Diseño Estructural: Conceptos Clave y Aplicaciones en la Construcción

Ingeniería Estructural

La ingeniería estructural es la aplicación del conocimiento científico al comportamiento de los materiales y a la disposición de los elementos de un todo para determinar las características deseables de una construcción.

Propiedades Mecánicas y Físicas de los Materiales

• Propiedades Mecánicas: Módulo de Elasticidad, Módulo Cortante, Relación de Poisson, Ductilidad, Peso Volumétrico, Fluidez.
• Propiedades Físicas: Tamaño, Forma, Longitud, Rugosidad, Uniformidad.

Características Deseables de una Construcción

Una construcción debe ser:

• Segura
• Durable
• Económica
• Accesible

Proceso del Diseño Estructural

El proceso de diseño estructural se compone de las siguientes etapas:

1. Planeación: Definir el objetivo o función de la estructura y explorar diferentes soluciones.
2. Análisis Estructural: Determinar o predecir el comportamiento de la estructura bajo las solicitaciones o acciones a las que se le impongan.

Componentes del Análisis Estructural

• 2.1. Esfuerzos: Se consideran los esfuerzos axiales (tensión y compresión), cortantes, de torsión y de flexión (tensión y compresión). Estos esfuerzos no deben rebasar los estados límite de falla.
• 2.2. Deformaciones: Se evalúan las deflexiones y los desplazamientos, los cuales no deben rebasar el estado límite de servicio.
• 2.3. Reacciones en los apoyos: Se determinan las reacciones en los apoyos para diseñar la cimentación y las conexiones.

Estados Límite en el Diseño Estructural

• Estado límite de falla: Se define como la condición en la que se pone en riesgo una parte de la estructura, comprometiendo la seguridad de los usuarios. Ejemplos: incendio, asentamiento, derrumbe, inundación, vida útil.
• Estado límite de servicio: Se refiere a la situación en la que la estructura deja de ser funcional y causa inseguridad en los usuarios. Ejemplos: humedad, corrosión, agrietamiento, ruidos o crujidos, vibración.

Solicitaciones o Acciones

Las solicitaciones o acciones son todos aquellos factores que causan una respuesta estructural. Se clasifican en función de su permanencia en el tiempo:

• Cargas Permanentes: Son aquellas que actúan de forma continua sobre la estructura y no varían su magnitud con el tiempo. Son fáciles de prever y ocupan una posición permanente. Ejemplos: peso propio, maquinaria, instalaciones, acabados, empuje de agua y tierra.
• Acciones Variables: Son aquellas que se producen por el uso y ocupación de la construcción, y cambian con el tiempo. Ejemplos: carga viva, mobiliario, vibraciones, peso de vehículos, mercancía, flujo de líquidos, impacto.
• Acciones Accidentales: Son aquellas que alcanzan una magnitud importante en un breve periodo de tiempo y son difíciles de predecir. Ejemplos: sismo, viento, nieve, granizo, tsunamis, ceniza volcánica, oleaje.

Conceptos Adicionales en el Diseño Estructural

• Combinación de carga: Consideración de que las diferentes acciones actúan simultáneamente, según las posibilidades establecidas en reglamentos y normas.
• Factor de seguridad: Margen que permite considerar situaciones no controlables para que el esfuerzo del elemento quede por debajo de un valor permisible antes de la falla.
• Desempeño estructural: Se refiere al estado de la estructura y a los componentes de la edificación después de la aplicación de un estado de cargas.
• Niveles de desempeño estructural: Esfuerzos, deformaciones, reacciones en los apoyos.
• Características de interés en el diseño estructural: Rigidez, ductilidad, deformación.

Reglamentos y Normativas

Algunos de los reglamentos y normativas relevantes en el diseño estructural son:

• RCCDMx NTC (Reglamento de Construcciones para la Ciudad de México y sus Normas Técnicas Complementarias)
• ACI (American Concrete Institute)
• IMCA (Instituto Mexicano de la Construcción en Acero)
• ASTM (American Society for Testing and Materials)
• NOM (Normas Oficiales Mexicanas)
• MNX (Normas Mexicanas)
• ASCE (American Society of Civil Engineers)
• ISO (International Organization for Standardization)
• ASSHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials)
• Libro XII del Código Administrativo del Estado de México

Tipos de Conexiones

• Conexiones Rígidas: Transmiten fuerzas y momentos; los desplazamientos son iguales.
• Conexiones Articuladas: Transmiten fuerzas; los desplazamientos pueden ser diferentes (ejemplos: contraventeos y largueros).

Modelo de Comportamiento de los Materiales

En el diseño estructural, se considera válida la ley de Hooke para modelar el comportamiento de los materiales.

Estructuración

La estructuración se refiere al proceso de definir la forma de la estructura.

Sistemas Estructurales Comunes

• Marcos rígidos de acero: Estructuras reticulares verticales usadas en edificios de pocos niveles. Su rigidez depende de las columnas y trabes. Las cargas verticales se aplican sobre las vigas y las cargas horizontales sobre vigas y columnas. Transmiten fuerzas y momentos.
• Contraventeo: Elemento estructural que adiciona rigidez lateral.
• Marcos con contraventeo excéntrico: Las barras no llegan a un punto en común, se separan y forman un eslabón de cortante. Ofrecen rigidez elástica y excelente ductilidad.
• Sistema de redes o diagrid: Combinan los marcos rígidos y los contravientos envolviendo la edificación en todas sus caras.
• Sistemas compuestos: Combinan dos materiales para conformar un solo elemento estructural.
• Sistema de entrepiso: Divide los niveles, formado por la losa y sus elementos de apoyo. Recibe las cargas que llegan a cada nivel y las reparte a sus apoyos.
• Larguero: Vigas secundarias que disminuyen las dimensiones del tablero.
• Tablero: Espacio entre los elementos de apoyo.
• Vigas o armaduras de cubiertas horizontales: Reciben cargas que vienen de la cubierta, dan soporte lateral a las vigas de marcos rígidos y resisten empujes del viento en la cubierta.
• Armaduras verticales: Contraventeos o arriostramientos que transmiten el empuje del viento a la cimentación y proporcionan soporte estructural a las columnas.
• Largueros: Reciben las cargas de la cubierta y reparten la carga de las armaduras horizontales.