El cálculo estructural para escuelas existentes es el proceso técnico mediante el cual se determina la capacidad de una edificación para resistir fuerzas internas y externas sin comprometer su seguridad.
En el mundo de la construcción, hay un aspecto que determina la seguridad y la viabilidad de cualquier proyecto: el cálculo estructural. No se trata únicamente de diseñar planos atractivos o funcionales, sino de garantizar que cada elemento de la edificación resista las cargas a las que será sometido durante toda su vida útil.
En una escuela existente, este análisis debe considerar la estructura en su totalidad, las condiciones reales de los materiales, las modificaciones realizadas con el tiempo, el uso cotidiano de los espacios y las posibles intervenciones de mejora o adaptación sísmica.
Qué comprende el cálculo estructural de una escuela existente
El cálculo estructural permite a los ingenieros definir con precisión la resistencia, estabilidad y rigidez de una estructura, asegurando que esta cumpla con normativas y estándares internacionales.
A través de modelos matemáticos, análisis físicos y herramientas digitales, se estudia cómo reaccionará una estructura ante:
- Su propio peso (carga muerta).
- El uso cotidiano (carga viva).
- Fenómenos externos como viento, sismos, nieve o impactos.
El cálculo de estructuras es una etapa crucial en el proceso de diseño y construcción de edificios y otras estructuras. Consiste en analizar las cargas y fuerzas internas y externas que actúan sobre estas, con el objetivo de garantizar su seguridad y estabilidad.
Sin un cálculo estructural preciso, cualquier proyecto corre el riesgo de presentar fallas, deformaciones excesivas o, en casos extremos, colapso.
Particularidades de las escuelas existentes
EdiLus ha sido desarrollado para el diseño de nuevos edificios y para la verificación de intervenciones como la mejora y la adaptación sísmica de edificios existentes que involucran, por lo tanto, el comportamiento y la verificación de la estructura en su totalidad.
Con EdiLus es posible proceder al diseño y verificación de estructuras nuevas o existentes en hormigón armado y mampostería ordinaria y de estructuras nuevas en mampostería armada y acero.
EdiLus es un software de cálculo estructural especialmente concebido y desarrollado para el modelado y cálculo de edificios destinados a uso residencial, público, oficinas y comercial.
La edificación escolar pertenece al ámbito de los edificios de uso público. Por este motivo, el análisis debe orientarse a comprender el comportamiento global de la construcción y no únicamente a comprobar elementos aislados.
EdiLus está diseñado para edificios destinados a uso residencial, público, oficinas y comercial, pero no es adecuado para el diseño de puentes, obras de infraestructura, redes ferroviarias, estructuras con elementos pretensados y presas.
Información que debe reunirse antes del modelado
El cálculo estructural no se limita a fórmulas: requiere un análisis integral de variables que influyen directamente en el comportamiento de la edificación.
En una escuela existente, el modelo debe representar las características dimensionales, geométricas y físicas de los elementos que forman la estructura, así como las condiciones que se han producido durante la vida útil del edificio.
La esquematización con elementos HP-SHELL te permite conocer, desde la simple estructura diseñada, el estado tensional real de la mampostería en cada punto y tener en cuenta en el modelo todos los elementos que caracterizan un edificio existente en mampostería (variación de materiales, "consolidación con cosidos y reparaciones", huecos no alineados, presencia de diferentes materiales, intervenciones que se han sucedido en el tiempo, etc.).
Para el levantamiento y la evaluación de estructuras existentes también pueden emplearse tecnologías complementarias:
- Modelado BIM: permite coordinar arquitectura, MEP y estructura en un entorno digital único.
- Escáner láser 3D: genera nubes de puntos para evaluar estructuras existentes.
- Monitoreo estructural en tiempo real: sensores que reportan vibraciones y deformaciones.
Todos los datos se almacenan en una sola base de datos y en un solo archivo, con todas las ventajas consiguientes.
Cargas que deben considerarse en una escuela
Cargas muertas y cargas vivas
Cargas muertas: peso de elementos permanentes como vigas, columnas, muros y losas.
Cargas vivas: cargas variables, como personas, mobiliario o vehículos en estacionamientos.
En los edificios escolares, las cargas variables dependen de la ocupación de aulas, corredores, escaleras, salones de actos, laboratorios, bibliotecas, gimnasios, talleres y áreas administrativas. También deben revisarse los equipos, falsos techos, instalaciones y elementos temporales que puedan modificar las cargas previstas.
Acciones ambientales
Viento: especialmente crítico en edificios en altura y zonas costeras.
Sismos: en Panamá, el diseño sismorresistente es obligatorio para garantizar seguridad.
Otros factores: nieve, temperatura, agua y humedad.
Subestimar cargas accidentales, como equipos temporales, acumulación de agua o sobrepeso imprevisto.
Ignorar juntas de dilatación, lo que genera fisuras por cambios de temperatura.
Diseñar sin considerar condiciones sísmicas, un riesgo grave en Panamá y la región.
No actualizar modelos cuando se hacen modificaciones en obra.
Suelo y cimentaciones
La capacidad portante del terreno es determinante. Un cálculo estructural eficiente incluye estudios de suelo que permiten definir el tipo de cimentación adecuada: zapatas, pilotes o losas de cimentación.
Además, puedes solicitar el análisis de los mecanismos locales (volcado y desprendimiento de fachadas) y el proyecto/verificación de los cimientos de hormigón armado o mampostería.
En una escuela existente, la revisión de cimentaciones debe relacionarse con el comportamiento de los elementos superiores, las ampliaciones, los cambios de uso y las intervenciones que hayan modificado la transmisión de cargas al terreno.
Materiales y sistemas estructurales
Existen diversos tipos de estructuras utilizadas en proyectos de construcción.
- Estructuras de hormigón: Estas estructuras se construyen utilizando hormigón o concreto reforzado, que es un material resistente y duradero.
- Estructuras metálicas: Las estructuras metálicas son ampliamente utilizadas en la construcción de puentes, naves industriales y otros tipos de edificaciones.
- Estructuras de madera: Aunque menos comunes, las estructuras de madera también requieren un cálculo estructural adecuado.
Con EdiLus CONCRETE, para edificios de hormigón armado, puedes diseñar intervenciones de mejora o adaptación sísmica en las que es posible aplicar refuerzos a los elementos existentes e insertar nuevos elementos estructurales como nuevos pilares, paredes, tabiques, arriostramientos, etc. para modelar, por ejemplo, techos, elevaciones y proceder a una verificación general.
Sí, con el módulo EdiLus STEEL puedes diseñar y calcular estructuras de acero o elementos de acero individuales dentro de estructuras hechas de otros materiales.
EdiLus permite el cálculo de elementos de madera para completar estructuras de hormigón armado o mampostería, como techos, marquesinas, etc.
El módulo no está concebido para calcular una estructura completamente de madera, ya que no prevé los ajustes específicos para el cálculo sísmico de este tipo de estructura (factor de comportamiento, comprobaciones disipativas de los elementos estructurales, etc.).
Normas y referencias para el análisis
El cálculo estructural debe realizarse de acuerdo con las normas técnicas aplicables al lugar del proyecto y al sistema constructivo existente.
Normas técnicas brasileñas
- NBR 6118 Projeto de estruturas de cemento (em processo de revisão para atualização para a versão 2023 do referencial)
- NBR 6120 Cargas para o cálculo de estruturas de edificções
- NBR 6122 Projeto e execução de fundações
- NBR 6123 Forces devidas ao vento em edificações
- NBR 8681 Ações e segurança nas estruturas
- NBR 15421 Projeto de estruturas resistentes a sismos
- NBR 8800 Projeto de estruturas de aço
Eurocódigos
- UNE-EN 1990 Eurocódigo 0 Bases de cálculo de estructuras
- UNE-EN 1991 Eurocódigo 1 Bases de proyecto y acciones en estructuras
- UNE-EN 1992 Eurocódigo 2 Proyecto de estructuras de hormigón
- UNE-EN 1993 Eurocódigo 3 Proyecto de estructuras de acero
- UNE-EN 1995 Eurocódigo 5 Proyecto de estructuras de madera
- UNE-EN 1996 Eurocódigo 6 Proyecto de estructuras de fábrica
- UNE-EN 1997 Eurocódigo 7 Proyecto geotécnico
- UNE-EN 1998 Eurocódigo 8 Disposiciones para el proyecto de estructuras sismorresistentes
El programa de cálculo estructural EdiLus permite realizar análisis lineales de tipo estático y sísmico.
En cuanto al cálculo sísmico, se puede elegir entre el análisis estático equivalente y el análisis dinámico modal.
Modelado paramétrico de la estructura escolar
El programa de cálculo estructural EdiLus permite dibujar elementos estructurales en forma bidimensional o tridimensional seleccionando las características de los objetos en cualquier momento del diseño.
Cada objeto tiene una representación gráfica y una base de datos de información que lo identifica de manera unívoca en sus características dimensionales, geométricas y físicas (material, resistencia, etc.).
Los datos asignados a las características de los objetos constituyen un elemento de input para el cálculo y cada modificación de forma inmediata y dinámica se convierte en una nueva condición de comprobación.
El input permite insertar, modificar y eliminar los objetos, manteniendo bajo control la planta, la sección o la vista axonométrica de la estructura.
Este flujo permite representar aulas, corredores, escaleras, cubiertas, patios cubiertos, ampliaciones, juntas y diferentes cuerpos del edificio dentro de un mismo modelo estructural.
La integración con el software BIM Edificius permite que la arquitectura y la estructura interactúen, con la ventaja de obtener una entrada simplificada y acelerada de la estructura (gracias al reconocimiento de los objetos en el modelo) y una convergencia de detalles estructurales y de diseño.
Pero hay muchas ventajas: optimización de flujos operativos, de tiempo, de costos, la eliminación casi completa de errores, duplicaciones e interferencias y, sobre todo, alta integración entre la fase de diseño y la fase de ejecución.
Importación y coordinación BIM
EdiLus puede importar y exportar en el formato estándar IFC.
El IFC es el formato de archivo "común", un modelo de información, que permite a todos los diseñadores del equipo (arquitecto, ingeniero, proyectista etc.) intercambiar sus modelos BIM, independientemente del software utilizado.
La importación y exportación IFC 2x3 de EdiLus tiene certificaciones IFC Coordination View 2.0 de buildingSMART International.
Con EdiLus, por ejemplo, puedes importar el modelo digital del proyecto arquitectónico realizado con un BIM de diseño arquitectónico (Edificius, Revit, Allplan, ArchiCAD, VectorWorks, etc.) y diseñar la estructura en 3D respetando lo establecido por el equipo de diseño.
EdiLus se integra con el BIM Management System usBIM, para obtener una idea y vista del diseño finalmente unitaria y compartida.
Puedes adquirir los modelos BIM en formato IFC del proyecto arquitectónico o de instalaciones desde la nube y diseñar la estructura en 3D de acuerdo con lo establecido por otros proyectistas; puedes exportar el modelo BIM en formato IFC, la documentación y los cálculos de la estructura diseñada directamente en la nube, eligiendo en qué carpeta guardar los archivos y con quién compartirlos.
La plataforma colaborativa BIM permite mantener un diálogo abierto y continuo con cada uno de los stakeholder involucrados en la construcción durante su ciclo de vida como proyectistas, empresas, responsables de mantenimiento, instaladores, promotores, etc.
Análisis estático y dinámico mediante elementos finitos
El solucionador de elementos finitos está integrado en el programa de cálculo estructural y resuelve estructuras de las más variadas geometrías y dimensiones.
El cálculo se basa en el uso de elementos de alto rendimiento, tales como: el elemento HP-SHELL, de forma triangular y equipado con un grado de libertad de "perforación"; el elemento HP-BEAM, con viga flexible, 2 apoyos articulados en cada lado, brazos rígidos, en cualquier dirección, uniones finales y suelo elástico en la parte flexible, obteniendo resultados rigurosos, sin las aproximaciones derivadas de esquematizaciones menos apropiadas.
El solucionador se ve reforzado por la función de discretización automática de elementos shell, que permite considerar los desplazamientos reales entre los diversos elementos estructurales y permite definir la variable entre los bordes y el interior de la malla de las shell.
El método de elementos finitos divide la estructura en “elementos” más pequeños que se analizan individualmente. El resultado es un modelo preciso del comportamiento real bajo distintas cargas.
La animación 3D a color de la estructura permite evaluar la evolución dinámica de la estructura bajo efecto de sismo.
Ejemplo didactico estructura sismo resistente
Métodos de cálculo estructural
Método clásico de equilibrio
Se basa en aplicar leyes de la estática para resolver ecuaciones de equilibrio en estructuras simples como vigas, marcos o pórticos. Aunque limitado, sigue siendo útil en casos básicos.
Análisis matricial
Permite resolver sistemas complejos de ecuaciones aplicando álgebra matricial. Se emplea ampliamente en programas computacionales de cálculo.
Modelado por elementos finitos
Considerado el método más avanzado, divide la estructura en “elementos” más pequeños que se analizan individualmente. El resultado es un modelo preciso del comportamiento real bajo distintas cargas.
Evaluación de intervenciones de mejora y adaptación sísmica
Sí, con el módulo MASONRY y el módulo CONCRETE es posible analizar intervenciones de mejora o adaptación sísmica para estructuras existentes y mixtas.
Con el módulo MASONRY, puedes diseñar intervenciones de ajuste o mejora sísmica con placas de hormigón armado, fibras de carbono (FRP), materiales reforzados con fibra (FRCM), cadenas, cables de pretensado, bandas antivuelco, etc.
Con EdiLus CONCRETE, para edificios de hormigón armado, puedes diseñar intervenciones de mejora o adaptación sísmica en las que es posible aplicar refuerzos a los elementos existentes e insertar nuevos elementos estructurales como nuevos pilares, paredes, tabiques, arriostramientos, etc. para modelar, por ejemplo, techos, elevaciones y proceder a una verificación general.
Puedes elegir, desde un menú especial, el tipo de intervención entre los siguientes:
- Chapeado con FRP para Flexión.
- Chapeado con FRP para Cortante.
- Incremento altura.
- Hormigón armado encamisado.
- Cinchado de acero.
- Cinchado con FRP.
- Confinamiento Nudo.
- Refuerzo con revoque armado en las Paredes.
- Refuerzo con FRP en Paredes.
- Sub Cimemntaciones.
EdiLus MASONRY adopta el innovador método de cálculo con esquematización a HP-SHELL triangulares con densificación variable multicapa que permite realizar, en tiempos brevísimos y con extrema sencillez, el modelado de la estructura en el respeto riguroso de las diferentes tipologías de materiales presentes, sin suposiciones simplificativas sobre los datos de los materiales que resultan ser necesariamente aproximativas.
Automáticamente se identifican los elementos de pared resistentes (paneles y bandas) y se realizan las verificaciones legales correspondientes.
Integrando entre sí los módulos de cálculo adecuados, será posible proceder al cálculo y a la verificación también de estructuras mixtas.
Comprobación de elementos y diagnóstico interactivo
Un potente diagnóstico informa de cualquier error de modelado y comprobación de los requisitos reglamentarios.
La explicación detallada de los errores y la conexión dinámica con el objeto en cuestión guían al usuario en la resolución de problemas.
El diagnóstico está activo en cada fase del diseño: en cada modificación compruebas si se han introducido errores o si se han corregido los errores ya presentes.
Las cargas, tensiones, solicitaciones, gracias a la tecnología de objetos, pueden ser interrogadas por el usuario para un control completo del análisis realizado.
El programa de cálculo estructural EdiLus permite la representación de los resultados directamente en forma gráfica a través de diagramas o mapas 3D a color.
Con la función de animación 3D a color de la estructura, EdiLus permite, al visualizarla, evaluar la evolución dinámica de la estructura bajo efecto de sismo.
Limitaciones y alcance del análisis
EdiLus está diseñado para edificios destinados a uso residencial, público, oficinas y comercial, pero no es adecuado para el diseño de puentes, obras de infraestructura, redes ferroviarias, estructuras con elementos pretensados y presas.
EdiLus ha sido desarrollado para el diseño de nuevos edificios y para la verificación de intervenciones como la mejora y la adaptación sísmica de edificios existentes que involucran, por lo tanto, el comportamiento y la verificación de la estructura en su totalidad.
Por lo tanto, no se ha desarrollado para la verificación de reparaciones o locales.
Sin embargo, esto no significa que no sea posible modelar y verificar/diseñar incluso elementos individuales o algunas partes estructurales (como cubiertas, cimientos, etc.).
Corresponde al usuario demostrar que la intervención local no modifica el comportamiento de las otras partes y de la estructura en su conjunto y que las intervenciones no comportan una reducción de los niveles de seguridad preexistentes.
El módulo no está concebido para calcular una estructura completamente de madera, ya que no prevé los ajustes específicos para el cálculo sísmico de este tipo de estructura (factor de comportamiento, comprobaciones disipativas de los elementos estructurales, etc.).
Sin embargo, se puede modelar y calcular una estructura completamente de madera definiendo el comportamiento NO disipativo o prestando atención a la definición correcta del factor de comportamiento (que se definirá manualmente) o cualquier otra configuración para el cálculo sísmico.
Documentación, planos y presupuesto
Con el programa de cálculo estructural EdiLus obtenemos el Informe y las Tablas de cálculo, Planos de ejecución y el Presupuesto.
Los planos de ejecución se producen directamente dentro del programa, a través de una simple operación de arrastrar y soltar.
Todos los documentos producidos se pueden imprimir o exportar en formatos estándar para otros procedimientos (dxf, dwg, pdf, rtf, etc.).
Con EdiLus puedes exportar todas los planos en formato dwg/dxf, PDF y la vista 3D de la estructura en el formato IFC típico de los modelos BIM.
Obtienes automáticamente del modelo BIM todos los documentos del proyecto, de acuerdo con las últimas disposiciones legislativas: planos de estructura, armaduras, informe técnico general, tablas de cálculo, informe geotécnico, planos ejecutivos, plan de mantenimiento y mediciones y presupuesto de la estructura (con PriMus).
El diseño estructural y el presupuesto están completamente integrados en una sola fase de trabajo.
El diseño y el cálculo de la estructura, con la definición de los refuerzos, de las conexiones de acero, etc., producen automáticamente mediciones y presupuesto gracias a las funciones integradas directamente en EdiLus.
Los cambios de diseño se reportan inmediatamente en la estimación, de modo que cualquier elección o cambio sea coherente y se integre inmediatamente en los documentos y estimaciones de diseño.
Para funciones de presupuesto avanzadas, los datos se pueden exportar a PriMus.
Selección del profesional y control de la responsabilidad técnica
La seguridad de las estructuras debiera prevalecer ante las consideraciones económicas, de manera que cualquier reducción de costos no la afecte de manera fundamental.
Para cumplir con esta finalidad, los profesionales que ejerzan esta actividad deben poseer una alta calificación y una honestidad profesional intachable.
Un calculista estructural es un profesional especializado en el cálculo de estructuras. Su función principal es realizar los análisis y cálculos necesarios para garantizar la seguridad y estabilidad de las construcciones.
El presente Registro de Ingenieros Civiles Estructurales del Colegio de Ingenieros califica los estudios y clasifica la experiencia del ingeniero dedicado al cálculo de estructuras y certifica que éste no registra faltas al Código de Ética profesional del Colegio.
La pertenencia al Registro no garantiza la calidad del trabajo.
El Registro entrega niveles de experiencia de los ingenieros inscritos. Por ser muy amplia la diversidad de proyectos, es recomendable para un proyecto específico, verificar su experiencia en proyectos similares por otros medios.
Esto es particularmente importante para proyectos especiales.
La inscripción en el Registro será voluntaria.
Por disposición estatutaria y en el entendido de que la responsabilidad sobre los proyectos es personal, la inscripción será también personal.
Quienes soliciten la inscripción deberán cumplir con los siguientes requisitos:
- Estar en posesión del título profesional de Ingeniero Civil, emitido por una universidad nacional reconocida por el Estado o extranjera que tenga intercambio en Chile, cuyos programas de estudios sean reconocidos por el Colegio de Ingenieros.
- Haber realizado estudios de especialización en ingeniería estructural que incluyan como mínimo 1000 Unidades Docentes de 60 minutos en las siguientes materias: Análisis Estructural, Geotecnia, Mecánica de Sólidos, Métodos Constructivos, Diseño en Acero, Diseño en Hormigón, Diseño en Madera, Fundaciones, Dinámica de Estructuras, Diseño Sismorresistente, Computación aplicada a la Ingeniería Estructural.
- Ser socio activo del Colegio de Ingenieros.
La experiencia que presente el postulante al Registro deberá venir ordenada, detallando las obras proyectadas y sus características completando la información que se solicita en los Formularios anexos a este Reglamento.
Deberá indicar si el trabajo fue realizado como jefe de proyecto, como proyectista, como ayudante o como asesor parcial, socio o ejecutivo superior de la empresa responsable del proyecto frente al mandante.
Según lo anterior, la experiencia que representa el trabajo se ponderará por un factor 1,0 para el jefe de proyecto, por 0,7 para el proyectista, por 0,3 para el ayudante y por 0,2 para asesor parcial, socio o ejecutivo superior que solo haya participado de manera indirecta en el proyecto con aporte de ideas generales.
Flujo recomendado para una escuela existente
- Reunir la información disponible del edificio, sus planos, materiales, modificaciones, ampliaciones y antecedentes de mantenimiento.
- Realizar el levantamiento de la estructura y verificar las condiciones reales de los elementos.
- Definir las cargas permanentes, variables, ambientales y sísmicas aplicables.
- Incorporar las condiciones del suelo y de las cimentaciones.
- Modelar la estructura en dos o tres dimensiones mediante objetos paramétricos.
- Importar el modelo arquitectónico mediante IFC cuando exista un modelo BIM.
- Asignar las propiedades dimensionales, geométricas y físicas de cada objeto.
- Ejecutar el análisis estático y sísmico mediante el solucionador integrado de elementos finitos.
- Visualizar diagramas, mapas 3D, tensiones, solicitaciones, desplazamientos y evolución dinámica.
- Revisar el diagnóstico interactivo y corregir los errores de modelado o de comprobación.
- Evaluar la necesidad de refuerzos, nuevos elementos estructurales o intervenciones en cimentaciones.
- Actualizar el modelo después de cada modificación y verificar nuevamente la estructura en su conjunto.
- Generar informes, tablas de cálculo, planos ejecutivos, mediciones y presupuesto.
El diseño y cálculo estructural es el proceso de diseñar y calcular la resistencia y estabilidad de una estructura.
Este proceso implica analizar las cargas y fuerzas que actúan sobre la estructura, seleccionar los materiales adecuados y determinar las dimensiones y distribución de los elementos estructurales.
La evolución tecnológica ha transformado el cálculo estructural, haciéndolo más rápido, preciso y eficiente.
El cálculo estructural es más que un requisito técnico: es el corazón que sostiene la seguridad, funcionalidad y eficiencia económica de un proyecto.
- Seguridad: evita fallas que puedan poner en riesgo vidas humanas.
- Optimización de materiales: asegura un balance entre resistencia y costo.
- Cumplimiento normativo: garantiza que la obra cumpla estándares locales e internacionales.
- Durabilidad: contribuye a la vida útil prolongada de la edificación.
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