I N T R O D U C C I Ó N A L O S T I P O S E S T R U C T U R A L E S

Cátedra: Ing. José María Canciani

Tema: LA ARQUITECTURA Y LA ESTRUCTURA

Ing. José María Canciani

Arqa. Cecil ia Cei

IngAlejandro Albanese

Ing. Carlos Salomone

Arq. Ricardo Varela

Arq. Walter Cerantonio

Año Académico: 2011

LA ARQUITECTURA Y LA ESTRUCTURA EL PROYECTAR, AUNQUE SÓLO SEAN ESTRUCTURAS, SI BIEN TIENE MUCHO DE CIENCIA Y DE TÉCNICA, TIENE

MUCHO MÁS DE ARTE, DE SENTIDO COMÚN, DE DELECTACIÓN EN EL OFICIO DE IMAGINAR LA TRAZA

OPORTUNA, A LA QUE EL CÁLCULO SOLO AÑADIRÁ LOS ÚLTIMOS TOQUES, CON EL ESPALDARAZO DE SU

GARANTÍA ESTÁTICA RESISTENTE

Eduardo Torroja

Arquitectos, Arquitectura y Estructura.

Arquitecto: es el profesional apto para diseñar, programar dirigir y construir edificios necesarios para albergar las actividades del hombre en sociedad, satisfaciendo las necesidades y aspiraciones que esta demanda. Nuestro espacio arquitectónico es construido, es decir no está dado en la naturaleza aún cuando se instale y use porciones de ella. Lo construimos con materiales a los cuales se les da una forma para poder vivir dentro de ella.

Casa en Calamuchita- Miguel Ángel Roca- año 2004

Y nunca debemos olvidar que, la construcción es el que caracteriza una espacio para que sea arquitectónico: SI NO ESTÁ CONSTRUÍDO NO ES UN EDIFICIO. Dado el tamaño de esta forma espacial se debe tener en cuenta la estabilidad de la construcción, es decir, la capacidad de no desmoronarse frente a las diferentes circunstancias que enfrentará a lo largo de su vida útil. Para que ello sea así, existe una parte de la construcción, inseparable del resto, que denominamos estructura que debe cumplir esta función resistente.

Más específicamente, la estructura es un conjunto de elementos, integrados a la construcción que deben transmitir las diferentes acciones al terreno natural en forma estable y segura, durante toda su vida útil, con buenas condiciones de funcionalidad y servicio. Es decir, la estructura se compone de diferentes elementos que pueden ser lineales como las vigas o columnas

, superficiales como las losas o tabiques o incluso volumétricos

que pueden tener sólo funciones estructurales o pueden cumplir alguna otra función como es el caso de los muros portantes que son cerramientos y transmiten cargas. Estos elementos no pueden pensarse independientemente del resto del edificio. Una columna no puede pasar por el medio de un corredor o sus dimensiones impedir que se ubiquen las ventanas, etc. Cuando decimos que la estructura debe transmitir acciones, queremos decir que no sólo debe soportar su propio peso o el de toda la construcción o las personas y muebles que se incorporen a ella. También debe soportar cargas ambientales como puede ser el viento. También otros efectos naturales que se dan principalmente en ciertas zonas como son los movimientos sísmicos o la nieve. Y también otras menos evidentes como las variaciones de temperatura o acomodamientos del terreno. Ya dijimos que la estructura debe garantizar que la construcción no se desmorone por efecto de las cargas pero no nos conformamos con eso. Por una parte, debemos tener un margen de seguridad ya que no podemos diseñar un elemento que ante su mayor exigencia se destruya. Por otra parte, incorporamos materiales de los que no estamos del todo seguros, etc. Es decir, para que la estructura nos brinde suficiente seguridad debemos diseñarla capaz de absorber acciones mucho mayores que las que puedan tener lugar a lo largo de los años. También le exigimos que nos provea de buenas condiciones de servicio. Esto significa que una estructura, por ejemplo, no se deforma en una forma tal que me destruya el marco de una ventana. Tampoco que posea vibraciones que provoquen inquietud o falta de confort a quienes ocupan un edificio. Para ello, más allá de que la estructura resista con suficiente seguridad las acciones que soporte, deben controlarse las deformaciones en las estructuras. Otro aspecto que hay que tomar en cuenta que la estructura tiene un costo. Y en este sentido, también debemos buscar las soluciones más económicas disponibles.

Relacionado con esto último hay un último aspecto que tiene que ver con la construcción sustentable. Siempre debemos aprovechar los materiales más accesibles en la zona que estemos llevando adelante una obra. Tengamos presente que uno de los factores que más afectan el medio ambiente, y que también son costosos económicamente hablando, son los transportes.

Casa en Mar de las Pampas- Fatuoso y Leyton- 2004

Un poco de historia

La estructura es y ha sido siempre un componente esencial de la arquitectura. Ya se tratara de construir un simple refugio para sí y su familia, ya de cerrar espacios donde centenares de seres pudieran rendir culto a su divinidad, comerciar, discutir problemas políticos o entretenerse, el hombre ha tenido que dar forma a ciertos

materiales a fin de que su arquitectura se mantuviera en pie resistiendo la atracción de la tierra y otras cargas peligrosas. Era imprescindible resistir el viento, las descargas atmosféricas, los terremotos y los incendios. Y como desde los primeros tiempos de su existencia el hombre tuvo un sentido innato de la belleza, toda la construcción se concibió conforme a ciertos postulados estéticos que no pocas veces impusieron a la estructuras exigencias mucho más estrictas que las de resistencia y economía. La estructura y los conocimientos estructurales se integraron a esta tarea y podemos reconocer diferentes etapas .

En la antigüedad y en la edad media la experiencia unida al mecanismo de prueba y error permitió obtener procedimientos seguros de construcción de estructuras para edificios. Si bien, eran secretos celosamente guardados por los gremios de constructores se comprendía como viajaban las cargas hasta el terreno, se entendía que los muros portantes requerían contrafuertes para soportar cargas horizontales, incluso se hincaban pilotes de madera en terrenos que se consideraban poco sustentables. Sin embargo, se carecían de conocimientos relativos a la resistencia de esos materiales por lo cual las dimensiones de los elementos o bien eran insuficientes y se producían derrumbes o eran excesivas lo que atentaba contra la economía de las obras. En la edad moderna se producen dos hechos que van a transformar por completo el las

construcciones desde el punto de vista estructural y van a dar lugar a la aparición de una especialidad: el diseño estructural. La primera fue la denominada Revolución Científica que se puede ubicar entre el siglo XVII y el siglo XVIII. La segunda, La Revolución Industrial, particularmente desde la introducción del ferrocarril que tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XIX y que permitió disponer de nuevos materiales, lo que, a su vez, impuso mejoras a la teoría estructural. También tendríamos que agregar otro adelanto trascendental que tuvo lugar en las últimas décadas y cuyo proceso estamos viviendo en la actualidad: la generalización del uso de computadoras para el diseño y cálculo de estructuras. La Revolución Científica Entre fines del siglo XVII y durante el siglo XVIII, se produjo un salto trascendental en los conocimientos sobre el funcionamiento del mundo físico a partir de la observación, la experimentación y el razonamiento. Entre sus muchos aportes, la Revolución Científica implicó la utilización de la matemática para la resolución de los problemas planteados por la física. Entre estos problemas aparecerían la estática cuyo origen se vincula a la figura de Isaac Newton (1643-1727) y la resistencia de los materiales cuyos nombres se asocian a nombres que les serán familiares a medida que avancen en el mundo de las estructuras como Robert Hooke (1635-1703), Daniel Bernouilli (1700-1782) o Leonhardt Euler (1707-1783).

Isaac Newton

Estos avances en la física y en la matemática brindaron la posibilidad de que se pudiera prever el comportamiento de las estructuras sobre papel o experimentando en modelos y maquetas para evitar desagradables sorpresas y permitir ajustar mejor la forma y las dimensiones de los elementos estructurales. La Revolución Industrial A fines del siglo XVIII, se produciría otro avance enorme en la historia de la humanidad al introducirse la máquina de vapor en los procesos productivos. Esta máquina y sus sucesoras (los motores a explosión y los motores Diesel) transforman combustible en energía mecánica lo que permite que funcionen en forma casi continua con independencia de la ubicación geográfica o las condiciones ambientales.1

La Revolución Industrial tuvo dos etapas, la primera que va desde 1780 a 1830, vinculada a la industria textil y la segunda que se inicia en 1830, relacionada con la aparición del ferrocarril. La primera, si bien implicó un salto trascendental con la introducción de la máquina de vapor, tuvo avances tecnológicos pequeños que no desarrollaron otras actividades productivas asociadas. Con el ferrocarril la situación fue distinta. En este caso los avances tecnológicos fueron importantes y se expandieron a otras industrias como la de la construcción. En particular, llevó a un gran avance de la industria siderúrgica (acero). La necesidad de fabricar locomotoras y rieles para vías permitió mejorar la forma de obtención y la calidad del acero y, como el proceso era parecido, aparecieron los perfiles estructurales de acero, elementos lineales que podían incorporarse a las construcciones.

1 Anteriormente se utilizaron otro tipo de máquinas que utilizaban otro tipo de energía como la animal que era

muy limitada o la hidráulica que requería trasladar el taller al costado de un curso de agua.

Cristal Palace, construido en Londres en1851.

Una de las primeras construcciones con estructura metálica.

A finales del siglo XIX y como consecuencia de este proceso de industrialización aparecería otro material que le disputaría al acero la preeminencia como material estructural al acero: el hormigón armado. El hormigón armado es un material compuesto por una mezcla cerámica de cemento Pórtland, arena y pequeñas piedras con barras de acero. La aparición de estos materiales y las posibilidades dio un gran impulso a la teoría de las estructuras. Por ejemplo, en 1902 apareció en Alemania el primer desarrollo de cálculo del hormigón armado2 cuya teoría fue desarrollándose a todo lo largo del siglo XX y aún continúa en el siglo XXI. Este brutal desarrollo de la teoría tuvo un impacto fue tal que implicó que una especialidad se separara del tronco de los constructores: los estructuralistas. Arquitectos y Estructuralistas Hasta la segunda mitad del siglo XIX, los materiales estructurales asociados a la construcción eran esencialmente la madera, la piedra y los ladrillos. Los dos primeros son productos naturales con una mínima elaboración mientras que los últimos, son de manufactura sumamente sencilla. Si bien, son materiales que aún se utilizan no permiten grandes libertades en cuanto a su diseño. Los muros portantes sean de piedra o de ladrillos no permiten grandes luces ni grandes alturas. La situación cambió profundamente

2 Fue elaborado por el Prof. E. Mörsch por encargo de la firma Waiss y Freytag.

con el acero y el hormigón armado. Más todavía, estos materiales permitieron que prácticamente se pudiera hacer una estructura con elementos de estos materiales prescindiendo de los muros lo que dio gran libertad de diseño. Esta relativa independencia de la estructura respecto de las construcciones y el desarrollo de métodos de cálculo y diseño cada vez más complejos, implicó que los estructuralistas (muchas veces asociados a la profesión del ingeniero civil), se separara de los arquitectos. Si bien siempre hubo arquitectos con mejores conocimientos estructurales que otros no era concebible que un arquitecto le encargara a otra persona que verificara si su edificio era seguro. Hoy día en cambio se considera normal que un arquitecto le encargue a un especialista el diseño y dimensionamiento de la estructura de su obra. Sin embargo, pensemos que esto no es gratuito y a tal fin vale la reflexión del Prof. Aurelio Muttoni en el libro El arte de las estructuras’, Universidad de Lausana, 2006.

“Para el ingeniero, lo que era necesario al comienzo de esta nueva era, que

permitió una extraordinaria evolución creativa demostró, sin embargo, sus límites

en el tiempo. El análisis estructural y el cálculo se han vuelto siempre más

precisos y detallados, el dimensionamiento presionado hasta el límite ha permitido

estructuras siempre osadas y eficaces, pero todo desgraciadamente se produjo en

detrimento de la concepción estructural, con un lento e inexorable

empobrecimiento de la composición creativa. Para el arquitecto también la

separación de las disciplinas ha traído desventajas. La dificultad siempre creciente

de entender el funcionamiento de las estructuras ha representado ciertamente un

empobrecimiento. Se intentado en estas últimas décadas remediar esta situación.

La solución no es por cierto retornar al pasado. La separación de profesiones,

nacida de una real necesidad, debe ser considerada como irreversible. Para

resolver los problemas cada vez más complejos a los cuales estamos

enfrentados, el único camino a seguir consiste en un diálogo y una colaboración

entre las diversas figuras profesionales. Para saber colaborar y poder proyectar en

conjunto, es indispensable tener intereses comunes, utilizar el mismo lenguaje y

sobre todo comprenderse recíprocamente…”

Edificio Chrysler . William Van Allen 1930

Hotel Burj- el Arab- Dubai Torres Petronas Cesar Pelli

Banco de China- Pei

El arquitecto y el conocimiento estructural Retomando lo volcado en el texto anterior, surge la pregunta acerca de qué tipo de conocimiento estructural debe poseer un arquitecto que debe proyectar y materializar una obra. Con respecto al diseño, hay que tomar en cuenta que para la arquitectura moderna la estructura no es un hecho vergonzoso que debe ser ocultado y disimulado dentro de muros y revoques. La estructura es una parte inseparable de toda obra y puede ponerse a la vista sin que ello atente contra la estética de un proyecto. Nada más alejado de la idea de que la estructura es un condicionante molesto de todo proyecto de arquitectura, un límite a la creatividad del arquitecto. La estructura forma parte del proyecto y debe ser un aliado, no un enemigo de un buen proyecto arquitectónico. Pero, para que ello sea posible también es cierto que un buen diseño arquitectónico toma en cuenta la estructura resistente desde sus inicios y requiere que el arquitecto tenga bastante claro las posibilidades que se le ofrecen para poder integrarla en forma creativa. Hay que desterrar la idea de que un proyecto se elabora sin tomar en cuenta la existencia de la estructura y después se llama a un especialista que le inserta una estructura que violente lo menos posible a un proyecto completamente elaborado. A este respecto se

señala que es llamativo como muchos arquitectos que proclaman adherir a los preceptos de la arquitectura moderna tienen ideas tan conservadoras respecto de la estructura. Pero también es cierto que para que un arquitecto que encara un proyecto tome en cuenta a la estructura y la incorpore creativamente a este proyecto debe poseer una serie de conocimientos y destrezas mínimas. Conocimientos sobre posibilidades de los materiales y las tipologías y también destrezas relativas al cálculo que le permitan considerar cargas, estimar secciones, etc. Y estos conocimientos no se reemplazan con recetas que, mal aplicadas, dan una falsa sensación de seguridad y generan grandes sinsabores. Además, como un arquitecto no sólo es un proyectista sino que también debe ser capaz de materializar las obras que proyecta, controlando su ejecución, los conocimientos estructurales adquieren mucha importancia. Un arquitecto al dirigir una obra debe controlar también la ejecución de los elementos estructurales para lo cual debe no sólo ser capaz de comprender cabalmente la documentación que le envía el estructuralista, también debe tener la suficiente sensibilidad como para consultar en caso de notar algún posible error. Para ello inevitablemente debe tener conocimientos estructurales. Recordemos que quien dirige una obra tiene amplia responsabilidad sobre la seguridad de la misma. En caso de ruina es responsable primario, solidariamente con la empresa constructora, el propietario, el estructuralista y el ensayista de suelos. En tales condiciones toma muchos riesgos al ignorar por completo un proyecto estructural del cual debe ser responsable en alguna medida. No se nos escapa que la enseñanza de las estructuras para los estudiantes de arquitectura presenta una serie de cuestiones de difícil abordaje. La propia orientación de la carrera apunta al diseño, lo que lleva a que pocos estudiantes demuestren interés en la asignaturas de contenido tecnológico o que planteen problemas matemáticos como es el caso de la materia estructuras. Entonces ¿es posible facilitar al arquitecto la comprensión y adquisición de los

conocimientos estructurales necesarios para poder resolver problemas técnicos y de construcción? ¿es posible tal cosa sin un estudio exhaustivo de matemática superior, física y economía?.....En otras palabras ¿es posible que una persona inteligente sin un estudio profundo de las ciencias físicas y matemáticas comprenda los fundamentos del comportamiento estructural? Las respuestas a las preguntas que anteceden son afirmativas si se establece una clara distinción entre la comprensión de los conceptos estructurales básicos y el conocimiento cabal del análisis estructural. Estructuras e intuición: Es evidente que sólo el estudio serio de la matemática y de las ciencias físicas permitirá a un proyectista analizar una estructura compleja con el grado de perfeccionamiento exigido por la tecnología moderna. Máxime aquellas resoluciones que vienen presentadas como largas planillas de salidas de computadora. Pero las estructuras que nacen de un buen proyecto no presentan un alto nivel de complejidad ni son de difícil resolución y pueden ser abordadas sin dificultad por los arquitectos que se orientan en esa dirección, si tienen la suficiente formación. Además, quien tiene concepto sobre estructura puede realizar verificaciones relativamente sencillas que le permitan detectar alguna irregularidad. Es evidente también que una vez establecidos los principios básicos del análisis estructural, no hace falta un especialista para comprenderlos sobre una base puramente física. Todos estamos en cierto grado, familiarizados con estructuras en nuestra vida cotidiana: sabemos a qué ángulo debemos colocar una escalera de mano para que soporte nuestro peso, sabemos si la cuerda es suficientemente fuerte para izar un balde con agua, y si el viento hará volar la carpa levantada en la playa. Es un paso relativamente fácil capitalizar estas experiencias, sistematizar ese conocimiento y llegar a comprender el cómo y el porqué del comportamiento de una estructura moderna y eso intentaremos hacer al final de este curso. Con los conceptos básicos muy bien asentados, se está en condiciones de avanzar sobre

los puntos más sutiles de la teoría de las estructuras. Esto permite al profesional aplicar con libertad pero también con inteligencia una gran cantidad de nuevas ideas y métodos constructivos.

Tenerife Concert Hall S. Calatrava

Turning Torso S. Calatrava

Debido a los avances mencionados, en la actualidad es posible idear, dimensionar y construir estructuras sumamente creativas, y por eso el arquitecto se ve menos limitado por las dificultades técnicas. El arquitecto contemporáneo medio puede aspirar en el campo de las estructuras a realizaciones mayores que las que eran posibles hace sólo un siglo a profesionales de excepción pero esas realizaciones son fruto no solamente de la tecnología, sino de la experiencia adquirida por el profesional. Intentaremos entonces introducir a los alumnos en el campo de las estructuras sin recurrir a un conocimiento matemático sofisticado. Esto no quiere decir que trataremos a las estructuras de manera elemental, incompleta o simplificada: algunos conceptos estructurales presentados serán simples y directos, otros, más complejos; sin embargo el alumno podrá captarlos y reconocerlos en situaciones arquitectónicas generales, sobre una base de la intuición y el razonamiento. Y, en este sentido, daremos preeminencia a los métodos gráficos que permiten desarrollar una lectura más visual del funcionamiento

de una cierta estructura que, a primera vista, parece bastante compleja. Este mejor conocimiento del comportamiento de las estructuras conducirá al estudiante interesado a una mejor comprensión de los puntos más delicados del diseño estructural. Y para aquellos que piensan que la estructura de un edificio es algo tan complejo que debemos recurrir a especialistas les dedicamos esta frase: LA INGENIERÍA ESTRUCTURAL ES EL ARTE DE UTILIZAR MATERIALES QUE NO CONOCEMOS DEL TODO, DE MANERA QUE RESISTAN FUERZAS QUE NO PODEMOS EVALUAR DEL TODO, Y QUE LOS MISMOS DEN UN SERVICIO A LA SOCIEDAD A TRAVÉS DE NUESTRAS ESTRUCTURAS, DURANTE UN TIEMPO QUE NO PODEMOS PREDECIR DEL TODO. TODO ESTO DE MANERA TAL QUE LA SOCIEDAD TENGA PLENA CONFIANZA EN NUESTRO TRABAJO Y NINGUNA RAZÓN PARA SOSPECHAR LA EXTENSIÓN DE NUESTRO RECELO E IGNORANCIA. BIENVENIDOS!!! Cát. Ing. Canciani

BIBLIOGRAFÍA BÁSICA RAZÓN Y SER DE LOS TIPOS ESTRUCTURALES Eduardo Torroja QUÉ ES LA ARQUITECTURA Horacio J. Pando ESTRUCTURAS PARA ARQUITECTOS Salvadori y Séller L’ART DES STRUCTURES Aurelio Muttoni

INTRODUCCIÓN A LOS TIPOS ESTRUCTURALES Cát. Ing. José Mª Canciani

Trabajo Práctico nº 1 – El arquitecto, la arquitectura y la estructura

1. Defina la Arquitectura y el rol del arquitecto 2. Defina qué es la estructura y sus partes constituyentes. Busque ejemplos de

elementos lineales, superficiales y volumétricos.

3. Qué requerimientos debe cumplir una estructura bien diseñada 4. ¿Cómo se construían estructuras en la antigüedad en la edad media. Busque

ejemplos de obras de esos períodos indicando materiales y resoluciones estructurales?.

5. ¿Que fue la Revolución Científica y que implicancia tuvo párale desarrollo del

diseño estructural?

6. ¿Qué fue la Revolución Industrial y que implicancia tuvo para el desarrollo del diseño estructural?

7. ¿Cuñando surge la especialidad estructural dentro de las construcciones? Esbozar algún comentario sobre el texto de Aurelio Muttoni.

8. ¿Debe el arquitecto dominar la teoría estructural? ¿Por qué?

9. ¿Cuáles son las responsabilidades de los arquitectos con respecto a la seguridad estructural?