Ing Estructural
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Introducción
El termino ingeniería estructural se aplica a la especialidad de la ingeniería civil que
permite el planeamiento y el diseño de las partes que forman el esqueleto resistente de
las edificaciones más tradicionales como edificios urbanos, construcciones industriales,
puente, estructuras de desarrollo hidráulico y otras.
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 del tiempo; 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.
La fase de elaboración de los planos debe ser ejecutada por ingenieros de alta
experiencia buscando que en definitiva los planos contenga lo que se debe de
construir. Los planos de construcción deben de ser claros, indicando los materiales a
usar, detalles de refuerzo, con las indicaciones precisas de las dimensiones y de las
etapas previstas. Además deben de ser elaborados previendo que el constructor no se
vea obligado a tomar medidas a escalas ni hacer deducciones.
El ingeniero civil maneja diversos materiales en la especialidad estructural. Materiales
homogéneos como el acero, la madera, el aluminio. El acero es el de mayor uso en
perfiles de grandes dimensiones como los de sección I de alma llena, canal, angulares.
Otro material muy utilizado es el resultado de la combinación del acero y el concreto,
llamándose concreto reforzado o armado. El acero se denomina por su resistencia a la
fluencia, siendo comunes las resistencias de 2800 Kgf/Cm2 (grado 40) y 4200
Kgf/Cm2 (grado 60); los diámetros generalmente utilizados en Republica Dominicana
son 3/8“, ½”, ¾” y 1”, en longitudes que varían desde los 20 hasta los 60 pies. El
concreto utilizado varia su resistencia dependiendo del elemento en que se vaya a
utilizar por ejemplo: 180 Kgf/Cm2 usado en zapatas de muros y en construcciones de
un nivel; 210 Kgf/Cm2 usados en lozas, vigas y obras asimilables; para columnas se
puede usar desde 280 Kgf/Cm2 a 400 Kgf/Cm2.
El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre el comportamiento
de los materiales con los cuales se construyen las edificaciones.
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.
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 de pontones los utilizaban los reyes persas Darío I y Jerjes I en sus
expediciones militares.
Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera, uno de los
cuales se describe con detalle en la obra Comentarios sobre la guerra de las Galias de
Julio César. Sin embargo, los puentes romanos que se mantienen en pie suelen
sustentarse en uno o más arcos de piedra, como el puente de Martorell cerca de
Barcelona, en España, construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en Rímini,
Italia, del siglo I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene tres niveles de
arquerías que elevan el puente a 48 m sobre el río Gard, con una longitud de 261 m;
es el ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido en el siglo I
a.C. La utilización de arcos de medio punto derivó más tarde en la de arcos apuntados.
Los arcos modernos suelen ser escárzanos o con forma semielíptica, ya que permiten
tramos más largos sin interrumpir la navegabilidad y con altura moderada. El puente
sobre el río Tweed (1803) en Kelso, Escocia, ejemplo de puente de arco semielíptico,
fue diseñado por el ingeniero británico John Rennie.
Los puentes de vigas tienen limitada la longitud de los tramos por la resistencia de las
vigas. Esta limitación se supera ensamblando las vigas en triángulos. Leonardo da
Vinci esbozó puentes de este tipo, y el arquitecto italiano Andrea Palladio
probablemente construyó varios. En Suiza se construyeron dos puentes de vigas
trianguladas en 1760. Sin embargo, la construcción de este tipo de puentes no se
desarrolló a gran escala hasta después de 1840
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.
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.
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.
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.
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.
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 tierra firme. 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.
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.
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.
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.
Edificaciones
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 (figura 3b), 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Principios de ingeniería estructural en zonas sísmicas
Antecedentes
Durante tiempos históricos se tiene conocimiento de terremotos que han ocasionado
destrucción en ciudades y poblados de todos los continentes de la tierra. Un elevado
porcentaje de los centenares de miles de víctimas cobradas por los sismos, se debe al
derrumbe de construcciones hechas por el hombre; el fenómeno sismo se ha ido
transformando así en una amenaza de importancia creciente en la medida en que las
áreas urbanas han crecido y se han hecho más densas. Las soluciones constructivas
más duraderas han sido aquellas capaces de resistir las acciones externas y del uso;
entre las acciones externas, en vastas extensiones de nuestro planeta, deben incluirse
las acciones sísmicas.
Hasta hace poco, las soluciones adoptadas para resistir las acciones sísmicas se
desarrollaron esencialmente analizando los efectos de los terremotos en las
construcciones, sin el apoyo teórico de causas y características de los sismos, ni de
información cuantitativa sobre la naturaleza de los movimientos del terreno. Un
ejemplo de adaptación progresiva a las sacudidas telúricas, lo constituye las
edificaciones de la segunda capital de Guatemala, hoy mejor conocida como Antigua.
Algunas de sus edificaciones, monumentos en la actualidad, han resistido con daños
moderados las acciones de los sismos en una de las zonas más activas de Centro
América, durante varios siglos; las soluciones constructivas, con muros de 4 y 5 m de
grosor, bóvedas de 60 cm de espesor, contrafuertes, columnas de esbeltez reducida,
etc., fue el resultado de un proceso de prueba y error durante los siglos XVI, XVII y
parte del XVIII.
La incorporación y desarrollo de la Resistencia de Materiales en el proyecto de las
edificaciones facilitó la predicción cuantitativa del estado de tensiones en las
construcciones. De igual modo la aplicación de procedimientos de análisis y la
incorporación del acero en la construcción, incrementaron sensiblemente la seguridad
en las edificaciones. mediados del presente siglo, los problemas específicos de la
Ingeniería Sísmica progresivamente dejan de ser resueltos en base a observaciones y
comienza a desarrollarse una disciplina fundamentada sobre bases científicas, con un
cuerpo organizado de conocimientos, programas de investigación para entender
ciertos problemas no resueltos y una fértil interacción entre ciencias básicas de un lado
(geofísica, sismología), y la experiencia de ingenieros proyectistas y constructores por
el otro.
Capacidad de predicción
La idea prevalente sobre el vocablo predicción es el de un pronunciamiento
determinístico sobre un evento futuro de naturaleza no determinística tal como la
magnitud, sitio, día y hora de un futuro sismo. Una revisión sobre este aspecto y sus
implicaciones de prevención, permite afirmar lo siguiente:
a) No se poseen aún teorías generales en base a las cuales se puedan hacer
predicciones confiables sobre futuros sismos. De una manera general, la predicción
debe verse como una probabilidad condicional a ser revisada a medida que se produce
nueva información.1 Para ello se requiere como mínimo:
Lo dicho también es aplicable a algunos aspectos de la Ingeniería Sismorresistente. La
mayoría de los Códigos de diseño y mapas de zonificación sísmica, que en su
momento representaron la mejor predicción sobre las acciones de diseño antisísmico
se han ido ajustando en el transcurso del tiempo y es previsible que año sufran
modificaciones. Con frecuencia estos cambios están motivados, justificados y/o
aceptados, como consecuencia de los efectos constatados de un determinado
terremoto.
b) La estrategia más eficiente para limitar las pérdidas materiales, es la de proyectar y
construir utilizando racionalmente los conocimientos de la Ingeniería Sismorresistente.
c) La experiencia demuestra que una vez admitida una predicción, es posible tomar
medidas de defensa civil que reduzcan sustancialmente el riesgo de pérdidas de vidas
así como de cierto tipo de pérdidas indirectas.
A los fines de la Ingeniería Estructural interesa enfocarnos en la capacidad de
pronosticar la respuesta y el desempeño de edificaciones existentes bajo la acción de
sismos. Es decir, dada una edificación ubicada en cierto escenario sísmico, evaluar las
consecuencias de esa exposición.
El esquema operativo de los algoritmos diseñados para tal evaluación es el que se da
en el cuadro 1.
Cuadro 1.
Caracterización del escenario
sísmico
Caracterización de la edificación
expuesta
Respuesta
Vulnerabilidad a sismos
Consecuencias de la exposición
La secuencia anterior es válida, tanto para e edificaciones como para conjuntos
dispuestos en una o más localidades.
Desempeño inadecuado
En el proyecto de edificaciones que puedan quedar sometidas a acciones sísmicas, es
fundamental entender su comportamiento probable: cómo se va a deformar, cuales
son sus regiones críticas y, sobre todo, evitar fallas prematuras que limiten la reserva
resistente de la estructura.
En aquellos casos donde sea previsible que la estructura entre en el rango inelástico,
debe garantizarse una conducta dúctil.
El golpeteo entre edificaciones adyacentes ha sido la causa de daños importantes y
fallas prematuras de edificaciones de varias plantas, en especial cuando estas se
encuentran a diferente nivel.
Los grandes paños de pared de mampostería no reforzada deben evitarse, pues se ha
demostrado en múltiples ocasiones que resultan inestables durante sacudidas
sísmicas intensas. Por ejemplo, los muros de mampostería de fachada de la unidad de
reuniones del Centro Médico de México, sin refuerzos y uniones, perdieron estabilidad
con el terremoto del 19 de Septiembre de 1985.
Estrategia de las normas vigentes
A diferencia de otras sobrecargas, los sismos generan acciones dinámicas de signo
alternante; es decir, las oscilaciones de la edificación durante su respuesta,
superponen a las solicitaciones debidas a la gravedad terrestre otras de signo
alternante (pueden ser momentos flectores, fuerzas axiales o fuerzas cortantes).
Bajo la acción de sismos fuertes, de la intensidad prevista en las normas, se admiten
daños estructurales importantes. Estos pueden incluso llegar a ser tan importantes
que, sin alcanzar el estado de ruina o inestabilidad, requieran la demolición de la
edificación.
Selección del sitio
Los bordes de mesetas —excepcionales por su vista panorámica— presentan mayor
azarosidad cuando se encuentran en áreas amenazadas por sismos, especialmente
son evidentes los fenómenos de inestabilidad de sus taludes por otras acciones
naturales. Algo similar puede decirse de las zonas al pié del talud.
En algunas normas se exige la evaluación de la estabilidad del talud cuando la
edificación se encuentra en sus cercanías.
Fenómenos de licuefacción en suelos sueltos saturados son frecuentes en las riberas
de ríos. Las pilas de este puente rotaron bajo la acción de un sismo y el tablero
simplemente apoyado del lado derecho se hundió en el río.
En áreas de topografía abrupta se observa un mayor movimiento del terreno. Tal es el
caso de área del Canal Beagle, en Viña del Mar, donde un conjunto de edificaciones
nominalmente iguales ubicadas en el tope de un cerro, sufrieron daños importantes
como consecuencia del terremoto de Marzo de 1985, a diferencia de otras iguales
ubicadas al pié del cerro, que no se dañaron.
Acciones de diseño
Aceleración máxima del terreno
Las acciones sísmicas establecidas en las normas se caracterizan por la aceleración
máxima de la componente horizontal y son seleccionadas a partir de un estudio
generalizado de la amenaza sísmica. En término medio y según el país, se encuentran
asociadas a probabilidades de excedencia que oscilan entre 10% y 40% en 50 años, lo
cual representa períodos de retorno de 475 a 100 años.
De una manera general, en obras civiles muy importantes y en todas aquellas donde el
mal funcionamiento puede tener consecuencias catastróficas, es necesario alcanzar un
nivel consistente de protección contra las acciones sísmicas tanto en las edificaciones
como en las instalaciones, sistemas y componentes. Estos, además de soportar las
acciones gravitacionales previstas, deben quedar diseñados de modo tal que puedan
resistir los efectos de aquellas combinaciones de acciones cuya probabilidad de
ocurrencia simultánea no se considere remota.
Tabla 1. Criterios para la selección de los sismos de diseño (aceleración máxima de la
componente horizontal).
Objetivo de Diseño Periodo Medio
de Retorno
Criterio de Diseño
Minimizar daños menores, o la disrupción
de operación en plantas industriales
1 a 2 veces la
vida de la
Respuesta elástica
edificación
Control de daños en componentes
críticos. Estabilidad estructural
4 a 6 veces la
útil
Respuesta elástica.
Cedencia incipiente en
las zonas más
solicitadas
Estabilidad de embalsas. Interrupción de
funcionamiento de plantas nucleares.
Estabilidad de equipos en subestaciones
eléctricas de alto voltaje
De mil a 3 mil
años
Agotamiento resistente
Tabla 2. Coeficiente de importancia y períodos medios de retorno.
Ubicación
de la
localidad
Ao
(2)
Coeficiente
de
Importancia
A'o =
Ao
Probabilidad de que
A'o sea excedido (2)
en un tiempo de:
Periodo
Medio de
Retorno (3)
(años)
1 año 50
años
100
años
Zona de
peligro
sísmico
elevado(1)
1,0 0,30g 0,0021 0,100 0,190 473
0,30g 1,2 0,36g 0,0012 0,059 0,115 818
1,5 0,45g 0,0006 0,031 0,061 1597
Zona de
peligro
sísmico
modera do
(1)
1,0 0,15g 0,0021 0,101 0,192 496
0,15g 1,2 0,18g 0,0010 0,050 0,098 973
1,5 0,225g 0,0004 0,021 0,041 2374
Acción simultánea de varias componentes
De una manera general, el movimiento del terreno debido a sismos puede
descomponerse en seis componentes: tres traslaciones y tres rotaciones. Dado que la
mayoría de las edificaciones responden esencialmente a las componentes
traslacionales horizontales (X e Y), es común que las componentes rotacionales sean
ignoradas totalmente y que el efecto de la componente vertical (Z) sea despreciada;
cuando esta componente o su efecto, sea importante, es preciso incorporarlo y
considerar el efecto combinado S según la expresión:
donde S representa el efecto debido a la componente traslacional del movimiento del
terreno indicada en el subíndice.
Caracterización de las acciones de diseño
Espectros de respuesta elástica
Los espectros describen la máxima respuesta de estructuras idealizadas como un
grado de libertad, sometidas a la acción de un movimiento sísmico (acelerograma)
conocido. El procedimiento a seguir para la determinación rigurosa de los espectros se
ilustra en la Figura 4. Los espectros para el diseño (Figura 4d) se determinan a partir
de estudios estadísticos de familias de movimientos sísmicos, para osciladores con el
mismo porcentaje de amortiguamiento referido al crítico. En la Tabla 3 se dan valores
para diferentes tipos de materiales y niveles de tensiones.
Tabla 3. Valores de amortiguamiento.
Nivel de tensiones Tipo y Condición de la
Estructura
Porcentaje de
Amortiguamiento
Crítico (%)
Tensiones de
servicio que no
excedan un 50% de
las cadentes
a) tuberías vitales; 1 a 2
b) miembros de acero, soldados:
concreto pretensado; concreto
muy reforzado, con pequeños
2 a 3
agrietamientos;
c) concreto armado con fisuración
pronunciada
3 a 5
d) miembros de acero apernados;
estructuras de madera.
5 a 7
Tensiones a nivel
cedente o cercanos a
la cadencia
a) tuberías vitales 2 a 3
b) miembros de acero, soldados;
concreto pretensado sin pérdida
completa de la pretensión;
5 a 7
c) concreto pretensado con
pérdida la pretensión
a 10
d) concreto armado; 7 a 10
e) miembros de acero apernados:
estructuras de madera
10 a 15
De una manera general, las condiciones del subsuelo influyen en los contenidos
frecuenciales del movimiento y por tanto en la forma de los espectros. En la Figura 5
se describe en forma cualitativa cambios esperados en la aceleración máxima del
terreno y en las formas espectrales, para tres registros: un sitio cercano ubicado en
suelo firme ó roca (1), superficie de depósito aluvional (2) y un sitio alejado en el suelo
firme (3).
Espectros de diseño
Tal como se indicó en la sección de estrategias de normas vigentes, es común admitir
que la edificación pueda hacer incursiones importantes en el rango inelástico (post-
elástico). Por esta razón en el diseño se utilizan espectros de respuesta elástica a
partir de un factor de reducción que depende del factor de ductilidad D garantizando
por el sistema resistente a sismos.
VALORES TIPICOS DE D
Sistema Resistente a
sismos
Rango de valores de D
Acero bien
detallado
Concreto armado
Bien
detallado
Detallado
insuficiente
Pórticos; elementos
sometidos a la flexión
5 - 7 4 - 6 2,5 - 3,5
Pórticos y muros; dual 3 - 5 2 - 3
Pórticos diagonalizados 3 - 4 2,5 - 3,5 1,5 - 2
Muros estructurales 3 - 4 1,5 - 2
Las normas aceptan, implícita ó explícitamente, que bajo esas acciones intensas las
edificaciones comunes incursionen en el rango de deformaciones inelásticas; es decir,
daños estructurales, que pueden incluso ser de naturaleza irreparable.
De una manera general, se puede considerar que estos son los estados previos a la
condición límite de ruina o desplome; de hecho, parte importante de las pérdidas
materiales está representada por el riesgo de ruina o desplome de la edificación. Es
evidente de lo anterior, que la capacidad de predecir dicho estado límite está asociada
a una incertidumbre mayor y requiere consideración especial.
Configuración y Estructuración
La experiencia ha demostrado que la configuración de la edificación y su
estructuración juegan un papel muy importante en el diseño a solicitaciones sísmicas
intensas. Los estudios analíticos confirman las observaciones de campo según las
cuales, edificaciones irregulares dan lugar a elevadas demandas localizadas de
resistencia y/o ductilidad; esto conduce a una respuesta inadecuada, a menudo de
consecuencias catastróficas, ya que la estructura portante no alcanza a desarrollar
íntegramente su capacidad portante.
Irregularidades en planta
Plantas de configuración irregular han tenido un mal desempeño a sismos intensos.
Por ejemplo plantas triangulares, generalmente ubicadas en parcelas de la misma
forma, conducen a distribuciones de rigidez asociadas a fuertes torsiones.
Los extremos de plantas con entrantes pronunciados, con formas en U,C ó H, tienden
a responder de modo independiente al resto de la edificación creando esfuerzos
adicionales no previstos. Su corrección a posteriori es posible, tal como se ilustra en
este caso de Caracas afectado por el terremoto de 1967.
Irregularidades en elevación
Cambios bruscos en la distribución vertical de masas, resistencia o rigidez conducen a
situaciones altamente vulnerables a sismos, como la que se ilustra. No es conveniente
disponer grandes masas aisladas en las partes superiores de edificaciones elevadas
pues durante la respuesta dinámica de la edificación son de esperar amplificaciones
importantes del movimiento. El tanque de almacenamiento de agua en el último nivel
del Centro de Oncología (PB + 7 niveles), probablemente fue el causante de fallas en
columnas; nótese que la entrada de ambulancias se encuentra obstruida.
Otras irregularidades en elevación pueden ser creadas por elementos no estructurales,
cuya interacción con la estructura portante suele ser ignorada en el modelo
matemático, tal como se constata en el edificio de 10 plantas de la figura.
Estructuración
El sistema estructural debe definir claramente alineamientos resistentes a las
solicitaciones sísmicas, cuya contribución a la capacidad portante se pueda cuantificar
de modo inequívoco. El sistema reticulado celular ilustrado, eficiente para sobrecargas
gravitacionales, da lugar a estructuras excesivamente flexibles y débiles, tal como se
evidenció en el pasado terremoto de México en 1985.
La construcción de este edificio de 25 pisos, ubicado en una zona de elevado peligro
sísmico, fue detenida por ser inadecuada se estructuración en su dimensión más larga.
Verificación de la seguridad
Como resultado de estudios de investigaciones hechas hasta el presente, es evidente
que ha aumentado el nivel de confianza en la predicción tanto de las acciones
esperadas como de la respuesta probable. Tales estudios revelan que el necesario
balance entre seguridad y economía puede lograrse a costo de un cierto riesgo,
expresado como probabilidad de excedencia de ciertos estados límites. Este aspecto
plantea la necesidad de revisar la responsabilidad por cierto tipo de daños como
consecuencia de acciones sísmicas futuras, y así se establece en las normas
modernas.
En todo caso, toda edificación y cada una de sus partes debe tener la resistencia, la
rigidez y la estabilidad necesaria para comportarse satisfactoriamente y con seguridad
de alcanzar los estados límites que puedan presentarse durante su vida útil. De una
manera formal, en la verificación de la seguridad se pueden distinguir cuatro tipos de
acciones: permanentes, variables, accidentales y extraordinarias. Estas conducen a las
siguientes situaciones de diseño:
i) situaciones permanentes ó persistentes, cuya duración es del mismo orden de la
vida útil de la estructura;
ii) situaciones variables ó transitorias, que, aún cuando son de duración menor, tienen
una elevada probabilidad de ocurrir a lo largo de la vida útil de la edificación. Es el
caso de las combinaciones de peso propio y sobrecargas de servicio extremas;
iii) situaciones accidentales, caracterizadas por su corta duración y pequeña
probabilidad de ocurrencia (sismos intensos, vientos, cambios extremos de
temperatura);
iv) situaciones extraordinarias, que pueden presentarse en casos excepcionales y dar
lugar a catástrofes (explosiones, incendios, impactos, etc.).
FUNCIONES QUE DESEMPEÑA EL INGENIERO HIDRAULICO
La elaboración de grandes estructuras como son las presas, las esclusas, los canales
navegables, los puertos, entre otros tipos de obras. Todo tipo de obras que se
relacionan con la agricultura, pues esta es una de las especialidades de la ingeniería
hidráulica, de hecho su nombre es hidráulica agrícola, en ella se realizan: sistemas de
riego y de drenaje. La creación de obras ambientales, tales como: presas filtrantes que
ayudan a controlar la erosión, defensas ribereñas y muchas más Los ingenieros hidráu
licos, tienen la función de realizar diseños, luego materializarlos y operar las obras
hidráulicas, a base de investigaciones, pues esta se apoya en gran manera de los
resultados experimentales.
Todas las teorías importantes para la ingeniería hidráulica, a su vez son sustentadas
por el uso de instrumentos matemáticos, que van modernizándose de acorde a los
tiempos; de todas maneras siempre se obtiene algún coeficiente o fórmula empírica, la
cual resulta ser la manera en que se resuelven los problemas prácticos, luego de
haberla determinado por medio de experimentos de laboratorio, de obras construidas y
de operantes.
INICIOS DE LA INGENIERIA HIDRAULICA
La ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si
se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a
utilizar y controlar el agua. Por esto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las
proximidades de los grandes ríos y basaron su economía en la agricultura.
Paulatinamente fueron utilizando el riego en sus formas primitivas.
Del año 4000 al 2000 A. C. los egipcios y los fenicios ya tenían experiencias en
problemas de agua, en la construcción de sus barcos y sus puertos. En ese tiempo,
China, India, Pakistán, Egipto y Mesopotamia iniciaron el desarrollo de los sistemas de
riego
Los chinos también experimentaron en la protección contra inundaciones, Después del
alto 500 A. C. en la Grecia antigua se construyeron acueductos y se empezaron a
desarrollar fórmulas para dichos sistemas; fue éste uno de los primeros intentos para
la elaboración de un modelo matemático.
Después, básicamente s lo se conoce la invención del molino de viento utilizado para
extraer aguas subterráneas. Ya en el siglo XVI se desarrollaron los principios de la
hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli, alrededor del año 1800 Newton,
Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.
Ingenieria Geotecnica
Los campos de la Ingeniería Geotécnica y la Ingeniería Geológica están
estrechamente relacionados, y tienen grandes áreas de traslapo. Sin embargo, la
Ingeniería Geotécnica es una especialidad de la ingeniería, mientras la Ingeniería
Geológica es una especialidad de la Geología.
Quienes son los Ingenieros Geotécnicos
Un proyecto de Ingeniería Geotécnica típico comienza con una revisión de las
necesidades del proyecto para definir las propiedades del material a trabajar. Luego
sigue una investigación in situ de suelos, rocas, la distribución de fallas y de las
propiedades del basamento, en y por debajo de un área de interés, para determinar
sus propiedades de ingeniería, incluyendo la forma en que interactúan con, en o sobre
un proyecto de construcción. Las investigaciones del sitio son necesarias para obtener
una comprensión de la zona en o sobre los que la ingeniería se llevará a cabo. Las
investigaciones pueden incluir la evaluación del riesgo para las personas, los bienes y
el medio ambiente de los peligros naturales como terremotos, deslizamientos,
hundimientos, licuefacción del suelo, los flujos de escombros y caídas de rocas.
Proyecto de Ingeniería Geotécnica
Un ingeniero geotécnico posteriormente determina y diseña el tipo de fundaciones,
movimientos de tierra, y/o sub-bases necesarias para el pavimento destinado a las
estructuras que se construirán. Las fundaciones son diseñadas y construidas para
estructuras de diversos tamaños, tales como edificios de gran altura, puentes, edificios
comerciales grandes y medianos, y estructuras más pequeñas, donde las condiciones
del suelo no permiten el diseño basado en un código.
Las fundaciones construidas para las estructuras sobre el terreno
incluyen cimentaciones superficiales y profundas. Las estructuras de contención
incluyen presas de tierra y muros de contención. Los movimientos de tierra incluyen
terraplenes, túneles, presas, diques, canales, embalses, depósitos de residuos
peligrosos y rellenos sanitarios.
Una diferencia importante entre las técnicas de la Ingeniería Civil y las prácticas de la
Ingeniería Geotécnica, es que la Ingeniería Geotécnica requiere
experiencia competente y relevante para establecer juicios adecuados, y depende
menos del diseño basado en códigos. La prioridad un ingeniero geotécnico debe ser el
reconocimiento de las diferencias en el suelo y las propiedades de las rocas, evaluar
las propiedades de ingeniería de la roca y el suelo en el sitio, y determinar el diseño
adecuado y el método de construcción, que sea a la vez rentable, duradero y seguro.
El alcance del trabajo de un ingeniero geotécnico es enorme, y con la invención de
nuevas técnicas de investigación y los nuevos materiales que apoyan el trabajo del
ingeniero geotécnico, el campo se ha vuelto aún más interesante.
En un esfuerzo por unificar en 1999, los diferentes conceptos que se venían
desarrollando alrededor de la Ingeniería Geotécnica se presentó la siguiente definición:
"La ingeniería geotécnica es la aplicación de las ciencias de la mecánica de suelos y
mecánica de rocas, la ingeniería geológica y otras disciplinas afines a los derechos
civiles de la ingeniería de la construcción, las industrias extractivas y la preservación
y mejora del medio ambiente.
La ingeniería geotécnica juega un papel clave en todos los proyectos de ingeniería
civil, ya que toda la construcción se construye sobre o en el suelo. Además, constituye
una parte importante de las industrias extractivas, tales como a cielo abierto y minas
subterráneas y minas la extracción de hidrocarburos y es esencial en la evaluación de
los riesgos naturales, tales como los terremotos y los deslizamientos de tierra.
El uso de suelo natural o de la roca hace que la ingeniería geotécnica sea diferente de
muchas otras ramas de la ingeniería: mientras que la mayoría de los ingenieros
especifican los materiales que utilizan, el ingeniero geotécnico debe utilizar el material
existente en el suelo y en general no puede controlar sus propiedades."
Los ingenieros geotécnicos deben ser competentes en la determinación de las
propiedades del suelo y roca, ingeniería mecánica, métodos y técnicas de
investigación del subsuelo de pruebas de laboratorio. Deben tener un profundo
conocimiento de los métodos de diseño, métodos de construcción, procedimientos de
inspección/supervisión, y las especificaciones y las prácticas de contratación. Los
ingenieros geotécnicos deben tener amplia experiencia práctica, en la medida en que
la práctica de la Ingeniería Geotécnica implica tanto un arte como la ciencia. Este
requisito fue claramente expresado por Karl Terzaghi, quien hizo importantes
contribuciones al desarrollo de la mecánica de suelos: "La magnitud de la diferencia
entre el comportamiento de los suelos en condiciones reales de campo y la predicción
del comportamiento sobre la base de la teoría, sólo puede ser determinada por la
experimentación de campo".
Que hacen los Ingenieros Geotécnicos
Los Ingenieros Geotécnicos interactúan con una gran cantidad de disciplinas que
requieren de su apoyo en la ejecución de obras y proyectos.
Mapa de interacción en la práctica de la Ingeniería Geotécnica (modificado de Anon,
1999)
Norbert Morgenstern en el año 2000 enfatizó que la incertidumbre es crónica, en la
práctica geotécnica y por lo tanto, el riesgo debe ser administrado. Un componente
esencial para garantizar un desempeño geotécnico, a lo largo de la amplia gama de
productos entregables, requiere que el ingeniero geotécnico mantenga una conciencia
continua y permanente de los factores que contribuyen al desarrollo de catástrofes
(fallas) e introducir esta toma de conciencia como herramienta en la gestión integral de
riesgos.
El método geotécnico no es sistemático, sino que implica intercambio de información
entre la adquisición de datos, la idealización del material y modelo, la gestión técnica
de evaluación, el juicio y el riesgo. Si bien los códigos de construcción y los métodos
de normalización de prácticas son útiles, una estandarización más penetrante del
diseño geotécnico es contraproducente.
Triángulo de interacción de la Ingeniería Geotécnica (adaptado de Anon,
1999)
Cada aspecto es diferente e interconectado y varía de proyecto en proyecto
El método geotécnico también reconoce algunos conceptos unificadores, que pueden
ilustrarse con referencia a la matriz origen-consistencia de los materiales geotécnicos
que demuestra la amplia gama de materiales considerados por los ingenieros
geotécnicos. La distinción entre el suelo y las rocas se basa en si el material se
desintegra o no cuando se sumerge en agua y el límite entre la roca dura y débil se
toma con la resistencia a la compresión del concreto común. Ningún límite exacto. Las
Arcillas Lutíticas son materiales de transición entre los suelos y rocas difíciles de
clasificar con precisión. La distinción de roca dura pretende dar a entender que la
resistencia de la roca intacta es generalmente demasiado alta para ser de significación
geotécnica. Sin embargo, como ocurre con frecuencia en muchos de los problemas
geotécnicos, existen importantes excepciones.
Refiriéndose a la gama de Materiales Geotécnicos, un ingeniero geotécnico puede
ser llamado a evaluar la licuefacción en una arena aluvial reciente o el diseño de un
túnel en una arcilla pizarrosa marina Cretácica, o asesorar una excavación profunda a
través de un perfil de granito erosionado.
Los conceptos unificadores que facilitan esta amplitud de espectro profesional son los
siguientes:
1. Todos los materiales son porosos (en diversos grados) y el concepto de
esfuerzo efectivo proporciona la base fundamental para la caracterización
cuantitativa.
2. Todos los materiales (en diversos grados) dependen del esfuerzo normal, la
resistencia aumenta el esfuerzo normal, la rigidez aumenta con el esfuerzo
normal y la permeabilidad generalmente disminuye con el esfuerzo normal.
3. Todos los materiales (en diversos grados) dependen de la estructura, para
algunos, como las arcillas uniformes homogéneas, la estructura está en una
escala que puede ser caracterizada por el proceso de muestreo y ensayo, para
otros, como una masa de roca dura diaclasada, la discontinuidad heredada
domina el comportamiento y los efectos de escala limitan la toma de muestras y
ensayos de laboratorio.
Rango de Materiales Geotécnicos clasificados por origen, composición y
consistencia
Funciones de la Ingeniería Geotécnica
Las principales funciones de la ingeniería geotécnica son las siguientes:
Evaluación de riesgos geotécnicos, incluyendo el potencial de deslizamientos de
tierra.
Determinación de la capacidad de carga, las deformaciones de las fundaciones,
y posibles interacciones entre el suelo, cimientos y la estructura.
Evaluación de la presión de la tierra y la realización de muros de contención.
Análisis del comportamiento del terraplén.
Esfuerzos en las excavaciones, cuevas, túneles.
Realización de análisis de la respuesta de un sitio.
La investigación geotécnica es el primer paso en la aplicación de métodos científicos y
principios de ingeniería, para obtener soluciones de problemas de la Ingeniería Civil.
La identificación de los tipos de suelo y roca, la medición de los niveles de agua
subterránea, la determinación de esfuerzos en los materiales, identificando las
limitaciones geológicas; son algunos de los aspectos que un ingeniero geotécnico
necesita estudiar. Posteriormente, el diseño geotécnico entra en escena, después que
la actividad investigadora ha finalizado y se analizan debidamente los resultados de la
investigación. El criterio de desempeño factible para las obras de ingeniería, se
establece a través del proceso de diseño geotécnico.
Que se ha logrado mediante la Ingeniería Geotécnica
Muchas estructuras que fueron construidas hace siglos son monumentos de la
curiosidad, incluso hoy en día. En Egipto los templos construidos hace tres o cuatro mil
años siguen existiendo, aunque el diseño de sus cimientos no se basa en ningún
principio conocido en la actualidad. Los romanos construyeron estructuras notables de
ingeniería tales como puertos, diques, acueductos, puentes, grandes edificios públicos
y una amplia red de durables y excelentes carreteras. La torre inclinada de Pisa en
Italia que se construyó durante el siglo XIV sigue siendo un centro de atracción
turística. Muchos puentes se construyeron entre los siglos XV y XVII. Los pilotes de
madera se utilizaron para muchas de las fundaciones.
Otra maravilla de los logros de la ingeniería es la construcción del famoso mausoleo
Taj Mahal en las afueras de la ciudad de Agra. Este fue construido en el siglo XVII por
el emperador mogol de Delhi, Shahjahan, para conmemorar su esposa favorita
Mumtaz Mahal. El mausoleo se construyó en la orilla del río Jamuna. La proximidad del
río requirió una atención especial en la construcción de la fundaciones. Se ha
reportado que pozos cilíndricos de mampostería se utilizaron para los cimientos. Esto
da crédito a los ingenieros que diseñaron y construyeron esta gran estructura que
sigue estando en buenas condiciones, incluso después de un lapso de cerca de tres
siglos.
Taj Mahal (India)
En el año 1999, la revista Engineering News Record enumeró los mejores 125
proyectos de construcción de los últimos 125 años y, a partir de 1925, es posible
seleccionar un número de ejemplos que hicieron uso intensivo de la Ingeniería
Geotécnica:
Túneles (Túnel Holland, 1927; Túnel de la cascada, 1928; Canal de la Mancha,
1994 / Túnel del Ferrocarril Seikan Túnel, 1988)
Represas (Presa Hoover, 1935; embalse de Guri, 1968; presa de Asuán, 1970;
Proyecto de Snowy Mountains, 1974; Nurek Dam, 1977, Proyecto de la Bahía
James, 1985; Proyecto de Itaipú, 1991).
Carreteras (Highway Alaska, 1942)
Proyectos de Navegación (Exclusas y represas en el río Mississippi, 1940; San
Lorenzo, 1959).
Puentes (Puente Humber, 1981; Puente del Estrecho de Northumberland,
1996).
Tuberías (Oleoducto Trans Alaska, 1977)
Estructuras Marinas u 'Offshore' (Plataforma Statford B, 1981; plataforma
Hibernia, 1997)
Trenes Subterráneos (Washington, DC, 1976)
Aeropuertos (Chek Lap Kok, 1998)
A estos monumentos de la ingeniería civil se podría añadir una lista similar de las
contribuciones geotécnicas a la minería y extracción de hidrocarburos, así como a la
mejora del medio ambiente a través de remediación del suelo.
Menos visible, pero igualmente importantes, son las contribuciones geotécnicas a la
construcción de infraestructura prácticamente todos los países del mundo.
Los túneles, la más difícil de las artes de la ingeniería civil desarrollada a partir de la
minería, fueron utilizados por primera vez por los ingenieros civiles de la época del
Canal (de la Mancha). La práctica ferroviaria está bien resumida por Simms, y el
desarrollo de los túneles escudo por Copperthwaite. Las últimas interpretaciones de la
historia del túnel del Támesis, diseñado por Marc Brunel se encuentran en las
publicaciones Civil Engineering (AM Muir Wood) y Geotechnique (Skempton y
Chrimes) de 1994.
Casos mundiales en los que hizo falta la aplicación de la Ingeniería Geotécnica
Dos de las obras de construcción de carácter monumental en el ámbito mundial donde
se hizo patética la ausencia de los postulados de la Mecánica de Suelos moderna, son
la Torre de Pisa y el canal de Panamá. La llamada Torre Inclinada de Pisa fue
comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la segunda mitad del Siglo
XIV. Con una altura de cuarenta y cinco (45) metros y un peso total de 14,500
toneladas, su cimentación anular transmite presiones al subsuelo del orden de 5
Kg/cm². Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla, su inclinación comenzó a
producirse desde la época de su construcción como consecuencia de presiones
diferenciales de los suelos afectados, observándose en la actualidad una separación
entre la vertical y el eje longitudinal de la torre de 4.90 m en su parte más alta.
Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, se desplomó en
1902 cuando su inclinación era de apenas 0.8%. Una nueva torre, existente, fue
erigida en el lugar de la antigua, con una cimentación más grande.
El primer intento por construir un canal artificial que uniese los océanos Atlántico y
Pacífico, en Panamá, fue realizado por el Ing. Francés Fernando de Lesseps, en el
1881, quien antes había llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el año
1914 que el canal de navegación solucionado por los norteamericanos mediante un
sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, después de lograr el saneamiento
de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la obra fue de 380
millones de dólares, suma superior a la estimada en el presupuesto. Se excavaron 315
millones de metros cúbicos de material, en los 82.5 Km. de longitud del canal, de los
cuales 129 millones correspondieron al corte de Gaillard. La construcción de
caracterizó por grandes deslizamientos en las formaciones denominadas "culebra" y
"cucaracha", estando constituida esta última por arenisca arcillosa estructuralmente
débil. Las fallas se siguieron produciendo años después de la inauguración del canal
provocando el cierre temporal por períodos más o menos largos. La estabilidad actual
de las laderas del Canal de Panamá plantea un problema de resistencia a largo
tiempo, donde las respuestas hay que buscarlas en la asociación de la geología y la
Mecánica de Suelos.
Dragas en el Corte Culebra (Gaillard) en el Canal de Panamá (1914)
Ciudades notorias por sus hundimientos
A nivel universal hay ciudades grandes y populosas caracterizadas por hundimientos
importantes, pudiéndose citar entre ellas a las siguientes urbes:
Ciudad de México
Venecia
Roma
Tokio
Shanghai
Bangkok
Madrás
Bombay
Ciudad de México fue fundada por los Aztecas en el año 1325, en una isla sobre el
lago de Texcoco. La parte colonial de ciudad, ubicada encima del fondo del depósito
de agua, tiene uno de los subsuelos de cimentación más críticos del mundo,
constituido por gruesos depósitos de arcillas volcánicas, lacustres, altamente
compresibles, habiéndose perforado hasta 2,000 pies de profundidad sin haber
encontrado roca. Presenta contenidos medio de humedad del orden de 200% con
valores esporádicos de hasta 600%. Existen allí capas alternadas de arena de
pequeño tamaño, consecuencia todo del origen sedimentario del área. A unos treinta y
tres (33) metros de profundidad está localizado un manto de arena densa y espesor de
más o menos cinco (5) metros en la cual está cimentada la Torre Latinoamericana, de
cuarenta y tres (43) pisos de altura, uno de los edificios más elevados construidos en
la América hispana.
El hundimiento de la ciudad es debido al secado de los antiguos lagos del Valle de
México, acrecentado por la extracción de agua del subsuelo en la medida del
crecimiento demográfico. En la Catedral se llegaron a medir velocidades de
hundimiento de hasta cuarenta (40) centímetros anuales. En los últimos tiempos se ha
logrado reducir la compresión de los suelos, controlándose la explotación de los
acuíferos de la zona urbana, sustituyéndose por fuentes alejadas de la metrópoli que
aunque subterráneas parecen pertenecer a cuencas hidráulicas independientes.
Hundimiento en Ciudad de México D.F.
Venecia, construida sobre una serie de lagunas del Mar Adriático, sufre hundimientos
estimados en 32 cm durante el presente siglo, mayores que en la centuria pasada. Las
inundaciones marinas, las actividades fabriles y la extracción de agua subterránea
parecen ser las causas más importantes del deterioro; habiendo preocupación mundial
por detener las anomalías y preservar los grandes tesoros artísticos de la ciudad,
considerados patrimonio universal. En el año de 1973 el parlamento italiano aprobó un
proyecto de obras de protección a la ciudad, con financiamiento extranjero, por 500
millones de dólares.
Entre 1955 y 1970 Roma - La Ciudad Eterna - registró un hundimiento total de treinta
(30) centímetros. Para explicar el fenómeno se ha dicho que las lluvias han ido
elevando paulatinamente el nivel de las aguas subterráneas que reblandecen el suelo
al no poder escapar hacia el río Tíber, por estar sus orillas revestidas con hormigón.
Sobre Tokio, una de las ciudades más grandes del mundo, se ha dicho que desde la
Segunda Guerra Mundial el sector oriental de la gran capital se ha hundido más de dos
(2) metros. Juzgándose que el problema tiene su origen en la explotación de los
mantos acuíferos, los japoneses han implantado leyes severas contra el uso de las
aguas subterráneas.
Shanghai, la población más extendida de China, importante puerto y centro industrial -
comercial, es otra metrópoli que experimenta problemas de descensos por la
extracción de agua del subsuelo para fines domésticos e industriales. Un informe
presentado por el Servicio Geológico de la ciudad indica que en los 44 años
transcurridos entre 1921 y 1965 el hundimiento fue de 2.63 m.
Bangkok, capital de Tailandia, tiene una velocidad de hundimiento de 7 cm/año. Las
ciudades de Madrás y Bombay en la India, también se están hundiendo aunque
lentamente.
En muchas de las supradichas ciudades, la explotación de los depósitos subterráneos
de agua, petróleo o gas, se indica como causa de los problemas de grandes
hundimientos, aunque también se ha sustentado la tesis de que los movimientos
tectónicos de los bloques o placas que constituyen la corteza terrestre tienen
responsabilidad en los fenómenos.
Cuales son los agentes de cambio
La ingeniería geotécnica es continuamente transformada por el desarrollo de las
nuevas tecnologías y la generación de nuevos problemas. El cambio es
particularmente evidente en los últimos años del siglo XX.
Cada uno tendrá una lista diferente de los avances técnicos más importantes que
afecta a la práctica geotécnica y la investigación reciente, pero los más importantes
son:
Avances modelos numéricos
Avances en instrumentación y el procesamiento de datos
Refuerzo del Suelo, incluyendo el suelo claveteado o 'soil nailing'
Avances en las técnicas de mejoramiento del suelo (inyección, compactación,
etc.)
Aplicaciones de los geosintéticos
Avances en las pruebas in-situ
Nuevas o extensamente amplificadas aplicaciones de la Ingeniería Geotécnica se han
desarrollado en los siguientes áreas:
Surgimiento de la geotecnia ambiental
Ingeniería geotécnica en regiones heladas (permafrost, hielo, escarcha)
Ingeniería geotécnica de alta temperatura (expositorios de residuos nucleares,
producción de hidrocarburos in-situ).
Aplicación a la minería (presas de relaves, lixiviación en pilas, escombreras)
Aplicaciones a la explotación de petróleo (estabilidad de pozos, compactación
de yacimientos).
Los procesos que impulsan el cambio de la Ingeniería Geotécnica en el futuro, pueden
entenderse mejor tomando como referencia el interesante trabajo de Knill (1997)
titulado "Environmental change and engineering geology: our global change".
(Proceedings International Symposium on Engineering Geology and the Environment,
International Association of Engineering Geology. Balkema, Vol. 4, in press.), que
aunque fue escrito en el contexto de los desafíos a la ingeniería geológica, puede ser
leído y entendido como relevante para el conjunto de la ingeniería geotécnica.
Knill dijo que el cambio ambiental está teniendo lugar principalmente como resultado
de dos factores: el crecimiento de la población y los cambios climáticos, las cuestiones
que inevitablemente están estrechamente relacionadas.
Señala que la proyección más probables para el pico de crecimiento de la población a
finales del siglo XXI está en 11 mil millones de personas, aproximadamente el 90% del
aumento se encuentra en los países en desarrollo y al menos el 60% de esta población
estará viviendo en megaciudades.
Juicio e Innovación. La herencia y el futuro de la profesión de Ingeniería
Geotécnica
Algunas estimaciones indican la necesidad de construir el equivalente de 400
grandes ciudades en los próximos 50 años. Este aumento de la población requerirá de
vivienda, alimentos, agua limpia y eliminación eficaz de desechos para un nivel básico
de subsistencia.
Se requiere, como mínimo, una infraestructura mejorada de agricultura, transporte,
agua y suministro de energía, eliminación de residuos y control de la contaminación.
La población y su
infraestructura de apoyo tendrá que estar provista de estabilidad a través de una
protección adecuada contra las consecuencias de los desastres ambientales
provocados por el hombre, o el cambio institucional. Esta demanda creciente
de sistemas de soporte vital coincide con el cada vez mayor cambio climático, a su vez
influido, si no dominado, por la actividad del ser humano. Como resultado hemos
entrado en un período de intenso cambio ambiental global y se asocia a problemas de
gestión que influyen en el orden del día geotécnico del futuro.
El mantenimiento de las megaciudades, la contención de los residuos y la protección
frente a eventos naturales extremos son tres ejemplos fáciles de reconocer.
Reconociendo la necesidad de centrarse más en el desarrollo sostenible, Knill ha
identificado ocho aspectos de la práctica profesional de la ingeniería geológica (leer
ingeniería geotécnica) que merecen mayor atención:
Trabajar profesionalmente y vivir de una manera que influya mínimamente sobre
el medio ambiente, reconociendo y mitigando los impactos donde se produzcan.
Hacer uso de técnicas respetuosas del medio ambiente utilizando materiales de
bajo costo, de baja calidad, e "ingeniería blanda".
Dar mayor peso a la evaluación cuantitativa de la incertidumbre y la variabilidad
en la evaluación de los procesos geológicos y las propiedades de los materiales
geológicos.
Reconocer la importancia de los procesos geológicos en el marco de tiempo, y
en relación con la causalidad a través de otros mecanismos ambientales.
Aumentar el grado en que el modelado se utiliza como una herramienta de
predicción y verificación.
Aceptar que la ingeniería geológica (leer ingeniería geotécnica) trabaja para el
beneficio de las personas, y así debe ser estrechamente relacionada con la
población afectada o beneficiada por el desarrollo.
Reconocer el papel paralelo de otras disciplinas en temas de la evaluación del
medio ambiente.
Comprender la función de regulación de la legislación ambiental, y la
formulación de políticas.
El orden del día geotécnico del futuro, estará dominado por la búsqueda de soluciones
de ingeniería a los problemas que son sensibles a las necesidades ambientales.
La ética en la Ingeniería Geotécnica
En marzo de 2004, la ISSMGE, Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e
Ingeniería Geotécnica, publicó el POLICY DOCUMENT NO. 1 - GUIDELINES FOR
PROFESSIONAL PRACTICE, en donde se establecen los lineamientos éticos para el
ejercicio de la Ingeniería Geotécnica, que se dividen en dos (2) partes: generales a los
practicantes de la geotecnia y específicos a los Ingenieros Geotécnicos.
(A) Ética Profesional General:
Los profesionales que desarrollen actividades geotécnicas deberán:
1. Superponer su responsabilidad por el bienestar, la salud y la seguridad de la
comunidad antes de su responsabilidad para con los intereses sectoriales o
privados.
2. Actuar con honor, integridad y dignidad como para merecer la confianza de la
comunidad y la profesión en general.
3. Actuar solamente dentro de las áreas de su competencia en forma diligente y
cuidadosa.
4. Aplicar sus habilidades y conocimientos en beneficio de su empleador o cliente,
sin comprometer las demás obligaciones que pueda tener para actuar de
manera ética.
5. Tomar las medidas necesarias para informarse a ellos mismos, a sus clientes y
empleadores, de las posibles consecuencias técnicas, sociales, ambientales y
de otra índole, que puedan derivarse de sus acciones.
6. Expresar opiniones, hacer declaraciones o dar testimonio, con justicia y
honestidad, y sólo sobre la base de un conocimiento adecuado.
7. Continuar desarrollando conocimiento relevante, habilidad y experiencia a
través de su carrera, y promover activamente las personas asociadas a la
profesión, a hacer lo mismo.
(B) Ética Profesional Específica:
Los Ingenieros Geotécnicos:
1. Tomarán medidas para considerar el contexto (el "cuadro completo") en el que
se desarrolla su trabajo y se esforzarán por participar en el proyecto de principio
a fin.
2. Conocerán el contexto geológico, hidrogeológico y medioambiental del proyecto
en el que están involucrados.
3. Deberán, al actuar como diseñadores, tomar todas las medidas razonables para
visitar el sitio durante la construcción y convencerse de que la construcción
cumple con la intención del diseño.
4. Deberán evitar la competencia de precios a expensas de la calidad técnica.
5. Se esforzarán por colaborar con profesionales de otras disciplinas que
participan en el mismo proyecto.
6. Se esforzarán por explicar a sus clientes, ya la comunidad en general, la
importancia de su trabajo.
7. Deberán, cuando se les solicite la revisión o la crítica del trabajo de sus colegas,
aconsejarlos como corresponde.
8. Deberán evitar innecesariamente, afirmaciones definitivas en relación con
cuestiones geotécnicas, geológicas y ambientales que son inciertas.
El progreso de la Ingeniería Geotécnica
La Ingeniería Geotécnica se ocupa del proyecto y construcción de obras en todos los
aspectos que afectan al terreno. Son clásicas actividades de la Ingeniería
Geotécnica: el proyecto de las cimentaciones de estructuras, el diseño y construcción
de túneles, el estudio de la estabilidad de laderas, cortes y terraplenes, el proyecto de
muros y excavaciones y el análisis de las condiciones de estabilidad de presas. Su
vinculación con la Mecánica es primordial porque en las actividades citadas se debe
encontrar la respuesta del terreno frente a acciones que, casi siempre, suponen un
cambio en el estado tensional o de las presiones de fluidos del terreno. Esa ligazón
con las tensiones y deformaciones le dará su perfil característico, que la hace diferente
de otras áreas del conocimiento que se ocupan del medio geológico. En el mismo
núcleo de la Ingeniería Geotécnica se encuentra, por tanto, la Mecánica, que se
especializa en Mecánica de Suelos y Mecánica de Rocas, las dos disciplinas
científicas que proporcionan bases fundamentales para el desarrollo técnico.
La actividad geotécnica es muy antigua, como lo ha sido la construcción de obras,
estructuras y monumentos. Nunca ha sido una consideración disuasoria el desconocer
en profundidad las bases mecánicas teóricas del comportamiento de los materiales
geológicos o los modelos matemáticos que pudieran “representar” la obra en cuestión.
Un ejemplo notorio es la construcción de túneles, que había alcanzado un desarrollo
muy notable antes de que se acuñaran incluso los términos Mecánica de Suelos y
Mecánica de Rocas, o de que se celebraran formalmente los primeros congresos
internacionales sobre estas teorías emergentes (en 1936, en Harvard, en el caso de la
Mecánica de Suelos, y en 1966, en Lisboa, en el caso de la Mecánica de Rocas). Los
puentes y las catedrales se han cimentado, las presas y carreteras se han construido,
los canales se han excavado con independencia del desarrollo de los principios que
rigen el comportamiento mecánico de suelos y rocas. Por ello, las reglas técnicas,
siempre inspiradas en la experiencia acumulada, son más antiguas que los
desarrollos teóricos que las avalan.
Tradicionalmente, como ha sido también la forma de proceder en los proyectos de
obras y estructuras en general, el proyecto geotécnico debía cumplir dos requisitos
fundamentales:
1. asegurar la estabilidad de la obra, y
2. conseguir que las deformaciones o movimientos en servicio fueran aceptables.
La primera condición lleva de forma natural al estudio de las condiciones de rotura.
Asegurar la estabilidad significa situar lo proyectado suficientemente lejos del colapso
y esa distancia a la rotura se concreta en el concepto de Factor de Seguridad. La
segunda condición requiere el conocimiento de la “rigidez” del terreno frente a las
cargas y otros cambios en el estado inicial del suelo como consecuencia de la
realización del proyecto. En ambos casos deben desarrollarse herramientas de
predicción.
Desde la perspectiva del comportamiento de los materiales geológicos, las dos
condiciones citadas llevan a investigar, por un lado, la resistencia del terreno, y por el
otro, su deformabilidad. Esta dicotomía se recoge claramente en los libros de texto
clásicos.
A diferencia de otras disciplinas de la ingeniería civil, que normalmente se ocupan de
materiales cuyas propiedades están bien definidas, la Ingeniería Geotécnica se refiere
a los materiales del subsuelo, cuyas propiedades, en general, no se puede especificar.
Los Pioneros o Precursores de la Ingeniería Geotécnica se basaron en el "punto de
vista observacional" para desarrollar una comprensión del suelo y la mecánica de
rocas, y el comportamiento de los materiales de suelo en condiciones de carga. Este
enfoque ha sido reforzado por la llegada de la instrumentación electrónica de campo,
la amplia disponibilidad de potentes ordenadores personales, y el desarrollo de
sofisticadas técnicas numéricas. Todo esto hace posible determinar hoy día, con
mayor precisión la naturaleza no homogénea, no lineal, anisotrópico y el
comportamiento de los materiales de suelo para su aplicación en obras de ingeniería.
Algunas distinciones importantes
El suelo es utilizado como material de construcción en diversos proyectos de ingeniería
civil, y es compatible con bases estructurales. Por lo tanto, los Ingenieros Civiles
deben estudiar las propiedades del suelo, tales como su origen, la distribución de
tamaño de grano, la capacidad para drenar el agua, compresión, resistencia al corte, y
la capacidad de carga.
La Mecánica de Suelos es la rama de la ciencia que se ocupa del estudio de las
propiedades físicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelo sometidas a
diversos tipos de esfuerzos.
La Mecánica de Suelo es un campo importante de la Ingeniería Geotécnica, en el que
el suelo se analiza antes de iniciar cualquier construcción, a fin de asegurar su
idoneidad para soportar la carga de las estructuras deseadas. El suelo normalmente
consta de partículas de piedra, mientras que el agua y el aire se encuentran en los
espacios vacíos. Su conocimiento es esencial, para determinar las características de
ingeniería de los suelos, que están influenciados por el tamaño de las partículas de
roca, la forma de las partículas minerales, la distribución de tamaños de grano, y la
cantidad de minerales, el aire y el agua en el suelo. Las propiedades de ingeniería de
los suelos, generalmente consideradas para llevar a cabo el análisis de las condiciones
del sitio y el diseño de las estructuras son: peso unitario, peso específico seco, el peso
específico saturado, porosidad y permeabilidad. Varias pruebas de laboratorio se
llevan a cabo, para determinar la idoneidad de los suelos, incluyendo los ensayos de
permeabilidad, la compactación del suelo, la densidad relativa y contenido de
humedad.
La Ingeniería de Suelos es la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a
los problemas prácticos.
La Ingeniería Geotécnica es la especialidad de la ingeniería civil que
implica materiales naturales que se encuentran cerca de la superficie de la tierra. Se
incluye la aplicación de los principios de mecánica de suelos y mecánica de rocas para
el diseño de las fundaciones, estructuras de contención, y las estructuras de tierra. La
Ingeniería Geotécnica es la ciencia de la ingeniería de la selección, diseño y
construcción de características construidas de o sobre suelos y rocas. Las
cimentaciones superficiales, fundaciones profundas, estructuras de contención de
tierras, el suelo y terraplenes de roca y los cortes son todas las áreas de especialidad
de la Ingeniería Geotécnica.
La Ingeniería de Fundaciones es el arte de seleccionar, diseñar y construir obras de
ingeniería para los sistemas estructurales de apoyo, basado en principios científicos
del suelo e ingeniería mecánica y las teorías de interacción suelo-estructura, y la
incorporación de experiencia acumulada con las aplicaciones de este tipo.
La evaluación de las fundaciones es un elemento importante en relación con el diseño
de estructuras, ya que las cargas de los edificios se transmiten al suelo a través de los
cimientos, y estos deben ser lo suficientemente fuertes para soportar las cargas
aplicadas. Las propiedades de los suelos y las capas de roca en el sitio, también
influyen en el diseño de las cimentaciones. Apoyo de la fundación se ve afectado por la
capacidad de carga, asentamiento y movimiento del suelo debajo de los cimientos. La
capacidad portante del terreno es la capacidad del suelo para soportar las cargas de
un edificio o estructura, y se debe determinar cuidadosamente para garantizar la
seguridad de este. Los asentamientos se producen por debajo de casi todas las
fundaciones, a pesar de que las estructuras aporten cargas menores, pueden
experimentar asentamientos insignificantes. Cuando las estructuras son muy pesadas
o los suelos de fundación son blandos, los asentamientos pueden ser de gran
preocupación. El asentamiento que ocurre durante un período de tiempo, puede tener
consecuencias importantes. Todos estos aspectos deben ser considerados al
momento de llevar a cabo el diseño de cimentaciones.
Los geosintéticos han surgido como una solución fiable para los problemas de la
ingeniería civil. Sus propiedades características como resistencia al agua y la
naturaleza polimérica, los hacen adecuados para resistir el drenaje del agua,
proporcionando el refuerzo, la contención estructural, etc. Geofoam, revestimientos
geosintéticos de arcilla, geoceldas, celdas de infiltración, y geotextiles, son algunos de
los productos más utilizados en obras de ingeniería civil en todo el mundo.
Conclusión
En conclusión el estudiante de ingeniería civil debe tener curiosidad de detenerse en
las obras de construcción para observar los procesos constructivos para irse
empapando en lo que será su ejercicio profesional.
Todo buen profesional de la ingeniería estructural debe poseer sólidos conocimientos
sobre los materiales usados en las obras, esto unido al buen juicio y la virtud de poder
balancear correctamente la estética, las formas estructurales, las técnicas
constructivas.
El reto futuro de la ingeniería estructural consistirá en la determinación de las
propiedades básicas de los materiales de construcción tradicional y el desarrollo de
nuevos materiales más económicos, más livianos y más duraderos. Esto se hará
considerando la estructura molecular de los cuerpos y otros métodos sofisticados de
medición.
El campo de la ingeniería estructural esta estrechamente ligado a la comparación
sistemática de los resultados de los modelos analíticos con los experimentales
sometidos a los efectos de los efectos naturales como eventos meteorológicos y
sismológicos.
La ingeniería sísmica debe llamar nuestra atención ya que nuestro país se encuentra
dentro de la zona insular sísmica que abarca todo el caribe y Centroamérica. La
ingeniería sísmica tiene entre otras las siguientes funciones:
Identificar las áreas en las cuales se considere más probable la ocurrencia de
un sismo importante, en un plazo corto de tiempo;
Seleccionar los parámetros o indicadores que resulten más confiables.
Contar con los medios adecuados para medirlos u observarlos
sistemáticamente durante lapsos de tiempo que suelen ser de varios años.
Que las estructuras no sufran daños bajo la acción de sismos menores.
Que las estructuras resistan sismos moderados, con algunos daños
económicamente reparables en elementos no estructurales
Que las estructuras resistan sismos intensos sin colapsar, aunque con daños
estructurales importantes.