Estructuras en la construcción

Las estructuras en la construcción son la parte resistente de la obra y tienen la función de resistir las acciones y transmitirlas al suelo. En los edificios, los principales elementos estructurales son: losas, vigas, columnas y cimientos. La estructura es la manera en que las partes de algo se relacionan entre sí para formar un todo; por tanto, todas las formas naturales y todos los productos humanos están compuestos por estructuras.

No hay forma sin estructura ni estructura sin forma y toda forma cumple una determinada función.

Para sobrevivir, los animales y vegetales tienen que resistir presiones y fuerzas ejercidas sobre ellos y absorber dichas fuerzas dentro de su estructura. Las obras de arquitectura también tienen que resistir presiones y fuerzas.

El arquitecto estructura los espacios para que habiten en ellos los seres humanos y estructura también los diferentes elementos que delimitan los espacios. Todos los elementos de la edificación, desde los cimientos, los soportes, hasta los acabados, tienen estructuras relacionadas entre sí formando la obra arquitectónica.

Las estructuras en la construcción de edificios deben conformar adecuadamente los espacios que se requieren, pero también deben estar preparadas para resistir diferentes fuerzas como la gravedad, los sismos, los vendavales, huracanes y maremotos (si el edificio está cercano al mar), las vibraciones de maquinarias y vehículos pesados, el peso de las personas, máquinas, muebles, etc.

La estructura es parte integral del diseño arquitectónico. Desde que empezamos a imaginar las primeras formas del edificio tenemos que ir pensando en su estructura y en los diferentes materiales de construcción para construirla.

El sistema estructural de una construcción está formado por una serie de elementos conectados entre sí que tienen como función recibir cargas, soportar esfuerzos y transmitir las cargas al suelo garantizando de ese modo que la construcción permanezca estable en el tiempo. Un edificio debe resistir dos tipos de fuerzas: las fuerzas vivas, que no son permanentes, como el viento, los sismos, las personas, los muebles, y las fuerzas muertas que son las permanentes, como las del peso propio de la estructura, incluyendo los diferentes elementos constructivos.

Estas cargas vivas y muertas sobre las estructuras originan que éstas se compriman, se tensionen, se tuerzan, se corten o se flexionen, produciendo deformaciones en los materiales que componen dichas estructuras en la construcción.

Como las estructuras están sobre el suelo es necesario conocer las propiedades de éste, ya que lo vamos a someter a fuerzas externas, es decir, le vamos a colocar pesos encima y necesitamos estar seguros de que los aguantará sin ningún problema.

La calidad, consistencia y pendiente del suelo varían de un lugar a otro, por lo que es necesario analizarlas a fin de lograr la óptima ubicación de las estructuras en la construcción.

Es preciso conocer tanto la profundidad a la que se halla el tipo de suelo resistente como la de los mantos acuíferos, para saber si el suelo podrá soportar las cargas vivas y muertas de las estructuras en la construcción.

A veces basta hacer una excavación en el terreno y efectuar una simple inspección ocular, pero en muchos casos se hace necesario hacer un análisis más profundo, conocer los diferentes estratos del terreno, someterlo a cargas puntuales para conocer su resistencia, analizar las propiedades del suelo en el laboratorio, su resistencia, etc. Existen suelos limosos, arenosos (silíceos o calcáreos), arcillosos (sonsocuitosos), pedregosos (granitos, basaltos, calizas, areniscas, serpentinas, marmóreas, pizarras, etc.) y cada uno de estos suelos se comporta de diferente manera al recibir la carga de los edificios.

Las estructuras en la construcción no van simplemente apoyadas en los suelos, sino que necesitan cimientos, como elementos de transmisión de las cargas al suelo. Los cimientos deben ser resistentes, durables y no alterarse con la humedad.

Antes de construir la cimentación, es necesario descapotar el terreno. La mayor parte de los suelos tienen una capa vegetal que es adecuada para la agricultura pero que es poco resistente para una construcción, por lo que debe ser retirada.

Los cimientos se diseñan según el tipo de suelo y el peso y la forma del edificio, para que transmitan al suelo las cargas adecuadamente. Hay cimientos corridos y cimientos aislados, según vayan debajo de muros o columnas. Existen también cimientos en forma de balsas o de plataforma, los que se usan en suelos de baja calidad sustentante. En zonas selváticas y en lugares en donde llueve mucho, las construcciones se hacen sobre pilotes para aislarlas del suelo siempre húmedo, como sucede en gran parte de las comunidades y poblaciones de la Selva Amazónica.

Cuando los suelos son muy blandos o cuando el manto freático (capa húmeda del subsuelo) está próximo a la superficie y en los trabajos de cimentación en agua, se utilizan pilotes. Estos son elementos de forma alargada y sección circular que se clavan en el suelo y sobre ellos se apoyan los cimientos. En algunos casos, para aumentar la resistencia de los suelos, se les inyecta mortero.

Tipos de estructuras

Las estructuras encierran espacios, sostienen, contienen o retienen materiales y transmiten las cargas al suelo. Un sistema estructural es un conjunto de elementos resistentes capaces de mantener la forma de una edificación a lo largo del tiempo, bajo la acción de cargas a las que va a estar sometido. Al diseñar debemos analizar cuáles estructuras responden mejor a las características de los espacios requeridos y a las condiciones del suelo.

Hay diferentes sistemas estructurales; algunos pueden utilizarse como cierre, otros como cubierta, algunos solamente como soporte y otros pueden servir tanto de soporte como de cierre y cubierta. Estos sistemas pueden clasificarse de la siguiente manera:

Estructuras macizas

• Muros portantes
• Arcos
• Bóvedas
• Cúpulas Esqueletos resistentes:
• Columnas y vigas
• Voladizos o cantilivers

Estructuras laminares

• Losas y placas plegadas
• Cáscaras Armaduras:
• Tijerales o cerchas
• Mallas espaciales
• Geodésicas Estructuras suspendidas:
• Membranas y colgantes
• Neumáticas

Estructuras macizas

Los muros portantes soportan las fuerzas a compresión. Resisten las cargas que les son transmitidas de las cubiertas, entrepisos, muros superiores, etc.

Según su espesor, tipo de material y altura pueden recibir diferentes cargas. Son muy eficientes cuando se cargan de manera uniforme. Logran estabilidad al formar figuras geométricas. Las aberturas en estos muros rompen la continuidad estructural del sistema, por lo que su tamaño y número deben limitarse.

Los arcos, por su forma y disposición, resisten la fuerza de compresión. En sus apoyos se producen reacciones inclinadas que determinan empujes horizontales sobre ellos. Los arcos son de formas muy variadas. Los más resistentes son los que tienen la forma de la catenaria o de la curva parabólica. Son adecuados para hacer aberturas en los muros portantes.

Las bóvedas distribuyen las cargas en un plano curvo hacia soportes continuos. Los esfuerzos que resisten son principalmente los de compresión. Su estabilidad lateral depende de su forma geométrica. No conviene hacerles aberturas porque éstas interrumpen su continuidad estructural. La forma de las bóvedas es simétrica. Originalmente las bóvedas se construían de mampostería, pero actualmente se hacen también con estructuras laminares.

Las cúpulas distribuyen las cargas a los soportes a través de un plano doblemente curvado. Contienen el mayor volumen con la mínima superficie. La cúpula es un arco que gira en un eje vertical; puede fallar y abrirse en su base si no es reforzada con algún anillo tensionante. Tradicionalmente se han construido sobre bases macizas porque se requiere de paredes anchas para soportarlas. Son formas estructurales muy estables.

Si se construyen con mampostería, se les puede hacer una abertura en su parte superior pero no en otros lugares porque se interrumpe la continuidad estructural. La cúpula tradicional de mampostería ha sido reemplazada últimamente por una delgada cáscara o por estructuras geodésicas o mallas espaciales.

Esqueletos resistentes

Las columnas y vigas se componen de elementos horizontales y verticales que soportan fuerzas de comprensión y flexión. Su tamaño depende de las fuerzas que deben soportar. Para cerrar los espacios se requieren elementos autoportantes. El sistema necesita una coordinación modular de los elementos estructurales y los no estructurales. Este modelo puede crecer de manera horizontal y vertical. La subdivisión del espacio puede ser independiente del sistema estructural. Las aberturas no interrumpen la continuidad estructural del sistema.

Los voladizos o cantilivers reparten las cargas a través de un soporte ubicado en un extremo; con frecuencia son la extensión de un esqueleto resistente. Tienden a doblarse y cortarse. Estos voladizos generalmente se construyen más gruesos cerca a los soportes y se van adelgazando en sus extremos libres.

Estructuras Laminares

Las losas distribuyen las cargas a los soportes en una o más direcciones, pero en un sólo plano. Las fuerzas que se desarrollan son principalmente la flexión y el corte, por lo que deben diseñarse para resistir dichas fuerzas. Hay losas sencillas, pero también hay losas plegadas y arqueadas, losas en forma de galleta wafer, etc. Adquieren mayor resistencia con las plegaduras. Mientras más profundidad tenga el doblez, mayor será su resistencia. En las losas no convienen los orificios.

Las cáscaras distribuyen las cargas a sus soportes en varias direcciones, desde un plano curvado o doblemente curvado. Las cargas aplicadas generan compresión, tensión y corte en el plano de la cáscara, por lo que deben diseñarse para resistir estas fuerzas con el mínimo de flexión. Los esfuerzos internos que resultan de estas fuerzas se llaman esfuerzos de membrana. Estos se reparten por igual en el espesor de la lámina. La forma le da fuerza y estabilidad; el extremo de la cáscara debe reforzarse para resistir la flexión.

En la naturaleza, la cáscara del huevo es una de las estructuras en la construcción que se destaca por ser más eficientes. La razón principal de su fortaleza es la doble curvatura de su forma. Las cáscaras de huevo resisten fuerzas uniformes, pero se quiebran con facilidad con una carga concentrada, porque no pueden flexionarse. Con las cáscaras se pueden cubrir grandes espacios con el mínimo material y sin apoyos que corten el espacio.

Armaduras

Las armaduras, llamadas también tijerales o cerchas, están compuestas por una serie de elementos que trabajan a la tensión y a la compresión; están dispuestas de tal forma que pueden resistir las cargas y transmitirlas a los apoyos actuando como una unidad. Son elementos estructurales de poco grosor, generalmente fabricados con piezas cortas, que resisten fuerzas de tensión y compresión. Sirven para cubrir grandes claros. Generalmente su peralte es de 1/ 10 del claro que cubren.

Las mallas espaciales están conformadas por tijerales tridimensionales que distribuyen las cargas a soportes organizados linealmente en más de un plano. Se fabrican con pequeñas piezas que conforman una unidad geométrica tridimensional. Son muy livianas y cubren grandes claros. Requieren un peralte de 1/ 20 a 1/ 30 del claro a cubrir.

Las estructuras geodésicas distribuyen las cargas hacia los soportes a través de la organización lineal de sus partes en un plano esférico, ya sea una esfera o una parte de ésta. Estas cargas causan tensión y compresión a sus miembros. La cúpula geodésica es un producto del avance científico del siglo XX. Se construyen con tubos, siendo resistentes a vientos de grandes velocidades. Pesan poco, cubren grandes espacios y sus partes se pueden prefabricar. Deben evitarse muchas aberturas en ellas porque éstas pueden afectar la distribución uniforme de las cargas.

Estructuras suspendidas

 Las membranas y colgantes distribuyen las cargas a través de cables o membranas hacia los soportes. Este sistema se diseña para transmitir fuerzas de tensión. Son estructuras flexibles, muy ligeras y cubren grandes claros. Las estructuras suspendidas que cuentan con superficies de doble curvatura son más resistentes. En la naturaleza, la tela de las arañas es un ejemplo de un sistema de cables. Las membranas de las patas de un pato o las alas de un murciélago son ejemplos de membranas que llevan los esfuerzos hacia los soportes.

Las estructuras neumáticas desarrollan su estabilidad a través de la diferencia de presión entre el exterior y el interior de la estructura. Las estructuras neumáticas distribuyen las cargas hacia los soportes a través de membranas soportadas en anclajes.

Siempre se requiere de un sistema mecánico que controle las diferencias de presión; el sistema falla si a la membrana se le hace un orificio. Para evitar esto, estas estructuras en la construcción se hacen por partes (como las colchonetas infladas) para que, si falla una de las partes, las otras permanezcan en forma y no colapse toda la estructura.

Un sistema construido con dos membranas y con aire entre ellas es mucho mejor que una sola membrana porque no es fácil conseguir en todo el espacio la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la estructura. La estabilidad lateral puede ser un problema debido a que este sistema es extremadamente ligero.

Materiales de construcción para estructuras

Los materiales empleados en un sistema estructural responden a fuerzas, tanto inherentes al material (que dependen de su resistencia, su comportamiento, sus propiedades y su calidad) como a fuerzas externas que se presentan según la posición de la estructura, los empujes que recibe, en qué y cómo se apoya, el clima, la humedad, los insectos, etc.

Las dimensiones de una estructura no sólo dependen de su función sino del tipo de material. Al diseñar, elegimos los materiales de construcción para los cimientos, pisos, paredes, estructuras, cubiertas, instalaciones y acabados. Los materiales se eligen según sus características, si se pueden obtener en el lugar, si existe la mano de obra que sepa utilizarlos, sus costos, etc.

Existen muchos materiales de construcción disponibles, los que podemos agrupar de la siguiente manera:

1. Materiales orgánicos: madera, bambú, cañas diversas, palmas, pencas, etc.
2. Materiales inorgánicos: arcilla (adobe, ladrillos, tejas, azulejos, etc.), piedra, arena, yeso, cal, hierro, acero, aluminio, zinc, estaño, bronce, etc.
3. Los materiales combinados: (se combinan materiales inorgánicos o éstos con orgánicos) vidrio, plástico, cemento, mortero, concreto simple y concreto armado, láminas lisas y corrugadas (hechas con madera, cáñamo, fibra de vidrio, papel), bloques de diversos materiales, etc.

Debemos conocer los materiales, las técnicas de construcción y los procesos constructivos porque cada material posee determinadas características que lo hacen más o menos apto para lo que se desea estructurar. Sus características influyen en el tipo de estructura que se va a elegir. Las cargas aplicadas causan fuerzas internas de resistencia en los miembros estructurales los cuales producen esfuerzos en dichos miembros. Se hace necesario determinar los tipos de esfuerzos para poder elegir los materiales apropiados para un sistema estructural que sea estable y eficiente.

La habilidad de un material para resistir fuerzas varía considerablemente. El acero,  por ejemplo, es extremadamente fuerte ante la tensión mientras que el concreto y la mampostería son muy débiles ante ésta. La mampostería de ladrillo y la de piedra resisten muy bien a la compresión, pero es preciso tener cuidado con la resistencia del mortero porque éste generalmente no es tan resistente como la piedra o el ladrillo y la estructura puede fallar si el mortero no es el adecuado. El acero resiste muy bien al corte mientras que el concreto, la mampostería y la madera son extremadamente débiles ante éste.

El concreto es muy débil ante la tensión, pero muy fuerte ante la compresión. Por eso las vigas de concreto se refuerzan con acero. Si solamente se utilizara concreto en una viga, la parte inferior del concreto fácilmente podría fisurarse o rajarse y la viga fallaría. Sin embargo, si se colocan varillas de acero en la parte inferior de la viga de concreto, ellas resisten las fuerzas de tensión en dicha área. La viga de concreto armado tiene las ventajas del concreto ante la compresión y las del acero ante la tensión.

Una manera de obtener vigas más resistentes de concreto es pre-tensando o post-tensando el acero. Esto significa que la varilla de acero se estira, ya sea antes o después de fraguar el concreto.

Al cubrir iguales claros, las secciones de las vigas de concreto y de madera son bastante similares pero las del acero son menores. Al soportar igual cantidad de carga, la sección de la columna de acero es muy delgada, las secciones de las columnas de madera y concreto son un poco más gruesas y las de mampostería (adobe, ladrillo, piedra) deben ser mucho más gruesas.