Diseño Estructural

La estructura es y ha sido siempre un componente esencial de la Arquitectura y la Ingeniería Civil, y son precisamente el Ingeniero y el Arquitecto quienes, durante el proceso de diseño, deben crear o inventar la estructura y darle proporciones correctas. Para crear y darle proporciones correctas deben seguir el camino intuitivo y el científico tratando de lograr una combinación armónica entre la intuición personal y la ciencia estructural. El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de un sistema de manera tal que cumpla, en forma óptima, con sus objetivos.

Objetivo y elementos a considerar

El objetivo de un sistema estructural es equilibrar las fuerzas a las que va a estar sometido, y resistir las solicitaciones sin colapso o mal comportamiento (excesivas deformaciones). La bondad del diseño depende esencialmente del acierto que se haya tenido en componer un sistema estructural, o mecanismo resistente, que resulte el más idóneo para resistir las acciones exteriores. Los aspectos arquitectónicos deben de estar englobados dentro del diseño estructural para obtener un mejor rendimiento de la edificación. Se toma en consideración, cuando se diseña una estructura, los cálculos de las resistencias de cada una de sus partes y cómo estará distribuido el peso total de todo el edificio así como los materiales adecuados para su construcción, es por eso que antes de la construcción de una estructura se deben de tomar en cuenta un sin número de aspectos técnicos y prepararla de acuerdo a las situaciones a las cuales puede estar sometida.

Elementos que componen el diseño estructural

El diseño estructural consta de los siguientes elementos:

A. Estructuración: Es probable la etapa más importante del diseño estructural pues, la optimización del resultado final del diseño depende de gran medida del acierto que se haya obtenido en adoptar la estrucutura esqueletal más adecuada para una edificación específica.

Cuando se requiera, se hará una estructuración preliminar, proponiendo ubicación y dimensiones de los elementos estructurales que permitan afinar un proyecto arquitectónico.

B. Análisis: Procedimiento que lleva la determinación de la respuesta del sistema estructural ante la solicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La respuesta de una estructura o de un elemento es su comportamiento bajo una acción determinada; está en función de sus propias características y puede expresarse en función de deformaciones, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc.

Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los siguientes aspectos:

Idealización de la estructura.

Seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponible. La selección del modelo analítico de la estructura puede estar integrado de las siguientes partes:

I.- Modelo geométrico. Esquema que representa las principales características geométricas de la estructura.
III.- Modelo del comportamiento de los materiales. Debe suponerse una relación acción - respuesta o esfuerzo - deformación del material que compone la estructura.

Este se realizará con programas de computación que utilizan el método de las rigideces, y nos proporcionan los desplazamientos y elementos mecánicos de los miembros de la estructura.

C. Diseño: En base a los elementos mecánicos del análisis, se proporcionan las dimensiones y armados de los miembros de la estructura.

        I.            Determinar las acciones de diseño

      II.            En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la estructura están definidos por los reglamentos de las construcciones y es obligación del proyectista sujetarse a ellos.

    III.            Determinar la respuesta de las acciones de diseño en el modelo elegido para la estructura.
Es necesario obtener los elementos mecánicos y los desplazamientos en el sistema estructural.

    IV.            Dimensionamiento
En esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se cumple con los requisitos de seguridad adoptados.

D. Dibujo: Con los anteriores datos se dibujan los planos estructurales que se proporcionan en C.D.

E. Memoria de Cálculo: Se realiza memoria de cálculo descriptiva de la estructura mencionando cargas muertas y vivas utilizadas, así como ejemplos de diseño.

Métodos del diseño estructural

Diseño por medio de modelos
Se recomienda en el diseño de elementos estructurales de forma muy compleja que no son fáciles de analizar por medio de los modelos matemáticos usuales.
Método de los esfuerzos de trabajo o de esfuerzos permisibles o teoría elástica
Los elementos mecánicos producidos en los distintos elementos por las solicitaciones de servicio o de trabajo se calculan por medio de un análisis elástico. Se determinan después los esfuerzos en las distintas secciones debido a los elementos mecánicos, por métodos también basados en hipótisis elásticas. Los esfuerzos de trabajo así calculados deben mantenerse por debajo de ciertos esfuerzos permisibles que se consideran aceptables, el método es razonable en estructuras de materiales con un comportamiento esencialmente elástico.
Método de la resistencia o método de factores de carga y de reducción de resistencia o teoría plástica
Los elementos mecánicos se determinan por medio de un análisis elástico-lineal. Las secciones se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sea igual a dichas acciones multiplicadas por factores de carga, de acuerdo con el grado de seguridad deseado o especificado. La resistencia de la sección se determina prácticamente en la falla o en su plastificación completa.
Métodos basados en el análisis al límite
En este criterio se determinan los elementos mecánicos correspondientes a la resistencia de colapso de la estructura (formación de suficientes articulaciones plásticas para llegar a la falla total de la estructura). Se hace un análisis estructural plástico.
Métodos probabilísticos
Las solicitaciones que actúan sobre las estructuras, así como las resistencias de estas son cantidades en realidad de naturaleza aleatoria, que no pueden calcularse por métodos determinísticos como se supone en los criterios de diseño anteriores. Esto nos conduce a pensar en métodos basados en la teoría de las probabilidades. Las principales limitaciones que se tienen en la actualidad son que no se tiene suficiente información sobre las variaciones tanto de las solicitaciones que deben de considerarse como la resistencia de los materiales y de las estructuras construidas con él.
Principios del Diseño estructural
•Seguridad
•Funcionalidad
•Economía
Una estructura se diseña para que no falle durante su vida útil. Se reconoce que una estructura falla cuando deja de cumplir su función de manera adecuada. Las formas de falla pueden ser: falla de servicio o falla por rotura o inestabilidad. La falla de servicio es cuando la estructura sale de uso por deformaciones excesivas ya sean elásticas o permanentes. La falla por rotura (resistencia) o inestabilidad se da cuando hay movimiento o separación entre las partes de la estructura, ya sea por mal ensamblaje, malos apoyos o rompimiento del material.




Seguridad
La seguridad se determina controlando las deformaciones excesivas que obligan a que salga de servicio o el rompimiento o separación de alguna de sus partes o de todo el conjunto. Una de las condiciones de seguridad, la estabilidad, se puede comprobar por medio de las leyes de equilibrio de Newton. En el caso particular de fuerzas estáticas la ecuación general del equilibrio son Σ F=0 y Σ M=0, las cuales deben ser satisfechas por la estructura en general y por cada una de sus partes. El principio de acción y reacción es uno de los conceptos básicos de uso general en las estructuras, encontrar fuerzas actuantes y fuerzas resistentes hace parte del diario de la ingeniería estructural. Este principio dice: “para toda fuerza actuante debe haber algo que produzca una reacción que contrarreste el efecto o en otras palabras para una fuerza actuante existe una reacción de igual magnitud, dirección pero sentido contrario”. La condición de seguridad de resistencia a la rotura de los elementos que la componen y de las uniones entre estos, depende de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados.
Funcionalidad
La estructura debe mantenerse en funcionamiento durante su vida útil para las cargas de solicitación. Un puente que presenta deformaciones excesivas daría la sensación de inseguridad y la gente dejaría de usarlo, en ese momento deja de ser funcional.


Economía
El aprovechamiento de los recursos determina un reto para el diseño estructural. En la economía se conjuga la creatividad del ingeniero con su conocimiento.
Se dice que también deben de cumplir con propiedades como aislamiento térmico, aislamiento acústico, impermeabilidad, división de aposento, entre otras. Se puede producir un fallo en la estructura cuando la parte rígida y la parte plástica del elemento están en exceso, sin embargo, si se mantiene un buen nivel de estos dos es probable que tenga un rendimiento avanzado. En cada país existen normas legales que regulan la formación de diseñosestructurales, protegiendo a los individuos en caso de accidentes como rupturas de la edificación y posibles derrumbamientos.