2. MARCO TEÓRICO

2. MARCO TEÓRICO

El diseño estructural mayormente tiene que ver con el diseño de una serie de estructuras en edificaciones, puede ir desde el diseño de estructuras resilientes, hasta grandes estructuras, con materiales como el hormigón armado, acero y madera. Los materiales para el diseño estructural deben ser obligatoriamente de larga duración.

Para Martínez Calzón, “El diseño estructural es una metodología de investigación acerca de la estabilidad, la resistencia y la rigidez de las estructuras. Este trabajo es llevado adelante por ingenieros estructurales. El objetivo del diseño y análisis estructural es producir una estructura capaz de resistir todas las cargas aplicadas sobre sí sin fallas durante su vida de uso” (Martínez, 2005,43-51).

Para Rice: “Las estructuras deben contener características estéticas, además, de impermeabilidad en la intemperie, aislamiento térmico y acústico. En primer lugar, el ingeniero estructural, de acuerdo con la labor creativa (arquitectos, interioristas, etc.), comienza el diseño de la estructura a partir de determinados parámetros impersonales, como las: características de los materiales o las propiedades de los sistemas estructurales, en función de los cuales fundamenta la elección y el desarrollo de la estructura que considera más adecuada para un proyecto concreto” (Rice, 1998, 8384).

El diseño estructural básico consta de los siguientes elementos:

• Códigos, normas y parámetros iniciales: Es necesario y obligatorio que el ingeniero estructural, antes de iniciar con la evaluación de un proyecto, tenga conocimiento del código que aplica en la zona donde este se localizará. Conociendo de antemano los códigos a implementar, el ingeniero deberá determinar de manera previa ciertos parámetros iniciales como el espectro sísmico de diseño, que es necesario para realizar el análisis sísmico de la estructura.

• Avaluó de cargas: Una vez clara cuál será la geometría del proyecto y su uso, el primer cálculo que debe realizar el especialista es el cálculo de cargas.

FIGURA 01 ESTRUCTURACIÓN

Imagen recuperada de: https://andresceballos2019.wixsite.com/inicio/post/procedimientos-basicos-del-dise%C3%B1o-estructural

• Vigas y sistema estructural: Si bien muchos planos arquitectónicos ya contemplan de alguna manera el uso de columnas o muros, en ocasiones, cuando el ingeniero estructural lo considera necesario, se puede realizar un replanteo de los elementos verticales que soportaran la estructura. Así mismo, es necesario determinar las vigas y viguetas que se usarán, considerando dimensiones, localización de ductos, tipo de losa, etc.

FIGURA 02

VIGAS Y SISTEMA ESTRUCTURAL

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• Modelación y análisis: En este punto, el especialista debe tener una idea clara de los elementos estructurales del proyecto, es decir, que vigas, columnas, y muros se usaran, así como la determinación de las cargas a las que la estructura se encuentra sometida. Con ayuda de softwares de análisis estructural, se modela la estructura, ingresando los parámetros necesarios para su análisis y realizar un avaluó de los resultados. Este proceso siempre implicará la revisión de algunos aspectos como son:

✓ Derivas

✓ Irregularidades ✓ Desplazamientos ✓ Fuerzas internas en los elementos

✓ Reacciones

FIGURA 03 MODELACIÓN Y ANÁLISIS

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• Diseño de elementos: Con ayuda del modelado, el ingeniero conocerá las fuerzas internas que posee cada elemento estructural contemplado. Acto seguido, deberá diseñarlos, es decir, determinar las dimensiones de los elementos, el material, etc. • Elaboración de planos: Ya ha evaluado la estructura, analizado los elementos y verificado que estos estén correctamente diseñados, es necesario transcribir toda esta información en documentos legibles, que puedan ser usado en obra. Estos documentos son por supuesto, los planos estructurales. Estos planos representan de manera gráfica toda la información necesaria, para la construcción de la estructura. Por lo general, estos planos siempre deben contener la siguiente información:

✓ Especificaciones generales (materiales a usar, cargas máximas, recomendaciones constructivas generales, etc.) ✓ Planos de planta ✓ Planos de cortes y alzados

✓ Planos de detalles (conexiones, detalles constructivos de escaleras, muros divisorios, etc.) ✓ Planos de despieces y detallado de refuerzo (para elementos en concreto) ✓ Dibujo: Con los datos anteriores se dibujan los planos estructurales que se proporcionan en el análisis y diseño.

FIGURA 04 ELABORACIÓN DE PLANOS

Imagen recuperada de: https://andresceballos2019.wixsite.com/inicio/post/procedimientos-basicos-del-dise%C3%B1o-estructural

• Elaboración de informe: Si bien es cierto que con los planos ya se puede construir la estructura, es necesario que el especialista deje documentado todo el procedimiento. Esto incluye las consideraciones y resultados obtenidos durante todo el proceso de diseño, con el fin de garantizar que la autoridad competente evalué esta información y brinde visto bueno de la calidad del trabajo del ingeniero, y asegurar que haya completa certeza de que la información dada en planos dará como resultado una estructura resistente, funcional y segura.

Una estructura se diseña para que no falle durante su vida útil. Se reconoce que una estructura falla cuando deja de cumplir su función de manera adecuada (Rice, 1998: 83-84). Además, esta debe cumplir con tres aspectos básicos: • Seguridad: Se determina mediante un control de las deformaciones generadas en la estructura que resultan en el rompimiento o separación de alguna de sus partes o de todo el conjunto estructural. El principio de acción y reacción es uno de los conceptos

básicos que se usa en la estructura, buscar fuerzas actuantes y fuerzas resistentes hace parte del trabajo de la ingeniería estructural. La condición de seguridad de resistencia al rompimiento de los elementos que la componen y de las uniones entre estos, depende de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados. FIGURA 05

CONTROL DE CALIDAD EN ESTRUCTURAS

Imagen recuperada de: https://www.acerosfaem.com.pe/controlCalidad.php

• Funcionalidad: La estructura debe mantenerse un correcto funcionamiento durante

su vida útil. Un puente que presenta muchas deformaciones que genera inseguridad y las personas dejarían de usarlo, dejando de ser funcional. FIGURA 06

FUNCIONABILIDAD EN PUENTE

Imagen recuperada de: https://www.dlubal.com/es/soluciones/sectores/software-de-analisis-de-estructuras-de-puentes

• Economía: El uso de los recursos generan un reto para el diseño estructural. En la economía se complementa la creatividad y conocimiento, tanto del ingeniero como del arquitecto.

FIGURA 07 APLICACIÓN DE CONOCIMIENTO Y CREATIVIDAD

EN UNA ESTRUCTURA – PUENTE

Imagen recuperada de: https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/1464947489/contido/66_estructuras_colgantes.html

En esta fase inicial el ingeniero desarrolla la estructura, avanzando en la incorporación y coordinación en el proyecto arquitectónico y en la definición detallada de los distintos elementos que la conforman, donde se tiene como referencia el conocimiento y experiencia, se propone un proceso de diseño que denomina “convergente” (Happold, 1976), la propuesta del proceso establece un sistema de “paso a paso” que comprende cuatro etapas que suceden gradualmente, de manera que no se alcanza una etapa hasta que se haya comprobado el cumplimiento de los objetivos de la etapa anterior, lo que se comprueba con un sistema llamado Control de méritos.

Un diseñador busca lograr una solución adecuada y eficiente, con el objetivo de obtener el máximo beneficio con el mínimo uso de material, además que esta se encuentre dentro de los límites de resistencia, rigidez y estabilidad. El resultado, es la eficiencia, combinada idealmente con la elegancia y la economía (Hunt, 2003: 3).

La eficiencia puede llegar a adoptar sistemas de gran complejidad estructural y constructiva. Estos parámetros, eficiencia y simplicidad de la estructura, son mayormente

opuestos, de tal manera que cuanto es más eficaz, el empleo del material más complejo es su sistema estructural, siendo esta más costosa en su ejecución y su mantenimiento. Según Campbell: Es este conflicto entre eficiencia y simplicidad el que el ingeniero debe resolver positivamente en cada caso, pudiendo ser las soluciones adoptadas muy diversas (Campbell, 1995: 36).

El arquitecto Angus J. Macdonald menciona que la ignorancia de los requisitos estructurales y la sumisión de los mismos a la forma arquitectónica (Macdonald, 2001: 73-114), generan las siguientes estructuras: • Estructura determinante: Los requisitos estructurales, condicionan de manera muy importante a la arquitectura y generalmente determinan la forma del edificio. El caso cercano que podemos ver son los edificios y rascacielos más grandes. FIGURA 08

RASCACIELO BURJ KHALIFA

Imagen recuperada de: https://www.archdaily.pe/pe/778742/cual-es-el-edificio-mas-alto-del-mundo

• Estructura ignorada: En el diseño del proyecto se definen por criterios no relacionados a la estructura, que se concentra en resolver los problemas técnicos planteados y desempeña una función de resistencia y estabilidad. En estos casos la estructura está sometida a una forma que le resulta extraña, de la que no se conoce sobre su definición.

FIGURA 09 LA CONSTRUCCIÓN DEL PUENTE FORTH RAILWAY

Imagen recuperada de: https://www.estructurasmetalicascolombia.com/diseno-estructural/diseno-arquitectonico-conceptosestructurales-y-analisis-de-la-estructura

• Estructura sublimada: Es el ajuste e incluso la manipulación de los elementos estructurales de un determinado efecto visual. Los ejemplos de esta situación los constituyen algunos proyectos de la arquitectura “high-tech” y las transferencias tecnológicas actuales, que utilizan materiales, sistemas de fabricación y procesos de montaje originarios de otras industrias, como la aeronáutica o la automovilística, para proveer a los proyectos de un cierto aspecto tecnológico.

FIGURA 10

MUSEO NACIONAL DE ARTE MODERNO – FRANCIA

REFERENTE DE LA ARQUITECTURA “HIGH-TECH”

Imagen recuperada de: https://arquigrafico.com/la-arquitectura-high-tech-todo-a-la-vista/

• Estructura colaboradora: La estructura adopta un papel importante en el diseño del proyecto, que viene definido por la relación de los criterios e intereses arquitectónicos y estructurales; es el caso óptimo para la colaboración entre ingenieros y arquitectos. FIGURA 11

EDIFICIO COLABORATIVO – LA PLATA

Imagen recuperada de: https://www.ing.unlp.edu.ar/catedras/C0114/descargar.php?secc=0&id=C0114&id_inc=52661

La arquitectura en la actualidad se centra en la posición de poder hacer lo que se le ocurra al arquitecto, con la consiguiente repercusión en lo que se refiere a su relación con la estructura (Manterola, 1988: 17), lo que nos lleva a tener una gran variedad de formas y estilos, que van desde el poco conocimiento sobre la estructura a el conocimiento de su valor expresivo. Mientras que, el ingeniero estructural debe estar en la capacidad de adoptar una actitud activa en el diseño, buscar estrategias y herramientas que permitan que la estructura adquiera una notabilidad esencial en el proyecto (Foster, 2003: 93). Por ello, la estructura

es un elemento de muy importancia en el diseño y esta puede ser utilizada, por los arquitectos e ingenieros. A continuación, se mencionan algunos diseños estructurales que son utilizados como estrategias en la arquitectura moderna: • Estructuras alteradas

Esta estrategia se genera al no considerar la estructura estática ni estable, exclusivamente, sino de potenciar y valorar la capacidad que tiene como elemento determinante al definir un espacio. Estas estructuras son producto de un deseo claro de provocación que busca, mediante la variación de configuraciones o sistemas estructurales clásicos, modificar la percepción del espacio, de manera que resulte sugerente y sorprendente. (Kaye; 2000). FIGURA 12

SEDE DE LA JOHNSON WAX, OFICINAS

Imagen rescatada de: https://pro-tectonica-s3.s3.eu-west-1.amazonaws.com/art40pdf_1554546836.pdf

• Estructuras optimizadas

Para Aguiló, “Las estructuras optimizadas de la arquitectura contemporánea parten de unas condiciones de contorno determinadas y plantean un sistema que les permite explorar nuevas configuraciones formales a través de la optimización del funcionamiento estructural para cada caso concreto” (Aguiló, 2002: 63-64).

El enfoque de este tipo de proyectos no apunta a formas estructurales óptimas (puede haber otros sistemas estructurales más optimizados), sino en indagar en posibles respuestas formales eficientes en lo estructural. La aplicación de esta estrategia consiste que, a partir de unos requisitos y un interés formal determinado, desarrollar unas geometrías que gocen de un orden interno propio, que es un orden estructural. Y es precisamente esa la clave para valorar el potencial de esta estrategia en la arquitectura contemporánea, al ser capaz de ofrecer una respuesta estructural coherente al deseo actual de formas novedosas.

FIGURA 13

FUTURE TREE, ESTRUCTURA SOSTENIDA POR UNA COLUMNA DE HORMIGÓN IMPRESO EN 3D

Imagen capturada de: https://www.3dnatives.com/es/future-tree-estructura-columna-hormigon-210720202/#!

• Estructuras contenedoras

“Una vez asumida la estructura como un elemento capaz de definir y modificar el espacio en el que se sitúa e incluso la configuración global del proyecto, el siguiente paso consiste en valorar su potencial como contenedor capaz de albergar cualquier función. Así, las pieles estructurales identifican forma, estructura y cerramiento, uniendo los tres conceptos en un único elemento, contenedor y configurador de la arquitectura” (Deswarte, 1997: 245).

“En el desarrollo histórico de estos sistemas tuvo gran importancia la evolución de

los rascacielos a partir de la segunda guerra mundial” (Ábalos, 1992: 49-94). Esta evolución estructural de los rascacielos estuvo motivada fundamentalmente por tres factores, que constituyen las características principales que definen los sistemas de pieles estructurales y su potencial: o Sustitución de la estructura reticular de pórticos por sistemas estructurales tridimensionales.

o Liberación del espacio interior. o Identificación de estructura y cerramiento. FIGURA 14

TORRE DE SHANGHÁI

Imagen capturada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Rascacielos

• Estructuras algorítmicas. Las estructuras algorítmicas son consideradas como el puntal arquitectónico más representativo de la estructura, al generar la configuración y la composición del proyecto a partir de sistemas matemáticos o geométricos que derivan o se vinculan con los procesos que rigen muchas de las formas y de los fenómenos de la naturaleza. A la hora de valorar su potencialidad, se debe recalcar el grado de realismo y credibilidad, lo que radica en proyectos de gran belleza e integridad conceptual, permitiendo crear situaciones híbridas y geometrías complejas e imprevisibles.

FIGURA 15

HEYDAR ALIYEV CENTER

Imagen capturada de: https://meikmag.com/zaha-hadid-la-reina-de-la-curva-de-laarquitectura-moderna/