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Fases del Diseño Estructural para Techos.

El proceso de diseño de un elemento estructural, a grandes rasgos, es similar en todos los elementos estructurales, sin embargo, sus aplicaciones y especificaciones son distintas. Para tener una guía a seguir, este es el proceso de diseño general que se tomará en cuenta para los techos.

Hoy quiero compartir los lineamientos generales para establecer un adecuado proceso del diseño estructural de estructuras de techo con perfiles metálicos, comportamiento estructural del sistema de techo, cada uno de sus componentes, dimensionamiento adecuado de los elementos y sus conexiones según la metodología de diseño por resistencia última.

LRFD.

Existen dos métodos para diseñar estructuras pero el más utilizado es el LRFD porque agrega factores de seguridad a las cargas para asegurar que las estructuras sobrevivan en cualquier combinación posible. 

Son las siglas para Load Resistance Factor Design o método de diseño por resistencia última. AISC introdujo este método de diseño en 1986. El objetivo de este diseño es usar factores de resistencia y carga para tomar en cuenta varios tipos de incerteza y lograr diseñar con seguridad.

Reglamento y normas.

Para poder diseñar, deben tenerse códigos de referencia en dos tipos de normas: las que diseñan los elementos estructurales (dimensiones) y las que rigen la seguridad estructural (cargas).

Para la fase analítica, se toman en cuenta el Reglamento para la Seguridad Estructural de las Construcciones de la República de El Salvador para establecer eventos externos que afectan la estructura y para el diseño de las dimensiones del elemento estructural, es el Manual of American Institute of Steel Construction (AISC) 2005, 13th Edition.

Los códigos extranjeros más importantes e influyentes en estructuras de acero son publicados por el American Institute of Steel Construction (AISC). En sus primeras publicaciones, el diseño se basaba en la teoría de esfuerzos permisibles (ASD). En 1986 se introduce un nuevo método basado en la teoría de resistencia última (LRFD).

Para el diseño de techos es necesario tener en cuenta:

  1. El método de diseño a utilizar.
  2. Normas vigentes del medio en el que se desempeña el ingeniero.

Hoy las normativas salvadoreñas establecen requisitos mínimos en el diseño de las estructuras que toman en cuenta la intensidad a la que se ve sometida una estructura por los efectos de cargas gravitatorias y accidentales (vientos y sismo), los cuales son los que mayor efecto tienen sobre las estructuras de techos.

Los requerimientos para diseñar techos en El Salvador están en:

  • Norma técnica de diseño por viento.
  • Norma técnica para el diseño por sismo.

Ambas normas son parte del Reglamento de Seguridad Estructural de las Construcciones (1997), publicado por el Ministerio de Obras Públicas (MOP).

Formas de desarrollar el procedimiento del diseño.

  1. Procedimiento tradicional manual. Es el método que se ha practicado en la universidad, con lápiz, papel y calculadora.
  2. Procedimiento asistido por computadora.

Sin embargo, es mejor llevar a cabo una combinación de ambos para tener un mejor panorama sobre el cuál elegir la mejor configuración estructural de la armadura.

Fases de diseño estructural.

Hay 4 fases en el diseño estructural y en la primera fase, la mayoría de decisiones las toman los arquitectos. Los ingenieros estructurales entran al final de la fase conceptual con el estudio de cargas externas y, posteriormente, continúan el trabajo hasta la entrega de los planos estructurales

El proceso de diseño de un elemento estructural, a grandes rasgos, es similar en todos los elementos estructurales, sin embargo, sus aplicaciones y especificaciones son distintas. Para tener una guía a seguir, este es el proceso de diseño general que se tomará en cuenta para los techos.

  • Fase conceptual.
  • Estructuración y predimensionamiento de elementos.
  • Evaluación de cargas externas.
  • Diseño Estructural con el método LRFD.
  • Revisión Estructural como parte importante del proceso del diseño y la correcta elaboración de los planos estructurales de techo como parte de los documentos finales de diseño, los cuales son de vital importancia para la determinación del presupuesto y la correcta ejecución en la construcción.
  • Elaboración de planos estructurales.
  • Como paso extra: procedimiento de diseño a través de SAP2000 del que se obtienen resultados del análisis y del diseño como una variante del proceso y así brindar parámetros de evaluación de los procedimientos de diseño.

Esta figura muestra cómo están atadas las fases de forma que se convierte en un proceso lineal. La idea general es que obtenemos un plano llamado planta de techo. Al recibo de esta planta de techo, se hace trabajo de análisis, cálculo y diseño para, posteriormente, desarrollar un plano estructural.

Fase conceptual. 

Generalmente desarrollada por arquitectos.

Su objetivo principal es desarrollar una planta de techos para entregar al ingeniero estructural.

Entre las decisiones a tomar en esta fase, se encuentran:

  1. Conceptualización geométrica: forma en planta y elevación, pendiente, material.
  2. Uso de edificación: industrial, comercial, residencial, deportivo, educativo.
  3. Claros libres.
  4. Materiales de cubierta.
  5. Aspectos no estructurales: luminarias, cielos falsos, drenaje.
  6. Instalaciones especiales: paneles solares, aire acondicionado, ascensores.
  7. Establecer forma geométrica en planta y elevación de techos, pendientes, aleros.
  8. Forma geométrica: un agua, dos aguas, cuatro aguas, etc.
  9. Pendiente: 5~20%, dependiendo de la permeabilidad de cubierta, material de cubierta y condiciones climáticas. Fórmula general de pendiente: altura * 100 / base.
  10. Alero: prolongación de cubierta, más allá de paredes perimetrales.
  11. Desarrollo de planta de techos.
Etapa de estructuración.

Su objetivo es desarrollar un diseño preliminar del techo.

Los análisis que conforman esta etapa dentro de la fase conceptual, son:

  1. Seleccionar el tipo, forma y disposición de elementos estructurales, ubicación relativa en la estructura, claros libres y predimensionamiento de éstos.
  2. Considerar: claro de la cubierta, separación de largueros, claro de vigas de techo, separación de elementos de apoyo.
  3. Proceso: disposición de elementos estructurales, selección de elementos estructurales, separación de elementos, dimensionamiento preliminar.
    1. En la disposición de elementos estructurales, el objetivo es trazar lineamientos generales sobre las disposiciones de estos elementos. Se prediseñan:
      1. Localización de apoyos del sistema de techos.
      2. Ubicación de vigas de techo apoyadas directamente sobre las columnas o muros y de forma paralela a la vertiente de la cubierta.
      3. Disposición de largueros de techo en planta de forma perpendicular a la inclinación de la cubierta y apoyados sobre las vigas de techo.
      4. Uso de viguetas entre los largueros para soportar la cubierta.
      5. Uniones de los elementos a los apoyos.

Estructuras de techo.

Las estructuras de techo merecen ser objetos de estudio, debido a que en el transcurso de su vida útil estará sometida a diferentes tipos de cargas, como las gravitacionales, ya sea por carga viva (carga por montaje y lluvia) o carga muerta (carga por peso propio). Otro tipo de carga es la que se produce de manera accidental como sismo y viento, siendo este último el agente causante de fallas que producen un grave impacto en la funcionalidad del techo.

Daños causados por viento.

Debido a la presión o succión del viento, éste puede ocasionar que el techo se levante. 

Una de las fallas más comunes es el pandeo local en vigas de alma abierta que ocurre en la cuerda comprimida entre dos soldaduras consecutivas y que por su configuración puede considerarse como un elemento aislado.

En armaduras, debido a su configuración articulada compuesta de elementos conectados, estos están sometidos a esfuerzos axiales. Generalmente, la cuerda inferior se encuentra sometida a tensión y la superior, a compresión, mientras que los montajes y diagonales presentan variabilidad. 

La falla por pandeo total puede presentarse en los elementos sometidos a compresión axial. Al generarse la falla en el montaje, las cuerdas superiores e inferiores ya no se comportarán como elementos sometidos a cargas axiales, ahora deberán soportar la flexión y al no estar diseñados para resistir tales esfuerzos, fallan por flexión.

Daños causados por sismo.

Los efectos causados por carga sísmica son perjudiciales en cuanto a los desplazamientos en el plano de la estructura, ya que si no se vincula adecuadamente al sistema resistente de cargas laterales, pueden generarse agrietamientos en los apoyos o desligarse de la estructura principal causando severos problemas en el nivel inferior al techo.

Se tiene también el problema de volteo durante los movimientos sísmicos en elementos de gran peralte, como armaduras; para las cuales se deben colocar elementos arriostrantes o tensores, los cuales además de tener la función de estabilizar lateralmente dichos elementos, sirven para incrementar la rigidez de la estructura de techo.

Estructuras usuales en hierro y madera para soporte de cubiertas.

La selección de un tipo de estructura de techos está asociada a diversos aspectos arquitectónicos relacionados con el uso de la edificación.

Su configuración geométrica, por ejemplo, define la forma en planta y en elevación del techo con sus pendientes, y a partir de ésta y de los claros a cubrir, se selecciona el tipo de estructura de techos.

Los techos dependen del funcionamiento de la edificación, materiales disponibles, requerimientos del duelo y forma geométrica. 

ObraFormaNecesidades de obraEstructura
Vivienda mínimaCubiertas a dos aguas (a veces a un agua).Simplicidad de forma y cortos claros a cubrir.Estructuras de acero, polines espaciales o perfiles laminados en frío tipo C.
Vivienda clase media-altaTechos de dos, tres o cuatro aguas.Claros más grandes a cubrir, con acabados, cielo falso u otros accesorios.Elementos primarios: Vigas macomber o armaduras.

Elementos secundarios: polines espaciales y polines tipo C.
Edificaciones industrialesFormas sencillas a dos aguas, curvas y en ocasiones de forma plana.Grandes claros a cubrir, cargas adicionales inducidas por elementos de ventilación o extracción de fluidos sobre estructura principal.Armaduras con perfiles metálicos.

Elementos primarios: vigas de alma abierta, vigas de alma llena, armaduras.

Elementos secundarios: polines tipo C, perfiles metálicos de alma llena de menor peralte.
Edificios comercialesFormas sencillas a dos aguas, curvas y en ocasiones de forma plana.Claros menores que edificaciones industriales a cubrir con cargas mayores debido a elementos a colocar como instalaciones eléctricas, iluminación, ventilación, cielos falsos, etc.Armaduras con perfiles metálicos.

Elementos primarios: vigas de alma abierta, vigas de alma llena, armaduras.

Elementos secundarios: polines tipo C, perfiles metálicos de alma llena de menor peralte.

Algunas configuraciones especiales debido a requerimientos arquitectónicos son: 

  • bóvedas de techos o cúpulas (techos curvos) 
  • autosoportantes 
  • otros: constituidos por elementos metálicos que debe ser analizado y diseñado.

Armaduras.

Éstas son las armaduras de techo más populares con sus respectivos claros. 

Generalmente, algunos ingenieros suelen elegir la forma geométrica de la estructura de techo dependiendo del claro que se tenga, esto con el propósito de ahorrarse tiempo. Sin embargo, aunque sean populares estos diseños, no son los únicos que pueden realizarse. 

Fase analítica.

La fase analítica es desarrollada por los ingenieros estructurales y es la que se encarga de hacer los cálculos necesarios para obtener las dimensiones de los elementos estructurales con el uso del análisis de cargas, esfuerzos y deformaciones.

Fuerzas internas en los elementos de nudo A.

Como ejemplo, se puede ver que se ha hecho el análisis de los 4 tipos de cargas que son más frecuentes en el país: carga muerta, viva, viento y sismo. Para cada elemento se hace un análisis y se obtiene una tabla de resultados muy similar a la que se presenta. Para efectos de representación, solo se mostrarán dos elementos que concurren en el nudo A.

Combinaciones de carga.

Luego de obtener las fuerzas internas en los elementos de la estructura por distintos tipos de carga, se hace la combinación de cargas por medio del método LRFD. Para este caso, se utilizarán las ecuaciones que están en la columna de la derecha y se pondrán todos los valores en una tabla por cada elemento. 

D: Carga muerta.

L: Carga viva debido a equipo y ocupación.

Lr: Carga viva de techo.

S: Carga de nieve.

R: Carga de lluvia o hielo.

W: Carga de viento.

E: Carga por sismo.

Las orientaciones de los elementos en una estructura pueden ser: vertical, cuerda, diagonal.

Luego de poner todos los valores obtenidos con el método LRFD en una tabla, se buscan los valores máximos y los valores mínimos por cada tipo de elemento. Los elementos se dividen por tipo según su orientación.

Los máximos y mínimos de toda la estructura se conservan y se diseña con base en ellos puesto que entre sus valores están consideradas todas las cargas que la estructura soporta en cada uno de sus elementos estructurales. 

Diseño de elemento de cuerda inferior (AB).

Se procede a diseñar el elemento de cuerda inferior AB como muestra de cómo se debería de hacer el diseño en cada uno de los elementos según su tipo y su carga.

Elementos que componen la armadura.

Ya que se han elegido los perfiles por su área según tablas, se procede a hacer lo mismo con todos los tipos de elementos y cargas máximas y mínimas para cada uno y se elige el perfil que tenga mayor área para configurar el elemento indicado.

De forma similar se diseñan los apoyos y conexiones, excepto que el análisis que se utiliza para cada elemento es distinto.

ElementosAnálisis
Apoyo armadura – columnaAplastamiento y resistencia a la flexión
Placa – columna con pernos de anclajeResistencia a tensión y desprendimiento del concreto de anclaje
Conexión entre miembros de armaduraResistencia a corte y resistencia por flexión
Viga de alma abierta – armaduraResistencia a carga axial
Celosía – Elementos angulares de vigas de alma abiertaResistencia a carga axial
Polín espacial – viga de alma abiertaResistencia a carga axial
Celosía – barras longitudinales en polín espacialResistencia a corte
Revisión Estructural. 

En la revisión estructural se asegura que la combinación de elementos sea la más óptima, dado que se ha conseguido diseñar cada uno de los elementos, es necesario saber si la combinación de estos podría ser mejor, más económica o más óptima. Una forma de hacerlo es con las deflexiones máximas y las flechas máximas.

Elementos secundarios: Larguero.

El objetivo es verificar que la deflexión máxima sea menor que la deflexión límite.

Pasos:

Elementos primarios: Vigas.

El objetivo es verificar que la deflexión máxima sea menor que la deflexión límite.

Elementos primarios: Armaduras.

El objetivo es analizar las flechas máximas para garantizar que se cumplirán requisitos.

Si todas estos análisis están en regla, entonces se puede aceptar cada perfil encontrado para cada elemento como correcto.

Fase analítica del diseño estructural.

El uso software en el diseño estructural puede reemplazar totalmente los cálculos a mano o proveer un atajo. Sin embargo, para este ejemplo, se le considera como una herramienta de análisis de resultados y de optimización. Esto porque aunque los programas de software tienen la ventaja de hacer iteraciones y correcciones en segundos, hay algunos requerimientos y condiciones que no pueden ser incluidas en un software en su totalidad. 

La idea es utilizar las ventajas que proveen los cálculos manuales (ingreso de detalles más significativos para los elementos que desean diseñarse) y las que proveen los cálculos en software (la rapidez de análisis) para obtener un mejor panorama de la situación de la estructura y dejar que sea la economía la que elija el mejor diseño, sabiendo que con ambos escenarios se ha encontrado un diseño seguro.

Usando Software SAP2000.

El objetivo es obtener parámetros de diseño a tomar en cuenta para la selección de elementos estructurales.

Los pasos para utilizar SAP2000 son:

  1. Determinar unidades de trabajo.
  2. Definir materiales y secciones transversales.
  3. Definir tipos y combinaciones de carga.
  4. Dibujar y modelar los elementos que conforman la armadura.
  5. Asignar cargas a elementos secundarios.
  6. Asignar tipo de comportamiento de estructura y elementos.
  7. Ajustar opciones de análisis y diseño de la estructura.
Comparación de resultados. 

En esta ocasión, el programa de software ha encontrado unas cargas axiales ligeramente mayores a las que se encontraron en el proceso manual. Sin embargo, ambos escenarios son correctos respecto a las necesidades que se habían establecido. Pueden hacerse las correcciones según el programa de software y elegir esa configuración o puede elegirse la configuración manual encontrada con los cálculos sabiendo que se han tomado en cuenta todos los datos y detalles. 

En estas circunstancias, la elección depende de la experiencia del ingeniero estructural y de los recursos con que se cuenten para el proyecto. Los elementos diseñados por el programa de software resisten a mayores cargas, por lo que se requerirá mayor área en los elementos para hacerle frente a esta configuración y se tendrán que elegir perfiles que sean más grandes o gruesos. La longitud del perfil no se puede cambiar porque está configurada desde la fase conceptual. 

Plano estructural.

Ya teniendo los diseños de los elementos, se procede a realizar el plano estructural y a presentar toda la información de detalles, perfiles, configuración y diseño en él.

Dado que para iniciar a trabajar se hizo entrega de un plano de planta de techo, para terminar el diseño estructural no hay otra forma de culminarlo que entregando un plano estructural con todos los datos necesarios para que el proceso constructivo continúe. 

Bibliografía:

Cruz, C., Figueroa P. y Hernández, C. (2012). Estructuración, Análisis y Diseño Estructural de Elementos de Techo con Perfiles Metálicos utilizando el método LRFD [Tesis de Pregrado, Universidad de El Salvador]. Repositorio Institucional de la Universidad de El Salvador.

Hibbeler, R. C. (2012). Tipos de estructuras y cargas. Análisis Estructural (8ª ed., pp. 4-26). Pearson.

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Por Katherine Montero

Civil Engineering Junior. Diploma in Economics and Business. 6th best Discus Thrower in Central America. 5x Discus National Winner (El Salvador). Yogini. Small Product Lab Winner. Author of The Mini-Guide for Writing a Super Complete Post in 20 Minutes. 5x Shotput National Winner (El Salvador). Business Management Junior.