El diseño estructural es el proceso que consiste en crear una estructura segura y funcional bajo cualquier estado de cargas que pueda experimentar. Durante este proceso, el ingeniero estructural determinará la estabilidad, la resistencia y la rigidez de la estructura. El objetivo básico en el diseño y análisis estructural es generar una estructura capaz de resistir todas las cargas aplicadas sin fallar durante su vida útil prevista.
Existen principalmente 5 pasos esenciales a seguir para el diseño de cualquier estructura: (1) modelado, (2) análisis de cargas, (3) análisis estructural (4) diseño y (5) detallado.
1. Modelado
El primer paso es modelar el esqueleto mecánico de la estructura, incluidos sus cimientos, pilares, vigas, pórticos, cerchas y otros elementos. El punto de partida es el modelo arquitectónico. Un modelo arquitectónico muestra cómo se verá la estructura en la realidad, pero no es adecuado para los cálculos debido al alto nivel de detalle que se requiere. El modelo arquitectónico debe ser procesado hasta que solo quede la estructura portante. La estructura portante transferirá las cargas aplicadas al terreno.
La traducción de la estructura portante a un modelo listo para los cálculos se denomina esquematización o creación del modelo alámbrico, del modelo mecánico o del plano del modelo.
La esquematización es un paso muy importante: es fundamental que el modelo mecánico pueda predecir las cargas ya que es la base de todo el proceso.
Los elementos estructurales más utilizados que se pueden incluir en el modelo estructural son:
• Vigas;
• Pilares;
• Zapatas;
• Forjados;
• Arriostramientos;
• Muros de carga.
Además, el modelado implica determinar el material para los componentes de la estructura, ya sea “acero estructural”, “hormigón armado o pretensado”, “madera”, o cualquier otro material. La elección depende principalmente de criterios económicos y de la seguridad requerida para la estructura. Un gran número de estructuras constan de elementos de acero, hormigón y madera.
El modelado también implica definir las dimensiones para cada elemento, que es la base para el cálculo del peso propio a tener en cuenta en el análisis de cargas. La estimación del tamaño del miembro incluye lo que debería ser el ancho, el canto o el espesor del elemento. Se pueden utilizar reglas empíricas para la elección de las dimensiones iniciales.
Otro aspecto relevante en el modelado consiste en definir las vinculaciones tanto interiores como exteriores de los miembros que componen la estructura.
2. Análisis de carga
Luego, el ingeniero estructural debe identificar todas las posibles cargas o acciones que la estructura puede experimentar durante su vida útil. Ejemplos de cargas en estructuras son:
• Cargas muertas, es decir, el peso propio de la estructura y acabados;
• Sobrecargas de uso: ocupación de personas en edificios, equipos en movimiento y movimiento de automóviles en puentes;
• Cargas de viento: cualquier presión o fuerza horizontal y/o ascendente que el viento ejerce sobre un edificio;
• Cargas de nieve: solo aplicable para estructuras que se espera que reciban nevadas;
• Cargas sísmicas: cuando la estructura se encuentra en una región sísmica;
• Empuje de tierras: para ser aplicado en túneles, muros de contención, sótanos;
• Agua y hielo: para algunas estructuras como puentes, plataformas marinas y estructuras costeras;
• Cargas térmicas: el calentamiento o enfriamiento desigual de partes de la estructura crean grandes tensiones;
• Cargas dinámicas: por ejemplo, inducidas por maquinaria.
Por lo tanto, dependiendo del emplazamiento de la estructura, debe considerar los distintos tipos de cargas a aplicar. Los valores de estas cargas se pueden identificar usando las correspondientes Normativas de diseño estructural y referencias disponibles.
En la vida real, distintas cargas actúan simultáneamente sobre la estructura. Por lo tanto, se debe evaluar la respuesta de la estructura ante la combinación de las diversas cargas. Por ejemplo, una acción simultánea de la carga muerta (peso de la estructura) y la sobrecarga de uso (uso del edificio por personas) puede ser una combinación de cargas. Así mismo, las cargas muertas y las cargas de viento pueden ser otra combinación posible. Encontrar cuál es la combinación de cargas más desfavorable para su estructura es parte del proceso de análisis de cargas. Por lo general, el software de ingeniería estructural creará automáticamente el conjunto de todas las combinaciones de cargas posibles.
3. Análisis estructural
En este paso, realizamos el análisis de los miembros estructurales. El objetivo es investigar cómo se comporta el modelo estructural con las diferentes combinaciones de cargas realizadas. El análisis de una estructura completa también se conoce como análisis global.
Los resultados del análisis incluyen los diagramas de esfuerzos internos (cortante, momento flector, esfuerzo axil, torsión y tensiones), reacciones, deformaciones/flechas producidas por las diferentes combinaciones de cargas.
Para estructuras simples, como una sola viga o pilar, este análisis se puede realizar a mano. Sin embargo, para estructuras 2D o 3D, el análisis requiere cálculos más complejos, principalmente mediante matrices, ya que, en el caso de cálculos manuales, se puede cometer errores con relativa facilidad. Actualmente, el software de diseño estructural asistido por ordenador ha reemplazado el cálculo manual. La mayoría del software de ingeniería estructural, como Diamonds de BuildSoft, utiliza FEA (análisis por medio de elementos finitos) para resolver las complejas ecuaciones de equilibrio. Un excelente software de análisis estructural debe ser rápido y fácil de usar para facilitar la vida de los usuarios principiantes y avanzados.
4. Diseño estructural
El diseño estructural es quizás, el paso más crucial del proceso. Se trata de dimensionar las diferentes partes de la estructura en base a los resultados del análisis. El diseño estructural está relacionado con el material.
Las dimensiones estimadas inicialmente se verifican para los requisitos de diseño en lo referente a durabilidad, estabilidad, resistencia y rigidez (rigidez/deformación). Estos requisitos se pueden encontrar en la Normativa de diseño de aplicación.
Si se cumplen estos requisitos de diseño, las dimensiones elegidas son correctas. Se puede considerar el ajustar los tamaños de los elementos para lograr un diseño más económico.
Si no se cumplen los requisitos de diseño, el ingeniero debe repetir todos estos pasos. Las dimensiones iniciales del elemento deben aumentarse, y se debe volver a pasar por el análisis de la estructura y las verificaciones del diseño estructural. Esto se repite hasta que se cumplan los requisitos de diseño.
El resultado del diseño estructural representa las dimensiones de cada elemento que componen la estructura, cumpliendo con los requisitos de diseño, junto con los detalles relacionados con el material, como puede ser, el área requerida de armadura para los elementos de hormigón armado.
Muchos países disponen de sus Normativas de diseño estructural, códigos de buenas prácticas o documentos técnicos. Es necesario que el diseñador estructural se familiarice con los requisitos locales y las recomendaciones relativas a la práctica correcta.
5. Detallado
Una vez finalizado el análisis y el diseño global, el ingeniero estructural puede comenzar a detallar. El detallado estructural consta de 2 partes:
1. ¿Dónde deben colocarse los detalles y dónde deben realizarse las uniones estructurales o empalmes? Para otros detalles como uniones viga-pilar o placas de anclaje de pilares, la posición de estas es indiscutible.
2. Las especificaciones para la armadura, tornillos, pernos de anclaje y soldaduras, es decir, el diámetro y la disposición de las barras de la armadura, la calidad del acero del tornillo, el número de tornillos, el espesor de la garganta de la soldadura, las placas de los extremos, etc.
El detallado va de la mano con la ductilidad de las estructuras. En el caso de hormigón armado, por ejemplo: si aportamos una armadura de forma equilibrada en vigas y pilares, podemos aumentar la ductilidad de la estructura.
Si planificamos estratégicamente las uniones de acero, los costes pueden reducirse considerablemente. El empalme entre 2 partes de la viga no se debe realizar en el centro del vano de la viga sino a cierta distancia del pilar donde el momento flector tiende a anularse (unión articulada). De esa forma, solo se requiere una unión prácticamente a cortante, la cual es más fácil de construir y más rentable.
La importancia del software de análisis y diseño estructural
Para llegar a ser bueno en el diseño y análisis estructural, se recomienda aprender y mejorar sus habilidades. Como tal, no se detenga en este artículo. Haga un seguimiento de sus necesidades de aprendizaje y luego comience a trabajar con un software. Por ejemplo, puede elegir nuestros cursos gratuitos sobre hormigón y acero con Diamonds o visualizar nuestros videos en YouTube para mejorar sus conocimientos.
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