Elementos estructurales: cuáles son y cómo verificarlos

En el ámbito de la arquitectura y la ingeniería civil, los elementos estructurales desempeñan un papel de vital importancia. Sobre todo para la realización de edificios estables, seguros y funcionales. Estos elementos constituyen el esqueleto portante del sistema edilicio. Además, tienen la tarea de colaborar sinérgicamente para soportar y distribuir la carga de manera equilibrada, y garantizar así la estabilidad de todo el edificio.

Recientemente, el uso de tecnologías avanzadas como el openBIM y el formato IFC (Industry Foundation Classes) ha revolucionado la forma en que estos componentes son diseñados, representados y gestionados. A su vez, esto ha mejorado la colaboración entre los diferentes profesionales y aumentado la eficiencia de los proyectos edilicios. Un ejemplo significativo de esta evolución es representado por el esquema IfcStructuralElementsDomain, que permite una representación detallada y estandarizada de los elementos estructurales. Por lo tanto, promuebe una gestión más precisa y una comunicación sin barreras entre los diversos actores del proceso edilicio.

Entonces, si deseas profundizar aún más en la comprensión de los elementos estructurales, lee el artículo y descubre los detalles. Estos contribuirán a proporcionarte una visión completa sobre el diseño y la verificación de tales componentes. Además, para enfrentar con éxito los desafíos relacionados con la estabilidad y la seguridad en las construcciones, puede serte útil comenzar a usar gratuitamente durante 30 días un software para el cálculo estructural. Gracias a sus funcionalidades avanzadas de cálculo y simulación, puedes analizar y verificar los elementos estructurales de tus edificios de manera precisa y oportuna para mejorar la eficiencia y la seguridad de tu trabajo.

¿Qué son los elementos estructurales?

Los elementos estructurales son los componentes fundamentales de un edificio o de una infraestructura. En su conjunto, forman el esqueleto portante al que se le confía la responsabilidad de sostener y transferir las cargas, resistir las fuerzas internas y externas. Además, tienen la importante tarea de proporcionar estabilidad, seguridad y soporte a la estructura en su conjunto.

Ejemplos comunes de elementos estructurales incluyen los pilares, las vigas, las paredes portantes, etc. Sin embargo, estos elementos asumen formas diferentes, cada una diseñada para desempeñar un papel específico en garantizar la cohesión y la robustez de todo el sistema estructural. Pueden ser, además, realizados en diferentes materiales, como hormigón armado, acero, madera o materiales compuestos reforzados con fibras. Por otro lado, la elección del material y la configuración a atribuir a cada elemento dependerán de las específicas necesidades del proyecto. Así como del tipo de estructura que se pretende realizar y de consideraciones precisas sobre la seguridad y la estabilidad de la obra.

Además de su función portante, es esencial reconocer que los elementos estructurales pueden asumir un papel relevante también desde el punto de vista estético. Este aspecto se vuelve particularmente crucial en contextos arquitectónicos en los que tales elementos no solo deben soportar las cargas físicas, sino que también deben contribuir de manera significativa a la estética general del edificio. En estas situaciones, el diseño de los elementos estructurales requiere una integración equilibrada entre la ingeniería estructural y el diseño arquitectónico. De este modo, la forma y la disposición de pilares, vigas y otros elementos reflejan no solo la robustez estructural, sino también una visión estética coherente con el diseño global del edificio.

Elementos estructurales de un edificio |EdiLus

12 componentes fundamentales de una estructura edilicia

Cada edificio, ya sea una casa residencial, un complejo comercial o una gran infraestructura industrial, está constituido por diferentes elementos estructurales fundamentales. Estos trabajan juntos para garantizar la estabilidad, la seguridad y la funcionalidad general. Por lo tanto, comprender el papel de cada componente es esencial para diseñar y construir edificios que sean seguros, resistentes y duraderos.

A continuación, se describen los 12 componentes principales:

1. Fundación

Es la base sobre la que se apoya todo el edificio. Tiene la tarea de transferir las cargas de la estructura al terreno. Además, es uno de los elementos más importantes para la estabilidad general. De hecho, un diseño incorrecto de la fundación puede comprometer toda la construcción. Existen diferentes tipos de fundaciones, como las superficiales (para edificios más ligeros) y las profundas (para terrenos inestables o edificios muy pesados), y la elección depende del tipo de terreno y de la carga estructural prevista.

2. Columnas o Pilares

Son elementos verticales que soportan la carga proveniente de los pisos superiores y la transfieren a las fundaciones. Pueden estar hechas de varios materiales como hormigón armado, acero, madera o piedra, y están diseñadas para resistir principalmente fuerzas de compresión. Su tamaño y distribución son fundamentales para garantizar una distribución uniforme de las cargas verticales y para mantener el equilibrio estructural.

3. Vigas:

Son elementos horizontales fundamentales para transferir las cargas de las superficies superiores (como pisos o techos) a las columnas. Pueden estar realizadas en varios materiales y adoptar diferentes formas (por ejemplo, vigas reticuladas, vigas en voladizo o vigas de soporte), dependiendo de las necesidades de diseño. Su función principal es distribuir la carga de manera uniforme hacia las columnas, evitando deformaciones excesivas.

4. Paredes

Son uno de los elementos más visibles y funcionales de un edificio. Además de dividir los espacios internos, las paredes portantes desempeñan un papel crucial en el soporte de cargas verticales y en proporcionar estabilidad lateral. Las paredes portantes pueden estar hechas de mampostería, hormigón armado o materiales compuestos, y están diseñadas para resistir fuerzas de compresión y sísmicas. En algunos casos, las paredes no portantes se utilizan para fines divisores o estéticos, pero también deben garantizar la seguridad y la funcionalidad.

5. Losas o Forjados

Son las estructuras horizontales que separan los diferentes pisos de un edificio. Están diseñadas para distribuir las cargas verticales y proporcionar soporte a los espacios superiores. Las losas pueden estar hechas de hormigón, acero o madera. Su diseño debe tener en cuenta las solicitaciones a las que están sometidas, como el peso de las personas, los muebles y los equipos. Además, deben garantizar aislamiento acústico y térmico.

6. Techo o Cubierta

Es la parte superior de un edificio que lo protege de las inclemencias del tiempo, como lluvia, nieve, viento y sol. Debe ser diseñado para soportar cargas pesadas (como nieve o viento) y para garantizar una buena impermeabilidad y ventilación. Los techos pueden ser a dos aguas, planos o de cúpula, y están hechos con diferentes materiales, como tejas, chapa, hormigón o materiales impermeabilizantes. Además, es importante que el techo esté correctamente integrado con la estructura subyacente para evitar filtraciones de agua.

7. Escaleras

Son elementos verticales que permiten la conexión entre los diferentes pisos de un edificio. Están diseñadas para garantizar la seguridad durante su uso, con pasamanos y escalones antideslizantes. Las escaleras pueden estar hechas de varios materiales, como concreto, acero o madera, y su diseño debe cumplir con las normativas de seguridad, como el ancho de los escalones, la pendiente y la resistencia a la carga. Pueden ser internas o externas al edificio, dependiendo de las necesidades.

8. Ventanas

Son aberturas en las paredes destinadas a garantizar la iluminación natural, la ventilación y la conexión visual con el exterior. Además de cumplir una función estética, las ventanas deben ser diseñadas para resistir los agentes atmosféricos, ofreciendo al mismo tiempo un buen rendimiento térmico y acústico. Pueden estar hechas de madera, PVC o aluminio, con vidrios simples o dobles, dependiendo de las necesidades de aislamiento.

9. Puertas

Son aberturas que permiten el acceso y la salida de un edificio o de una habitación. Deben garantizar la seguridad, impidiendo accesos no autorizados, pero también permitir una fácil circulación. Las puertas pueden estar hechas de diferentes materiales, como madera, vidrio, metal o PVC, y su diseño debe responder a necesidades funcionales específicas, como la protección contra incendios, la resistencia a las intrusiones y el control acústico.

10. Pisos

Representan los diferentes niveles horizontales de un edificio. Cada piso está constituido por una superficie sólida (losas) que sirve de soporte para los ambientes y los muebles. Los pisos deben ser diseñados para soportar cargas específicas, garantizando una distribución uniforme de las fuerzas y evitando deformaciones estructurales. El diseño de los pisos también debe tener en cuenta los espacios internos, las necesidades de acceso y de movimiento, y la distribución de las cargas.

11. Estructura portante

Es el conjunto de todos los elementos principales (columnas, vigas, losas, etc.) que constituyen el esqueleto del edificio. Está diseñada para garantizar que el edificio pueda soportar las cargas a las que está sometido (cargas permanentes, variables, sísmicas, etc.) sin sufrir daños estructurales. Un correcto diseño de la estructura portante es fundamental para la seguridad y la estabilidad del edificio a lo largo del tiempo.

12. Acabados

Son los elementos estéticos finales que confieren al edificio su aspecto exterior e interior. Los acabados incluyen pavimentos, pinturas, revestimientos de paredes, techos y otros detalles que no solo contribuyen a la estética, sino que también protegen los materiales subyacentes del desgaste y de los agentes atmosféricos. Aunque no tienen una función portante, los acabados son cruciales para el confort y la durabilidad del edificio a lo largo del tiempo.

Elementos estructurales primarios y secundarios

Los elementos estructurales de un edificio se dividen en primarios y secundarios, dependiendo de su papel y su importancia en la estructura portante.

Los elementos estructurales primarios son aquellos que desempeñan el papel principal en garantizar la resistencia y la estabilidad del edificio. Estos elementos están diseñados para soportar las cargas verticales y horizontales, transfiriéndolas a las fundaciones o a otros componentes estructurales. Las columnas, por ejemplo, son responsables de sostener el peso del edificio y de transferirlo a las fundaciones.

Los elementos secundarios están constituidos por aquellos elementos cuya rigidez y resistencia pueden ser despreciadas en el análisis de la respuesta sísmica de la estructura y que, por lo tanto, están diseñados para resistir solo las cargas verticales. Se trata de elementos que pueden considerarse de menor importancia en comparación con los elementos principales. Sin embargo, es importante señalar que, a pesar de su definición de “elementos secundarios”, estos elementos deben ser capaces de absorber las deformaciones de la estructura en caso de acción sísmica. Esto significa que, aunque no contribuyan significativamente a la resistencia y rigidez estructural bajo la acción de las cargas, los elementos estructurales secundarios deben ser capaces de mantener su capacidad portante frente a las cargas verticales, especialmente en presencia de acciones sísmicas.

¿Cómo diseñar y verificar los elementos estructurales?

El diseño y la verificación de los elementos estructurales es un procedimiento complejo que requiere un conocimiento profundo de la ingeniería estructural y de las normativas técnicas del sector. A continuación, se presentan algunos pasos generales que puedes seguir durante este proceso para garantizar la seguridad, la estabilidad y la funcionalidad de tus estructuras:

1. análisis de las acciones: la primera fase consiste en analizar y determinar las acciones que actuarán sobre los elementos estructurales. Estas acciones incluyen la carga permanente (como el peso propio del elemento) y la carga variable (como la carga de los ocupantes, la acción del viento, etc.). También es necesario considerar posibles acciones sísmicas, si son aplicables;
2. elección de materiales: según las características de la estructura, como el tipo de carga y las condiciones ambientales, es necesario seleccionar los materiales más apropiados para los elementos estructurales. Por ejemplo, para las vigas y las columnas se podrían utilizar acero o hormigón armado;
3. diseño preliminar: sobre la base de los principios de la ingeniería estructural y de las normativas de referencia, se realiza un diseño preliminar de los elementos estructurales. Esta fase implica la determinación de las dimensiones, las secciones transversales y las geometrías de los elementos;
4. análisis estructural: utilizando métodos de análisis estructural, como el cálculo por elementos finitos o el análisis de estados límite, se evalúan las prestaciones de los elementos estructurales bajo las acciones previstas. El objetivo es verificar que los elementos sean capaces de soportar las cargas y de garantizar la estabilidad estructural;
5. verificación de la resistencia: se procede a la verificación de la resistencia de los elementos estructurales para asegurarse de que las tensiones y los esfuerzos internos sean inferiores a las capacidades de resistencia de los materiales utilizados. Esta verificación debe realizarse de acuerdo con las normativas y las reglas de diseño previstas en el área geográfica donde se realiza la estructura;
6. verificación de la estabilidad: además de la resistencia, es necesario verificar la estabilidad global de la estructura y de los elementos estructurales individuales. Esta verificación tiene en cuenta fenómenos críticos como el vuelco, el deslizamiento y el colapso lateral. Sirve para asegurar que la estructura esté adecuadamente anclada y que se tomen las medidas necesarias para contrarrestar tales fenómenos;
7. verificación de las deformaciones: una verificación adicional consiste en controlar las deformaciones de los elementos estructurales. Esto implica el análisis de las deformaciones elásticas y de las deformaciones plásticas, para garantizar que se encuentren dentro de los límites aceptables y que no comprometan la funcionalidad del edificio;
8. verificación de las conexiones: durante el diseño, también es necesario verificar las conexiones estructurales entre los diferentes elementos (como los nodos entre las vigas y las columnas, o las uniones entre las paredes portantes) con el fin de garantizar una correcta transmisión de las fuerzas y una buena capacidad de resistencia.

Software BIM para el cálculo estructural

Para optimizar el proceso de diseño y verificación de los elementos estructurales, es indispensable contar con la ayuda de un software para el cálculo estructural, una herramienta basada en BIM que te proporciona representaciones gráficas claras e inmediatas de los resultados de cálculo directamente en el modelo BIM de tu edificio. Aprovechando las potentes capacidades de simulación de esta herramienta, podrás realizar análisis estructurales precisos, verificar la resistencia y la estabilidad de tus elementos estructurales y obtener resultados fiables en tiempos muy rápidos. Pruébalo gratuitamente durante treinta días y descubre todas las funcionalidades que te permitirán simplificar tu trabajo, ahorrar tiempo valioso, reducir el margen de error y asegurar la máxima seguridad y fiabilidad de tus proyectos estructurales.

IfcStructuralElementsDomain y la nueva frontera del diseño estructural

En el sector de la construcción, cada vez más digitalizado, conceptos como openBIM e IFC se han vuelto fundamentales. El openBIM es un enfoque colaborativo que utiliza estándares abiertos que permiten a todos los participantes compartir información sin limitaciones debidas a software propietario y uno de los estándares más relevantes en openBIM es el formato IFC, que proporciona un lenguaje común para la representación digital de los elementos edilicios, facilitando la comunicación entre arquitectos, ingenieros y constructores. El dominio IfcStructuralElementsDomain es una parte fundamental del estándar IFC, ya que permite representar una amplia gama de elementos estructurales y subpartes de los edificios, como fundaciones, refuerzos y características especiales.

Pero, ¿qué significa exactamente representar un elemento estructural en el contexto de un proyecto BIM? Imagina que debes describir en detalle cada componente individual de una estructura compleja, como una columna o una fundación. El esquema IfcStructuralElementsDomain está diseñado para hacer precisamente esto: proporcionar una descripción precisa, estandarizada y comprensible para cada componente estructural individual, ayudando a los diferentes actores del proyecto a entender su función y papel.

IfcStructuralElementsDomain: elementos estructurales representados, cantidades y propiedades

El esquema IfcStructuralElementsDomain incluye varios tipos de elementos estructurales. Entre los principales encontramos:

• fundaciones: elementos como pilotes (IfcPile) y zapatas (IfcFooting) que se utilizan para distribuir el peso del edificio al terreno. El esquema también incluye tipos específicos como IfcCaissonFoundation, adecuado para terrenos inestables;
• refuerzos: elementos como barras de refuerzo (IfcReinforcingBar) y mallas de refuerzo (IfcReinforcingMesh) que son esenciales para aumentar la resistencia del hormigón armado;
• características especiales: componentes como tendones (IfcTendon) y elementos de vacío (IfcVoidingFeature), importantes para estructuras de hormigón pretensado.

Estos detalles no solo describen las componentes físicas, sino que también permiten el análisis y la coordinación de las interacciones entre las partes, garantizando la seguridad y la estabilidad de la construcción.

Tipos de elementos estructurales representados por IfcStructuralElementsDomain

El esquema IfcStructuralElementsDomain también ofrece la posibilidad de asociar propiedades y cantidades a los elementos estructurales para mejorar la gestión del proyecto. Un ejemplo de conjuntos de propiedades es representado por el Pset_FootingCommon que proporciona información sobre la fundación, como el material y el tipo de armadura o por el Pset_ReinforcementBarPitchOfBeam que define el paso de las barras de refuerzo en una viga. Mientras que los conjuntos de cantidades como Qto_FootingBaseQuantities permiten calcular volúmenes, áreas y otras métricas, optimizando la gestión de costos y la planificación de las operaciones en el sitio de construcción.

IfcStructuralElementsDomain: conjuntos de propiedades de los elementos en hormigón

Ventajas de la utilización de IfcStructuralElementsDomain

La adopción del esquema IfcStructuralElementsDomain aporta numerosos beneficios prácticos para arquitectos, ingenieros y propietarios de edificios, como, por ejemplo:

1. mejor coordinación: la representación estandarizada de los elementos estructurales permite a todos los profesionales acceder a la misma información, reduciendo errores y aumentando la eficiencia;
2. optimización de costes: con información detallada sobre materiales y cantidades, es posible optimizar la compra de materiales, reducir desperdicios y mantener el control sobre los costes de construcción. Además, la gestión precisa de los recursos mejora también la planificación de las operaciones en el sitio de construcción;
3. fiabilidad y seguridad: el uso de un esquema estandarizado permite a los ingenieros realizar análisis precisos sobre la resistencia y la estabilidad de las estructuras, contribuyendo a garantizar la seguridad del edificio y a minimizar los riesgos.