¿Qué es el Diseño Estructural en Ingeniería Civil?

Diseño Estructural

El diseño estructural es un área altamente especializada de la ingeniería civil.

Se puede describir como un conjunto de métodos o herramientas que se utilizan para determinar especificaciones seguras y económicas para una estructura.

Y para garantizar que una estructura planificada sea lo suficientemente fuerte como para llevar la carga prevista.

Los ingenieros estructurales realizan un análisis estructural para determinar qué fuerzas internas y externas podrían afectar la estructura, luego diseñan una estructura con los materiales adecuados y refuerzos para satisfacer los requisitos.

Existe una fuerte relación entre las disciplinas profesionales de la arquitectura y la ingeniería estructural.

Mientras que los arquitectos normalmente tienen la tarea de diseñar las características visualmente atractivas de un proyecto, los ingenieros estructurales se enfocan en la resistencia, la durabilidad y la seguridad cuando diseñan un edificio.

 

Principios básicos del diseño estructural

Los ingenieros estructurales combinan los principios básicos del diseño estructural con una sólida formación en física y ciencia de los materiales para garantizar que las estructuras se construyan para soportar las cargas y fuerzas que encontrarán durante su uso.

Los ingenieros civiles que diseñan estructuras para proyectos de construcción deben ser excelentes solucionadores de problemas. Las decisiones que tomen los ingenieros estructurales durante la fase de diseño estructural del proyecto afectarán todo, desde el costo y la duración del proyecto hasta la máxima seguridad y viabilidad de la estructura.

A continuación, destacamos algunos de los factores más importantes que los ingenieros estructurales deben tener en cuenta al diseñar un edificio.

 

Los ingenieros civiles usan el análisis estructural para entender cómo las fuerzas impactan las estructuras

Los ingenieros estructurales se ocupan principalmente de la seguridad y la estabilidad de las estructuras que diseñan. El análisis estructural es la herramienta principal que los ingenieros estructurales utilizan para garantizar que una estructura pueda soportar los diversos tipos de fuerzas que encontrará durante su funcionamiento normal.

Una ingeniería civil que diseñe una plataforma de metro debe garantizar que la plataforma no se derrumbe bajo el peso de miles de pasajeros. Un ingeniero estructural que diseña un sistema ferroviario debe usar materiales que no se dañarán cuando se use un vagón de ferrocarril de 50,000 libras en las vías.

Un diseñador de estructuras debe asegurarse de que la estación de tren que están construyendo no se derrumbe cuando la nieve se acumule en sus techos en el invierno.

 

Los ingenieros civiles investigan tres propiedades de las fuerzas al realizar un análisis estructural:

  • Magnitud: el tamaño de la fuerza que se aplica a la estructura.
  • Dirección: La dirección de la fuerza. Un fuerte viento actuaría contra el costado del edificio, mientras que el peso de una fuerte nevada actuaría hacia abajo, en la dirección de la gravedad. Se requieren diferentes sistemas de materiales y refuerzos para contrarrestar diferentes tipos de fuerzas.
  • Posición: La posición sobre la que actúa la fuerza. Los ingenieros estructurales deben evaluar los efectos de las fuerzas anticipadas en cada área del edificio, no solo en el edificio en su conjunto.

 

Los elementos estructurales deben permanecer estacionarios

Si alguna vez ha intentado construir una torre a partir de rocas en la playa, es posible que haya encontrado el importante principio estructural de que los elementos de una estructura deben permanecer estacionarios para garantizar su estabilidad. El primer paso es asegurar a través de la ingeniería geotécnica que el suelo debajo del edificio proporciona una base sólida para la construcción. Una base sólida ayuda a garantizar que la estructura en sí misma sea inamovible y que pueda resistir fuerzas externas.

Para que una estructura permanezca estacionaria, la suma de fuerzas que actúan sobre ella siempre debe ser igual a cero. Sin embargo, los ingenieros civiles saben que se aplicarán fuerzas externas a la estructura a lo largo de su operación. Estos pueden incluir cargas vivas como ocupantes de edificios y muebles o cargas ambientales como viento, nieve y terremotos.

En cualquier caso, un diseño estructural efectivo requiere que los ingenieros civiles aseguren que un edificio pueda absorber aplicaciones de fuerza externa, manteniendo su propio equilibrio. Al igual que una rama de árbol que no se dobla se romperá con el viento, una estructura que no puede absorber fuerzas externas es vulnerable a los daños y la inestabilidad.

 

Los diseñadores estructurales deben elegir los materiales apropiados

La selección de materiales de construcción apropiados es una de las responsabilidades clave del diseño estructural.

La capacidad de una estructura para soportar fuerzas externas e internas y mantener su propio estado de equilibrio y estabilidad depende de las propiedades de los materiales a partir de los cuales se construye.

Los ingenieros estructurales eligen materiales en función de una serie de propiedades medidas que predicen su rendimiento en aplicaciones de construcción:

-Fuerza, una medida de qué tan bien un material puede resistir una carga o esfuerzo aplicado. Lo opuesto a fuerte es débil.

-La tenacidad, una medida de cuánta energía causará que un material dado se agriete. Lo contrario de duro es frágil.

-La elasticidad es una medida de cuánto se puede estirar un material y aún recuperar su forma.

La elasticidad mide la capacidad de un material para deformación plástica.

La deformación plástica se produce cuando un material se estira más allá de su capacidad para volver a su forma normal. <br>Los metales exhiben deformación plástica cuando se agrietan, haciéndolos más resistentes que otros materiales que se rompen, como el vidrio.

 

Juntando todo …

Imagina que eres un diseñador de estructuras que crea un diseño para un rascacielos. ¿Cómo decidirás qué materiales de construcción usar? Debido a que el edificio es alto y tiene una cara con un área de superficie alta, usted sabe que el mayor riesgo para su estructura es probable que haya vientos fuertes. Además, debido a que el edificio es bastante alto, podría correr el riesgo de caerse en un terremoto.

Si pudieras elegir entre una construcción de concreto y una de acero, querrás revisar las propiedades de ambos materiales y determinar cómo afectarían la seguridad de tu edificio. Cuando busca las especificaciones para una construcción de acero, se da cuenta de que el acero es más dúctil: puede ser de plástico alargado hasta en un 15% antes de la fractura, mientras que el concreto exhibe muy poca plasticidad y fracturas inmediatamente una vez que se supera su umbral de estiramiento elástico. Es bastante frágil.

 

Llegas a la conclusión de que un material que no se fractura bajo estrés es una mejor opción, y eliges correctamente el acero como material de construcción.

 

Resumen

El diseño estructural juega un papel importante en los proyectos de construcción.

El diseño estructural es realizado por un ingeniero estructural cuya función es garantizar la seguridad, la estabilidad y el rendimiento de la estructura.

Los ingenieros civiles utilizan el análisis estructural para evaluar las fuerzas que podrían actuar en una estructura y para elegir los materiales y refuerzos que resistirán efectivamente esas fuerzas.

Los ingenieros estructurales diseñan edificios, torres, túneles, puentes y otros tipos de estructuras a través del conocimiento y la aplicación exitosa de los principios de la física y la ciencia material.

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