¿Para qué sirve una maqueta estructural? La palabra maqueta nos hace pensar en kits comerciales de plástico para montar, en esa urbanización de viviendas a escala montada por un promotor inmobiliario para vender sus proyecto… Pero estos modelos a escala rara vez son funcionales; ya que, en definitiva, solo sirven para mostrar el objeto en miniatura.
Sin embargo, en los laboratorios de ingeniería estructural se trabaja con modelos funcionales: son las llamadas maquetas estructurales.
Universidades, estudios de ingeniería y laboratorios montan estas diminutas obras de arte con dos propósitos en mente. Por un lado, estudiar casos complicados, difíciles de analizar en el papel, y, por otro, verificar que el diseño de una futura estructura encaja y será apto ante las condiciones reales en que será usada.
En otras palabras, con una maqueta estructural se simula, se ensaya, se aprende y se investiga. Pero para que esta simulación sea fiable, la maqueta ha de cumplir ciertos requisitos geométricos (medidas, proporciones) y físicos (materiales, cargas, esfuerzos). Diversos libros y tratados científicos analizan a fondo estos asuntos y clasifican los modelos estructurales a escala según las demandas de los ingenieros.
Situación actual de la maqueta estructural
Las maquetas estructurales se usan desde hace décadas. Las investigaciones más antiguas se remontan hasta comienzos del siglo XX: ¡ya en 1908 se ensayó el efecto de la tensión en diques usando modelos de goma! Y en los años veinte se publicaron las primeras obras académicas sobre el análisis estructural con modelos a escala.
Aunque su utilidad es innegable, durante mucho tiempo las maquetas estructurales fueron desestimadas por la Ingeniería. ¿Cómo es posible? Por dos motivos. Primero, montar una maqueta requiere una gran inversión de capital y mano de obra. En segundo lugar, hallar materiales y técnicas adecuadas que permitan reproducir los ensayos de manera fiable tampoco es fácil.
Además, elaborar una maqueta para ensayar un prototipo de estructura no siempre es rentable. A veces los resultados extraídos se pueden obtener con software de cálculo. Por ello, ciertos modelos se han ido abandonando; de hecho, hoy se tiende a montar solo aquellas maquetas que económicamente justifiquen la inversión de tiempo y dinero.
Tipos y clasificación de las maquetas estructurales
En la obra Structural Modeling and Experimental Techniques (1983), Harrys y Sabnis nos ofrecen una clasificación de maquetas estructurales según su objetivo. En el breve resumen que sigue se enumeran sus principales modelos.
Modelo elástico
La fisionomia de la maqueta en un modelo elástico es geométricamente similar al prototipo; sin embargo, la naturaleza del material elegido puede difererir del original. El cloruro de polivinilo (PVC) y otros plásticos como la lucita o el plexiglás, así como la madera de balsa, son algunos de los materiales usados en este sistema.
El inconveniente principal es que este modelo no puede reproducir el comportamiento estructural del prototipo más allá del límite elástico. Por ejemplo: no sirve para ensayar la aparición de grietas en el hormigón ni en elementos de mampostería ante ciertas cargas (esfuerzos de flexión y compresión). Tampoco podrán predecir la deformación plástica de un acero (límite de fluencia).
En otras palabras, al ser el material de la maqueta distinto del original, el modelo elástico no es apto para evaluar su comportamiento. Sin embargo, este sistema goza de algunas ventajas en entornos académicos. Por ejemplo: como la deformación de una estructura se exagera si la maqueta está hecha con goma, observar estos cambios es más fácil para los estudiantes.
Modelo directo
Puede ser a un tiempo un modelo elástico. En el modelo directo la geometría del modelo y las cargas aplicadas son cercanas a la realidad. Por tanto, también los ensayos obtenidos guardarán una estrecha relación con lo esperable en el prototipo original.
En otras palabras, la semejanza entre el prototipo y la maqueta en sus propiedades físicas y dimensionales suponen que, conocido el comportamiento de uno de ellos ante determinadas condiciones, servirá para predecir el del otro (bajo condiciones similares).
Modelo indirecto
Es una variación del anterior. Con él se obtienen diagramas de líneas de influencia que permiten calcular indirectamente cómo se comporta el prototipo ante determinados esfuerzos: tensión, flexión, cizalladura… La carga aplicada no tiene por qué corresponder con la real. El modelo indirecto apenas se usa hoy en día, ya que computar los cálculos por ordenador resulta más económico y sencillo.
La principal diferencia entre el modelo directo y el indirecto es que en el primero la maqueta se somete a esfuerzos equivalentes a los que recibirá el prototipo; en cambio, en el segundo caso la carga no es proporcional: la deformación experimentada por el modelo sirve para trazar líneas de influencia sobre ciertos esfuerzos de tensión en el original.
Modelo réplica
También es llamado modelo de fuerzas y modelo realista. Se trata de una versión mejorada del sistema directo en la que los materiales de la maqueta coinciden con los del prototipo. O dicho de otra forma, si la estructura que se va a ensayar es de acero, también debe ser de acero la maqueta.
Estas maquetas son las que reproducen mejor el comportamiento de la estructura ante esfuerzos y cargas. Por ejemplo: las maquetas de detalles constructivos usadas por los arquitectos encajan en este modelo.
Es el montaje de la maqueta, sin embargo, el que presenta un inconveniente; ya que no siempre es posible reproducir el modelo usando los materiales del prototipo real. Pensemos que, por ejemplo, para modelar una columna de hormigón armado a una escala, localizar gravilla de la granulometría adecuada o las barras de ferralla —acero corrugado— de una sección proporcional puede ser complicado.
Modelo de maqueta estructural para ensayos de viento
Estas maquetas estructurales sirven para medir los efectos del viento y la respuesta del prototipo. Se clasifican en:
- Modelos rígidos: miden la presión del viento sobre la estructura.
- Modelo aeroelásticos: miden la aeroelasticidad de la maqueta. A partir de la tensión producida por el viento se puede analizar la rigidez y el deformamiento del modelo para evaluar su respuesta dinámica ante el viento.
Modelos dinámicos de maqueta estructural
Como en el caso anterior, se usan para estudiar los efectos de las cargas dinámicas sobre la estructura, así como la vibración. Por ejemplo, una mesa vibratoria reproducirá los efectos de un terremoto. Mientras que un tunel de viento servirá para analizar la aeroelasticidad del modelo.
Además, el comportamiento de una estructura ante un atentado terrorista (explosión, impacto) también se puede analizar usando una maqueta dinámica.