¿Qué es la seguridad estructural?

La seguridad estructural es la condición en la que una estructura funciona con el rendimiento esperado. Una definición más técnica y precisa es la de Leonhardt y Monning, que definen el concepto como referido a la capacidad de la estructura para resistir acciones y esfuerzos con la holgura adecuada [1].

Esta definición elaborada por los autores, que son una referencia en los estudios de estructuras de hormigón armado, es interesante porque presenta dos de los conceptos más relevantes para el tema: capacidad (o resistencia) y solicitud (o acción).

Capacidad: resistencia, rendimiento y durabilidad

La capacidad de una estructura se refiere generalmente a su resistencia mecánica, es decir, al esfuerzo máximo que la estructura es capaz de soportar. Además, cuando el contexto en cuestión es el de la resistencia, también hay que tener en cuenta el rendimiento en función de la finalidad estructural.

Por ejemplo, para que una determinada losa soporte un equipo mecánico de alta precisión, además de resistir los esfuerzos empleados por el objeto en funcionamiento, también es necesario comprobar que los desplazamientos que se producen en la estructura son compatibles con las tolerancias asociadas a la precisión de la máquina en cuestión.

A partir de esta evaluación, se verifica la capacidad potencial de conservación de una estructura a lo largo de su vida útil, es decir, su durabilidad. En este análisis se tienen en cuenta fenómenos como la acción de agentes corrosivos y la agresividad del entorno.

Tensiones: uso previsto, vida útil y fases de la vida de una estructura

En resumen, las peticiones consisten en todo aquello que requiere una respuesta por parte de la estructura:

• Cargas gravitatorias: el peso propio de la estructura y el peso de lo que se apoya sobre ella;
• Acciones influidas por el entorno: sol, viento, lluvia, variaciones de temperatura, etc;
• Acciones derivadas del uso de la estructura: sobrecargas de uso, acumulación de materiales, cargas dinámicas, etc;
• Acciones extraordinarias (que pueden producirse o no): impacto causado por un vehículo que colisiona con un pilar del viaducto, por ejemplo.

Naturalmente, las tensiones dependen del uso previsto de la estructura. Un viaducto, por ejemplo, está sometido a tensiones diferentes que un edificio de procesos industriales.

Además, la vida útil prevista de cada estructura también es un factor a tener en cuenta. Por ejemplo, la vida útil de un puente está directamente relacionada con el número de vehículos que pasarán sobre él. Este número es también uno de los parámetros relevantes para su diseño basado en el criterio de resistencia a la fatiga, que se utiliza para estructuras especiales de ingeniería.

En este sentido, una vez determinadas la capacidad admisible de la estructura y las tensiones que actúan sobre ella, se comparan estas magnitudes, como se muestra en la figura 1.

 

Figura 1: Comparación entre cantidades. FUENTE: Colección Kot.

Así, cuando los valores admisibles son superiores a los valores de tensión, es correcto afirmar que la estructura o el equipo son aptos para el funcionamiento. En caso contrario, se requieren modificaciones o refuerzos.

Metodologías de evaluación de la seguridad estructural

A partir de este concepto de seguridad estructural, queda por aclarar cómo se lleva a cabo el proceso. Como tal, existen diferentes metodologías para evaluar la seguridad estructural, y en este artículo se presentan los dos métodos más utilizados en las últimas décadas.

Método de la tensión admisible (ASD)

En primer lugar, el método de las tensiones admisibles, conocido como diseño de tensiones admis ibles (ASD), es el más antiguo y sus principales ventajas son su sencillez y rapidez. Tradicionalmente, todas las tensiones previstas se consideran simultáneamente con su valor esperado -conocido como valor nominal-, aunque pueden utilizarse diferentes consideraciones en función del escenario específico.

A continuación se realiza el análisis estructural y se obtienen las tensiones, que se comparan con los valores admisibles, que consisten en la tensión de resistencia del material reducida por un factor de seguridad global preestablecido. El factor de seguridad viene definido por las normas técnicas y su valor se establece a partir de la experiencia de los ingenieros que componen los comités de normalización.

Por tanto, puede decirse que el principal inconveniente del método ASD es su metodología basada en la experiencia, ya que el riesgo de errores asociado no se conoce científicamente. En consecuencia, este método ha caído en desuso y actualmente no está adoptado por las principales normas técnicas internacionales del sector de la ingeniería estructural.

Método del Estado Límite (LRFD)

Este método, conocido como el método de los factores parciales o Load and Resistance Factor Design (LRFD), tiene como principal ventaja la aplicación de la teoría de probabilidades para definir los valores de los esfuerzos y las resistencias [3].

A diferencia del ASD, el LRFD no utiliza un factor de seguridad global. En su lugar, se aplican factores para aumentar las cargas y reducir las resistencias. Estos factores, conocidos como factores parciales, se definen estadísticamente con el fin de obtener una probabilidad de fallo ya conocida, teniendo en cuenta los siguientes aspectos [2]:

• La posibilidad de que una acción sea mayor de lo esperado;
• Posibilidad de que se produzcan varias acciones simultáneamente;
• La posibilidad de que la resistencia del material sea inferior a la esperada;
• Incertidumbres relacionadas con los efectos de las acciones, las propiedades geométricas de la estructura y las características específicas del material.

Esta probabilidad de fallo varía en función del conjunto de normas utilizadas. En Brasil, por ejemplo, la norma ABNT NBR 6118:2014 para estructuras de hormigón armado establece que:

"A efectos de esta norma, se considera resistencia característica inferior (del hormigón) el valor que sólo tiene un 5% de probabilidad de no alcanzarse (...)."

En otras palabras, aunque se apliquen los factores de reducción de la resistencia, la resistencia del material será inferior al valor de cálculo en el 5% de los casos, como muestra el gráfico de la figura 2. El mismo razonamiento se aplica a las tensiones: aumentarán, pero es posible que se supere su valor de cálculo.

Además, es importante destacar que el método en cuestión se guía por estados límite, que se definen, según la norma brasileña ABNT NBR 8681:2003, como:

"Estados desde los que la estructura funciona inadecuadamente para los fines de la construcción".

En otras palabras, son condiciones no deseadas que deben evitarse al diseñar la estructura, que se dividen en 2 (dos) grupos: estados límite últimos (ELU) y estados límite de servicio (ELS), como se ilustra en la figura 3 a continuación.

Estados límite últimos (ULS)

En relación con la resistencia, cuando se detecta un ULS, la estructura o parte de ella debe paralizarse. En consecuencia, cada conjunto de normas define, en general, el ULS que debe ser verificado en una estructura. En Brasil, este aspecto vuelve a estar cubierto por la norma ABNT NBR 8681:2003, que presenta los siguientes ULS de evaluación obligatoria:

• Movimiento de cuerpo rígido: cuando una estructura se mueve en su conjunto. Es más habitual durante la fase de construcción de la estructura;
• Rotura: cuando un componente estructural tiene menos resistencia mecánica de la necesaria;
• Dinámica: cuando la respuesta dinámica lleva a la estructura a la inestabilidad;
• Pandeo: cuando la estructura se vuelve inestable debido a su deformación, aunque aún no se haya alcanzado la rotura.

Estados límite de servicio (SLS)

En relación con el rendimiento y la durabilidad de la estructura, cuando se detecta un ELS, la estructura no cumple los objetivos para los que fue construida. Aunque no indica un fallo inminente, la aparición de una ELS se caracteriza como una no conformidad.

La norma ABNT NBR 8681:2003 establece que las ELS se caracterizan por:

• Vibración excesiva o incómoda: movimientos repetitivos que dificultan y/o imposibilitan la permanencia de una persona en la estructura;
• Desplazamientos excesivos: desplazamientos que pueden poner en peligro el uso de la estructura. Por ejemplo, una losa que se ha deformado y ha empezado a acumular agua en la zona;
• Daños menores: deformaciones que causan daños menores pero que no comprometen la estructura, como grietas en las esquinas de las ventanas.

Interpretación y evaluación de los resultados

Aunque introductorios, los conceptos tratados en este artículo ayudan en la interpretación y evaluación básica de los resultados obtenidos en las comprobaciones estructurales. Por lo tanto, al igual que ocurre con las memorias de cálculo y los informes técnicos, es importante seguir algunos pasos a la hora de evaluar estos resultados:

• Identifique qué metodología se ha utilizado para evaluar la seguridad estructural.

Es importante saber qué normativa y qué metodología se utilizan. En la mayoría de los países (como Brasil, Europa, Australia y Estados Unidos), la metodología actual es el Método del Estado Límite. Sin embargo, algunos sectores de la industria siguen utilizando el Método de la Tensión Admisible para activos específicos.

• Determinar si se han evaluado todos los estados límite pertinentes.

Es sumamente importante comprobar que los componentes estructurales pueden soportar el proceso de construcción. Las piezas de acero o de hormigón armado, por ejemplo, pueden levantarse durante la construcción y esta operación puede suponer una condición crítica para estos componentes, como se muestra en la figura 4.

Además, la estructura también debe evaluarse en condiciones de mantenimiento. En puentes y viaductos, por ejemplo, son de gran importancia, ya que estas estructuras cuentan con dispositivos especiales en las zonas de apoyo y su mantenimiento puede requerir su suspensión mediante cilindros hidráulicos.

Además, los posibles estados límite también dependen de la naturaleza de la tensión. Por ejemplo, en una conexión de base sometida únicamente a esfuerzos de tracción, deben evaluarse todos los modos de fallo asociados [9], pero no es necesario comprobar los modos de fallo relacionados con el cizallamiento de la conexión.

• Evaluación de los factores de seguridad utilizados.

Si la metodología adoptada es la de las tensiones admisibles (TEA), se utiliza un factor de seguridad global, cuyo valor puede haberse establecido por norma o por buena práctica de ingeniería. Cabe destacar que es importante evaluar si el factor de seguridad adoptado es compatible con el modo de fallo y la tensión actuante.

Cuando el método de verificación se basa en los estados límite últimos, existen factores parciales que aumentan las cargas y factores parciales que reducen la resistencia, definidos por normas basadas en metodologías bien definidas.

En Brasil, los factores de acción parcial están disponibles en la norma ABNT NBR 8681:2003, mientras que los factores de reducción de resistencia parcial se obtienen de la norma que regula el tipo de estructura en cuestión. Para estructuras de acero, por ejemplo, se debe consultar la norma ABNT NBR 8800:2008; para estructuras convencionales de hormigón armado, la norma ABNT NBR 6118:2014; mientras que para el diseño de estructuras de madera, la norma a consultar es la ABNT NBR 7190:2022.

Además, es importante evaluar la coherencia de las combinaciones de acciones utilizadas, especialmente cuando se aplica la metodología de los estados límite. Para el ULS, el tipo de combinación adoptada (normal, especial, de construcción o excepcional) debe ser compatible con el modo de fallo considerado y las acciones implicadas. En otras palabras, si se está evaluando el fallo de un componente estructural durante su uso, no tiene sentido incluir la sobrecarga de construcción en la combinación de acciones, ya que esta carga sólo está prevista durante la fase de construcción de la estructura.

Del mismo modo, la evaluación de los SLS debe ser coherente con los criterios de rendimiento y durabilidad que se evalúen. La comprobación de los desplazamientos excesivos, por ejemplo, debe realizarse teniendo en cuenta las posibles incidencias de carga sobre la estructura durante una gran parte del tiempo, y no sólo en escenarios ocasionales.

• Evaluación de los valores utilizados en las acciones solicitantes.

Como ya hemos visto, la fuerza de resistencia es sólo uno de los factores de la ecuación del proceso de verificación estructural, y los valores adoptados para las acciones portantes son igualmente importantes.

En este sentido, es necesario evaluar si los valores utilizados son coherentes con los esperados, así como investigar si el resultado de las solicitudes combinadas está en el orden de magnitud esperado.

Estas comprobaciones han cobrado cada vez más relevancia con la difusión de los programas informáticos de diseño estructural. Estos programas suelen dar prioridad a la productividad y hacer suposiciones que antes no se tenían en cuenta para evitar la intervención del usuario. Por otro lado, estos programas reducen la aparición de errores en la definición de los valores de resistencia. En consecuencia, es frecuente que la divergencia entre análisis independientes radique en las consideraciones relativas a las acciones actuantes.

• ¿Qué significa no conformidad estructural? ¿Se derrumbará la estructura si no es conforme? ¿Puedo mantener mi estructura/equipo así?

Cuando se produce una no conformidad, el riesgo de fallo es mayor de lo deseado. A modo de ejemplo, en la figura 5 se destacan como puntos y zonas en rojo las no conformidades estructurales de un equipo, que representan tensiones superiores a las admisibles según la evaluación estructural realizada.

En una verificación ASD, esto equivaldría a un factor de seguridad global inferior al recomendado. En una verificación del estado límite, esta información indicaría que la probabilidad de fallo es superior a la máxima especificada por la norma. En este sentido, en relación con el método LRFD, puede observarse en el gráfico destacado en la figura 6 que el cuantil preestablecido para la acción (factor de aumento) tiene un valor superior al adoptado para la resistencia (factor de disminución).

Por lo tanto, aunque la estructura no se haya derrumbado, el control de seguridad normativo puede indicar incumplimiento porque, según la norma, el riesgo de derrumbe es superior al deseado. En otras palabras, si una estructura no es conforme, aunque ello no haya dado lugar a un colapso estructural, es necesario intervenir en la estructura para reducir el riesgo de fallo.

Conclusión

A la vista de los conceptos y metodologías presentados en este artículo, la importancia de la seguridad estructural se hace aún más evidente para la protección de bienes y estructuras, así como para la seguridad y el bienestar de todas las personas implicadas.

Además, al comprender las metodologías, aplicaciones e interpretaciones de este tipo de análisis, la toma de decisiones se hace aún más asertiva, obteniendo resultados satisfactorios en términos de calidad, seguridad y productividad.

 

Bibliografía y referencias recomendadas

1. LEONHARDT, Fritz, MÖNNIG, Eduard. Construcciones de Hormigón: Vol. 1. 1ª Edición, Editoria Interciência, 1977.
2. CHOO, Ban Seng. Advanced Concrete Technology, Science Direct, 2003.
3. VAUGHAN, S., FERREIRA, C.B. Numerical Modelling of Wave Energy Converters, Science Direct, 2016.
4. CARVALHO, Roberto Chust, FIGUEIREDO FILHO, Jasson Rodrigues. Cálculo y detallado de estructuras comunes de hormigón armado: Vol1. 4ª Edición, Editorial EDUFSCAR, 2014.
5. ASOCIACIÓN BRASILEÑA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8681 - Acciones y seguridad en estructuras - Procedimiento, 2003.
6. ASOCIACIÓN BRASILEÑA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118 - Proyecto y ejecución de obras de hormigón armado, 2014.
7. ASOCIACIÓN BRASILEÑA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800 - Proyecto de estructuras metálicas y estructuras mixtas de acero y hormigón, 2008.
8. ASOCIACIÓN BRASILEÑA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7190 - Proyecto de estructuras de madera, 2022.
9. INSTITUTO AMERICANO DEL HORMIGÓN, Comité 318. Requisito del código de construcción para el hormigón estructural, 2019.

 

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