Estado actual de la enseñanza de las estructuras de acero en México

Transcripción

1 Estado actual de la enseñanza de las estructuras de acero en México Ing. Héctor Soto Rodríguez Profesor Maestría Ingeniería Estructural, Escuela de Ingeniería, Universidad DeLaSalle Bajío Profesor Maestría Tecnología de la Construcción, Escuela de Arquitectura, Universidad DeLaSalle Bajío Director General Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil Asesor Técnico AHMSA A) Resumen: Presentar el estado actual de la enseñanza de las estructuras de acero en México así como acciones y recomendaciones para mejorar su calidad en las escuelas de Ingeniería Civil y de Arquitectura de las Universidades y centros de estudios superiores de México. Lo anterior permitirá a mediano plazo uniformizar los criterios de enseñanza y que los estudiantes de estructuras de acero de cualquier institución del país tengan una formación académica adecuada, suficiente y equiparable a la de las mejores universidades del mundo en las que se imparte esta asignatura. Las discusiones que se presentan en este artículo no necesariamente reflejan los puntos de vista del autor, sino que ilustran la problemática identificada en la enseñanza de las estructuras de acero en México y América Latina, por tener necesidades y condiciones académicas muy similares. B) Introducción: Actualmente hay cinco problemas fundamentales en la enseñanza de las estructuras de acero en México y que deben atenderse urgentemente: 1). En buena parte de las universidades mexicanas y centros de enseñanza superior, escuelas de Ingeniería Civil y de Arquitectura, la materia de estructuras metálicas (de acero) es optativa, y no de carácter obligatorio. 2). En la mayoría de las escuelas de Ingeniería Civil y de Arquitectura de nuestro país, los programas de estudio contemplan la materia de estructuras de acero en un solo semestre, que es insuficiente y únicamente hay tiempo para cubrir los temas generales de diseño estructural de miembros aislados: elementos en tensión axial, miembros en compresión (columna aislada), vigas (miembros en flexión) y columnas (elementos flexocomprimidos): Queda así un gran vacío en el tema de las conexiones trabe (vigas principales) columna y otras uniones importantes de la estructura, que constituyen el punto medular de este tipo de construcción. De nada sirve efectuar un diseño estructural, a veces muy engorroso, de los diversos miembros constitutivos de un edificio, si no se

2 conceptualizan y diseñan correctamente las conexiones, sean soldadas, apernadas o una combinación de éstas. 3). El enfoque que se da al impartir la materia de estructuras de acero en las escuelas de arquitectura en muchos casos es inadecuado: los estudiantes de arquitectura deben entender previamente los criterios generales para la conceptualización estructural y las reglas de pre-dimensionamiento (diseño preliminar) para estar en condiciones de proponer posteriormente una estructura conveniente y congruente en los proyectos arquitectónicos que desarrollan en sus materias de composición arquitectónica y/o talleres integrales. En este sentido, es común que la materia de estructuras de acero en arquitectura se enseñe con el mismo contenido y enfoque que el de las escuelas de ingeniería civil, lo cual es erróneo. El diseño estructural en las escuelas de arquitectura se enseña a medias, ya que para realizar un cálculo estructural completo, que cumpla con las premisas fundamentales de seguridad y economía, se necesitan conocimientos generales de la ingeniería sísmica, la dinámica estructural y la mecánica de suelos y estas materias también se excluyen de los planes de estudio en la carrera de arquitectura. Debe haber una diferencia en los planes de estudio: el estudiante de arquitectura debe visualizar (ver figura 1) como puede aplicar la estructura de acero, cuáles son las posibles alternativas estructurales más convenientes para salvar los grandes claros que proyecta. No debe dedicarle demasiado tiempo al cálculo estructural, pues al final de cuentas esta actividad no es parte fundamental de su formación académica. Figura 1. Conceptualización estructural de una terminal de autobuses Zona de andenes No hay que perder de vista que la mayor responsabilidad de los futuros arquitectos será la de proyectar espacios óptimos para que el usuario viva en condiciones de confort y de

3 bienestar durante la vida útil de una edificación y que la fase de diseño estructural es responsabilidad del ingeniero estructurista. En la figura 2 se presenta un enfoque de vinculación de la materia de estructuras de acero con Composición Arquitectónica en la Facultad de Arquitectura de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, en la que los estudiantes de la carrera de Arquitectura desarrollan un proyecto arquitectónico con base en un programa de necesidades de su lugar de origen. De esta manera los alumnos procedentes de varias poblaciones del Estado de Michoacán contribuyen con su municipio en el desarrollo social y cultural a través de diversas obras de infraestructura local: clínicas, hospitales regionales de salud, centros deportivos, culturales y turísticos, escuelas, asilos para ancianos, plazas públicas, mercados, etc. Figura 2. Vinculación de la materia de estructuras de acero con Composición Arquitectónica Facultad de Arquitectura UMSNH 1 4) Otro problema que tiene relación con el anterior, es la notoria falta de vinculación entre las materias de estructuras de acero y las de composición arquitectónica o talleres por parte de los profesores de estas dos sub áreas. No obstante, es importante comentar la apreciación casi general de que dicha vinculación redundaría en beneficios notables en la formación académica de la carrera de arquitectura, tanto para la enseñanza como para la práctica profesional posterior. Cuando la arquitectura va de la mano con la ingeniería estructural se logran soluciones acertadas. En la figura 3 se muestra el

4 resultado de la conjunción de una Arquitectura e Ingeniería de vanguardia y sustentable La estructura de acero enriquece sustancialmente el proyecto arquitectónico y es protagonista. Figura 3. Gran Museo del Mundo Maya, obra emblemática de Cultura en Mérida Yucatán. Cortesía: David Cervera 5) Otra de las limitaciones más severas a nivel nacional en la enseñanza de las estructuras de acero es la falta de recursos humanos especializados, y el hecho de que los profesores con amplia trayectoria profesional no cuentan con el tiempo necesario para mejorar las condiciones bajo las cuales se da la experiencia educativa o que no existen los alicientes suficientes para su incorporación a la estructura educativa con el aporte de su experiencia. C) El impacto de la Acreditación. Recientemente, la mayor parte de las escuelas de Ingeniería civil y de Arquitectura de nuestro país, se han dado a la tarea de actualizar sus planes de estudios para acreditarse a través del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI) y del Consejo para la Acreditación de Educación Superior (COPAES). El propósito fundamental de esta actualización consiste en mejorar la calidad de los estudios que se ofertan a los jóvenes estudiantes de arquitectura, donde asignaturas como el urbanismo, arquitectura sustentable y la preservación del medio ambiente en general, serán redimensionadas en los nuevos planes de estudios. Estos esfuerzos pretenden conducir los programas de estudio a mediano plazo hacia la excelencia académica para satisfacer las necesidades nacionales y estatales de que demanda nuestra sociedad. Lo anterior ha obligado a las instituciones de enseñanza superior a que el contenido de la materia de diseño de estructuras de acero se revise con especial cuidado y se replantee para cambiar de una vez por todas el enfoque de diseño basado en esfuerzos permisibles (DEP) o diseño elástico (DE) por el diseño dual: Diseño por Factores de Carga y Resistencia (DFCR o LRFD) y Diseño por Resistencia Permisible (DRP o ASD).

5 Esto ya ha sido tenido en cuenta en el Manual de construcción en acero, M-IMCA-5ª Edición, 2014, en el Manual de diseño para la construcción en acero-2014 de AHMSA., Cabe señalar que desde hace varios años, la mayoría de los países de América Latina ha dado este paso importante para adoptar el método dual LRFD-ASD, y los estudiantes mexicanos deben rápidamente emprender este cambio en el diseño de estructuras de acero para edificios. D) Herramientas para la mejora de la enseñanza. Manuales Las empresas fabricantes de perfiles estructurales de México han encarado un trabajo importante en el armado de Manuales. Cabe citar el manual de AHMSA ( que son de descarga gratuita. Herramientas auxiliares Se recomienda el uso de herramientas auxiliares para la enseñanza tales como videos animados de miembros sometidos a diversas solicitaciones, ayudas de diseño, diagramas de flujo tales como los propuestos por el Dr. Galambos, entre otros. Una buena parte de ese material está disponible en AISC/ Teaching aids Videos estructurales Se cuenta con una serie de videos animados que ilustran el comportamiento estructural de los diversos miembros sometidos a las solicitaciones comunes (tensión, compresión, vigas y columnas) y conexiones. Ver ejemplos. Ayudas de diseño. Con la participación de varios profesores y alumnos donde el autor imparte la materia de estructuras de acero a nivel de maestría se han elaborado una gran cantidad de Ayudas de Diseño para facilitar el cálculo de elementos estructurales y de conexiones soldadas y atornilladas. Ver ejemplos. Diagramas de flujo Los diagramas de flujo propuestos hace muchos años por el Dr. Theodore Galambos, Profesor Emérito de Ingeniería Estructural de la Universidad de Minnesota, se utilizan actualmente en la materia de estructuras de acero, y constituyen una base importante para programar hojas de cálculo Excel o macros y para la toma de decisiones en un problema particular de diseño. Actualmente, se dispone de un buen número de diagramas de flujo para la enseñanza de las estructuras de acero con énfasis en la Especificación ANSI/AISC Ver ejemplos Ejemplos típicos de diseño

6 Se ha preparado una serie abundante de ejemplos ilustrativos de diseño de miembros en tensión, compresión, vigas y columnas, que ayudan al estudiante a interpretar correctamente la aplicación de la especificación ANSI/AISC , que es la normatividad de uso común en toda América Latina. Ver ejemplos. Interpretación de la especificación ANSI/AISC Para ilustrar las disposiciones de diseño de la Especificación referida, se han elaborado una serie de croquis que permiten al estudiante entender correctamente la especificación para su aplicación inmediata. Ver ejemplos Actividades complementarias Finalmente, se considera que hay otras áreas de conocimiento que deberían incluirse en los programas de estudio de la materia de estructuras de acero y que son, de acuerdo con el autor: Prácticas y experiencias de laboratorio para analizar el comportamiento estructural de los diversos miembros que constituyen una estructura. Elaboración de modelos estructurales (esculturas de estructuras de acero, ver figura 5 ) Visitas a talleres de fabricación de estructuras metálicas Visitas a obras en proceso de montaje Uso de programas de computadora reconocidos por la Ingeniería Estructural mexicana en aulas o en laboratorios para el diseño estructural Colección de sitios de internet (páginas web), relacionadas con la tecnología del acero estructural: AISC, Alacero, AWS, FEMA, AHMSA, IMCA, etc. Acceso a artículos internacionales sobre temas selectos y especializados de diseño y construcción de estructuras de acero. Creación de un archivo fotográfico de estructuras de acero, donde se muestren detalles particulares de conexiones soldadas, apernadas y mixtas, así como fallas típicas ocasionadas por sismos fuertes, intervenciones en estructuras de acero estructural como método de patología. Intercambio académico de profesores de la materia a través de convenios de colaboración entre instituciones de enseñanza superior por zonas geográficas..

7 Figura 4. El árbol de las conexiones de acero estructural. Escultura didáctica que ilustra los tipos de uniones típicas en estructuras de acero para edificios. Foto cortesía: Ing. Fernando González Roser, Grupo Baysa, Lerma, Estado de México. E) Propuesta de actualización de la Enseñanza del Diseño de Estructuras de Acero. Se considera urgente la necesidad actualizar, enriquecer y adecuar los programas de estudio de estructuras de acero, a nivel licenciatura (pregrado) en las instituciones educativas de Ingeniería Civil y de Arquitectura, donde se imparte dicha materia. Entre los temas obligatorios que sería deseable introducir en los programas de estudio de pregrado están: nociones fundamentales de las conexiones soldadas y apernadas (atornilladas en México), ya que como se mencionó este tema de vital importancia no se imparte con la profundidad que amerita y en general se estudia profundamente solamente a nivel de posgrado. Materia de estructuras de acero a nivel licenciatura Para uniformar los conocimientos de las estructuras de acero en los centros donde se imparte dicha asignatura, se sugiere actualizar su contenido, de acuerdo con el temario siguiente: Introducción, Aspectos generales de las estructuras de acero, Tipos de aceros estructurales, Propiedades relevantes de los aceros estructurales, perfiles laminados y armados de acero estructural,designación, y usos convenientes, Sistemas estructurales de edificios de acero Criterios y bases de diseño conforme a la especificación ANSI/AISC : Miembros en tensión axial, Columna aislada (miembro en compresión axial), Miembros en flexión (vigas),

8 Columnas o elementos flexo-comprimidos y placas base. Construcción compuesta acero-concreto Aspectos generales de las conexiones soldadas y apernadas El objetivo principal de este curso es ilustrar el comportamiento de miembros estructurales aislados, desde que inicia el proceso de carga y hasta el colapso, en el intervalo elástico y plástico y diseño de estos elementos conforme a normas y especificaciones de uso en México (Especificaciones AISC-2010). Consecuentemente, los estudiantes contarán con una referencia actualizada que facilite la interpretación práctica de algunas especificaciones y normas de diseño, así como una guía secuencial en el diseño y revisión de los diversos miembros de acero estructural. Existe la apreciación generalizada entre los profesores y los ingenieros de la práctica profesional que es necesario enfatizar en este curso de pregrado los aspectos básicos de los criterios de estructuración de edificios de acero y las nociones de las conexiones trabe- columna soldadas, apernadas y mixtas. Curso de conexiones a nivel de maestría. El enfoque del curso de conexiones es ilustrar los diferentes tipos, características generales, usos, ventajas y el comportamiento sísmico de las juntas soldadas y empernadas (atornilladas) de edificios ordinarios de acero conforme a la clasificación de la Especificación ANSI/AISC (LRFD-ASD). El contenido general de este curso, que se ha impartido a nivel de maestría es el siguiente: Introducción. Conceptos fundamentales, definiciones: junta, conexión, elementos de unión, zona de tablero del alma, junta de deslizamiento crítico, junta por aplastamiento, Función e importancia de las conexiones, Responsabilidad en el diseño de conexiones, Clasificación de las conexiones AISC, Tipos de conexiones (universo), Problemas particulares en conexiones con columnas HSS y W, Factores esenciales en el diseño de conexiones soldadas y apernadas, Ventajas y desventajas de las conexiones soldadas versus apernadas. Aspectos generales de fabricación y de montaje Proyecto de un edificio de acero Se propone un trabajo de fin de semestre, que sería el diseño estructural de un edificio de acero con la Especificación ANSI/AISC Al final del curso, el estudiante adquirirá los conocimientos suficientes para diseñar una estructura de acero de un edificio convencional de altura media: columnas, trabes, vigas secundarias, armaduras, diagonales de contraventeo, revisión del sistema de piso compuesto acero-concreto, placas base y anclas. Así mismo, el estudiante será capaz de efectuar la conceptualización de las diversas conexiones de la estructura del edifico. (ver un ejemplo en la figura 5)

9 Figura 5. Modelo matemático tridimensional de la Terminal de Autobuses de Yurécuaro, Mich. Tesis profesional: C. Katia García Amador, Facultad de Arquitectura UMSNH Propuesta de evaluación nacional de estructuras de acero Con el propósito de coadyuvar de alguna manera a mejorar el nivel académico de la enseñanza de la materia de estructuras de acero, se pone a consideración de los coordinadores de la materia de estructuras de acero de las diversas universidades mexicanas, un cuestionario de conceptos generales, que resume los conocimientos mínimos que debe tener un estudiante que cursa esta asignatura (materia o unidad de aprendizaje) en las escuelas de Ingeniería Civil. A continuación se presenta las preguntas que consta el cuestionario. 1 Cuáles son las propiedades mecánicas inherentes del acero estructural que lo hacen conveniente como material de construcción en estructuras de edificios localizados en zonas sísmicas? 2. Mencione los sistemas estructurales comunes en edificios de acero, incluyendo los de mejor desempeño en zonas de alta sismicidad 3. Que son los esfuerzos residuales, que magnitudes alcanzan, y que influencia tienen en la resistencia de los miembros de acero estructural? 4. Describa las diferencias entre los métodos de diseño basados en factores de carga y resistencia y resistencia permisible. 5. Cuáles son las características de los miembros en tensión de acuerdo con su modo de trabajo? 6. Que significa el fenómeno retraso de cortante (shear lag) y en qué casos debe tomarse en cuenta en el diseño de juntas y conexiones atornilladas hechas con tornillos ASTM A325 o A490.? 7. Explique el modo de falla de ruptura por cortante y tensión combinadas en miembro en tensión atornillado en sus extremos. Que recomendación haría para evitar que esta forma de falla no sea crítica?

10 8. Indique los problemas de inestabilidad que pueden ocurrir en miembros sujetos a compresión axial 9. Explique que es el pandeo lateral por flexotorsión en trabes y como se evita 10. Cuáles son las acciones que obran en un elemento flexocomprimido 11. En una columna o en una viga que significa contraventeo lateral, que función tiene y como se proporciona para evitar el pandeo lateral por flexotorsión? 12. Cuáles son los componentes de un sistema de piso compuesto acero concreto? 13. En el diseño de columnas, en qué casos se utiliza el factor de reducción de rigidez, 14. Cuáles son los modos de falla que deben investigarse en una viga hiperestática que forma parte de un marco continuo? 15. Que es el factor de forma de una sección transversal de una viga, que significa y como se deduce? 16. Cuál es el propósito de incluir los factores B 1 y B 2 en el diseño o revisión de un elemento flexo-comprimido? 17. Cuáles son las diferencias entre y en el diseño de miembros flexocomprimidos? 18. En conexiones soldadas, señale los tipos básicos de juntas soldadas, los tipos de soldadura, sus posiciones y las aplicaciones conveniente de cada junta en un elemento estructural 19. Cuáles son los estados límite de falla que deben revisarse en una conexión rígida trabe columna con placas horizontales atornilladas a los patines de la viga y con placa de cortante?. 20. Explique cuál es la diferencia en la forma de trabajo de una conexión por aplastamiento y una por deslizamiento crítico F) Conclusión: Se han realizado un diagnóstico del estado de la enseñanza del Diseño de estructuras de acero en México, indicando soluciones y acciones inmediatas para alcanzar niveles cercanos a los de las mejores universidades a nivel mundial. Muchos de los problemas son comunes a otros países de América Latina. Se abre así un debate en el que son bienvenidas las contribuciones de profesores de la materia de estructuras de acero y de ingenieros de la práctica profesional.