PREDIMENSIONAR ESTRUCTURA

PRE-DIMENSIONAR COMPONENTES ESTRUCTURALES DE CONCRETO ARMADO EN ARQUITECTURA

En Costa Rica los y las profesionales en ingeniería civil con especialidad estructural son  responsables del cálculo y diseño de las estructuras que dan soporte al espacio construido. El profesional en Arquitectura es responsable del diseño espacial, formal y organizacional de los proyectos edificatorios.
Para el diseño estructural los y las ingenieros estructurales requieren del diseño para calcular las cargas o pesos del edificio (vivas y muertas) y para analizar la geometría que compone la propuesta. Adicionalmente necesitarán de estudios específicos que muestren la constitución de los tipos de suelos donde se construirá, la capacidad de soporte, la estabilidad de taludes, presencia de mantos acuíferos, así como la topografía de la superficie, entre otros.
Entonces procede al análisis de la forma y configuración de la estructura propuesta y en ella a la suma de todas las cargas del edificio, empezando desde los niveles superiores a los niveles inferiores. Cada nivel del edificio debe ser capaz de soportar sus propias cargas, trasmitirlas al nivel inferior y de ser el caso soportar y trasmitir cargas de niveles superiores. Todas las cargas, se trasmiten por los componentes estructurales al suelo, a un estrato que tenga la capacidad de soporte superior a la carga que se le trasmite.
También debe analizar las cargas de viento, sísmicas, por retención de tierra (muros), por agua (tanques, piscinas), etc.

La paradoja que se presenta es que para estos cálculos se debe tener un diseño, pero para elaborar ese diseño el arquitecto debe concebir un pre-diseño de estructura con dimensiones, geometría y refuerzos que sean muy cercanas a las que podría recomendar el ingeniero civil. En caso contrario, si el diseño arquitectónico no se aproxima a esas dimensiones los ajustes al diseño podrían afectar las ideas proyectuales y transformar drásticamente el proyecto, situación que además tendrá impacto en el presupuesto del valor de la obra. Incluso podría verse afectado el programa arquitectónico original y hasta la viabilidad del proyecto.
Por tanto, el arquitecto debe tener conocimientos básicos y el dominio de temas asociados a principios estructurales que le permitan reconocer cómo se trasmiten las cargas en las estructuras, cómo la geometría y las cargas afectan y deforman los componentes estructurales, cuáles son las deformaciones y cómo se debería reforzar la estructura, entre otros.
En el presente texto e imágenes se describe un método para realizar el pre-dimensionamiento de componentes estructurales de concreto armado, no debe entenderse como método de cálculo final, solo es una herramienta que puede utilizarse para el proceso de diseño previo al análisis que debe realizar un o una profesional de ingeniería civil estructural.
Éste procedimiento es útil para el pre-dimensionamiento de componentes estructurales de concreto armado en proyectos arquitectónicos cuya geometría es organizada a partir de formas y volúmenes rectangulares, con planos y marcos estructurales. Adicionalmente se dan recomendaciones para reforzar el sistema estructural, útil en proyectos de baja escala.
Importante mencionar que el procedimiento posibilita acercarse al dimensionamiento preliminar de vigas, columnas, losas. Dimensionamiento de la sección menor de las geometrías, y no a la constitución total del componente estructural. Por tanto, solo se tendrá la aproximación a las medidas externas del componente. Será el o la profesional en ingeniería civil estructural quién defina en detalle estas dimensiones y la constitución interna del componente, a saber, indicará el tipo de concreto a utilizar y la resistencia en kg/cm2, además indicará el tipo de acero (varillas), la cantidad y la disposición de la armadura interna. También podría indicar la necesidad de mayores ajustes o refuerzos complementarios.

DISEÑO ESTRUCTURAL
El diseño estructural se basa en el entendimiento de la mecánica. La mecánica es una rama de las ciencias físicas que se ocupa del estado de reposo o movimiento de cuerpos sometidos a la acción de fuerzas.
-Estática: Se ocupa del equilibrio de un cuerpo que está en reposo o que se mueve con una velocidad constante.
-Dinámica: se ocupa del movimiento acelerado de un cuerpo, se divide en cinemática (aspectos geométricos del movimiento) y cinética (fuerzas que provocan el movimiento).
Para la estática y para la dinámica los cuerpos son rígidos e indeformables. La Mecánica del Sólido se ocupa de los cuerpos sometidos a esfuerzos y deformaciones producto de la acción de las cargas.

CARACTERÍSTICAS QUE DEBEN TENER LAS ESTRUCTURAS
-Equilibrio: Estado de un cuerpo cuando las fuerzas que actúan sobre él se compensan destruyéndose mutuamente. En una estructura, tanto ella como sus componentes deben reaccionar con una magnitud igual y con la dirección opuesta a la carga o fuerza.
-Estabilidad: Deben mantenerse erguidas y no volcarse. Su centro de gravedad debe estar lo mas centrado posible respecto a su base y cercano al suelo. La estabilidad se puede conseguir añadiendo masa (peso/volumen) a su base, anclando o empotrando la parte inferior en el suelo.
-Rigidez:  Es la capacidad de una pieza o componente estructural o de un material sólido para soportar esfuerzos sin sufrir deformaciones ni desplazarse. Las estructuras cuando soportan una fuerza (carga) se deforman. Esta deformación no debe ser excesiva para cumplir su función. Para lograr rigidez la estructura uniones que eviten el movimiento, hacer triangulaciones con barras o componentes adicionales y utilizar una forma geométricamente apropiada a los esfuerzos.
-Resistencia: Capacidad de soportar las tensiones a las que está sometida sin romperse o colapsar. La resistencia está ligada a la forma de la estructura y los materiales que la constituyen.

-Deflexión: La deflexión, en ingeniería estructural, se refiere al movimiento de una viga (que modifica su forma) desde su posición original, debido a las fuerzas y cargas que se aplican al miembro o componente.

-Inercia: Es la tendencia de un cuerpo determinado a permanecer/continuar moviéndose en línea recta a una misma velocidad.

-Torque: Es un tipo de fuerza que no es lineal si no que provoca el giro. Un ejemplo del torque es el que ejerce el motor sobre la transmisión de un vehículo. Otro es la fuerza que aplicamos para abrir o cerrar una puerta de giro en bisagras.

-Momento de Inercia: Es una medida de la inercia rotacional de un cuerpo. Es similar a la inercia sólo que se aplica en rotación más que en un movimiento que sea lineal y puede pensarse como masa rotacional. El momento de inercia depende de la distribución de la masa en un cuerpo. Lo que quiere decir que a mayor distancia de la masa al centro de rotación mayor será el momento de inercia. Esto es en base a ejes principales de inercia, que se reflejan distributivamente en su masa en torno a un eje de giro.

Las estructuras deben ser lo más ligeras posible con el finalidad de disminuir la carga fija o propia y ahorrar material o costos económicos.

CARGAS EN UNA ESTRUCTURA
Las cargas son fuerzas que actúan sobre la estructura:
Cargas fijas o permanentes: Peso propio de la estructura. Peso de los materiales que la constituyen. No varían con el paso del tiempo. A estos se suman los pesos de los objetos o componentes que siempre están apoyados o ubicados sobre la estructura.
Cargas vivas, temporales o variables: Cargas del peso propio de las personas, mobiliarios, fuerza del viento, peso de agua, peso de nieve, sismos, vehículos, taludes, etc. Pueden variar con el paso del tiempo o solo actúan en ocasiones y no tienen el mismo valor. Las cargas afectan a la estructura de diferente manera, depende de la ubicación. de la intensidad de la carga, de la dirección de la misma y del punto de aplicación. El código sísmico de Costa Rica delimita el valor de la carga por metro cuadrado para diferentes tipos de cargas temporales. Estas cargas, que pueden ser vistas en la siguiente tabla, son mínimas. El profesional responsable del diseño deberá considerar las condiciones específicas del proyecto a las que será sometido cada nivel o piso del proyecto para efecto de incrementar el valor o peso de la carga.

ESFUERZOS EN UNA ESTRUCTURA.
Producto de aplicar cargas a los componentes de una estructura aparecen tensiones internas. A esas tensiones se las denomina esfuerzos. Los esfuerzos pueden provocar deformaciones o roturas de los cuerpos y en las estructuras si la forma o los materiales que la constituyen no son los adecuados.

-Tracción. Cuando un componente es sometido a dos fuerzas o cargas opuestas que provocan el estiramiento.

-Compresión. Cuando un componente es sometido a dos fuerzas o cargas que provocan que se comprima por aplastamiento.

-Flexión. Cuando un componente es sometido a fuerzas que provocan una curvatura.

-Torsión. Cuando un componente es sometido a dos fuerzas o cargas opuestas que provocan un retorcimiento.

-Corte o cizalladura. Cuando un componente es sometido a dos fuerzas o cargas opuestas que provocan la ruptura o corte.

-Pandeo. Cuando un componente es sometido a dos fuerzas o cargas opuestas que provocan la deformación por flexión.

DEFORMACIONES/ESFUERZOS EN MARCOS DE CONCRETO ARMADO
Marco Estructural es un sistema compuesto por al menos dos COLUMNAS (componente que transfiere cargas en su eje vertical) y una VIGA (componente que transfiere cargas en su eje horizontal) que se une a las columnas en su extremo superior.

TRANSMISIÓN DE CARGAS DE LOSAS A VIGAS DE CONCRETO ARMADO

La transferencia de las cargas de una losa a las vigas que la soportan en su perímetro se da de diferentes formas dependiendo del sistema estructural de la misma.

• Las losas rectangulares sin viguetas, transfieren la carga a las vigas de perímetro, de acuerdo al área de influencia.
• Las losas rectangulares con viguetas de soporte transfieren la carga por medio de éstas a las vigas en que se soportan. Cada vigueta soporta un área de influencia a partir del centro del claro existente entre dos viguetas.
• Las losas rectangulares con nervaduras transfieren la carga a las vigas donde se soporten las nervaduras. 

Para calcular el espesor o altura de una losa rectangular de concreto armado maciza (sin viguetas y/o nervaduras) se debe dividir la dimensión o luz menor del rectángulo entre 40.

No se recomienda la construcción de losas con espesores menores a 8cm.

Para losas con soportes de viguetas o nervaduras, prefabricadas o no, la altura o espesor del sistema (losa + viguetas) se podría determinar dividiendo la dimensión o luz menor del rectángulo entre 20.

REFUERZO EN MARCOS DE CONCRETO ARMADO
Un marco estructural de concreto armado es más resistente a las cargas por sismo en su longitud a lo largo del plano en que se inscribe, no así en su espesor. Para una mayor resistencia el marco estructural puede ser reforzado de múltiples maneras. Ampliando la sección de columnas y viga; Reforzando los vértices entre columnas y viga; Ampliando la sección longitudinal de la columna; etc.

CÁLCULO PRELIMINAR DIMENSIÓN VIGAS DE CONCRETO ARMADO

Viga es un componente estructural que transfiere cargas en su eje horizontal a columnas.

Para el cálculo preliminar para el dimensionamiento de vigas de concreto armado se recomienda como sección menor 20cm x 20cm. Se puede utilizar una dimensión menor en el ancho o base de la viga de 15cm siempre que la altura sea igual o mayor a 30cm.

• El cálculo preliminar para determinar la altura de una viga en un marco simple: se divide la luz o distancia inter columnas entre 10; 
• En un marco con viga en voladizo: se divide la distancia o medida del voladizo entre 5.
• En un marco compuesto de varias columnas y varios claros o luces: se divide la distancia de la luz mayor entre 10;

En un sistema compuesto o en un proyecto en donde los marcos del sistema primario presentan diversos tipos de claros o luces se debe utilizar la altura mayor. En estos casos la diferencia que podría existir entre cada tipo de viga, dependiendo de la luz y cargas, será la cantidad de acero de refuerzo interno, también podría utilizarse una dimensión distinta en la medida del ancho o base de la viga.

EJEMPLO: ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN ARQUITECTÓNICA, SISTEMA DE ORDEN ORTOGONAL

EJEMPLO: ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN COLUMNAS CONCRETO ARMADO

EJEMPLO: ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN VIGAS CONCRETO ARMADO

EJEMPLO: VISTA EN 3D SISTEMA DE MARCOS PRIMER NIVEL

EJEMPLO: VISTA EN 3D SISTEMA DE MARCOS PRIMER NIVEL + SEGUNDO NIVEL

CÁLCULO PRELIMINAR DIMENSIÓN COLUMNAS DE CONCRETO ARMADO

Para realizar el cálculo preliminar de la sección de columnas se debe precisar el área de influencia que transfiere cargas a la misma. Es importante recordar que en un sistema de marcos estructurales las vigas que se apoyan en la columna son las que transfieren las cargas. A las vigas se transfieren las cargas de cada nivel por medio de las losas y viguetas, entre otros componentes principales.

Para efectos del cálculo preliminar o pre-diseño de la estructura y sus dimensiones se puede considerar que cada metro cuadrado de área de influencia transfiere 1600kg (entre carga viva y muerta) a la columna.

El área de influencia de la imagen anterior se calcula con la siguiente fórmula:

Área Influencia = ((A/2)+(B/2)) * ((C/2)+(D/2))

A continuación, en la tabla se presenta un ejemplo de cálculo para una columna en un sistema de marcos, el área de influencia hipotética se define en 40m2.

NIVEL	ÁREA DE INFLUENCIA: Se utilizará un área hipotética de 40m2	CARGA POR NIVEL: 1600kg por m2 de área de influencia. Para el nivel superior cubierta y el nivel inferior sobre suelo se puede considerar  carga  de 1200kg	CARGA ACUMULADA POR NIVEL: Carga propia del nivel + carga del nivel superior	ÁREA DE SECCIÓN COLUMNA: Carga/100kg=cm2	DIMENSIONES DE SECCIÓN COLUMNA: En columnas cuadradas la sección menor recomendada es de 20cm x 20cm.
3 NIVEL CUBIERTA	40m2	48,000kg	48,000kg	480cm2	15cm x 32cm o 20cm x 24cm o 22cm x 22cm
2 NIVEL ENTREPISO	40m2	64,000kg	112,000kg	1120cm2	15cm x 75cm o  20cm x 56cm o 35cm x 35cm
1 NIVEL SUELO	40m2	48,000kg	160,000kg	1600cm2	15cm x106cm o 20cm x 80cm o 30cm x 54cm o 40cm x 40cm

Por último, recordar que este procedimiento es una aproximación para definir preliminarmente las dimensiones, geometría, composición y refuerzos en una estructura regular ortogonal en marcos estructurales para efectos del diseño arquitectónico. El cálculo definitivo debe realizarlo un profesional de ingeniería civil estructural.