embargo, s? se requieren muchos conocimientos y habilidades. B?sicamente, esta etapa agrupa las tareas necesarias

FIGURA 1. ESQUEMA DE LOS PRINCIPALES PASOS PARA LA REALIZACI?N DE UNA OBRA DE INGENIER?A CIVIL.

N ecesidad por satisfacer

Planeaci n

C onceptualizaci n P royecto

Construcci n (control de calidad)

Operaci n

M antenimiento

D ise?o E stru ctu ral:

E structuraci n (estudio de a lte r n a tiv a s)

A n ?lis is e str u ctu ra l D im ensionam iento

para evaluar la respuesta de la estructura ante las acciones que puedan preveerse. Para esto, deben estimarse las mag-nitudes y distribuciones de las acciones y aplicarlas a un modelo (generalmente anal?tico) a fin de determinar su respuesta (deformaci?n) y la distribuci?n de fuerzas entre los distintos elementos que conforman la estructura. Es im-portante enfatizar que, durante este proceso, la estructura no existe m?s que en papel, pero resulta imperioso estimar c?mo se comportar? una vez construida a fin de evitar condiciones inaceptables en cuanto a seguridad y funcionamiento. Actualmente, esta respuesta se obtiene num?ricamente con la ayuda de programas de computadora espec?fica-mente creados para esta tarea. Esta etapa tambi?n arroja informaci?n so-bre las reacciones que la estructura transmitir? al suelo. Informaci?n ?til para el dise?o de la cimentaci?n y el an?lisis de posibles asentamientos de la estructura, es decir, determinar si ser?n tolerables.

c) Dimensionamiento. Aqu? se seleccionan las dimensiones y caracter?sticas de todos los elementos de la estructura a fin de que ?sta responda con seguridad (y funcionalidad) a las acciones predeterminadas. Por ejemplo, en el caso de una columna de un edificio de concreto reforzado, se definen las dimensiones de su secci?n transversal, su refuerzo longitudinal y su refuerzo transversal. Debe comprobarse que este dimensionamiento impida que la columna falle ante las distintas condiciones de carga, pero tambi?n debe impedir que el edificio en su conjunto se deforme m?s de lo razonablemente permitido.

Las etapas anteriores, aun presentadas de manera separada, generalmente requieren de un proceso iterativo para completar un dise?o. Por ejemplo, si el dimensionamiento conduce a una columna con una secci?n transversal re-

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lativamente grande, quiz?s convenga proponer al arquitecto una estructuraci?n diferente que contemple separaciones menores entre columnas. Obviamente la segunda etapa del proceso tambi?n se ver? afectada con este cambio.

Como lo sugiere la descripci?n anterior del proceso de dise?o, la labor del ingeniero estructurista se relaciona principalmente con la de arquitectos, constructores y otros ingenieros (por ejemplo de instalaciones el?ctricas), as? como con especialistas o proveedores de la industria de la construcci?n. En este medio profesional, en el caso de construcciones urbanas, generalmente el arquitecto tiene un contacto m?s directo con el cliente que el ingeniero. El arquitecto compila las necesidades arquitect?nicas del cliente y las satisface mediante el desarrollo de uno o varios anteproyectos de espacios y ambientes (proyecto arquitect?nico). Posteriormente, el arquitecto consulta con el ingeniero en estructuras para proponer un sistema estructural que se ajuste a cada una de las alternativas arquitect?nicas. Una vez que el arquitecto acuerda con el cliente el proyecto a desarrollar, el ingeniero en estructuras tiene la tarea de definir con precisi?n los tama?os y especificaciones de los elementos de la estructura.

El ingeniero en estructuras no s?lo participa en el dise?o de edificios (habitacionales, comerciales, etc?tera) sino tambi?n en el proyecto y dise?o de otras construcciones como: puentes, plantas generadoras de energ?a el?ctrica, plantas industriales, plantas de tratamiento de aguas residuales, t?neles, tanques, instalaciones deportivas y culturales, e incluso, de presas, reactores nucleares, torres de transmisi?n de energ?a el?ctrica y otros. La labor del ingeniero en estructuras frecuentemente se relaciona con el desarrollo y la investigaci?n, lo que resulta en nuevos sistemas estructurales, depuraci?n de procedimien-

tos y la elaboraci?n de reglamentos de construcci?n y de normas; asimismo, su labor se complementa en las aulas de universidades e institutos de ense?anza superior con la transmisi?n de conocimientos a futuros ingenieros o especialistas del ?rea.

Tambi?n es importante que, al igual que todos los profesionistas, el ingeniero estructurista extienda sus conocimientos entre sus pares y aun entre los no especialistas para lograr que conozcan y valoren su labor y, al mismo tiempo, se abran canales para captar la opini?n del p?blico.

Cada uno de los casos anteriores generalmente contempla un aspecto de dise?o que lo hace particularmente interesante. Por ejemplo, el proyecto de un edificio alto requiere que el dise?o final sea econ?mico y, a la vez, acorde con el proyecto arquitect?nico; que responda de manera segura y funcional ante todas las acciones previsibles que actuar?n en su vida ?til; las solicitaciones contra sismo o viento generalmente constituye la condici?n de carga que rige el dise?o de un edificio. Adem?s, muchas veces no es la resistencia (contra la falla) lo que define el tama?o de las secciones de la estructura, sino la rigidez; esta ?ltima impide que la estructura se deforme m?s all? de los l?mites aceptables. En algunos edificios altos, es necesario instalar aditamentos especiales que disminuyan el nivel de vibraci?n lateral; en otros, los aisladores s?smicos y los disipadores de energ?a tambi?n pueden considerarse.

El dise?o de puentes reviste especial importancia porque resulta un problema caracter?stico de la ingenier?a estructural. La acci?n s?smica es importante para el dise?o de algunos puentes; sin embargo, el an?lisis de las cargas variables (cargas vivas debidas a los veh?culos que pasar?n por el puente) es un aspecto que hace especial e interesante el dise?o. El hecho de que las cargas de los veh?culos pue-

dan tener distintas magnitudes y ?stas se ubiquen en diferentes posiciones, obliga a analizar varias combinaciones de carga para llegar a establecer las condiciones que rigen el dise?o. En el caso de puentes colgantes el dise?o contra el viento o sismo es un problema a?n m?s interesante.

Otro caso relevante es el dise?o de tanques de agua; generalmente ?stos son elevados para tener una carga hidr?ulica ?til y su dise?o se rige por los empujes hidr?ulicos sobre las paredes y la base del tanque. En el caso de tanques localizados en zonas s?smicas, adem?s de los empujes hidrost?ticos se generan empujes hidrodin?micos; cuando se trata de tanques de concreto es muy importante que el refuerzo tenga un recubrimiento (de concreto) adecuado a fin de evitar su corrosi?n.

Como se indic? antes, una estructura debe ser segura y funcional. De acuerdo con los criterios modernos de dise?o basados en estados l?mite, la estructura debe responder (deform?ndose, agriet?ndose, etc?tera) ante las distintas acciones (cargas, aceleraciones causadas por sismos, efectos t?rmicos, y otras) de forma tal que no rebase ning?n estado l?mite, los cuales pueden ser de falla o de servicio. Los primeros est?n relacionados con la seguridad de la estructura y los ?ltimos con su funcionalidad y durabilidad. Para las estructuras convencionales los reglamentos de dise?o generalmente prescriben cu?les son los estados l?mite que deben revisarse en cada caso.

Todas las variables que intervienen en el proceso de dise?o (dimensiones, propiedades de los materiales, cargas y resistencias) son cantidades desconocidas pero aleatorias, lo cual quiere decir que pueden tener valores menores o valores mayores de los supuestos para el dise?o. Por lo tanto, pueden presentarse, aunque con una probabilidad baja, condiciones desfavorables donde

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se combinen cargas m?s altas de lo esperado junto con resistencias menores a las esperadas. Es por ello que las estructuras requieren de un margen de seguridad adecuado y no pueden considerarse 100% seguras. En el dise?o, lo que se busca es que la probabilidad de falla sea muy baja y congruente tan-

to con su costo inicial como con las consecuencias de un posible colapso. Para las estructuras convencionales, los reglamentos marcan el margen de seguridad requerido para el uso y tipo de la construcci?n, as? como los proce-

TABLA 1

DESCRIPCI?N Y EJEMPLOS DE ALGUNOS ESTADOS L?MITE DE FALLA

ESTADO LMITE DE FALLA

DESCRIPCI N

EJEMPLO

VOLTEO

DESPLAZAMIENTO LATERAL Y CADA DE UN EDIFICIO QUE SE VOLTEA DURANTE UN

CONJUNTO.

SISMO.

INESTABILIDAD

CRECIMIENTO EXCESIVO DE DESPLAZA- UNA COLUMNA MUY ESBELTA CON CARGA

MIENTOS LATERALES OCASIONADO POR AXIAL GRANDE.

FUERZAS AXIALES.

FATIGA

RUPTURA POR LA APLICACI N REPETITIVA UN TORNILLO QUE SOPORTA LA BASE DE

DE CARGAS.

UNA M` QUINA VIBRATORIA.

CORTANTE

RUPTURA POR LA APLICACI N DE CARGAS UNA VIGA DE CONCRETO SIN ADECUADO

TRANSVERSALES.

REFUERZO TRANSVERSAL (ESTRIBOS).

FRACTURA

ROTURA DE PARTES CRTICAS, GENERAL- EL APOYO DE UN PUENTE.

MENTE DE MANERA REPENTINA.

FLEXI N

FLUENCIA (DEFORMACI N ILIMITADA A UNA VIGA DE ACERO MUY LARGA Y CON

ESFUERZO CONSTANTE).

DEMASIADA CARGA TRANSVERSAL.

ADHERENCIA

MOVIMIENTO RELATIVO DEL REFUERZO UN ANCLA MUY CORTA DE UNA COLUMNA O

RESPECTO AL CONCRETO QUE LO RODEA. POSTE EN VOLADIZO.

TABLA 2

DESCRIPCI?N DE ALGUNOS ESTADOS L?MITE DE SERVICIO

ESTADO LMITE DE

SERVICIO

DESPLAZAMIENTO

VERTICAL

DESPLAZAMIENTO

LATERAL

AGRIETAMIENTO

VIBRACI N

DA OS

DESCRIPCI N

OBSERVACIONES

M` XIMA FLECHA QUE DEBE EXPERIMEN- SE DEBEN PREVER LOS DESPLAZAMIEN-

TAR UNA VIGA O LOSA.

TOS A LARGO PLAZO OCASIONADOS POR EL

FLUJO PL` STICO DEL CONCRETO.

M` XIMO DESPLAZAMIENTO LATERAL RELA- ESTE DESPLAZAMIENTO ES CRTICO

TIVO ENTRE DOS ENTREPISOS.

DURANTE SISMOS. PRETENDE CONTROLAR LA RUPTURA DE ELEMENTOS NO ESTRUC-

TURALES TALES COMO MUROS DIVISORIOS

Y CANCELES.

AGRIETAMIENTO EXCESIVO EN ELEMEN- EL AGRIETAMIENTO EN EL CONCRETO

TOS DE CONCRETO REFORZADO.

REFORZADO ES ACEPTABLE, PERO DEBE CONTROLARSE.

VIBRACI N DE ELEMENTOS ESTRUC- MUCHAS VECES UNA LOSA, POR EJEMPLO,

TURALES.

NO SE ROMPE (FALLA), PERO SI VIBRA

DEMASIADO PUEDE CONSIDERARSE MAL

DISE ADA.

DETERIORO S BITO O PROGRESIVO.

POR EJEMPLO: LA CORROSI N DEL ACERO

DE REFUERZO.

dimientos para lograr suficiente calidad en los procesos de dise?o y construcci?n a fin de que las diversas variables que intervienen en el dise?o queden dentro de l?mites tolerables.

Por lo que se refiere a la seguridad, lo anterior sugiere que la probabilidad de falla de la estructura dise?ada puede mantenerse muy baja si no se exceden ciertos estados l?mite de falla (colapso, inestabilidad, cortante, fatiga, adherencia, etc?tera). En la tabla 1 se presentan algunos estados l?mite de falla con ejemplos t?picos que los ilustran.

Con respecto a la funcionalidad, ?sta se cumple (te?ricamente) en el dise?o si no se exceden ciertos estados l?mite de servicio (y de da?os). ?stos son valores m?ximos de desplazamiento, agrietamiento, vibraci?n, etc?tera. En la tabla 2 se presentan algunos estados l?mite de servicio.

En la actualidad, el ingeniero estructurista cuenta principalmente con las siguientes herramientas para el dise?o: los m?todos anal?ticos, las normas de dise?o y la experimentaci?n. Los m?todos anal?ticos engloban teor?as que se valen de idealizaciones matem?ticas de la estructura (geometr?a y material) y de las acciones a las que se sujeta para obtener estimaciones de la respuesta estructural que se debe hacer compatible con los requisitos del dise?o. Estas estimaciones generalmente se obtienen de manera num?rica y para ello son de mucha utilidad las computadoras y los programas espec?ficos. Las teor?as empleadas incluyen conceptos de est?tica, resistencia de materiales, din?mica estructural, etc?tera. Los valores de respuesta usados en el dise?o son las fuerzas y los desplazamientos; en las primeras se engloban las fuerzas axiales, las fuerzas cortantes, los momentos flexionantes, entre otros. Adem?s, a los desplazamientos (horizontales y verticales) se unen los giros.

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