¿Qué son las cargas y cómo afectan a los edificios?
Como ingeniero estructural, siempre me ocupo del estudio de las cargas y de cómo una estructura puede resistirlas de la mejor manera. Una carga es básicamente una fuerza que un edificio o estructura necesita poder resistir. Las cargas provocan tensiones y deformaciones en una estructura y es nuestra responsabilidad como ingenieros calculistas que neustro diseño resista las cargas normales de uso y las eventuales (las definiré más adelante). Las cargas, en la mayoría de los casos se aplican vertical o lateralmente sobre una estructura.
Tipos de cargas
Comencemos con las cargas verticales. Las cargas verticales, o cargas de gravedad, son aquellas fuerzas que se aplican perpendicularmente al sistema de techo o piso. Se dividen en dos categorías: cargas permanentes o muertas (D) y cargas de uso o vivas (L). Las cargas permanentes o de peso propio consisten en el peso de los miembros estructurales que componen la estructura, además de todas las terminaciones que hacen que la estructura se vea confortable y agradable a la vista. Llamamos a estas cargas "permanentes" porque nunca cambian. Las cargas de uso son cargas adicionales sobre una estructura y que están conformadas por las personas que usan el edificio y lo que deciden colocar en la estructura (muebles, equipos, etc.).
Como ingeniero estructural, tengo en consideración todos los materiales al calcular las cargas permanentes de una estructura. Esto podría incluir los materiales y componentes de aislación térmica y acústica de los edificios, tabiquerías, revestimientos, pisos, enchapes, etc. Individualmente, estos elementos pueden parecer bastante livianos, pero cuando se suman todos sus pesos, pueden representar una cantidad significativa de kilos o toneladas aplicado a la estructura. Estas cargas se suman al peso propio de la estructura, que podría incluir el peso de la cubierta del piso/techo, las vigas, muros de carga, pilares, arriostramientos, etc. Las cargas permanentes siempre están presentes durante la vida útil de una estructura a diferencia de las cargas de uso que pueden estar presente o no.
Las cargas de uso son más difíciles de predecir que las cargas permanentes, ya que es complejo determinar exactamente cuántas personas usarán un espacio en un momento dado o cómo distribuirán los muebles y almacenarán los materiales en un espacio determinado. Cuando se trata de cargas de uso para territorio chileno, se utiliza la norma NCh1537.Of2009 "Diseño Estructural - Cargas permanentes y cargas de uso" para determinar la magnitud de la carga en función del tipo de edificio.
Las cargas de uso utilizadas al diseñar una estructura pueden variar entre los espacios de uso de un edificio. Por ejemplo, una sala de máquinas en un edificio de oficinas tendrá una carga de uso más alta que las propias oficinas, ya que a menudo hay equipos mecánicos muy pesados en estas salas en comparación con unas pocas personas y algunos muebles que se encuentran en las oficinas comunes y corrientes.
Otras cargas verticales que se tienen en cuenta en cuanto al diseño una estructura son las provocadas por factores climáticos externos, tales como las cargas de nieve, viento y lluvia. Las cargas por nieve, viento o lluvia no deben ignorarse, ya que el peso extra puede ser incluso mayor que el peso de la estructura del techo que lo soporta. Una nevazón extraordinaria ocurrida el año 2017 en Santiago hizo colapsar los techos de muchas bodegas y galpones, por ejemplo.
Chile, un país sísmico
Las cargas laterales que se aplican a las estructuras incluyen cargas de viento, cargas sísmicas y de presiones de suelo. Estas cargas actúan en la dirección perpendicular a los sistemas estructurales de muros, pisos y techos de los edificios. Las cargas laterales en un edificio generalmente son resistidas por muros de carga y arriostramientos. Es de común conocimiento que cuando vemos grandes "X" de acero en los edificios estamos conscientes que cumplen un rol fundamental en el control de las desplazamientos laterales.
Adicionalmente las cargas de viento se pueden aplicar perpendicularmente a la superficie de un edificio/estructura, pero también se pueden aplicar a distancia del edificio provocando una fuerza de succión. Estas se llaman presiones positivas y negativas. Las cargas de viento en una estructura aumentan en función de la altura de los edificios. En un edificio de gran altura, las presiones del viento son significativamente más altas en la parte superior de la estructura en comparación con el nivel del suelo. Muchos de nosotros hemos experimentado la fuerza que puede ejercer el viento durante un temporal o tormenta, es por ello que es fundamental diseñar un sistema estructural para resistir estas cargas.
Los terremotos son los causantes de las aceleraciones (y posteriormente fuerzas) sísmicas en una estructura. Las cargas sísmicas utilizadas en el diseño estructural varían según la ubicación de la estructura, por ejemplo en un lugar como Valparaíso (zona sísmica 3), la carga sísmica adquiere mayor relevancia en el diseño estructural que en otro lugar, como por ejemplo Lonquimay (zona sísmica 1). Por otro lado, la magnitud de las cargas sísmicas cuando ocurre un terremoto está directamente relacionada con el peso del edificio. Los edificios construidos con materiales pesados como el hormigón armado poseen un mayor peso sísmico que una estructura de acero ligera. Es por ello que nuestro diseño estructural deberá profundizar en todas estas variables. Nuestra norma chilena NCh433 "Diseño sísmico de edificios" está en constante evolución a medida que surgen estudios del comportamiento sísmico de los edificios.
Las cargas por presiones de suelos ocurren cuando el suelo se acumula contra un muro causando presiones laterales de tierra. Estas cargas se pueden ver en los muros de los subterráneos, muros de contención y túneles. La magnitud de esta carga lateral depende del tipo de suelo y su profundidad. Un edificio con un subterráneo muy profundo probablemente tendrá muros laterales muy robustos capaces de resistir una gran carga lateral del suelo. Un diseño adecuado deberá prevenir el agrietamiento de los muros y dar contención suficiente frente a las cargas laterales de suelo. El ingeniero estructural deberá estudiar si se permite que el agua se acumule contra un muro, de ser necesario se deberán calcular las cargas de presión hidrostática. La instalación de un sistema de pavimentos con drenes es una forma de evitar que el agua se acumule contra los muros de los sibterráneos.
Esperamos que esta publicación del blog ayude a comprender de mejor manera los tipos de cargas y como actúan sobre una estructura. Si deseas más información o necesitas una asesoría profesional, no dudes en contactarnos.
