AREAS DE LA INGENIERIA CIVIL

INGENIERÍA ESTRUCTURAL

La ingeniería estructural es una rama clásica de la ingeniería civil que se ocupa

del diseño y cálculo de la parte estructural en las edificaciones y demás obras.

Su finalidad es la de conseguir estructuras funcionales que resulten adecuadas

desde el punto de vista de la resistencia de materiales. En un sentido práctico,

la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica de medios continuos para

el diseño de elementos y sistemas estructurales tales

como edificios, puentes, muros (incluyendo muros de

contención), presas, túneles, etc.

Burj Dubai, el edificio más alto del mundo, en Dubái.

Introducción

Los ingenieros estructurales se aseguran que sus diseños satisfagan un

estándar para alcanzar objetivos establecidos de seguridad (por ejemplo, que la

estructura no se derrumbe sin dar ningún aviso previo) o de nivel de servicio (por

ejemplo, que la vibración en un edificio no moleste a sus ocupantes).

Adicionalmente, son responsables por hacer uso eficiente del dinero y materiales

necesarios para obtener estos objetivos. Algunos ejemplos simples de ingeniería

estructural lo constituyen las vigas rectas simples, las columnas o pisos de

edificios nuevos, incluyendo el cálculo de cargas (o fuerzas) en cada miembro y

la capacidad de varios materiales de construcción tales

como acero, madera u hormigón. Ejemplos más elaborados de ingeniería

estructural lo constituyen estructuras más complejas, tales como puentes o edificios de varios pisos incluyendo rascacielos.

Principios estructurales

Debe entenderse como una carga estructural aquella que debe ser incluida en el

cálculo de los elementos mecánicos (fuerzas, momentos, deformaciones,

desplazamientos) de la estructura como sistema y/o de los elementos que la

componen. Las cargas estructurales son generalmente clasificadas como:

cargas muertas que actúan de forma continua y sin cambios significativos,

pertenecen a este grupo el peso propio de la estructura, empujes de líquidos

(como en un dique) o sólidos (como el suelo en un muro de contención), tensores

(como en puentes), presfuerzo, asientos permanentes; cargas vivas que son

aquellas que varían su intensidad con el tiempo por uso o exposición de la

estructura, tales como el tránsito en puentes, cambios de temperatura,

maquinaria (como una prensa), acumulación de nieve o granizo, etcétera; cargas

accidentales que tienen su origen en acciones externas al uso de la estructura y

cuya manifestación es de corta duración como lo son los eventos sísmicos o ráfagas de viento.

Algunos principios básicos del cálculo estructural son:

Aleatoriedad e incertidumbre, sobre el valor de las cargas actuantes,

por lo que estas deben ser tratadas como variables aleatorias por lo que

un cálculo estructural seguro incluye determinar valores estadísticos asociados a la densidad de probabilidad de cada carga. Así se define el valor característico de una carga F de efecto desfavorable como el valor

tal que:

Para los cálculos se define el valor de dimensionado o valor de cálculo que es un valor mayorado calculado a partir del valor característico y los

correspondientes coeficientes de seguridad como:

Donde es el coeficiente de mayoración de fuerzas.

Método de los estados límites, muchas instrucciones técnicas y

métodos recomendados usan este método consistente en identificar un conjunto de situaciones potencialmente peligrosas para la estructura,

cuando el valor de cierta magnitud supera un cierto umbral. El cálculo estructural consiste en identificar un conjunto de magnitudes relevantes y

comprobar que para todas ellas se cumple que:

Donde es valor de cálculo previsto o "valor demando" con una

probabilidad alta a lo largo de la vida útil de la estructura; y es el valor último (o capacidad máxima) que es capaz de proporcionar la estructura por sus características. Si el valor de cálculo previsto no supera en ningún caso la capacidad potencial de la estructura, se juzga que la estructura

mantendrá la integridad estructural y será segura para su uso establecido.

Hipótesis de carga, dadas las incertidumbres existentes sobre una

estructura, y las diferentes condiciones en que puede trabajar, no resulta

posible determinar mediante un único cálculo o combinación de cargas el efecto general de las cargas. Por esa razón la mayoría de instrucciones técnicas establecen diferentes combinaciones de carga, que en su

conjunto reproducen situaciones cualitativamente diferentes que pueden ocurrir durante la vida útil de una estructura.

Elemento Estructural

Elemento estructural es cada una de las partes diferenciadas aunque

vinculadas en que puede ser dividida una estructura a efectos de su diseño. El

diseño y comprobación de estos elementos se hace de acuerdo con los principios

de la ingeniería estructural y la resistencia de materiales.

Clasificación de los Elementos

Dimensionalidad del elemento, según puedan ser modelizados como

elementos unidimensionales (vigas, arcos, pilares, ...), bidimensionales (placas, láminas, membranas) o tridimensionales.

Forma geométrica y/o posición, la forma geométrica concreta afecta a

los detalles del modelo estructural usado, así si la pieza es recta como

una viga o curva como un arco, el modelo debe incorporar estas

diferencias, también la posición u orientación afecta al tipo de estado

tensional que tenga el elemento.

Estado tensional y/o solicitaciones predominantes, los tipos de

esfuerzos predominantes pueden ser tracción (membranas y

cables), compresión (pilares), flexión (vigas, arcos, placas, láminas) o torsión (ejes de transmisión, etc.).

Unidimensionales Bidimensionales

Solicitacion

es

predominan

tes

rectos curvos planos curvos

Flexión

viga

recta, dintel, arquit

rabe

viga

balcón, ar

co

placa, losa, forjado,

muro de contención

lámina, cúp

ula

Tracción cable tensado catenaria membrana elástica

Compresión pilar muro de carga

Elementos lineales

Verticales, comprimidos y rectos: Columna (sección circular)

o pilares (sección poligonal), pilote (cimentación).

Horizontales, flexionados y rectos: viga o arquitrabe, dintel, zapata

corrida para cimentación, correa de sustentación de cubierta.

Diagonales y rectos: Barras de arriostramiento de cruces de San Andrés,

barras diagonales de una celosía o entramado triangulado, en este caso

los esfuerzos pueden ser de flexión tracción dominante o compresión dominante.

Flexionados y curvos, que corresponden a arcos continuos cuando los

esfuerzos se dan según el plano de curvatura o a vigas balcón cuando los esfuerzos son perpendiculares al plano de curvatura.

Elementos bidimensionales

Horizontales, flexionados y planos, como los forjados, las losas de

cimentación, y las plateas o marquesinas.

Verticales, flexionados y planos, como los muros de contención.

Verticales, comprimidos y planos, como los muros de carga, paredes o

tabiques.

Flexionados y curvos, como lo son las láminas de revolución, como

los depósitos cilíndricos para líquidos.

Traccionados y curvos son las membranas elásticas como las paredes

de depósitos con fluidos a presión.

Elementos tridimensionales

Las ménsulas de sustentación

Las zapatas que presentan compresiones según direcciones cerca de la

vertical al pilar que sustentan y tracciones en direcciones cerca de la horizontal.

Diseño de elementos estructurales

Criterio de resistencia, consistente en comprobar que

las tensiones máximas no superen ciertas tensiones admisibles para el material del que está hecho el elemento.

Criterio de rigidez , consistente en que bajo la acción de las fuerzas

aplicadas las deformaciones o desplazamientos máximo obtenidos no superan ciertos límites admisibles.

Criterios de estabilidad, consistente en comprobar que desviaciones de

las fuerzas reales sobre las cargas previstas no ocasionan efectos autoamplificados que puedan producir pérdida de equilibrio mecánico o inestabilidad elástica.

Criterios de funcionalidad, que consiste en un conjunto de condiciones

auxiliares relacionadas con los requisitos y solicitaciones que pueden aparecer durante la vida útil o uso del elemento estructural.

Resistencia

Para comprobar la adecuada resistencia de un elemento estructural, es

necesario calcular la tensión (fuerza por unidad de área) que se da en un

elemento estructural bajo la acción de las fuerzas solicitantes. Dada una

determinada combinación o distribución de fuerzas, el valor de las tensiones es proporcional al valor de la fuerza actuante y del tipo de elemento estructural.

En los elementos lineales el vector tensión en cada punto se puede expresar en

función de las componentes intrínsecas de tensión y los vectores tangente, normal y binormal:

Y las dos tensiones principales que caracterizan el estado de tensión de una viga recta vienen dados por:

Y a partir de ahí pueden calcularse los parámetros de la teorías de fallo adecuada

según el material que forma el elemento estructural. En elementos

bidimensionales que se pueden modelizar aproximadamente por la hipótesis

cinemáticade Love-Kirchhoff, que juega un papel análogo a la teoría de Navier-

Bernouilli para vigas, los vectores de tensiones según planos perpendiculares a

las líneas de curvatura vienen dado en términos de los vectores tangente a las

líneas de curvatura y el vector normal a al elemento bidimensional mediante:

Rigidez

La rigidez de un elemento estructural es un tensor que vincula el tensor de las

fuerzas aplicadas con las coordenadas de las deformaciones o desplazamientos

unitarios. En un elemento estructural existe un conjunto de parámetros de rigidez

que relaciona las fuerzas que se producen al aplicar un desplazamiento unitario

en particular. Las coordenadas de desplazamiento necesarias y suficientes para

determinar toda la configuración deformada de un elemento se llaman grados de

libertad.

En un material de comportamiento elástico las fuerzas se correlacionan con las

deformaciones mediante ecuaciones de líneas rectas que pasan por el origen

cartesiano cuyas pendientes son los llamados módulos de elasticidad. El

concepto de rigidez más simple es el de rigidez axial que quedó formulado en la ley de Hooke.

La pendiente que correlaciona el esfuerzo axial con la deformación unitaria axial

se denomina módulo de Young. En un material isotrópico la pendiente que

correlaciona el esfuerzo axial con la deformación unitaria lateral se denomina coeficiente de Poisson.

El número mínimo de coordenadas de desplazamiento que se necesita para

describir la configuración deformada de un cuerpo se denomina número

de grados de libertad. La llamada ley de Hooke puede hacerse extensiva para

correlacionar de manera matricial la rigidez con los grados de libertad y expresar así la configuración deformada del elemento o cuerpo bajo estudio.

El concepto de rigidez puede hacerse extensivo a los estudios de estabilidad en que se indaga la rigidez "detrimental" que ofrece la geometría del elemento.

Inestabilidad elástica

La inestabilidad elástica es un fenómeno de no linealidad que afecta a elementos

estructurales razonablemente esbeltos, cuando se hallan sometidos a esfuerzos

de compresión combinados con flexión o torsión.

Estados Límite

El método de los estados límites es un método usado en diversas instrucciones

y normas de cálculo (Eurocódigos, CTE, EHE, etc) consistentes en considerar

un conjunto de solicitaciones o situaciones potencialmente riesgosas y

comprobar que el efecto de las fuerzas y solicitaciones actuantes sobre el

elemento estructural no exceden de las respuestas máximas asumibles por parte del elemento. Algunos de los Estados Límites típicos son:

Estados Límite Últimos (ELU)

ELU de agotamiento por solicitación normal (flexión, tracción, compresión)

ELU de agotamiento por solicitación tangente (cortadura, torsión).

ELU de inestabilidad elástica (Pandeo, etc.)

ELU de equilibrio.

Estados Límite de Servicio (ELS)

ELU de deformación excesiva.

ELU de vibración excesiva.

ELU de durabilidad (oxidación, fisuración, etc.)

INGENIERÍA CIVIL Y ESTRUCTURAL

1. Esqueleto estructural y práctica profesional 2. Puentes

3. Edificaciones

1.- Esqueleto estructural

El esqueleto estructural forma un sistema integrado de partes, denominadas

elementos estructurales: vigas, columnas, losas, zapatas de cimentación y otros. A menudo se requiere resolver problemas de elevada complejidad que se

resuelven mediante técnicas de elementos finitos que obligan a penetrar en los calculo diferencial e integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos.

El Ejercicio Profesional

La actividad profesional del ingeniero estructural se inicia con un bosquejo

arquitectónico de la futura edificación, en el cual se comienzan a definir las dimensiones generales tanto en planta como en alzado. Compara las alternativas referentes al material básico de construcción: la conveniencia de

usar concreto reforzado o preesforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada, aluminio u otras posibilidades mas recientes. Asimismo define

previamente las dimensiones longitudinales y transversales de los elementos estructurales. En la ingeniería estructural de las obras urbanas, el trabajo entre arquitectos e ingenieros resulta a menudo inseparable.

Definidas las características geométricas preliminares se pasa al proceso de predimensionamiento de los elementos estructurales: dimensiones de las vigas

y columnas, características de la cimentación, definición de escaleras, muros de contención, posición de ductos de aire acondicionado. Luego se evalúa las cargas que soportara la edificación: cargas muertas que son cargas que no

varían dentro de la estructura ni a lo largo deltiempo; cargas vivas que varían en

espacio o en el tiempo, por el ejemplo, el peso de los ocupantes y los muebles. El ingeniero a cargo debe analizar las fuerzas de reacción y deformaciones que

del esqueleto resistentes debido a las cargas. Para esto muchos ingenieros. Muchos ingenieros disponen de programas computarizados en sus oficinas para la solución de los problemas corrientes. Algunos de los programas empleados

tiene capacidades graficas que generan dibujos de las fuerzas internas y deformaciones para muchos estados de carga. Si las fuerzas internas ( torsión,

momento flexor y cortante) obtenidas del análisis resultan compatibles con las resistentes y las deformaciones se supone terminada la primera fase del procedimiento. Se pueden cometer errores al confiar demasiado en los

resultados automatizados. Si algo falla y no hay quien revise el producto automatizado puede haber consecuencias como perdidas humanas

y de capital. Luego se procede al refinamiento del diseño: se trata de llegar a un modelo que resulte de modo razonable más económico y funcional; al decir razonable

queremos decir que se tenga en cuenta la facilidad constructiva de lo que se analiza y se diseña.

2. Puentes

Puente, estructura que proporciona una vía de paso sobre el agua, una carretera

o un valle. Los puentes suelen sustentar un camino, una Carretera o una vía férrea, pero también pueden transportar tuberías y líneas de distribución de

energía. Los que soportan un canal o conductos de agua se llaman Acueductos. Los puentes construidos sobre terreno seco o en un valle y formados por un conjunto de tramos cortos se suelen llamar viaductos; se llaman pasos elevados

los puentes que cruzan las autopistas y las vías de tren. Un puente bajo, pavimentado, sobre aguas pantanosas o en una bahía y formado por muchos

tramos cortos se suele llamar carretera elevada. Los primeros puentes

Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno o más troncos para cruzar un arroyo o atando cuerdas y cables en valles estrechos. Este tipo

de puentes todavía se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo a la distancia entre dos apoyos) son un desarrollo de estas formas elementales. El método de colocar piedras para cruzar un río, mejorado con troncos situados

entre las piedras para comunicarlas, es el prototipo de puente de múltiples tramos. Los postes de madera clavados en el fondo del río para servir de apoyo

de troncos o vigas permitieron atravesar corrientes más anchas y caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete, se utilizan todavía para atravesar valles y ríos en los que no interfieren con la navegación. El uso de pilas de piedra como

apoyo para los troncos o maderos fue otro avance importante en la construcción de puentes con vigas de Madera. La utilización de flotadores en lugar de apoyos

fijos creó el puente de pontones. Los puentes de vigas de madera han sido los más utilizados desde la antigüedad, aunque según la tradición se construyó un puente de arco de ladrillos hacia el 1800 a.C. en Babilonia. Otros tipos de

construcción, como los puentes colgantes y los cantilever, se han utilizado en la India, China y Tíbet.

Los puentes modernos

Los puentes actuales se identifican por el fundamento arquitectónico utilizado,

como cantilever o de tirantes, colgantes, de arco de acero, de arco de hormigón, de arco de piedra, de vigas trianguladas o de pontones. Cuando es necesario

respetar el paso de barcos por debajo del puente y no es posible construirlo a la altura precisa se construyen puentes móviles. A continuación se indican algunos ejemplos importantes de los diferentes tipos de puentes.

A. Puentes de tirantes

Este tipo de puente se caracteriza porque los tramos no se sujetan por sus extremos, sino cerca del centro de sus vigas. El Puente de Normandía, de 2.200 m de longitud, inaugurado en 1995, atraviesa el estuario del Sena desde

Le Havre a Honfleur, en Francia. Su tramo central tiene una longitud de 856 m. Está diseñado para soportar vientos de hasta 120 kilómetros por hora. El puente

de Forth, sobre el estuario de Forth en Queensferry, Escocia, es un puente ferroviario de acero con dos tramos principales de 520 m cada uno, y una longitud total de 1,6 km; fue construido entre 1882 y 1890 por los ingenieros John

Fowler y Benjamin Baker. El puente de Québec, sobre el río San Lorenzo (Québec, Canadá), terminado en 1917, tiene un tramo principal de 550 m;

soporta una carretera y una vía de tren de dos carriles. El puente de Carquinez Strait, cerca de San Francisco,Estados Unidos, terminado en 1927, tiene dos tramos de 335 m y unos tramos de anclaje de 152 m; fue diseñado para

resistir terremotos. El puente Howrah, sobre el río Hooghly en Calcuta, la India, tiene un tramo principal de 457 m, y se inauguró en 1943. El Gran Puente de

Nueva Orleans (1958) sobre el río Mississippi (Estados Unidos) tiene un tramo principal de 480 m. El Puente de Barrios de Luna sobre el embalse de Barrios de Luna, en España, es el mayor puente del mundo atirantado de hormigón. Entró

en funcionamiento en 1985 y cubre una luz de 440 metros.

B. Puentes colgantes

El ingeniero estadounidense de origen alemán John Roebling diseñó y construyó en 1846 un puente colgante de 308 m sobre el río Ohio en Wheeling, Virginia,

Estados Unidos. Fue el primer puente colgante de cables construido en el mundo. El Golden Gate, en San Francisco, Estados Unidos, inaugurado en 1937,

tiene un tramo central de 1.280 m suspendido de unas torres de 227 m de altura. Tiene un margen de altura de 67 m. El puente sobre el estrecho del Bósforo en Estambul, Turquía, tiene un tramo central de 1.079 m. Se inauguró en 1973 y

constituye la primera comunicación permanente de autopista

entre Europa y Asia. Hasta 1995, el puente de Humber era uno de los puentes

colgantes más largos del mundo. Se construyó en 1980 en el estuario del río Humber, en Inglaterra, con un tramo central de 1.410 m. El puente colgante más

alto, 321 m sobre el nivel del agua, atraviesa el Royal Gorge sobre el río Arkansas, en Colorado, Estados Unidos. El puente colgante de Belgrano, situado sobre el río Paraná, tiene una longitud de 2.000 m. En 1998 se inauguró en

Lisboa el puente Vasco da Gama, el mayor puente de toda Europa, con casi 18 km de longitud, y casi 15 km sobre el agua. Este puente, situado en la

desembocadura del río Tajo, aliviará el tránsito de vehículos por el puente 25 de Abril, inaugurado en 1966 y con 1.013 m de luz. También en 1998 se abrió el puente del estrecho de Akashi, en Japón con un vano central de unos 1.990

metros.

C. Puentes en arco de acero

El ingeniero estadounidense James Buchanan Eads construyó el primer puente de acero sobre el río Mississippi en Saint Louis, Missouri, en el año 1874. El

puente ferroviario Hell Gate, sobre el río East, en Nueva York, era el puente de arco de acero más largo del mundo cuando se inauguró en 1917, con un tramo

principal de 298 m. El puente que atraviesa el río Niágara desde Queenston, Ontario, Canadá, a Lewiston, Nueva York, Estados Unidos, inaugurado en 1965, utiliza un arco de acero de 305 metros.

D. Puentes en arco de hormigón

Durante el comienzo del siglo XX, el desarrollo del hormigón armado proporcionó grandes progresos a la construcción de puentes con arcos de hormigón. El puente del Esla, sobre el río Esla, en España, con un tramo central de 197 m, se

construyó en 1940. El puente de Gladesville (1964) en Sydney, Australia, se

eleva 46 m sobre el río Parramatta con un arco de hormigón de 305 m. En Croacia se construyó un puente de arco de hormigón de 390 m de longitud y

67 m de altura en 1979. El puente Tancredo Neves se sitúa sobre el cañón del río Iguazú y une la localidad de Puerto Iguazú (Argentina) con la ciudad de Foz do Iguaçu (Brasil).

La construcción de viaductos se ha efectuado con puentes de arcos múltiples de hormigón. El viaducto ferroviario Tunkhannock, en Pennsylvania, Estados

Unidos (1916), tiene 724 m de longitud y está formado por diez arcos de 55 m y dos de 30 m. El viaducto para automóviles Columbia, también en Pennsylvania, tiene una longitud de 2.090 m y está formado por 28 arcos de hormigón de 56

metros.

E. Puentes en arco de piedra

El desarrollo del tren provocó la reutilización de los arcos de medio punto en la construcción de puentes, realizados con piedra tallada en los lugares donde esto

resultaba económico. El viaducto de piedra de Ballochmyle, que cruza el río Ayr cerca de Mauchline, en Escocia, tiene un tramo soportado por un arco de medio

punto de 55 m. Un viaducto de 3.658 m compuesto por 222 arcos de piedra comunica la ciudad de Venecia con tierrafirme. El tramo soportado por arco de piedra más grande, de 90 m, es el puente de Syra, en Plauen, Alemania; se

terminó en 1903. No se ha seguido construyendo puentes con arcos de piedra por su alto coste.

F. Puentes de vigas trianguladas

La construcción de puentes con vigas de acero trianguladas o reticuladas se ha

empleado mucho por su bajo coste. Desarrollos recientes han aumentado la longitud de los tramos, así como la utilización de estructuras reticuladas

continuas.

En los últimos años se ha desarrollado la llamada construcción ortotrópica, en la

cual unas planchas de acero de refuerzo actúan al mismo tiempo como soporte de la calzada y como soporte de las vigas transversales y de las vigas maestras

longitudinales. Inaugurado en 1967, el mayor puente de este tipo es el San Mateo-Hayward, en San Francisco, Estados Unidos.

G. Puentes de pontones

Son puentes flotantes permanentes, a diferencia de las estructuras temporales

militares, que se instalan en lugares donde las condiciones locales lo hacen necesario. Un puente flotante de 466 m atraviesa el río Hooghly, en Calcuta, la India; soporta una carretera a 8,2 m sobre el agua con 14 pares de pontones

de hierro, de 48 m de largo y 3,1 m de ancho.

H. Puentes móviles

Además de las secciones de algunos puentes de pontones, los tramos móviles pueden ser basculantes (puentes levadizos), giratorios o de elevación vertical,

según las necesidades locales. El primer tipo de puente basculante fue el ala abatible de madera que servía para cruzar el foso de los castillos y que se

elevaba con cadenas desde el interior. Este tipo de puente, con uno o dos tramos de bisagra y contrapesados, es apropiado para vías navegables estrechas con mucho tráfico. El Puente de la Torre (1894) sobre el río Támesis, en Londres, es

el ejemplo más famoso de este tipo de construcción. Los puentes giratorios tienen un tramo móvil montado sobre un pivote o

plataforma giratoria en su centro. El tramo más largo de este tipo de puente, con 166 m, es el de un puente para trenes y automóviles, terminado en 1927 que cruza el Mississippi en Fort Madison, Iowa, Estados Unidos.

Los puentes de elevación vertical se utilizan para tramos largos donde es necesario despejar toda la anchura del canal y a una altura considerable. El

tramo de elevación vertical más largo transporta una vía de tren sobre Arthur Kill, entre Staten Island y Elizabeth, Nueva Jersey, Estados Unidos; se construyó en 1959. El tramo mide 170 m y tiene un margen de altura de 9,5 m cerrado y 41 m

levantado.

3. Edificaciones

Cargas de un edificio

Las cargas que soporta un edificio se clasifican en muertas y vivas. Las cargas muertas incluyen el peso del mismo edificio y de los elementos mayores del

equipamiento fijo. Siempre ejercen una fuerza descendente de manera constante y acumulativa desde la parte más alta del edificio hasta su base. Las

cargas vivas comprenden la fuerza del viento, las originadas por movimientos sísmicos, las vibraciones producidas por la maquinaria, mobiliario, materiales y mercancías almacenadas y por máquinas y ocupantes, así como las fuerzas

motivadas por cambios de temperatura. Estas cargas son temporales y pueden provocar vibraciones, sobrecarga y fatiga de los materiales. En general, los

edificios deben estar diseñados para soportar toda posible carga viva o muerta y evitar su hundimiento o derrumbe, además de prevenir cualquier distorsión permanente, exceso de movilidad o roturas.

Principales elementos de un edificio

Los principales elementos de un edificio son los siguientes: 1) los cimientos, que

soportan y dan estabilidad al edificio; 2) la estructura, que resiste las cargas y las trasmite a los cimientos; 3) los muros exteriores que pueden o no ser parte de la estructura principal de soporte; 4) las separaciones interiores, que también

pueden o no pertenecer a la estructura básica; 5) los sistemas de control ambiental, como iluminación, sistemas de reducción

acústica, calefacción, ventilación y aire acondicionado; 6) los sistemas de transporte vertical, como ascensores o elevadores, escaleras mecánicas y escaleras convencionales; 7) los sistemas de comunicación como pueden ser

intercomunicadores, megafonía y televisión por circuito cerrado, o los más usados sistemas de televisión por cable, y 8) los sistemas de suministro

de electricidad, agua y eliminación de residuos. A. Cimientos

El diseño de la estructura de un edificio depende en gran medida de la naturaleza del suelo y las condiciones geológicas del subsuelo, así como de

las transformaciones realizadas por el hombre en esos dos factores. 1. Condiciones del suelo

Si se pretende construir un edificio en una zona con tradición sísmica, se deberá

investigar el tipo de suelo a una profundidad considerable. Es evidente que deberán evitarse las fallas en la corteza terrestre bajo la superficie.

Ciertos suelos pueden llegar a licuarse al sufrir terremotos y transformarse en arenas movedizas. En estos casos debe evitarse construir o en todo caso los cimientos deben tener una profundidad suficiente para alcanzar zonas de

materiales sólidos bajo el suelo inestable. Se han encontrado suelos arcillosos que se llegan a expandir hasta 23 cm o más al someterlos a largos periodos de

humedecimiento o secado, con lo que se producen potentes fuerzas que pueden cizallar o fragmentar los cimientos y elevar edificios poco pesados. Los suelos con alto contenido orgánico llegan a comprimirse con el paso del tiempo bajo el

peso del edificio, disminuyendo su volumen inicial y provocando el hundimiento de la estructura. Otros tienden a deslizarse bajo el peso de las construcciones.

Los terrenos modificados de alguna forma suelen tener un comportamiento diferente, en especial cuando se ha añadido o se ha mezclado otro tipo de suelo con el original, así como en aquellos casos en que el suelo se ha humedecido o

secado más de lo normal, o cuando se les ha añadido cemento u otros productos químicos como la cal. A veces el tipo de suelo sobre el que se

proyecta construir varía tanto a lo largo de toda la superficie prevista que no resulta viable desde el punto de vista económico o no es posible edificar con seguridad.

Por tanto, los análisis geológicos y del suelo son necesarios para saber si una edificación proyectada se puede mantener adecuadamente y para hallar los

métodos más eficaces y económicos. Si hay una capa rocosa firme a corta distancia bajo la superficie de la obra, la resistencia de la roca permitirá que la extensión sobre la que descanse el peso

de la construcción no tenga que ser demasiado grande. A medida que se van encontrando rocas y suelos más débiles, la extensión sobre la que se distribuirá

el peso deberá ser mayor. 2. Tipos de cimientos

Los tipos de sistemas de cimentación más comunes se clasifican en profundos y superficiales. Los sistemas superficiales se encuentran a poca distancia bajo

la base del edificio, como las losas continuas y las zapatas. Los cimientos profundos se extienden a varios metros bajo el edificio, como los pilotes y los pozos de cimentación (figura 1). La elección de los cimientos para un edificio

determinado dependerá de la fortaleza de la roca y el suelo, la magnitud de las cargas estructurales y la profundidad del nivel de las aguas subterráneas.

Los cimientos más económicos son las zapatas de hormigón armado, empleados para edificios en zonas cuya superficie no presenta dificultades especiales. Estos cimientos consisten en planchas de hormigón situadas bajo cada pilar de la

estructura y una plancha continua (zapata continua) bajo los muros de carga Los cimientos de losa continua se suelen emplear en casos en los que las cargas

del edificio son tan grandes y el suelo tan poco resistente que las zapatas por sí solas cubrirían más de la mitad de la zona de construcción. Consisten en una losa de hormigón armado, que soporta el peso procedente de los soportes. La

carga que descansa sobre cada zona de la losa no es excesiva y se distribuye por toda la superficie. En las cimentaciones bajo edificios de gran envergadura,

las cargas se pueden repartir por medio de nervaduras o muros cruzados, que rigidizan la losa.

Los pilotes se emplean sobre todo en zonas en las que las condiciones del suelo

próximo a la superficie no son buenas. Están fabricados con madera, hormigón o acero y se colocan agrupados en pilares. Los pilotes se introducen a

determinada profundidad dentro de la roca o suelo y cada pilar se cubre con una capa de hormigón armado. Un pilote puede soportar su carga tanto en su base como en cualquier parte de su estructura por el rozamiento superficial. La

cantidad de pilotes que debe incluirse en cada pilar dependerá de la carga de la estructura y la capacidad de soporte de cada pilote de la columna. Los pilotes de

madera o vigas son troncos de árboles, con lo que su longitud resulta limitada. En cambio, un pilote de hormigón puede tener una altura aceptable y se puede introducir por debajo del nivel freático. En edificios muy pesados o muy altos se

emplean pilotes de acero, llamados por su forma pilotes en H, que se introducen en la roca, a menudo hasta 30 m de profundidad. Con estos pilotes se alcanza

más fácilmente una mayor profundidad que con los pilotes de hormigón o madera. Aunque los pilotes de acero son mucho más caros, su coste está justificado en los grandes edificios, que suelen representar una

importante inversión financiera. Los cimientos de zapatas rígidas se emplean cuando hay un suelo adecuado

para soportar grandes cargas, bajo capas superficiales de materiales débiles como turba o tierra de relleno. Un cimiento de zapatas rígidas consiste en unos pilares de hormigón construidos en forma de cilindros que se excavan en los

lugares sobre los que se asentarán las vigas de la estructura. Estos cimientos soportan las cargas del edificio en su extremo inferior, que suele tener forma de

campana.

3. Nivel freático

La construcción de los cimientos puede complicarse debido a la existencia de

agua subterránea por encima del nivel previsto para los cimientos. En estos casos, los laterales de la excavación pueden no estar seguros y derrumbarse.

La operación de bajar el nivel del agua por bombeo requiere la instalación previa de planchas entrelazadas en los lados de la excavación para evitar derrumbamientos. Cuando la cantidad de agua en una excavación es excesiva,

los métodos de bombeo ordinarios, que extraen a la superficie tierra suelta mezclada con agua, pueden minar los cimientos de edificios vecinos. Para evitar

los daños que puede causar el drenaje al remover el suelo, se emplean sistemas de puntos de drenaje y desagüe. Los puntos de drenaje consisten en pequeñas picas o tuberías con un filtro en uno de sus extremos, y se introducen en el suelo

de modo que el filtro, que impide que la tierra entre junto con el agua, quede bajo el nivel del agua. Esta pequeña tubería está conectada a una tubería múltiple

que se comunica por un tubo flexible a una bomba de agua. Así se extrae el agua bajo la excavación sin peligro para los edificios próximos. El sistema de desagüe puede incluso ahorrar la instalación de planchas en los lados de la excavación,

siempre que no se prevea que el suelo pueda deslizarse sobre la obra debido a su composición o a las vibraciones de maquinaria o tráfico pesado en las

cercanías. B. Estructura

Los elementos básicos de una estructura ordinaria son suelos y cubierta (incluidos los elementos de apoyo horizontal), pilares y muros (soportes

verticales) y el arriostramiento (elementos diagonales) o conexiones rígidas para dar estabilidad a la estructura.

1. Edificios de una o dos plantas

En el caso de edificios bajos es posible una mayor variedad de formas y estilos que en los edificios grandes. Además del sistema de pórticos —también utilizado

en grandes edificios—, las pequeñas edificaciones pueden tener cubiertas a dos aguas, bóvedas y cúpulas. Una estructura de un solo piso puede consistir en una solera de hormigón directamente sobre el suelo, muros exteriores de albañilería

soportados por una losa (o por zapatas continuas, alrededor del perímetro del edificio) y una cubierta. En edificios bajos, el uso de pilares interiores entre los

muros de carga es un método muy común. También pueden emplearse pilares espaciados, apoyados en losas o zapatas, pero en este caso los muros exteriores se soportan por los pilares o están colocados entre éstos. Si la luz de

cubierta del tejado es corta, se utilizan entarimados de apoyo, hechos de madera, acero u hormigón para formar la estructura del techo.

Cada material de la estructura tiene su propia relación peso-resistencia, costo y

durabilidad. Como regla general, cuanto mayor sea la luz de cubierta o techo, más complicada será la estructura que lo soporte y habrá menos posibilidades

para escoger los materiales apropiados. Dependiendo de la longitud de la luz, la cubierta podrá tener una estructura de vigas unidireccionales (figura 2a) o una estructura de vigas bidireccionales, apoyadas en vigas maestras de mayor

tamaño que abarquen toda la extensión de la luz (figura 2b). Los apuntaladores son sustituibles por cualquiera de esos métodos y pueden tener una profundidad

de menos de 30 cm o más de 9 m, y se forman entrelazando los elementos de tensión y compresión en forma de triángulos. Suelen ser de madera o acero, aunque también se pueden hacer de hormigón armado. La estructura de un

edificio de una sola planta también puede consistir en un armazón de techo y muros en combinación, afirmados entre ellos o hechos de una sola pieza. Las

formas posibles de la estructura son casi infinitas, incluida la variedad de tres lados de un rectángulo afirmados en un conjunto llamado armadura (figura 2c), la de forma de iglesia de lados verticales y techo inclinado (figura 2d), la de

parábola (figura 2e) y la de semicírculo o cúpula. La estructura básica y los muros exteriores, suelos y techo pueden estar hechos

como un todo unido, muy parecido a una tubería rectangular con los extremos abiertos o cerrados. Estas formas pueden moldearse en plástico. 2. Edificios de varias plantas

La forma más frecuente de construcción de edificaciones es el entramado

reticular metálico. Se trata en esencia de los elementos verticales que aparecen en las figuras 3a, 3b y 3c, combinados con una estructura horizontal. En los

edificios altos ya no se emplean muros de carga con elementos horizontales de la estructura, sino que se utilizan generalmente muros-cortina, es decir, fachadas ligeras no portantes.La estructura metálica más común consiste en múltiples

elementos de construcción, como se recoge en la figura 3c. Para estructuras de más de 40 plantas se emplean diversas formas de hormigón armado, acero o

mezcla de estos dos. Los elementos básicos de la estructura metálica son los pilares verticales o pies derechos, las vigas horizontales que abarcan la luz en su mayor distancia entre los pilares y las viguetas que cubren la luz de distancias

más cortas. La estructura se refuerza para evitar distorsiones y posibles derrumbes debidos a pesos desiguales o fuerzas vibratorias. La estabilidad

lateral se consigue conectando entre sí los pilares, vigas y viguetas maestras, por el soporte que proporcionan a la estructura los suelos y los muros interiores, y por las conexiones rígidas en diagonal entre pilares y entre vigas (figura 3a).

El hormigón armado puede emplearse de un modo similar, pero en este caso se deben utilizar muros de hormigón en lugar de riostras, para dar una mayor

estabilidad lateral. Entre las nuevas técnicas de construcción de edificios de cierta altura se encuentran la inserción de paneles prefabricados dentro del entramado metálico,

las estructuras suspendidas o colgantes y las estructuras estáticas compuestas. En la técnica de inserción se construye una estructura metálica con un núcleo

central que incluye escaleras de incendios, ascensores, fontanería, tuberías y cableado eléctrico. En los huecos entre las estructuras horizontales y verticales se insertan paneles prefabricados en forma de cajón. Éstos permitirán efectuar

transformaciones posteriores en el edificio.

En la técnica colgante, se construye un núcleo central vertical, y en su parte superior se fija una fuerte estructura horizontal de cubierta. Todos los pisos a excepción de la planta baja quedan sujetos al núcleo y a los elementos de

tensión que cuelgan de la estructura de la cubierta. Una vez terminado el núcleo central, las plantas se van construyendo de arriba a abajo.

En la técnica de apilamiento o estructura estática compuesta (figura 3c) se colocan paneles prefabricados en forma de cajón con la ayuda de grúas especiales, unos sobre otros, y posteriormente se fijan entre ellos.

En edificios de más de 40 plantas el acero se considera el material más

adecuado. Sin embargo, los últimos avances en el desarrollo de nuevos tipos de hormigón compiten con el acero. Los edificios de gran altura a menudo

requieren soluciones estructurales más elaboradas para resistir la fuerza del viento y, en ciertos países, la fuerza de terremotos. Uno de los sistemas de estructura más habituales es el tubo exterior estructural, empleado en la

construcción del World Trade Center (411 m) en Nueva York. En él, con pilares separados y conectados firmemente a vigas de carrera horizontales sobre el

perímetro del edificio, se consigue la fuerza suficiente para soportar las cargas y la rigidez necesaria para reducir las desviaciones laterales. En este caso, para el tubo estructural se empleó una mezcla de hormigón y materiales de

construcción compuestos, hechos de elementos estructurales de acero encofrados con hormigón armado.

En los edificios de gran altura se suele utilizar una combinación de acero y hormigón armado. La elevada relación resistencia-peso del acero es excelente para los elementos de luz horizontal. Los hormigones de alta dureza pueden

aportar de un modo económico la resistencia a la fuerza de compresión necesaria en los elementos verticales. Además, las propiedades de la masa

interna y la humedad del hormigón ayudan a reducir los efectos de las vibraciones, uno de los problemas más usuales en los edificios de gran altura. C. Muros exteriores (fachadas) y cubiertas

Los muros de cortina o fachadas ligeras son el tipo más frecuente de muros no

portantes, y se pueden montar a pie de obra o en origen. Son elementos cuya superficie o piel exterior se ha tratado con material de aislamiento, barreras de vapor o aislamientos acústicos, y una superficie interior que puede formar parte

de los muros de cortina o unirse a ellos. La capa exterior puede estar hecha de metales (acero inoxidable, aluminio, bronce), albañilería (hormigón, ladrillo,

baldosa) o vidrio. Para las fachadas también se utiliza piedra caliza, mármol, granito y paneles de hormigón prefabricados. El método tradicional de construcción de las cubiertas es colocar rollos de tela

asfáltica laminada cubiertos de grava, sobre los elementos de hormigón o acero de la estructura. También se utilizan materiales sintéticos en lugar de rollos de

tela asfáltica. Hay algunos en forma de hierba y alfombras hechas de plástico que se pueden instalar en zonas recreativas del tejado a bajo coste.

D. Separaciones interiores

Los métodos tradicionales de división interna de los edificios han consistido en muros de albañilería de 10 a 15 cm de espesor de hormigón, yeso o piedra pómez, pintados o encalados; también se han utilizado estructuras de madera o

metal cubiertas con listones de madera enyesados. El uso de cartón yeso y

madera laminada está muy extendido. Para conseguir mayor flexibilidad dentro de los edificios se emplean sistemas

intercambiables y desmontables cuya única restricción es el espacio que queda entre los pilares. Estas separaciones pueden estar hechas de materiales metálicos, paneles prefabricados de cartón yeso, sistemas de cortinas plegables

a modo de acordeón, o en caso de problemas de ruidos, cortinas plegables en sentido horizontal o vertical. Los materiales ligeros suelen tener el inconveniente

de no aislar los ruidos y no proteger adecuadamente la intimidad. No obstante las nuevas tendencias incluyen la instalación de separaciones ligeras pero utilizando cada vez más materiales que reduzcan y limiten el ruido. En muchos

edificios los únicos muros de albañilería son los muros contra incendios, entre los que se incluyen los huecos de ascensores, escaleras y pasillos principales.

E. Control ambiental

En muchos países se han desarrollado importantes avances en sistemas de

control de calefacción, refrigeración, ventilación, iluminación y de sonidos. En la mayoría de los grandes edificios se ha estandarizado el aire acondicionado para

todo el año. Algunas zonas de los edificios se refrigeran incluso en invierno, dependiendo de la distancia entre los muros exteriores y del calor que pueden generar la iluminación, los equipos eléctricos o la actividad humana dentro del

edificio. Al mejorar el nivel y la calidad de la iluminación, el coste de los sistemas mecánicos y eléctricos en los edificios grandes ha crecido en mayor medida que

en las casas familiares. Estos costes pueden llegar a suponer un tercio o un cuarto del coste total de la construcción. F. Sistemas eléctricos y de comunicación

La extensión del uso de electricidad, teléfono, equipos de transmisión

por fax, circuitos cerrados de televisión, intercomunicaciones, alarmas y sistemas de seguridad, ha supuesto un aumento en la cantidad de cableado que se instala en los edificios. Los cables principales se tienden verticalmente en

conductos abiertos que se ramifican por cada planta a través de los techos de las mismas o debajo de las baldosas.

La electricidad que necesitan los edificios ha aumentado a causa de los numerosos y complejos equipos que se instalan. Para evitar las consecuencias de fallos en el suministro se suelen instalar equipos generadores de emergencia

en muchos edificios, que en algunos casos, como en zonas alejadas, disponen de sus propios sistemas para generar energía. Cuando se utilizan generadores

diesel o de turbina de gas, el calor que producen las máquinas puede aprovecharse para otros usos del edificio. G. Transporte vertical

Los ascensores por cable, de control automático y alta velocidad, son el tipo de

transporte vertical más utilizado en edificaciones de altura. Los edificios bajos y las plantas inferiores de los edificios comerciales suelen tener Escaleras mecánicas. En caso de incendio debería contarse al menos con dos vías de

salida de la zona principal del edificio. Por ello, además de los ascensores y las escaleras mecánicas, todos los edificios, incluso los más altos, deben disponer

de dos escaleras protegidas a lo largo de todo el edificio.

H. Suministro de agua y eliminación de residuos

Los edificios deben contar con un sistema de tuberías de suministro de agua para beber, lavado, cocinado, instalaciones sanitarias, sistemas internos de

extinción de incendios (ya sea con tuberías y mangueras fijas o por aspersores automáticos), sistemas de aire acondicionado y calderas. La eliminación de los desperdicios secos y húmedos en los edificios se lleva a

cabo por medio de una gran variedad de sistemas. Un método muy usual es verter los desperdicios líquidos a tuberías conectadas a la red de alcantarillado.