El diseño estructural es una de las partes más importantes dentro de la arquitectura, es por eso que en este artículo vamos a conocer más sobre él.
Historia
La historia del análisis y diseño de las estructuras se remonta aproximadamente al año 2700 a.C. Esto sucedió cuando uno de los primeros arquitectos de la historia Imhotep realizó la obra de la pirámide escalonada para el faraón Djoser. Estas pirámides fueron unas de las estructuras más fuertes y comunes en ese entonces, estas fueron construidas por las civilizaciones antiguas de una forma estructural muy estable.
Estas técnicas se fueron mejorando con el paso del tiempo, durante la historia antigua y época medieval, la mayor parte de lo que engloba al diseño arquitectónico y también a la construcción, eran realizados por artesanos, carpinteros y albañiles que pudieron llevar el nombre de maestro de obras. Antes, no se contaba con alguna teoría establecida para llevar a cabo estas construcciones ya que la mayoría se basaba en técnicas que habían funcionado bien en años pasados y esas mismas las replicaban en las construcciones nuevas. Hubo una época en la que las estructuras eran repetitivas en su mayoría ya que tuvieron que pasar muchos años para que nuevas formas de diseño estructural salieran a la luz en la arquitectura.
Todavía no se tiene registro de los primeros cálculos hablando de la resistencia de los elementos estructurales que se utilizaban o del mismo comportamiento del material hablando estructuralmente. La profesión como tal que se encargó para el análisis y aplicación del diseño de las estructuras fue la de ingeniero estructural que se inició aproximadamente con la Revolución Industrial y también con las nuevas aplicaciones que se le iban dando al concreto. Se ha estudiado que las ciencias que comenzaron a tener más consideración por el diseño estructural dieron inicio desde la época del Renacimiento las cuales se siguen desarrollando y evolucionando de acuerdo con las necesidades estructurales de la época.
Antecedentes
Las leyes de la física son una parte muy importante que sustenta a toda la parte estructural, tanto de la ingeniería como de la arquitectura y estas vienen desde el siglo III a.C. Aproximadamente cuando Arquímedes publica una de sus obras más importantes la cual habla sobre el equilibrio de los planos en dos volúmenes.
Para el diseño estructural, conocer los centros de gravedad y las áreas de los volúmenes con los que estamos trabajando son muy importantes. Es por eso que Arquímedes desde años atrás, ya tenía considerados todos estos factores lo que lo llevó a estudiar varias figuras geométricas como hemisferios, paraboloides y triángulos. Estos estudios junto con el trabajo de otros personajes de la historia han hecho posible la sustentación de grandes principios matemáticos y también la comprensión de cómo es que se comportan las estructuras hoy en día con la ingeniería estructural moderna.
Los romanos fueron unas de las personas que más avances tuvieron dentro del diseño de las estructuras ya que fueron de las primeras personas en usar técnicas como la mampostería y el concreto que son algunas que se siguen usando en la actualidad. Algunas de las construcciones que hicieron los romanos incluyen termas, acueductos, columnas, murallas, puertos, entre muchos otros, los cuales tuvieron que ser calculados de forma precisa para que resistieran según la función que desempeñaran.
Vitruvio fue otro de los personajes que registró algunos de sus métodos en su escrito De Architectura del año 25 a.C. En este manual de ingeniería civil podemos ver cómo es que habla de los materiales y maquinaria utilizada en la construcción de varias obras. También en la época de la Edad Media hemos podido ver cómo es que los constructores tuvieron que ingeniárselas para crear un equilibrio en el empuje lateral de las bóvedas.
¿Qué es el diseño estructural?
Podemos definir como el diseño estructural a una metodología usada en la investigación de la estabilidad, rigidez y resistencia de las estructuras. Una de sus principales funciones es la de poder generar que las estructuras tengan una buena estabilidad por medio de los materiales y el diseño empleado de las mismas.
Se tienen que tomar en cuenta varias cuestiones dentro del diseño y tipo de estructuras que se van a utilizar. La organización de estas junto con el predimensionamiento, análisis del suelo y también un análisis sísmico, hacen que el diseño estructural pueda ser mejor ejecutado teniendo en cuenta todos estos factores.
El diseño estructural parte de las potencialidades que podemos ver de cada uno de los materiales que nosotros podemos utilizar para llevar a cabo dichas construcciones. Esto también toma en cuenta las características naturales del material así como también los costos del mismo y todas las propiedades mecánicas con las que cuenta.
Esta parte de la arquitectura y también de la ingeniería, es muy importante para poder determinar cuál va a ser la seguridad de la estructura de cualquier construcción que se realice. La seguridad es uno de los factores clave más importantes que existen ya que sin este aspecto no se podrá avanzar en ningún proyecto constructivo.
No importa que este proyecto sea una vivienda de un solo piso o un edificio de una gran altura, un camino o unas simples bodegas ya que el diseño estructural es muy importante dentro de cualquier tipo de proyecto en el que estemos trabajando. También es muy importante que nosotros tomemos en cuenta el tamaño y las características de la construcción que se llevará a cabo, de este modo aseguraremos que funcione de forma correcta la estructura con los materiales que se elijan.
Diseño estructural como metodología
El diseño estructural casi siempre se refiere al diseño de una serie de estructuras que se utilizan para darle soporte a ciertas construcciones como lo son edificios, casas, entre otros. Este diseño, puede ir desde el diseño de las estructuras nada más centrado en el caso de terremotos hasta grandes construcciones y estructuras hechas con concreto armado, madera y acero. Los materiales que se escojan para llevar a cabo estos trabajos estructurales deberán ser de larga duración para garantizar el buen funcionamiento de la construcción. El diseño estructural también engloba la estética de las mismas estructuras además de tomar en cuenta factores como la impermeabilidad estando en la intemperie, así como también un buen aislamiento acústico y térmico.
Se puede entender entonces al diseño estructural como parte de una metodología de investigación que ayuda a poder obtener una buena estabilidad, rigidez y también resistencia adecuada en cualquier de las estructuras que se diseñen. Este trabajo casi siempre, es llevado a cabo por ingenieros estructurales los cuales realizan este proceso tomando en cuenta varios factores importantes dentro del diseño de las estructuras.
Uno de los objetivos que tiene el análisis y diseño estructural es que se tiene que llegar al punto de poder producir o crear una estructura la cual sea capaz de poder resistir todas las cargas que se le apliquen sobre sí misma sin tener fallas durante el tiempo que dure su vida de uso. En caso de que la estructura que se haya diseñado haya sido fabricada de una manera deficiente o si a esta misma se le exceden las cargas que se tomaron en cuenta previamente en el diseño, la estructura fallará y podría tener consecuencias muy serias.
¿Qué es lo que podemos encontrar en un diseño estructural?
Por lo general, el diseño estructural casi siempre va a incluir una serie de procedimientos los cuales son necesarios para llevar a cabo un buen trabajo dentro de las estructuras. Algunos de estos procedimientos son el análisis y diseño del edificio, el análisis sísmico así como también la evaluación y fortalecimiento o mejores que se le pueden dar a la estructura y una ingeniería de terremotos.
Un proyecto dedicado al diseño estructural puede ser dividido en tres fases importantes en las que destacan la planificación de lo que se hará, el diseño de las estructuras y por supuesto, la construcción de las mismas. Dentro de lo que es la planificación, nosotros podemos considerar varios de los diversos requisitos y factores que pueden llegar a afectar el diseño en general, así como también las dimensiones de la estructura las cuales dan como resultado la posible elección de uno o más tipos de estructuras para saber al final cuál es el que nos da la mejor solución dependiendo de nuestro proyecto.
Esto será muy importante ya que de aquí se puede empezar a partir para saber la estética de la misma estructura y sobre todo, los materiales con los que se construirá ya de manera física en el terreno en el que se esté trabajando.
Características principales
Una de las características más importantes que tiene el diseño estructural es que más que nada se basa partiendo de un balance adecuado de las funciones propias de los materiales que vamos a utilizar ya que con esto estamos tomando en cuenta las características naturales de los materiales, sus capacidades mecánicas y el menor costo que podamos conseguir al comprar dichos materiales lo que será parte importante para cualquiera de las obras que nosotros estemos llevando a cabo. El costo de la estructura siempre deberá de ser menor pero siempre estando seguros de obtener los mejores resultados posibles partiendo de un análisis estructural hecho de forma previa a este paso.
El diseño estructural siempre debe tener un equilibrio también entre las partes plásticas y rígidas de los elementos que vayamos a utilizar. Esto es con la finalidad de evitar un exceso de alguno de esos dos aspectos ya que pueden generar que las estructuras que se hayan diseñado fallen.
Los materiales que nosotros ocupemos dentro de las estructuras que diseñemos tendrán que destacar por cubrir características especiales como las de aislantes térmicos, ser impermeables, soportar diversos ambientes y climas, entre otros factores que ocurren dentro de la estructura. Otras de las funciones que cumplen este tipo de elementos dentro del diseño estructural son los aspectos arquitectónicos los cuales deben estar también ligados al diseño de las estructuras con la finalidad de poder tener un rendimiento de forma óptima de toda la construcción en general.
Tipos de estructuras
El diseño de las estructuras siempre va a partir de una tipología base que se hace con el fin de hacer un cálculo estructural adecuado de las resistencias con las que cuenta cada una de las partes de los materiales y sobre todo de las cargas que van a actuar sobre la estructura. Para llevar a cabo un buen diseño estructural, se deberán tomar en cuenta las combinaciones de cargas que afecten a la estructura así como también cualquiera de las situaciones que puedan someter de algún modo a la estructura que se diseñe.
Las tipologías de las estructuras las podemos encontrar divididas en diferentes aspectos como por ejemplo:
- Las espaciales o planas
- De acuerdo a los materiales que se hayan elegido, tal es el caso de materiales como el acero, el concreto, la madera o materiales mixtos.
- Las estructuras hiperestáticas, isostáticas o hipostáticas.
- Las que tengan un uso residencial o industrial ya sea arquitectónico, artístico o incluso monumental.
Pero para poder entender el desarrollo de estas estructuras, se deberá tomar en cuenta la normativa legal con la que cuenta cada país donde podemos encontrar los puntos que establece de forma mínima para que se puedan llevar a cabo las consecuencias legales que puede haber en caso de tener algún accidente, ya sea un derrumbe de la estructura o una rotura de la misma.
Aspectos a considerar en el diseño estructural
Para poder llevar a cabo el diseño estructural de forma correcta debemos de tomar a consideración una serie de aspectos que nos ayudarán a determinar el diseño final de la estructura en sí. Entre estos podemos encontrar la estabilidad que es una de las características fundamentales de cualquier estructura. El diseño de la misma va a poder garantizar que la obra pueda soportar perfectamente las cargas a las cuales estará sometida estando ya construida.
El presupuesto es otra de las partes importantes ya que esto deberá estar presente a la hora de hacer el diseño de la estructura. Se tiene que tomar en consideración el presupuesto con el que se cuenta o que ya se haya establecido por los clientes. De este modo se podrán establecer límites que nos ayudarán a saber el tipo de materiales que usaremos siempre y cuando no se ponga en riesgo la estructura.
La rentabilidad será también la encargada de facilitar la construcción de la misma estructura. Es por eso que se debe evitar cualquier aspecto que complique de forma innecesaria a la estructura ya que con esto se puede garantizar un buen mantenimiento y desarrollo de la misma. Por otro lado, también podemos hacer mención de la integridad de la obra, ya que una estructura que cuente con un buen estado da un aspecto de calidad y seguridad.
Los clientes son otro de los aspectos importantes para poder hacer el diseño de la estructura ya que en el caso del diseño, los arquitectos o ingenieros tratarán de buscar las opciones adecuadas partiendo de la estética requerida y planteada por los mismos clientes. Sabiendo esto, se podrán proponer quizá varias opciones que tomen en cuenta todos los factores aquí mencionados para que de forma conjunta, se cree una estructura perfecta hablando estética y funcionalmente.
¿Cómo llevarlo a cabo?
Otros de los elementos que no se deben olvidar en el diseño estructural son la estructuración ya que esto se puede hacer de forma preliminar y solamente se hará en el caso que se requiera. Aquí es donde se puede esperar una aproximada ubicación y dimensión de los elementos estructurales que se estén proponiendo, de este modo se puede afinar y mejorar un proyecto arquitectónico.
El análisis de las estructuras es otra parte fundamental, en estos casos es preferible utilizar programas de computación que nos ayuden a realizar estos cálculos por medio del método de rigideces. Este análisis será capaz de darnos los desplazamientos y elementos mecánicos de cada uno de los elementos de dicha estructura. El diseño posteriormente será llevado a cabo tomando en cuenta los elementos mecánicos mencionados obtenidos con el análisis y partiendo de ellos se podrá hacer ya el dimensionamiento y armado de los elementos.
Teniendo los datos recabados del diseño de la estructura, se procederá a hacer el dibujo de los planos estructurales. Por otro lado también se deberá de realizar una memoria de cálculo descriptiva la cual hará mención de todas las cargas vivas y muertas que tendrá la estructura.
El diseño estructural tiene la finalidad de hacer que ninguna de las estructuras fabricadas fallen en ningún momento de su vida útil. Se pueden llegar a presentar diferentes tipos de falla como las provocadas por deformaciones excesivas ya sean permanentes o elásticas. También podemos mencionar las hechas por resistencia o de igual forma por inestabilidad, esto se da cuando existe un movimiento o separación que afecte gravemente las partes de la estructura en sí y esto mismo pueda provocar que ya no se pueda seguir usando como antes ya que puede ser considerada como un riesgo para los usuarios.
