El cálculo de las cargas es uno de los aspectos fundamentales en el diseño de cualquier estructura, ya que determinar correctamente las cargas muertas (o permanentes) y las cargas vivas (o variables) es esencial para garantizar la seguridad y estabilidad de los edificios. La densidad de los materiales utilizados en la construcción, así como las cargas impuestas por las personas, el mobiliario y otros elementos, deben ser considerados meticulosamente. El conocimiento de los valores de densidad es esencial para calcular el peso muerto, el cual contribuye al esfuerzo estructural.

En la tabla de materiales típicos utilizados en la construcción, se presentan las densidades de los mismos, lo que facilita la determinación del peso muerto de una estructura. Este valor es crucial al momento de realizar los cálculos de carga, pues el peso de los elementos fijos como el concreto, ladrillos, acero o madera se ve reflejado en la carga que la estructura deberá soportar. Así, materiales como el concreto, dependiendo de su clase de densidad, varían entre 10 kN/m³ y 24 kN/m³. Las densidades de los materiales como el acero o el aluminio también se especifican, alcanzando valores entre 71 kN/m³ y 89 kN/m³, lo que destaca la diferencia significativa entre materiales de gran densidad y aquellos más livianos.

Sin embargo, el cálculo del peso muerto no se limita solo a los materiales estructurales. Los acabados, revestimientos, instalaciones y elementos decorativos, aunque no sean parte de la estructura, también contribuyen al peso total de la construcción. Aunque en la actualidad, con los avances en software de análisis estructural, se puede calcular automáticamente el peso de los componentes principales de la estructura, los materiales de acabado y las cargas muertas adicionales deben ingresarse manualmente en el programa, lo que garantiza una mayor precisión en los resultados.

A pesar de la exactitud que ofrecen los programas informáticos en la evaluación del peso muerto, el cálculo de las cargas vivas sigue siendo una cuestión compleja. Las cargas vivas son aquellas que varían durante el uso de la edificación: personas, muebles, equipos y otros elementos no fijos. La importancia de las cargas vivas radica en su capacidad de cambiar con el tiempo y en función del tipo de uso del edificio. En los últimos años, el desarrollo de modelos estocásticos y probabilísticos ha permitido un enfoque más preciso y confiable para la estimación de estas cargas, ya que los diseñadores ahora son más conscientes de la incertidumbre que puede existir al evaluar estas cargas.

Dentro de las cargas vivas, existen dos componentes principales: la carga sostenida y la carga extraordinaria. La carga sostenida es aquella que se mantiene constante a lo largo del tiempo, como la presencia de muebles o equipos fijos, mientras que la carga extraordinaria hace referencia a aquellas situaciones poco frecuentes, como el paso de un gran número de personas o la acumulación de objetos pesados.

La normativa europea para el diseño de cargas vivas se basa en la clasificación de los edificios según su uso. Así, en el Código Europeo de Cargas (Eurocódigo), se proponen diferentes categorías que van desde las áreas residenciales hasta las comerciales y de eventos. Cada categoría tiene valores específicos para las cargas uniformes (qk) y las concentradas (Qk). Por ejemplo, en áreas residenciales (categoría A), la carga uniformemente distribuida (qk) puede variar entre 1.5 y 2.0 kN/m², mientras que en áreas con gran afluencia de personas (como en un estadio o teatro, categoría C5), estos valores ascienden considerablemente.

El uso de la tabla de cargas impuestas permite que los diseñadores determinen de forma más precisa las cargas que un determinado espacio deberá soportar, considerando además la distribución de esas cargas. En este sentido, es importante tener en cuenta que, en algunos casos, se pueden aplicar cargas concentradas adicionales, como las generadas por estanterías o equipos pesados. Para estos casos, es fundamental realizar un cálculo más detallado de la carga concentrada Qk, que se determina específicamente según las características de cada situación.

Por otro lado, la normativa también establece que en los casos donde un espacio sea utilizado de manera múltiple, se debe diseñar para la categoría de carga más desfavorable, es decir, aquella que genera los mayores efectos sobre los elementos estructurales. Esto garantiza que, independientemente del uso eventual del espacio, la estructura podrá soportar cualquier carga adicional que se genere. Además, las particiones móviles que permiten una distribución lateral de las cargas también deben ser consideradas, sumando su peso a las cargas vivas ya calculadas.

Por último, el desarrollo de la teoría de fiabilidad estructural ha permitido que los diseñadores integren modelos probabilísticos al calcular las cargas vivas. La probabilidad de que un edificio se vea sometido a una carga extrema en un período determinado se puede evaluar con mayor certeza, proporcionando así un enfoque más robusto para la protección estructural a largo plazo.

Es importante que los diseñadores comprendan que tanto las cargas muertas como las cargas vivas deben ser calculadas con un enfoque integral, que considere todas las posibles variaciones de uso y material de un edificio. En un mundo de constante cambio, donde las edificaciones pueden ser sometidas a nuevos tipos de cargas o utilizarse de formas diferentes a las inicialmente previstas, el cálculo adecuado de las cargas es fundamental para garantizar la seguridad y la estabilidad de las estructuras. El software avanzado puede asistir en estos cálculos, pero el juicio experto sigue siendo indispensable para interpretar y aplicar correctamente los resultados en cada caso concreto.

¿Cómo se modelan y analizan las estructuras de marcos en el diseño estructural?

Toda estructura de marco está compuesta por miembros y juntas. Los miembros son elementos cuya longitud es mayor que su profundidad, y las juntas son los puntos donde se conectan más de un miembro. La clasificación de los miembros generalmente se realiza según el tipo de carga que llevan. Un miembro se denomina viga cuando predomina el momento flector; columna o miembro de tracción si predomina la carga axial; y miembro viga-columna cuando están presentes tanto momentos flectores significativos como cargas axiales. Las estructuras de marcos consisten principalmente en miembros de vigas y miembros viga-columna. El sistema estructural de cerchas o arriostramiento, por su parte, suele estar compuesto por miembros sometidos a tracción y compresión.

El concepto de miembro viga-columna se generaliza para cubrir aquellos casos donde un miembro está sujeto tanto a flexión como a tensión axial. En realidad, casi todos los miembros de un marco son viga-columna. Un miembro viga-columna es aquel que está sometido tanto a flexión significativa como a compresión axial. Los miembros que están sujetos tanto a flexión significativa como a tensión axial también se incluyen en esta categoría. De manera estricta, la mayoría de los miembros son viga-columna; las vigas representan el caso límite donde se puede despreciar la carga axial, y las columnas representan el caso límite donde los momentos flectores no son significativos.

Es importante señalar que si la configuración de la estructura hace que sea sensible a la excentricidad debido a una carga horizontal, respecto al centro de resistencia al torsión de la estructura, también deben considerarse los efectos de aplicar solo una parte de la carga horizontal. Este tipo de análisis es esencial, ya que incluso una pequeña variación en la carga puede tener efectos significativos en el comportamiento global de la estructura.

En cuanto a la interacción suelo-estructura, este es un aspecto fundamental que debe considerarse dependiendo de su importancia en los efectos sobre las fuerzas internas y momentos en los elementos estructurales debido a los asentamientos de la fundación resultantes de la carga sobre el suelo y las características del terreno. El procedimiento a seguir para examinar esta interacción es el siguiente:

Primero, se puede analizar la estructura asumiendo que el suelo es rígido. A partir de este análisis, se debe determinar la carga sobre el suelo y calcular los asentamientos resultantes. Posteriormente, esos asentamientos deben aplicarse a la estructura en forma de deformaciones impuestas, y deben calcularse los efectos sobre las fuerzas internas y momentos. Si los efectos de los asentamientos son significativos, la interacción suelo-estructura debe modelarse utilizando resortes equivalentes para representar el comportamiento del suelo. Si el análisis muestra que la interacción suelo-estructura no reduce la resistencia de la estructura en más de un 5%, se puede considerar insignificante y despreciarse en el diseño.

La noción de "marco" se utiliza en el Eurocódigo 3 para diferenciar entre las diversas formas en que se puede considerar el comportamiento de las juntas para un análisis global. Generalmente, debido a las deformaciones de las juntas, las formas deflectadas de los miembros serán discontinuas en las juntas. Dependiendo de los efectos de esta discontinuidad, se puede hacer una distinción entre los siguientes casos:

Si las juntas se consideran rígidas, se dice que el marco es continuo, lo que permite analizar la estructura como continua. Si las juntas son pivoteadas, aprovechando las posibles rotaciones sin considerar las resistencias a momentos en las juntas, el marco se denomina simple. La discontinuidad en las juntas también puede tenerse en cuenta utilizando un modelo de marco semi-continuo, donde el comportamiento de rotación-momento de la junta se toma en cuenta con mayor precisión.

El uso de tipos continuos y simples de enmarcamiento debe justificarse mediante una elección adecuada del tipo de junta. Aunque es probable que para el análisis de muchos marcos típicos solo se use una opción de enmarcamiento en todo el marco, se puede contemplar el uso de tipos diferentes de enmarcamiento para diversas partes del marco. Para modelar adecuadamente la estructura, deben considerarse varios aspectos, como los siguientes:

  1. El modelado de los miembros y las juntas en el análisis global debe reflejar el comportamiento esperado de la estructura bajo las acciones aplicadas. Esto depende de los criterios de soporte y restricción en los extremos de los miembros.

  2. La geometría básica del marco debe representarse a través de las líneas centrales de los miembros.

  3. Por lo general, basta con representar los miembros mediante elementos estructurales lineales ubicados en sus líneas centrales, sin tener en cuenta la superposición de las anchuras reales de los miembros.

  4. Alternativamente, puede tomarse en cuenta el ancho real de todos o algunos de los miembros en las juntas entre miembros, incluidas aquellas que implican juntas flexibles especiales.

Es necesario realizar ajustes para las imperfecciones prácticas en el análisis global, el análisis de los sistemas de arriostramiento y el diseño de los miembros. Las imperfecciones prácticas, incluidas las tensiones residuales, son imperfecciones geométricas como la falta de verticalidad, la falta de rectitud, la falta de ajuste y las excentricidades inevitables presentes en las juntas prácticas. Estas imperfecciones deben incorporarse en el análisis global del marco a través de dos tipos de imperfecciones: las imperfecciones iniciales de balanceo (imperfecciones del marco) y las imperfecciones de los miembros, cuando sea necesario. Es importante resaltar que, en los marcos de balanceo con columnas esbeltas, puede ser necesario incorporar las imperfecciones de los miembros en el análisis, aunque los efectos de estas imperfecciones pueden ser despreciados en el análisis de marcos no oscilantes.

Al realizar el análisis estructural, es importante comprender que el modelado de las estructuras debe reflejar tanto las características geométricas de los miembros y las juntas como los comportamientos esperados bajo las cargas aplicadas. Un modelo estructural eficaz garantiza que se satisfagan los principios básicos de equilibrio, compatibilidad y las leyes constitutivas de la materia en todas las secciones del miembro.

Además de estos conceptos, es fundamental reconocer que el análisis estructural debe ser un proceso que integre tanto las cargas externas como las imperfecciones internas de la estructura, para garantizar su seguridad y funcionalidad a largo plazo. A menudo, el éxito de un diseño no solo depende de cómo se modela la estructura, sino de cómo se consideran todos los factores posibles que pueden afectar su comportamiento bajo cargas. La precisión en la incorporación de las imperfecciones y el correcto modelado de las juntas son tan relevantes como el diseño de los miembros, ya que pequeñas deficiencias pueden generar grandes consecuencias en la integridad general de la estructura.

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