Reflexiones sobre el diseño de estructuras de concreto

Resumen

Tecnología y estética no tienen por qué estar reñidas, contrariamente a lo que parecen sugerir muchas obras de concreto que, aunque técnicamente muy avanzadas, ostentan una falta de belleza que nada tiene que ver con las posibilidades del material, como a veces se cree. Además, la estética es un componente importante de la calidad, como lo señala el autor de este artículo en el análisis que hace de algunos aspectos fundamentales del diseño estructural.

Al contemplar el estado del arte de las actuales estructuras de concreto en mi país, y también en muchos otros, no puedo sino observar con verdadero pesar que existe una profunda brecha entre la pobre calidad general de gran parte de las estructuras de concreto construidas actualmente, por un lado, y el asombroso avance del desarrollo tecnológico, por el otro.

Al confrontar de este modo la calidad con la tecnología, por supuesto me veo obligado a definir ambos conceptos en su sentido más amplio. Calidad significa no solamente manufactura y construcción perfecta, seguridad y durabilidad, sino también, al menos con el mismo nivel de importancia, estética y compatibilidad con el medio ambiente, incluyendo la escala adecuada, el menor consumo de recursos naturales, la posibilidad de reusarlos, etcétera.

La tecnología, empezando con la ciencia de los materiales, comprende todas las actividades soportadas por computadora, desde el análisis, pasando por la visualización, hasta la manufactura robotizada y todos los otros medios mecánicos sofisticados con que contamos actualmente en nuestras construcciones, estén situadas frente a las costas o mar adentro, abajo en el suelo o arriba en los edificios de gran altura.

Al ver la mayor parte de nuestras estructuras, especialmente las que están hechas de concreto, parece como si su calidad holística no hubiera avanzado al mismo ritmo que el desarrollo tecnológico.

Tomemos los puentes como las estructuras más típicas diseñadas por ingenieros, para ejemplificar lo que quiero decir. Si bien es cierto que existe un progreso considerable en los grandes puentes, que por lo regular son también estéticamente aceptables debido a su gran tamaño y su majestuosa apariencia –el Puente Second Hooghly es un ejemplo aquí en Calcuta, y yo mismo puedo estar orgulloso de ello–, hemos descuidado los puentes comunes de menor tamaño, que son, por su impacto en el hombre y en el entorno natural o construido, de mucha mayor importancia que los puentes grandes, debido a su gran número y porque están mucho más cerca del hombre y de otros edificios o estructuras.

Un gran número de los primeros y orgullosos puentes, especialmente los que se hicieron después de la revolución industrial, e inclusive hasta 1960, incluyendo los construidos por gente famosa cuyo nombre nos hace abrir los ojos de asombro, ¡fueron reemplazados por la monotonía y la timidez! En aquellos días, un puente de una calle era bastante diferente de un puente de una línea de ferrocarril, en cuanto a material y forma; un puente en el interior de una ciudad era distinto de un puente sobre un río en el campo. Se aplicaban todos los cánones de formas en la construcción de puentes. Actualmente, todos son parecidos, torpemente monótonas trabes hechas de unidades prefabricadas, o vigas en cajón de una altura estructural constante, inclusive si varían los claros, con juntas transversales o longitudinales que descansan en apoyos –como cacerolas planas– de modo que cada superestructura se acomoda en cualquier pilar, intercambiable y reemplazable. Así pues, no sólo los arquitectos, al hacer un uso inadecuado del concreto, han contribuido a que éste haya perdido considerablemente la aceptación del público, sino también los ingenieros; y esto es más obvio si además de los puentes pensamos en la construcción de infraestructura común tal como plantas de tratamiento de aguas residuales, estaciones generadoras de electricidad, o de muros de retención, barreras acústicas, etcétera, etcétera.

Por supuesto, esta situación insatisfactoria de ningún modo debe malinterpretarse como una exigencia para reducir o descuidar el desarrollo científico y tecnológico; no, eso debe quedar claro. La calidad holística en la ingeniería estructural solamente puede ir acompañada de la más reciente y avanzada tecnología, así como la buena estética en ingeniería estructural sólo puede resultar como consecuencia de la materialización de un flujo transparente de fuerzas de la manera más eficiente. El objetivo último del diseño estructural apunta a la solución técnica más perfecta y más eficiente, a la expresión estética adecuada.

Cómo cerrar la brecha entre la calidad de conjunto y la tecnología actual

El carácter del concreto

Antes que nada, debemos recordar que el concreto, por su carácter, es un material monolítico, hecho para ser colado en cimbras tridimensionales, de lo que resultan formas esculturales de cualquier tamaño que no se ven perturbadas por juntas o dispositivos de reajuste. Los miembros rectos simbolizan el acero o la madera, sus juntas son resultado de su típica longitud de fabricación, limitada por las necesidades del transporte y la altura de un árbol.

La calidad del concreto mismo resalta más si el diseño no lo priva de su naturaleza monolítica. La mejor junta es que no haya juntas. El mejor apoyo es que no haya apoyos. Si nosotros conocemos y utilizamos la ductilidad y la capacidad del concreto reforzado para compensar el esfuerzo debido al asentamiento o a los efectos de la temperatura, estaremos en camino de lograr este objetivo. La investigación, por ejemplo, del efecto de confinamiento del refuerzo sobre la capacidad de rotación, o de la capacidad del concreto para transferir fuerzas sobre grietas con la ayuda del empacado de los agregados, es realmente útil para un proceder en esta dirección.

Debemos darnos perfecta cuenta de las posibilidades de dar forma al concreto conscientemente para mejorar el comportamiento: las secciones lisas y abiertas son mejores que las muy adornadas, onduladas y huecas. Ellas permiten un mejor control del recubrimiento de concreto, evitan tensiones por temperatura entre la parte interior y la exterior, son más fáciles de inspeccionar y de mantener, y por último, pero no menos importante, necesitan menos juntas de construcción, o no las necesitan. Una losa es superior a una sección en T abierta, y esta última, mejor que una trabe de cajón cerrada. Para dar un ejemplo, en el caso del puente de Evripos, con un claro de 214 m y un ancho de 14.1 m, nosotros escogimos una losa sólida de concreto y la conectamos rígidamente a las pilas (figura 1). Estas pilas, de una altura suficiente, responden elásticamente a la expansión por temperatura, y los momentos en la losa a causa de la carga viva en las pilas de apoyo no son mayores que en cualquier otro punto a lo largo de la losa, debido a su pequeña resistencia a la flexión, de lo que resulta una estructura elegante y robusta. A propósito, me parece que este tipo de puentes es muy apropiado para las condiciones de la India, donde con frecuencia se necesitan puentes relativamente angostos, con claros largos. La necesidad de claros largos puede ser el resultado de profundos derrubios, que requieren pozos profundos cuyo número debe reducirse al mínimo por razones de costo. Este tipo de puentes es también apropiado para configuraciones de claros múltiples.

Sin lugar a dudas, el concreto es el material de nuestro tiempo. Satisface las demandas de los arquitectos y fabricantes modernos: puede adquirir libremente cualquier forma en la obra. En este contexto, hay que mencionar los cascarones, la más genuina de las estructuras de concreto. Si estamos interesados en estructuras que adquieran la belleza natural de sus formas lógicamente a partir del flujo de fuerzas, y que requieran propiedades del material que son únicas del concreto, entonces debemos lamentarnos del hecho de que casi han desaparecido. Esto, por supuesto, se debe al costo excesivo de sus cimbras, con el efecto de que la indiscutible calidad de los cascarones no va de la mano con los criterios de economía. Sin embargo, en vista de que actualmente tenemos técnicas más avanzadas de moldeo, grúas y bombas más efectivas, y nuevos materiales como el concreto de alta resistencia, el hecho de que no se estén construyendo más cascarones parece ser consecuencia de una falta de imaginación en el diseño. El uso de concreto reforzado con fibra de vidrio o de cimbras neumáticas, son ejemplos de nuestros esfuerzos por revivir la construcción de cascarones

De hecho, también se necesita muy poco para revivir el carácter del concreto en el diseño de puentes. ¿Por qué no moldear una viga maestra de acuerdo con sus fuerzas y dejar que la forma siga el diagrama de momento, como en el caso de un simple paso a desnivel elevado ? ¿O por qué no se permite también jugar (por supuesto, dentro de los límites) con las formas y aplicar moldes circulares en el caso de aceras de la estructura del marco de un puente? Este marco de puente, con una longitud total de aproximadamente 80 m, se construyó sin ninguna junta, parcialmente presforzado con un refuerzo que controlaba cuidadosamente el agrietamiento y que se comporta satisfactoriamente.

El papel del diseño conceptual

Debe ser sorprendente para un observador de la escena de la ingeniería estructural, el poco tiempo empleado habitualmente en la fase inicial del diseño de una estructura, el diseño conceptual, en comparación con las fases posteriores, en donde lo que ha sido inicialmente concebido se realiza dentro de los límites de este diseño conceptual. Más tarde, los ingenieros informan con orgullo sobre su inmenso esfuerzo mental y en computación para controlar las fuerzas exactas en cargas extraordinarias, refinando la malla-FEM para desarrollar una disposición muy intrincada del refuerzo en una junta complicada, o para encontrar la mezcla especial de concreto, incluyendo superfluidificadores, para asegurar que penetre en un armado de refuerzo extremadamente denso.

Al mirar con mayor detenimiento tales "problemas" y sus sofisticadas soluciones, en la mayoría de los casos encontraremos que su origen es un diseño conceptual negligente. La mayor parte, simplemente no hubiera ocurrido si se hubieran reconocido durante esa fase del diseño, en la que pudieron haberse evitado sin consecuencias. Es lamentable que debido a esta negligencia, la fase final del diseño, el análisis y el manejo, frecuentemente tiene ya el carácter de un trabajo de reparación, que a menudo da como resultado más tarde una reparación real, exactamente en estos puntos. Inclusive, muchas fallas pueden rastrearse en un diseño conceptual deficiente. Un diseñador responsable pondrá todo su esfuerzo y dedicación en el diseño conceptual, aplicará sus conocimientos y experiencia, tratará de pensar con anticipación, esquematizando los detalles importantes con base en un análisis simplificado, de tal modo que el diseño final sólo necesite confirmar lo que ya se sabía.

La fase del diseño conceptual es también la fase más creativa, que comprende así el gozo que da la ingeniería; entonces, ¿por qué perderse esta oportunidad?

Esto no es exagerar el papel del diseñador o subestimar la necesidad de excelente mano de obra o permitir que los contratistas evadan su responsabilidad, pero es un hecho que un gran número de deficiencias que se atribuyen en primer término a errores o negligencia en la obra, pueden tener su origen en el diseño. Todos nosotros conocemos muchos ejemplos de esto.

Uno no puede diseñar, ni trabajar, con un material que no conoce ni entiende perfectamente. Por lo tanto, la calidad del diseño empieza con la educación. La ingeniería estructural es una profesión práctica, y por lo tanto, no debe admitirse ningún estudiante sin una capacitación práctica. Ningún plan de estudios universitario debe dejar de incluir cursos sobre esquemas, dibujos y modelado. A los estudiantes hay que enseñarles cómo vivir con las computadoras, pero a usarlas solamente después de haber obtenido resultados aproximados por medio de cálculos prácticos y a convivir con sus futuros colegas arquitectos. Esta es la mejor inversión para la calidad. También requiere conceptos transparentes y consistentes de diseño para el concreto reforzado y presforzado. Tales conceptos pueden derivarse únicamente de modelos físicos, y nosotros debemos alejarnos del empirismo. La propuesta de usar modelos de puntales y amarres, una analogía generalizada de armadura, como una herramienta efectiva a este respecto, afortunadamente está encontrando más seguidores.1 y 2 Ello podría tender un puente sobre la brecha que pudiera abrirse entre los ingenieros prácticos, quienes necesitan herramientas a la mano, y aquellos investigadores que sólo creen en resultados de computadora, satisfaciendo a ambos: el practicante los usará en el trabajo diario de diseño, y el investigador podrá obtener de ellos los datos de entrada que luego procesará en su computadora.

Una mejor comprensión del comportamiento del concreto reforzado y del contexto de las estructuras que se hacen con él, ciertamente nos hará dar cuenta de que en el pasado, con mucha frecuencia, hemos dirigido nuestros esfuerzos a factores de importancia secundaria, respecto a la calidad y la economía. No tiene sentido luchar denodadamente durante años, si los ahorros en estribos son insignificantes en comparación con el resultado de otros parámetros de diseño. No tiene sentido calcular el ancho de las grietas con una precisión extrema, si su influencia en la durabilidad sólo puede medirse en términos muy amplios. No tiene sentido refinar infinitamente un análisis FEM si las propiedades del material o las imperfecciones geométricas se originan en un sitio de construcción desnivelado.

Sin embargo, sí tiene sentido aplicar la imaginación al diseño y al detalle estructural. La calidad así obtenida no cuesta más, sino al contrario, produce ahorros.

Al seleccionar los materiales –concreto, acero, madera, plástico– debemos guiarnos sólo por la pregunta de si sus propiedades específicas son apropiadas para el propósito dado. El uso combinado de diferentes materiales en una estructura, una solución híbrida, promete mejores resultados. Como lo demuestra el puente Second Hooghly, la trabe para puentes con un claro largo y atirantado con cables es superior a la trabe de concreto puro o acero puro. Los edificios de gran altura erigidos en acero, y después recubiertos en concreto, son los más económicos. Los puentes con trabes de cajón con losas de concreto en la parte de arriba y de abajo, y almas de acero, abren nuevas posibilidades.

Tal como se mencionó, una losa de concreto es superior a una sección más complicada. En el caso de los puentes, ahora pueden conectarse homogéneamente a las columnas de apoyo, evitando así los apoyos adicionales. ¿Por qué, si la flexibilidad lo requiere, no hacer estas columnas de acero y después conectarlas directamente a la losa y a los cimientos de concreto (figuras 7 y 8)?

Las losas de concreto, en combinación con mástiles de acero y suspendidas de cables, hacen puentes peatonales muy ligeros, ornamentales y hermosos (figura 9). Si nosotros nos preocupáramos más por este tipo de puentes, en nuestras ciudades lo mismo que en campo abierto, contribuiríamos en verdad a mejorar la imagen del ingeniero estructural en nuestra sociedad.

¿La calidad a través del reemplazo?

Actualmente existe la tendencia no sólo a hacer estructuras accesibles a la inspección, sino también a diseñar ciertas partes con respecto a un posible, o inclusive planeado, reemplazo después de algún tiempo. Ejemplos típicos son los apoyos de candelero o los tendones de presfuerzo aplicados externamente a los puentes. Se proponen pinturas o recubrimientos de plástico para asegurar las durabilidad del concreto, el cual también necesita ser renovado después de algunos años.

Estoy de acuerdo en que tales ideas no deben condenarse de manera general, por ejemplo, los barandales y guarniciones de un puente sujeto a un intenso rociado de sal deben ser reemplazables sin tener que construir un nuevo puente en su totalidad. La pintura y el enyesado en una casa es otro ejemplo obvio. Sin embargo, es necesario una palabra de advertencia contra las tendencias de llevar esto demasiado lejos. Un edificio o una estructura, antes que nada, deben ser diseñados y construidos para durar. Tal es su carácter, comparado con el de una máquina. Esto es lo que el usuario espera de ello. Si la tendencia continúa, el diseñador se concentrará en la reemplazabilidad en vez de hacerlo en la calidad. Si la negligencia no tiene serias consecuencias, esta práctica se verá alentada. Si la superficie de concreto es trabajo de un pintor, al contratista de concreto no le importará mucho. El resultado será un desastre desde el punto de vista de la calidad, incluyendo la arquitectura. Los edificios y las estructuras se convertirán en patio de depósito de piezas individuales de repuesto que no necesitan ser compatibles, porque pueden intercambiarse. En Alemania, aunque la trabe de cajón de una sola célula para puentes de carreteras de seis carriles se desarrolló allí, actualmente está prohibida, en favor de las trabes de caja individuales en pilotes separados, de modo que se pueda reparar o reemplazar la mitad del puente mientras el tránsito continúa corriendo en la otra mitad. Otro caso son los ferrocarriles que prescriben vigas de tipo estándar, simplemente apoyadas, para los nuevos trenes de alta velocidad, que se pueden reparar de la noche a la mañana. El resultado es insatisfactorio, no solamente desde el punto de vista estético, sino también con respecto a la durabilidad. Estas estructuras no solamente serán reparables; efectivamente tendrán que ser reparadas.

¿La estética es una inquietud de los ingenieros estructurales?

Somos testigos de una trágica esquizofrenia en lo que respecta a la arquitectura: pocos tipos de edificios gozan de interés y afecto. El resto son tratados como objetos funcionales y tecnológicos. Para los primeros –edificios administrativos importantes, museos, etc., e inclusive algunos jardines de niños o casas particulares–, convocamos a concursos de diseño, los discutimos en público y gastamos mucho dinero. Los segundos –fábricas, oficinas, centros comerciales, etc.–, los llamados edificios funcionales o utilitarios, únicamente tienen que servir para su propósito y ser baratos. Nosotros, los ingenieros, somos los principales responsables de la estética de los puentes, las torres de comunicaciones y de enfriamiento, las instalaciones de tránsito, los silos y contenedores, etc., que son, con frecuencia, de una fealdad indescriptible, puros productos de la tecnología de la construcción, de un materialismo primitivo, construidos sin imaginación ni afecto.

¿Por qué molestarnos? ¿Cuál es el valor de la estética? Antes que nada: la arquitectura, el arte de la construcción, es indivisible. Si excluimos algunas áreas, actuamos contra la cultura. ¿Qué pasaría si nuestros ancestros, en tiempos de mucha menor riqueza, hubieran tratado estas estructuras como lo hacemos nosotros? ¿Admiraríamos ahora sus ciudades y sus puentes? ¿Merecería preservarse –como afortunadamente hemos empezado a hacerlo desde hace algún tiempo– la herencia arquitectónica de los albores de la industrialización?

"La estética alivia la tensión de la mente y uno se siente relajado en la proximidad de escenas naturales, sonidos, personalidades, estatuas, pinturas y estructuras estéticamente bellos. Por lo tanto, la estética es esencial para la vida humana". (C.V. Kand, ingeniero estructural de Bhopal, India, en una carta personal reciente al autor).

Más aún: ¿podemos ignorar el hecho de que las monstruosidades que han hecho del concreto el sinónimo de la insensibilidad y la tecnología mal utilizada, contribuyan en gran medida a esta continua hostilidad hacia la tecnología como un todo, la cual la humanidad ciertamente no puede permitirse, ya que depende en gran medida de los procesos tecnológicos y del progreso? ¿Hay peor manera de hacer propaganda a nuestra profesión que mediante el uso de productos de mal gusto? Otras ramas se han dado cuenta desde hace mucho tiempo de la importancia del diseño industrial. Algunas compañías, inclusive, hacen hoy día propaganda a sus productos con la llamada arquitectura de alta técnica de sus edificios. ¿Y qué hay acerca de nuestro capital más importante, nuestros noveles profesionistas o la generación que viene? ¿No deberíamos reflexionar sobre el hecho de que nuestras escuelas de arquitectura están sobrepobladas, mientras que la ingeniería estructural se ve afligida por la carencia de talento joven? Si una profesión es incapaz de probar que busca la creatividad, no atraerá a hombres y mujeres jóvenes creativos; esto se vuelve un círculo vicioso.

¿Cómo podemos cambiar esta situación? En primer lugar, por medio de la educación, como ya se mencionó antes respecto al diseño en general. Después, haciendo que los ingenieros estructurales estén conscientes de que ellos producen arquitectura y que tienen que aprender cómo hacerlo, y ofreciendo los cursos y la capacitación necesarios en nuestras escuelas y universidades. Además, creando una demanda de tal creatividad, que morirá nuevamente si no la alentamos. Para este fin, nosotros debemos hacer publicidad de nuestras estructuras; crear conciencia de la belleza posible de un puente, de su impacto sobre el medio ambiente; pedir a los críticos de la arquitectura que tomen nota y que también discutan en sus medios estos tipos de estructuras.

Esta propaganda en favor de una mejor aceptación de las "estructuras funcionales" es todavía más necesaria para hacer que el público acepte gustosamente que, también en este campo, la calidad tiene su precio. Para esto, es absolutamente necesario vencer un prejuicio o error, que por alguna razón también comparten algunos colegas respetables; específicamente, que la calidad estética de la ingeniería estructural no cuesta nada extra. Se argumenta que para estas estructuras, a las buenas cimbras automáticamente sigue la buena solución técnica. Esto no es verdad. Inclusive una estructura no funcional bajo prerrequisitos dados, por ejemplo un puente sobre un valle particular, tiene múltiples soluciones (figura 10), y la elección siempre será subjetiva, llevando a un conflicto entre la calidad estética y la economía. Esto es especialmente cierto en estos tiempos de altos costos de mano de obra. Es más fácil gastar en material y ahorrar en mano de obra. Esto lleva a una uniformidad orientada a la manufactura. La trabe en cajón de altura constante, inclusive si varía el claro, se acomoda en cualquier valle. Esto no permite delicadeza, ligereza, variedad, los atributos indispensables de la belleza.

Nuestros clientes, en su mayoría empleados del gobierno, necesitarán la aprobación y el respaldo del público si han de estar preparados para considerar, no lo más barato en una licitación, sino lo mejor, en donde "lo mejor" comprende todos los ingredientes de la calidad. Así pues, el único problema pendiente sería determinar cuál diseño para un edificio o estructura dado combina realmente calidad y economía de la mejor manera. Parece que la mayor cantidad de concursos de diseño lleva en la dirección correcta, tal como ha sido practicado por arquitectos durante mucho tiempo, y también por ingenieros estructurales, en ciertos casos con gran éxito. A propósito, esto también ayudaría al cliente a escoger el "mejor consultor" para un proyecto dado, si él no desea confiar en otros criterios, como registros previos. Es muy lamentable que más y más clientes seleccionen a su consultor por las ofertas u honorarios más bajos. Este es un caso de falsa economía.

Esto, sin embargo, de ninguna manera debe dar como resultado la competencia de los arquitectos en materia de puentes. Ellos no han aprendido y no saben cómo diseñar puentes, y si lo hacen, el resultado será una pura repetición de diseños anteriores. Los puentes son nuestros, y nosotros debemos invitar a los arquitectos como asesores, especialmente en el caso de puentes dentro de la ciudad, y a arquitectos de paisaje para puentes en campo abierto.

Todavía hay una oportunidad de que el arte de la ingeniería estructural pueda ser reconocido por la calidad, y no sólo por un sello de cantidad, como es la situación actualmente. Podría, inclusive, suceder que las estructuras de los ingenieros no sólo sean toleradas, sino que vuelvan a ser otra vez objeto de orgullo para sus creadores, y de admiración para quienes las ven y las usan, como lo fueron en el siglo pasado; una genuina contribución a la cultura.

Referencias

1. Schlaich, J. y K Schafer, "The Design of Structural Concrete", informe presentado en el IABSE Workwhop, Nueva Dheli, 1993.

2. Schlaich, J. y K. Schafer, "Konstruieren im Stahlbetonbau", Beton-Kalender 1998, Emst & Sohn Verlag, Berlín, 1998.

Este artículo fue publicado en el ICI Bulletin y se reproduce con la autorización de Indian Concrete Institute

Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C.
Revista Construcción y Tecnología 
Marzo 2000
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