Rafael Riddell C. - Diseño estructural

El curso mencionado se dicta en la Escuela de Ingeniería desde 1975. Con el pasar de los años su contenido se ha ido enriqueciendo con los aportes efectuados por los autores, y las aplicaciones se han orientado decididamente hacia los casos de diseño estructural que son habituales en el ejercicio de la Ingeniería Civil en Chile.

El propósito del curso es entregar una visión global del problema del diseño estructural, lo cual difiere de lo que se persigue en los cursos de diseño específico para cada uno de los materiales. Para obtener esta visión global se expone a los alumnos a un amplio conjunto de casos de diseño, considerando diferentes tipos de esfuerzos internos o condiciones de estabilidad, esfuerzos simples o combinaciones de esfuerzos, distintos materiales estructurales incluyendo tanto sus rangos de comportamiento elástico como inelástico, y las dos filosofías básicas del diseño: el método de las tensiones admisibles y el diseño por capacidad última. Por supuesto que la elección de los casos que se estudian no cubren todas las situaciones posibles, sino aquellas más usuales. El texto satisface una necesidad, ya que no hay material actualizado en castellano ni en otros idiomas que cubran el original contenido del curso de Diseño Estructural.

En este texto se ha hecho especial énfasis en los aspectos conceptuales y generales, limitando a un mínimo los aspectos normativos de detalle que serán cubiertos posteriormente en los cursos de diseño para materiales específicos. Aun cuando se ha tratado de simplificar los desarrollos analíticos, no se ha sacrificado el rigor en los casos que necesariamente han debido abordarse. Así mismo, como primer curso de diseño estructural, cada vez que ha sido pertinente se han abierto ventanas introductorias a diversas áreas de la disciplina, como la Confiabilidad Estructural, el Análisis Plástico, la Mecánica de Suelos, y el Hormigón Pretensado.

Los autores están conscientes de que el material que se presenta a continuación puede ser excesivamente extenso para ser tratado en un curso semestral con tres sesiones semanales de 80 minutos cada una. El profesor de un curso básico de Diseño Estructural que utilice este texto deberá seleccionar necesariamente los temas que serán incluidos en su curso, pero debe en lo posible respetar lo esencial de su filosofía, cual es el introducirse en el problema del diseño a través de las múltiples formas en que se presenta, y adquirir de esta forma una base conceptual sólida para poder estudiar posteriormente el diseño en cada material estructural específico. Por otra parte, el material de este texto también puede ser usado en forma parcial para enseñar los aspectos básicos de diseño, en uno o más materiales, a alumnos de otras carreras relacionadas con la Ingeniería Civil, como Arquitectura y Construcción Civil.

Capítulo 1

INTRODUCCION AL DISEÑO ESTRUCTURAL

1.1 ASPECTOS BASICOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

1.1.1 Diseño Estructural

El objetivo final del diseño estructural es proveer una estructura segura y económica para satisfacer una necesidad específica. Por seguridad entendemos la capacidad resistente de la estructura para servir sin fallas durante su vida útil. Por cierto, el diseño incorpora consideraciones de orden económico, ya que siempre pueden haber soluciones alternativas, y para cada una de ellas un óptimo, o costo mínimo, al que se procura llegar.

En cualquier proyecto podemos distinguir las siguientes etapas:

• Identificación de una necesidad

• Anteproyecto (Ingeniería Conceptual e Ingeniería Básica)

• Proyecto (Ingeniería de Detalle)

• Ejecución

La necesidad puede ser de cualquier índole: vivienda, hospital, infraestructura de transporte, o una planta industrial, entre infinitos ejemplos. En cualquiera de estos casos habrá de realizarse un anteproyecto que requiere la identificación de todos los elementos necesarios y sus características fundamentales, o etapa de ingeniería conceptual, para realizar una estimación preliminar de los costos con el objeto de evaluar la justificación económica del proyecto (pre-factibilidad). Esta estimación se realiza en base a datos existentes y experiencia de proyectos similares, por ello puede tener un margen de error del orden del 25 a 30 %.

Si la pre-factibilidad da resultado positivo, se pasa a la etapa de ingeniería básica, que consiste en pulir el anteproyecto, definiendo en forma más precisa los componentes (especificaciones de equipos, necesidades de energía, layout, obras civiles y especificaciones en general). En esta etapa hay que realizar estudios simples preliminares, pero ellos ciertamente implican un gasto en horas-hombre. Como resultado, el anteproyecto quedará mejor definido reduciéndose el margen de error en los costos al rango de un 15 a 20 %.

En un proyecto civil, la construcción de un puente por ejemplo, los estudios preliminares comprenderán diversas disciplinas como: Transporte, Hidrología, Hidráulica, Geotécnica, Estructural, Eléctrica, Derechos (servidumbre de paso y expropiaciones), Impacto Ambiental, Impacto Social, Sistema Constructivo, etc. El anteproyecto producido sirve de base para el estudio de factibilidad definitivo, después del cual podrá tomarse la decisión de realizar el proyecto y pasar a la etapa de ingeniería de detalle o proyecto definitivo. La ingeniería de detalle comprende la ejecución de los planos y especificaciones completas para la construcción, equipamiento, montaje y puesta en marcha del proyecto. El diseño estructural interviene en la etapa de anteproyecto primero con la concepción de una forma estructural apropiada al caso y una estimación de su costo, y posteriormente con la producción de un prediseño de estructuración. En la etapa de proyecto se desarrollará el diseño definitivo incluyendo planos de detalles estructurales.

Las etapas del diseño estructural son las siguientes:

• Estructuración

• Análisis

• Dimensionamiento

La estructuración comprende la definición de la forma, o tipo estructural, incluyendo el material a usar. Por ejemplo, un edificio de hormigón armado se puede estructurar en base a marcos, en base a muros, o a una combinación de ambos; en cada uno de estos casos hay que optar entre alternativas, por ejemplo, en el caso de estructura de marcos habrá que definir cuántas columnas tendrá cada plano resistente, es decir, decidir el espaciamiento entre ellas. En el caso de un puente, puede estructurarse como un reticulado de acero, un arco de hormigón armado, una losa sobre vigas de hormigón pretensado, una losa sobre vigas de acero o una infinidad de alternativas que dependen principalmente de la luz a cubrir. En todo caso, la estructuración que prevalecerá en definitiva será aquella que, satisfaciendo todas las condiciones de seguridad y funcionalidad de la obra, tenga el mínimo costo.

El análisis comprende la modelación de la estructura y el cálculo de deformaciones y esfuerzos internos de sus elementos. Este es un campo bien desarrollado de la Ingeniería Estructural en el que se dispone de herramientas computacionales poderosas. Tales herramientas, sin embargo, están en constante revisión según progresa el conocimiento del comportamiento real de los materiales.

El dimensionamiento, comúnmente llamado también “diseño” de los elementos, requiere la consideración del tipo de solicitación (carga axial, flexión, corte, torsión), del comportamiento del elemento frente a tal solicitación, en lo que obviamente incide el material a usar, y del nivel de seguridad que es razonable adoptar. Cabe destacar que el diseño no es exclusivamente un problema de resistencia, ya que con frecuencia pueden controlar las condiciones de serviciabilidad, por ejemplo, la limitación de deformaciones para el adecuado funcionamiento o prestación de servicio de un elemento.