Fundamentos del cálculo de estructuras de edificación

Firmitas, venustas y utilitas

Vitruvio (Marco Vitruvio Polión) fue un arquitecto e ingeniero, entre otras cosas, romano del siglo I a.C. Es el autor de De architectura, tratado de sobre arquitectura y que es el documento más antiguo que se conserva sobre la materia. En este tratado, Vitruvio afirmaba que la arquitectura descansa en tres principios: Firmitas (firmeza), Venustas (belleza) y Utilitas (utilidad).

La estructura es uno de los principios de la arquitectura, de ahí la importancia del cálculo de estructuras de edificación.

Introducción al cálculo de estructuras

El cálculo de estructuras es una de las partes importantes en la ingeniería civil y la arquitectura, esencial para garantizar la seguridad, estabilidad y durabilidad de las edificaciones.

Este proceso analítico e integral, que abarca desde el diseño conceptual hasta la ejecución, implica la evaluación de múltiples factores que influyen en la estabilidad de un edificio o estructura. A través de un análisis de las cargas, las fuerzas y las respuestas de los materiales, ingenieros y arquitectos podemos estimar que manera muy cercana a la realidad el comportamiento seguro y eficiente de la estructura durante su ciclo de vida. Asimismo, mediante el cálculo de la estructura debemos dar cumplimiento a las normativas y códigos de construcción, que establecen estándares mínimos para garantizar la seguridad estructural y la integridad de las edificaciones. Estas normativas son muy extensas y habitualmente dependen de cada país.

En el cálculo de estructuras se consideran tanto aspectos estáticos como dinámicos. En los aspectos estáticos consideraremos habitualmente el peso propio de la estructura y las cargas permanentes adicionales, como acabados y equipos fijos. Los aspectos dinámicos, por otro lado, involucran cargas variables como las producidas por el uso y ocupación del edificio, así como cargas ambientales (viento, sismos, nieve, etc.). Estos cálculos no solo buscan prevenir el colapso estructural, sino también garantizar que la estructura funcione de manera adecuada y eficiente bajo una variedad de condiciones y durante un largo período de tiempo. En este sentido, habitualmente se manejan conceptos como el E.L.U. (estado límite último), que trata de garantizar la integridad de la estructural, y E.L.S. (estado límite de servicio), que trata de garantizar la viabilidad de un uso correcto de la edificación por el comportamiento estructural.

Principios básicos de la mecánica estructural

Los cálculos estructurales se apoyan en la mecánica estructural, una parte de la ingeniería que utiliza principios de la física y las matemáticas para analizar las fuerzas y su impacto en las estructuras. Esto incluye la estática, que es el estudio de cuerpos en reposo o en movimiento a velocidad constante, y la resistencia de materiales, que se enfoca en cómo los diferentes materiales soportan y resisten cargas.

La mecánica estructural, permite entender y predecir el comportamiento de las estructuras bajo diversas cargas y fuerzas. Esta disciplina se basa en la estática, que estudia cómo los cuerpos permanecen en reposo o en movimiento uniforme, y la dinámica, que analiza cómo los cuerpos responden a fuerzas y aceleraciones.

Tipos de cargas y su impacto en las estructuras

Las cargas que actúan sobre una estructura son diversas y pueden clasificarse en diferentes tipos, cada uno con un impacto único en la integridad estructural. De esta manera podemos hablar de cargas permanentes y variables.

Cargas permanentes

Entre las cargas permanentes están incluidas el peso propio de la estructura (como vigas, pilares, forjados, losas,…) y elementos no estructurales fijos. Estas cargas son constantes y predecibles (salvo que haya una rehabilitación o intervención importante en el edificio) y son un factor clave en el diseño estructural, siendo, en la gran parte de los casos, las cargas más importantes en un edificio.

Cargas variables

Las cargas variables o vivas, por otro lado, incluyen aquellas que varían en magnitud y posición a lo largo del tiempo, como el peso de los ocupantes, mobiliario, equipos y vehículos. Estas cargas pueden fluctuar significativamente y requieren un análisis detallado para asegurar que la estructura pueda adaptarse a estas variaciones sin comprometer su seguridad o funcionalidad.

Además, encontramos otras cargas variables que son las cargas ambientales o accidentales, como viento, nieve, lluvia y sismos, que presentan desafíos particulares que pueden condicionar todo el diseño estructural. Estas cargas son impredecibles y pueden variar enormemente en magnitud y dirección. Por ejemplo, las cargas de viento son críticas en el diseño de edificaciones altas y requieren un análisis detallado para asegurar que la estructura pueda soportarlas sin sufrir daños. Asimismo, en zonas sísmicas, el diseño estructural debe considerar la capacidad de la estructura para absorber y disiparlas.

Cargas en el Código Técnico de la Edificación, Documento Básico Seguridad Estructural, Acciones en la Edificación (CTE DB-SE-AE)

En el CTE DB-SE-AE encontramos los siguientes tipos de cargas (para más información consultar el CTE DB-SE-AE en el siguiente enlace):

Acciones permanentes

 

• • Peso propio. Se tiene en cuenta el peso de los elementos estructurales, cerramientos y elementos separadores, tabiquería, todo tipo de carpinterías, revestimientos (como pavimentos, guarnecidos, enlucidos, falsos techos), rellenos (como los de tierras) y equipo fijo.
    • Su valor característico se determinará obteniéndolo a partir de dimensiones nominales y pesos específicos.
    • En el caso de tabiques ordinarios cuyo peso por metro cuadrado no sea superior a 1,2kN/m2 y con una distribución más o menos homogénea en planta, se podrá asimilar a una carga equivalente uniformemente distribuida. En general se puede considerar en viviendas una carga de tabiquería de 1,0 kN/m2.
    • En el caso de fachadas y elementos de compartimentación pesados, tratados como acción local, se asignará como carga a aquellos elementos que inequívocamente vayan a soportarlos, teniendo en cuenta, en su caso, la posibilidad de reparto a elementos adyacentes y los efectos de arcos de descarga. En caso de continuidad con plantas inferiores, debe considerarse, del lado de la seguridad del elemento, que la totalidad de su peso gravita sobre sí mismo.

     

    • • El valor característico del peso en el cado de equipos fijos será el aportado por los suministradores.

• • Pretensado. La acción del pretensado se evaluará a partir de lo establecido en la Instrucción EHE (ahora el CE , Código Estructural).

• • Acciones del terreno. Las acciones derivadas del empuje del terreno, tanto las procedentes de su peso como de otras acciones que actúan sobre él, o las acciones debidas a sus desplazamientos y deformaciones, se evalúan y tratan según establece el DB-SE-C (Documento Básico Seguridad Estructural, Cimientos).

Acciones variables

 

• • Sobrecarga de uso. La sobrecarga de uso es el peso de todo lo que puede gravitar sobre el edificio por razón de su uso.

     

    • • Valores de la sobrecarga. A continuación vemos la tabla del CTE en el que indica valores de sobrecarga. A estas cargas se les podrán aplicar reducciones de sobrecargas.

Acciones sobre barandillas y elementos divisorios. La estructura propia de las barandillas, petos, antepechos o quitamiedos de terrazas, miradores, balcones o escaleras deben resistir una fuerza horizontal, uniformemente distribuida, y cuyo valor característico se obtendrá de la tabla 3.3. La fuerza se considerará aplicada a 1,2 m o sobre el borde superior del elemento, si éste está situado a menos altura.

En el caso de zonas de tráfico y aparcamiento, el CTE especifica resistencias no inferiores a 50 kN. Para elementos divisorios se tendrán en cuenta fuerzas horizontales iguales a la mitad de las especificadas en la tabla 3.1.

 

• • Viento. La distribución y el valor de las presiones que ejerce el viento sobre un edificio y las fuerzas resultantes dependen de la forma y de las dimensiones de la construcción, de las características y de la permeabilidad de su superficie, así como de la dirección, de la intensidad y del racheo del viento. El CTE especifica varios casos dependiendo de la zona, coeficiente de exposición, coeficiente eólico de edificios de pisos y para el caso de naves y construcciones diáfanas.

• • Acciones térmicas. En este caso se tratan las acciones debidas a las variaciones de temperatura ambiente exterior.

• • Nieve. La acción de la nieve es de especial importancia. Recientemente, año 2021, en gran parte de España se sufrió la borrasca Filomena que afectó a muchas edificaciones, llegando a suponer el derrumbe completo de muchas edificaciones y causando grandes daños.

Acciones accidentales

En este grupo se incluyen el sismo, incendios, impactos y otras como explosiones en fábricas químicas, laboratorios o almacenes de materiales explosivos.

Análisis estructural: métodos y herramientas

El análisis estructural puede realizarse mediante varios métodos, siendo el Método de los Elementos Finitos (MEF) uno de los más utilizados. Este método descompone un sistema estructural en elementos más pequeños, facilitando el cálculo de complejas distribuciones de esfuerzos y deformaciones en diferentes materiales y geometrías. Entre los programas más destacados que utilizan este método están SAP2000 y ETABS.

Por otro lado, más orientado hacia el cálculo estructural tradicional y la conformidad con normativas de construcción, tenemos a los programas de cálculo de CYPE INGENIEROS, CYPECAD y CYPE3D. Estas herramientas informáticas permiten a ingenieros y arquitectos modelar, analizar y diseñar estructuras de manera precisa y eficiente. Los programas de CYPE se destacan por su capacidad para manejar diversos tipos de materiales y condiciones de carga, además de integrar normativas de construcción actualizadas.

 

Estos softwares permiten una modelización detallada de la estructura y su comportamiento ante cargas específicas. También facilitan la evaluación de los efectos de cargas dinámicas, como terremotos y vientos, aspecto crítico en zonas propensas a estos fenómenos. Además, estos programas brindan una interfaz intuitiva que ayuda en la visualización de modelos estructurales, resultando en una comprensión más profunda y detallada del comportamiento estructural.

La integración de los programas de CYPE en el flujo de trabajo de un proyecto contribuye significativamente a la optimización del diseño, permitiendo ajustes precisos que mejoran la eficiencia del material y reducen los costos de construcción. También, su capacidad de integrarse con otras herramientas de diseño asistido por computadora (CAD) y modelado de información de construcción (BIM) facilita la colaboración entre los distintos profesionales involucrados en un proyecto.

En resumen, el análisis estructural es un componente crítico en el diseño y construcción de estructuras seguras y eficientes. Los programas de CYPE Ingenieros se posicionan como herramientas indispensables para los profesionales del sector, proporcionando soluciones avanzadas para el análisis y diseño estructural en una amplia gama de proyectos arquitectónicos y de ingeniería civil.

En EasyCTE, nos especializamos en proporcionar información clara y soluciones efectivas para desarrollar el cálculo de estructuras. Nuestra prioridad es facilitar el entendimiento de los requisitos y fomentar la seguridad en la construcción.

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