La Ingeniería Estructural es una
rama clásica de la Ingeniería Civil que se ocupa del diseño y cálculo de la
parte estructural en las edificaciones y demás obras. Su finalidad es la de
conseguir estructuras funcionales que resulten adecuadas desde el punto de
vista de la resistencia de materiales.
En un sentido práctico, la
Ingeniería Estructural es la aplicación de la mecánica de medios continuos para
el diseño de elementos y sistemas estructurales tales como edificios, puentes,
muros, presas, túneles, diques, etc. Además de que soporten su propio peso
(cargas muertas), más las cargas ejercidas por el uso (cargas vivas), más las
cargas producidas por eventos de la naturaleza, como vientos, sismos, nieve o
agua.
I.- El espacio de la ingeniería estructural
El desarrollo de un país
generalmente va acompañado de la construcción, de la operación y del mantenimiento
de su infraestructura; en ésta se incluyen: viviendas, vías de comunicación,
centros de salud, de educación, de producción, de servicios, etcétera. Es
interesante apreciar que la ingeniería estructural participa en la realización
y el mantenimiento de esta infraestructura. Con el fin de describir esta participación,
se presenta el proceso de diseño dentro de un proyecto y las actividades que
desarrolla un ingeniero estructurista; para complementar la descripción del
campo de acción de éste, también se mencionan las herramientas que usa y los
profesionistas con los que se relaciona en su trabajo, tales como topógrafos,
dibujantes, especialistas en mecánica de suelos, arquitectos, otros ingenieros
(electricistas, mecánicos, industriales, etcétera), constructores, y otras.
Tradicionalmente el proceso de
diseño se limitaba al cálculo de los elementos que conforman la estructura a
fin de que la construcción resultara estable y funcional. Esta forma de diseño,
sin embargo, limitaba la acción del ingeniero estructurista a las etapas
finales del proyecto. Dado el avance de éste, resultaba difícil modificarlo a
fin de lograr algún beneficio estructural. Actualmente, el proceso de diseño
inicia desde las primeras etapas del proyecto junto con el diseño de otros
sistemas (arquitectónico, sanitario, de ventilación, etc). De esta forma,
el proceso de diseño ha evolucionado para convertirse en un trabajo de equipo, con
un enfoque de sistemas que beneficia a todo el proyecto en su conjunto.
El diseño estructural, visto
como un proceso, involucra todas aquellas actividades encaminadas a la
definición de las propiedades del sistema (estructural) que proporcionan de
manera económica resistencia y rigidez a la construcción. Con el fin de mostrar
un panorama más claro de la esencia del diseño, se describen a continuación las
principales etapas implícitas en el proceso de diseño:
a) Estructuración: Esta etapa
define el sistema o sistemas estructurales que, de manera global, darán a la
construcción resistencia y rigidez para que responda satisfactoriamente ante
las acciones (cargas) a las que previsiblemente pueda someterse. La definición
de estos sistemas se lleva a cabo junto con la selección de los materiales que
mejor se adapten al sistema elegido. La estructuración es la parte esencial del
proceso de diseño ya que impactará en el resto del proyecto estructural; por ejemplo, en el caso de un
edificio, es en esta
etapa donde se define si la estructura será de concreto reforzado o de acero. También se define si el
edificio se
“estructura” con marcos, con muros, con marcos contraventeados o con una combinación 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) Análisis: Esta etapa requiere de menos experiencia por parte del ingeniero que la empleada
en la estructuración, ya que aquí se realizan
actividades similares a casi todos los proyectos; sin embargo, sí se requieren muchos conocimientos y habilidades. Básicamente, esta etapa agrupa las tareas necesarias para evaluar la respuesta de la estructura ante las
acciones que puedan preveerse. Para esto,
deben estimarse las magnitudes y
distribuciones de las acciones y aplicarlas a
un modelo (generalmente analítico) a fin de determinar su respuesta (deformación)
y la distribución de fuerzas entre los distintos elementos que conforman la estructura. Es importante enfatizar que, durante
este proceso, la estructura no existe más que
en papel, pero resulta imperioso estimar cómo se comportará una vez construida a fin de evitar condiciones inaceptables en
cuanto a seguridad y funcionamiento.
Actualmente, esta respuesta se obtiene
numéricamente con la ayuda de programas de
computadora específicamente creados para esta
tarea. Esta etapa también arroja información
sobre las reacciones que la estructura
transmitirá al suelo. Información útil para
el diseño de la cimentación y el análisis de posibles asentamientos de la estructura, es decir, determinar si
serán tolerables.
c) Dimensionamiento: Aquí se seleccionan las dimensiones y
características de todos los elementos de la estructura a fin de que ésta
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 sección 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 también debe impedir
que el edificio en su conjunto se deforme más de lo razonablemente permitido.
El ingeniero en estructuras no sólo participa en el diseño de
edificios (habitacionales, comerciales, etc) sino también en el proyecto y
diseño de otras construcciones como: puentes, plantas generadoras de energía
eléctrica, plantas industriales, plantas de tratamiento de aguas residuales,
túneles, tanques, instalaciones deportivas y culturales, e incluso, de presas,
reactores nucleares, torres de transmisión de energía eléctrica y otros.
La
labor del ingeniero en estructuras frecuentemente se relaciona con el
desarrollo y la investigación, lo que resulta en nuevos sistemas estructurales,
depuración de procedimientos y la elaboración de reglamentos de construcción y
de normas; asimismo, su labor se complementa en las aulas de universidades e
institutos de enseñanza superior con la transmisión de conocimientos a futuros
ingenieros o especialistas del área.
También 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 opinión del público.
II.- Problemas que prevé y resuelve el ingeniero estructurista:
La actividad del ingeniero no siempre es apreciada por todos, sólo
cuando hay problemas en el proyecto o en la construcción la gente se interesa
en saber qué hizo; esto se debe, en parte, a que su trabajo no es del todo
tangible como lo puede ser el de otro profesionista, pues sólo los resultados
plasmados en planos, en memorias de cálculo o en dictámenes llegan a ser tangibles,
sin embargo no alcanzan a reflejar todo el trabajo que está detrás de ellos. La
construcción, la cual sí es tangible, suele verse como una obra del arquitecto
y/o del constructor, no del ingeniero estructurista. Con el fin de mostrar
algunos aspectos adicionales de la actividad de este último a través de los
problemas que prevé y resuelve, en esta sección se comentan algunos problemas
que resaltan la importancia de su actividad. Su participación conlleva riesgos
por la misma naturaleza humana de la ingeniería (Petroski, 1985).
El primero es el problema de la economía de la construcción. En muchos
proyectos, un constructor puede omitir la participación de un ingeniero sobre diseñando
todos los elementos estructurales, esto es, con columnas muy gruesas, trabes muy
peraltadas, con mucho refuerzo, con demasiada soldadura, etc. Si el dueño
de la construcción está dispuesto a ello, probablemente no haya muchos
problemas; sin embargo, generalmente se busca un equilibrio entre la economía
de la construcción y los límites de seguridad y funcionalidad; ésta es la labor
del ingeniero estructurista.
Un problema común, relacionado también con la economía de la construcción,
es el de la durabilidad. Aun cuando esto es importante para estructuras de
concreto y de acero, por brevedad aquí sólo se trata un aspecto muy específico
relacionado con la durabilidad de estructuras de concreto: el recubrimiento del
refuerzo, el cual debe especificarse claramente en los planos de construcción,
ya que afecta (Ghali, 1998):
Ø La fuerza de tensión en las varillas: La capacidad
de un elemento a flexión, por ejemplo, está en función de la distancia de la
zona de compresión al nivel del refuerzo de tensión; si el recubrimiento se
aumenta, esta distancia se disminuye junto con la capacidad de flexión.
Ø La resistencia contra el fuego: Aun cuando
es poco común que el recubrimiento se proponga en función de la resistencia al
fuego, es claro que también protegerá al refuerzo del fuego: basta recordar que
la resistencia del acero de refuerzo disminuye a temperaturas altas.
Ø El agrietamiento del concreto: Para evitar
agrietamiento excesivo por contracción durante el secado del concreto (el cual
puede ser perjudicial tanto por estética como para la durabilidad de la construcción)
debe colocarse el refuerzo bien espaciado y lo suficientemente cerca de la
superficie expuesta.
Ø La corrosión: Si el acero de refuerzo no
se recubre, se puede corroer. La corrosión puede llevar a una pérdida total del
recubrimiento la cual, a su vez, va en detrimento de la durabilidad de la
construcción. Por lo anterior, el recubrimiento del refuerzo debe ser suficiente
y, también, de buena calidad.
El ingeniero estructurista usualmente conoce estos aspectos básicos y
especifica el adecuado recubrimiento del refuerzo, a fin de que la construcción
diseñada no tenga problemas de durabilidad o de estética por agrietamientoexcesivo.
Otro problema económico se da cuando una estructura tiene una falla.
Por ejemplo, en el año de 1981 se cayó un pasillo del hotel Hyatt
Regency de Kansas, EUA (Roddis, 1993 y Petroski, 1985). Los soportes de dos
pasillos suspendidos por cables se rompieron cuando había entre 1,500 y 2,000
personas cerca del lugar. Aproximadamente 50 mil kg (490 kN) de escombro, así
como los huéspedes que estaban en los pasillos, cayeron sobre el vestíbulo del
hotel. Murieron 114 personas y cerca de 200 resultaron seriamente heridas. La
falla se debió a un mal diseño del sistema de soporte de los pasillos (detalle
de su conexión). El detalle y su diseño eran muy sencillos; sin embargo, un
pequeño cambio (para simplificar el proceso constructivo) duplicó las cargas de
diseño de la unión.
Dada la aparente simplicidad del detalle, los ingenieros no le dieron la
importancia debida al cambio, y aprobaron sin más miramientos el nuevo detalle.
Independientemente de que los ingenieros fueron acusados de negligencia, las
indemnizaciones excedieron varias veces el costo del edificio. Este accidente ilustra
la gran responsabilidad que tiene el ingeniero estructurista; por ello, es
importante que cada etapa de un proyecto, por insignificante que ésta parezca,
tome su tiempo y que cada punto del diseño se analice cuidadosamente, preferentemente
en equipo.
CONCLUSIONES
Después de un recorrido por las actividades y responsabilidades del
ingeniero estructurista, se resume que:
a) El diseño estructural es el
proceso creativo mediante el cual el ingeniero estructurista determina la forma
y las características de la estructura de una construcción; comprende las
etapas de estructuración, análisis y dimensionamiento.
b) La labor del ingeniero de
estructuras es muy importante para el progreso de un país ya que contribuye a
la realización de la infraestructura necesaria para su desarrollo.
c) En todo proyecto de una
obra civil se requiere la intervención del ingeniero de estructuras, quien debe
de trabajar en equipo con otros especialistas desde las primeras etapas del proyecto
para lograr una verdadera economía congruente con el margen de seguridad
exigido por la sociedad a través de los reglamentos de construcción.
d) Las consecuencias de la
falla de una estructura pueden ser muy severas en términos de pérdida de vidas humanas
y económicas. Por ello, se requiere la participación de ingenieros estructuristas
competentes. Su responsabilidad debe estar relacionada con sus honorarios.
Se puede prever que, al igual que otras disciplinas, se tendrá un
avance importante en la ingeniería estructural a través de la incorporación de
nuevos materiales, el mejoramiento de los existentes y la incorporación de
nuevos sistemas estructurales (Billington, 1985).
El desarrollo y el uso de herramientas computacionales sofisticadas
que permitan simular de mejor manera las distintas condiciones de carga y la
respuesta de los materiales en el análisis, también impactará positivamente en
el desarrollo de la ingeniería estructural. Este avance propiciará una mejor
respuesta a las demandas de la sociedad (alimentación, transporte, salud,
educación, etc.) en términos de más y mejores edificios, presas, puentes,
complejos industriales, tanques, plantas tratadoras de aguas, entre otras.
Bibliografía:
Colina, J. y Ramírez, H. (2000) La Ingeniería Estructural. Ciencia
Ergo Sum, vol. 7, núm. 2.
