Ingeniería Estructural

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.