introducción a las estructuras -...

Introducción a las Estructuras - Jorge Bernal Libro: Capítulo uno - Introducción.

1

Introducción a las Estructuras

Capítulo uno: Introducción.

1. Concepto de las estructuras. Todos los elementos que componen el universo poseen una cierta or-

ganización y orden en su materia que los hacen estables a diferentes esfuer-

zos, especialmente aquellos de origen gravitacional.

Sin excepción, desde una lejana estrella, hasta la partícula molecular

más increíblemente pequeña disponen de una conformación interior que se

denomina “estructura”. Eso les permite soportar cargas de diferentes tipos

sin quebrarse. Desde la estática, la rama del árbol que sostiene los fuertes

embates del viento o desde la dinámica, el regular movimientos de los plane-

tas. Algunos conectados por la continuidad de la materia, otros por el miste-

rioso equilibrio de la atracción de sus masas.

Los sistemas estructurales activos resultan más complejos y sutiles en

la medida que sirvan de protección a otros sistemas pasivos. Las piezas,

vigas, columnas y entrepisos que soportan un edificio son sistemas activos

que permiten mantener en su interior a sistemas pasivos que son los usuarios

y sus elementos para la vida; sean los muebles de las oficinas, como los ele-

mentos vitales de una vivienda.

Lo mismo sucede con los huesos y los músculos de un animal; es el

sistema soporte activo de compresión y tracción. Ellos sostienen los órganos

vitales; es el sistema pasivo.


2

En el ala se dan cuplas internas resistentes. Fugaces efectos de com-

presión y vecinas tracciones; biela en los huesos, tensores en los músculos.

Diseños de soporte de configuración geométrica precisa y material adecua-

do. La Naturaleza nos muestra una asombrosa capacidad para el diseño efi-

ciente de las estructuras. Nada sobra.

Cuanto menor es el espacio que ocupa la estructura activa soporte,

comparada con la interna pasiva o funcional, mayor es el grado de perfec-

ción del diseño estructural. La relación entre el peso de la suma de los dos

sistemas, respecto del peso solo del sistema activo se denomina eficiencia.

Por ejemplo la rama de un árbol puede soportar su propio peso además de las

cargas de viento, en estos casos la eficiencia supera el valor diez.

Las latas de bebidas gaseosas o aerosoles deben soportar elevadas car-

gas de presión. Por su forma, las paredes cilíndricas y la parte superior con-

vexa se encuentran en tracción, mientras que el fondo es una superficie cón-

cava, es la compresión que domina. En esa combinación de diseño y material

existe una elevada eficiencia.

Observamos la delgada cáscara de un huevo con

su conformación exacta y precisa para soportar

esfuerzos de compresión o el reticulado de una

telaraña con todas sus cuerdas en tracción.

El final de este punto es la reflexión sobre

los antecedentes que existían mucho antes de

nuestra tarea profesional de arquitecto o inge-

niero. Antes, primero la naturaleza y luego los

hombres han construido. Observar esas cons-

trucciones nos permite conectarnos mejor con

las piezas soportes, con las estructuras.

Estos conceptos son textuales del pensamiento de Félix Cardellach en

su libro “Filosofía de las Estructuras”, escrito en 1910…hace más de100

años.

Reflexionemos, pues, sobre la naturaleza y función complejas de las formas resistentes de la construcción; refundamos en un mismo crisol la multiplicada y abundosa serie de métodos verificativos que nos ofrece la in-geniería; analicemos la evolución, influencias y relaciones de los diversos ti-pos estructurales históricos y modernos, y seguramente encontraremos, se-dimentado en el fondo de todo este interesante análisis, un verdadero es-trato sintético, un positivo origen de ventajas prácticas en que inspirar nues-tro sentimiento ante el problema de la Construcción a que estamos constan-temente hermanados.

“Filosofía de las Estructuras” F. Cardellach. Barcelona

1010. Prefacio página 4. Editores técnicos asociados.

El arquitecto o el ingeniero tienen ante sí la responsabilidad de crear

espacios cubiertos estables y seguros, donde la estructura soporte resulte

armoniosa, liviana y económica con el fin último de proteger su familia, sus


3

bienes, sus animales, sus alimentos. Esta tarea es posible realizarla porque

antes, miles de años atrás hubieron profesionales de la construcción que si-

glo a siglo fueron descubriendo los misterios de las estructuras.

Observar y reflexionar sobre los éxitos y fracasos del pasado aumenta

el conocimiento. El hombre luego de la revolución agrícola miles de años

atrás deja su nomadismo y se transforma en un organismo sedentario; inven-

ta los pueblos, las ciudades. Para ello necesita ejercitar su razón, su inteli-

gencia en la disposición de las piezas de madera primero, luego las del hierro

combinadas. Surge su interés por las fuerzas, las distancias y los materiales.

Inventa, descubre lentamente la “Estática” y la “Resistencia de los Materia-

les”, todo ajustado a una fina sensibilidad del equilibrio intuitivo.

El edificio, los puentes son la materialización de una idea, de un pro-

yecto donde se conjugan una inmensa variedad de formas y de materiales

para obtener el mayor espacio cubierto con el menor material. Es el desafío

permanente.

2. Tipos de avances. Desde las técnicas constructivas y los materiales hay dos tipos de

avances que se produjo en el hombre. El primero, el natural, el del instinto.

El otro el del razonamiento, el de la inteligencia.

El natural:

Es el biológico de la especie humana en el arte de la arcilla con el es-

partillo para las paredes en el rancho de barro. Del horcón, cumbrera, tacuara

y paja brava para el techo. Es instinto, similar al de algunos animales que

aún permanecen en la artesanía de la arcilla, el tejido con las fibras, la fabri-

cación de cera, el hilo de seda. Reflejo de acción sin razón, milenario. Que-

daron allí, en una parte del cerebro, sea pájaro, hormiga, hombre o abeja.

Desde este análisis en el hombre existe un código genético que lo guía hacia

la construcción del rancho con los elementos naturales.

El instinto responde a una decisión o una acción instantánea. En au-

sencia de la razón. Son caracteres hereditarios que la misma naturaleza im-

planta en el cerebro, en algún lugar del cuerpo, también en el corazón.

El razonamiento:

La evolución del hombre en millones de años pasó del “habilis” al

“erectus”, de éste al “sapiens”. En ese escalón comienza a desarrollar la inte-

ligencia. Razona, piensa, reflexiona antes de avanzar. Imagina antes de cons-

truir. Usa las manos, inventa herramientas. Todo en una continuidad de des-

cubrimientos desde unos 10.000 años atrás hasta nuestros días. Todo es

avance en el arte y el ingenio constructivo.

Pero también existen regresiones. Estamos en un período de la huma-

nidad donde están cambiando algunas pequeñísimas fracciones de nuestro

instinto natural. Cada vez hay más máquinas que facilitan día a día la labor

de las manos. Ahora solo hay botones, cada vez más suaves, más sensibles,

como las teclas que apretamos al escribir.

Otras máquinas ayudan, facilitan el razonamiento lógico matemático.

Juntas, la informática con la tecnología mecánica, producen robots que eje-

cutan rutinas de trabajos perfectos. Creo que el hombre con los milenios


4

perderá parte de sus instintos naturales. Entre ellos el saber construir con

barro, tacuara y espartillo.

3. Las partes. Al observar cualquier edificio se puede establecer sus partes principa-

les. Es posible y con seguridad que según la antigüedad del edificio esas

partes cambien en su posición. Un edificio monumental del imperio romano,

al estudiarlo vemos que todo es masa gravitatoria estructural, si avanzamos

unos mil años, nos encontramos con el gótico, con otra composición y dise-

ño. Así hasta nuestros días donde los grandes edificios poseen tres grandes

rubros:

Estructural: todas las piezas en forma individual y conjunta que

soportan las cargas gravitatorias de su peso propio, de las sobre-

cargas de uso y las dinámicas posibles de viento y sismo.

Cierre: paredes, carpinterías, tabiques. Externos o internos. Aís-

lan el edificio del exterior y generan las subdivisiones de usos in-

ternas.

Servicio: electricidad, sanitarios, gas, ascensores y otras instala-

ciones que posibilitan que el edificio funcione para el confort del

usuario.

En construcciones pequeñas, de baja altura, tal como una vivienda

unifamiliar de planta baja, los cerramientos y las estructuras pueden funcio-

nar de manera simultánea o combinada. Una pared que separa dormitorios

puede soportar parte de la cubierta y también es divisoria de ambientes.

De esta inicial clasificación nos interesan solo las estructuras. Para es-

tudiarlas es necesario el conocimiento de las fuerzas que actúan sobre el

edificio, tanto las externas como las internas. Las primeras son las generadas

por el viento, el sismo, la nieve, el agua y efectos térmicos. Las segundas, las

internas son gravitatorias; el peso propio y las sobrecargas de uso.

Luego, en capítulo siguiente estudiamos dos aspectos de las cargas; su

diseño y cálculo. El más difícil es el diseño; es la elección y disposición de

los materiales tanto estructurales como de cierre para generar el menor peso

gravitatorio posible. El otro, el cálculo, es la determinación matemática del

valor de las cargas. En ambos casos es una operación proyectada al futuro,

porque el edificio aún no existe. Es una delicada operación de pronóstico.

Unos miles de años atrás la estructura se confundía con los cerramien-

tos. No existía una marcada diferencia entre ellos. Los soportes eran mura-

les; paredes gruesas, generosas en espesor y ejercían una doble función: es-

tructural (soportaban las cargas) y de cerramiento (cobijaban al usuario).

Arriba, para formar la cubierta se transformaban en arcos, bóvedas o dinte-

les. Durante siglos se construyó de esa manera, en especial en los edificios

monumentales; palacios, catedrales, panteones.

No quedan vestigios del sistema constructivo estructural para la vi-

vienda de los servidores, de los plebeyos. Imaginamos que según la región

construían de igual forma que nuestros antepasados: arcilla, espartillo, tacua-

ra, horcón, cumbrera. Puntal y dintel. Sujetados con tientos de cuero crudo.

Sistema primitivo aunque efímero en el tiempo de los siglos fue y sigue

siendo un sistema estructural por lejos más eficiente que los otros monumen-

tales.


5

4. Observación.

De los edificios existentes.

En la mayoría de los grandes edificios las estructuras son bien identi-

ficadas durante la construcción. El esqueleto estructural se adelanta a los

elementos de cierre, de servicios y de terminación. La estructura por un corto

período permanece en espera a la llegada e instalación de los restantes ru-

bros. Es allí, en ese plazo que observamos todos los elementos estructurales

al desnudo.

La costumbre de observar estos soportes descarnados e imaginar la

forma que actuarán, es una saludable gimnasia para alertar la mente a los

fenómenos estructurales. No es fácil adquirir esa costumbre de examen. Para

buenos resultados debe ir acompañada de un método de una secuencia. En

estos casos es útil imaginarse la “marcha” de las cargas y los esfuerzos que

producen según el elemento. Suponer colores para cada esfuerzo; rojo para

la compresión, amarillo para el corte, verde para la tracción. Pintar con un

imaginario pincel los espacios que distinguimos en los cambios de esfuerzos

internos. Esta acción no es mirar, es mucho más. Es indagar con la reflexión

cada una de las partes de la estructura del edificio.

De las acciones externas.

Una práctica repetida es averiguar y resolver las acciones externas que

actúan sobre una estructura y luego imaginar los esfuerzos que se producen

en el interior de cada pieza.

En la primera parte de este ejercicio se elaboran los razonamientos pa-

ra encontrar las acciones externas. Es un puente; en este caso el que une la

provincia de Corrientes con la del Chaco. La primera imagen es la turística

de paisaje. Es amplia general, abarca todo; el río, las orillas, los árboles, los

pontones, el puente y los vehículos.


6

La imagen que sigue separa el paisaje y enfoca las piezas que sostie-

nen al puente. Las columnas, los tensores y las placas de rodamiento vehicu-

lar. El objeto de la observación se ubica solo en un sector del puente.

Para el análisis es necesario efectuar categorías de acciones, de fuer-

zas externas. Una la cotidiana y permanente; es la fuerza que genera la masa

con la aceleración terrestre de la gravedad. De ella resultan el peso propio

del puente y el peso de los vehículos que circulan.

La otra es inercial; la fuerza del agua sobre los pilares, la del viento

sobre toda la estructura, la frenada o aceleración de los vehículos. Por último

las fuerzas generadas por acciones térmicas; la dilatación o contracción de

las piezas con la variación de la temperatura. Una fuerza inercial de caracte-

rística accidental es el posible choque de barcazas o barcos contra los cabe-

zales, pero esa fuerza es amortiguada o resistida por los pontones flotantes

ubicados en los laterales de los cabezales.

Así clasificadas las acciones es posible imaginar que las columnas in-

clinadas actúan a compresión, los cables a tracción y los tableros vehiculares

a flexión o flexo compresión. Todas en constante perturbación por la acción

de las inerciales de viento, sismo, agua y temperatura.

En resumen, no es solo mirar, es conveniente y hasta necesario medi-

tar. Si aspiramos a integrar la sociedad técnica de la ingeniería o arquitectu-

ra, debemos aprender a reflexionar, pensar en quienes serán motivo de nues-

tra existencia profesional; los edificios.

De los esfuerzos internos.

Lo anterior fue imaginar las fuerzas que actúan desde el exterior de la

estructura, ahora debemos descubrir y bosquejar las líneas de los esfuerzos

que se ubican en el interior de la masa de la pieza. Para ello separamos un

elemento estructural, en este caso, una viga de hormigón.

El esquema elemental mecánico para la representación de una viga es

una línea que se une a los apoyos, es el gráfico superior del dibujo que sigue.

Es conveniente también dibujarla en escala, con las columnas de soporte y la

línea de entrepiso.


7

Cuando actúan las cargas, incluso las de peso propio, dentro de la viga

se forman de manera ordenada, vías, caminos de esfuerzos diferentes. Pare-

ciera que existe una “inteligencia” interior como los semáforos de una ciu-

dad. La viga ordena la dirección y recorrido con líneas según las tensiones.

Los esfuerzos de compre-

sión se marcan en línea llena,

mientras que los de tracción con

rayas. Estos esfuerzos de signos

opuestos generan flexión en la

zona central y corte en las cerca-

nías del apoyo. Lo vemos en corte

longitudinal.

Una manera de esquemati-

zar a las líneas de esfuerzos es utilizar el concepto de “biela y tensor”. Las

bielas como los cordones comprimidos de una cercha y los tensores en los

traccionados, tal como se indica en la figura que sigue.

Antes fueron cortes longitudinales, ahora hacemos un corte transversal

para revelar solo las líneas de compre-

sión, allí aparecen esas “bielas” com-

primidas buscando puntos rígidos que

en este caso es la unión de los estribos

con las barras longitudinales.

Esas líneas de compresión llegan

a la columna. En toda su altura convi-

ven de manera simultánea la acción y la

reacción, todas las partículas son afectadas en

efecto de aplastamiento. Pero además el hormi-

gón se encuentra entre rejas; los estribos y las

barras verticales.


8

Hay un efecto de confinamiento y dentro de la masa otra vez las líneas

buscan los lugares resistentes.

Escenarios.

El paisaje diario es biótico y antrópico. El primero es el de los orga-

nismos vivos sean animales o vegetales. Es la fauna o la flora. Lo antrópico

se relaciona solo al hombre; las señas, las huellas que él deja en su paso; las

ciudades, las viviendas, los edificios, los puentes. En cualquier lugar urbano

encontramos los dos. Al caminar por la vereda a la derecha el árbol (biótico)

en el cantero y a la izquierda el edificio (antrópico). Ambos están relaciona-

dos íntimamente, ambos sufren la misma acción: la fuerza de gravedad te-

rrestre.

La observación de ambos. En ida y vuelta es lo que hace posible esti-

mular y afinar la cualidad del diseño estructural.

Estructuras orgánicas, la naturaleza.

Nuestro trabajo es proyectar y ejecutar obras. Diseñarlas desde los

proyectos y llevarlas a la realidad con la utilización de los materiales y de la

habilidad de los operarios albañiles.

La naturaleza también construye minuto a minuto, detesta los espacios

vacíos. Con las condiciones mínimas de supervivencia todos los rincones se

cubren de vida animal o vegetal. El constructor y la naturaleza tienen algo en

común; construir. El hombre lo hará ladrillo a ladrillo mientras que nuestra

vecina lo hace molécula a molécula.

Muchas ciencias en los últimos años han detenido sus especulaciones

abstractas para demorarse en observa los acontecimientos cotidianos que nos

presenta la Naturaleza. Así surge en forma ordenada, aunque lenta, pero

precisa una nueva ciencia que interesa a todas las otras: la Biónica.

Biónica, palabra formada por Biología y Técnica, es un campo inter-

disciplinario de investigación que tiene por objeto verificar la posible aplica-

ción de la técnica desarrollada por la Naturaleza en elementos para uso y

control del hombre. Busca los conocimientos básicos de soluciones que la

naturaleza aplicó en forma ejemplar a sus propios problemas.

Es una ciencia nueva. Nos resultará útil analizar sus fines y alimentar-

nos de su metodología para facilitar la comprensión de todos los fenómenos

y leyes que rigen las cosas que construimos. Las formas, los materiales, las


9

leyes que los controlan, las dimensiones, todo, por audaz y avanzado en el

diseño no dejan de encontrarse cercanas a lo ya realizado por la Naturaleza.

Esta tarea lleva a los técnicos a interesarse por la biología, a la vez que

estimula a los biólogos a ocuparse de la técnica. Los responsable del diseño

estructural, sean ingenieros o arquitectos, no pueden escapar al análisis pro-

fundo de modelos naturales.

Las soluciones.

Los diseños de la Naturaleza en los millones de años, son por lejos

más ecológicos y económicos en el uso de los materiales que aquellas reali-

zadas por el hombre. Ecológicas porque no deterioran el medio ambiente y

económicas porque siempre utilizan el mínimo material.

Existen innumerables analogías entre la naturaleza y las técnicas del

hombre para construir cosas, pero muchas de ellas aún no pudieron ser apli-

cadas, a pesar del espectacular desarrollo de la tecnología en los últimos

años. Resulta frecuente notar que luego de encontrar la solución a un pro-

blema técnico, la naturaleza lo tenía resuelto hace miles de miles de años

atrás.

Un ejemplo.

La rama casi horizontal de un centenario algarrobo, llega y supera una

longitud de 8,00 metros. Allí está quieta sin la acción del viento. En ese

momento, si la acción de la gravedad tiene el valor uno (1), la resistencia de

la rama es diez (10). Significa que la Naturaleza diseña con un coeficiente de

seguridad más alto que el necesario de las fuerzas gravitatorias. Diseña para

la eventualidad de grandes tormentas. La fuerza de los vientos en cualquier

dirección, también lo tiene en cuenta; la rama posee forma circular, con una

leve tendencia elíptica hacia el eje vertical de las fuerzas gravitatorias.

Para el diseño que empleó la Naturaleza con la rama y con todo

lo orgánico estructural combinó innumerables variables. Solo citamos

algunas generales.

Crecimiento molecular: lo resuelve con la rama en voladizo. Se

extiende desde el tronco en una dirección.


10

El tronco: fuerzas caóticas del viento: forma circular aproximada, resiste

en cualquier sentido (sección BB).

Las ramas: fuerzas caóticas pero con predominio de la gravitatoria; for-

ma elíptica (sección AA).

Resistencia a la rotura: alcanza valores en el entorno de los 100 Mpa

(1.000 kg/cm2), tanto a la compresión como a la tracción.

Material isótropo y uniforme: Isótropo porque resiste por igual la trac-

ción que la compresión, uniforme porque su resistencia es constante en

la sección transversal.

Fuerzas imprevistas: las tiene en cuenta con elevado coeficiente de segu-

ridad de diez. Este coeficiente está incorporado genéticamente en la se-

milla que origina al árbol. El árbol puede vivir por décadas sin sufrir

ninguna tormenta, pero el coeficiente está codificado desde sus ances-

tros. No es una variable impuesta por el entorno individual de un ejem-

plar.

Deformaciones: ningún árbol queda doblado luego de una tormenta. Por

ello utiliza un material elástico, sin plasticidad. Retiradas las fuerzas, sus

fibras vuelven a llevarlo a la posición original.

5. La eficiencia y el diseño.

Las revoluciones.

Se analiza la historia de la humanidad desde cambios intensos en cor-

tos tiempos. Por ejemplo la Revolución Científica se inicia en el siglo XVI

con Copérnico, Galileo, Kepler, Descartes, Newton y otros más. Luego le

sigue la Revolución Industrial con dispositivos que generan energía a través

del calor; la máquina de vapor. Es la tecnología que avanza desde finales del

siglo XVIII mejorando el confort humano de manera continua. Creemos que

existe otro fuerte cambio a fines del siglo XIX con la obtención del acero

barato y el descubrimiento del hormigón armado. Esto da inicio a la Revolu-

ción de la Construcción. En cortas décadas las alturas y diseño de los edifi-

cios y sus estructuras se modifican, cambian.

La eficiencia.

En los inicios de esta última revolución surgen las carreras de arqui-

tectura y de ingeniería. Todo en busca de una mayor eficiencia estructural:


11

aumentar el valor de la relación entre carga soportada y peso propio. El re-

sultado de este avance es una mayor superficie cubierta disponible.

Para entender mejor, realizamos una comparativa entre distintos tipos

de edificios construidos por el hombre a largo de su historia. El factor de

comparación es la relación entre superficie ocupada por soportes (muros y

columnas) y la superficie cubierta.

Es: Eficiencia en relación de superficies.

Se: Superficie de estructuras soportes (columnas y paredes).

Sl: Superficie libre ocupacional.

Hacemos un estudio aproximado desde los planos de planta de cada

uno de los edificios:

Templo egipcio (3.500 años).

Panteón romano (900 años).

Rancho rural. (6.000 años).

Pabellón en Córdoba. (Era actual).

El panteón fue realizado en la era cristina (año 120 d.C.), por Adriano

y dedicado a “todos los dioses”. Imponente por sus magnitudes. Posee un

diámetro en planta y elevación de 43 metros. Si bien nos presenta la novedad

de la gran cúpula, eliminando la columna y dintel, la sección las paredes que

llegan al suelo son notablemente grandes.

En esta obra las paredes, en algunas secciones tienen un espesor de

siete metros, ellas insumen un porcentual de superficie cercano al 28 por

ciento. Las paredes se confunden con la bóveda; en su arranque posee 3,70

metros de espesor terminando en el centro con 2,50 metros. Tan magnífica-

mente grande que da la sensación de una gran masa ahuecada. Tanto que

surge una curiosa leyenda: durante la construcción de la bóveda se rellenó de

tierra el interior para utilizar como encofrado natural. El constructor dejó al

azar monedas de oro enterradas para que los operarios se sientan atraídos en

la tarea posterior del retiro…una leyenda.


12

Ambas obras se encuentran separadas en el tiempo por varios siglos,

muchos. Sin embargo es escaso el avance realizado en cuanto a la disminu-

ción de las secciones de los elementos soportes.

En general en los templos egipcios las sumatoria de las secciones de

las columnas representan un 20 por ciento del espacio de todo el edificio.

Dicho de otra forma: en un edificio de cien metros cuadrados, 20 eran ocu-

pados por las columnas.

En este caso a pesar de ser una construcción más antigua que el pan-

teón, se ha utilizado en la cubierta vigas de madera. La flexión permite au-

mentar el espacio útil.

En las construcciones pequeñas, las que hacen a la vida misma; las vi-

viendas comunes, la choza, el albergue milenario, muestra una curiosa conti-

nuidad en sus soluciones estructurales y técnicas constructivas. Los ranchos

de barro y techo de paja que vemos en nuestras zonas rurales y suburbanas,

poseen detalles de la era neolítica. Se repiten por siglos. Incluso de un conti-

nente a otro. Es imposible mejorar el diseño estructural utilizando solo la

arcilla, el espartillo y la madera.


13

Son estructuras sin ingenieros ni arquitectos. Los artesanos fueron

transmitiendo sus habilidades y conocimientos de generación en generación.

En este caso aumenta la eficiencia porque la cumbrera y las tacuaras de cu-

bierta soportan flexión, dejando la compresión a las paredes y puntales. La

proyección de paredes y columnas es del 9 por ciento.

Una obra construida a finales del siglo pasado ya con la tecnología del

hormigón pretensado. Elijo el Pabellón Verde de la Feria Permanente de

Córdoba. La suma de las secciones de columnas solo llega al 0,60 por ciento.

Según el tipo de diseño estructural serán los esfuerzos que actúan en la

construcción. Los arcos, las bóvedas y paredes son gravitatorios de compre-

sión y ocupan elevadas superficies. La incorporación de la madera, el hierro

o el hormigón armado como viga en flexión reduce las secciones. Aún más

efectivas son las estructuras que solo utilizan la tracción como principal y la

compresión como secundaria.

La estructura de mayor eficiencia es aquella que posee mayor cantidad

de elementos en tracción; las tiendas de campaña. Tan elevada es su efi-

ciencia que pueden ser desarmadas y transportadas en su totalidad.


14

Excepto los postes de soporte, todos los otros elementos están someti-

dos a tracción. Además es una estructura pretensada. Cuando es armada se

aplican fuerzas de tracción a los cordones para el tensado de la carpa.

En base a los ejemplos anteriores podemos dibujar una curva donde el

eje de las ordenadas son los valores de eficiencia y en las abscisas los cuatro

tipos de combinación de esfuerzos principales.

a) Compresión dominante (Panteón).

b) Compresión con poca flexión (Templo).

c) Compresión con mucha flexión (Rancho).

d) Tracción dominante (Estructura hormigón armado).

El diseño estructural es lo que hace liviano y hueco a un elemento. Las

pirámides de Egipto impresionan por su magnitud y tamaño, por su peso,

pero desde el diseño estructural no poseen ningún atractivo, podría decir que

es un sólido de igual resistencia. Sin embargo la más pequeña hoja de un

árbol demuestra toda una ciencia aplicada en sus nervios estructurales para

mantenerse en posición al sol a pesar todas las fuerzas que se le aplican;

viento, peso propio, nieve.


15

La inteligencia de hombre en las ciencias de la construcción se aplica

para obtener ahorro del material y de mano de obra en las distintas construc-

ciones. Especialmente por la severa competencia existente entre conceptos

tales como economía de obra, funcionalidad y belleza del edificio. Con estas

ideas previas podemos desarrollar ahora el concepto de estructura:

Es la manera de conseguir la mayor resistencia con el mínimo mate-

rial, mediante la utilización más apropiada de las formas y los materiales.

Conseguir lo máximo mediante lo mínimo. La estructura no consiste en ha-

cer algo más fuerte agregando masa y volumen, sino utilizando menos mate-

riales de la manera más apropiada consiguiendo así la resistencia necesaria.

6. Motivos del avance. El avance en el aprovechamiento de las superficies y de las esbelteces

de las formas estructurales fue posibles gracias varios acontecimientos que

se dieron en el tiempo. Algunos en forma simultánea, otros separados.

1) La razón que deriva en ciencia teórica.

2) La ciencia teórica que deriva en aplicada

3) Descubrimientos de nuevos materiales.

4) Aprendizaje del error.

La razón hacia la ciencia.

La razón hacia la ciencia es el inicio y desarrollo del conocimiento

con método. Lo inicia Aristóteles y Arquímedes con la palanca; principio de

toda estabilidad de una estructura (300 a.C.). Luego las matemáticas con su

avance interpretan los fenómenos. Galileo en su “discurso” explica el fun-

cionamiento del voladizo de madera (1.600 d.C.).

Le sigue el conocimiento, la explicación de la conducta de los diferen-

tes materiales. Surge la Resistencia de los Materiales con Navier, Hooke,

Euler (1.650 d.C.). El descubrimiento del cálculo infinitesimal por Newton y

Leibnizt permite demostrar la relación de las elásticas de las vigas con las

fuerzas (1.750 d.C.).

De la ciencia teórica a la aplicada.

La imprenta, los libros, la expansión y la divulgación del conocimien-

to. La ciencia es pública, todos se adelantan a patentar sus ideas, las presen-

tan en congresos, se escribe en revistas especializadas. La ciencia teórica,

celosamente guardada por unos pocos empuja a la sociedad a crear las pri-

meras universidades de ingeniería o arquitectura.

Todos los conocimientos anteriores comienzan a ser aplicados, previo

ensayos, pruebas, errores y vuelta de nuevo a los ensayos. Así surgen los

métodos de cálculo que configuran los inicios de una disciplina: la ingeniería

estructural y el diseño. Junto con ese cambio la ingeniería militar se trans-

forma en ingeniería civil.

Se logra conocer, predecir, con bastante aproximación matemática los

sucesos dentro de las piezas en los reducidos tiempos que van de la acción a

la reacción. Es la revolución científica de la teoría y luego la revolución in-

dustrial de los conocimientos aplicados.


16

Descubrimientos.

La madera como material estructural existió antes que el hombre. En

los principios fue utilizada tal como nos entregaba la naturaleza; el tronco.

Luego con la máquina de vapor y el acero permitieron el corte, el aserrado y

la elaboración de piezas a medidas. Con la energía y los adelantos de la quí-

mica se obtienen productos derivados de la madera que resultan descubri-

mientos de nuevos materiales; las placas multi laminadas, las vigas encola-

das, los nuevos sistemas de uniones, de nudos.

Con el hierro pasa lo mismo, la fabricación barata del hierro permite

transformar este material estratégico para la guerra en un material disponible

para las obras civiles. El hierro y su combinación con carbono, surge el acero

que se utiliza en forma de tubos, perfiles, ángulos, de todas las formas. El

tornillo y planchuela de hierro llevan a la madera a realizar un salto en su

utilización; aparecen los sistemas triangulados como las cabriadas o cerchas,

tanto para cubiertas como para entrepisos. El hierro y la madera son aliados

para resolver los problemas constructivos. Se afirma la Estática y su compa-

ñera inseparable, la Resistencia de los Materiales como ciencias.

Aprendizaje.

Estos acontecimientos que culminan a fines del siglo pasado, creó en

los constructores un desmedido entusiasmo. Pensaron haber llegado al fin

que el tamaño se desprendía del diseño. La teoría de la escala de Galileo

ingresaba en el terreno de los cuestionamientos. Así comenzaron a construir

todo tipo de gigantescos aparatos. Grandes locomotoras, temerarios puente,

impresionantes vigas y también inmensos barcos. El equívoco queda demos-

trado con solo recordar al Titanic, toda una superestructura flotante. Tam-

bién numerosos puentes que inclusive cayeron antes de su terminación.

Fueron décadas de ensayos a escala real, de la prueba y el error. El di-

seño estructural durante ese tiempo se ajusta a nuevas pautas indiscutibles de

la realidad. Hasta nuestros días se producen ajustes en el aprovechamiento

de los nuevos materiales y de la aplicación de las diferentes teorías de cálcu-

lo.

7. Variables del diseño.

General.

Cualquier obra que realice el arquitecto o ingeniero es una agresión al

estado natural. Los primeros rubros de una construcción: limpieza del te-

rreno (tala de árboles y arbustos), excavación (quiebre del suelo), rellenos o

terraplenes (modificación de las cotas naturales). Las palas, picos y moto

sierras son las primeras herramientas que ingresan a la obra. Para la Natura-

leza más que herramientas son armas de destrucción.

Es parte del diseño evitar el daño y aceptar en cierto grado las varia-

bles que imponen el lugar y la geografía del terreno. No es un discurso eco-

logista, pero el buen diseño debe aceptar y compartir algunos accidentes

vegetales y topográficos.

Decenios atrás, hablar de diseño estructural cabía únicamente para

grandes obras, para construcciones de notable envergadura. El resto de la

construcción cotidiana se manejaba sobre códigos dictados por el instinto y

costumbre.


17

Ahora, para un mismo edificio o vivienda existen infinitas posibilida-

des estructurales o alternativas de diseños de sostén. El diseño es arte. El arte

es elegir lo mejor de infinitas alternativas. Esto no lo resuelve una ecuación

matemática. Para el diseño arquitectónico se necesita primero la idea, luego

el pensamiento, más adelante la reflexión. En esta última fase ingresan las

alternativas del diseño estructural. Hay que elegir. Debemos decidir. Miles,

creemos millones de combinaciones se pueden hacer combinando las formas

y los materiales. Para resolver este problema disponemos del cerebro. Pen-

sar.

Células nerviosas.

El cerebro se constituye de células, millones. Descubrimos que están

unidas en forma aparente caótica por finísimos filamentos que transmiten

impulsos eléctricos. La sinapsis es el funcionamiento en conjunto de las

células mediante terminales de contacto. Cuando nos enfrentamos a un dise-

ño tenemos la suerte de disponer esa posibilidad combinatoria mental (sinap-

sis) que terminará resolviendo de alguna manera la combinatoria del conjun-

to y elementos del di0seño.

La sinapsis rígida, que la podemos comparar con el disco rígido de

una computadora. Son los filamentos que ya vienen conectados genética-

mente, es la intuición. La avispa de pared hace su nido con un material com-

binado. Es la arcilla con micro fibras vegetales. La avispa no necesita ir a la

escuela. Esa conexión ya la tiene en su pequeñísimo cerebro. Es hereditario.

El hombre también lo posee, según la región y el clima construirá la vivien-

da adecuada. Con materiales y formas distintas. Pero son órdenes que ya

están instalados en el cerebro.

La sinapsis flexible, son las conexiones que activa la razón. Lo igno-

ramos en este momento, no lo sentimos porque es involuntario, pero para

escribir estas palabras se conectan miles de células. Aún más cuando esta-

mos frente a un diseño estructural. Si la gimnasia es buena, ellas siguen tra-

bajando aún cuando descansamos. Nos acostamos en la noche preocupados

por la ausencia de solución a un problema y al día siguiente nos levantamos,

sin quererlo, sin llamarla, la solución ya está en la mente.

Pensar es imaginar un suceso futuro o pasado en forma general. Re-

flexionar es detener el pensamiento en solo algunos aspectos particulares del

suceso. Hay diferencia entre pensar y reflexionar. Son actos distintos, pero

son ejercicios de la mente. En el diseño, una vez pensada y establecida la

primera idea del futuro proyecto, se pasa a la reflexión. Allí, ya en este te-

rreno hay un proceso de contrastación, de verificación, de eliminación, de

sustitución. Con la reflexión se filtran, se eliminan muchas alternativas de

diseño y lentamente se sostienen una, dos o tres posibles. Al final, de horas,

incluso de días, queda una sola. Allí está en trazos gruesos sobre ese papel

que tantas veces tuvo que reemplazarse.

8. El proceso de diseño. La arquitectura trata de ordenar el ambiente que nos rodea. Ofrecer

mejores posibilidades al asentamiento humano, controlar el ambiente físico,

la disposición de la circulación. Organización de las funciones, de su agru-

pamiento o segregación. También modifica el paisaje.


18

Lo dicho es una apretada enumeración del vasto alcance de la Arqui-

tectura, pero dentro de ella está la voluntad de construir. Para ello requiere

de la ayuda de la Estática, de la Resistencia de Materiales, de las Formas

estructurales, del Equilibrio. En definitiva, en esa combinación se necesita

del diseño estructural. En la actualidad no se puede hablar de proyectos ar-

quitectónicos sin tener presente y en debida cuenta las distintas fases del

diseño.

El diseño es anterior al proyecto. El diseño es la idea general, es el

pensamiento que gira con una idea original sobre la forma de sostener la

cubierta de un techo o la plataforma de un puente. Luego llega el proyecto en

el momento de instalarnos sobre el tablero de dibujo y comenzamos con

cuestiones más concretas.

La ingeniería y también la arquitectura se mueven históricamente en-

tre los bajos y altos, algo así como cuando se habla de las olas que producen

el empirismo y el cientificismo. Se disputan la cresta. La primera mitad del

siglo XIX la construcción es empirista, a finales de ese mismo siglo y prin-

cipios del XX, pasa a ser cientificista generando la compleja costumbre de la

validez del conocimiento solo si pasa por la prueba de una demostración

matemática.

Esto produjo una separación, un alejamiento entre las tareas del inge-

niero y el arquitecto. Los primeros adoptaron la línea cientificista y los se-

gundos, más prácticos quedaron en la del empirismo. El diseño estructural

no es posible realizarlo con fórmulas matemáticas. Esa maniobra equívoca

produjo la bifurcación de los caminos; los arquitectos diseñan y los ingenie-

ros calculan. Un error en el objetivo final de las disciplinas. Ambos deben

diseñar.

Diseñar una estructura es concebir y determinar, la correcta combina-

ción de los conjuntos y elementos citados más arriba. Todo en armonía y

concordancia con el proyecto de arquitectura, de tal forma que ambos dise-

ños, el arquitectónico y el estructural se complementen y conformen una

única obra total.

En los últimos decenios y con la ayuda de los poderosos programas de

cálculos informáticos, el ingeniero se ha instalado en el espacio y en el tiem-

po junto al arquitecto en las fases de diseño. Se deja de lado la errónea cos-

tumbre de trabajar por separados. Antes, el ingeniero ingresaba al proyecto

recién cuando éste estaba terminado desde la arquitectura.

El cálculo.

El cálculo está después del diseño. Para la ejecución de un puente, se

realizan esbozos, los croquis preliminares, los borradores, que establecen las

pautas del diseño. Colgante, en arco, con pilares o sin ellos, de acero u hor-

migón. En ésos borradores quedará estampada la elección tomada de las

infinitas variables posibles, luego vendrá el cálculo para establecer las cargas

que actuarán y los esfuerzos que ellas generan dentro del material.

“Las teorías rara vez dan más que una comprobación de la bondad o del desacierto de las formas y proporciones que se imaginan para la obra. Estas han de surgir primero de un fondo intuitivo de los fenómenos, que ha quedado como un pozo íntimo de estudios y experiencias a lo largo de la vi-da profesional.

El cálculo no es más que una herramienta para prever si las formas y dimensiones de una construcción, simplemente imaginada o ya realizada, son aptas para soportar las cargas a que ha de estar sometida. No es más


19

que la técnica operatoria que permite el paso de unas concepciones abstrac-ta de los fenómenos resistentes a los resultados numéricos y concretos de cada caso o grupo especial de ellos. Todo proyectista que descuide el cono-cimiento de sus principios, está expuesto a graves fracasos”.

“Razón y ser de las estructuras”. Eduardo Torroja.

El cálculo puede transformarse en rutinario, puede incluso mecanizar-

se, también incorporarlo a una computadora. Se introducen los datos, la má-

quina los procesa y nos entrega los resultados. Así de simple.

Todo lo contrario es el diseño; jamás es rutinario. Exige de reflexión y

creatividad. Por sobre todas las cosas se necesita pensar. Es caso es que en la

universidades hay tanto para aprender que rara vez queda tiempo para pen-

sar.

Conocidos los esfuerzos máximos que producen las cargas (acciones)

y además elegido el material y la forma (diseño) se pasa al dimensionado. Es

un procedimiento ordenado y prolijo de expresiones y fórmulas matemáticas

que se utilizan para verificar y controlar un diseño estructural. El cálculo no

genera ni crea formas, únicamente las revisa y analiza su estabilidad. En esta

última fase se determinan las secciones de cada pieza de la estructura.

La tarea de diseño y el cálculo no son completas si no se acompañan

de los detalles de cada pieza. La forma que se unen, la posición de las arma-

duras, el tipo de material. Estos detalles se dibujan en planos que juntos

componen el capítulo “detalles constructivos”. Todo debe ser acompañado

de un escrito donde se establecen todas las indicaciones y explicaciones para

la ejecución de la obra.

introducción a las estructuras -...

Documents