Você está negligenciando alguns fatores importantes, começando com a deflexão. Membros estruturais menores flexionarão mais que os mais grossos, especialmente no meio do vão. O sag também adiciona cargas laterais às conexões no final, uma vez que elas devem resistir à força do membro curvo mais curto.
Essas conexões são a segunda coisa que você ignorou. Você precisa unir as coisas eventualmente e a marcenaria butt coloca toda a carga nos fixadores. Geralmente dois terços de um feixe são um pouco mais strongs que dois ou três pregos. Vale a pena notar que é bastante comum usar ferro angular e parafusos quando o trabalho será coberto.
Eu suspeito que entalhar membros de madeira em novas construções é muito limitado a construções de estruturas de madeira. Está ficando mais difícil encontrar vigas de madeira maciça do que costumava ser, e marcenaria estrutural moderna tende a incorporar fixadores de aço para proteger contra eventos climáticos extremos. Para furacões ou tornados, você quer a articulação amarrada; para terremotos, você quer que ele se deforme ao invés de quebrar.
Voltando à sua pergunta original, os engenheiros estruturais têm acesso a muitos dados para trabalhar na estimativa. Eles podem procurar a força de um determinado material, o peso médio de um prédio por estória, a força de uma dada junta comparada, etc. De lá, é física bastante direta.
A simulação também é uma ferramenta comum. Uma vez que os planos são desenhados em CAD, você pode especificar as cargas de construção e vento e obter um relatório detalhado sobre o desempenho esperado. Se você realmente está realmente interessado, o Autodesk Fusion 360 é gratuito para uso por hobby e permite que você execute algumas simulações. Você teria que lidar com a curva de aprendizado e não é a ferramenta certa para projetar um edifício, mas sim para articulações simples. (Alternativamente, você pode encontrar apenas o vídeo tutorial sobre simulação divertido).
Geralmente, os não-engenheiros confiam na experiência e nas regras práticas (ou no código de construção nesses tempos mais esclarecidos) e no excesso de construção gratuita. Ninguém entalaria nada tão pequeno quanto você tem em seu esboço. Nos EUA, eles não seriam chamados de "vigas" porque são muito pequenos. Joists seria pelo menos 150 milímetros de espessura e vigas de madeira de 200 mm ou mais.