Diseño de las cargas en edificios - Jorge Bernal Capítulo 02: Historia de las cargas

Jorge Bernal

Capítulo 2:

Historia de las Cargas

1. Introducción.

Antes de iniciar con el estudio de las causas y los efectos de

las cargas en los edificios, es conveniente estudiar la historia de la

relación entre la comunidad técnica, las cargas y las construcciones a

largo de los siglos.

Quienes estudiaron por primera vez la relación de las cargas

respecto a su posición en una viga, fueron los griegos (500 aC). Lo

hicieron desde una herramienta: la palanca. Es posible que hayan

descubierto la primera expresión de pronóstico, de predicción.

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En lo anterior, los antiguos sabios aplicaron el método induc-

tivo, desde la observación y pruebas, lograron una expresión general

de cálculo. Con ella es posible conocer P1 en función de P2 y las dis-

tancias de aplicación.

La palanca viga se la aplicaba de manera empírica. Sus proce-

dimientos avanzaban y mejoraban sobre la prueba y el error. Cada

región, cada reino poseía sus propios procedimientos. Existía un

caos en el uso de las unidades de las longitudes y de las fuerzas. Re-

sultaba imposible concebir un solo idioma técnico. La Torre de Ba-

bel, imposible de construirla. Mayor complejidad aún por la precaria

matemática.

Antes de la revolución científica, antes que aparecieran las ex-

traordinarias fórmulas matemáticas de dimensionado, el estudio del

efecto de las cargas en construcción de los edificios no era priorita-

rio. Se le asignaba relativa y poca importancia. Por dos motivos; la

edificatoria en ésa época resultaba muy pesada comparada con las

fuerzas externas que resistía. La otra causa, no había aún ciencia al-

guna que ordene y estudie las fuerzas y la masa.

En ésa época, el mecanismo más común era la bóveda o el ar-

co, que combinado con el material más usual, el ladrillo o la piedra,

daban como producto a estructuras de elevado peso propio. El único

material utilizado en flexión era la madera.

2. La revolución científica.

El conocimiento, el método y el cálculo llegan de la mano de

la Revolución Científica primero, de manera experimental, casi em-

pírica. Ensayos, laboratorios e interpretación. Es un conocimiento

que por uno o dos siglos queda solo en manos de los grandes cientí-

ficos. Son ciencias básicas, teóricas, difíciles de explicar y más de

justificar mediante la matemática.

Fueron muchos sabios, genios, que se interesaron en los efec-

tos que causan las cargas a las piezas estructurales, sean vigas, co-

lumnas, tensores o arcos. Solo analizamos parte de la descomunal

obra realizada por Leonardo da Vinci y luego, casi a un siglo por

Galileo Galilei.

Hasta hace pocas décadas atrás la ingeniería civil daba a Gali-

leo el honor de haber creado las ciencias de la Resistencia de Mate-

riales y la Estática. A mediados del siglo pasado se descubren en Es-

paña el “Códice de Madrid” escrito por Leonardo da Vinci que in-

vestiga, analiza, se pregunta, cuál es la relación de las cargas con los

materiales, las formas, el tamaño y la posición. Con ese tardío des-

cubrimiento, ahora es Leonardo quien inventa las Ciencias primiti-

vas de la ingeniería estructural.

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Cód. I f. 137 r. (Códices de Madrid)

En los dibujos superiores, Leonardo realiza un brillante análi-

sis de la viga. Allí relaciona, para el asombro de los siglos:

De la viga: el tamaño, la forma de la pieza, la elástica y la

curvatura.

De las cargas: la posición, la forma y la intensidad

Increíble, deja un parámetro constante y hace variar los otros.

Con esa sola página a Leonardo le corresponde la honra de creador

de las ciencias primeras de la ingeniería.

Casi cien años después, sin conocer los escritos de Leonardo,

es Galileo quien comienza a preguntarse por la diferencia entre peso

y masa. Entre reposo y movimiento. Ensaya, experimenta, prueba.

Mide. Crea la verdadera ciencia desde el método de la experimenta-

ción. Sin saberlo continua por otros caminos lo iniciado por Leonar-

do. A Galileo le faltan pedazos de la matemática que aún estaban au-

sentes. Solo puede describir sus descubrimientos mediante el diálogo

de tres personajes en “Discurso sobre dos nuevas ciencias”, allí, co-

mo en un teatro Salviati, Sagrado y Simplicio, los actores, haciendo

un esfuerzo literario por explicar los novedosos conocimientos.

Galileo retoma el análisis de la palanca desde los escritos de

los griegos (Aristóteles y Arquímedes) y avanza hacia el voladizo

que es una palanca donde apoyo y reacción se encuentran en el em-

potramiento del muro. La fuerza, la carga la identifica con un “gra-

ve”; una piedra colgando en el extremo. Es el caso de voladizo con

carga concentrada. El dibujo delata la falta de símbolos de la época:

el vector fuerza es un gancho con una piedra.

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También incursiona en las cargas uniformes repartidas. Para

ese caso dibuja la viga en voladizo y considera su peso propio como

carga distribuida.

Todas las investigaciones y resultados realizados por Leonar-

do y Galileo son descriptivos; aún faltaban los signos y los símbolos

para expresarlos mediante una fórmula matemática. Sus estudios los

realiza en el campo de la mecánica estática, fija. Por método o por

complejidad, deja de lado las deformaciones de la viga.

3. El cálculo diferencia.

Newton completa los pensamientos de sus antecesores, con

sus leyes de gravitación universal y descubrimiento del cálculo dife-

rencial. Con esa herramienta logran incursionar en la mecánica di-

námica; es posible estudiar y representar mediante el cálculo dife-

rencial las elásticas de las vigas, también sus curvaturas.

Con los avances entregados por Newton y Leibniz, es posible

combinar en una sola expresión todas las variables de la viga en re-

lación a la carga: material, longitud, sección transversal, condiciones

de borde, posición y magnitud de carga, elástica y curvatura. Queda

resuelto el misterio de la conducta de las vigas en relación a las car-

gas. Al principio, gran parte del siglo XIX estas expresiones, estos

descubrimiento de carga y viga, quedaron en el recinto de los labora-

torios, de las aulas y de los escritos de científicos. Los constructores

las rechazaron por siglos y continuaron aplicando el empirismo junto

a la prueba y el error.

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4. La revolución industrial.

La Revolución Industrial que surge a fines del siglo XVIII

impulsada por la máquina de vapor introduce la industrialización se-

riada y la incorporación del hierro; los perfiles metálicos. Esta nove-

dad modifica la tradición en los constructores; se deja el arco, la bó-

veda, la bovedilla y se reduce el peso propio de las piezas soportes.

Hay un cambio notable, las cargas de uso, las de servicio pueden ser

mayores que las de peso propio. Entonces es necesario recurrir al

cálculo, al dimensionado mediante fórmulas. Las cargas adquieren

protagonismo en ese estudio.

El acero, el hierro, tiene un costo elevado; es necesario reducir

las secciones y adecuar el diseño. Entonces, recién entonces se recu-

rre a las fórmulas matemáticas que estaban a la espera de ser utiliza-

das. Aparece el cálculo estructural; es posible el dimensionado de las

piezas desde el método deductivo.

En esa época se crean las primeras sociedades científicas y

universidades. La imprenta trae bajo su brazo los libros que popula-

rizan y divulgan el conocimiento. Aparecen las primeras carreras de

ingeniería y arquitectura. Se ordenan y se aplican las ciencias a las

prácticas de la construcción.

Luego de varios colapsos de obras, tanto en uso como en

construcción, en especial los puentes metálicos, se instala la con-

ciencia de analizar las cargas de otra manera más precisa. Así, len-

tamente los proyectistas, van corrigiendo sus metodologías de cálcu-

lo y considerando cada vez con mayor cuidado y atención el correcto

lugar que deben ocupar las cargas en la etapa del diseño y cálculo de

las estructuras. Aparece el análisis de cargas como tarea previa al

cálculo. Surgen los reglamentos que indican la manera de diseñar las

cargas.

5. El método de rotura.

Desde la década del 1960 en forma lenta y continua se cam-

bian los métodos de cálculo. Hasta esa fecha se utilizaba el método

de las tensiones admisibles; eran los esfuerzos resistentes que debía

adoptar el calculista, en general estaban en función de la tensión de

rotura y del módulo de elasticidad (para control de curvaturas).

Con el avance de la tecnología de los materiales se logra bue-

na uniformidad en las tensiones de rotura. Se dejan de utilizar las

tensiones admisibles y son las cargas quienes deben responder al

cálculo definitivo. La dedicación de un estudio prolijo y preciso pasa

de un antes de las tensiones admisibles a un ahora de las cargas.

6. Informática.

A fines del siglo XX la informática que aún estaba solo en

grandes centros científicos o de producción, se masifica, se vuelve

popular. Las computadoras, las impresoras y toda la tecnología ad-

quieren un precio accesible para la comunidad. Dentro de la ingenie-

ría estructural trae el enorme beneficio del cálculo de estructuras por

elementos finitos, o matricial. Las computadoras se encargan de rea-

lizar las engorrosas y aburridas operaciones de cálculo.

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Pero hay algo que no puede automatizar la informática: las

cargas. Ellas deben ser diseñadas y estudiadas con extremo cuidado

por los proyectistas ingenieros. Las cargas es el principal “dato” que

debe ser incorporada a la máquina. En cada uno de los pasos que

analizamos en esta corta historia, observamos que las cargas adquie-

ren cada vez más protagonismos en las ciencias de la construcción.