Cabe destacar que cuando se habla de diseño último se refiere al diseño a nivel de la sección de un elemento. No debe confundirse con el método de análisis plástico, que permite justamente evaluar cuál es el mecanismo y carga de falla o colapso (parcial o total) de una estructura; este método permite determinar el factor de seguridad global entendido como el cuociente entre la carga de colapso y la carga de trabajo (Sección 3.3.3). A su vez, debe tenerse presente que cuando se alcanza la capacidad última de una sección no significa que falle o colapse el elemento en cuestión; por ejemplo, en una viga de acero se puede alcanzar su capacidad máxima en flexión, o momento plástico, en una sección, y la viga puede seguir recibiendo más carga por su capacidad para redistribuir esfuerzos. En conclusión, deben reconocerse diferentes niveles o tipos de "estados límite” en el comportamiento de una estructura como los que aquí se han referido: alcanzar la tensión máxima o característica de un material en una sección de un elemento, alcanzar la capacidad última de una sección de un elemento, alcanzar la carga de colapso de un elemento, alcanzar la carga de colapso de la estructura completa.
Por otra parte, cabe también señalar que es usual hoy en día diseñar al límite las secciones de los elementos de una estructura, pero la obtención de los esfuerzos internos se realiza por medio de un análisis elástico de la estructura, es decir, ignorando el efecto benéfico de la redistribución de esfuerzos internos que tiene lugar debido al comportamiento inelástico. Ciertamente es una inconsistencia, sin embargo, se acepta porque los métodos de análisis en el rango de comportamiento inelástico no se encuentran aún suficientemente desarrollados para su uso rutinario.
1.1.4 Normas de Cálculo y Diseño de Estructuras
En el ejercicio profesional es usual seguir las normas. Las normas establecen los requisitos mínimos que deben cumplir las estructuras y provienen de las fuentes siguientes:
• Estudios teóricos: Conjunto de disposiciones o resultados obtenidos sobre la base de una teoría (modelo matemático) del fenómeno físico en cuestión, y que han sido verificados con resultados experimentales. Es importante conocer las hipótesis en que se basan estos estudios teóricos, para poder extrapolarlos a otras condiciones con un grado de seguridad aceptable.
• Evidencias experimentales: Resultados empíricos para estudiar fenómenos muy complicados para ser modelados y analizados teóricamente. Estos estudios conducen a fórmulas que deben usarse con cautela pues no deben extrapolarse a situaciones que sobrepasan el marco de validez de los resultados experimentales.
En este texto se presentarán varios casos de fórmulas empíricas, como por ejemplo aquellas utilizadas para evaluar la resistencia al esfuerzo de corte del hormigón en función de su resistencia a la compresión. Similarmente ocurre con otras propiedades del hormigón como su módulo de elasticidad, el que puede correlacionarse con su peso específico y resistencia a la compresión mediante la formula empírica:
en que w es el peso específico del hormigón, que debe utilizarse en unidades de kg/m3 y fc’ es la resistencia a la compresión, que debe usarse en kg/cm2, resultando Ec en kg/cm2. Esta condición para las unidades es típica de relaciones empíricas, ya que, como puede apreciarse en la Ec. 1-38, las unidades no son consistentes entre el primer y el segundo miembro. En efecto, si se cambian las unidades, la constante 0,1365 cambia; si se usan unidades inglesas (código ACI 318-95) la fórmula se expresa como:
con w en lb/pie3 y fc’ en lb/pulg2. Como ejercicio se propone comprobar que las Ecs. 1-38 y 1-39 son equivalentes.
Estas fórmulas, como otras basadas en evidencia empírica se derivan por medio de análisis de regresión (no-lineal en el caso de las Ecs. 1-38 y 1-39) de los resultados experimentales. Claramente los coeficientes de los parámetros w y fc’ en las ecuaciones anteriores no provienen de la aplicación de un principio físico.
• Práctica profesional: Gran parte del conocimiento en ingeniería se debe a lo que se ha hecho en el pasado con buenos resultados. Esto representa el “arte” de la profesión comparada con la ciencia incorporada por los estudios teóricos y las evidencias experimentales. En este sentido, la experiencia a nivel local es particularmente valiosa, ya que conjuga parámetros autóctonos como las características de los materiales, la calidad de la mano de obra, y el grado de inspección de la construcción, entre otros, los que deben tenerse presente al utilizar o adaptar normas extranjeras basadas en otras realidades.
Los códigos son una ayuda para el ingeniero. Sus disposiciones no se pueden seguir ciegamente, sino que es preciso entender el porqué de ellas para poder aplicarlas correctamente, ya que usualmente se han derivado para las situaciones más comunes que no son extrapolables a cualquier caso. A su vez, como se ha mencionado, los códigos se refieren a los requisitos mínimos que deben cumplirse, quedando el ingeniero estructural llamado a utilizar su criterio para discernir cuando dichas disposiciones pudiesen ser insuficientes. Este curso tratará de entregar algunos de estos “porqué”, es decir, los conceptos fundamentales, los cuales deberán ser complementados posteriormente en los cursos de diseño específico.
Los códigos se renuevan a medida que el conocimiento avanza. Sin embargo, es necesario señalar que existen muchas áreas de la ingeniería estructural donde no existen códigos, y el ingeniero debe apelar sólo a sus conocimientos de teoría básica para resolver los problemas que se presenten. Por ello, el ingeniero estructural hace uso frecuente de la literatura técnica especializada, donde se presentan soluciones más sofisticadas de problemas resueltos hoy en forma aproximada.
Ya se ha mencionado antes la norma de diseño de elementos estructurales para edificios de hormigón armado. Similarmente existen normas para otros materiales: la norma AISC para el diseño de elementos de acero, la norma AASHTO para el diseño de puentes, las normas chilenas de diseño de albañilerías, NCh1928.Of93 para albañilería armada y NCh2123.Of97 para albañilería confinada, la norma chilena NCh1198.Of91 de cálculo de construcciones de madera, la norma chilena NCh433.Of96 para el diseño sísmico de edificios, y otras que se mencionarán oportunamente.
1.1.5 Normas de Cargas
Además de las normas de diseño para distintos materiales existen normas de cargas para solicitaciones típicas a utilizarse en el diseño de estructuras en general. Se mencionan en esta sección tres normas chilenas: la NCh1537.Of86 que especifica las cargas permanentes y sobrecargas de uso para el diseño de edificios, la NCh431.Of77 que especifica las sobrecargas de nieve, y la NCh432.0f71 que especifica las acciones del viento sobre las construcciones. Por cierto estas normas pueden complementarse con normas extranjeras para cubrir aspectos no considerados en ellas, aunque teniendo la precaución de utilizarlas con criterio para adaptarlas a las condiciones naturales nacionales.
De particular relevancia por nuestra condición de país sísmico es la norma de diseño NCh433.Of96 antes mencionada, la que incluye las solicitaciones a utilizarse para el diseño sísmico de edificios, que se basan en las características propias del fenómeno tectónico que da origen a los terremotos en Chile y a la información de sismicidad histórica en el país en términos de la frecuencia de ocurrencia de los eventos, su magnitud y su distribución espacial.
El tema del diseño sísmico escapa al objetivo de este curso introductorio por lo que prácticamente no haremos mayores referencias a él, salvo para destacar, en algunos casos, propiedades de los materiales que son beneficiosas desde el punto de vista del comportamiento de las estructuras frente a un terremoto. Sólo para dar un indicio de la problemática de diseño sísmico, señalemos que la situación real a que se ve afectada una estructura durante un terremoto puede evaluarse analíticamente considerando su respuesta frente al movimiento de su base representado