10 errores más comunes que todo ingeniero estructurista debe conocer

Errores de cálculos estructurales en la construcción de armazones de acero

10 errores más comunes que todo ingeniero estructurista debe conocer [Para no replicarlos]

Ingeniero estructurista, aprende cuáles son los errores más recurrentes que nos suceden en la construcción de armazones estructurales.

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¿Sabes qué valor tiene la estructura en las edificaciones?; en términos estructurales es una pieza crucial, se puede puede comparar incluso, con el corazón de cualquier proyecto arquitectónico, especialmente cuando es en acero. 

Por tal razón, es de suma importancia realizar previamente un riguroso diseño y análisis estructural, puesto que es la mejor medida preventiva para evitar errores de cálculos estructurales en la construcción de armazones de acero

Partiendo del principio de que dicha estructura representa el eje central de la ingeniería civil y estructural.

¿Quieres conocer cuáles son los 10 errores más comunes que todo ingeniero estructurista debe conocer para no replicarlos?, sigue leyendo hasta el final, porque tenemos muchos datos interesantes sobre la envergadura de las armazones estructurales en la construcción e ingeniería civil.

¿Qué son los cálculos estructurales? 

El cálculo en estructuras también se conoce en la ingeniería, arquitectura y construcción civil como análisis estructural, ya que representa una parte del diseño de estructuras arquitectónicas. 

Se trata pues, de un proceso clave cuyo objetivo es garantizar la ejecución de una obra con la mayor exactitud y seguridad posible; por lo cual es de gran importancia evitar errores de cálculo en armazones estructurales, y no comprometer la integridad de la estructura por un descuido u omisión.

Las consecuencias de los errores de cálculo, se reflejan inevitablemente en los efectos de las cargas, fuerzas internas (propio peso) así como externas (lluvia o sísmicos) capaces de afectar toda la construcción, no sólo la armazón estructural en sí misma.

¿Qué profesional debe realizar los cálculos?

La mejor forma de evitar los errores comunes observados en algunas construcciones, que suelen ocurrir porque se ejecuta el proyecto sin la debida supervisión profesional. En este sentido, la asesoría o asistencia debe estar a cargo de un ingeniero estructurista o civil, arquitecto o ambos de ser posible. 

Este personal técnico/profesional está debidamente calificado para efectuar los cálculos estructurales y supervisar todo el desarrollo, registros, planos de la armazón y  proyecto constructivo en general.

Importancia del análisis y cálculos

El análisis estructural o cálculos de estructuras, es un elemento indispensable en cualquier tipo de obra civil indistintamente de su envergadura. De tal manera, que siempre debe plantearse un sistema de cálculo para garantizar la seguridad y determinar con precisión cuánta carga puede soportar una armazón.

En tal razón, toda construcción debe desarrollarse luego de un riguroso estudio, sea que se trate de una estructura de mejora o refuerzo de una edificación existente, una construcción nueva; sea de carácter residencial, industrial o público. 

El fin último es evitar los errores de cálculos estructurales en la construcción de armazones de acero u otro material.

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Conoce los 10 errores más comunes que todo ingeniero estructurista debe conocer, para no cometerlos

En los siguientes párrafos encontrarás información de mucha utilidad, específicamente acerca de los 10 errores más comunes en los cálculos estructurales, que incluso, los ingenieros civiles o estructuristas pueden incurrir al momento de considerar las cargas.

Errores que aumentan la vulnerabilidad de la estructura, porque disminuyen el peso de la armazón sin considerar las cargas y resistencia real de la construcción. Nuestro objetivo es aportar información confiable para evitar replicar estos errores y no comprometer la seguridad del proyecto:

1. No considerar las secciones fisuradas

Se trata de un error frecuente dejar de lado las secciones fisuradas en elementos de hormigón armado. 

Generalmente al tener estructuras isostáticas o hiperestáticas, se modelan sus estructuras bajo secciones brutas; es decir, que ante una sección rectangular se calcula la base x altura al cubo/12 (b x a³/12), así como las deflexiones y solicitaciones de columna y vigas influencias por esta innercia.

Debiendo aclarar en este sentido, que la normativa ACI 318, relacionada con la fisuración originada por los elementos, obliga al ingeniero a calcular e incorporar en la inercia estructural, una porción de inercia bruta de un 70% para columnas y 35% para vigas.

Una estructura realista y amigable con los elementos estructurales

Cuando se plantea un cálculo de estructuras con inercias fisuradas, debe producirse un ligero cambio en los diagramas de momentos y cortantes axiales, con respecto al modelo estructural de secciones brutas

La razón de ello, es plantear una estructura realista y acorde a los elementos estructurales que intervienen en cada proyecto. 

No calcular las deflexiones 

Otro de los errores de cálculos estructurales observados en la construcción de armazones de acero, es el monitor del cálculo de deflexiones; aunque aplica para todo tipo de estructuras además del acero. 

En tal sentido, la normativa aplicable prevé algunas directrices particulares en relación a los peraltes o alturas mínimas permitidas en sistemas de vigas.

En atención a esta normativa, se puede o no prescindir del cálculo de deflexiones en una armazón estructural

No obstante, nunca abunda calcular este elemento, especialmente cuando no se respetan las sugerencias de peraltes mínimos.

  • Bajo peralte es igual a deformaciones en estructuras de acero

Algunos arquitectos, en proyectos arquitectónicos que requieren implementar armazones estructurales con vigas planas, que al tener poco peralte sufran deformaciones, por lo cual al realizar los cálculos de resistencia, generalmente se le incorpora mayor cantidad de acero según la luz a cubrir.

Sin embargo, es un error que recae en la viga con una deformación estructural; muy común en construcciones de tabiques y elementos más frágiles sostenidos por estas vigas, presentando fisuras

Para evitar este error, es necesario calcular las deflexiones en los elementos más vulnerables, en este caso, las vigas largas.

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Inadecuada discretización de elementos de barra/placa

El tercer error en el análisis o cálculos estructurales, se asocia a una mala discretización de los elementos de placa

Un modelo estructural, se compone de un sistema de vigas o perfiles largos, columnas, losas y muros, en las primeras no hay mayor problema porque se modela con perfiles estructurales para no perder precisión.

Ahora, al incorporar muros o paredes, losas (placas), etc, es necesario considerar otros elementos finitos para conocer el tipo de discretización adecuada, ya que esto determinará dónde puede presentarse en mayor o menor medida algún error en el cálculo de esta variable constructiva. Pero veamos los efectos en losas y muros.

  • Error en cálculos de estructuras de losas con aberturas

Para ilustrar este error, se plantea una construcción con el modelaje de ductos (hueco/abertura) en un sistema de losa sostenido por una estructura de vigas. En cuyo caso, es necesario discretizar esta área con otros elementos de placa alrededor de esta abertura para evitar la discontinuidad en esta área.

En este particular, los sistemas de análisis estructural o softwares como SAP, Apps, IA, robots, etc; ciertamente discretizan automáticamente estas áreas. Una ayuda que es aceptable sin duda, pero muchos profesionales no revisan los resultados de sensibilidad analizada para comprobar el modelado de losa.

  • Programas de cálculos estructurales más usados 

El análisis de elementos estructurales se pueden hacer hoy de forma rápida, óptima y avanzada, gracias a la disponibilidad de softwares especializados

Con programas informáticos que permiten acceder a réplicas virtuales de estructuras, lo que facilita el avance en su construcción: 

  • Sap200: su interfaz gráfica 3D es capaz de proyectar cálculos estructurales diversos, como puentes, edificios, presas, entre otras.
  • Cypecad: es una aplicación BIM ampliamente usada para modelar distintas estructuras; ideal porque diseña, calcula y dimensiona proyectos en metal, hormigón u otros.
  • Midas: se trata de un software que se especializa en cálculo y diseño de estructuras de interés civil e ingeniería mecánica.

  • Autodesk Robot: una herramienta de gran utilidad para calcular uniones de acero, estructuras de madera o secciones de armado.
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  • ¿Cuál es el número mínimo de divisiones de una aproximación adecuada en una losa?

Una losa con discretización en un cuadrante de 6 x 6 con 4 vigas, es menos factible de cometer errores

Este tipo de placas según análisis previos, tiene un sistema de vigas de 6 divisiones por un lado y 3 en el otro sentido, de tal manera que si tiene menos de eso, conlleva a un error cercano al 10% con respecto a las solicitaciones (necesidad) reales de la estructura de losa.

Es decir, que un cuadrante de una estructura de 6 x 6 sobre 4 vigas/perfiles/columnas de soporte, y con un hueco o abertura, deberá tener una sistema estructural conformado por 6 vigas a lo largo y al menos 3 a lo ancho de la luz o área cubierta por la losa.

4. Subestimar la carga no estructural

Dentro de los 10 errores más comunes que todo ingeniero estructurista debe conocer para no replicarlos, no podía faltar uno de los más usuales: subestimar la carga no estructural en muros y/o paredes o peso de tabiques sobre la losa

La razón de ello es que en muchos casos, los ingenieros toman como referencia para sus estructuras análisis de otros proyectos

Es decir, realizan un copy de los cálculos, método aplicado o procedimientos para estimar las cargas muertas, vivas, planos, o memorias de cálculos estructurales en general. 

Aunque no está mal revisar estas fuentes de información, cada proyecto tiene demandas o solicitudes distintas, como el caso concreto de la densidad de los tabiques u otros elementos constructivos.

  • Considera las cargas muertas

No es igual construir una estructura con materiales como el drywall, que usar bloques/ladrillos de concreto o arcilla. Produciendo cargas muertas más ligeras o más pesadas, porque existen contrapisos o carpetas de nivelación de distintos espesores conforme al tipo de construcción de que se trate.

Igual consideración aplica a los revestimientos de las estructuras, que se optará por uno u otro  material según el peso que aportará

¿Qué hacer?, analizar y calcular cada tipo de carga muerta según lo necesite el sistema estructural de la armazón; además de tomar el área más densa o con cargas de una planta de la construcción y trasladar o replicar esta carga al resto de la losa.

5. Desestimar la importancia a las cargas vivas 

Desestimar las cargas vivas en un proyecto arquitectónico es otro de los errores más comunes en una estructura.  

Su omisión por decir lo menos, puede conllevar al colapso de tinglados de una armazón estructural por distintas causas, especialmente de origen externo, como vientos, granizos, nevadas, etc, transcurrido un breve tiempo de 4 ó 5 años.

Por esta razón, la normativa ASCE 7 estipula una carga viva como los techos, de al menos 0,96 km/m² (es decir, entre 96 a 100 kg/m²) como carga mínima de esta superficie estructural, salvo algunas excepciones de acuerdo a la región donde se ejecutará el proyecto constructivo.

Es importante ceñirse a los requisitos estipulados por la normativa aplicable, y no porque se trate de un sistema estructural de un proyecto en una región tropical por ejemplo, hay que prescindir o eliminar las cargas mínimas. Estas cargas estarán presentes, aunque sea por mantenimiento.

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6. No iterar en el cálculo de secciones estructurales

Por lo general al diseñar las estructuras, los estructuristas asumen determinadas secciones de columnas y vigas para disponer de un modelo guía; lo que obliga a dibujar secciones transversales para colocar las vigas, columnas, losas u otros, para estar lo más cercanos posible a la realidad constructiva actual.

Con esta estimación de secciones se procede luego a cargar la estructura para correr el programa que se esté usando para hallar algunas solicitaciones que demanda el nuevo proyecto.

De tal manera, que si presenta una columna muy delgada y que se haya asumido inicialmente producto de las solicitaciones, estas fallarán en el modelo estructural en el programa, obligando al estructurista a iterar o repetir la sección para comprobar si presenta fallas o no.

  • Corregir los cálculos tantas veces como sea necesario

En caso de fallar los cálculos en el modelo de columnas propuesto, hay que corregir las secciones y volver a correr el programa hasta que no presente problemas o fallas.

Suele ocurrir que se modela la estructura, se carga al sistema y se corre el programa donde se mostrarán las solicitudes de columnas, vigas, etc, en función a lo cual habrá que retornar u optimizar las secciones de columnas de ser el caso, y desde allí comenzar el proceso de análisis y diseño estructural, un error muy común.

  • Ceñirse a las solicitaciones reales de los elementos estructurales

El procedimiento correcto cuando se realizan cambios estructurales en columnas, vigas u otros elementos conforme al diseño de solicitaciones, es regresar y cambiar el modelo de secciones, a fin de obtener resultados más exactos y confiables atendiendo a esas nuevas solicitaciones transversales de los elementos.

La razón de ello, es porque las solicitaciones van acorde a las secciones transversales. Lo que significa que el proceso de cálculo estructural es iterativo, puesto que si cambian las secciones al final del análisis hay que comprobar todos los valores.

7. No verificar los arriostramientos

La no verificación del arriostramiento, es uno de los errores cometidos por el 90 ó 99% de los ingenieros estructuristas, dado que no es igual calcular una estructura arriostrada que una sin ella. 

La razón es porque los elementos de columnas son los más difíciles de calcular ya que intervienen muchas variables, algunas de las cuales se pueden pasar por alto.

  • Estructura de columna arriostrada

Una estructura arriostrada, obedece a una pieza constructiva que tiene elementos altamente rígidos, como muros por ejemplo, que imposibilitan el desplazamiento lateral producto de las cargas en esa dirección.

Generalmente en este tipo de estructuras de columnas con factores de longitud efectiva, conocidos como factor K, una medida efectiva menor a 1 (K ⋜ 1) para evitar que la columna se pandee.

Cuando se tiene una columna arriostrada con impedimento de desplazamiento lateral por la acción de paredes o muros de contención, se soluciona con factores de longitud efectiva menores a 1 para que no presente pandeo.
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  • Estructura de columna no arriostrada

Si se trata de una columna no arriostrada o porticada, es decir, carece de foso ascensor, muros u otros elementos diagonales que arriostran la estructura, automáticamente el factor antes mencionado de longitud efectiva o factor K, necesariamente será mayor a 1 (K > 1). 

El problema en este caso, es que los paquetes o sistemas estructurales por defecto vienen configurados con un factor K ₌ 1, de tal manera que si se trata de un proyecto arquitectónico de menor envergadura (como una vivienda pequeña), este factor estará sobrestimado en cuanto a la resistencia de las columnas.

En este tipo de estructuras de menor magnitud, las columnas o aporticado lateral carecen de arriostramiento lateral, y por lo general, la longitud efectiva de las columnas será mayor a la real. El resultado es una columna propensa a pandearse, y necesite mayor grosor en sus secciones en caso de no modificar el modelo estructural.

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8. Sobreestimar el punzonamiento en losas

Otros de los errores en que incurren algunos estructuristas al diseñar y calcular las estructuras, es sobreestimar el punzonamiento

Se dice que hay punzonamiento en esta pieza estructural cuando un elemento vertical, como una columna, transmite una carga altamente concentrada, capaz de fisurarse por flexión

Es frecuente observar referencias sobre losas planas mal diseñadas que colapsan sobre las edificaciones, cuya razón se cree, se debe a una sobrestimación de losas, especialmente si se trata de zonas sísmicas.

  • Revisar las restricciones aplicables a las losas planas

Las losas planas tienen algunas restricciones y penalizaciones en su resistencia; donde según los encuentros o conexiones columna/losa y la región determinarán un determinado comportamiento.

En este caso, cabe mencionar la normativa en construcción ACI/18 se refiere específicamente al sismo como elemento a considerar en el diseño de estructuras en acero o concreto. 

En zonas críticas, el diseño de conexión entre columna/losa por razones gravitacionales factorizadas, no puede exceder el 40% de la resistencia a la cortante de dicha conexión estructural, puesto que la falla por punzonamiento es altamente considerable.

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9. No calcular transferencia de momento por excentricidad de cortante

Como error 9 en las estructuras de armazones de acero estructural, califica la omisión del cálculo de transferencia de momento por excentricidad de cortante. 

Se debe a que al calcular las losas planas se consideran como simples vigas planas, siendo necesario sin embargo, considerar un fenómeno usual en las conexiones entre losa y columna denominado transferencia de momento por excentricidad de cortante.

Generalmente ocurre cuando no se considera el hecho de que una losa se flecta alrededor de una columna, y esta flexión genera una cortante adicional entre columna/losa. 

Un elemento debidamente regulado por la normativa general de las construcciones, y sin embargo, muchos estructuristas la omiten.

10. No calcular adecuadamente las cargas laterales

Finalmente, como parte de los 10 errores más comunes que todo ingeniero estructurista debe conocer para no replicarlos en sus proyectos, está la omisión del cálculo correcto en las cargas laterales en las estructuras. 

Suele ocurrir porque a lo largo de la carrera de ingeniería civil, construcción o  afines, no se le da la debida importancia a este punto en particular.

Ello pese a que todas las cargas accidentales, o cargas vivas, vientos, sismos, empuje de suelos, etc, importan como elementos estructurales; y sin embargo, no se estudia a profundidad, aunque las cargas deberían ser una asignatura más en la carrera, porque aplica a todo tipo de construcciones, como puentes, carreteras, entre otras.

Las cargas en las estructuras, es un tema fundamental que merece especial cuidado enfatizando su importancia estructural.

Con estos 10 errores que todo ingeniero estructurista debe conocer para no replicarlos, adicional a otros post sobre los sistemas estructurales en acero, es posible contar información detallada facilitada por expertos en ingeniería y construcción civil, arquitectura, estructuristas y similares, para diseñar proyectos arquitectónicos más seguros y confiables.

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Otros aspectos a tener en cuenta en el cálculo de estructuras

Todo cálculo o análisis estructural en la construcción de armazones de acero, debe contener información minuciosa de cada elemento relacionado con la edificación a construir; incluyendo cimientos, materiales, trabajos estructurales, vigas, medidas, soportes de carga, entre otros datos relevantes. 

En este sentido, a continuación se indican parte del alcance o aspectos generales que debe incluirse en los cálculos estructurales:

  • Rigidez de la estructura.
  • Normativa aplicable en el país o región donde se construirá la obra, entre otras regulaciones relacionadas con el uso de determinados materiales.
  • Valores numéricos y gráficos del diseño arquitectónico y estructural, así como información de la ejecución de la obra.
  • Garantizar todos los requisitos indispensables para ejecutar la obra.
  • Planos arquitectónicos detallados de la obra a ejecutar, además de informes e instrucción sobre el uso y mantenimiento de materiales, herramientas y sistemas requeridos en el proyecto constructivo.

  • Análisis profundo de los cálculos pertinentes, incluyendo características del terreno, lapso estimado para usar la infraestructura, cambios de bases de la construcción de ser necesario, influencia de agentes externos: lluvia, sismos, entre otros, así como estimaciones sobre las cargas y resistencia de la estructura, etc.
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Lo que no deben omitir los estructuristas en los cálculos

Como bien se mencionó en líneas anteriores, todo cálculo estructural debe incluir la memoria de cálculo y planos de toda la estructura diseñada por el ingeniero civil o arquitecto, como medio para garantizar una edificación sólida, segura y confortable:

  • Cargas y sobrecargas verticales.
  • Tensiones admitidas.
  • Información sobre el estado de medianería y previsiones. 
  • Secciones o áreas generales.
  • Detalles técnicos de la construcción.
  • Plantas de fundaciones, organización de secciones de pisos y sus especificaciones.
  • Descripción técnica.
  • Detalles sobre las juntas de dilatación de la estructura.

Tipos de cálculos estructurales

Ha quedado claro la importancia del análisis estructural en la construcción de armazones de acero u otro tipo de proyecto arquitectónico; puesto que es el medio más idóneo y confiable para garantizar la estabilidad y seguridad de toda edificación. De tal manera, que es imprescindible realizar los siguientes cálculos básicos:

 

  • Estructuras de par: son elementos estructurales inclinados, como vigas extendidas desde la hilera o limatesa hasta el estribo/solera de la pared, capaces de soportar el peso de techos y sus cargas.

  • Tensiones: se relacionan con la reacción que se puede presentar en una estructura al aplicar una carga de la igual magnitud, y que es ejercida en sentido contrario.

  • Momentos flectores: es la fuerza ejercida por algún elemento de la estructura que tiende a doblarse cuando se le aplica una fuerza a una distancia determinada, capaz de deformar una armazón estructural.

  • Cargas y presión de viento: son  elementos estructurales claves en toda  construcción, porque está sujeta al resto de elementos asociados a la estructura o revestimiento.

  • Cortantes: es cuando se aplica una fuerza paralela o tangencial al área de una superficie, capaz de torcer alguna de las partes de la estructura.

  • Movimientos sísmicos: se relaciona a aquellas estructuras con la suficiente resistencia para soportar la acción telúrica de la tierra.
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