Breve charla sobre sistemas estructurales verticales modernos. Parte 1

En esta ocasión platicaremos sobre los diferentes sistemas estructurales que usamos día a día, y de cómo en su intento de llegar cada vez más alto, los ingenieros hemos creado nuevos sistemas que permitan a nuestras estructuras llegar hasta el cielo.

Desde los inicio de la humanidad, y hasta el día de hoy, una de las prioridades del ser humano es el de tener un lugar donde resguardarse de las fuertes condiciones climatológicas del mundo que nos rodea, o simplemente por tener un lugar que le sea cómodo y le de esa satisfacción de relajación y seguridad, empezando desde las cuevas en la llamada edad de piedra, pasando por las chozas de vallas y madera, luego estructuras de barro, hasta llegar a finales del siglo XVIII, principios del XIX, en que se comienza el uso del cemento, que fue un gran impulso para el desarrollo de nuestras construcciones, al ser más fácil de emplear, tener mayor estabilidad y ser fácil de moldear, pero aun no era suficiente, así que comenzamos a emplear el acero, que era más resistente y liviano, hoy día combinamos ambos sistemas e incluimos nuevos materiales, que permitan obtener la mayor rigidez, el menor peso y el mejor costo.

Clasificación de la Estructuración de un edificio

Figura 1.Clasificación de la Estructuración de un edificio

Comenzaremos dividiendo a todas las estructuras en dos partes, según su finalidad, la cual será: la Subestructura y la Superestructura, la primera con el fin de ser el soporte, el inicio, el pie de apoyo, que permitirá dar la estabilidad a toda estructura, según el alcance que deseemos para nuestra superestructura, las hay de muchas formas, y nos referimos exactamente a los diferentes tipos de cimentación que existen y que se seleccionan, en base a diferentes parámetros, como el tipo de suelo donde se va a desplantar, la carga que transmitiremos al suelo, las condiciones geológicas, etc.

Mientras que la superestructura, es la parte de la estructura que cumplirá la función que dispongamos, como cubrir un claro, en el caso de un puente, ofrecer resguardo a un número de personas, como un edificio de departamentos o simplemente proporcionar una estable superficie de rodamiento para el tránsito de vehículos, en un autopista.

Debe entenderse que ambas partes de una estructura, no puede funcionar o cumplir su cometido, sin la otra, es decir de nada sirve la superestructura sin la subestructura y viceversa.

En este momento quiero abundar más sobre la superestructura, la cual la podemos ver desde dos enfoques diferentes, según su uso, sistemas verticales, los cuales nos van a servir para poder alcanzar una altura especifica o resistir las distintas condiciones de cargar a la cual estará sometida nuestro edifico, y los sistemas horizontales, cuyo principal objetivo es el de proporcionar una superficie generalmente plana para distintos usos, como losas o cubiertas.

Clasificación de los edificios, según su altura.

Figura 2. Clasificación de los edificios, según su altura.

Si bien no existe una pauta clara, muchos autores y su humilde servidor, consideramos que según un determinado número de niveles o pisos, permite diferenciar entre edificios bajos, medianos y/o altos, siendo hasta 5 niveles (aproximadamente 15 mts de altura) edificio bajos, de 5 a 10 niveles (entre 15 y 30 mts. De altura) Edificios medianos, y más de 10 niveles, edificios altos.

Según qué tan alto queramos llegar, tenemos una variedad de sistemas estructurales verticales, que nos permitirán llegar a la altura deseada, y no es solo un simple capricho, recordemos que el área de desplante de nuestra estructura por lo general está limitada a unos m2, lo que provoca que entre más alta sea nuestra estructura, mas esbelta se vuelve, haciéndola cada vez más flexible y por tanto más vulnerable, es por ellos que los distintos sistemas estructurales que presento a groso modos, son formas cada vez más confiables de rigidizar nuestro edificio.

Tipos de estructuración vertical

Figura 3. Tipos de estructuración vertical

Muros de Carga

La forma más básica de soportar una carga, es mediante muros de carga, este sistema es talvez el más viejo del mundo y consiste en construir muros, cuya finalidad sea el de soportar un sistema horizontal, tal como lo puede ser una losa de concreto armado, limitado hasta 3 o 4 niveles, no porque no pueda resistir más, si no porque se vuelve más costos seguir usando el sistema a mayor altura, y que además se vuelve menos practico, ya que se necesita engrosar más los muros, para que estos puedan soportar una mayor carga y al incrementar la carga con una mayor altura, llegara el momento, en el que el espesor de muros, ya interfiera con las áreas o espacios libres destinados a un uso específico, lo cual no hace poco práctico.

Clasificación de los muros de carga

Figura 4. Clasificación de los muros de carga

De hecho, este noble sistema tiene una clasificación propia según la configuración de deseemos o más bien las condiciones estructurales a la que estará sometida, por ejemplo los muros confinados internamente, este sistema en algunos casos nos permite llegar hasta los 5 niveles de altura y consiste en usar piezas de mampostería huecas, y reforzarla en su interior con varillas de acero, para luego rellenar los huecos junto con las varillas con concreto,, logrando una gran rigidez de los muros, altamente recomendado en zonas muy sísmicas, ya que reforzamos al muro por cortante, elemento mecánico que por sí mismo casi no resiste la mampostería.

Muros reforzados internamente

Figura 5. Muros reforzados internamente

 

En seguida tenemos los muros de carga confinados, que son ampliamente conocidos en nuestra zona, lo cuales consisten en colocar castillos y cadenas alrededor de todos los muros, con la finalidad de dar confinamiento a la mampostería, especialmente durante un sismo, este sistema muchas veces se confunde su uso, al creer que los castillos harán la veces de pequeñas columnas, pero tengamos en cuenta, que si bien en el cálculo de muros de carga confinados, se permite usar la capacidad de carga de los elementos de confinamiento como un aporte a la capacidad de carga de la mampostería, esta no es su función principal.

Muros de Carga Confinados

Figura 6. Muros de Carga Confinados.

Por último y no menos impórtate, tenemos los muros no reforzados internamente, ni confinados, que son una suerte de muros netamente de carga, y que si bien en algunos casos, aunque parezca contradictorio, si lleva un pequeño refuerzo, es muy minino, o al menos en nuestra normativa mexicana así es.

Este sistema es más conocido en lugares de nula incidencia sísmica, como los países europeos, ya que este sistema en síntesis, no soporta esfuerzos cortantes, o al menos muy, pero muy poco y trabajan puramente a compresión, lo que ha generado una serie de diferente formas de pegar la mampostería para lugar una mayor área de contacto y mayor capacidad de carga.

Muros de carga no confinadas ni reforzados internamente

Figura 7. Muros de carga no confinadas ni reforzados internamente

Algunas formas básicas de pegar la mampostería

Figura 8. Algunas formas básicas de pegar la mampostería.

 

Marcos Rígidos

Una vez comentado sobre los muros de carga, el siguiente paso son las estructuras a base de marcos rígidos, ya sean de concreto o acero, están formados por elementos vigas y columnas, los cuales en conjunto dan la estabilidad y rigidez requerida hasta una altura de 20 pisos, algo así como 60 mts. De altura, donde si bien a niveles muy bajos como 3 o 5 niveles, este sistema puede ser muy rígido, entre más alto es, la estructura se vuelve más flexible, lo que puede provocar su falla.

Hospital en zacatecas, a base de marcos rígidos de concreto

Figura 9. Hospital en zacatecas, a base de marcos rígidos de concreto.

Este sistema fue muy recurrido hasta la década de los 30, donde se dio paso a nuevos sistemas, debido a que a grandes alturas, se volvía inestable, aunque si fue un parte aguas en la ingeniería estructural, ya que su uso, permitió el auge de los métodos de análisis estructural clásicos, como lo son:

  • Método de Cross
  • Método de Kani
  • Método de Takabeya
  • Método del portal Modificado de Naito
  • Método de Naylor
  • Método del Cantiliver
  • Método de Bowman

Aunque claro, el método favorito, fue el método de Cross, que en su momento por su facilidad de usos fue el más difundido, al grado que aun al día de hoy es método favorito en las aulas de clases.

Muros de Cortante

El siguiente nivel para poder llegar aún más lejos, fue usar muros de concreto armado, el cual permitió a las estructuras, (aunque no muchas) llegar un poco más lejos, ya que aumentamos la rigidez de las columnas, pasando de ser un elemento muy esbelto, en relación de todo un muro de concreto, aunque por obvias razones de costos, la idea no fue muy aceptada, así que se hubo que proponer nuevos sistemas, para poder llegar más alto.

Este sistema ayudo al desarrollo del Método de la conexión por cortante (Exacto) y Método de la estructura Equivalente (Aprox), dando pie más tarde al uso del METODO DE ELEMENTOS FINITOS.

Edificio de departamentos, de 11 niveles, completamente a base de muros de concreto armado

Figura 10. Edificio de departamentos, de 11 niveles, completamente a base de muros de concreto armado.

Marcos Rígidos con muros de Cortante

Una vez llegado a este punto, se propuso a realizar una combinación de marcos rígidos y muros de cortante, de esta forma se economiza al seguir usando la cantidad mínima de material con vigas y columnas, y reforzando ciertas crujías, rellenándolas con muros de concreto armado, que rigidizan por completo dicho marco, permitiendo de esta forma que la estructura se más estable.

Edificio estructurado con una combnacion de marcos rigidos y muros de cortante

Figura 11. Edificio estructurado con una combnacion de marcos rigidos y muros de cortante.

En este punto alrededor del final de los 50 y principios de los 60, ocurre dos hechos que revolucionaran la ingeniería estructural, por un lado Richard Courant ya hacía unos años había desarrollado el método de elementos finitos, quien utilizó el método de Ritz de análisis numérico y minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a un sistema de vibración y poco después se le dio una aplicación práctica, al campo de la ingería industrial, de mano del desarrollo de sistemas computacionales más eficientes y funcionales.

Por otra parte Fazlur R. Khan, quien vendría revolucionar la ingeniería estructural y la forma de ver a las estructuras, su visión y noción de la ingeniería estructural, marcan un antes y un después, nombrado por algunos y por su servidor como el Albert Einstein de la Ingeniera estructural.

Fazlur Rahman Khan

Figura 12. Fazlur Rahman Khan

Nos vemos la próxima semana donde abordare los sistemas estructurales más actuales, con ejemplos más específicos.

«Cuando se piensa en el diseño, me pongo en el lugar de un edificio entero, sintiendo cada parte. En mi mente visualizo las tensiones y el torcer que el edificio sufre».

Fazlur R. Khan

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