San Luis Potosí se encuentra en una zona geográficamente crítica debido a los fuertes vientos, que pueden alcanzar velocidades de hasta 150 km/h, afectando el diseño estructural. A raíz del notable crecimiento poblacional, que superó el 9% entre 2010 y 2020, la construcción vertical se ha convertido en una estrategia fundamental para optimizar el espacio. Sin embargo, esto exige diseños estructurales robustos que aseguren la estabilidad y la seguridad de los edificios altos.
El objetivo de este proyecto fue diseñar el sistema estructural de un edificio de oficinas de 10 pisos en esta región, donde el viento es un factor determinante, utilizando el software CYPECAD Estructuras. La justificación del trabajo reside en la necesidad de crear diseños confiables y seguros en áreas con riesgos ambientales significativos. La aplicación de los conocimientos del máster y herramientas avanzadas como CYPECAD buscó demostrar la viabilidad de un diseño seguro y eficiente, estableciendo un precedente para futuras construcciones similares.
Planteamiento del problema
El diseño estructural de edificaciones de gran altura en entornos urbanos presenta desafíos técnicos considerables, principalmente debido a las fuerzas externas que pueden comprometer su estabilidad. Entre estos factores, el viento se destaca como uno de los más críticos. San Luis Potosí, S.L.P., México, se localiza geográficamente en una zona donde el factor de viento es crítico, alcanzando velocidades de 150 km/h en un periodo de retorno de 50 años (Tr50).
Adicionalmente, la ciudad de San Luis Potosí ha experimentado un notable crecimiento poblacional, con un aumento del 9.16% entre 2010 y 2020. Este crecimiento impulsa la construcción de edificios verticales como una solución idónea para el aprovechamiento del espacio. No obstante, la edificación de estructuras con múltiples pisos representa un reto significativo para los constructores de obras civiles, quienes deben considerar aspectos cruciales como las cargas de viento y, potencialmente, sismo. La necesidad primordial es asegurar un diseño estructural que garantice la estabilidad y seguridad de estas estructuras de gran envergadura.
El principal reto que aborda este trabajo es desarrollar un proyecto de diseño estructural que cumpla con las normativas mexicanas, asegurando la resistencia del edificio de oficinas de 10 pisos ante las condiciones ambientales adversas de la región, especialmente la amenaza del viento.
Justificación
La realización de este trabajo final de máster se justifica por la imperante necesidad de disponer de diseños estructurales confiables y seguros para edificaciones de gran altura. Esto es especialmente relevante en zonas donde factores ambientales, como el viento, representan un riesgo significativo para la integridad de las estructuras. El proyecto de diseño de un edificio de oficinas de 10 pisos en San Luis Potosí plantea un desafío técnico específico debido a las condiciones climáticas de la región, lo que demanda una solución de ingeniería rigurosa basada en normativas estructurales estrictas y herramientas de cálculo avanzadas.
Este proyecto busca aplicar los conocimientos teóricos adquiridos durante el máster en cálculos de estructuras de obras civiles para diseñar una estructura segura y eficiente, capaz de soportar las condiciones climáticas adversas. La intención es lograr un cálculo preciso de la estructura, garantizando el cumplimiento de los estándares normativos y demostrando la viabilidad del diseño.
Desde el ámbito profesional de la ingeniería civil, este trabajo tiene el potencial de generar un impacto significativo, al servir como un ejemplo de cómo integrar tecnología avanzada, como CYPECAD, en el diseño estructural de edificios en áreas urbanas expuestas a fenómenos climáticos. Al confirmar la capacidad de realizar cálculos exactos y cumplir con los estándares de seguridad vigentes, este proyecto no solo contribuye al desarrollo de soluciones seguras y funcionales, sino que también establece un precedente para futuras construcciones en contextos geográficos y climáticos similares. En definitiva, el proyecto es de gran relevancia, ya que aborda la necesidad de desarrollar estructuras confiables en zonas donde las condiciones climáticas representan un riesgo considerable.
Metodología
El diseño estructural se llevó a cabo siguiendo una metodología clara y organizada, estructurada en siete fases. Este proceso incluyó la definición del proyecto, la deducción del sistema estructural, y la selección del software CYPECAD por su capacidad para realizar cálculos precisos y eficientes.
Se recopilaron datos cruciales para el modelo de cálculo, incluyendo las cargas muertas (como el peso de los materiales y mobiliario) y las cargas vivas (generadas por los ocupantes), ambas conforme a las normas técnicas. El factor de viento fue considerado el elemento más crítico, con una velocidad de 150 km/h, siguiendo el Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE y las NTC-2023. El diseño por sismo se omitió, ya que San Luis Potosí es una zona de muy baja actividad sísmica.
El proceso de diseño también abarcó un estudio geotécnico que identificó el suelo como limos arenosos, con una capacidad portante de 5.8 kg/cm². Se emplearon materiales de alta calidad, como concreto de 30 MPa y acero de refuerzo Grado 42, con recubrimientos que cumplían con las NTC.
El edificio, de 10 pisos y 36.40 metros de altura, se diseñó con elementos estructurales específicos como losas nervadas, vigas, columnas y zapatas combinadas. La normativa mexicana, principalmente las Normas Técnicas Complementarias de la Ciudad de México y el Manual de la CFE, fue la base del diseño, ya que la región no cuenta con regulaciones propias para la construcción. Finalmente, se ejecutó el programa de cálculo, se verificaron los resultados y se generaron los planos correspondientes.
Resultados
El diseño de un edificio de oficinas de 10 pisos en San Luis Potosí se centró en la carga de viento, un factor crítico en la zona, con velocidades de hasta 150 km/h. Se utilizó CYPECAD para modelar la estructura, omitiendo el diseño sísmico por la baja actividad en la región. Se definieron cargas muertas y vivas, junto con combinaciones de carga, conforme a las Normas Técnicas Complementarias de la Ciudad de México.
Para el proyecto se especificó el uso de concreto de 30 MPa y acero Grado 42. El diseño incluyó zapatas combinadas, columnas de 60×60 cm, vigas de varias dimensiones y losas nervadas. CYPECAD facilitó la simulación de la estructura bajo diversas cargas, garantizando el cumplimiento normativo, la viabilidad constructiva y la generación automática de la documentación técnica. El proyecto fue tanto técnica como económicamente viable, con un costo total estimado de 16.48 millones de pesos mexicanos, lo que se encuentra en línea con el costo promedio de construcción en la zona.
Conclusiones
El diseño estructural se realizó correctamente utilizando el programa CYPECAD, el cual generó planos estructurales y la memoria de cálculo, revisada minuciosamente para verificar el cumplimiento de los estados límite últimos y de servicio.
Al revisar el presupuesto y el cronograma con base en la experiencia y costos aproximados de construcción en S.L.P., se concluye que el proyecto es económica y técnicamente factible. Finalmente, se verificó el cumplimiento de los apartados correspondientes de las Normas Técnicas Complementarias (NTC) de la Ciudad de México, y el propio software CYPECAD certifica que el diseño cumple con dicha normativa. Por lo que al utilizar el software obtenemos un cálculo eficiente y correcto, el cual se encuentra dentro de los parámetros establecidos por las normas, aunque se presentan algunas limitantes, estas no representan un problema en comparación al beneficio que representa el uso del software.
El uso del software CYPECAD en el cálculo estructural permite optimizar tiempos y mejorar la precisión en la evaluación del comportamiento de una estructura ante cargas laterales, como las provocadas por sismos y viento. No obstante, en la ciudad de San Luis Potosí, su uso no es generalizado debido a su alto costo y la complejidad de su manejo. Asimismo, presenta ciertas limitaciones en cuanto a la incorporación de diversos métodos constructivos. Sin embargo, en términos de cálculo estructural y estimaciones rápidas de costos, CYPECAD representa una herramienta de gran utilidad. En suma, el proyecto es de gran relevancia, demostrando la capacidad de desarrollar estructuras confiables en zonas con condiciones climáticas desafiantes.
Referencias bibliográficas
- American Concrete Institute (ACI). (2019). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19). ACI.
- American Concrete Institute (ACI). (2020). Specifications for Structural Concrete (ACI 301-20). ACI.
- American Society of Civil Engineers (ASCE). (2022). Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7-22). ASCE.
- American Society of Civil Engineers (ASCE). (2017). Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings (ASCE 41-17). ASCE.
- Comisión Federal de Electricidad (CFE). (2020). Manual de diseño de obras civiles: Diseño por viento (versión actualizada). Subdirección de Programas y Proyectos de Inversión Financiada.
- Gobierno de la Ciudad de México. (2023). Norma Técnica Complementaria: Diseño de cimentación. Secretaría de Obras y Servicios.
- Gobierno de la Ciudad de México. (2023). Norma Técnica Complementaria: Diseño de sismo. Secretaría de Obras y Servicios.
Autores: German Eduardo Moreno Váldez, Douglas Edgardo Nolasco Sorto, Francisco Xavier Pérez Ortíz, Mario Andrés Velasquez Mendivelso. Máster en Cálculo de Estructuras de Obra Civil
