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Este artículo surge para dar respuesta
a una interrogante que recientemente me formularon en relación a la Ingeniería
Estructural. Los diferentes hechos naturales que han producido condiciones de
riesgo a nivel mundial en las estructuras de data antigua y más aún en los de
reciente data; así como las características y evolución de los materiales de
construcción, conllevan a los Ingenieros Estructurales a calcular las
edificaciones con mayor rigor cada vez. De allí, la tendencia de oscilar en los
criterios de cálculo estructural especialmente en aquellos asociados a
seguridad sismoresistente, según el nivel de envergadura de la obra que se diseña.
Figura N°.1. Sismoresistencia: Edificio
colapsado por el terremoto de Lorca.
Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=7WBB8X2I6cc
Sabemos todos los involucrados, que
nuestra función principal es brindar seguridad al usuario final de una edificación,
por lo cual, todos los esfuerzos y criterios de seguridad son válidos sin caer
en el sobredimensionamiento.
De esta manera, a continuación, se
presentan las dos Teorías más conocidas de cálculo estructural para miembros de
concreto armado que se desarrollarán en este artículo:
El objetivo es que se pueda apreciar
las ventajas y desventajas que ofrecen estas Teorías en diferentes condiciones
de cálculo.
Cabe destacar que la información que en
el presente artículo se muestra, se realiza con fines pedagógicos
introductorios, por lo cual, obviamente la información para propiamente el
Cálculo a través de estas Teorías es mucho más extenso y complejo y requiere de
una modelación particular automatizada mediante software especializados, el
cual, no es el objeto de este artículo.
Descriptores: Estructuras, Concreto, Cálculo, Resistencia,
Solicitaciones, Miembros Estructurales, Teorías, Estabilidad, Estados Limites,
Teoría Clásica.
1.
Teoría de Cálculo
Estructural de Estados Límites
Definición:
Esta teoría, representa uno de los
adelantos en la Ingeniería Estructural actual. Se refiere a las máximas
solicitaciones que puede resistir un miembro estructural o estructura sin
perder su capacidad resistente y provocar por ende pérdidas materiales y
humanas por colapso. La teoría de Estados Límites, permite calcular para
obtener los Estados Límites Últimos (ELU) o Estados Límites de Servicio (ELU). Su
relación matemática viene dada por una Magnitud (M) y su fundamento está
sustentado en la acción de que un Miembro o Estructura es segura siempre que el
Valor de las Magnitudes Últimas (Mu) no supere el valor de las Magnitudes
Criticas (Md).
Ecuación N° 1: Expresión matemática de los Estados
Limites
Los Estados Limites Últimos, representan el cálculo más
riguroso que puede realizarse a nivel estructural (ACI 318-SUS14), ya que el
engloba los mayores esfuerzos que puede resistir una estructura antes de su
colapso.
Figura N°.2. Diagrama Típico Tensión-deformación
Fuente: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Plasticidad_(mec%C3%A1nica_de_s%C3%B3lidos)#/media/Archivo%3AStress-strain1-es.svg
Mientras que los estados Límites por Servicio se refiere
a aquellas solicitaciones que puede resistir la estructura afectando solo su
funcionabilidad sin comprometer la integridad estructural de la misma.
“En general, los ELS se refieren a
situaciones solventables, reparables o que admiten medidas paliativas o
molestias no-graves a los usuarios. El que un ELS sea rebasado no reviste la
misma gravedad que el que un ELU se sobrepasado. En los cálculos de
comprobación de los ELS se emplean márgenes de seguridad más moderados que en
los ELU”.
Tipos:
Estos tipos de Estados Límites, de
acuerdo al tipo de solicitación o falla que se desea verificar, a su vez, se
dividen en:
|
Estados Límites
Últimos (ELU) |
1. ELU de agotamiento por
solicitación normal (flexión, tracción, compresión). 2. ELU de agotamiento por solicitación tangente
(cortadura, torsión). 3. ELU de inestabilidad elástica (Pandeo, etc.). 4. ELU de equilibrio (vuelco y deslizamiento). 5. ELU de hundimiento (en cimentaciones). 6. ELU de punzonamiento (en
cimentaciones y elementos bidimensionales de hormigón). |
|
Estados Limites
de Servicio (ELS) |
1. ELS de deformación excesiva (deformación, desplazamiento). 2. ELS de vibración excesiva. 3. ELS de durabilidad (oxidación, etc.). 4. ELS de fisuración excesiva. |
Tabla N°. 1. Clasificación Universal de los EL
Combinaciones de Cargas admisibles en la Teoría de estados Límites:
La Teoría de estados Límites permite varias
combinaciones características de cargas, especialmente en el caso de los
Estados Limites Últimos por agotamiento. Tomando en cuenta el tipo de
solicitación actuante (Flexión simple,
Flexión compuesta, Compresión, Flexo-tracción, Corte, Deslizamiento Torsión,
Punzonado), el Ingeniero estructural, según sea el caso, debe seleccionar las
cargas o combinación de cargas que resulte más desfavorable para la estructura
que este diseñando. Las más comunes y normalizadas son:
Tabla N°. 2. Combinaciones de Carga para ELU (Fuente: Norma COVENIN
1753-1(R))
Donde, CP = carga fija o permanente CV = carga
variable o accidental CF = carga de fluidos con altura controlada CT = acción
debida a cambios de temperatura CE = carga debida al empuje de tierra o granos
CVt = carga variable de techos y cubiertas (terraza) S = solicitaciones debidas
a acciones sísmicas W = solicitaciones debidas al viento.
Ventajas y Desventajas:
La Teoría de Cálculo Estructural por Estados
Límites permite a través de factores de mayoración, considerar en el cálculo
respectivo un aumento de las cargas actuantes mediante: la probabilidad de variación en la calidad de los
materiales empleados, las características particulares de dimensiones de los miembros y la inexactitud de los métodos de análisis
y diseño.
Se debe tomar en cuenta que si se calcula para el
caso de los Estados Limites Últimos, se utilizan factores de mayoración o
coeficientes de seguridad notablemente mayores que en otro tipo de estados
límite; que pueden resultar en una significativa disminución de la Resistencia
Teórica y por ende por lo cual, una sobreestimación considerable de los
miembros de la estructura. Por lo cual, es recomendable, que el Ingeniero
estructural al momento del cálculo respectivo por esta Teoría, este claro sobre
las verdaderas Magnitudes de esfuerzos o solicitaciones en los diferentes
miembros y haga una verificación de los resultados por otra Teoría estructural,
para asegurarse de no sobrepasar los factores de seguridad aceptables.
Debo indicar para finalizar, que las Normas Venezolanas, en especial la “Norma COVENIN 1753-1(R) Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones.
Análisis y Diseño” incorpora con
detalle los requisitos para el comportamiento adecuado en los Estados
Límites de Servicio y de Agotamiento Resistente. De aquí, la inclinación de
muchos Ingenieros Estructurales Venezolanos, para el uso frecuente y
preferencial de esta Teoría.
2.
Teoría de Cálculo Estructural
Clásica:
Definición:
Esta Teoría se basa como muchos saben el la Ley de Hooke.
Ella considera un efecto elástico en el Concreto (aun cuando sabemos que el
Concreto no lo es. Por el contrario es inelástico según estudios de laboratorio);
para a partir de un análisis lineal predecir el comportamiento de un miembro
estructural cuando es sometido a una solicitación especifica. Ella condiciona a
los elementos de concreto a permanecer en el rango elástico para el análisis de
cargas.
“Los elementos mecánicos producidos en los distintos elementos por las
solicitaciones de servicio o de trabajo se calculan por medio de un análisis
elástico. Se determinan después los esfuerzos en las distintas secciones debido
a los elementos mecánicos, por métodos también basados en hipótesis elásticas. Los esfuerzos de trabajo así calculados,
deben mantenerse por debajo de ciertos esfuerzos permisibles que se consideran
aceptables, el método es razonable en estructuras de materiales con un
comportamiento esencialmente elástico”.
Fuente: http://www.ecured.cu/Dise%C3%B1o_estructural
Figura N°.3. Diagrama Típico de un Análisis Clásico
Ventajas y Desventajas:
Para hablar de las ventajas y desventajas de la
Teoría de Cálculo estructural Clásica, debemos señalar que hoy en día esta
Teoría se utiliza limitadamente en casos de fundaciones o edificaciones
especiales tipo instalaciones químicas, nucleares o militares. Mediante la
Teoría Clásica, se supone la hipótesis que el Concreto puede o no aportar
tracción, y los agrietamientos son insignificantes. Como principal acción a
favor está el hecho de que la misma, con el artificio del análisis lineal del
Concreto, simplifica los cálculos y facilita
el diseño estructural. Durante muchos años, dada esta practicidad, esta Teoría
fue utilizada por muchos especialistas estructurales, ya que permitía convertir
un material realmente heterogéneo en otro ideal homogéneo que cumplía con la
ley de Hooke; transformándose de este modo un problema no lineal en otro
lineal.
Hay que saber, que la ACI
(Asociación Internacional de Concreto) permite el Uso de esta Teoría.
A modo de
Conclusiones:
Visto lo anterior, pudiéramos pensar que la Teoría
de Cálculo mediante los Estados Limites representa actualmente el más adecuado
método de cálculo, por considerar criterios o hipótesis con mayor validez de
aplicación en los elementos, que la denominada Teoría Clásica. No obstante,
debo decir, a mi criterio como Ingeniero, que:
“No hay duda, que las Teorías Estructurales han
avanzado en el tiempo como parte del conocimiento o experticia que ha ido
adquiriendo el Ingeniero estructural, tanto de las características esenciales
de los materiales de diseño (concreto y acero), como del comportamiento sísmico
de las estructuras. Por lo cual, la tarea de diseñar estructuralmente una
edificación, a pesar de la existencia de software especializado, requiere de un
conocimiento muy experto del Ingeniero Estructural. Cualquiera que sea la
Teoría empleada en el respectivo Cálculo Estructural, dará los resultados
deseados, dependiendo de la experticia del Ingeniero. Por lo cual, debe
condicionarse siempre los resultados a una validación previa. La usanza del
ingeniero estructural que proyecta o calcula, acorta el camino; a la par que
brinda el mejor factor de seguridad del cual se puede requerir. Recordemos
siempre, que el fin de un diseño estructural, está orientado sobre todo a
conseguir una estructura funcional, segura y económicamente factible de
realizar. Un diseño estructural debe garantizar que la estructura soporte las
exigencias no solo de las mayores cargas sino del evento de mayor ocurrencia”
Este tema es mucho más profundo. Debe abordarse
también con él, los Teoremas de Comportamiento según la naturaleza de los
materiales constructivos (elástico-plástico); por lo cual te invito a escribir
tu opinión respectiva en la parte de comentarios a continuación del artículo.
Referencias
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