PARTE XXXV · Ingeniería, materiales y diseño de sistemas
393
Estructuras: conducir cargas y conservar estabilidad
La forma de sostener no basta: también importan el camino de carga, el tiempo y el fallo
En este capítulo
Un puente puede soportar el peso de varios vehículos y, sin embargo, necesitar una intervención urgente por una grieta pequeña, una vibración inesperada o una socavación bajo un apoyo. Un edificio puede resistir una tormenta y tener un problema distinto cuando se retira un muro, se instala una carga nueva o se corroe una conexión. La estructura no es solo el conjunto de materiales visibles: es el camino por el que las acciones llegan a los apoyos, la forma en que se deforma, la estabilidad que conserva y la evidencia con la que se decide si sigue siendo segura.
Una estructura organiza elementos y uniones para conducir cargas y limitar desplazamientos. La carga puede ser peso propio, uso, viento, agua, nieve, sismo, temperatura, asentamiento, impacto o una acción de construcción y mantenimiento. El comportamiento depende de geometría, material, conexiones, apoyos, suelo, tiempo y estado de conservación. Un mismo elemento puede trabajar a tracción en una situación, a compresión en otra y en combinación de flexión, cortante y torsión en una tercera.
Este capítulo empieza con fuerzas, esfuerzos y deformaciones; después distingue tracción, compresión, flexión y torsión. Compara vigas, arcos, entramados y sistemas que distribuyen cargas de maneras diferentes. Examina estabilidad, pandeo, fatiga y propagación de fallos, antes de cerrar con puentes, edificios y márgenes de seguridad. El capítulo 392 relaciona estructura del material con propiedades y uso; aquí se estudia la estructura a escala de elementos y sistemas sin sustituir aquella explicación. El capítulo 394 tratará máquinas y motores; las cargas dinámicas aparecen aquí solo para entender una estructura, no para diseñar una transmisión o un motor.
393.1. Fuerzas, esfuerzos y deformaciones#
Una fuerza es una interacción capaz de cambiar el movimiento o deformar un cuerpo. En una estructura interesa su magnitud, dirección, punto de aplicación, duración y combinación con otras acciones. El peso propio actúa de manera distribuida; una persona o vehículo puede concentrar una carga; el viento cambia con altura y turbulencia; un sismo induce aceleraciones y fuerzas inerciales; una variación térmica puede producir esfuerzos aunque no exista una carga externa visible. La primera pregunta de diseño es qué acciones son plausibles en la vida real, no cuál resulta más cómoda en el cálculo.
El equilibrio estático exige que las fuerzas y momentos resultantes sean compatibles con los apoyos. Si el camino de carga está interrumpido, una pieza puede parecer robusta y aun así no transferir la acción al terreno. Un apoyo articulado, uno empotrado y uno que permite desplazamiento responden de formas distintas; representar todos como un punto fijo inventa restricciones y esfuerzos que quizá no existen. El terreno también se deforma: una cimentación puede repartir cargas y, al mismo tiempo, asentarse de manera desigual.
El esfuerzo describe cómo se distribuye internamente una fuerza sobre una sección. El esfuerzo normal aparece cuando una carga actúa perpendicularmente a la sección; el cortante, cuando actúa de manera tangencial. Una misma resultante puede producir distribuciones diferentes según la geometría, la conexión y la línea de acción. La deformación describe cambio de longitud, ángulo o forma. La relación entre esfuerzo y deformación depende del material, la temperatura, la velocidad, la historia de carga y el estado de daño.
En el régimen elástico, retirar la carga permite recuperar aproximadamente la forma; en el plástico, parte de la deformación permanece. «Elástico» no significa indestructible: muchos ciclos pequeños pueden producir fatiga, y una concentración de tensión puede iniciar una grieta antes de que el conjunto parezca deformado. El módulo elástico relaciona, dentro de un rango, tensión y deformación; no determina por sí solo resistencia, tenacidad, corrosión, soldabilidad ni comportamiento a largo plazo. Esa distinción evita escoger un material por una cifra aislada.
La rigidez limita desplazamientos y vibraciones; la resistencia limita estados de fallo; la estabilidad evita configuraciones que pierden capacidad; la durabilidad conserva esas propiedades con el tiempo. Una viga puede ser resistente y demasiado flexible para un cerramiento, un suelo o un equipo sensible. Un edificio puede no colapsar y sufrir daños que impidan uso o reparación. Los estados de servicio y los estados últimos responden a preguntas distintas y ambos importan.
Las acciones se combinan con incertidumbre. La carga de uso no es siempre máxima, el viento cambia, el suelo se conoce con datos incompletos y las propiedades del material varían. Los códigos no son una garantía automática: establecen modelos, combinaciones, límites y responsabilidades dentro de un ámbito. ASCE/SEI 7-22 especifica cargas mínimas y criterios asociados para edificios y otras estructuras en Estados Unidos, incluidos viento, nieve, sismo, inundación y fuego. Los Eurocódigos ofrecen un marco europeo para seguridad, servicio, durabilidad, ejecución y situaciones excepcionales, con anexos nacionales que importan.
La medición aporta evidencia, no certeza absoluta. Una flecha observada puede deberse a deformación elástica, asentamiento, temperatura, error de referencia o daño. Una grieta puede ser superficial o indicar una trayectoria estructural; su significado depende de ubicación, orientación, evolución y mecanismo. La observación debe separarse de la inferencia y la recomendación: «apareció una grieta junto al apoyo» es dato; «el apoyo perdió capacidad» es hipótesis; «cerrar el puente» es decisión de seguridad que requiere evaluación competente y contexto.
393.2. Tracción, compresión, flexión y torsión#
La tracción estira un elemento y tiende a separar sus secciones. Un tirante, una barra de una cercha o un cable puede ser eficiente cuando su geometría mantiene la carga alineada. Las conexiones, agujeros, roscas, soldaduras y cambios de sección concentran esfuerzos. Un cable no resiste compresión y necesita anclajes que transmitan su fuerza; una barra diseñada para tracción puede pandear si una carga inesperada la pone en compresión. El modo de carga no es una etiqueta fija del elemento, sino una consecuencia de la configuración y la acción.
La compresión acorta un elemento y puede producir aplastamiento, fisuración, fluencia o pandeo. Una columna muy robusta y corta puede fallar por resistencia del material; una esbelta puede perder estabilidad antes de alcanzar esa resistencia. La carga debe introducirse sin excentricidades no previstas, y las uniones deben transferirla a través de superficies y conectores adecuados. En mampostería, hormigón, madera o acero, la misma palabra «compresión» implica mecanismos y detalles diferentes.
La flexión combina tracción y compresión a través de una sección. Una viga que se curva tiene una zona que se acorta y otra que se alarga, con una región intermedia donde el esfuerzo normal cambia de signo. La geometría de la sección distribuye material respecto del eje de flexión; la altura puede aumentar rigidez, pero añade peso, viento, conexiones y problemas de transporte. El cortante suele ser importante cerca de apoyos y cargas concentradas. Una comprobación que solo mira el momento máximo puede omitir una falla de alma, apoyo o conexión.
La torsión retuerce un elemento alrededor de su eje. Puede aparecer en un eje, una viga con carga excéntrica, un marco irregular o una acción de viento. Produce esfuerzos tangenciales y puede combinarse con flexión y cortante. Las secciones cerradas y las abiertas transmiten torsión de manera distinta; las conexiones pueden introducir alabeo y concentraciones. Una estructura no «sabe» que el diseñador pretendía una carga pura: las excentricidades y deformaciones crean combinaciones.
La relación carga-deformación depende del camino. Una placa puede repartir una carga hacia varias vigas; un diafragma puede llevarla a muros; una unión rígida puede transferir momento; una articulación puede liberar parte de esa acción y exigir otro arriostramiento. Si una conexión se afloja o un elemento se corroe, el sistema redistribuye carga solo si posee rutas alternativas. La redundancia puede limitar consecuencias, pero también ocultar daño hasta que varias rutas se pierdan.
La concentración de esfuerzos aparece en agujeros, esquinas agudas, soldaduras, cambios de espesor, apoyos, corrosión y defectos. Su efecto depende del material, la escala, la carga repetida y la orientación. Suavizar una transición, distribuir una conexión o reforzar una zona puede reducir el máximo, pero añadir una placa sin entender el camino de carga puede crear una rigidez local que desplaza el esfuerzo a otro lugar. Toda intervención estructural requiere analizar antes y después.
La temperatura y el tiempo cambian la respuesta. Un elemento restringido que intenta expandirse genera esfuerzo; un incendio puede reducir rigidez y resistencia; la humedad puede hinchar madera o degradar una conexión; la fluencia puede aumentar deformación bajo carga sostenida; la relajación puede reducir una fuerza de pretensado. El material descrito en el capítulo 392 aporta estas propiedades, pero su uso estructural exige combinarlas con geometría, ambiente y mantenimiento.
393.3. Vigas, arcos, entramados y sistemas estructurales#
Una viga conduce cargas transversales mediante flexión y cortante hacia apoyos. Una losa puede trabajar en una dirección o distribuir carga en dos; una viga continua puede redistribuir momentos, pero sus apoyos y asentamientos adquieren importancia. El modelo de una viga aislada ayuda a entender la ruta, no sustituye el comportamiento de una losa, conexión, tabique, revestimiento o cimentación. Cambiar un apoyo o abrir un hueco modifica el sistema completo.
Un arco conduce principalmente compresión siguiendo una trayectoria curva. Su forma puede reducir flexión bajo una carga prevista, pero genera empujes horizontales en los apoyos. Si estos se desplazan, la geometría y los esfuerzos cambian. Un arco no es simplemente una viga curvada: su estabilidad, construcción, juntas, relleno y cimentación son diferentes. Una carga asimétrica, un asentamiento o una abertura puede introducir flexión que el modelo ideal no mostraba.
Un entramado o cercha organiza barras conectadas para que muchas trabajen principalmente a tracción o compresión. La eficiencia depende de nudos, arriostramiento, pandeo de barras comprimidas, estabilidad fuera del plano y transferencia de cargas reales. Una barra que se ha calculado como axial puede recibir flexión por rigidez de la unión o excentricidad. La inspección debe considerar nudos y arriostramientos, no solo el elemento que parece más largo o delgado.
Los sistemas de pórticos, muros, diafragmas, cables, membranas y cimentaciones distribuyen acciones verticales y laterales. Un edificio necesita caminos para gravedad, viento, sismo y acciones accidentales; un puente añade tránsito, frenado, temperatura, agua, viento y, según el caso, interacción con el terreno. Un sistema lateral discontinuo o una planta irregular puede concentrar demanda. La forma arquitectónica no es enemiga de la estructura, pero sus decisiones deben coordinarse con apoyos, juntas, instalaciones, fuego, mantenimiento y evacuación.
Las uniones hacen posible o bloquean la redistribución. Atornillar, soldar, remachar, pegar, apoyar o empotrar no son verbos equivalentes. Una unión puede transmitir fuerza, cortante, momento o torsión; puede permitir giro, deslizamiento o expansión; puede diseñarse para fallar de manera dúctil antes que un elemento frágil. El comportamiento real depende de ejecución, inspección, corrosión, pretensión, contacto y tolerancias. Un sistema calculado con uniones ideales pierde significado si el detalle no puede construirse o mantenerse.
La robustez es la capacidad de limitar consecuencias desproporcionadas cuando se pierde un elemento o aparece una acción no prevista. Redundancia, continuidad, compartimentación, rutas alternativas, conexiones dúctiles y barreras pueden contribuir, pero ninguna solución sirve en todos los sistemas. Añadir continuidad puede transmitir una acción accidental a más elementos; aumentar redundancia puede ocultar daño o dificultar inspección. La robustez debe relacionarse con escenarios creíbles y con la capacidad de detectar y aislar el daño.
El suelo completa el sistema. La cimentación transmite cargas, controla asentamientos y resiste deslizamiento, vuelco y levantamiento según la condición. Una superestructura bien calculada puede fallar funcionalmente si el terreno se erosiona, licua, se expande, se contrae o se asienta de forma diferencial. La familia Eurocode del JRC separa bases de diseño, acciones, materiales, geotecnia y sismo para mostrar que el sistema requiere varias disciplinas coordinadas.
393.4. Estabilidad, fatiga y propagación de fallos#
La estabilidad es la capacidad de conservar una configuración cercana a la prevista ante pequeñas perturbaciones. El pandeo de una columna es un ejemplo: una imperfección lateral puede crecer cuando la carga de compresión aumenta. La carga crítica depende de longitud efectiva, rigidez, condiciones de apoyo, arriostramiento e imperfecciones; no es una propiedad fija del material. Una columna que parece segura en un esquema puede ser vulnerable si se retira un arriostramiento o cambia un apoyo.
La estabilidad también puede perderse en placas, láminas, cubiertas, muros, taludes, pórticos y cables. El viento puede producir vibración o inestabilidad aeroelástica; una cubierta puede succionar y levantarse; un talud puede deslizar; un marco puede desplazarse lateralmente. La forma deformada puede cambiar el brazo de una carga y aumentar el efecto, una realimentación que el análisis lineal no representa. Por eso la geometría, el montaje y las etapas temporales importan tanto como el estado final.
La fatiga es daño acumulado por ciclos de carga. Un elemento puede resistir una carga estática y agrietarse después de muchos ciclos de menor amplitud, especialmente en soldaduras, agujeros, roscas, detalles de unión, cambios de sección y zonas corroídas. La vida depende del espectro de ciclos, concentraciones, tensiones residuales, ambiente y calidad del detalle. No se obtiene contando solo cuántas veces se usó una estructura: hay que conocer magnitudes, secuencias y estados de daño.
La corrosión reduce sección, crea picaduras y puede afectar una unión o una superficie de contacto. La humedad, sales, temperatura y pares entre metales modifican el mecanismo. Pintar una superficie puede protegerla, pero una capa mal aplicada puede ocultar progresión o retener agua. La inspección debe elegir lugares y métodos que encuentren el daño relevante; limpiar o reparar sin registrar condición anterior destruye información sobre la tasa de deterioro.
Un fallo puede ser dúctil, con deformación y señales antes de perder capacidad, o frágil, con poca advertencia. La tenacidad, el material, la temperatura, la velocidad de carga y el detalle controlan esa transición. Una grieta puede detenerse en una microestructura o propagarse por un elemento; una conexión rota puede sobrecargar otra; un asentamiento puede redistribuir fuerzas y abrir un mecanismo nuevo. La propagación no es inevitable, pero tampoco se evita con una inspección genérica: requiere entender rutas y barreras.
Los sistemas redundantes pueden redistribuir carga, mientras que los isostáticos pueden ser más sensibles a una pérdida local pero menos a ciertos asentamientos. La redundancia no equivale a seguridad gratuita. Más elementos pueden aumentar peso, conexiones, mantenimiento y posibilidades de interacción. La robustez se verifica con escenarios de pérdida, no con la mera presencia de miembros adicionales. Los resultados deben señalar qué daños son detectables, qué capacidad residual existe y qué acción corresponde.
Cuando aparece una señal, la respuesta debe ser proporcional y competente. Una vibración nueva puede requerir retirar carga, instrumentar, inspeccionar o cerrar; no se debe diagnosticar por una fotografía aislada. Un responsable autorizado compara observación, historial, modelo, inspección y consecuencias. La norma aplicable y la autoridad local determinan decisiones sobre ocupación, reparación y reapertura. El capítulo ofrece conceptos para razonar, no permiso para evaluar una estructura real sin profesional cualificado.
393.5. Puentes, edificios y márgenes de seguridad#
Un puente reúne tablero, vigas o arcos, diafragmas, juntas, apoyos, pilas, estribos, cimentación y terreno para conducir cargas móviles y ambientales. El tráfico cambia posición y frecuencia; el frenado y la aceleración introducen acciones longitudinales; temperatura modifica longitud; agua puede erosionar apoyos; corrosión y fatiga se acumulan. La inspección de un puente no es una mirada estética: busca evidencias en detalles que gobiernan capacidad y durabilidad, relacionándolas con carga, ambiente, historia y mantenimiento.
Un edificio distribuye cargas verticales mediante forjados, vigas, columnas, muros y cimentación, y acciones laterales mediante pórticos, muros, núcleos, diafragmas y conexiones. Los revestimientos y particiones pueden añadir peso o afectar fuego y movimiento, aunque no sean parte del sistema resistente principal. Cambiar distribución, retirar un muro, colgar equipos o abrir una losa puede alterar la ruta. La seguridad depende también de evacuación, compartimentación, instalaciones y uso, no solo de que la estructura no colapse.
Los márgenes de seguridad comparan la demanda prevista con la capacidad o resistencia disponible, según la convención del método, e incorporan incertidumbres y consecuencias. Un factor o combinación reglamentaria no es una licencia para cargar indefinidamente una estructura ni un número transferible entre códigos. Las normas seleccionan acciones, combinaciones, materiales, modelos y niveles de confiabilidad; deben aplicarse en su jurisdicción y ámbito. ASCE explica que ASCE/SEI 7-22 establece cargas mínimas y combinaciones para peligros diversos, mientras que AISC 360 establece requisitos generales para diseño y construcción de estructuras de acero. Son referencias de diseño, no sustitutos de planos, inspección y autoridad competente.
El margen incluye incertidumbre de cargas, propiedades, geometría, ejecución, suelo, deterioro, modelo y medición. Una estructura puede tener margen resistente y poco margen de servicio por vibración o flecha. Puede tener margen estático y poco margen de fatiga. Puede resistir el estado final y ser vulnerable durante montaje. La base del Eurocode EN 1990 integra seguridad, servicio, durabilidad y bases de verificación; esa separación ayuda a no reducir «seguridad» a una sola cifra.
El control de construcción conserva el diseño. Materiales incorrectos, soldaduras sin inspección, pernos no pretensados como se especificó, armaduras desplazadas, apoyos mal nivelados o secuencias temporales distintas pueden cambiar la respuesta. La supervisión debe verificar lo que importa al camino de carga y registrar desviaciones. Una fotografía de una obra terminada no demuestra que se cumplieron materiales, dimensiones, conexiones, curado, compactación o protección contra corrosión.
La gestión durante uso combina inspección, monitoreo, mantenimiento y límites operativos. Una inspección visual puede descubrir una grieta o corrosión; una instrumentación puede medir deformación o vibración; un ensayo no destructivo puede aportar evidencia adicional; una revisión analítica puede estimar capacidad residual. Cada método tiene sensibilidad, falsos negativos y condiciones de acceso. La ausencia de indicios no prueba ausencia de daño si el método no podía verlo. El capítulo 389 profundiza en mantenimiento y reparación; aquí importa que esas actividades preservan el margen y alimentan el conocimiento del sistema.
Una estructura segura también debe comunicar sus límites. Señalizar carga máxima, restringir acceso durante una reparación, registrar cambios de uso y mantener rutas de evacuación son controles de operación. El usuario no puede ser responsable de una capacidad que nunca se informó. Si las condiciones cambian —uso, clima, suelo, daño, intervención o normativa— se reevalúa el sistema y se documenta la decisión.
Las fases temporales merecen una comprobación propia. Durante excavación, izado, encofrado, montaje de una cercha o sustitución de un apoyo, todavía no existe el camino de carga final: puede faltar un arriostramiento, una unión estar provisionalmente sujeta o una pieza trabajar antes de que otra comparta la acción. Una estructura temporal no es una versión menos importante de la permanente. El plan debe indicar secuencia, apoyos provisionales, estabilidad frente al viento, acceso, límites de carga y criterios para retirar cada soporte. Muchos daños atribuidos al «uso» comienzan durante construcción o reparación, cuando el modelo final no describe la configuración real.
La comunicación entre disciplinas también es parte de la estabilidad. Un paso de instalaciones puede cortar un elemento; una impermeabilización puede ocultar una junta; una modificación arquitectónica puede cambiar un diafragma; una intervención geotécnica puede alterar el apoyo vecino. Revisar interfaces con planos coordinados, inspecciones de obra y autoridad clara evita que cada especialista suponga que otro verificó la conexión. La estructura es un sistema común, aunque sus cálculos se separen por especialidad.
Conducir cargas es una relación entre acciones, elementos, uniones, apoyos y terreno. Conservar estabilidad añade geometría, tiempo, deterioro, construcción, inspección y capacidad de recuperación. Las ecuaciones y códigos ayudan a ordenar el razonamiento, pero el conocimiento estructural se completa cuando las hipótesis se verifican en materiales, detalles, usuarios y condiciones reales. El margen no es una reserva abstracta: es una responsabilidad de diseño, construcción, operación y mantenimiento que debe seguir siendo visible.
Una estructura no conduce solo peso vertical. El camino depende de acciones, geometría, uniones, apoyos, suelo y tiempo; la inspección y el mantenimiento comprueban si el margen previsto sigue existiendo.
Preguntas de transferencia#
Una grieta junto a un apoyo#
Caso. Aparece una grieta nueva cerca del apoyo de una viga y alguien propone rellenarla y continuar el uso. ¿Qué falta saber?
Mostrar respuesta razonada
Hay que registrar ubicación, orientación, longitud, apertura, evolución, humedad, cargas, asentamientos y detalles de la unión, y determinar si es superficial o sigue una ruta resistente. La recomendación puede ser instrumentar, limitar carga, inspeccionar o cerrar mientras se evalúa; rellenar sin diagnóstico borra evidencia y puede ocultar propagación. La decisión corresponde a una evaluación estructural competente y a la autoridad aplicable.
Retirar un muro interior#
Caso. Se quiere retirar un muro para ampliar un espacio, suponiendo que «no es estructural» porque no sostiene una viga visible. ¿Cómo se comprueba?
Mostrar respuesta razonada
Deben revisarse planos, modificaciones previas, continuidad de forjados y muros, cargas laterales, instalaciones, fuego y apoyos arriba y abajo. Un elemento puede arriostrar, separar fuego o repartir una carga sin parecer una columna. La intervención requiere confirmar el camino de carga y diseñar una alternativa si corresponde; demoler primero y observar después no es una prueba segura.
Un puente que vibra más#
Caso. Un puente sigue soportando el tránsito, pero los usuarios perciben vibración creciente. ¿Por qué no basta con comparar la carga media con el peso propio?
Mostrar respuesta razonada
La vibración puede relacionarse con frecuencia, velocidad, repetición de cargas, rigidez, conexiones, daño, cambios de pavimento, apoyo o interacción con el terreno. La carga media no representa el espectro dinámico ni la fatiga. Se debe registrar la señal, inspeccionar detalles y apoyos, comparar con historial y analizar la estructura bajo condiciones reales antes de decidir restricciones o refuerzos.
Más acero como solución universal#
Caso. Se propone añadir perfiles a una estructura deteriorada para aumentar capacidad. ¿Qué riesgos tiene esa respuesta?
Mostrar respuesta razonada
El refuerzo puede aumentar peso, cambiar rigidez y redistribuir acciones hacia apoyos, cimentación y conexiones que también estén dañados. Puede crear concentraciones, ocultar corrosión o dificultar inspección. Antes se identifica el modo de fallo y se verifica la ruta de carga original; después se diseña, ejecuta e inspecciona una intervención que atienda resistencia, servicio, estabilidad, durabilidad y montaje, no solo una cifra de capacidad.
Fuentes y lecturas del capítulo#
American Society of Civil Engineers (ASCE). ASCE/SEI 7-22, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures. Cargas y combinaciones para acciones ambientales y de uso en el ámbito estadounidense. (ASCE).
European Commission, Joint Research Centre. About the EN Eurocodes y Eurocodes family. Marco europeo para bases de diseño, acciones, materiales, geotecnia, fuego, sismo, seguridad, servicio y durabilidad. (JRC Eurocodes; familia de Eurocódigos).
American Institute of Steel Construction (AISC). ANSI/AISC 360, Specification for Structural Steel Buildings. Requisitos generales para diseño, fabricación y montaje de estructuras de acero. (AISC).
Federal Highway Administration (FHWA). Bridge Inspector’s Reference Manual y recursos del National Bridge Inspection Standards. Métodos institucionales para inspección, documentación, deterioro y seguridad de puentes. (FHWA Bridge Inspection).
National Institute of Standards and Technology (NIST). Engineering Laboratory. Investigación pública sobre comportamiento estructural, incendios, resiliencia y medición en el entorno construido. (NIST Engineering Laboratory).
European Commission, Joint Research Centre. Eurocodes: Learning Corner. Material técnico y ejemplos trabajados para comprender la aplicación, los modelos y los límites de los Eurocódigos. (JRC Learning Corner).