El diseño y análisis estructural es el proceso que los ingenieros utilizan para garantizar que un edificio o estructura pueda soportar con seguridad todas las cargas que enfrentará, desde su propio peso hasta el viento, la nieve y las fuerzas sísmicas, durante toda su vida útil. Se desarrolla en cinco etapas: modelado, análisis de cargas, análisis estructural, diseño estructural y detallado. A continuación repasamos cada etapa y luego desarrollamos un ejemplo sencillo para mostrar cómo encajan entre sí.
Los 5 pasos del diseño y análisis estructural
1. Modelado
Antes de realizar cualquier cálculo, la estructura debe simplificarse en algo que un ordenador (o un ingeniero, a mano) pueda calcular de forma efectiva. Se parte del modelo arquitectónico, lo que el edificio será en la realidad, y se reduce hasta dejar solo el esqueleto portante: cimentaciones, pilares, vigas, pórticos, cerchas, muros. Esta versión simplificada se denomina esquematización, modelo alámbrico o modelo mecánico, y es la base sobre la que se construye todo lo demás: un error aquí se traslada a cada cálculo posterior.
Elementos typical en un modelo estructural:
- Vigas
- Pilares
- Zapatas
- Forjados
- Arriostramientos
- Muros de carga
El modelado también implica elegir los materiales (acero, hormigón, madera o una combinación) y asignar unas primeras dimensiones a cada elemento (ancho, canto, espesor), normalmente a partir de reglas empíricas, ya que se refinarán más adelante. Por último, hay que definir las condiciones de contorno, cómo se conecta cada elemento con lo que lo rodea, porque eso determina cómo fluyen realmente las cargas por la estructura.
Lea más sobre modelado en nuestra publicación sobre esquematización.
2. Análisis de carga
A continuación, se identifican todas las cargas que la estructura puede enfrentar razonablemente a lo largo de su vida útil:
- 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
En la práctica, las cargas no actúan de una en una, se combinan. Carga muerta más sobrecarga de uso es una combinación; carga muerta más viento es otra. Determinar la combinación más desfavorable para tu estructura concreta es exactamente el tipo de trabajo repetitivo y propenso a errores que el software de cálculo estructural está diseñado para automatizar.
3. Análisis estructural
Aquí se calcula cómo se comporta el modelo bajo cada combinación de cargas: los esfuerzos internos (cortante, momento flector, esfuerzo axil, torsión), las reacciones y las deformaciones que produce cada una. Para una viga o un pilar aislado, esto es factible a mano. Para cualquier estructura 2D o 3D real, implica resolver grandes sistemas de ecuaciones, precisamente donde el cálculo manual se vuelve lento y propenso a errores. Para esto existe el software de **análisis por elementos finitos (MEF)**, como Diamonds de BuildSoft: resultados rápidos y precisos, sin el trabajo matricial manual.
4. Diseño estructural
Con los resultados del análisis en mano, el diseño estructural consiste en dimensionar cada elemento para que cumpla realmente los requisitos (estabilidad, resistencia y rigidez) establecidos en la normativa de diseño aplicable. Si las dimensiones iniciales (estimadas) del paso 1 cumplen, la etapa está terminada, aunque suele haber margen para optimizar hacia un diseño más económico. Si no cumplen, se vuelve atrás, se ajustan las dimensiones y se repite el bucle de análisis y diseño hasta que se cumplan todos los requisitos.
Las normativas de diseño varían según el país, así que conocer la normativa local de tu proyecto es parte del trabajo, no un detalle secundario.
5. Detallado
Una vez terminados el análisis global y el diseño, el detallado cubre dos aspectos:
- Dónde van las conexiones, empalmes y solapes: uniones viga-pilar, conexiones de placas de anclaje en la base de los pilares, y similares.
- Cómo: la disposición concreta de la armadura, la calidad y el número de tornillos, el espesor de garganta de la soldadura, el dimensionado de las placas de extremo, etcétera
Las decisiones de detallado influyen directamente en la ductilidad de la estructura. En hormigón, una disposición equilibrada de la armadura en vigas y pilares mejora la capacidad de deformación antes del fallo. En acero, planificar estratégicamente las conexiones (por ejemplo, situar los empalmes de viga cerca de los pilares en lugar de en el centro del vano, donde el momento flector es prácticamente nulo) puede reducir costes al simplificar la conexión a una unión que trabaja solo a cortante.
Un ejemplo práctico
Cómo se aplican los 5 pasos a un ejemplo sencillo de viga
Tomemos un caso sencillo: una viga metálica de forjado entre dos pilares, expuesta al viento en una fachada.
- Modelado
La viga, los pilares que la soportan y sus conexiones se simplifican en un modelo alámbrico con condiciones de contorno definidas (por ejemplo, apoyos articulados o empotrados). - Análisis de cargas.
Se identifican la carga muerta (peso propio de la viga y el forjado), la sobrecarga de uso (personas y mobiliario en la planta superior) y la carga de viento (presión sobre la fachada expuesta), y se determina la combinación más desfavorable, probablemente carga muerta + sobrecarga, o carga muerta + viento. - Análisis estructural.
Para cada combinación, se calcula el momento flector, el cortante y la flecha que experimenta la viga. - Diseño estructural.
Se comprueba el perfil de acero de la viga frente a esos resultados: si un perfil estándar satisface los límites de resistencia y deformación de la normativa aplicable, queda confirmado; si no, se elige un perfil mayor y se vuelve a comprobar. - Detallado.
Se especifica la conexión viga-pilar: número de tornillos, tamaño de placa, requisitos de soldadura, en función de dónde sitúe el diseño la conexión a lo largo de la viga.
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