A través del análisis estructural se pueden determinar tanto la fuerza como la estabilidad de una edificación, además de que proporciona datos sobre posibles fallas o defectos del proyecto. ¿Eres estudiante de ingeniería civil e incluso de arquitectura y quieres saber más sobre este procedimiento, incluyendo sus conceptos básicos y cómo se realiza? ¡Llegaste al lugar indicado! ¡Continúa leyendo y descubre toda información al respecto!
¿Qué es el análisis estructural?
El análisis estructural de un edificio, puente, u obra de características similares se refiere al proceso mediante el cual se evalúa la capacidad de carga estructural y se determinan las fuerzas internas que actúan en el soporte de la construcción. Esto se hace con el propósito de comprender las rutas e impactos que tiene el desarrollo del proyecto, además de que garantiza que la edificación resista cualquier eventualidad, tal es el caso de sismos, tormentas, ciclones e inclusive ataques con explosivos.
Por otro lado, el análisis estructural también se puede definir como el procedimiento empleado para evaluar la integridad estructural de cualquier tipo de inmueble mediante el estudio de su diseño y desarrollo para identificar eventuales fallas. Hablamos, por lo tanto, de una alternativa a los sistemas tradicionales de construcción para que todos los elementos de la obra tengan una mejor resistencia.
Te puede interesar: Descubre todo lo que hace una Constructora y cuáles son los elementos que la componen
Conceptos básicos del análisis estructural
Para conocer más a fondo los principios que integran al análisis estructural, te presentamos a continuación los 8 conceptos primordiales que debes tomar en cuenta a la hora de estudiarlo:
1. Investigación de cargas
Se refiere a la identificación de las posibles cargas o acciones que la estructura puede tener a lo largo de su vida útil, las cuales son las siguientes:
- Cargas muertas: corresponde al peso propio de la estructura y los acabados.
- Sobrecargas de uso: se trata de la ocupación de personas en un edificio, equipos en movimiento o el traslado de los automóviles en un puente.
- De viento: son las presiones o fuerzas horizontales y ascendentes que el viento ejerce sobre una construcción.
- Empuje de tierras: es la carga que ejerce el terreno en la cara exterior o superior de un muro. Su estudio se lleva a cabo en túneles y estructuras subterráneas como sótanos.
2. Idealización y modelado
Dentro del análisis estructural, la idealización es un proceso por el cual una edificación real y las cargas que actúan sobre ella se reemplazan por modelos más sencillos con la finalidad de simplificar su estudio. Esto se debe a que las estructuras son sumamente complejas, por lo que se opta por un sistema más simple para determinar su respuesta predictiva.
Por otra parte, el modelado se inicia con el esqueleto mecánico del proyecto, incluyendo sus cimientos, pilares, perfiles metálicos, pórticos y cerchas, entre otros. Muestra cómo se verá la obra en realidad y debe ser procesado hasta que solo quede la estructura portante que transferirá las cargas aplicadas al terreno.
3. Cargas dinámicas
Se definen como las vibraciones o “sacudidas” que se producen en una edificación con características cambiantes cada vez que ocurren. Se dividen en dos categorías: las deterministas, que son funciones de tiempo que pueden preverse con exactitud, y las no deterministas, que se establecen mediante parámetros estadísticos, como el efecto del viento.
4. Cargas por sismos
Es un concepto del análisis estructural que se utiliza para nombrar a las repercusiones que un sismo origina sobre la estructura de una edificación y que deben ser soportadas por esta última. Se transmiten por medio del suelo y su estimación varía dependiendo de la zona en la que se encuentra el inmueble, generalmente se calculan en fuerzas estáticas equivalentes y consideraciones energéticas.
5. Respuesta de la estructura
A lo largo de la vida útil de una construcción, distintas cargas actúan simultáneamente sobre ella, por lo que hay que evaluar su respuesta ante la combinación de todas ellas. Por ejemplo, la acción simultánea del peso total y la sobrecarga de uso; o bien, la carga muerta y la del viento son combinaciones a las que puede estar sometida la obra en conjunto.
6. Condiciones de contorno
Se definen como las diversas formas de apoyos, conexiones o vínculos físicos o geométricos entre elementos estructurales que interactúan y de alguna manera limitan los movimientos del sistema estructural, al mismo tiempo que permiten la transmisión de esfuerzos. Existen condiciones de contorno que, como estudiante de ingeniería o arquitectura, puedes calcular con el software de diseño inteligente Revit de Autodesk:
- Restringidas o fijas
- Articuladas o móviles
- Simétricas
- Con problemas estáticos y dinámicos
7. Rango elástico lineal
El rango elástico lineal es muy importante dentro del análisis estructural, debido a que es un modelo con el que se puede determinar el comportamiento de los materiales utilizados mediante una ecuación constitutiva óptima. Los más comunes que encontrarás en ingeniería son los siguientes:
- Modelo elástico lineal e isótropo: permite establecer las deformaciones suficientemente pequeñas de cualquier sólido elástico.
- Modelo elástico lineal ortotrópico: es una modificación del modelo anterior, hecho para materiales cuya resistencia y comportamiento depende de la dirección, por ejemplo, laminados o elementos de madera.
- Modelos de plasticidad y viscoplasticidad: otorgan una predicción más precisa de las cargas de colapso o fallo de estructuras. Asimismo, permiten el ahorro de material, ya que calculan el rango de trabajo de todos los elementos que experimentan transformaciones irreversibles sin riesgo de ruptura.
8. Indeterminación cinemática
Finalmente, se encuentra el concepto de indeterminación cinemática en el proceso de análisis estructural, que es el número de desplazamientos desconocidos en los nudos de la estructura, situación que indica la cantidad mínima de parámetros necesarios para la definición de su geometría deformada. Usualmente, dichos indicadores son los desplazamientos lineales y rotaciones de los nudos.
Tipos de análisis estructural
Ahora que conoces los conceptos más importantes del análisis estructural, es más que importante que tengas claro los métodos que existen para llevarlo a cabo, mismos que te explicaremos a continuación:
- Análisis estático: sirve para determinar la capacidad de carga de construcciones, incluyendo puentes y edificios que no cuentan con partes móviles. Pese a que este tipo de análisis se realiza con el apoyo de software especializados, no existe garantía de que la predicción sea exacta o que cualquier error en el diseño de obra no culmine en un eventual colapso.
- Análisis dinámico: precisa el estrés que puede soportar un elemento con partes móviles, tal es el caso de elevadores o escaleras eléctricas. Se lleva a cabo mediante un análisis de tensión llamado método del momento centroidal, que se basa en diversas suposiciones y cálculos para diseñar la estructura, ya sea de acero o madera.
Te puede interesar: ¿Cuáles son las mejores apps de arquitectura? 5 apps gratis más usadas en México
¿Cómo se hace un análisis estructural?
El proceso del análisis estructural, contempla también la elaboración del diseño de una estructura segura y funcional que soporte cualquier tipo de cargas que se le apliquen. Se compone de 5 fases, mismas que te explicamos a continuación:
1. Modelado
Se trata del punto de partida de todo análisis estructural. Consiste en moldear el esqueleto mecánico de la obra y procesarlo hasta obtener la estructura portante. Los elementos que deben incluirse en este primer paso son los siguientes:
- Vigas
- Zapatas
- Pilares
- Forjados
- Arriostramientos
- Muros de carga
Al resultado final de este proceso se le conoce como esquematización o creación del modelo alámbrico, mecánico o del plano del modelo.
Un modelado óptimo implica elegir correctamente los materiales que mejor se adaptan a las necesidades del proyecto, por ejemplo, discernir entre acero al carbón y madera o entre concreto prefabricado y hecho en obra, decisiones que dependen del presupuesto y del nivel de seguridad requerido. Asimismo, es importante definir las dimensiones para cada elemento, así como las vinculaciones de los miembros interiores y exteriores de la estructura.
2. Análisis de carga
En este punto el ingeniero responsable tiene que realizar el análisis de carga, es decir, identificar todas las posibles cargas o acciones que soportará el inmueble, mismas de las que te hablamos con anterioridad: cargas muertas, sobrecargas de uso, cargas de viento, nieve, sísmicas, térmicas y empuje de tierras. Los valores de estas se identifican a través de las normativas pertinentes de diseño estructural y referencias disponibles.
3. Análisis estructural
Pese a que el nombre de este paso es igual al del proceso completo, implica otras cuestiones, como la investigación del comportamiento del modelo estructural con el cálculo establecido por el análisis de carga. Una vez obtenidos los resultados, se presentan por medio de diagramas de esfuerzo interno, reacciones, deformaciones y flechas ocasionadas por las diferentes combinaciones de cargas.
En el caso de estructuras simples como vigas o pilares, este proceso se puede realizar a mano. Por el contrario, si se trata de elementos 2D o 3D con cálculos más complejos, existen programas computarizados que resuelven operaciones de equilibrio, como Diamonds de BuildSoft, uno de los más importantes, pero también de los más fáciles de utilizar para estudiantes e ingenieros que van comenzando.
4. Diseño estructural
Este es, quizá, el punto crucial de todo el análisis estructural. Aquí se tratan de dimensionar las distintas partes de la estructura basándose en los resultados del estudio previo. El tamaño estimado en un inicio se verifica para cerciorarse de que cumple lo referente a durabilidad, estabilidad, resistencia y rigidez.
Si este cálculo coincide con los criterios de diseño, se puede considerar el ajuste de tamaños para lograr un proyecto más económico. En caso de no coincidir hay que repetir todo el procedimiento anterior hasta lograr que se cumplan los requisitos establecidos. El resultado final representa las dimensiones de cada elemento que compone la obra junto a los detalles relacionados con el material.
5. Detallado
La última etapa del análisis estructural es el detallado, mismo que, si se realiza correctamente, se podrá traducir en una considerable reducción de costes. A continuación te explicamos cómo se lleva a cabo.
- Se establece dónde irán colocados los detalles y las uniones estructurales o empalmes; del mismo modo, hay que determinar el sitio de las uniones viga-pilar o placas de anclaje y la posición de estas.
- Se precisan las especificaciones para la armadura, tornillos, pernos de anclaje y soldadura, en otras palabras, el diámetro y la disposición de las barras del acero de refuerzo, la calidad y número de los tornillos, las caras de la soldadura y las placas de los extremos.
Importancia del análisis estructural
Con toda la información que has podido leer hasta este punto del artículo, e incluso con los conocimientos que tenías antes de hacerlo, seguramente ya tienes una idea clara sobre la importancia del análisis estructural; sin embargo, a continuación te presentamos una lista de razones por las que llevar a cabo este proceso de forma correcta crucial para en todo tipo de construcción:
- Ayuda a los ingenieros a identificar las áreas más propensas a colapsar o que necesitan de un refuerzo o reparación.
- Comprende la carga y los componentes del sistema para que se puedan diseñar mejores estructuras, resistentes a los estados límite de deterioro estructural.
- Se utiliza para determinar si una edificación tuvo afectaciones por un sismo, inundaciones, incendios u otros fenómenos naturales.
- Es un método auxiliar para conocer los defectos de construcción o de diseño en una obra.
- Analiza qué tan bien resistirá los sismos, huracanes o tornados una edificación.
Ahora conoces los conceptos más importantes del análisis estructural y la importancia de realizarlo correctamente. Sabemos, sin embargo, que se trata de un tema complejo, por lo que puedes tener dudas aún sobre diversos temas de este procedimiento. En este sentido, te invitamos a buscar la asesoría de tus profesores, quienes también te ayudarán a comprender cuestiones que serán fundamentales durante tu desarrollo como ingeniero civil.
En Aceros Electroforjados queremos seguir ofreciéndote contenido que te sea útil para tu desarrollo como profesionista dentro del sector de la construcción. Tú puedes ser parte de ello, envíanos un mensaje a través de redes sociales, Facebook e Instagram, y cuéntanos sobre qué tema te gustaría que escribiéramos en el blog. Y no olvides visitar el canal de YouTube, suscribirte y activar la campanita de notificaciones para no perderte ninguno de los videos que hemos preparado para ti.
Artículos que pueden ser de tu interés
- Techo para Terraza Moderno: ¡estos son los materiales idóneos para construirlo!
Un Techo para Terraza puede convertir a este espacio de nuestro hogar en el más espectacular de todos. ¡Ingresa y descubre con qué materiales debes construirlo! - Guía Definitiva para hacer un Piso de Concreto Estampado ¡Es muy fácil!
No creerás lo fácil que es hacer Concreto Estampado y protegerlo para que luzca espectacular. ¡Ingresa y descubre la guía para construir un piso de este tipo!