José Oscar Jaramillo Jiménez
Es Ingeniero Civil, Mgr. en ingeniería civil, especialidad estructuras, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia Sede de Bogotá; ha sido profesor desde 1975 en las carreras de Ingeniería Civil y Arquitectura (por algunos semestres) en la Sede Manizales, en las áreas de ingeniería estructural: análisis y diseño, con aplicación al estudio sismorresistente. En la actualidad es miembro de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS).
Ha alternado su ejercicio docente con la administración universitaria, en la cual ha ocupado los cargos de Director de departamento, representante profesoral en los consejos de Facultad y de Sede, y Decano de la Sede (1984-1988) y de la Facultad de Ingeniería y arquitectura (1988-1990).
Ha impulsado en sus cátedras el estudio de las estructuras con el uso de modelos a escala reducida, tanto en balso, como en microconcreto reforzado, y en éste, el estudio de los procesos de fisuración y comportamiento inelástico del concreto, temas que son parte fundamental de este texto.
Es también autor del texto Análisis Clásico de estructuras editado por Unibiblos Bogotá, como resultado de un concurso nacional de textos universitarios en 2002, que se usa como material básico en el primer curso de análisis estructural del programa de Ingeniería Civil en la Sede de Manizales, y de la serie «Lecturas complementarias», en la cual se han impreso once números.
I.S.B.N. 978-958-8280-42-4
© 2010 UNIVERSIDAD NACIONAL
DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
AUTOR:
José Oscar Jaramillo Jiménez
Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Especialidad estructuras
Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
www.editorial.unal.edu.co
Corrección de Estilo
Marta Isabel Serna
Noviembre 2010 Tercera edición
Dedicado a mi esposa Laura y a mis hijos Mariana y Mateo
This textbook pretends to cover the needs of structural design background of undergraduate students of the Civil Engineering program at the Universidad Nacional de Colombia at Manizales. It is organized in eleven chapters.
The first four chapters contain an introduction to the procedures that Civil Engineers need to design the structure of a building or construction. They include a presentation of the job of the structural engineer and the importance of knowing the history of the most famous engineers and builders in the past.
The so-called Structural Art is then presented, in order to help the students to understand that some famous structures have a past which is worth knowing, so that they can produce better and more economic solutions to the future needs of their society.
Este texto está dirigido a atender las necesidades de los estudiantes de Ingeniería civil del programa curricular de la Sede en su primer curso de diseño. En el primer capítulo se presentan los conceptos sobre la actividad del ingeniero estructural, y el denominado «arte estructural» con unas pequeñas reseñas biográficas de ingenieros y arquitectos que han influido en su desarrollo: Calatrava, Maillart, Eiffel, Candela; y en el país: González Zuleta, José María Villa, Doménico Parma, con el ánimo de incentivar en el estudiante el estudio de esos grandes constructores y diseñadores y el conocimiento de sus aportes al desarrollo de la Ingeniería estructural. El CAPÍTULO se acompaña con un listado de referencias que no son comunes entre los ingenieros civiles y que pueden ser de gran utilidad para los estudiantes.
En los tres capítulos siguientes se presentan las características fundamentales de las cargas, y los materiales estructurales, más comúnmente usados: acero, madera, mampostería y los nuevos materiales como las FRP (fiber reinforced plastics). Aunque aún no se usan cotidianamente, las FRP sí se emplean en la reparación de estructuras para mejorar la capacidad portante de puentes o reparar estructuras de concreto reforzado averiadas por sismos o estados avanzados de corrosión, y pueden considerarse los materiales estructurales del futuro, que reemplazarán los cables de acero, por su alta resistencia.
En los seis capítulos siguientes se presentan los conceptos básicos del comportamiento del concreto estructural a flexión, cortante, flexocompresión y torsión. Se presenta un enfoque unificado que permite estudiar y manejar diferentes métodos constructivos, con un modelo: las etapas de carga; se incluye desde el comportamiento elástico sin fisuración, hasta el inelástico. Esta metodología unificada permite estudiar el concreto reforzado, el preesforzado y las secciones compuestas de acero concreto con los modelos matemáticos clásicos de la Resistencia de materiales. El CAPÍTULO final (once) presenta las bases del comportamiento y diseño de los placas (losas) de concreto reforzado macizas y aligeradas armadas en una dirección, que constituyen el sistema más corriente en la construcción de los pisos de edificaciones para vivienda y oficinas en nuestro medio.
En el texto se hace énfasis en los conceptos teóricos básicos y se muestran algunos ejemplos aclaratorios de los modelos matemáticos mostrados. El texto no incluye ejercicios, ni puede considerarse como un manual de diseño para ingenieros calculistas. Se hace referencia permanente a la Norma sismorresistente colombiana, NSR-98 y se muestran abundantes gráficos y fotografías para ilustrar el comportamiento de los sistemas estructurales mostrados. Se complementa con la realización en clase de modelos a escala reducida en microconcreto, en los cuales se aprecian los diferentes tipos de fisuración del concreto.
Aunque los primeros cinco capítulos fueron escritos pensando en los estudiantes de ingeniería civil, bien pueden usarse como información adicional para los estudiantes de arquitectura en el área tecnológica. Es la tercera edición del texto, la cual ha tenido a su vez varias reimpresiones.
Este texto recoge las inquietudes en la cátedra durante más de 30 años en la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales y está destinado a los estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil. Su contenido cubre el tema del curso de diseño básico en el área estructural en la carrera de Ingeniería Civil y los primeros cinco capítulos tienen información que puede usarse también en las áreas de tecnología de la carrera de Arquitectura.
Cuando en 1997 escribí la primera versión del texto de Ingeniería estructural, lejos estaba de imaginarme que tendría tanta permanencia: dos ediciones y cuatro reimpresiones y que más tarde vendría otro: Análisis clásico de estructuras en el cual se incluyeron varios temas que ya existían en este texto. Hoy se da más importancia a algunos tópicos complementarios del concreto reforzado, pero manteniendo la introducción al diseño a flexión de elementos de acero estructural, como manera de realizar una transición entre los cursos básicos de resistencia de materiales y el diseño de estructuras.
Con el texto de Resistencia de materiales del Ingeniero profesor Jorge Eduardo Salazar, impreso por la universidad en el 2007, se completa un ciclo de material escrito al servicio de los estudiantes, desde Mecánica, Resistencia de materiales, Análisis estructural, hasta temas avanzados, tal vez más propios del posgrado. La serie se complementa con el texto de Mecánica de Sólidos del profesor Jairo Andrés Paredes y los de Elementos Finitos y Dinámica de estructuras del profesor Jorge Eduardo Hurtado. Esta producción tan completa en esta área fue destacada por los pares evaluadores del Comité Nacional de Acreditación (CNA) en su visita (2006) de acreditación al programa y deberá ser imitada en las demás áreas de la formación profesional.
Esta nueva versión del texto de Ingeniería estructural, que ya podríamos denominar clásico, tiene algunos cambios importantes con relación a las anteriores.
Se incorporan algunos resultados de investigaciones en el campo del concreto, obtenidos con investigaciones en el laboratorio de materiales de la Universidad y se suprimen algunas partes que se incluyeron posteriormente en el texto de Análisis clásico de estructuras y que mantenerlas en este texto era ya redundante. Se aclaran algunos temas como el de torsión y la redistribución de momentos en vigas, con ejemplos adicionales, tratando de vincular el diseño en acero con el del concreto. Se trabaja con las modificaciones que se han ido realizando a las normas ACI-318 y AISC, en el tratamiento de los factores de seguridad, los coeficientes de carga y reducción usados en el método de los estados límites de resistencia, que va quedando como el método de diseño único en la ingeniería estructural. Se adiciona un capítulo (once) sobre el diseño de losas de concreto reforzado armadas en una dirección, que son usadas en la mayoría de las construcciones de concreto reforzado para los sistemas de piso, tanto prefabricados como hechos in situ y que no requieren conocimientos estructurales especializados más allá de los tratados anteriormente en el texto.
Cuando estaba en prensa esta edición se expidió el Decreto 926 de marzo de 2010 por el cual se aprobaba la nueva norma sismorresistente colombiana, la NSR-10, con vigencia a partir del 15 de julio. Posteriormente, su vigencia se aplazó hasta el 15 diciembre, mientras la comunidad profesional y las autoridades locales estudian las implicaciones económicas de los nuevos criterios para evaluar las fuerzas sísmicas, especialmente en las viviendas de interés social. Hay mucha preocupación en la comunidad por el sobrecosto que podría causar la entrada en vigencia de la nueva norma y hay propuestas de que se retorne a los niveles de fuerzas de diseño de la NSR-98. En los aspectos tecnológicos del diseño en concreto, acero, mampostería y maderas, hay consenso de que las disposiciones de la NSR-98 ya deben actualizarse en muchos casos y las nuevas disposiciones ya están siendo aplicadas por muchos ingenieros en sus proyectos. Debe recordarse que las disposiciones de diseño en concreto reforzado del Título C de la norma colombiana son las mismas disposiciones del ACI-318-95 y que después de ésta ya ha habido varias modificaciones (ACI-318-02, 318-05, 318-08; y está en preparación la 318-14, que se hará en español también).
Pero mientras esta situación se aclara, se presentan algunos diseños con la NSR-98 y se comparan con el procedimiento señalado por el ACI-318-05, el cual de todas maneras mantiene como procedimiento alterno el estipulado por la NSR-98. Es curioso, pero cuando se elaboró la primera versión de este texto, estaba vigente la norma colombiana CSR-84, y en el transcurso del año fue expedida la NSR-98, lo que exigió actualizar el texto, antes de su primera edición por la Universidad en la serie de Obras civiles de la colección de publicaciones de la Sede. Ahora nos pasó lo mismo y habrá que esperar a que la vigencia de la nueva norma sea permanente, para emprender la actualización de algunos aspectos tecnológicos del diseño en concreto, acero y madera, los cuales son diferentes en la nueva norma NSR-10. Mientras tanto, el texto se usará en las clases y se irá actualizando con la colaboración de los estudiantes.
Con esta nueva edición, que podría ser la tercera del texto, se mantiene el énfasis en que no se trata realmente de un texto totalmente original, ni un manual de diseño estructural para ingenieros calculistas, sino una recopilación de conceptos para unos estudiantes que se inician en el tema, pero que puede servir también para repasar conceptos a los ingenieros ya graduados. Se continúa el énfasis en los aspectos básicos de la teoría del diseño estructural con acero y concreto estructural.
Se mantiene el manejo de unidades de medida en los ejemplos en el sistema MKS, pero con referencia permanente al SI, por considerarlo prudente. En la industria de la construcción en el país, aún es el más usado, junto con el sistema inglés, por lo que no es conveniente confundir al estudiante con esa «torre de babel» en que se ha convertido el problema de las unidades de medida en la industria de la construcción. Esperamos que las cosas vayan cambiando.
El texto como herramienta de clase se complementa con un programa experimental de elaboración de modelos a escala reducida en microconcreto, que pretende facilitarle a los estudiantes el conocimiento de primera mano del proceso de elaboración de los elementos de concreto reforzado y los tipos de agrietamiento que sufre el concreto reforzado a flexión. Los estudiantes deben familiarizarse con ese proceso, para que puedan controlarlo más tarde en sus diseños, mediante el uso de los modelos matemáticos autorizados por las normas. Durante todos los años en que se ha realizado este programa experimental se han visto excelentes resultados que estimulan el trabajo en equipo, la vinculación con el gremio de la tecnología del concreto a través de los proveedores comerciales de materiales de construcción, el uso de prácticas de laboratorio para medir las variables de carga y deformación y la mejora en las habilidades para presentación de los resultados mediante informes escritos, acompañados de fotos y gráficas, que les permiten fortalecer sus capacidades en el campo de la presentación de informes técnicos, lo que les ayudará a los estudiantes en el resto de sus estudios de pregrado. Para muchos será la única oportunidad que tendrán de fallar una estructura en su vida profesional.
Es necesario agradecer a los directivos de la facultad por el apoyo dado para disfrutar del año sabático, en el cual pude revisar esta notas de clase y tener la experiencia de estar en el sitio del Pont du Gard y conocer ese gran monumento de la ingeniería construido por los romanos hace casi 20 siglos; también a los profesores ingenieros Freddy Leonardo Franco (CAPÍTULO 1, Evaluación de impacto ambiental), Ernesto Echeverri (capítulo 4, Maderas), Néstor William García (capítulo 4, Mampostería) y Josué Galvis (capítulo 11), quienes revisaron algunos apartes e hicieron sugerencias que se incluyen en el texto.
Finalmente agradezco a Constanza en la sección de publicaciones y a Mateo, Mariana y Laura, que han compartido todos estos años y que me han dado el apoyo y el reposo suficiente y el tiempo para poder terminar este proyecto, muchas gracias.
Manizales, agosto de 2010
José Oscar Jaramillo Jiménez
Comentarios a la reimpresión:
Para evitar conflictos con los compromisos comerciales de la Editorial de la Universidad Nacional, esta edición del texto de Ingeniería Estructurales una reimpresión de la tercera edición (ISBN 978958-8280-42-4) impresa por Blanecolor en Manizales en noviembre de 2010. Para una editorial comercial es difícil el manejo de dos textos, con dos ISBN diferentes y varios capítulos similares, aunque sean de un mismo autor, uno impreso por la Facultad de Ingeniería en Manizales (Ingeniería estructural)y otro por la Editorial de la Universidad en Bogotá para la Facutad de Ingeniería de Bogotá (Nociones básicas de concreto reforzado). En esta reimpresión se corrigieron algunos errores numéricos detectados, sin afectar el número y el contenido de los once capitulos, pero se cambio el APENDICE, para incorporar información sobre cambios importantes en la normatividad, definidos por la NSR-10. Como se señala en su presentación, el texto está adecuado a la Norma NSR-98.
Algo curioso, que también sucedió con la primera edición, cuando el texto aún estaba en el Almacén de la Universidad, en diciembre de 2010 empezó a regir el nuevo Reglamento de construcciones sismosrresistentes de Colombia NSR-10. Como esta norma permite el uso de las disposiciones de la NSR-98 en el diseño de elementos de concreto reforzado, el texto mantiene su vigencia y permite comparar los dos métodos de diseño. Esta situación salvó a la edición de quedar obsoleta antes de ponerse en circulación y hoy en día después de agotado el tiraje original, se vuelve a reimprimir, y el texto de la editorial de la Universidad (Nociones básicas de concreto reforzado) tuvo una edición muy limitada y aún no está disponible la edición en rústica anunciada para los estudiantes de la Universidad.
Por la época en que se hacía la correción del texto Ingeniería estructural (tercera edición), estaba también a nivel nacional en discusión la actualización de la NSR-98, por lo que se hicieron algunos ejemplos y referencias a los cambios en las normas de diseño que el ACI-318 ya había recomendado. Se incorporaron algunos ejercicios que se identificaban con una “b”, caso ejemplos 6.2. b (página191), ejemplo 7.1.b (página 224), basados en el código ACI-318-05, cuyos requisitos son idénticos a los definidos por la NSR-10. En la sección 2.6 (página 74) se presentan los cambios fundamentales en cuanto a factores de mayoración y de reducción (<D) y en la página 191 (ejemplo 6.2.b) se presenta el exigencia de la deformación unitaria a tensión máxima(st), como sustituto de la cuantía balanceada para controlar la capacidad de los elementos a flexión.
Para los lectores profesionales es recomendable que adquieran el nuevo texto Nociones básicas de concreto reforzado (978-958-719-960-4), del autor, editado por la Editorial Universidad Nacional de Colombia en noviembre de 2011 y disponible en librerías, el cual está escrito con la NSR-10. Para los estudiantes, en clase se aclararán las dudas sobre la relación de los dos textos con las dos normas.
Pero la NSR-10 presenta cambios significativos en la clasificación y diseño de maderas, en el cual se abandona la clasificación por densidades (grupos A, B, C) y se adopta la clasificación por esfuerzos, con seis grupos, según el Modulo de Elasticidad a Compresión (MOE). Por ello se incluyen en el APÉNDICE algunos apartes, que reemplazan las secciones originales del texto, mencionadas expresamente.
También para la determinación de la fuerza sísmica presentada en la sección 2.3.2 (página 60) hay modificaciones importantes, con el cambio en el manejo del factor de suelo (S), el nuevo mapa de aceleraciones y otros de nomenclatura en el espectro de diseño que es conveniente que los estudiantes que usen el texto los conozcan. Se muestran también en el nuevo APENDICE (que reemplaza el presentado en la edición original) algunos detalles extractados del texto de Nociones básicas de concreto reforzado del autor, mencionado anteriormente.
José Oscar Jaramillo Jiménez
Manizales, agosto de 2013
José Oscar Jaramillo Jiménez
Es Ingeniero Civil, Mgr. en Ingeniería civil, especialidad estructuras, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia Sede de Bogotá; ha sido profesor desde 1975 en las carreras de Ingeniería Civil y Arquitectura (por algunos semestres) en la Sede Manizales, en las áreas de ingeniería estructural: análisis y diseño, con aplicación al estudio sismorresistente. En la actualidad es miembro de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS).
Ha alternado su ejercicio docente con la administración universitaria, en la cual ha ocupado los cargos de Director de departamento, representante profesoral en los consejos de Facultad y de Sede, y Decano de la Sede (1984-1988) y de la Facultad de Ingeniería y arquitectura (1988-1990).
Ha impulsado en sus cátedras el estudio de las estructuras con el uso de modelos a escala reducida, tanto en balso, como en microconcreto reforzado, y en éste, el estudio de los procesos de fisuración y comportamiento inelástico del concreto, temas que son parte fundamental de este texto.
Es también autor del texto Análisis Clásico de estructuras editado por Unibiblos Bogotá, como resultado de un concurso nacional de textos universitarios en 2002, que se usa como material básico en el primer curso de análisis estructural del programa de Ingeniería Civil en la Sede de Manizales, y de la serie «Lecturas complementarias», en la cual se han impreso once números.
Dirección electrónica:
jojaramilloj@unal.edu.co
El ingeniero es un profesional que soluciona problemas. En un análisis amplio, un problema es una actividad que transforma un estado de cosas en otro; y una solución es el medio que logra esa transformación. Rara vez hay una solución única; en la mayoría de los casos hay muchas soluciones, casi siempre más de las que es posible investigar. Además, siempre se busca una solución mejor, es decir: más rápida, económica, segura, cómoda, confiable, etc., pero a pesar de todos los esfuerzos de quien enfrenta un problema, las soluciones siempre tendrán alguna “restricción”.
El producto final del ingeniero es algo: una estructura, un proceso, una máquina. La actividad o proceso creativo que desempeña el ingeniero para obtener estos productos es lo que denominamos diseño. A medida que realiza el proceso de diseño, el ingeniero tendrá algunos objetivos o intereses, tales como la factibilidad económica, la seguridad de las personas, la aceptación de los usuarios, la posibilidad de construir sus obras.
El trabajo del ingeniero se diferencia del de otros profesionales, específicamente del “científico”, cuyo objetivo fundamental es el conocimiento en sí mismo; los científicos encaminan su trabajo a mejorar y ampliar el conocimiento; buscan explicaciones útiles, clasificaciones y medios para predecir los fenómenos naturales. En la búsqueda de nuevos conocimientos, el científico hace investigación. Sin embargo, no quiere decir que los científicos nunca diseñen aparatos o resuelvan problemas o que los ingenieros no realicen investigaciones en la búsqueda de soluciones a los problemas. La diferencia principal está en saber cuál es el objetivo principal y diferenciarlo del medio para obtener un fin.
Para tener una mirada más amplia al respecto, nos apoyaremos en los conceptos de David Billington{1}:
Hay una diferencia fundamental entre Ciencia y Tecnología. La Ingeniería (como tecnología) hace cosas que antes no existían, mientras que la Ciencia descubre cosas que han existido.
Los resultados de la Tecnología son formas que existen solo porque la gente quiere hacerlas, mientras que los resultados científicos son formulaciones de lo que existe, independientemente del querer de las gentes. La Tecnología trata con lo artificiai, mientras que la Ciencia trata con lo natural.
El éxito del ingeniero depende del “conocimiento basado en hechos” que haya adquirido, de las habilidades que haya desarrollado, de su actitud y de la perseverancia para continuar actualizándose.
Un aspecto muy importante de la formación de un ingeniero es el estudio las ciencias físicas básicas: Física, Química, Matemáticas. Además, el ingeniero debe conocer las ciencias físicas aplicadas y tener algunos conocimientos empíricos codificados (la experiencia acumulada). Un ejemplo de ciencia física aplicada son los conceptos enseñados en cursos tales como la Mecánica de Fluidos, la Resistencia de Materiales. Es difícil que haya una obra de ingeniería basada sólo en principios científicos. La mayor parte de los diseños se basan parcialmente en los conocimientos científicos y necesariamente en la experiencia y la creatividad. Durante muchos siglos, numerosas ideas, prácticas, observaciones, aunque no basadas en principios científicos, han demostrado que son buenas y útiles. Todo ese material registrado y transmitido a través de generaciones, conforma un conjunto de experiencias empíricas en las que se apoyan los ingenieros.
El ingeniero usa todos esos conocimientos en su proceso de diseño, efectuando lo que llamamos los cálculos, que son como el respaldo numérico de sus hipótesis, y que lo diferencian del empirista. Sin embargo, en muchas ocasiones se exagera su importancia. Al respecto, vale traer a colación los conceptos de uno de los grandes constructores de estructuras del siglo XX, Félix CANDELA, quien expresaba{2}:
Me gustarla insistir en este momento en algo que todo el mundo sabe, pero que se olvida fácilmente; los cálculos, a pesar de lo sofisticados y complejos que sean, son solo aproximaciones al fenómeno natural que ellos tratan de representar mediante los modelos matemáticos. La complejidad y la elegancia de tal modelo no guardan relación con el grado de aproximación. No existen los tales métodos exactos de análisis estructural y a pesar de la creencia popular en la letra de los códigos, el grado de la precisión de los cálculos es un asunto de criterio personal. Esta circunstancia afortunada, le permite al ingeniero, algunas veces, alcanzar la categoría más alta del arte, a pesar de los técnicos inflexibles y aburridores.
Sin embargo, hay otros conocimientos, generalmente no técnicos, que debe manejar el ingeniero y que el estudiante de ingeniería debe desarrollar durante su formación. Se deben conocer los sucesos económicos que ocurren a su alrededor. Debe estar tan consciente de los costos y las ganancias como el negociante. Debe ser consciente de las contribuciones que pueden hacer otros profesionales, por ejemplo: economistas, sociólogos, políticos, abogados, arquitectos, sicólogos, líderes sindicales; hablar inteligentemente con ellos, trabajar y entender sus problemas.
Una educación superior es algo más que prepararse para tener un medio de ganarse la vida. Es una preparación para vivir. Por lo tanto, los estudios no deben concentrarse sólo en Ciencia e Ingeniería. Una educación amplia prepara y motiva para mostrar un interés por la sociedad, en la que se influirá mediante las obras realizadas.
Albert Einstein{3} decía sobre la educación universitaria:
No es muy importante que una persona aprenda datos. Para eso en verdad no necesita de una universidad. Puede encontrarlos en los libros. El valor de la educación universitaria no reside en el aprendizaje de muchos datos sino en capacitar la mente para que piense de manera que ¡o haga sobre aquello que no se encuentra en los textos.
La capacidad creativa, la habilidad para ejecutar el proceso que denominamos diseño, la capacidad de predecir el funcionamiento de soluciones alternativas, requiere no sólo del criterio personal del ingeniero, sino de la habilidad matemática y del uso de procesos de simulación, es decir la experimentación.
En la experimentación se busca obtener la mayor información confiable, con el menor costo y el menor tiempo; obtener conclusiones inteligentes a partir de las observaciones. El ser humano no es hábil para obtener conclusiones, especialmente acerca de sus semejantes. Es necesario aprender a conocer las fuentes potenciales de error, las limitaciones de las muestras pequeñas, el papel del azar, la incertidumbre, los prejuicios y la importancia de evaluar con cuidado la confiabilidad de la evidencia disponible. A medida que se aumentan los conocimientos disponibles de la humanidad, se aumenta la dificultad para encontrar la información deseada, relativa a un problema. Es importante usar eficazmente las fuentes de información.
Hay otras habilidades, como la aptitud en la comunicación. Debe desarrollarse la capacidad de comunicación clara y concisa, tanto oral como en forma escrita. Son muchos los empleadores que con frecuencia hacen hincapié sobre la pobre capacidad de comunicación de los ingenieros recién egresados. El estudiante de Ingeniería deberá desarrollar una habilidad especial en informática para aprovechar las computadoras en los procesos de cálculo, diseño y simulación, para los cuales son una herramienta indispensable.
Ciertas calidades que debe tener el ingeniero no se refieren a conocimientos o habilidades, sino que tienen que ver con la capacidad permanente de cuestionarse acerca del cómo y el por qué de las cosas. Parte de esa actitud proviene de la curiosidad y parte del escepticismo que lleva a dudar de la utilidad de una cierta práctica, de la validez de una determinada característica o de la necesidad de un elemento particular. Es muy provechoso dudar acerca de hechos, características, requisitos, prácticas, etc., para hacer que se prueben por sí mismos. Frente a presiones, tradiciones, prejuicios hay que esforzarse en tener objetividad. Se espera que el ingeniero asuma una verdadera actitud profesional hacia su trabajo, hacia la gente a quien sirve, hacia sus colegas y hacia aquellos a quienes afectan sus soluciones: la comunidad.
El ingeniero debe estudiar a fondo los problemas hasta tener una solución bien fundamentada, debe mantenerse informado de los mejores procedimientos, los últimos adelantos y utilizarlos al servicio del cliente. Debe mantener un espíritu permanente de contribuir al progreso de la humanidad con sus obras y recomendaciones. Debe poseer una mente abierta a lo nuevo y lo diferente; ser flexible y receptivo a las nuevas tareas, nuevas ideas y a las innovaciones de la Ciencia. Debe conocer los aportes más significativos de sus antecesores en su campo.
Cuando se egresa de una facultad de ingeniería no se tienen todas las cualidades mencionadas. La educación recibida constituye un sólido comienzo en un proceso de desarrollo de largo plazo. En muchos casos, será necesario profundizar mediante la realización de estudios post-universitarios de especialización, maestría y doctorado. Después, depende de sí mismo continuar ese proceso de mejoramiento intelectual o estancarse. En el primer caso, se tendrá una vida profesional exitosa y llena de satisfacciones y por qué no, de pesos.
La información técnico-científica aumenta con tanta velocidad, que a pesar de herramientas como el Internet y las bases de datos internacionales, son válidas aun las palabras de Eduardo Torroja, quien expresaba: en las escuelas de ingeniería hay tanto que aprender que rara vez queda tiempo para pensar{4}.
La resolución de un problema de ingeniería comprende varias etapas:
Se define el problema en forma amplia y sin detalles; un problema bien definido está prácticamente resuelto. Generalmente existe una información vaga, mezclada con hechos confusos y sin importancia, acerca de lo que se quiere o necesita. Es necesario conocer desde el principio el problema que se trata de resolver y si vale la pena resolverlo, antes de considerar detalles. Raramente se le presenta al ingeniero el verdadero problema; lo más común es que él deba determinar en qué consiste. Y esto no es fácil, pues el ingeniero recién egresado no está preparado suficientemente, ya que en la universidad, en muchos casos, no se lo entrena para ello, pues los problemas se presentan alejados de la realidad. Además, están encubiertos por demasiada información sin importancia o por las soluciones corrientes o por opiniones confusas.
Es tan importante esta fase en la Ingeniería Estructural, que el mismo Torroja decía:
Es un error demasiado corriente en los ingenieros empezar a calcular la viga número uno, sin antes haber meditado si la construcción debe llevar vigas o no{5}.
En esta fase se define el problema con todo detalle. Comprende mucho trabajo de reunión y procesamiento de información. El resultado es una definición precisa del problema, que se espera maximice las posibilidades de encontrar la solución óptima.
Se reúnen las diferentes alternativas, mediante investigación, indagación, creatividad, etc. Es una fase de investigación o búsqueda en la literatura técnica y científica, en el mundo que nos rodea y en la mente del ingeniero. El acervo del conocimiento humano proporciona soluciones ya hechas para algunos de los problemas; la segunda fuente son las ideas propias, la invención o lo que modernamente se denomina el proceso creativo. La creatividad es una facultad de todas las personas; sin embargo, no todas la desarrollan. Pero uno puede incrementar sus esfuerzos y mejorar notablemente la capacidad de encontrar soluciones a los problemas. Para ello, se deben buscar la mayor cantidad y variedad de soluciones, combinarlas y diferir la evaluación de ellas{6}. Existen métodos como la denominada: “lluvia de ideas” y otras técnicas que pueden ayudar a despertar la capacidad creativa. Se debe luchar contra la “inercia”, que perpetúa una cantidad de soluciones, muchas veces deficientes, poco imaginativas y rutinarias, o insostenibles{7} ambientalmente, que se han acumulado con los años y que algunos llaman la experiencia. Hay demasiadas soluciones que son el producto de manuales o de prácticas tradicionales, cuya única virtud es su añejamiento, pero sin las virtudes del buen vino. Se deben combinar estas dos fuentes: la experiencia y la creatividad para hallar soluciones originales a los problemas de ingeniería.
Se comparan, evalúan y seleccionan las diferentes alternativas hasta obtener la solución óptima. Inicialmente las soluciones elegibles: alternativas, se expresan en términos generales. Después de eliminar aquellas que son deficientes, de inferior calidad o ambientalmente muy impactantes{8} o costosas, con métodos rápidos y sencillos, se añaden detalles a las restantes y se evalúan con métodos mas precisos. El proceso general suele contemplar: selección de criterios e importancia relativa de ellos; comportamiento de la alternativas con esos criterios; comparación de las alternativas con respecto a los funcionamientos predichos y elección de la solución.
Derivado de leyes y normas, la evaluación del impacto ambiental tiene por objeto conocer y valorar las alteraciones que un proyecto produciría en el medio con el fin de establecer su aceptabilidad, modificación o rechazo. No significa un “SÍ” o un “NO” a un proyecto, sino una eventual mejor solución a un problema, por tal razón se aconseja que desde un principio, desde la idea inicial se incluyan los aspectos ambientales en los proyectos para irlos ajustando en consonancia con los ítems técnicos, económicos y sociales, hasta llegar a un equilibrio, es decir, a la solución óptima. Si se trata de una obra nueva, se requiere una óptica de prevención, si se trata de una intervención sobre algo ya existente, se requiere una óptica de reparación; en ambos casos se busca un objetivo doble: de una parte el empleo eficiente de los recursos presentes en el ambiente y de otra considerar de forma preventiva - reparativa los potenciales desequilibrios consecuentes. En todo caso, siempre es deseable intervenir sobre la causas de los desequilibrios, antes de que sucedan, más que mitigar los efectos.
Según la magnitud de la obra, la evaluación del impacto ambiental, se circunscribe a una evaluación ambiental de alternativas para las de menor tamaño o de un estudio de impacto ambiental para las más grandes. En ambos casos las medidas preventivas, de compensación y de mitigación, que se tracen como resultado de la comparación del estado del medio, antes y después de la obra, son el centro de dichos estudios.
La solución elegida, generalmente la más económica o la ambientalmente más compatible, se define claramente en planos, esquemas, dibujos, especificaciones, informes técnicos, los cuales serán usados por quienes construirán o ejecutarán el proyecto, generalmente personas diferentes de quien diseña. Los dibujantes y auxiliares ayudarán, pero los tipos y propiedades de los materiales con que se construirá la obra deben ser definidos por el diseñador, así como las dimensiones, tolerancias, tipos de uniones y otros detalles.
La solución toma forma material o es realizada, generalmente por otros profesionales. Sin embargo, la construcción constituye la finalidad del proceso de diseño. La satisfacción del diseñador sólo se completará con la realización de la obra; lo demás sería sólo un ejercicio intelectual, algo frustrante. La sociedad y las generaciones futuras reconocerán los méritos del diseñador, sólo si su obra contribuye al desarrollo de la sociedad, a unos costos razonables para esa sociedad y con unos valores estéticos que la hagan elegante.
En toda construcción intervienen, además de los ingenieros, técnicos, expertos y obreros que aportan sus conocimientos y trabajo a la realización de la obra y en la mayoría de los casos permanecen anónimos. Sobre sus actitudes y vivencias en las obras estructurales, se presentan algunos párrafos de Guy Talese, periodista y novelista norteamericano, quien describe con maestría el discurrir diario de esos personajes, su vida y su miseria, a raíz de la construcción del puente colgante de Verrazano, en Nueva York, la mayor luz en ese tipo de puentes en América{10},
Llegan a la ciudad en grandes carros, viven en apartamentos amoblados y beben whisky seguido de cerveza; además, persiguen a mujeres que olvidarán en seguida. Se quedan poco tiempo; tan solo hasta que construyan el puente; luego se marchan a otra ciudad, a otro puente, enlazándolo todo, menos sus vidas.
No poseen ninguno de los cimientos de sus puentes. Son en parte gente de circo y en parte gitanos, naturales en el aire, intranquilos en tierra; es como si debajo, en el amplio surco de la carretera, les faltara la clara dirección de una viga de ocho pulgadas que se extiende a través del cielo a doscientos metros por encima del mar.
Cuando no haya puentes que construir, construirán rascacielos o carreteras o presas o cualquier otra cosa que presente un desafío y horas extras. Están dispuestos a ir a cualquier sitio, son capaces de recorrer en carro día y noche, miles de kilómetros para participar en un nuevo proyecto de construcción, que encuentran irresistible.
De aspecto, estos hombres son generalmente grandes o, si no, siempre fuertes y su piel está curtida por el sol y el viento. Algunos, cuyo cometido es calentar los remaches, tienen la tez carbonizada; los que machacan los remaches con martillos neumáticos están algo sordos; los que enganchan los remaches con pequeños conos metálicos llevan ampollas y quemaduras que señalan cada falla; los que hacen soldaduras ven relampagueos en la noche cuando están durmiendo. Los que acoplan el acero tiene en las espinillas profundas cicatríces producidas al trepar por las columnas. Muchos tienen las manos machacadas o han perdido algún dedo al resbalarse el acero. La mayoría han caído alguna vez y se han roto algún hueso. Todos han visto a la muerte de cerca.
Son hombres arrogantes y muy orgullosos, que por la noche se jactan y construyen puentes en los bares...
Atraen a mujeres vagabundas que aprecian su dinero y ordinariamente no hay legítimas esposas en un extenso radio de acción. Los aprecian lo suficiente como para organizar un burdel ambulante debajo de un puente...
La estructura es la parte más importante de toda construcción. Es el esqueleto que soporta todos los demás sistemas, por ejemplo: eléctricos, hidráulicos, ascensores, acabados, etc.
Una construcción no puede existir sin estructura. En algunas construcciones la estructura está oculta ante los ojos de un profano. Tal es el caso de los edificios de vivienda multifamiliar o de oficinas. Los muros divisorios de los apartamentos y los cielorrasos de los pisos ocultan el esqueleto, generalmente de vigas y columnas que lo conforman. En otras construcciones, como los puentes o las torres, la estructura está a la vista y es, por así decirlo, la construcción en sí, ya que los acabados y sistemas adicionales son un porcentaje muy reducido de la obra.
La estructura es la responsable de soportar las cargas, los pesos y los efectos de las fuerzas de la naturaleza y llevarlos lo más rápido posible al terreno sobre el que está construida la edificación, sin que se produzcan asentamientos, desplazamientos laterales o vibraciones excesivas.
La ingeniería estructural es una de las actividades del ingeniero civil, que busca dotar a las construcciones de una estructura adecuada. Dentro de la formación tradicional de ingeniero, esta disciplina se relaciona directamente con la geotecnia y la construcción. El ingeniero estructural es el responsable del diseño de la estructura, de su planeación. En obras pequeñas, es responsable del diseño integral de la fundación. Sin embargo, cada día más, la fundación es realizada por otros ingenieros civiles especializados, como el ingeniero geotecnista, de suelos o fundaciones. Con la complejidad del mundo moderno, la actividad del ingeniero estructural se ha ido especializando y ya hay prácticamente dos profesiones diferentes: el ingeniero dedicado a los “edificios” y el dedicado a las “obras públicas”. Sin embargo, para nuestro caso consideraremos estas divisiones como propias del posgrado. La actividad del ingeniero estructural es parte del proceso que lleva a realizar un proyecto: una construcción. Participa con otros profesionales: arquitectos; otros ingenieros, como los electricistas, mecánicos; economistas, administradores, políticos, y representantes de la comunidad en general.
Sobre la cooperación entre el ingeniero civil y el arquitecto se hacen muchos chistes flojos, en cada uno de los dos gremios. Sin embargo, es conveniente recalcar la necesidad de colaboración entre ambos profesionales. Para enfatizarla, nos apoyaremos en los conceptos de uno de los ingenieros civiles contemporáneos más famosos, profesor emérito de la Universidad de California: T. Y. LIN, quien expresaba{11}:
Hubo un tiempo en que a los arquitectos se los llamaba maestros constructores. Cuando los edificios se hicieron más altos y las luces mayores, a los constructores se los llamó ingenieros. Hoy día, los constructores se han dividido en dos grupos -de un lado los ingenieros, del otro los arquitectos - cada uno empeñado en mostrar su propia importancia sin tener en cuenta al otro. La verdad es que ambos “maestros constructores” se necesitan el uno al otro. El ingeniero, solo, no puede diseñar un edificio en su totalidad. El arquitecto puede diseñar pequeños edificios por sí solo, pero para los grandes necesita la colaboración del ingeniero estructural, al igual que la del ingeniero electricista, mecánico y otros.
Como se mencionó anteriormente, esa actividad que el ingeniero civil realiza para dotar a la construcción de una estructura la denominamos: el Diseño Estructural, el cual debe cumplir varios requisitos o lograr algunos objetivos, como la seguridad y la funcionalidad, la economía (factibilidad) y la estética.
A continuación se amplían algunos conceptos sobre los objetivos del diseño estructural:
Se busca que la estructura resista las cargas durante la vida útil sin poner en peligro la vida de sus ocupantes o usuarios, con un margen razonable para responder frente a sobrecargas no previstas, errores pequeños en los procesos constructivos que afecten las suposiciones estructurales del diseñador, variaciones pequeñas en las propiedades mecánicas de los materiales o fenómenos naturales de tamaño extraordinario: huracanes o terremotos (que superen los asumidos por la norma) y con el menor consumo de material estructural. Ese margen razonable es lo que comúnmente se denomina “el factor de seguridad” (FS). El FS es escogido por cada comunidad en función de sus posibilidades económicas, grado de desarrollo, conocimientos científicos de la comunidad ingenieril y señalado en los denominados “Códigos de Construcción”.
Sin embargo, puede aceptarse que en casos extremos se produzcan algunos daños en los acabados y aún en la misma estructura, o asentamientos no uniformes, pero sin llegar al colapso (falla de la construcción). Para el caso colombiano, la filosofía de la seguridad estructural con respecto a los terremotos se define por la norma sismorresistente colombiana NSR-98, para las edificaciones destinadas a vivienda y comercio en general, en los siguientes términos:
Una edificación diseñada siguiendo los requisitos consagrados en las normas que regulen las construcciones sismorresistentes, debe ser capaz de resistir, además de las fuerzas que le impone su uso, temblores de poca intensidad sin daño, temblores moderados sin daño estructural, pero posiblemente con algún daño en elementos no estructurales y un temblor fuerte con daños a elementos estructurales y no estructurales pero sin colapso.
Para las demás estructuras, la ingeniería colombiana ha adoptado códigos de países desarrollados, generalmente de los Estados Unidos, tales como los códigos AASHTO, para diseño de puentes. A finales de 1996, el Instituto Nacional de Vías adoptó el Código Colombiano de Puentes-CCP-95, basado fundamentalmente en el código AASHTO-91, pero definiendo camiones de diseño propios y requisitos de análisis sísmico particulares para el país.
La Ingeniería Civil maneja dos métodos para evaluar la resistencia de las estructuras: a. El método de los esfuerzos admisibles (esfuerzos permisibles o esfuerzos de trabajo); b. Los métodos de diseño por resistencia, entre los que podemos mencionar: el método de la Carga Ultima, Carga de Rotura y modernamente, los denominados estados límites, últimos y de servicio para el diseño de estructuras de concreto y acero. La norma sismorresistente colombiana NSR-10, plantea este método como preferencial, pero deja como opcional el de los esfuerzos admisibles para materiales como el concreto, el acero y la mampostería.
Aclaremos un poco:
Los principales estados límites son:
Los criterios de diseño para estados límites pueden expresarse matemáticamente de varias formas. Una de ellas usa coeficientes de carga (también llamados coeficientes de mayoración) y coeficientes de reducción de resistencia; es la empleada en la norma NSR-98, y se expresa matemáticamente:
En la cual el lado izquierdo se refiere a la resistencia y el derecho al efecto de las cargas que actúan sobre la estructura.
Sobre la resistencia y la seguridad, cualidades que los ingenieros civiles manejan tradicionalmente y que los identifican frente a los demás ingenieros, es bueno estar alertas y concluir con Torroja{12},
Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para alguna otra finalidad o función, que lleva como consecuencia esencial, el que la construcción mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo. Su resistencia es una condición fundamentai, pero no es la finalidad única, ni siquiera la finalidad primaria.