Introducción

El termino ingeniería estructural se aplica a la especialidad de la ingeniería civil que

permite el planeamiento y el diseño de las partes que forman el esqueleto resistente de

las edificaciones más tradicionales como edificios urbanos, construcciones industriales,

puente, estructuras de desarrollo hidráulico y otras.

El esqueleto estructural forma un sistema integrado de partes, denominadas elementos

estructurales: vigas, columnas, losas, zapatas de cimentación y otros. A menudo se

requiere resolver problemas de elevada complejidad que se resuelven mediante

técnicas de elementos finitos que obligan a penetrar en los calculo diferencial e

integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y

métodos numéricos.

El Ejercicio Profesional

La actividad profesional del ingeniero estructural se inicia con un bosquejo

arquitectónico de la futura edificación, en el cual se comienzan a definir las

dimensiones generales tanto en planta como en alzado. Compara las alternativas

referentes al material básico de construcción: la conveniencia de usar concreto

reforzado o preesforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada,

aluminio u otras posibilidades mas recientes. Asimismo define previamente las

dimensiones longitudinales y transversales de los elementos estructurales. En la

ingeniería estructural de las obras urbanas, el trabajo entre arquitectos e ingenieros

resulta a menudo inseparable.

Definidas las características geométricas preliminares se pasa al proceso de

predimensionamiento de los elementos estructurales: dimensiones de las vigas y

columnas, características de la cimentación, definición de escaleras, muros de

contención, posición de ductos de aire acondicionado. Luego se evalúa las cargas que

soportara la edificación: cargas muertas que son cargas que no varían dentro de la

estructura ni a lo largo del tiempo; cargas vivas que varían en espacio o en el tiempo,

por el ejemplo, el peso de los ocupantes y los muebles.

El ingeniero a cargo debe analizar las fuerzas de reacción y deformaciones que del

esqueleto resistentes debido a las cargas. Para esto muchos ingenieros. Muchos

ingenieros disponen de programas computarizados en sus oficinas para la solución de

los problemas corrientes. Algunos de los programas empleados tiene capacidades

graficas que generan dibujos de las fuerzas internas y deformaciones para muchos

estados de carga. Si las fuerzas internas ( torsión, momento flexor y cortante)

obtenidas del análisis resultan compatibles con las resistentes y las deformaciones se

supone terminada la primera fase del procedimiento. Se pueden cometer errores al

confiar demasiado en los resultados automatizados. Si algo falla y no hay quien revise

el producto automatizado puede haber consecuencias como perdidas humanas y de

capital.

Luego se procede al refinamiento del diseño: se trata de llegar a un modelo que resulte

de modo razonable más económico y funcional; al decir razonable queremos decir que

se tenga en cuenta la facilidad constructiva de lo que se analiza y se diseña.

La fase de elaboración de los planos debe ser ejecutada por ingenieros de alta

experiencia buscando que en definitiva los planos contenga lo que se debe de

construir. Los planos de construcción deben de ser claros, indicando los materiales a

usar, detalles de refuerzo, con las indicaciones precisas de las dimensiones y de las

etapas previstas. Además deben de ser elaborados previendo que el constructor no se

vea obligado a tomar medidas a escalas ni hacer deducciones.

El ingeniero civil maneja diversos materiales en la especialidad estructural. Materiales

homogéneos como el acero, la madera, el aluminio. El acero es el de mayor uso en

perfiles de grandes dimensiones como los de sección I de alma llena, canal, angulares.

Otro material muy utilizado es el resultado de la combinación del acero y el concreto,

llamándose concreto reforzado o armado. El acero se denomina por su resistencia a la

fluencia, siendo comunes las resistencias de 2800 Kgf/Cm2 (grado 40) y 4200

Kgf/Cm2 (grado 60); los diámetros generalmente utilizados en Republica Dominicana

son 3/8“, ½”, ¾” y 1”, en longitudes que varían desde los 20 hasta los 60 pies. El

concreto utilizado varia su resistencia dependiendo del elemento en que se vaya a

utilizar por ejemplo: 180 Kgf/Cm2 usado en zapatas de muros y en construcciones de

un nivel; 210 Kgf/Cm2 usados en lozas, vigas y obras asimilables; para columnas se

puede usar desde 280 Kgf/Cm2 a 400 Kgf/Cm2.

El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre el comportamiento

de los materiales con los cuales se construyen las edificaciones.

Puentes

Puente, estructura que proporciona una vía de paso sobre el agua, una carretera o un

valle. Los puentes suelen sustentar un camino, una Carretera o una vía férrea, pero

también pueden transportar tuberías y líneas de distribución de energía. Los que

soportan un canal o conductos de agua se llaman Acueductos. Los puentes

construidos sobre terreno seco o en un valle y formados por un conjunto de tramos

cortos se suelen llamar viaductos; se llaman pasos elevados los puentes que cruzan

las autopistas y las vías de tren. Un puente bajo, pavimentado, sobre aguas

pantanosas o en una bahía y formado por muchos tramos cortos se suele llamar

carretera elevada.

Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno o más troncos para

cruzar un arroyo o atando cuerdas y cables en valles estrechos. Este tipo de puentes

todavía se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo a la distancia entre dos

apoyos) son un desarrollo de estas formas elementales. El método de colocar piedras

para cruzar un río, mejorado con troncos situados entre las piedras para comunicarlas,

es el prototipo de puente de múltiples tramos. Los postes de madera clavados en el

fondo del río para servir de apoyo de troncos o vigas permitieron atravesar corrientes

más anchas y caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete, se utilizan todavía

para atravesar valles y ríos en los que no interfieren con la navegación. El uso de pilas

de piedra como apoyo para los troncos o maderos fue otro avance importante en la

construcción de puentes con vigas de Madera. La utilización de flotadores en lugar de

apoyos fijos creó el puente de pontones. Los puentes de vigas de madera han sido los

más utilizados desde la antigüedad, aunque según la tradición se construyó un puente

de arco de ladrillos hacia el 1800 a.C. en Babilonia. Otros tipos de construcción, como

los puentes colgantes y los cantilever, se han utilizado en la India, China y Tíbet. Los

puentes de pontones los utilizaban los reyes persas Darío I y Jerjes I en sus

expediciones militares.

Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera, uno de los

cuales se describe con detalle en la obra Comentarios sobre la guerra de las Galias de

Julio César. Sin embargo, los puentes romanos que se mantienen en pie suelen

sustentarse en uno o más arcos de piedra, como el puente de Martorell cerca de

Barcelona, en España, construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en Rímini,

Italia, del siglo I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene tres niveles de

arquerías que elevan el puente a 48 m sobre el río Gard, con una longitud de 261 m;

es el ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido en el siglo I

a.C. La utilización de arcos de medio punto derivó más tarde en la de arcos apuntados.

Los arcos modernos suelen ser escárzanos o con forma semielíptica, ya que permiten

tramos más largos sin interrumpir la navegabilidad y con altura moderada. El puente

sobre el río Tweed (1803) en Kelso, Escocia, ejemplo de puente de arco semielíptico,

fue diseñado por el ingeniero británico John Rennie.

Los puentes de vigas tienen limitada la longitud de los tramos por la resistencia de las

vigas. Esta limitación se supera ensamblando las vigas en triángulos. Leonardo da

Vinci esbozó puentes de este tipo, y el arquitecto italiano Andrea Palladio

probablemente construyó varios. En Suiza se construyeron dos puentes de vigas

trianguladas en 1760. Sin embargo, la construcción de este tipo de puentes no se

desarrolló a gran escala hasta después de 1840

Los puentes actuales se identifican por el fundamento arquitectónico utilizado, como

cantilever o de tirantes, colgantes, de arco de acero, de arco de hormigón, de arco de

piedra, de vigas trianguladas o de pontones. Cuando es necesario respetar el paso de

barcos por debajo del puente y no es posible construirlo a la altura precisa se

construyen puentes móviles. A continuación se indican algunos ejemplos importantes

de los diferentes tipos de puentes.

Este tipo de puente se caracteriza porque los tramos no se sujetan por sus extremos,

sino cerca del centro de sus vigas. El Puente de Normandía, de 2.200 m de longitud,

inaugurado en 1995, atraviesa el estuario del Sena desde Le Havre a Honfleur, en

Francia. Su tramo central tiene una longitud de 856 m. Está diseñado para soportar

vientos de hasta 120 kilómetros por hora. El puente de Forth, sobre el estuario de

Forth en Queensferry, Escocia, es un puente ferroviario de acero con dos tramos

principales de 520 m cada uno, y una longitud total de 1,6 km; fue construido entre

1882 y 1890 por los ingenieros John Fowler y Benjamin Baker. El puente de Québec,

sobre el río San Lorenzo (Québec, Canadá), terminado en 1917, tiene un tramo

principal de 550 m; soporta una carretera y una vía de tren de dos carriles. El puente

de Carquinez Strait, cerca de San Francisco, Estados Unidos, terminado en 1927,

tiene dos tramos de 335 m y unos tramos de anclaje de 152 m; fue diseñado para

resistir terremotos. El puente Howrah, sobre el río Hooghly en Calcuta, la India, tiene

un tramo principal de 457 m, y se inauguró en 1943. El Gran Puente de Nueva Orleans

(1958) sobre el río Mississippi (Estados Unidos) tiene un tramo principal de 480 m. El

Puente de Barrios de Luna sobre el embalse de Barrios de Luna, en España, es el

mayor puente del mundo atirantado de hormigón. Entró en funcionamiento en 1985 y

cubre una luz de 440 metros.

El ingeniero estadounidense de origen alemán John Roebling diseñó y construyó en

1846 un puente colgante de 308 m sobre el río Ohio en Wheeling, Virginia, Estados

Unidos. Fue el primer puente colgante de cables construido en el mundo. El Golden

Gate, en San Francisco, Estados Unidos, inaugurado en 1937, tiene un tramo central

de 1.280 m suspendido de unas torres de 227 m de altura. Tiene un margen de altura

de 67 m. El puente sobre el estrecho del Bósforo en Estambul, Turquía, tiene un tramo

central de 1.079 m. Se inauguró en 1973 y constituye la primera comunicación

permanente de autopista entre Europa y Asia. Hasta 1995, el puente de Humber era

uno de los puentes colgantes más largos del mundo. Se construyó en 1980 en el

estuario del río Humber, en Inglaterra, con un tramo central de 1.410 m. El puente

colgante más alto, 321 m sobre el nivel del agua, atraviesa el Royal Gorge sobre el río

Arkansas, en Colorado, Estados Unidos. El puente colgante de Belgrano, situado

sobre el río Paraná, tiene una longitud de 2.000 m. En 1998 se inauguró en Lisboa el

puente Vasco da Gama, el mayor puente de toda Europa, con casi 18 km de longitud,

y casi 15 km sobre el agua. Este puente, situado en la desembocadura del río Tajo,

aliviará el tránsito de vehículos por el puente 25 de Abril, inaugurado en 1966 y con

1.013 m de luz. También en 1998 se abrió el puente del estrecho de Akashi, en Japón

con un vano central de unos 1.990 metros.

Puentes en arco de acero

El ingeniero estadounidense James Buchanan Eads construyó el primer puente de

acero sobre el río Mississippi en Saint Louis, Missouri, en el año 1874. El puente

ferroviario Hell Gate, sobre el río East, en Nueva York, era el puente de arco de acero

más largo del mundo cuando se inauguró en 1917, con un tramo principal de 298 m. El

puente que atraviesa el río Niágara desde Queenston, Ontario, Canadá, a Lewiston,

Nueva York, Estados Unidos, inaugurado en 1965, utiliza un arco de acero de 305

metros.

Durante el comienzo del siglo XX, el desarrollo del hormigón armado proporcionó

grandes progresos a la construcción de puentes con arcos de hormigón. El puente del

Esla, sobre el río Esla, en España, con un tramo central de 197 m, se construyó en

1940. El puente de Gladesville (1964) en Sydney, Australia, se eleva 46 m sobre el río

Parramatta con un arco de hormigón de 305 m. En Croacia se construyó un puente de

arco de hormigón de 390 m de longitud y 67 m de altura en 1979. El puente Tancredo

Neves se sitúa sobre el cañón del río Iguazú y une la localidad de Puerto Iguazú

(Argentina) con la ciudad de Foz do Iguaçu (Brasil).

La construcción de viaductos se ha efectuado con puentes de arcos múltiples de

hormigón. El viaducto ferroviario Tunkhannock, en Pennsylvania, Estados Unidos

(1916), tiene 724 m de longitud y está formado por diez arcos de 55 m y dos de 30 m.

El viaducto para automóviles Columbia, también en Pennsylvania, tiene una longitud

de 2.090 m y está formado por 28 arcos de hormigón de 56 metros.

El desarrollo del tren provocó la reutilización de los arcos de medio punto en la

construcción de puentes, realizados con piedra tallada en los lugares donde esto

resultaba económico. El viaducto de piedra de Ballochmyle, que cruza el río Ayr cerca

de Mauchline, en Escocia, tiene un tramo soportado por un arco de medio punto de

55 m. Un viaducto de 3.658 m compuesto por 222 arcos de piedra comunica la ciudad

de Venecia con tierra firme. El tramo soportado por arco de piedra más grande, de

90 m, es el puente de Syra, en Plauen, Alemania; se terminó en 1903. No se ha

seguido construyendo puentes con arcos de piedra por su alto coste.

La construcción de puentes con vigas de acero trianguladas o reticuladas se ha

empleado mucho por su bajo coste. Desarrollos recientes han aumentado la longitud

de los tramos, así como la utilización de estructuras reticuladas continuas.

En los últimos años se ha desarrollado la llamada construcción ortotrópica, en la cual

unas planchas de acero de refuerzo actúan al mismo tiempo como soporte de la

calzada y como soporte de las vigas transversales y de las vigas maestras

longitudinales. Inaugurado en 1967, el mayor puente de este tipo es el San Mateo-

Hayward, en San Francisco, Estados Unidos.

Son puentes flotantes permanentes, a diferencia de las estructuras temporales

militares, que se instalan en lugares donde las condiciones locales lo hacen necesario.

Un puente flotante de 466 m atraviesa el río Hooghly, en Calcuta, la India; soporta una

carretera a 8,2 m sobre el agua con 14 pares de pontones de hierro, de 48 m de largo

y 3,1 m de ancho.

Además de las secciones de algunos puentes de pontones, los tramos móviles pueden

ser basculantes (puentes levadizos), giratorios o de elevación vertical, según las

necesidades locales. El primer tipo de puente basculante fue el ala abatible de madera

que servía para cruzar el foso de los castillos y que se elevaba con cadenas desde el

interior. Este tipo de puente, con uno o dos tramos de bisagra y contrapesados, es

apropiado para vías navegables estrechas con mucho tráfico. El Puente de la Torre

(1894) sobre el río Támesis, en Londres, es el ejemplo más famoso de este tipo de

construcción.

Los puentes giratorios tienen un tramo móvil montado sobre un pivote o plataforma

giratoria en su centro. El tramo más largo de este tipo de puente, con 166 m, es el de

un puente para trenes y automóviles, terminado en 1927 que cruza el Mississippi en

Fort Madison, Iowa, Estados Unidos.

Los puentes de elevación vertical se utilizan para tramos largos donde es necesario

despejar toda la anchura del canal y a una altura considerable. El tramo de elevación

vertical más largo transporta una vía de tren sobre Arthur Kill, entre Staten Island y

Elizabeth, Nueva Jersey, Estados Unidos; se construyó en 1959. El tramo mide 170 m

y tiene un margen de altura de 9,5 m cerrado y 41 m levantado.

Edificaciones

Las cargas que soporta un edificio se clasifican en muertas y vivas. Las cargas

muertas incluyen el peso del mismo edificio y de los elementos mayores del

equipamiento fijo. Siempre ejercen una fuerza descendente de manera constante y

acumulativa desde la parte más alta del edificio hasta su base. Las cargas vivas

comprenden la fuerza del viento, las originadas por movimientos sísmicos, las

vibraciones producidas por la maquinaria, mobiliario, materiales y mercancías

almacenadas y por máquinas y ocupantes, así como las fuerzas motivadas por

cambios de temperatura. Estas cargas son temporales y pueden provocar vibraciones,

sobrecarga y fatiga de los materiales. En general, los edificios deben estar diseñados

para soportar toda posible carga viva o muerta y evitar su hundimiento o derrumbe,

además de prevenir cualquier distorsión permanente, exceso de movilidad o roturas.

Los principales elementos de un edificio son los siguientes: 1) los cimientos, que

soportan y dan estabilidad al edificio; 2) la estructura, que resiste las cargas y las

trasmite a los cimientos; 3) los muros exteriores que pueden o no ser parte de la

estructura principal de soporte; 4) las separaciones interiores, que también pueden o

no pertenecer a la estructura básica; 5) los sistemas de control ambiental, como

iluminación, sistemas de reducción acústica, calefacción, ventilación y aire

acondicionado; 6) los sistemas de transporte vertical, como ascensores o elevadores,

escaleras mecánicas y escaleras convencionales; 7) los sistemas de comunicación

como pueden ser intercomunicadores, megafonía y televisión por circuito cerrado, o los

más usados sistemas de televisión por cable, y 8) los sistemas de suministro de

electricidad, agua y eliminación de residuos.

El diseño de la estructura de un edificio depende en gran medida de la naturaleza del

suelo y las condiciones geológicas del subsuelo, así como de las transformaciones

realizadas por el hombre en esos dos factores.

Si se pretende construir un edificio en una zona con tradición sísmica, se deberá

investigar el tipo de suelo a una profundidad considerable. Es evidente que deberán

evitarse las fallas en la corteza terrestre bajo la superficie. Ciertos suelos pueden

llegar a licuarse al sufrir terremotos y transformarse en arenas movedizas. En estos

casos debe evitarse construir o en todo caso los cimientos deben tener una

profundidad suficiente para alcanzar zonas de materiales sólidos bajo el suelo

inestable. Se han encontrado suelos arcillosos que se llegan a expandir hasta 23 cm o

más al someterlos a largos periodos de humedecimiento o secado, con lo que se

producen potentes fuerzas que pueden cizallar o fragmentar los cimientos y elevar

edificios poco pesados. Los suelos con alto contenido orgánico llegan a comprimirse

con el paso del tiempo bajo el peso del edificio, disminuyendo su volumen inicial y

provocando el hundimiento de la estructura. Otros tienden a deslizarse bajo el peso de

las construcciones.

Los terrenos modificados de alguna forma suelen tener un comportamiento diferente,

en especial cuando se ha añadido o se ha mezclado otro tipo de suelo con el original,

así como en aquellos casos en que el suelo se ha humedecido o secado más de lo

normal, o cuando se les ha añadido cemento u otros productos químicos como la cal.

A veces el tipo de suelo sobre el que se proyecta construir varía tanto a lo largo de

toda la superficie prevista que no resulta viable desde el punto de vista económico o no

es posible edificar con seguridad.

Por tanto, los análisis geológicos y del suelo son necesarios para saber si una

edificación proyectada se puede mantener adecuadamente y para hallar los métodos

más eficaces y económicos.

Si hay una capa rocosa firme a corta distancia bajo la superficie de la obra, la

resistencia de la roca permitirá que la extensión sobre la que descanse el peso de la

construcción no tenga que ser demasiado grande. A medida que se van encontrando

rocas y suelos más débiles, la extensión sobre la que se distribuirá el peso deberá ser

mayor.

Los tipos de sistemas de cimentación más comunes se clasifican en profundos y

superficiales. Los sistemas superficiales se encuentran a poca distancia bajo la base

del edificio, como las losas continuas y las zapatas. Los cimientos profundos se

extienden a varios metros bajo el edificio, como los pilotes y los pozos de cimentación

(figura 1). La elección de los cimientos para un edificio determinado dependerá de la

fortaleza de la roca y el suelo, la magnitud de las cargas estructurales y la profundidad

del nivel de las aguas subterráneas.

Los cimientos más económicos son las zapatas de hormigón armado, empleados para

edificios en zonas cuya superficie no presenta dificultades especiales. Estos cimientos

consisten en planchas de hormigón situadas bajo cada pilar de la estructura y una

plancha continua (zapata continua) bajo los muros de carga

Los cimientos de losa continua se suelen emplear en casos en los que las cargas del

edificio son tan grandes y el suelo tan poco resistente que las zapatas por sí solas

cubrirían más de la mitad de la zona de construcción. Consisten en una losa de

hormigón armado, que soporta el peso procedente de los soportes. La carga que

descansa sobre cada zona de la losa no es excesiva y se distribuye por toda la

superficie. En las cimentaciones bajo edificios de gran envergadura, las cargas se

pueden repartir por medio de nervaduras o muros cruzados, que rigidizan la losa.

Los pilotes se emplean sobre todo en zonas en las que las condiciones del suelo

próximo a la superficie no son buenas. Están fabricados con madera, hormigón o acero

y se colocan agrupados en pilares. Los pilotes se introducen a determinada

profundidad dentro de la roca o suelo y cada pilar se cubre con una capa de hormigón

armado. Un pilote puede soportar su carga tanto en su base como en cualquier parte

de su estructura por el rozamiento superficial. La cantidad de pilotes que debe incluirse

en cada pilar dependerá de la carga de la estructura y la capacidad de soporte de cada

pilote de la columna. Los pilotes de madera o vigas son troncos de árboles, con lo que

su longitud resulta limitada. En cambio, un pilote de hormigón puede tener una altura

aceptable y se puede introducir por debajo del nivel freático. En edificios muy pesados

o muy altos se emplean pilotes de acero, llamados por su forma pilotes en H, que se

introducen en la roca, a menudo hasta 30 m de profundidad. Con estos pilotes se

alcanza más fácilmente una mayor profundidad que con los pilotes de hormigón o

madera. Aunque los pilotes de acero son mucho más caros, su coste está justificado

en los grandes edificios, que suelen representar una importante inversión financiera.

Los cimientos de zapatas rígidas se emplean cuando hay un suelo adecuado para

soportar grandes cargas, bajo capas superficiales de materiales débiles como turba o

tierra de relleno. Un cimiento de zapatas rígidas consiste en unos pilares de hormigón

construidos en forma de cilindros que se excavan en los lugares sobre los que se

asentarán las vigas de la estructura. Estos cimientos soportan las cargas del edificio en

su extremo inferior, que suele tener forma de campana.

La construcción de los cimientos puede complicarse debido a la existencia de agua

subterránea por encima del nivel previsto para los cimientos. En estos casos, los

laterales de la excavación pueden no estar seguros y derrumbarse. La operación de

bajar el nivel del agua por bombeo requiere la instalación previa de planchas

entrelazadas en los lados de la excavación para evitar derrumbamientos. Cuando la

cantidad de agua en una excavación es excesiva, los métodos de bombeo ordinarios,

que extraen a la superficie tierra suelta mezclada con agua, pueden minar los

cimientos de edificios vecinos. Para evitar los daños que puede causar el drenaje al

remover el suelo, se emplean sistemas de puntos de drenaje y desagüe. Los puntos de

drenaje consisten en pequeñas picas o tuberías con un filtro en uno de sus extremos, y

se introducen en el suelo de modo que el filtro, que impide que la tierra entre junto con

el agua, quede bajo el nivel del agua. Esta pequeña tubería está conectada a una

tubería múltiple que se comunica por un tubo flexible a una bomba de agua. Así se

extrae el agua bajo la excavación sin peligro para los edificios próximos. El sistema de

desagüe puede incluso ahorrar la instalación de planchas en los lados de la

excavación, siempre que no se prevea que el suelo pueda deslizarse sobre la obra

debido a su composición o a las vibraciones de maquinaria o tráfico pesado en las

cercanías.

Los elementos básicos de una estructura ordinaria son suelos y cubierta (incluidos los

elementos de apoyo horizontal), pilares y muros (soportes verticales) y el

arriostramiento (elementos diagonales) o conexiones rígidas para dar estabilidad a la

estructura.

En el caso de edificios bajos es posible una mayor variedad de formas y estilos que en

los edificios grandes. Además del sistema de pórticos —también utilizado en grandes

edificios—, las pequeñas edificaciones pueden tener cubiertas a dos aguas, bóvedas y

cúpulas. Una estructura de un solo piso puede consistir en una solera de hormigón

directamente sobre el suelo, muros exteriores de albañilería soportados por una losa (o

por zapatas continuas, alrededor del perímetro del edificio) y una cubierta. En edificios

bajos, el uso de pilares interiores entre los muros de carga es un método muy común.

También pueden emplearse pilares espaciados, apoyados en losas o zapatas, pero en

este caso los muros exteriores se soportan por los pilares o están colocados entre

éstos. Si la luz de cubierta del tejado es corta, se utilizan entarimados de apoyo,

hechos de madera, acero u hormigón para formar la estructura del techo.

Cada material de la estructura tiene su propia relación peso-resistencia, costo y

durabilidad. Como regla general, cuanto mayor sea la luz de cubierta o techo, más

complicada será la estructura que lo soporte y habrá menos posibilidades para escoger

los materiales apropiados. Dependiendo de la longitud de la luz, la cubierta podrá tener

una estructura de vigas unidireccionales (figura 2a) o una estructura de vigas

bidireccionales, apoyadas en vigas maestras de mayor tamaño que abarquen toda la

extensión de la luz (figura 2b). Los apuntaladores son sustituibles por cualquiera de

esos métodos y pueden tener una profundidad de menos de 30 cm o más de 9 m, y se

forman entrelazando los elementos de tensión y compresión en forma de triángulos.

Suelen ser de madera o acero, aunque también se pueden hacer de hormigón armado.

La estructura de un edificio de una sola planta también puede consistir en un armazón

de techo y muros en combinación, afirmados entre ellos o hechos de una sola pieza.

Las formas posibles de la estructura son casi infinitas, incluida la variedad de tres

lados de un rectángulo afirmados en un conjunto llamado armadura (figura 2c), la de

forma de iglesia de lados verticales y techo inclinado (figura 2d), la de parábola

(figura 2e) y la de semicírculo o cúpula.

La estructura básica y los muros exteriores, suelos y techo pueden estar hechos como

un todo unido, muy parecido a una tubería rectangular con los extremos abiertos o

cerrados. Estas formas pueden moldearse en plástico.

La forma más frecuente de construcción de edificaciones es el entramado reticular

metálico. Se trata en esencia de los elementos verticales que aparecen en las

figuras 3a, 3b y 3c, combinados con una estructura horizontal. En los edificios altos ya

no se emplean muros de carga con elementos horizontales de la estructura, sino que

se utilizan generalmente muros-cortina, es decir, fachadas ligeras no portantes.La

estructura metálica más común consiste en múltiples elementos de construcción, como

se recoge en la figura 3c. Para estructuras de más de 40 plantas se emplean diversas

formas de hormigón armado, acero o mezcla de estos dos. Los elementos básicos de

la estructura metálica son los pilares verticales o pies derechos, las vigas horizontales

que abarcan la luz en su mayor distancia entre los pilares y las viguetas que cubren la

luz de distancias más cortas. La estructura se refuerza para evitar distorsiones y

posibles derrumbes debidos a pesos desiguales o fuerzas vibratorias. La estabilidad

lateral se consigue conectando entre sí los pilares, vigas y viguetas maestras, por el

soporte que proporcionan a la estructura los suelos y los muros interiores, y por las

conexiones rígidas en diagonal entre pilares y entre vigas (figura 3a). El hormigón

armado puede emplearse de un modo similar, pero en este caso se deben utilizar

muros de hormigón en lugar de riostras, para dar una mayor estabilidad lateral.

Entre las nuevas técnicas de construcción de edificios de cierta altura se encuentran la

inserción de paneles prefabricados dentro del entramado metálico, las estructuras

suspendidas o colgantes y las estructuras estáticas compuestas.

En la técnica de inserción se construye una estructura metálica con un núcleo central

que incluye escaleras de incendios, ascensores, fontanería, tuberías y cableado

eléctrico. En los huecos entre las estructuras horizontales y verticales se insertan

paneles prefabricados en forma de cajón. Éstos permitirán efectuar transformaciones

posteriores en el edificio.

En la técnica colgante (figura 3b), se construye un núcleo central vertical, y en su parte

superior se fija una fuerte estructura horizontal de cubierta. Todos los pisos a

excepción de la planta baja quedan sujetos al núcleo y a los elementos de tensión que

cuelgan de la estructura de la cubierta. Una vez terminado el núcleo central, las

plantas se van construyendo de arriba a abajo.

En la técnica de apilamiento o estructura estática compuesta (figura 3c) se colocan

paneles prefabricados en forma de cajón con la ayuda de grúas especiales, unos sobre

otros, y posteriormente se fijan entre ellos.

En edificios de más de 40 plantas el acero se considera el material más adecuado. Sin

embargo, los últimos avances en el desarrollo de nuevos tipos de hormigón compiten

con el acero. Los edificios de gran altura a menudo requieren soluciones estructurales

más elaboradas para resistir la fuerza del viento y, en ciertos países, la fuerza de

terremotos. Uno de los sistemas de estructura más habituales es el tubo exterior

estructural, empleado en la construcción del World Trade Center (411 m) en Nueva

York. En él, con pilares separados y conectados firmemente a vigas de carrera

horizontales sobre el perímetro del edificio, se consigue la fuerza suficiente para

soportar las cargas y la rigidez necesaria para reducir las desviaciones laterales. En

este caso, para el tubo estructural se empleó una mezcla de hormigón y materiales de

construcción compuestos, hechos de elementos estructurales de acero encofrados con

hormigón armado.

En los edificios de gran altura se suele utilizar una combinación de acero y hormigón

armado. La elevada relación resistencia-peso del acero es excelente para los

elementos de luz horizontal. Los hormigones de alta dureza pueden aportar de un

modo económico la resistencia a la fuerza de compresión necesaria en los elementos

verticales. Además, las propiedades de la masa interna y la humedad del hormigón

ayudan a reducir los efectos de las vibraciones, uno de los problemas más usuales en

los edificios de gran altura.

Los muros de cortina o fachadas ligeras son el tipo más frecuente de muros no

portantes, y se pueden montar a pie de obra o en origen. Son elementos cuya

superficie o piel exterior se ha tratado con material de aislamiento, barreras de vapor o

aislamientos acústicos, y una superficie interior que puede formar parte de los muros

de cortina o unirse a ellos. La capa exterior puede estar hecha de metales (acero

inoxidable, aluminio, bronce), albañilería (hormigón, ladrillo, baldosa) o vidrio. Para las

fachadas también se utiliza piedra caliza, mármol, granito y paneles de hormigón

prefabricados.

El método tradicional de construcción de las cubiertas es colocar rollos de tela asfáltica

laminada cubiertos de grava, sobre los elementos de hormigón o acero de la

estructura. También se utilizan materiales sintéticos en lugar de rollos de tela asfáltica.

Hay algunos en forma de hierba y alfombras hechas de plástico que se pueden instalar

en zonas recreativas del tejado a bajo coste.

Los métodos tradicionales de división interna de los edificios han consistido en muros

de albañilería de 10 a 15 cm de espesor de hormigón, yeso o piedra pómez, pintados o

encalados; también se han utilizado estructuras de madera o metal cubiertas con

listones de madera enyesados. El uso de cartón yeso y madera laminada está muy

extendido.

Para conseguir mayor flexibilidad dentro de los edificios se emplean sistemas

intercambiables y desmontables cuya única restricción es el espacio que queda entre

los pilares. Estas separaciones pueden estar hechas de materiales metálicos, paneles

prefabricados de cartón yeso, sistemas de cortinas plegables a modo de acordeón, o

en caso de problemas de ruidos, cortinas plegables en sentido horizontal o vertical.

Los materiales ligeros suelen tener el inconveniente de no aislar los ruidos y no

proteger adecuadamente la intimidad. No obstante las nuevas tendencias incluyen la

instalación de separaciones ligeras pero utilizando cada vez más materiales que

reduzcan y limiten el ruido. En muchos edificios los únicos muros de albañilería son los

muros contra incendios, entre los que se incluyen los huecos de ascensores, escaleras

y pasillos principales.

En muchos países se han desarrollado importantes avances en sistemas de control de

calefacción, refrigeración, ventilación, iluminación y de sonidos. En la mayoría de los

grandes edificios se ha estandarizado el aire acondicionado para todo el año. Algunas

zonas de los edificios se refrigeran incluso en invierno, dependiendo de la distancia

entre los muros exteriores y del calor que pueden generar la iluminación, los equipos

eléctricos o la actividad humana dentro del edificio. Al mejorar el nivel y la calidad de la

iluminación, el coste de los sistemas mecánicos y eléctricos en los edificios grandes ha

crecido en mayor medida que en las casas familiares. Estos costes pueden llegar a

suponer un tercio o un cuarto del coste total de la construcción.

La extensión del uso de electricidad, teléfono, equipos de transmisión por fax, circuitos

cerrados de televisión, intercomunicaciones, alarmas y sistemas de seguridad, ha

supuesto un aumento en la cantidad de cableado que se instala en los edificios. Los

cables principales se tienden verticalmente en conductos abiertos que se ramifican por

cada planta a través de los techos de las mismas o debajo de las baldosas.

La electricidad que necesitan los edificios ha aumentado a causa de los numerosos y

complejos equipos que se instalan. Para evitar las consecuencias de fallos en el

suministro se suelen instalar equipos generadores de emergencia en muchos edificios,

que en algunos casos, como en zonas alejadas, disponen de sus propios sistemas

para generar energía. Cuando se utilizan generadores diesel o de turbina de gas, el

calor que producen las máquinas puede aprovecharse para otros usos del edificio.

Los ascensores por cable, de control automático y alta velocidad, son el tipo de

transporte vertical más utilizado en edificaciones de altura. Los edificios bajos y las

plantas inferiores de los edificios comerciales suelen tener Escaleras mecánicas. En

caso de incendio debería contarse al menos con dos vías de salida de la zona principal

del edificio. Por ello, además de los ascensores y las escaleras mecánicas, todos los

edificios, incluso los más altos, deben disponer de dos escaleras protegidas a lo largo

de todo el edificio.

Los edificios deben contar con un sistema de tuberías de suministro de agua para

beber, lavado, cocinado, instalaciones sanitarias, sistemas internos de extinción de

incendios (ya sea con tuberías y mangueras fijas o por aspersores automáticos),

sistemas de aire acondicionado y calderas.

La eliminación de los desperdicios secos y húmedos en los edificios se lleva a cabo

por medio de una gran variedad de sistemas. Un método muy usual es verter los

desperdicios líquidos a tuberías conectadas a la red de alcantarillado.

Principios de ingeniería estructural en zonas sísmicas

Antecedentes

Durante tiempos históricos se tiene conocimiento de terremotos que han ocasionado

destrucción en ciudades y poblados de todos los continentes de la tierra. Un elevado

porcentaje de los centenares de miles de víctimas cobradas por los sismos, se debe al

derrumbe de construcciones hechas por el hombre; el fenómeno sismo se ha ido

transformando así en una amenaza de importancia creciente en la medida en que las

áreas urbanas han crecido y se han hecho más densas. Las soluciones constructivas

más duraderas han sido aquellas capaces de resistir las acciones externas y del uso;

entre las acciones externas, en vastas extensiones de nuestro planeta, deben incluirse

las acciones sísmicas.

Hasta hace poco, las soluciones adoptadas para resistir las acciones sísmicas se

desarrollaron esencialmente analizando los efectos de los terremotos en las

construcciones, sin el apoyo teórico de causas y características de los sismos, ni de

información cuantitativa sobre la naturaleza de los movimientos del terreno. Un

ejemplo de adaptación progresiva a las sacudidas telúricas, lo constituye las

edificaciones de la segunda capital de Guatemala, hoy mejor conocida como Antigua.

Algunas de sus edificaciones, monumentos en la actualidad, han resistido con daños

moderados las acciones de los sismos en una de las zonas más activas de Centro

América, durante varios siglos; las soluciones constructivas, con muros de 4 y 5 m de

grosor, bóvedas de 60 cm de espesor, contrafuertes, columnas de esbeltez reducida,

etc., fue el resultado de un proceso de prueba y error durante los siglos XVI, XVII y

parte del XVIII.

La incorporación y desarrollo de la Resistencia de Materiales en el proyecto de las

edificaciones facilitó la predicción cuantitativa del estado de tensiones en las

construcciones. De igual modo la aplicación de procedimientos de análisis y la

incorporación del acero en la construcción, incrementaron sensiblemente la seguridad

en las edificaciones. mediados del presente siglo, los problemas específicos de la

Ingeniería Sísmica progresivamente dejan de ser resueltos en base a observaciones y

comienza a desarrollarse una disciplina fundamentada sobre bases científicas, con un

cuerpo organizado de conocimientos, programas de investigación para entender

ciertos problemas no resueltos y una fértil interacción entre ciencias básicas de un lado

(geofísica, sismología), y la experiencia de ingenieros proyectistas y constructores por

el otro.

Capacidad de predicción

La idea prevalente sobre el vocablo predicción es el de un pronunciamiento

determinístico sobre un evento futuro de naturaleza no determinística tal como la

magnitud, sitio, día y hora de un futuro sismo. Una revisión sobre este aspecto y sus

implicaciones de prevención, permite afirmar lo siguiente:

a) No se poseen aún teorías generales en base a las cuales se puedan hacer

predicciones confiables sobre futuros sismos. De una manera general, la predicción

debe verse como una probabilidad condicional a ser revisada a medida que se produce

nueva información.1 Para ello se requiere como mínimo:

Lo dicho también es aplicable a algunos aspectos de la Ingeniería Sismorresistente. La

mayoría de los Códigos de diseño y mapas de zonificación sísmica, que en su

momento representaron la mejor predicción sobre las acciones de diseño antisísmico

se han ido ajustando en el transcurso del tiempo y es previsible que año sufran

modificaciones. Con frecuencia estos cambios están motivados, justificados y/o

aceptados, como consecuencia de los efectos constatados de un determinado

terremoto.

b) La estrategia más eficiente para limitar las pérdidas materiales, es la de proyectar y

construir utilizando racionalmente los conocimientos de la Ingeniería Sismorresistente.

c) La experiencia demuestra que una vez admitida una predicción, es posible tomar

medidas de defensa civil que reduzcan sustancialmente el riesgo de pérdidas de vidas

así como de cierto tipo de pérdidas indirectas.

A los fines de la Ingeniería Estructural interesa enfocarnos en la capacidad de

pronosticar la respuesta y el desempeño de edificaciones existentes bajo la acción de

sismos. Es decir, dada una edificación ubicada en cierto escenario sísmico, evaluar las

consecuencias de esa exposición.

El esquema operativo de los algoritmos diseñados para tal evaluación es el que se da

en el cuadro 1.

Cuadro 1.

Caracterización del escenario

sísmico

Caracterización de la edificación

expuesta

Respuesta

Vulnerabilidad a sismos

Consecuencias de la exposición

La secuencia anterior es válida, tanto para e edificaciones como para conjuntos

dispuestos en una o más localidades.

Desempeño inadecuado

En el proyecto de edificaciones que puedan quedar sometidas a acciones sísmicas, es

fundamental entender su comportamiento probable: cómo se va a deformar, cuales

son sus regiones críticas y, sobre todo, evitar fallas prematuras que limiten la reserva

resistente de la estructura.

En aquellos casos donde sea previsible que la estructura entre en el rango inelástico,

debe garantizarse una conducta dúctil.

El golpeteo entre edificaciones adyacentes ha sido la causa de daños importantes y

fallas prematuras de edificaciones de varias plantas, en especial cuando estas se

encuentran a diferente nivel.

Los grandes paños de pared de mampostería no reforzada deben evitarse, pues se ha

demostrado en múltiples ocasiones que resultan inestables durante sacudidas

sísmicas intensas. Por ejemplo, los muros de mampostería de fachada de la unidad de

reuniones del Centro Médico de México, sin refuerzos y uniones, perdieron estabilidad

con el terremoto del 19 de Septiembre de 1985.

Estrategia de las normas vigentes

A diferencia de otras sobrecargas, los sismos generan acciones dinámicas de signo

alternante; es decir, las oscilaciones de la edificación durante su respuesta,

superponen a las solicitaciones debidas a la gravedad terrestre otras de signo

alternante (pueden ser momentos flectores, fuerzas axiales o fuerzas cortantes).

Bajo la acción de sismos fuertes, de la intensidad prevista en las normas, se admiten

daños estructurales importantes. Estos pueden incluso llegar a ser tan importantes

que, sin alcanzar el estado de ruina o inestabilidad, requieran la demolición de la

edificación.

Selección del sitio

Los bordes de mesetas —excepcionales por su vista panorámica— presentan mayor

azarosidad cuando se encuentran en áreas amenazadas por sismos, especialmente

son evidentes los fenómenos de inestabilidad de sus taludes por otras acciones

naturales. Algo similar puede decirse de las zonas al pié del talud.

En algunas normas se exige la evaluación de la estabilidad del talud cuando la

edificación se encuentra en sus cercanías.

Fenómenos de licuefacción en suelos sueltos saturados son frecuentes en las riberas

de ríos. Las pilas de este puente rotaron bajo la acción de un sismo y el tablero

simplemente apoyado del lado derecho se hundió en el río.

En áreas de topografía abrupta se observa un mayor movimiento del terreno. Tal es el

caso de área del Canal Beagle, en Viña del Mar, donde un conjunto de edificaciones

nominalmente iguales ubicadas en el tope de un cerro, sufrieron daños importantes

como consecuencia del terremoto de Marzo de 1985, a diferencia de otras iguales

ubicadas al pié del cerro, que no se dañaron.

Acciones de diseño

Aceleración máxima del terreno

Las acciones sísmicas establecidas en las normas se caracterizan por la aceleración

máxima de la componente horizontal y son seleccionadas a partir de un estudio

generalizado de la amenaza sísmica. En término medio y según el país, se encuentran

asociadas a probabilidades de excedencia que oscilan entre 10% y 40% en 50 años, lo

cual representa períodos de retorno de 475 a 100 años.

De una manera general, en obras civiles muy importantes y en todas aquellas donde el

mal funcionamiento puede tener consecuencias catastróficas, es necesario alcanzar un

nivel consistente de protección contra las acciones sísmicas tanto en las edificaciones

como en las instalaciones, sistemas y componentes. Estos, además de soportar las

acciones gravitacionales previstas, deben quedar diseñados de modo tal que puedan

resistir los efectos de aquellas combinaciones de acciones cuya probabilidad de

ocurrencia simultánea no se considere remota.

Tabla 1. Criterios para la selección de los sismos de diseño (aceleración máxima de la

componente horizontal).

Objetivo de Diseño Periodo Medio

de Retorno

Criterio de Diseño

Minimizar daños menores, o la disrupción

de operación en plantas industriales

1 a 2 veces la

vida de la

Respuesta elástica

edificación

Control de daños en componentes

críticos. Estabilidad estructural

4 a 6 veces la

útil

Respuesta elástica.

Cedencia incipiente en

las zonas más

solicitadas

Estabilidad de embalsas. Interrupción de

funcionamiento de plantas nucleares.

Estabilidad de equipos en subestaciones

eléctricas de alto voltaje

De mil a 3 mil

años

Agotamiento resistente

Tabla 2. Coeficiente de importancia y períodos medios de retorno.

Ubicación

de la

localidad

Ao

(2)

Coeficiente

de

Importancia

A'o =

Ao

Probabilidad de que

A'o sea excedido (2)

en un tiempo de:

Periodo

Medio de

Retorno (3)

(años)

1 año 50

años

100

años

Zona de

peligro

sísmico

elevado(1)

1,0 0,30g 0,0021 0,100 0,190 473

0,30g 1,2 0,36g 0,0012 0,059 0,115 818

1,5 0,45g 0,0006 0,031 0,061 1597

Zona de

peligro

sísmico

modera do

(1)

1,0 0,15g 0,0021 0,101 0,192 496

0,15g 1,2 0,18g 0,0010 0,050 0,098 973

1,5 0,225g 0,0004 0,021 0,041 2374

Acción simultánea de varias componentes

De una manera general, el movimiento del terreno debido a sismos puede

descomponerse en seis componentes: tres traslaciones y tres rotaciones. Dado que la

mayoría de las edificaciones responden esencialmente a las componentes

traslacionales horizontales (X e Y), es común que las componentes rotacionales sean

ignoradas totalmente y que el efecto de la componente vertical (Z) sea despreciada;

cuando esta componente o su efecto, sea importante, es preciso incorporarlo y

considerar el efecto combinado S según la expresión:

donde S representa el efecto debido a la componente traslacional del movimiento del

terreno indicada en el subíndice.

Caracterización de las acciones de diseño

Espectros de respuesta elástica

Los espectros describen la máxima respuesta de estructuras idealizadas como un

grado de libertad, sometidas a la acción de un movimiento sísmico (acelerograma)

conocido. El procedimiento a seguir para la determinación rigurosa de los espectros se

ilustra en la Figura 4. Los espectros para el diseño (Figura 4d) se determinan a partir

de estudios estadísticos de familias de movimientos sísmicos, para osciladores con el

mismo porcentaje de amortiguamiento referido al crítico. En la Tabla 3 se dan valores

para diferentes tipos de materiales y niveles de tensiones.

Tabla 3. Valores de amortiguamiento.

Nivel de tensiones  Tipo y Condición de la

Estructura 

Porcentaje de

Amortiguamiento

Crítico (%)

Tensiones de

servicio que no

excedan un 50% de

las cadentes

a) tuberías vitales; 1 a 2

b) miembros de acero, soldados:

concreto pretensado; concreto

muy reforzado, con pequeños

2 a 3

agrietamientos;

c) concreto armado con fisuración

pronunciada

3 a 5

d) miembros de acero apernados;

estructuras de madera.

5 a 7

Tensiones a nivel

cedente o cercanos a

la cadencia

a) tuberías vitales 2 a 3

b) miembros de acero, soldados;

concreto pretensado sin pérdida

completa de la pretensión;

5 a 7

c) concreto pretensado con

pérdida la pretensión

a 10

d) concreto armado; 7 a 10

e) miembros de acero apernados:

estructuras de madera

10 a 15

De una manera general, las condiciones del subsuelo influyen en los contenidos

frecuenciales del movimiento y por tanto en la forma de los espectros. En la Figura 5

se describe en forma cualitativa cambios esperados en la aceleración máxima del

terreno y en las formas espectrales, para tres registros: un sitio cercano ubicado en

suelo firme ó roca (1), superficie de depósito aluvional (2) y un sitio alejado en el suelo

firme (3).

Espectros de diseño

Tal como se indicó en la sección de estrategias de normas vigentes, es común admitir

que la edificación pueda hacer incursiones importantes en el rango inelástico (post-

elástico). Por esta razón en el diseño se utilizan espectros de respuesta elástica a

partir de un factor de reducción que depende del factor de ductilidad D garantizando

por el sistema resistente a sismos.

VALORES TIPICOS DE D

Sistema Resistente a

sismos

Rango de valores de D

Acero bien

detallado

Concreto armado

Bien

detallado

Detallado

insuficiente

Pórticos; elementos

sometidos a la flexión

5 - 7 4 - 6 2,5 - 3,5

Pórticos y muros; dual  3 - 5 2 - 3

Pórticos diagonalizados 3 - 4 2,5 - 3,5 1,5 - 2

Muros estructurales 3 - 4 1,5 - 2

Las normas aceptan, implícita ó explícitamente, que bajo esas acciones intensas las

edificaciones comunes incursionen en el rango de deformaciones inelásticas; es decir,

daños estructurales, que pueden incluso ser de naturaleza irreparable.

De una manera general, se puede considerar que estos son los estados previos a la

condición límite de ruina o desplome; de hecho, parte importante de las pérdidas

materiales está representada por el riesgo de ruina o desplome de la edificación. Es

evidente de lo anterior, que la capacidad de predecir dicho estado límite está asociada

a una incertidumbre mayor y requiere consideración especial.

Configuración y Estructuración

La experiencia ha demostrado que la configuración de la edificación y su

estructuración juegan un papel muy importante en el diseño a solicitaciones sísmicas

intensas. Los estudios analíticos confirman las observaciones de campo según las

cuales, edificaciones irregulares dan lugar a elevadas demandas localizadas de

resistencia y/o ductilidad; esto conduce a una respuesta inadecuada, a menudo de

consecuencias catastróficas, ya que la estructura portante no alcanza a desarrollar

íntegramente su capacidad portante.

Irregularidades en planta

Plantas de configuración irregular han tenido un mal desempeño a sismos intensos.

Por ejemplo plantas triangulares, generalmente ubicadas en parcelas de la misma

forma, conducen a distribuciones de rigidez asociadas a fuertes torsiones.

Los extremos de plantas con entrantes pronunciados, con formas en U,C ó H, tienden

a responder de modo independiente al resto de la edificación creando esfuerzos

adicionales no previstos. Su corrección a posteriori es posible, tal como se ilustra en

este caso de Caracas afectado por el terremoto de 1967.

Irregularidades en elevación

Cambios bruscos en la distribución vertical de masas, resistencia o rigidez conducen a

situaciones altamente vulnerables a  sismos, como la que se ilustra. No es conveniente

disponer grandes masas aisladas en las partes superiores de edificaciones elevadas

pues durante la respuesta dinámica de la edificación son de esperar amplificaciones

importantes del movimiento. El tanque de almacenamiento de agua en el último nivel

del Centro de Oncología (PB + 7 niveles), probablemente fue el causante de fallas en

columnas; nótese que la entrada de ambulancias se encuentra obstruida.

Otras irregularidades en elevación pueden ser creadas por elementos no estructurales,

cuya interacción con la estructura portante suele ser ignorada en el modelo

matemático, tal como se constata en el edificio de 10 plantas de la figura.

Estructuración

El sistema estructural debe definir claramente alineamientos resistentes a las

solicitaciones sísmicas, cuya contribución a la capacidad portante se pueda cuantificar

de modo inequívoco. El sistema reticulado celular ilustrado, eficiente para sobrecargas

gravitacionales, da lugar a estructuras excesivamente flexibles y débiles, tal como se

evidenció en el pasado terremoto de México en 1985.

La construcción de este edificio de 25 pisos, ubicado en una zona de elevado peligro

sísmico, fue detenida por ser inadecuada se estructuración en su dimensión más larga.

Verificación de la seguridad

Como resultado de estudios de investigaciones hechas hasta el presente, es evidente

que ha aumentado el nivel de confianza en la predicción tanto de las acciones

esperadas como de la respuesta probable. Tales estudios revelan que el necesario

balance entre seguridad y economía puede lograrse a costo de un cierto riesgo,

expresado como probabilidad de excedencia de ciertos estados límites. Este aspecto

plantea la necesidad de revisar la responsabilidad por cierto tipo de daños como

consecuencia de acciones sísmicas futuras, y así se establece en las normas

modernas.

En todo caso, toda edificación y cada una de sus partes debe tener la resistencia, la

rigidez y la estabilidad necesaria para comportarse satisfactoriamente y con seguridad

de alcanzar los estados límites que puedan presentarse durante su vida útil. De una

manera formal, en la verificación de la seguridad se pueden distinguir cuatro tipos de

acciones: permanentes, variables, accidentales y extraordinarias. Estas conducen a las

siguientes situaciones de diseño:

i) situaciones permanentes ó persistentes, cuya duración es del mismo orden de la

vida útil de la estructura;

ii) situaciones variables ó transitorias, que, aún cuando son de duración menor, tienen

una elevada probabilidad de ocurrir a lo largo de la vida útil de la edificación. Es el

caso de las combinaciones de peso propio y sobrecargas de servicio extremas;

iii) situaciones accidentales, caracterizadas por su corta duración y pequeña

probabilidad de ocurrencia (sismos intensos, vientos, cambios extremos de

temperatura);

iv) situaciones extraordinarias, que pueden presentarse en casos excepcionales y dar

lugar a catástrofes (explosiones, incendios, impactos, etc.).

FUNCIONES QUE DESEMPEÑA EL INGENIERO HIDRAULICO

La elaboración de grandes estructuras como son las presas, las esclusas, los canales

navegables, los puertos, entre otros tipos de obras. Todo tipo de obras que se

relacionan con la agricultura, pues esta es una de las especialidades de la ingeniería

hidráulica, de hecho su nombre es hidráulica agrícola, en ella se realizan: sistemas de

riego y de drenaje. La creación de obras ambientales, tales como: presas filtrantes que

ayudan a controlar la erosión, defensas ribereñas y muchas más Los ingenieros hidráu

licos, tienen la función de realizar diseños, luego materializarlos y operar las obras

hidráulicas, a base de investigaciones, pues esta se apoya en gran manera de los

resultados experimentales.

Todas las teorías importantes para la ingeniería hidráulica, a su vez son sustentadas

por el uso de instrumentos matemáticos, que van modernizándose de acorde a los

tiempos; de todas maneras siempre se obtiene algún coeficiente o fórmula empírica, la

cual resulta ser la manera en que se resuelven los problemas prácticos, luego de

haberla determinado por medio de experimentos de laboratorio, de obras construidas y

de operantes.

INICIOS DE LA INGENIERIA HIDRAULICA

La ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si

se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a

utilizar y controlar el agua. Por esto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las

proximidades de los grandes ríos y basaron su economía en la agricultura.

Paulatinamente fueron utilizando el riego en sus formas primitivas.

Del año 4000 al 2000 A. C. los egipcios y los fenicios ya tenían experiencias en

problemas de agua, en la construcción de sus barcos y sus puertos. En ese tiempo,

China, India, Pakistán, Egipto y Mesopotamia iniciaron el desarrollo de los sistemas de

riego

Los chinos también experimentaron en la protección contra inundaciones, Después del

alto 500 A. C. en la Grecia antigua se construyeron acueductos y se empezaron a

desarrollar fórmulas para dichos sistemas; fue éste uno de los primeros intentos para

la elaboración de un modelo matemático.

Después, básicamente s lo se conoce la invención del molino de viento utilizado para

extraer aguas subterráneas. Ya en el siglo XVI se desarrollaron los principios de la

hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli, alrededor del año 1800 Newton,

Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.

Ingenieria Geotecnica

Los campos de la Ingeniería Geotécnica y la Ingeniería Geológica están

estrechamente relacionados, y tienen grandes áreas de traslapo. Sin embargo, la

Ingeniería Geotécnica es una especialidad de la ingeniería, mientras la Ingeniería

Geológica es una especialidad de la Geología.

Quienes son los Ingenieros Geotécnicos

Un proyecto de Ingeniería Geotécnica típico comienza con una revisión de las

necesidades del proyecto para definir las propiedades del material a trabajar. Luego

sigue una investigación in situ de suelos, rocas, la distribución de fallas y de las

propiedades del basamento, en y por debajo de un área de interés, para determinar

sus propiedades de ingeniería, incluyendo la forma en que interactúan con, en o sobre

un proyecto de construcción. Las investigaciones del sitio son necesarias para obtener

una comprensión de la zona en o sobre los que la ingeniería se llevará a cabo. Las

investigaciones pueden incluir la evaluación del riesgo para las personas, los bienes y

el medio ambiente de los peligros naturales como terremotos, deslizamientos,

hundimientos, licuefacción del suelo, los flujos de escombros y caídas de rocas.

Proyecto de Ingeniería Geotécnica

Un ingeniero geotécnico posteriormente determina y diseña el tipo de fundaciones,

movimientos de tierra, y/o sub-bases necesarias para el pavimento destinado a las

estructuras que se construirán. Las fundaciones son diseñadas y construidas para

estructuras de diversos tamaños, tales como edificios de gran altura, puentes, edificios

comerciales grandes y medianos, y estructuras más pequeñas, donde las condiciones

del suelo no permiten el diseño basado en un código.

Las fundaciones construidas para las estructuras sobre el terreno

incluyen cimentaciones superficiales y profundas. Las estructuras de contención

incluyen presas de tierra y muros de contención. Los movimientos de tierra incluyen

terraplenes, túneles, presas, diques, canales, embalses, depósitos de residuos

peligrosos y rellenos sanitarios.

Una diferencia importante entre las técnicas de la Ingeniería Civil y las prácticas de la

Ingeniería Geotécnica, es que la Ingeniería Geotécnica requiere

experiencia competente y relevante para establecer juicios adecuados, y depende

menos del diseño basado en códigos. La prioridad un ingeniero geotécnico debe ser el

reconocimiento de las diferencias en el suelo y las propiedades de las rocas, evaluar

las propiedades de ingeniería de la roca y el suelo en el sitio, y determinar el diseño

adecuado y el método de construcción, que sea a la vez rentable, duradero y seguro.

El alcance del trabajo de un ingeniero geotécnico es enorme, y con la invención de

nuevas técnicas de investigación y los nuevos materiales que apoyan el trabajo del

ingeniero geotécnico, el campo se ha vuelto aún más interesante.

En un esfuerzo por unificar en 1999, los diferentes conceptos que se venían

desarrollando alrededor de la Ingeniería Geotécnica se presentó la siguiente definición:

"La ingeniería geotécnica es la aplicación de las ciencias de la mecánica de suelos y

mecánica de rocas, la ingeniería geológica y otras disciplinas afines a los derechos

civiles de la ingeniería de la construcción, las industrias extractivas y la preservación

y mejora del medio ambiente.

La ingeniería geotécnica juega un papel clave en todos los proyectos de ingeniería

civil, ya que toda la construcción se construye sobre o en el suelo. Además, constituye

una parte importante de las industrias extractivas, tales como a cielo abierto y minas

subterráneas y minas la extracción de hidrocarburos y es esencial en la evaluación de

los riesgos naturales, tales como los terremotos y los deslizamientos de tierra.

El uso de suelo natural o de la roca hace que la ingeniería geotécnica sea diferente de

muchas otras ramas de la ingeniería: mientras que la mayoría de los ingenieros

especifican los materiales que utilizan, el ingeniero geotécnico debe utilizar el material

existente en el suelo y en general no puede controlar sus propiedades."

Los ingenieros geotécnicos deben ser competentes en la determinación de las

propiedades del suelo y roca, ingeniería mecánica, métodos y técnicas de

investigación del subsuelo de pruebas de laboratorio. Deben tener un profundo

conocimiento de los métodos de diseño, métodos de construcción, procedimientos de

inspección/supervisión, y las especificaciones y las prácticas de contratación. Los

ingenieros geotécnicos deben tener amplia experiencia práctica, en la medida en que

la práctica de la Ingeniería Geotécnica implica tanto un arte como la ciencia. Este

requisito fue claramente expresado por Karl Terzaghi, quien hizo importantes

contribuciones al desarrollo de la mecánica de suelos: "La magnitud de la diferencia

entre el comportamiento de los suelos en condiciones reales de campo y la predicción

del comportamiento sobre la base de la teoría, sólo puede ser determinada por la

experimentación de campo".

Que hacen los Ingenieros Geotécnicos

Los Ingenieros Geotécnicos interactúan con una gran cantidad de disciplinas que

requieren de su apoyo en la ejecución de obras y proyectos.

Mapa de interacción en la práctica de la Ingeniería Geotécnica (modificado de Anon,

1999)

Norbert Morgenstern en el año 2000 enfatizó que la incertidumbre es crónica, en la

práctica geotécnica y por lo tanto, el riesgo debe ser administrado. Un componente

esencial para garantizar un desempeño geotécnico, a lo largo de la amplia gama de

productos entregables, requiere que el ingeniero geotécnico mantenga una conciencia

continua y permanente de los factores que contribuyen al desarrollo de catástrofes

(fallas) e introducir esta toma de conciencia como herramienta en la gestión integral de

riesgos.

El método geotécnico no es sistemático, sino que implica intercambio de información

entre la adquisición de datos, la idealización del material y modelo, la gestión técnica

de evaluación, el juicio y el riesgo. Si bien los códigos de construcción y los métodos

de normalización de prácticas son útiles, una estandarización más penetrante del

diseño geotécnico es contraproducente. 

Triángulo de interacción de la Ingeniería Geotécnica (adaptado de Anon,

1999)

Cada aspecto es diferente e interconectado y varía de proyecto en proyecto

El método geotécnico también reconoce algunos conceptos unificadores, que pueden

ilustrarse con referencia a la matriz origen-consistencia de los materiales geotécnicos

que demuestra  la amplia gama de materiales considerados por los ingenieros

geotécnicos. La distinción entre el suelo y las rocas se basa en si el material se

desintegra o no cuando se sumerge en agua y el límite entre la roca dura y débil se

toma con la resistencia a la compresión del concreto común. Ningún límite exacto. Las

Arcillas Lutíticas son materiales de transición entre los suelos y rocas difíciles de

clasificar con precisión. La distinción de roca dura pretende dar a entender que la

resistencia de la roca intacta es generalmente demasiado alta para ser de significación

geotécnica. Sin embargo, como ocurre con frecuencia en muchos de los problemas

geotécnicos, existen importantes excepciones.

Refiriéndose a la gama de Materiales Geotécnicos, un ingeniero geotécnico puede

ser llamado a evaluar la licuefacción en una arena aluvial reciente o el diseño de un

túnel en una arcilla pizarrosa marina Cretácica, o asesorar una excavación profunda a

través de un perfil de granito erosionado. 

Los conceptos unificadores que facilitan esta amplitud de espectro profesional son los

siguientes:

1. Todos los materiales son porosos (en diversos grados) y el concepto de

esfuerzo efectivo proporciona la base fundamental para la caracterización

cuantitativa.

2. Todos los materiales (en diversos grados) dependen del esfuerzo normal, la

resistencia aumenta el esfuerzo normal, la rigidez aumenta con el esfuerzo

normal y la permeabilidad generalmente disminuye con el esfuerzo normal.

3. Todos los materiales (en diversos grados) dependen de la estructura, para

algunos, como las arcillas uniformes  homogéneas, la estructura está en una

escala que puede ser caracterizada por el proceso de muestreo y ensayo, para

otros, como una masa de roca dura diaclasada,  la discontinuidad heredada

domina el comportamiento y los efectos de escala limitan la toma de muestras y

ensayos de laboratorio.

Rango de Materiales Geotécnicos clasificados por origen, composición y

consistencia

Funciones de la Ingeniería Geotécnica

Las principales funciones de la ingeniería geotécnica son las siguientes:

Evaluación de riesgos geotécnicos, incluyendo el potencial de deslizamientos de

tierra.

Determinación de la capacidad de carga, las deformaciones de las fundaciones,

y posibles interacciones entre el suelo, cimientos y la estructura.

Evaluación de la presión de la tierra y la realización de muros de contención.

Análisis del comportamiento del terraplén.

Esfuerzos en las excavaciones, cuevas, túneles.

Realización de análisis de la respuesta de un sitio.

La investigación geotécnica es el primer paso en la aplicación de métodos científicos y

principios de ingeniería, para obtener soluciones de problemas de la Ingeniería Civil.

La identificación de los tipos de suelo y roca, la medición de los niveles de agua

subterránea, la determinación de esfuerzos en los materiales, identificando las

limitaciones geológicas; son algunos de los aspectos que un ingeniero geotécnico

necesita estudiar. Posteriormente, el diseño geotécnico entra en escena, después que

la actividad investigadora ha finalizado y se analizan debidamente los resultados de la

investigación. El criterio de desempeño factible para las obras de ingeniería, se

establece a través del proceso de diseño geotécnico.

Que se ha logrado mediante la Ingeniería Geotécnica

Muchas estructuras que fueron construidas hace siglos son monumentos de la

curiosidad, incluso hoy en día. En Egipto los templos construidos hace tres o cuatro mil

años siguen existiendo, aunque el diseño de sus cimientos no se basa en ningún

principio conocido en la actualidad. Los romanos construyeron estructuras notables de

ingeniería tales como puertos, diques, acueductos, puentes, grandes edificios públicos

y una amplia red de durables y excelentes carreteras. La torre inclinada de Pisa en

Italia que se construyó durante el siglo XIV sigue siendo un centro de atracción

turística. Muchos puentes se construyeron entre los siglos XV y XVII. Los pilotes de

madera se utilizaron para muchas de las fundaciones. 

Otra maravilla de los logros de la ingeniería es la construcción del famoso mausoleo

Taj Mahal en las afueras de la ciudad de Agra. Este fue construido en el siglo XVII por

el emperador mogol de Delhi, Shahjahan, para conmemorar su esposa favorita

Mumtaz Mahal. El mausoleo se construyó en la orilla del río Jamuna. La proximidad del

río requirió una atención especial en la construcción de la fundaciones. Se ha

reportado que pozos cilíndricos de mampostería se utilizaron para los cimientos. Esto

da crédito a los ingenieros que diseñaron y construyeron esta gran estructura que

sigue estando en buenas condiciones, incluso después de un lapso de cerca de tres

siglos.

Taj Mahal (India)

En el año 1999, la revista Engineering News Record enumeró los mejores 125

proyectos de construcción de los últimos 125 años y, a partir de 1925, es posible

seleccionar un número de ejemplos que hicieron uso intensivo de la Ingeniería

Geotécnica:

Túneles (Túnel Holland, 1927; Túnel de la cascada, 1928; Canal de la Mancha,

1994 / Túnel del Ferrocarril Seikan Túnel, 1988)

Represas (Presa Hoover, 1935; embalse de Guri, 1968; presa de Asuán, 1970;

Proyecto de Snowy Mountains, 1974; Nurek Dam, 1977, Proyecto de la Bahía

James, 1985; Proyecto de Itaipú, 1991).

Carreteras (Highway Alaska, 1942)

Proyectos de Navegación (Exclusas y represas en el río Mississippi, 1940; San

Lorenzo, 1959).

Puentes (Puente Humber, 1981; Puente del Estrecho de Northumberland,

1996).

Tuberías (Oleoducto Trans Alaska, 1977)

Estructuras Marinas u 'Offshore' (Plataforma Statford B, 1981; plataforma

Hibernia, 1997)

Trenes Subterráneos (Washington, DC, 1976)

Aeropuertos (Chek Lap Kok, 1998)

A estos monumentos de la ingeniería civil se podría añadir una lista similar de las

contribuciones geotécnicas a la minería y extracción de hidrocarburos, así como a la

mejora del medio ambiente a través de remediación del suelo.

Menos visible, pero igualmente importantes, son las contribuciones geotécnicas a la

construcción de infraestructura prácticamente todos los países del mundo.

Los túneles, la más difícil de las artes de la ingeniería civil desarrollada a partir de la

minería, fueron utilizados por primera vez por los ingenieros civiles de la época del

Canal (de la Mancha). La práctica ferroviaria está bien resumida por Simms, y el

desarrollo de los túneles escudo por Copperthwaite. Las últimas interpretaciones de la

historia del túnel del Támesis, diseñado por Marc Brunel se encuentran en las

publicaciones Civil Engineering (AM Muir Wood) y Geotechnique (Skempton y

Chrimes) de 1994.

Casos mundiales en los que hizo falta la aplicación de la Ingeniería Geotécnica

Dos de las obras de construcción de carácter monumental en el ámbito mundial donde

se hizo patética la ausencia de los postulados de la Mecánica de Suelos moderna, son

la Torre de Pisa y el canal de Panamá. La llamada Torre Inclinada de Pisa fue

comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la segunda mitad del Siglo

XIV. Con una altura de cuarenta y cinco (45) metros y un peso total de 14,500

toneladas, su cimentación anular transmite presiones al subsuelo del orden de 5

Kg/cm². Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla, su inclinación comenzó a

producirse desde la época de su construcción como consecuencia de presiones

diferenciales de los suelos afectados, observándose en la actualidad una separación

entre la vertical y el eje longitudinal de la torre de 4.90 m en su parte más alta.

Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, se desplomó en

1902 cuando su inclinación era de apenas 0.8%. Una nueva torre, existente, fue

erigida en el lugar de la antigua, con una cimentación más grande.

El primer intento por construir un canal artificial que uniese los océanos Atlántico y

Pacífico, en Panamá, fue realizado por el Ing. Francés Fernando de Lesseps, en el

1881, quien antes había llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el año

1914 que el canal de navegación solucionado por los norteamericanos mediante un

sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, después de lograr el saneamiento

de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la obra fue de 380

millones de dólares, suma superior a la estimada en el presupuesto. Se excavaron 315

millones de metros cúbicos de material, en los 82.5 Km. de longitud del canal, de los

cuales 129 millones correspondieron al corte de Gaillard. La construcción de

caracterizó por grandes deslizamientos en las formaciones denominadas "culebra" y

"cucaracha", estando constituida esta última por arenisca arcillosa estructuralmente

débil. Las fallas se siguieron produciendo años después de la inauguración del canal

provocando el cierre temporal por períodos más o menos largos. La estabilidad actual

de las laderas del Canal de Panamá plantea un problema de resistencia a largo

tiempo, donde las respuestas hay que buscarlas en la asociación de la geología y la

Mecánica de Suelos.

Dragas en el Corte Culebra (Gaillard) en el Canal de Panamá (1914)

Ciudades notorias por sus hundimientos

A nivel universal hay ciudades grandes y populosas caracterizadas por hundimientos

importantes, pudiéndose citar entre ellas a las siguientes urbes:

Ciudad de México

Venecia

Roma

Tokio

Shanghai

Bangkok

Madrás

Bombay

Ciudad de México fue fundada por los Aztecas en el año 1325, en una isla sobre el

lago de Texcoco. La parte colonial de ciudad, ubicada encima del fondo del depósito

de agua, tiene uno de los subsuelos de cimentación más críticos del mundo,

constituido por gruesos depósitos de arcillas volcánicas, lacustres, altamente

compresibles, habiéndose perforado hasta 2,000 pies de profundidad sin haber

encontrado roca. Presenta contenidos medio de humedad del orden de 200% con

valores esporádicos de hasta 600%. Existen allí capas alternadas de arena de

pequeño tamaño, consecuencia todo del origen sedimentario del área. A unos treinta y

tres (33) metros de profundidad está localizado un manto de arena densa y espesor de

más o menos cinco (5) metros en la cual está cimentada la Torre Latinoamericana, de

cuarenta y tres (43) pisos de altura, uno de los edificios más elevados construidos en

la América hispana.

El hundimiento de la ciudad es debido al secado de los antiguos lagos del Valle de

México, acrecentado por la extracción de agua del subsuelo en la medida del

crecimiento demográfico. En la Catedral se llegaron a medir velocidades de

hundimiento de hasta cuarenta (40) centímetros anuales. En los últimos tiempos se ha

logrado reducir la compresión de los suelos, controlándose la explotación de los

acuíferos de la zona urbana, sustituyéndose por fuentes alejadas de la metrópoli que

aunque subterráneas parecen pertenecer a cuencas hidráulicas independientes.

Hundimiento en Ciudad de México D.F.

Venecia, construida sobre una serie de lagunas del Mar Adriático, sufre hundimientos

estimados en 32 cm durante el presente siglo, mayores que en la centuria pasada. Las

inundaciones marinas, las actividades fabriles y la extracción de agua subterránea

parecen ser las causas más importantes del deterioro; habiendo preocupación mundial

por detener las anomalías y preservar los grandes tesoros artísticos de la ciudad,

considerados patrimonio universal. En el año de 1973 el parlamento italiano aprobó un

proyecto de obras de protección a la ciudad, con financiamiento extranjero, por 500

millones de dólares.

Entre 1955 y 1970 Roma - La Ciudad Eterna - registró un hundimiento total de treinta

(30) centímetros. Para explicar el fenómeno se ha dicho que las lluvias han ido

elevando paulatinamente el nivel de las aguas subterráneas que reblandecen el suelo

al no poder escapar hacia el río Tíber, por estar sus orillas revestidas con hormigón.

Sobre Tokio, una de las ciudades más grandes del mundo, se ha dicho que desde la

Segunda Guerra Mundial el sector oriental de la gran capital se ha hundido más de dos

(2) metros. Juzgándose que el problema tiene su origen en la explotación de los

mantos acuíferos, los japoneses han implantado leyes severas contra el uso de las

aguas subterráneas.

Shanghai, la población más extendida de China, importante puerto y centro industrial -

comercial, es otra metrópoli que experimenta problemas de descensos por la

extracción de agua del subsuelo para fines domésticos e industriales. Un informe

presentado por el Servicio Geológico de la ciudad indica que en los 44 años

transcurridos entre 1921 y 1965 el hundimiento fue de 2.63 m.

Bangkok, capital de Tailandia, tiene una velocidad de hundimiento de 7 cm/año. Las

ciudades de Madrás y Bombay en la India, también se están hundiendo aunque

lentamente.

En muchas de las supradichas ciudades, la explotación de los depósitos subterráneos

de agua, petróleo o gas, se indica como causa de los problemas de grandes

hundimientos, aunque también se ha sustentado la tesis de que los movimientos

tectónicos de los bloques o placas que constituyen la corteza terrestre tienen

responsabilidad en los fenómenos.

Cuales son los agentes de cambio

La ingeniería geotécnica es continuamente transformada por el desarrollo de las

nuevas tecnologías y la generación de nuevos problemas. El cambio es

particularmente evidente en los últimos años del siglo XX.

Cada uno tendrá una lista diferente de los avances técnicos más importantes que

afecta a la práctica geotécnica y la investigación reciente, pero los más importantes

son:

Avances modelos numéricos

Avances en instrumentación y el procesamiento de datos

Refuerzo del Suelo, incluyendo el suelo claveteado o 'soil nailing'

Avances en las técnicas de mejoramiento del suelo (inyección, compactación,

etc.)

Aplicaciones de los geosintéticos

Avances en las pruebas in-situ

Nuevas o extensamente amplificadas aplicaciones de la Ingeniería Geotécnica se han

desarrollado en los siguientes áreas:

Surgimiento de la geotecnia ambiental

Ingeniería geotécnica en regiones heladas (permafrost, hielo, escarcha)

Ingeniería geotécnica de alta temperatura (expositorios de residuos nucleares,

producción de hidrocarburos in-situ).

Aplicación a la minería (presas de relaves, lixiviación en pilas, escombreras)

Aplicaciones a la explotación de petróleo (estabilidad de pozos, compactación

de yacimientos).

Los procesos que impulsan el cambio de la Ingeniería Geotécnica en el futuro, pueden

entenderse mejor tomando como referencia el interesante trabajo de Knill (1997)

titulado "Environmental change and engineering geology: our global change".

(Proceedings International Symposium on Engineering Geology and the Environment,

International Association of Engineering Geology. Balkema, Vol. 4, in press.), que

aunque fue escrito en el contexto de los desafíos a la ingeniería geológica, puede ser

leído y entendido como relevante para el conjunto de la ingeniería geotécnica.

Knill dijo que el cambio ambiental está teniendo lugar principalmente como resultado

de dos factores: el crecimiento de la población y los cambios climáticos, las cuestiones

que inevitablemente están estrechamente relacionadas. 

Señala que la proyección más probables para el pico de crecimiento de la población a

finales del siglo XXI está en 11 mil millones de personas, aproximadamente el 90% del

aumento se encuentra en los países en desarrollo y al menos el 60% de esta población

estará viviendo en megaciudades. 

Juicio e Innovación. La herencia y el futuro de la profesión de Ingeniería

Geotécnica

Algunas estimaciones indican la necesidad de construir el equivalente de 400

grandes ciudades en los próximos 50 años. Este aumento de la población requerirá de

vivienda, alimentos, agua limpia y eliminación eficaz de desechos para un nivel básico

de subsistencia. 

Se requiere, como mínimo, una infraestructura mejorada de agricultura, transporte,

agua y suministro de energía, eliminación de residuos y control de la contaminación.

La población y su

infraestructura de apoyo tendrá que estar provista de estabilidad a través de una

protección adecuada contra las consecuencias de los desastres ambientales

provocados por el hombre, o el cambio institucional. Esta demanda creciente

de sistemas de soporte vital coincide con el cada vez mayor cambio climático, a su vez

influido, si no dominado, por la actividad del ser humano. Como resultado hemos

entrado en un período de intenso cambio ambiental global y se asocia a problemas de

gestión que influyen en el orden del día geotécnico del futuro. 

El mantenimiento de las megaciudades, la contención de los residuos y la protección

frente a eventos naturales extremos son tres ejemplos fáciles de reconocer.

Reconociendo la necesidad de centrarse más en el desarrollo sostenible, Knill ha

identificado ocho aspectos de la práctica profesional de la ingeniería geológica (leer

ingeniería geotécnica) que merecen mayor atención:

Trabajar profesionalmente y vivir de una manera que influya mínimamente sobre

el medio ambiente, reconociendo y mitigando los impactos donde se produzcan.

Hacer uso de técnicas respetuosas del medio ambiente utilizando materiales de

bajo costo, de baja calidad, e "ingeniería blanda".

Dar mayor peso a la evaluación cuantitativa de la incertidumbre y la variabilidad

en la evaluación de los procesos geológicos y las propiedades de los materiales

geológicos.

Reconocer la importancia de los procesos geológicos en el marco de tiempo, y

en relación con la causalidad a través de otros mecanismos ambientales.

Aumentar el grado en que el modelado se utiliza como una herramienta de

predicción y verificación.

Aceptar que la ingeniería geológica (leer ingeniería geotécnica) trabaja para el

beneficio de las personas, y así debe ser estrechamente relacionada con la

población afectada o beneficiada por el desarrollo.

Reconocer el papel paralelo de otras disciplinas en temas de la evaluación del

medio ambiente.

Comprender la función de regulación de la legislación ambiental, y la

formulación de políticas.

El orden del día geotécnico del futuro, estará dominado por la búsqueda de soluciones

de ingeniería a los problemas que son sensibles a las necesidades ambientales.

La ética en la Ingeniería Geotécnica

En marzo de 2004, la ISSMGE, Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e

Ingeniería Geotécnica, publicó el POLICY DOCUMENT NO. 1 - GUIDELINES FOR

PROFESSIONAL PRACTICE, en donde se establecen los lineamientos éticos para el

ejercicio de la Ingeniería Geotécnica, que se dividen en dos (2) partes: generales a los

practicantes de la geotecnia y específicos a los Ingenieros Geotécnicos.

(A) Ética Profesional General:

Los profesionales que desarrollen actividades geotécnicas deberán:

1. Superponer su responsabilidad por el bienestar, la salud y la seguridad de la

comunidad antes de su responsabilidad para con los intereses sectoriales o

privados.

2. Actuar con honor, integridad y dignidad como para merecer la confianza de la

comunidad y la profesión en general.

3. Actuar solamente dentro de las áreas de su competencia en forma diligente y

cuidadosa.

4. Aplicar sus habilidades y conocimientos en beneficio de su empleador o cliente,

sin comprometer las demás obligaciones que pueda tener para actuar de

manera ética.

5. Tomar las medidas necesarias para informarse a ellos mismos, a sus clientes y

empleadores, de las posibles consecuencias técnicas, sociales, ambientales y

de otra índole, que puedan derivarse de sus acciones.

6. Expresar opiniones, hacer declaraciones o dar testimonio, con justicia y

honestidad, y sólo sobre la base de un conocimiento adecuado.

7. Continuar desarrollando conocimiento relevante, habilidad y experiencia a

través de su carrera, y promover activamente las personas asociadas a la

profesión, a hacer lo mismo.

(B) Ética Profesional Específica:

Los Ingenieros Geotécnicos:

1. Tomarán medidas para considerar el contexto (el "cuadro completo") en el que

se desarrolla su trabajo y se esforzarán por participar en el proyecto de principio

a fin.

2. Conocerán el contexto geológico, hidrogeológico y medioambiental del proyecto

en el que están involucrados.

3. Deberán, al actuar como diseñadores, tomar todas las medidas razonables para

visitar el sitio durante la construcción y convencerse de que la construcción

cumple con la intención del diseño.

4. Deberán evitar la competencia de precios a expensas de la calidad técnica.

5. Se esforzarán por colaborar con profesionales de otras disciplinas que

participan en el mismo proyecto.

6. Se esforzarán por explicar a sus clientes, ya la comunidad en general, la

importancia de su trabajo.

7. Deberán, cuando se les solicite la revisión o la crítica del trabajo de sus colegas,

aconsejarlos como corresponde.

8. Deberán evitar innecesariamente, afirmaciones definitivas en relación con

cuestiones geotécnicas, geológicas y ambientales que son inciertas.

El progreso de la Ingeniería Geotécnica

La Ingeniería Geotécnica se ocupa del proyecto y construcción de obras en todos los

aspectos que afectan al terreno. Son clásicas actividades de la Ingeniería

Geotécnica: el proyecto de las cimentaciones de estructuras, el diseño y construcción

de túneles, el estudio de la estabilidad de laderas, cortes y terraplenes, el proyecto de

muros y excavaciones y el análisis de las condiciones de estabilidad de presas. Su

vinculación con la Mecánica es primordial porque en las actividades citadas se debe

encontrar la respuesta del terreno frente a acciones que, casi siempre, suponen un

cambio en el estado tensional o de las presiones de fluidos del terreno. Esa ligazón

con las tensiones y deformaciones le dará su perfil característico, que la hace diferente

de otras áreas del conocimiento que se ocupan del medio geológico. En el mismo

núcleo de la  Ingeniería Geotécnica  se encuentra, por tanto, la Mecánica, que se

especializa en Mecánica de Suelos y Mecánica de Rocas, las dos disciplinas

científicas que proporcionan bases fundamentales para el desarrollo técnico.

La actividad geotécnica es muy antigua, como lo ha sido la construcción de obras,

estructuras y monumentos. Nunca ha sido una consideración disuasoria el desconocer

en profundidad las bases mecánicas teóricas del comportamiento de los materiales

geológicos o los modelos matemáticos que pudieran “representar” la obra en cuestión.

Un ejemplo notorio es la construcción de túneles, que había alcanzado un desarrollo

muy notable antes de que se acuñaran incluso los términos Mecánica de Suelos y

Mecánica de Rocas, o de que se celebraran formalmente los primeros congresos

internacionales sobre estas teorías emergentes (en 1936, en Harvard, en el caso de la

Mecánica de Suelos, y en 1966, en Lisboa, en el caso de la Mecánica de Rocas). Los

puentes y las catedrales se han cimentado, las presas y carreteras se han construido,

los canales se han excavado con independencia del desarrollo de los principios que

rigen el comportamiento mecánico de suelos y rocas. Por ello, las reglas técnicas,

siempre inspiradas en la experiencia acumulada, son más antiguas que los

desarrollos teóricos que las avalan.

Tradicionalmente, como ha sido también la forma de proceder en los proyectos de

obras y estructuras en general, el proyecto geotécnico debía cumplir dos requisitos

fundamentales:

1. asegurar la estabilidad de la obra, y

2. conseguir que las deformaciones o movimientos en servicio fueran aceptables.

La primera condición lleva de forma natural al estudio de las condiciones de rotura.

Asegurar la estabilidad significa situar lo proyectado suficientemente lejos del colapso

y esa distancia a la rotura se concreta en el concepto de Factor de Seguridad. La

segunda condición requiere el conocimiento de la “rigidez” del terreno frente a las

cargas y otros cambios en el estado inicial del suelo como consecuencia de la

realización del proyecto. En ambos casos deben desarrollarse herramientas de

predicción.

Desde la perspectiva del comportamiento de los materiales geológicos, las dos

condiciones citadas llevan a investigar, por un lado, la resistencia del terreno, y por el

otro, su deformabilidad. Esta dicotomía se recoge claramente en los libros de texto

clásicos.

A diferencia de otras disciplinas de la ingeniería civil, que normalmente se ocupan de

materiales cuyas propiedades están bien definidas, la Ingeniería Geotécnica se refiere

a los materiales del subsuelo, cuyas propiedades, en general, no se puede especificar.

Los Pioneros o Precursores de la Ingeniería Geotécnica se basaron en el "punto de

vista observacional" para desarrollar una comprensión del suelo y la mecánica de

rocas, y el comportamiento de los materiales de suelo en condiciones de carga. Este

enfoque ha sido reforzado por la llegada de la instrumentación electrónica de campo,

la amplia disponibilidad de potentes ordenadores personales, y el desarrollo de

sofisticadas técnicas numéricas. Todo esto hace posible determinar hoy día, con

mayor precisión la naturaleza no homogénea, no lineal, anisotrópico y el

comportamiento de los materiales de suelo para su aplicación en obras de ingeniería.

Algunas distinciones importantes

El suelo es utilizado como material de construcción en diversos proyectos de ingeniería

civil, y es compatible con bases estructurales. Por lo tanto, los Ingenieros Civiles

deben estudiar las propiedades del suelo, tales como su origen, la distribución de

tamaño de grano, la capacidad para drenar el agua, compresión, resistencia al corte, y

la capacidad de carga.

La Mecánica de Suelos es la rama de la ciencia que se ocupa del estudio de las

propiedades físicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelo sometidas a

diversos tipos de esfuerzos.

La Mecánica de Suelo es un campo importante de la Ingeniería Geotécnica, en el que

el suelo se analiza antes de iniciar cualquier construcción, a fin de asegurar su

idoneidad para soportar la carga de las estructuras deseadas. El suelo normalmente

consta de partículas de piedra, mientras que el agua y el aire se encuentran en los

espacios vacíos. Su conocimiento es esencial, para determinar las características de

ingeniería de los suelos, que están influenciados por el tamaño de las partículas de

roca, la forma de las partículas minerales, la distribución de tamaños de grano, y la

cantidad de minerales, el aire y el agua en el suelo. Las propiedades de ingeniería de

los suelos, generalmente consideradas para llevar a cabo el análisis de las condiciones

del sitio y el diseño de las estructuras son: peso unitario, peso específico seco, el peso

específico saturado, porosidad y permeabilidad. Varias pruebas de laboratorio se

llevan a cabo, para determinar la idoneidad de los suelos, incluyendo los ensayos de

permeabilidad, la compactación del suelo, la densidad relativa y contenido de

humedad.

La Ingeniería de Suelos es la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a

los problemas prácticos. 

La Ingeniería Geotécnica es la especialidad de la ingeniería civil que

implica materiales naturales que se encuentran cerca de la superficie de la tierra. Se

incluye la aplicación de los principios de mecánica de suelos y mecánica de rocas para

el diseño de las fundaciones, estructuras de contención, y las estructuras de tierra. La

Ingeniería Geotécnica es la ciencia de la ingeniería de la selección, diseño y

construcción de características construidas de o sobre suelos y rocas. Las

cimentaciones superficiales, fundaciones profundas, estructuras de contención de

tierras, el suelo y terraplenes de roca y los cortes son todas las áreas de especialidad

de la Ingeniería Geotécnica.

La Ingeniería de Fundaciones es el arte de seleccionar, diseñar y construir obras de

ingeniería para los sistemas estructurales de apoyo, basado en principios científicos

del suelo e ingeniería mecánica y las teorías de interacción suelo-estructura, y la

incorporación de experiencia acumulada con las aplicaciones de este tipo.

La evaluación de las fundaciones es un elemento importante en relación con el diseño

de estructuras, ya que las cargas de los edificios se transmiten al suelo a través de los

cimientos, y estos deben ser lo suficientemente fuertes para soportar las cargas

aplicadas. Las propiedades de los suelos y las capas de roca en el sitio, también

influyen en el diseño de las cimentaciones. Apoyo de la fundación se ve afectado por la

capacidad de carga, asentamiento y movimiento del suelo debajo de los cimientos. La

capacidad portante del terreno es la capacidad del suelo para soportar las cargas de

un edificio o estructura, y se debe determinar cuidadosamente para garantizar la

seguridad de este. Los asentamientos se producen por debajo de casi todas las

fundaciones, a pesar de que las estructuras aporten cargas menores, pueden

experimentar asentamientos insignificantes. Cuando las estructuras son muy pesadas

o los suelos de fundación son blandos, los asentamientos pueden ser de gran

preocupación. El asentamiento que ocurre durante un período de tiempo, puede tener

consecuencias importantes. Todos estos aspectos deben ser considerados al

momento de llevar a cabo el diseño de cimentaciones.

Los geosintéticos han surgido como una solución fiable para los problemas de la

ingeniería civil. Sus propiedades características como resistencia al agua y la

naturaleza polimérica, los hacen adecuados para resistir el drenaje del agua,

proporcionando el refuerzo, la contención estructural, etc. Geofoam, revestimientos

geosintéticos de arcilla, geoceldas, celdas de infiltración, y geotextiles, son algunos de

los productos más utilizados en obras de ingeniería civil en todo el mundo.

Conclusión

En conclusión el estudiante de ingeniería civil debe tener curiosidad de detenerse en

las obras de construcción para observar los procesos constructivos para irse

empapando en lo que será su ejercicio profesional.

Todo buen profesional de la ingeniería estructural debe poseer sólidos conocimientos

sobre los materiales usados en las obras, esto unido al buen juicio y la virtud de poder

balancear correctamente la estética, las formas estructurales, las técnicas

constructivas.

El reto futuro de la ingeniería estructural consistirá en la determinación de las

propiedades básicas de los materiales de construcción tradicional y el desarrollo de

nuevos materiales más económicos, más livianos y más duraderos. Esto se hará

considerando la estructura molecular de los cuerpos y otros métodos sofisticados de

medición.

El campo de la ingeniería estructural esta estrechamente ligado a la comparación

sistemática de los resultados de los modelos analíticos con los experimentales

sometidos a los efectos de los efectos naturales como eventos meteorológicos y

sismológicos.

La ingeniería sísmica debe llamar nuestra atención ya que nuestro país se encuentra

dentro de la zona insular sísmica que abarca todo el caribe y Centroamérica. La

ingeniería sísmica tiene entre otras las siguientes funciones:

Identificar las áreas en las cuales se considere más probable la ocurrencia de

un sismo importante, en un plazo corto de tiempo;

Seleccionar los parámetros o indicadores que resulten más confiables.

Contar con los medios adecuados para medirlos u observarlos

sistemáticamente durante lapsos de tiempo que suelen ser de varios años.

Que las estructuras no sufran daños bajo la acción de sismos menores.

Que las estructuras resistan sismos moderados, con algunos daños

económicamente reparables en elementos no estructurales

Que las estructuras resistan sismos intensos sin colapsar, aunque con daños

estructurales importantes.