EL PROCESO DE DISEÑO ESTRUCTURAL Separata del “Manual de Construcción Sismorresistente” Por el Ingeniero Agustín Reboredo.La presente versión de este trabajo es una transcripción de la publicación realizada por el Centro de Ingenieros, Arquitectos y Agrimensores de Mendoza y de la Sociedad de Arquitectos de Mendoza en ocasión del curso de 1977. Esta transcripción ha sido gentilmente realizada por Rodrigo Lema, ex alumno de Hormigón II en 1998, para corregir errores tipográficos y mejorar los dibujos de la publicación citada. Agradezco públicamente su colaboración. Agustín Reboredo Mendoza, abril de 1999 El proceso de diseño estructural: En la década de 1970 se divulgaron esfuerzos para sistematizar el proceso de diseño arquitectónico. Consecuencia de ello fue un movimiento generalizado hacia su aplicación en la actividad profesional concreta. Sin embargo, curiosamente estos esfuerzos no alcanzaron a la estructura, que parece ser uno de las componentes más sistemáticas del diseño de un edificio. Podemos intentar una explicación. Ocurre que el proceso de diseño estructural no es reconocido como tal por la mayoría de los especialistas1. O mejor dicho es confundido con una de sus etapas: el análisis estructural2. Y ahora cabe una aclaración: el análisis estructural es un proceso muy sistemático y de hecho está muy sistematizado. Para él se hace uso de todos los auxiliares que la tecnología actual nos permite, entre ellos las computadoras. Pero la etapa de análisis es la etapa final del proceso de diseño y su comprobación. El resto de él presenta las mismas dificultades para su ordenamiento que cualquier proceso creativo y enteramente análogas a las que presenta el diseño arquitectónico o cualquier otro diseño de objetos. Todos conocemos obras maestras del diseño estructural pero el proceso de génesis que siguió el autor en cada caso permanece casi siempre ignorado. El profesional corriente, salvo raras excepciones formado en una escuela que concede exclusiva importancia al análisis, debe encontrar dificultosamente un camino por el procedimiento más lento: prueba y error. Con el agravante de que debe empezar por formar su espíritu crítico para aprender a reconocer el error. En este campo no basta que una estructura “se sostenga”. Eso es relativamente fácil. El problema es mucho más sutil: debe sostenerse con el mínimo esfuerzo. Algunos autores han presentado el tema – los hemos citado en páginas anteriores – pero en general se han limitado a una información acerca de los tipos estructurales y su forma de trabajar. Falta aún el tratamiento del diseño estructural como disciplina que proponga métodos de trabajo. En este apéndice nos proponemos presentar algunas ideas sobre el tema sin pretender que las mismas constituyan un cuerpo completo, al solo efecto de divulgarlas entre los arquitectos y los ingenieros que trabajan en el proyecto de edificios. Esperamos que ellas contribuyan a una integración más eficaz entre los equipos de diseño, por una parte, y por otra originar una discusión acerca del diseño estructural que permita formular más claramente ese anhelado cuerpo teórico. El diseño estructural: Intentemos (con todos sus riesgos) una definición: es aquel proceso que, partiendo de los datos propios del objeto a construir – en este caso un edificio -, permite proyectar un sistema estructural completo, estable, permanente y factible. Entonces el que dentro de ese proceso exista una parte numérica es absolutamente intrascendente y circunstancial, no importa cuán dificultosa ella sea y con cuánta elegancia se la resuelva. Lo que cuenta es el objeto (la estructura) y el modo de llegar a él partiendo de los datos del problema (el edificio). Esto no significa restarle importancia al proceso de análisis, al contrario, hoy es inexcusable una comprobación racional de la aptitud de la estructura; sino que lo ubicamos en su justo lugar. El análisis estructural es siempre una verificación de lo que se proyectó, las más de las veces no sólo en trazado sino hasta en dimensiones de secciones 4. O sea que supone una idea estructural, un esquema de disposición de piezas - y una distribución de esfuerzos implícita – previos. Estas son las etapas preliminares del proceso de diseño. Entonces siempre se hace diseño estructural. Lo que ocurre es que si el proceso es inconsciente – como en la mayoría de los casos – se vuelve desordenado, no se encuentran los criterios de actuación para resolver situaciones conflictivas - a veces ni se las detecta – y el logro de una buena solución estructural se vuelve casual. Etapas en el diseño arquitectónico: El diseño estructural es, en nuestro caso, parte del diseño arquitectónico. A cada una de las etapas de éste corresponde alguna de las de aquél. Si esta simultaneidad no se cumple el resultado estructural, aun correcto en sí, puede ser inadecuado para el edificio. Recordemos entonces las principales etapas del proceso de diseño arquitectónico y más adelante les vincularemos las correlativas de la estructura: • Programa: Es la síntesis de datos del problema. En él se resumen los requerimientos y los medios disponibles. • Partido: Es el o los esbozos de las soluciones posibles. • Anteproyecto: Es una versión dimensionada de la (o las) soluciones escogidas como más convenientes. • Proyecto: Es la versión final, ajustada en dimensiones, especificación de materiales y criterios constructivos para su ejecución. • Redacción del proyecto: Es la elaboración de los documentos necesarios para la interpretación del proyecto por todos los interesados, en especial los encargados de su construcción. 1 En esta discusión nos limitamos a las estructuras para obras de arquitectura. En otros campos de la Ingeniería estructural el proceso de diseño es mucho más comprendido, siquiera intuitivamente. 2 No es casual que “Structural Design”, cuya traducción literal es “Diseño Estructural” se emplee como título de libros de análisis o Cálculo Estructural. 3 Tedeschi, E.: “...hasta permitir que se enfoque una teoría de las estructuras como disciplina que sirva de guía al proyectista...”, Teoría de la Arquitectura, Nota 36. 5.1.- EXIGENCIAS QUE DEBE SATISFACER LA ESTRUCTURA. En primer lugar están las condiciones impuestas por el edificio al que ha de pertenecer. De hecho son los datos de nuestro problema y su razón de ser. Eduardo Torroja escribió ya hace mucho 5 : “Las obras no se construyen para que resistan. Se construyen para alguna finalidad o función que lleva, como consecuencia esencial, a que la construcción se mantenga en forma y condiciones a lo largo del tiempo. Su resistencia es una condición fundamental; pero no es la finalidad única, ni siquiera la finalidad primaria”. Suscribimos totalmente ese punto de vista. Podemos añadir que el conjunto de condiciones impuestas por el edificio a su estructura constituye las exigencias funcionales de ésta, aun cuando correspondan a otro tipo de requisitos (estéticos, por ejemplo) de aquél. No es lícito por consiguiente forzar una solución del edificio por “razones estructurales”, aunque una adecuada valoración de las componentes del problema - nacida a partir del hecho estructural - pueda originar una reformulación de las exigencias impuestas a la estructura. Y por eso ella debe estar presente desde la elaboración del programa. Siguen aquellas exigencias propias del hecho estructural en sí, que podemos agrupar en tres familias de condiciones: Existencia, Permanencia y Factibilidad. Existencia de la Estructura: La misión fundamental de la estructura resistente de un edificio o de cualquier objeto es asegurar el equilibrio ante toda acción posible. Ese equilibrio tiene realidad física sólo cuando es estable. O sea que la estructura existe cuando el equilibrio - es decir la inmovilidad - está asegurada en el todo y las partes; en una condición estable y para cualquier acción que aparezca sobre la construcción. Esto implica la existencia de mecanismos o sistemas completos para conducir cualquier acción hasta los vínculos, habitualmente el suelo. El cumplimiento de esta condición es pues prioritario frente a cualquier otra. Por otra parte la estructura puede ser estable hasta cierto valor de la acción a partir del cual el equilibrio se hace imposible – caso típico del vuelco por acciones horizontales – en cuyo caso la estructura deja de existir. Es evidente entonces que para dar lugar a la existencia de la estructura corresponde definir los sistemas resistentes. Esta definición debe comprender su naturaleza y su posición espacial. Sobre ella volveremos luego. 4 Como 5 “Razón ocurre al analizar sistemas hiperestáticos. de ser de los tipos estructurales”. Permanencia: El equilibrio debe permanecer estable, en condiciones aceptables para el destino del edificio y durante toda su vida útil. Es decir que las solicitaciones que se originan a partir de las acciones posibles deben ser resistidas por el material empleado, limitando las deformaciones a valores compatibles con el uso y soportando el paso del tiempo. Cumplir con la condición de permanencia significa entonces asegurar resistencia, rigidez y durabilidad suficientes en todas sus partes. Y esto tiene que ver exclusivamente con el dimensionamiento. Factibilidad: La estructura ha de ser construida en un medio tecnológicamente definido, con materiales, mano de obra y tecnología que podemos variar pero que están limitados por aquél. Por otra parte hemos de lograr la existencia física de la estructura en condiciones económicas aceptables, generalmente el mínimo costo.6 Satisfacer esta condición implica entonces dar respuestas a un sinnúmero de cuestiones, todas ellas vinculadas con la forma operativa de llevar a cabo la obra, que en lo práctico se traduce en los detalles constructivos pero que siempre está presente en la concepción de la estructura desde sus primeros pasos. La definición de la estructura: Tanto las condiciones de permanencia como las de factibilidad son claramente comprensibles. La mayor parte del esfuerzo de aprendizaje en las escuelas de ingeniería les está dedicado. No se ha prestado tanta atención a la existencia, sin embargo. Y es no sólo esencial sino anterior a aquéllas. Veamos pues las condiciones en que un sistema estructural queda definido. En primer término es necesario decidir acerca de los tipos estructurales a emplear. El concepto “tipo estructural” expresa la naturaleza propia de la manera de resistir que tiene cada “tipo” diferente. Así un arco es tipológicamente distinto de una viga, por ejemplo, pues mientras en aquél el funcionamiento predominante es por compresión en la viga lo es la flexión. Ambos ladar” cargas salvando luces pero son intrínsecamente diferentes. De modo análogo se pueden encontrar otros tipos. Los más simples son: • Estructuras de tracción o compresión puras: cables (o redes) y arcos. • Estructuras de tracción y compresión simultáneas: reticulados triangulares planos o espaciales. • Estructuras de flexión: vigas y emparrillados • Estructuras de superficie: cáscaras o láminas. 6 El sano criterio económico exige el mínimo costo total, que incluye: costo del proyecto, construcción, operación y mantenimiento. Dentro del costo de construcción debe incluirse el financiero. . Naturalmente es posible un sinnúmero de combinaciones y puede aparecer una gran variedad de tipos tanto en los diversos sistemas de resistencia como dentro de un mismo sistema; pero la precisión en el planteo tipológico contribuye en gran medida al logro de un buen diseño. La segunda característica es lo que llamamos orden estructural. Con ello queremos significar el grado de subdivisión de la función portante, es decir el número de pasos que van sufriendo las cargas desde su aplicación hasta los vínculos. Por ejemplo una losa apoyada directamente en las vigas constituye un sistema de primer orden, mientras que si apoya en vigas secundarias y éstas en las principales es uno de segundo orden y así sucesivamente. Por último el módulo. Queremos con esto significar la dimensión característica que determina la separación entre las piezas y no debe confundirse con una figura geométrica cualquiera. Naturalmente habrá un módulo para cada orden de un sistema dado raramente iguales. Si queremos referirnos al conjunto de ellos podemos seguir hablando de “módulo estructural” con la condición de tener bien presente que se trata de un conjunto de dimensiones características del sistema. Dar existencia a una estructura implica definir sistemas estructurales y esto requiere definir tipología, orden y módulo para cada uno de ellos. Esta decisión tiene enorme repercusión en la economía de la solución estructural porque afecta directamente al consumo de materiales y de mano de obra. 5.2.-ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL Las condiciones que hemos expuesto pertenecen a grupos distintos pero son interdependientes. No podemos considerar el proceso de diseño como un tren de compartimentos estancos ya que las decisiones adoptadas en uno de los grupos afectan y a veces obligan a revisar las de los otros. Pero de todos modos la clasificación permite ordenar las ideas y controlar las repercusiones que puedan originarse en cada paso. Por sobre todo permite avanzar de lo general a lo particular, evitando o disminuyendo las ocasiones en que es necesario rehacer trabajo.7 En todo caso el proceso se ordena en etapas durante las cuales se definen predominantemente las características propias de alguno de los grupos citados. Etapa de análisis de datos o programa estructural: En ella se estudian las características generales que debe satisfacer la estructura y las condiciones económicas y tecnológicas existentes. Su inicio se ubica junto a la enunciación del programa arquitectónico, cuando es posible definir áreas funcionales y hay intención de materiales constructivos. No puede considerarse concluido el programa arquitectónico sin un resumen de posibilidades generales tanto tecnológicas como estructurales. 7 Muchas veces la necesidad de rehacer una gran cantidad de trabajo nos coloca en la disyuntiva de mantener una solución mala o mediocre porque es tarde para desarrollar aquélla mejor que se hizo evidente al final. El partido estructural: Esbozada una idea de edificio que pueda ser considerada una propuesta válida para satisfacer las exigencias arquitectónicas, debe aparecer la correlativa idea estructural. Ella consiste en definir un sistema completo y posible que satisfaga la necesidad de existencia de la estructura tal cual la hemos definido antes. Notemos que en esta etapa no es necesaria la estimación precisa de dimensiones, basta con una muy grosera apreciación que puede resultar de la comparación con obras similares o aun con obras de otro tipo.8 En todo caso, al concluirla se tendrá una idea global de la solución estructural 9 y de su posible forma constructiva, definidas claramente las tipologías a emplear en cada sistema y aproximadamente decididos los posibles módulos. Es decir estará definido el partido estructural, sin el cual no puede considerarse completo el partido del edificio. Etapa de anteproyecto: Definido un partido – o más – como conveniente para su posterior desarrollo se inicia el anteproyecto. En cuanto a estructura se refiere es necesario concluir la definición del módulo estructural y a partir de él determinar las dimensiones de los principales elementos resistentes con suficiente precisión como para que puedan definirse claramente las condiciones funcionales.10 Habitualmente basta la estimación de dimensiones dentro de errores del diez por ciento. Ya es posible hacer una primera estimación del costo de la estructura, que permite la comparación con otras soluciones propuestas. De todos modos es necesario recurrir a procedimientos numéricos durante el predimensionamiento con mucha mayor frecuencia que en la etapa anterior para definir dimensiones.11 Para que sea eficaz, es decir, para que sea útil al proceso de diseño debe ser expeditivo. Por eso es tan importante que el especialista en estructuras domine las técnicas de predimensionado. Concluida la etapa deberíamos contar con un esquema estructural razonablemente ajustado, que cumpla con las exigencias funcionales y cuyas dimensiones difícilmente hayan de modificarse como para comprometer su factibilidad o el cumplimiento funcional cuando el proyecto se desarrolle. No puede considerarse completo sin el anteproyecto del edificio. Etapa de proyecto: Evaluados los anteproyectos posibles – si hubo más de uno – y tomada la decisión se inicia el desarrollo del proyecto. En lo estructural implica el análisis completo y riguroso de solicitaciones, la determinación definitiva de dimensiones en todas las secciones y la definición de todos los detalles constructivos. Es ahora cuando el gran esfuerzo analítico tiene lugar y en realidad es una verificación del cumplimiento de las condiciones supuestas en las etapas anteriores. 8 Una idea de la dimensión de una viga de luz poco usual para edificios puede tenerse por observación de un puente por ejemplo. 9 Puede haber más de una, que deberán ser comparadas en orden a su factibilidad y al grado en que satisfagan los requisitos funcionales. 10 No vamos a desarrollarlas aquí porque excederá la extensión sobre su importancia. 11 Es lamentable que en las Facultades de Ingeniería se conceda poca o ninguna atención al tema, porque es la herramienta más útil al proyectista. Es evidente que si el especialista limita a esto su participación no está diseñando estructuras sino sólo verificando las ideas de otro.12 y en esa tarea difiere poco de una máquina12. Con el agravante de ser demasiado tarde como para influir en la revisión de decisiones que se tomaron mucho antes. Al concluir la etapa se tendrá una estructura totalmente definida, tanto en los aspectos dimensionales como constructivos. Insistimos en que no puede considerarse concluido el proyecto del edificio si no está completo el de su estructura. Etapa de redacción del proyecto: En ella se elaboran todos los documentos necesarios para la interpretación en obra y también por los responsables del control. En lo que se refiere a estructuras se preparan todos los planos y planillas necesarios, pero es aconsejable revisar la coherencia entre los dibujos o dimensiones especificadas para la estructura y las restantes componentes de la documentación. Responsabilidades y responsables en cada etapa: De la enumeración que antecede resulta fácil concluir que en la etapa de partido estructural el arquitecto tiene un papel decisivo, aun cuando le sea necesaria la colaboración del especialista en estructuras. En las restantes etapas el principal protagonista es este último. 5.3.-EL PROCESO EN OPERACIÓN La interdependencia entre las condiciones que debe satisfacer la estructura se manifiesta en marchas y contramarchas que experimenta el proceso. Si el mismo es inteligentemente conducido ocurre que las sucesivas crisis lo realimentan permitiendo el perfeccionamiento de una solución y se disminuyen las ocasiones en que se desecha totalmente el trabajo realizado. Como nuestro interés aquí es encontrar un método de trabajo fijaremos nuestra atención en la evolución del diseño . Es evidente que no existe una única solución en ninguna de las etapas, ya que siempre se trata de compromisos entre una multitud de requerimientos. Por eso mismo no es aconsejable adoptar una única posibilidad y desarrollarla hasta sus últimas instancias pues además del riesgo de escoger una mediocre se tiene el de llegar a un punto en que se presenten dificultades insalvables para satisfacer las exigencias estructurales, en cuyo caso la totalidad del trabajo debe ser desechada para comenzar de nuevo 13 . Mejor camino parece escoger la mayor cantidad de posibilidades en las primeras etapas y esforzarse por seleccionar rápidamente las más adecuadas, con el objeto de hacer converger el proceso hacia una buena solución que es la que finalmente se desarrolla en la etapa de proyecto. Cuanto mayores sean los conocimientos y la experiencia del diseñador más amplio será el campo inicial y más rápida su convergencia. Mayores posibilidades tiene de lograr una buena solución y menor esfuerzo dedica a las soluciones desechadas . Algunas simplificaciones: Así descrito el proceso parece muy largo y reiterativo. En la realidad puede ser más simple. Si el problema en cuestión es muy conocido por el diseñador posiblemente su experiencia le permita Muchas veces incluso oficinas públicas licitan obras con su estructura “a calcular”. Colocan así al comitente y a la empresa constructora en una situación riesgosa que es causa frecuente de disgustos. 13 Al mismo tiempo debe evitarse la tentación de una solución distinta sólo por serlo. 12 obviar la mayor parte de los tanteos iniciales y prácticamente desarrollar un tema único. No obstante debe evitar el caer en soluciones estereotipadas y por eso aunque se encuentre en la situación mencionada deberá siempre preguntarse si no existe un camino mejor. De todos modos las posibilidades de perfeccionamiento aun en esas condiciones son casi infinitas. 5.4.-LA EXPERIENCIA Y LA INFORMACIÓN En definitiva la menor o mayor agilidad con que se resuelva el problema depende de la información de que disponga el diseñador, su experiencia y su habilidad para organizar y sistematizar los datos. Reconocer y separar causas de efectos exige un sentido crítico muy sensible que es precisamente el más difícil de despertar y desarrollar. Notemos también que el proceso presenta, desde el punto de vista lógico, sucesivas etapas de análisis y síntesis. En las primeras se separan y organizan los datos que en las segundas cristalizan en el esfuerzo creativo. Todos sabemos que es posible dar reglas y metodologías para el análisis pero es virtualmente imposible hacerlo – salvo el enunciado de principios muy generales – para la síntesis, que subyace en lo más profundo de la racionalidad humana. Por eso las ideas aquí presentadas sólo tratan de ordenar el proceso en general, arrojando un poco de luz sobre sus complejas interrelaciones, pero no deben interpretarse como un sustituto de la creatividad. A lo sumo llegan a indicar cuándo puede intentarse el esfuerzo creativo. http://fing.uncu.edu.ar/catedras/civil/archivos/hormigon_ii/PROCESO_DE_DISENO.pdf