Filosofía de Diseño Estructural

“Ningún viento es favorable para quien no sabe donde va”

Séneca

Hace relativamente poco estaba inmerso en el libro "Practical Design of Reinforced Concrete" de Russell Fling, publicado ya en un muy lejano año 1987... y si bien cierta parte del libro estará algo desactualizada debido a la aparición de los modernos programas de cálculo estructural y las cambiantes normativas de diseño estructural, aun así, sigue siendo una joya en cuanto a importantes conceptos, explicados de forma sumamente didáctica.

Y del mencionado libro, una sección me dejó profundamente impresionado, la de la "Filosofía del Diseño", explicaba Fling que "el diseño estructural implica más que cálculos de momentos, cortantes, fuerzas, y tamaños de los elementos. Los ingenieros exitosos desarrollan una filosofía o enfoque personal, para diseñar edificios que resulten seguros, útiles y funcionales, a pesar de que el ingeniero, siendo humano, comete errores matemáticos menores o desviaciones de los requisitos del Código " (traducción libre).

Hoy en día hablar de filosofía puede sonar demasiado abstracto ya que solemos estar sumidos en la vorágine de tener que ofrecer resultados cuasi inmediatos en forma de cálculos, memorias, planos, etc.

Sin embargo, por esto mismo postulo que, la necesidad de tener una filosofía de diseño es aún más importante que nunca, una filosofía que guíe al ingeniero calculista a obtener cómo ya mencionaba Fling, diseños seguros, útiles y funcionales, y esta idea está encarnada en la frase que abre el artículo, si no tenemos una filosofía rectora que nos indique a donde ir y que buscar, ninguna ayuda en forma de libros, normativas de cálculo o potentes softwares nos será favorable

Los problemas modernos

Conforme pasan los años, da la sensación de que todo transcurre más rápidamente, lo que antes llevaba semanas o meses de trabajo, planificación, esfuerzo y diligencia, hoy puede llevarse a cabo en cuestión de días gracias a la tecnología, esto es grandioso en todos los ámbitos y tiene aplicación también en el campo de la ingeniería estructural.

Los profesionales capacitados para el diseño estructural pueden hacerlo de manera más rápida y fiable gracias a las diversas herramientas informáticas actuales, y tal como hoy en día a nadie se le ocurre hacer un conjunto de planos a mano, en vez de usar algún software como AutoCAD, hoy tampoco es posible/rentable realizar el calculo estructural de un edificio de ciertas dimensiones, completamente a mano.

El problema se da cuando, por ejemplo, se quita el apartado de “profesionales capacitados para el diseño estructural” del párrafo anterior, cuando se tiene profesionales de diversos sectores ajenos al del diseño estructural haciendo uso del software sin una completa compresión de lo que está diseñando o cuando se tiene a profesionales del sector mismo, pero que sin saber hacer o comprender el proceso de diseño, sin comprender el comportamiento de la estructura, abusan de las facilidades que brinda el software para emitir planos o cálculos que en realidad no podrían reproducir por sí mismos.

Para subsanar lo anterior podremos recurrir a los consejos de aquellos gigantes del pasado, que dejaron altruistamente sus consejos para aquellos que deseen escuchar.

Por ejemplo, para el uso de programas informáticos, el ingeniero Meli Piralla en su libro “Diseño Estructural” da lo que él mismo llama mandamientos para el empleo de programas de computo

- Nunca uses una de estas herramientas si no sabes en qué teoría se basa, qué hipótesis tiene implícitas y qué limitaciones existen para su uso.

- Después de asegurarte de que es aplicable a tu caso particular, cuida que puedas obtener los datos que se requieren para su empleo y pon atención en emplear las unidades correctas.

- Una vez obtenidos los resultados, examínalos críticamente, ve si hacen sentido; si es posible compruébalos con otro procedimiento aproximado, hasta que estés convencido de que no hay errores gruesos en el proceso.

- Analiza qué aspectos no han sido tomados en cuenta en ese proceso y asegúrate que no alteran el diseño. Por ejemplo, ninguna de esas herramientas suele tomar en cuenta concentraciones de esfuerzos en los puntos de aplicación de las cargas o en irregularidades locales; si se dan estas condiciones en tu estructura, revísalas por separado.

El ingeniero Stan R. Caldwell en la revista “STRUCTURE” también da el siguiente consejo:

“Diseñe primero, luego calcule. Debe evitar deliberadamente su computadora hasta que haya diseñado manualmente su estructura. Diseñe la geometría y dimensione inicialmente todos los elementos principales. Si no puede diseñar aproximadamente su estructura a mano, ciertamente no tiene por qué depender de su computadora para hacerlo. Una vez que haya completado un diseño inicial, encienda su computadora, acceda a su software de ingeniería estructural favorito y verifique o perfeccione el diseño según corresponda.

Después de décadas de buscar, aún no he encontrado ningún software de ingeniería estructural que realmente pueda pensar. Pensar, después de todo, es su principal responsabilidad como ingeniero estructural. Nadie debería confundir informática con ingeniería.”

Programas que hacen casi todo, bendición y maldición

Existen ciertos programas que facilitan enormemente el proceso del calculo estructural, esto no es malo per se, sino que es altamente positivo, citando al gran ingeniero José Calavera Ruiz nos brinda las siguientes ventajas:

- Hace posible el cálculo de estructuras que, bien por el gran número de operaciones que su resolución presenta (entramados de muchos pisos, por ejemplo) o por lo tedioso de las mismas (entramados espaciales, por ejemplo) eran, en la práctica, inabordables mediante el cálculo manual.

- En la mayoría de los casos reduce a límites despreciables el riesgo de errores operatorios

El uso de estos programas solo tiene consecuencias negativas cuando se usan con inercia, sin propósito, y sin ningún plan de acción, el mismo Calavera hacia las siguientes advertencias

- Los resultados salidos del ordenador nunca tendrán más precisión que la que tengan los datos introducidos. La incertidumbre en luces, cargas, inercias, rigideces, relación momentos-curvatura, hace ilusoria la pretensión de una gran exactitud en la mayoría de los casos.

- Obtener una solución con muchos decimales no quiere decir que se obtenga una solución de gran exactitud.

- El ordenador no ha aumentado la calidad científica del cálculo de estructuras de hormigón, de la misma manera que su participación en el proceso de redacción e impresión de libros no ha mejorado la calidad literaria de las obras producidas.

- El ordenador es una máquina que se fabrica para que las personas que saben calcular lo hagan más deprisa y con menor esfuerzo, no para que las personas que no saben calcular, puedan calcular.

Cuál es la causa principal de las fallas

Determinar de forma precisa, estadísticamente, la causa principal de las fallas en un diseño estructural escapa al alcance de este artículo, en vez de eso, tomaré la argumentación y el consejo de otro gigante de la ingeniería ya presentado anteriormente: Fling, Russell S quien fuera incluso presidente del American Concrete Institute (ACI) en el año1976.

Fling argumentaba que “Un sobreesfuerzo del 10% al 20% rara vez, si alguna vez, ha sido la causa principal de problemas estructurales, aunque el estrés excesivo empeoraría una situación peligrosa. En el otro lado, pasar por alto algún aspecto del diseño ha sido con frecuencia (algunos dicen que generalmente) causa primaria de falla cuando el diseño es responsable de la falla. Al diseñar una estructura, es importante que el ingeniero esté seguro de que la estructura ha sido analizada correctamente para las cargas esperadas, el tipo de esfuerzos que causan (por ejemplo, momento, cortante, torsión, carga axial), la dirección de las tensiones (por ejemplo, momento positivo frente a momento negativo, tensión axial frente a compresión, etc.), y el valor aproximado de la magnitud de las tensiones.

Los cálculos deben hacerse de forma rápida y sencilla para que la atención del ingeniero se puede centrar en los objetivos de diseño y se pueda dedicar más tiempo a estudiar la estructura y su entorno de por vida, anticipando problemas potenciales y desarrollando y operando estrategias para minimizarlos o evitarlos.

Las preguntas que el ingeniero debe considerar durante el diseño final incluyen las siguientes:

• ¿Las cargas causarán alta torsión? ¿Qué miembros estarán más estresados por momentos de torsión? ¿Se incrementarán la flexión y el cortante transversal en algunos miembros por los efectos de torsión?

• ¿La ubicación de la plomería, los conductos de aire o los conductos eléctricos afectará la resistencia del marco estructural?

• ¿Los cambios de volumen debido a la temperatura, la contracción o la fluencia causarán daños, tensiones u otras dificultades?

• ¿La capacidad de servicio podría verse comprometida por una deflexión o agrietamiento excesivos?

• ¿La construcción del piso, especialmente en placas planas, es adecuada al corte alrededor de la columna?

• ¿El concepto de diseño estructural requerirá procedimientos de construcción inusuales? ¿Qué podría malinterpretarse o dar lugar a errores de construcción?

• ¿Depende la seguridad o capacidad de servicio de la estructura de condiciones inusualmente estrechas? ¿Tolerancias?

• ¿Podrían los materiales no estructurales o elementos de construcción interactuar con el marco en detrimento del proyecto?

• ¿Se han llevado todas las cargas a los suelos de apoyo?

• ¿Todas las uniones han sido debidamente reforzadas para momentos, fuerzas axiales y cortantes?

• ¿Todos los miembros importantes han sido diseñados y programados o delineados en los documentos del contrato? ¿Los miembros con cargas aparentemente similares tienen diseños similares?

• Después de que se completa el diseño final y el ingeniero inspecciona el trabajo, y debe hacer la pregunta ¿La estructura aparece “en equilibrio”, bien diseñada, precisa y bien delineada?

Filosofía personal de diseño - 2023

Otro consejo dado por Fling (de los tantos) es que a medida que avanza la carrera del ingeniero, este debe reservar algo de tiempo cada año para refinar su propio enfoque en el diseño, y por ello estos pasos siguientes que se ofrecen son una guía aproximada, de una filosofía propia, personal y fluida, que va a ir evolucionando con el paso de los años.

1. Hacer un proceso de concepción estructural, eligiendo el adecuado sistema estructural y el enfoque a usar para la transmisión de cargas verticales y laterales a la cimentación.

2. Predimensión de los elementos de acuerdo con la normativa utilizada.

3. Calculo de esfuerzos actuantes mediante métodos manuales aproximados.

4. Diseño de los elementos mediante métodos manuales, con ayuda de planillas de cálculo, haciendo uso del “algoritmo para el cálculo estructural”

5. Modelado y cálculo de la estructura con algún software de preferencia.

6. Realizar una comparación de los esfuerzos y armados obtenidos mediante métodos manuales y los determinados con el software utilizado, verificar magnitud y dirección de los esfuerzos, ubicación y cuantía de las armaduras. En caso de duda o incoherencias, realizar un re-cálculo exhaustivo de los elementos analizados.

7. Hacerse las preguntas detalladas en el apartado “Cuál es la causa principal de las fallas” a modo de verificación final.

8. Obtención de planos

Fuentes

Fling, R.S. (1987) Practical design of reinforced concrete. New York: Wiley.

Piralla, R.M. (2013) Diseño estructural. México: Limusa.

Calavera José (1991) Proyecto y cálculo de estructuras de hormigón armado para edificios. Madrid: Intemac.

Stan R. (2016) Caldwell. Five Tips for Young Engineers. STRUCTURE® Magazine