Relación entre arquitectura - estructura

Relación entre arquitectura - estructura:

Cómo la Arquitectura se relaciona con la Forma y la Función.

La importancia de la elección estructural:

¿Cómo afecta el sistema estructural elegido la distribución de los espacios?

¿Qué limitaciones impone la estructura en el diseño y cómo se pueden superar?

¿El sistema estructural elegido permite la flexibilidad necesaria para futuros cambios?

Concepto de Estructuras en Arquitectura

DEFINICIÓN DE ESTRUCTURA (Diez, 2005).

La estructura es aquello que hace al armado, a la disposición de las partes de una obra.

Generalmente, cuando hablamos de estructura, pensamos en aquella parte del conjunto que

sostiene o soporta, que distribuye o reparte cargas, es decir, que hace al equilibrio estático de la

construcción, pero si bien éste es su fin inmediato, la estructura debe cumplir la función de

organizar, dar sentido, estructurar la totalidad.

La estructura deberá sostener estáticamente y estéticamente la composición.

Las estructuras en arquitectura son el esqueleto que da forma y estabilidad a un edificio,

integrando funcionalidad, estética y seguridad. No solo soportan cargas, sino que también

organizan y definen el espacio arquitectónico, influyendo en la percepción y uso del mismo. Un

diseño estructural exitoso es aquel que logra coherencia entre la forma, la función y la estructura,

creando espacios que son tanto estéticamente agradables como técnicamente viables.

Nociones Básicas del Comportamiento de Sistemas Estructurales

El comportamiento de los sistemas estructurales se rige por varios principios fundamentales que

son esenciales para su correcto diseño y funcionamiento. Uno de los conceptos más importantes

es el equilibrio, que se refiere a la estabilidad de las fuerzas aplicadas a la estructura. Los

diferentes tipos de equilibrio incluyen el estable, el inestable y el indiferente, y cada uno tiene

implicaciones importantes para el diseño y la seguridad de la estructura.

Otro principio fundamental del comportamiento estructural es la resistencia de los materiales. Los

ingenieros deben comprender cómo los materiales se comportan bajo diferentes cargas y tensiones

para poder seleccionar los materiales adecuados y diseñar estructuras resistentes y seguras. Esto

implica comprender cómo los materiales se deforman bajo cargas, cómo se relacionan la tensión

y la deformación y cómo se calculan las tensiones máximas admisibles.

Además, es importante considerar los diferentes estados de uso y servicio de las estructuras. Las

cargas que soportan las estructuras y su duración a lo largo del tiempo pueden afectar su calidad

y su capacidad para soportar cargas. Para garantizar la seguridad y la eficiencia, se deben tener

en cuenta aspectos como el coeficiente de seguridad y los estados límite de servicio y de uso.

Por último, tener conocimientos sobre la continuidad de los elementos estructurales, como los

sistemas isostáticos y hiperestáticos, puede ser crítico para lograr una mayor resistencia y eficacia

en el diseño de estructuras. En conjunto, estas nociones básicas son esenciales para garantizar que

las estructuras sean resistentes, seguras y duraderas en el tiempo. (Bernal, 1989)

• 1. Carga y esfuerzos

(constantes en el tiempo, como el peso de los materiales) o dinámicas (variables, como el viento

o terremotos).

Carga: Es cualquier fuerza que actúa sobre una estructura. Las cargas pueden ser estáticas

Esfuerzos: Son las acciones que estas cargas generan sobre los elementos estructurales. Pueden

ser de compresión, tracción, corte, flexión o torsión.

• 2. Equilibrio

Una estructura se encuentra en equilibrio cuando la suma de todas las fuerzas y momentos que

actúan sobre ella es igual a cero. Esto significa que las fuerzas que tienden a mover la estructura

en una dirección son contrarrestadas por fuerzas en la dirección opuesta.

• 3. Estabilidad

La estabilidad se refiere a la capacidad de una estructura para resistir el colapso o la deformación

excesiva bajo la acción de las cargas. Una estructura estable debe estar en equilibrio y ser capaz

de mantener esa condición a pesar de las fuerzas aplicadas.

• 4. Materiales y Propiedades Mecánicas

Cada material estructural (acero, hormigón, madera, etc.) tiene propiedades mecánicas

específicas, como resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, elasticidad y ductilidad,

que determinan su comportamiento bajo carga.

Elasticidad: Es la capacidad de un material para volver a su forma original después de ser

deformado.

Plasticidad: Es la capacidad de un material para deformarse permanentemente sin romperse.

Ductilidad: La capacidad de un material para deformarse considerablemente antes de romperse.

• 5. Tipos de Esfuerzos

Compresión: Esfuerzo que tiende a aplastar o acortar un material.

Tracción: Esfuerzo que tiende a estirar o alargar un material.

Corte: Esfuerzo que tiende a deslizar una parte del material sobre otra.

Flexión: Esfuerzo que ocurre cuando una fuerza aplicada genera un momento, haciendo que un

elemento estructural se doble.

Torsión: Esfuerzo generado cuando un elemento se retuerce debido a una rotación alrededor de

su eje longitudinal producida por fuerzas opuestas aplicadas en dos puntos distanciados.

• 6. Sistemas Estructurales Comunes

Vigas y Columnas: Las vigas soportan las cargas y las transmiten a las columnas, que a su vez las

llevan hasta las fundaciones. Las vigas están sometidas principalmente a flexión y corte, mientras

que las columnas a compresión y flexo-compresión.

Marcos Rígidos: Formados por la combinación de vigas y columnas unidas mediante nudos

rígidos, resisten cargas tanto verticales como horizontales y proporcionan estabilidad.

Pórticos: Estructuras compuestas por vigas y columnas unidas mediante juntas rígidas, capaces

de resistir cargas laterales y proporcionar estabilidad frente a la flexión y corte.

Arcos y Cúpulas: Distribuyen las cargas principalmente por compresión a lo largo de su forma

curva, permitiendo cubrir grandes luces.

Estructuras Reticuladas: Compuestas por elementos en forma de triángulos, que distribuyen las

fuerzas de manera eficiente y permiten cubrir grandes espacios con una estructura ligera.

Cables y Tenso-estructuras: Sistemas que trabajan principalmente a tracción, utilizados para crear

formas ligeras y eficientes.

• 7. Deformación y Rigidez

Deformación: Es el cambio en la forma de un elemento estructural bajo carga. Una estructura

debe ser lo suficientemente rígida para que las deformaciones sean pequeñas y no comprometan

su función.

Rigidez: Es la resistencia de un elemento estructural a la deformación. Los elementos rígidos son

cruciales para mantener la forma y la estabilidad de la estructura bajo cargas.

• 8. Redundancia y Ductilidad

Redundancia: Es la existencia de caminos alternativos para que las cargas sean transmitidas en

caso de fallo de un elemento estructural. Esto aumenta la seguridad y confiabilidad de la

estructura.

Ductilidad: Es la capacidad de una estructura para soportar deformaciones significativas antes de

colapsar, permitiendo advertencias visibles antes del fallo total.

Clasificación de los sistemas estructurales (Diez, G. 2005)

La clasificación de las estructuras en arquitectura se puede abordar desde diferentes enfoques, los

cuales permiten entender el funcionamiento y los mecanismos de transferencia de cargas que

aportan. A continuación, se explica cada una de estas clasificaciones.

- Clasificación según el estado de solicitación interna de los distintos elementos componentes bajo la carga de servicio: 

Este enfoque se enfoca en los elementos lineales o planos que

conforman la estructura y considera si están sometidos a fuerzas de tracción, compresión o

flexión. La finalidad de esta clasificación es entender cómo se comportan cada uno de estos

elementos ante las fuerzas que actúan sobre ellos y cuáles son los mecanismos que permiten

trasferir la carga desde los puntos de aplicación hasta los puntos de apoyo de la estructura.

- Clasificación según los mecanismos sustentantes dominantes: 

este enfoque se enfoca en los

mecanismos principales de desviación de cargas que realizan las estructuras para lograr su

estabilidad. Esta clasificación comprende cinco familias o grupos de sistemas estructurales:

• 1. Estructuras de forma activa: son aquéllas que actúan por su forma material y son descriptas

como sistemas cuya forma es el camino de las fuerzas expresado en la materia.

• 2. Estructuras de superficie activa: también llamadas sistemas laminares, son aquéllas que

actúan por continuidad superficial y de forma combinando esfuerzos de tracción y compresión

normales a la sección y tangenciales a su radio de curvatura.

• 3. Estructuras de vector activo: denominadas estructuras de barras o reticulados, son aquéllas

que actúan por medio de elementos componentes llamados barras, vinculadas mediante nodos a

partir de la triangulación, solicitados a tracción y/o a compresión.

• 4. Estructuras de flexión dominante: son aquellas que actúan por medio de vigas, pilares u otros

elementos que se flexionan para trasferir las cargas al suelo.

• 5. Estructuras reticuladas: son aquellas que consisten en una serie de elementos en forma de

barras colocados en dos o tres dimensiones para formar una malla tridimensional.

Requisitos fundamentales

Según Bernal, J. (1989):

• 1. Seguridad: La estructura debe ser capaz de soportar todas las cargas a las que estará expuesta

durante toda su vida útil, sin producir fallas catastróficas.

• 2. Estabilidad: La estructura debe ser capaz de mantener su forma y posición incluso en

condiciones adversas, como terremotos, vientos fuertes o movimientos sísmicos.

• 3. Durabilidad: La estructura debe ser capaz de resistir la acción de los agentes ambientales

durante su vida útil, incluyendo la corrosión, la humedad y la acción de los agentes químicos.

• 4. Funcionalidad: La estructura debe cumplir con los requisitos funcionales para los que fue

diseñada, como proporcionar un espacio seguro y habitable para los usuarios, protección contra

los elementos o soporte para equipos y maquinaria, entre otros.

• 5. Asequibilidad: La estructura debe ser económicamente viable, es decir, el costo de construcción

y mantenimiento debe ser razonable en relación con los beneficios que proporciona. Esto puede

incluir la consideración del costo de los materiales y la mano de obra, así como los costos de

mantenimiento y vida útil.

Según Diez, G. (2005):

Las estructuras utilizadas en arquitectura deben cumplir con una serie de requisitos principales

para garantizar su óptimo funcionamiento y seguridad. Estos requisitos son los siguientes:

• 1. Resistencia: las estructuras deben ser capaces de soportar las cargas a las que estarán sometidas

sin sufrir deformaciones o roturas.

• 2. Estabilidad: las estructuras deben ser capaces de mantener su equilibrio en todo momento y

evitar movimientos y desplazamientos que puedan poner en peligro su estabilidad.

• 3. Funcionalidad: las estructuras deben ser capaces de cumplir con su función específica dentro

del edificio, manteniendo su capacidad para soportar las cargas necesarias para su uso.

• 4. Economía: las estructuras deben ser diseñadas de manera que resulten económicamente viables

y eficientes, maximizando su relación coste-beneficio.

• 5. Estética: las estructuras deben ser capaces de integrarse en el diseño arquitectónico y contribuir

a la estética general del edificio.

• 6. Durabilidad: las estructuras deben ser diseñadas con materiales y técnicas que garanticen una

larga vida útil y minimicen el mantenimiento y la reparación necesarios.

Leyes fundamentales de economía y liviandad estructural. (Diez, G. 2005)

• 1. Ley de la mínima energía potencial: Esta ley se basa en que todas las estructuras tienden a

adoptar la forma que minimiza la energía potencial total del sistema. Desde el punto de vista

estructural, esto significa que la forma de la estructura debe ser tal que su energía potencial sea lo

más baja posible, es decir, que la estructura sea capaz de transmitir las cargas a los puntos de

apoyo de manera eficiente y sin excesos.

• 2. Ley de la mínima inercia: Esta ley establece que una estructura debe ser lo más liviana posible

de tal forma que la inercia de la estructura en régimen de vibración sea lo más baja posible. La

inercia se refiere a la tendencia de un cuerpo a mantener su estado de movimiento o reposo, y en

el caso de las estructuras se aplica en el análisis de la respuesta de la estructura ante cargas

dinámicas, como viento o sismos. Por lo tanto, una estructura eficiente tiene una masa baja y una

rigidez alta, para minimizar la inercia y maximizar su estabilidad ante cargas dinámicas.

• 1. Ley de la Economía Estructural

Optimización de Materiales: Se busca utilizar la menor cantidad de material posible para soportar

las cargas requeridas. Esto implica seleccionar materiales adecuados para cada situación

específica, aprovechando sus propiedades mecánicas al máximo.

Distribución Eficiente de Cargas: Diseñar la estructura de manera que las cargas se distribuyan

eficientemente a través de los elementos estructurales. Esto incluye evitar concentraciones de

esfuerzos y asegurar que todos los elementos contribuyan equitativamente a la resistencia total.

Reducción de Desperdicios: Minimizar los cortes, sobrantes y desperdicios de material durante la

construcción. Esto se puede lograr a través de un diseño modular y prefabricado, que utiliza

elementos estandarizados y fáciles de ensamblar.

Simplificación del Diseño: Optar por diseños estructurales simples y directos, que minimicen la

complejidad y el costo de la construcción. Las soluciones más simples suelen ser más económicas

y más fáciles de construir y mantener.

Compatibilidad con el Proceso Constructivo: El diseño estructural debe adaptarse a las técnicas

constructivas disponibles y al contexto del proyecto. Esto incluye la consideración de la logística

de transporte, montaje y mantenimiento.

• 2. Ley de la Liviandad Estructural

Optimización de la Forma: Las formas geométricas juegan un papel crucial en la liviandad

estructural. Estructuras como las cúpulas, arcos, y reticulados espaciales distribuyen las cargas de

manera eficiente y permiten reducir el material necesario.

Uso de Materiales de Alta Resistencia: Materiales como el acero, el aluminio o los composites

tienen una alta relación resistencia/peso, lo que permite construir estructuras más livianas sin

comprometer la resistencia.

Minimización de la Masa: Reducir el peso propio de la estructura disminuyendo el volumen de

los elementos estructurales y utilizando técnicas como el pos-tesado o pre-tesado en concreto, que

permite aprovechar al máximo la resistencia del material.

Integración de Funciones: En lugar de tener elementos separados para cada función (estructura,

cerramiento, etc.), integrar las funciones en un solo elemento estructural puede reducir el peso

total de la construcción.

Aplicación de Nuevas Tecnologías: La implementación de tecnologías avanzadas como análisis

computacional y modelado BIM (Building Information Modeling) permite optimizar el diseño

estructural, logrando estructuras más livianas y eficientes.

Bibliografía:

Sacriste, E. (1970) Charla para principiantes. Pag. 17-116. Ed. Eudeba. Buenos Aires,

Argentina.

Bernal, J. (2016). Introducción a estructuras. Pag. 15-48. Ed. Nobuko. Buenos Aires, Argentina.

Diez, G. (2005). Diseño estructural en arquitectura. Introducción. Pags. 17-112. Ed. Nobuko.

Buenos Aires, Argentina.

Share in Whatsapp