Diseño y análisis de estructuras: tipos, cargas y esfuerzos

Introducción a las Estructuras

Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo (efecto estático) o de alterar su estado de movimiento o reposo (efecto dinámico). Una estructura es el conjunto de elementos de un cuerpo destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre él. La estructura impide, así, que el cuerpo se rompa o se deforme en exceso.

Tipos de Estructuras

Hay dos tipos de estructuras:

1. Artificiales: Creadas por el ser humano, como una lata, un portaminas, un puente, un rascacielos, un satélite artificial, etc.
2. Naturales: Provenientes de la naturaleza o construidas por seres vivos, como los nidos de aves, las conchas de crustáceos, las montañas, el esqueleto humano, etc.

Todo objeto debe tener una estructura que soporte las fuerzas. Las fuerzas que actúan sobre una estructura se denominan cargas.

Tipos de Cargas

Hay dos tipos de cargas:

1. Cargas fijas o permanentes: No varían con el paso del tiempo; siempre afectan a la estructura de la misma manera. Por ejemplo: el propio peso, el peso de una caja que se tiene siempre encima, etc.
2. Cargas variables: Aparecen en algunas ocasiones y no tienen siempre el mismo valor. Por ejemplo: el viento, el peso de la gente en un edificio, el peso de la nieve en un tejado, etc.

Los factores más importantes que afectan a nuestra estructura son: la dirección, la intensidad y el punto de aplicación de las fuerzas, así como la forma de la estructura. Las cargas actúan sobre los cuerpos y provocan en ellos tensiones internas, que varían según la manera en que se aplican y la forma de los objetos. A estas tensiones se las denomina esfuerzos.

Condiciones para una Estructura Funcional

Para que una estructura funcione bien, debe cumplir tres condiciones, independientes entre sí:

1. Estabilidad: Capacidad para mantenerse erguida y no volcar. Para ello, su centro de gravedad debe estar centrado en su base. Cuanto más centrado y más cercano al suelo esté el centro de gravedad, más estable será la estructura.
2. Resistencia: Es la capacidad de una estructura de soportar las tensiones a las que está sometida sin romperse.
3. Rigidez: Todos los objetos se deforman levemente al aplicarles una fuerza; esta deformación nunca debe ser tan grande que impida al objeto cumplir su función.

Esfuerzos en las Estructuras

Se llama esfuerzo a la tensión interna que experimentan todos los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas.

Principales Tipos de Esfuerzos

1. Tracción: Las fuerzas tratan de estirar el cuerpo sobre el que actúan. ( )
2. Compresión: Las fuerzas intentan aplastar o comprimir un cuerpo. ( )
3. Flexión: Las fuerzas intentan doblar el elemento sobre el que están aplicadas. ( )
4. Torsión: Las fuerzas tratan de retorcer el elemento sobre el que actúan.
5. Cizalladura o cortante: Las fuerzas actúan como los dos filos de una tijera: muy próximas, una hacia arriba y otra hacia abajo, intentando cortar el objeto. ( )

Estabilidad, Resistencia y Rigidez

Podemos dar estabilidad a un cuerpo añadiendo masa a su base, atirantándola o empotrando su parte inferior en el suelo. La resistencia depende del material con el que se construye la estructura, de la cantidad de material que se use y de la forma que tenga la estructura. Todos los materiales tienen una tensión de rotura, que es la máxima fuerza por unidad de superficie que son capaces de soportar sin romperse. La rigidez se consigue soldando las uniones, dando a la estructura una forma apropiada y haciendo triangulaciones. Las diagonales que sirven para triangular y evitar que se deforme los marcos cuadrados se denominan arriostramientos.

Tipos de Estructuras y sus Componentes

Estructuras masivas y adinteladas: Utilizan piedra, madera o roca. Ej: Pirámides o Templos Griegos.

Estructuras abovedadas: Utilizan piedras, y hay de varios tipos: Arcos (de medio punto, apuntado, de herradura y lobulado). Bóvedas (de cañón y de crucería). Ej: Basílicas, panteones y catedrales.

Estructuras entramadas: Utilizan barras de hormigón o acero unidas de manera rígida formando un emparrillado. La cimentación puede hacerse con zapatas, losas y pilotes. Las zapatas son cubos de hormigón que aumentan la superficie de apoyo del pilar. Las losas crean una base de gran tamaño. Los pilotes se clavan en la tierra hasta encontrar una zona de roca dura donde apoyarse. La cimentación es un elemento intermedio que funciona como los "pies" del edificio. Los pilares circulares se denominan columnas, y si están pegados a la pared, pilastras. Los pilares son verticales y se encargan de llevar el peso de las vigas hasta la cimentación. Las vigas son elementos horizontales con forma de prisma rectangular. Las barras del forjado reciben el nombre de viguetas, esto es, vigas pequeñas. El forjado está formado por barras y rellenos.

Estructuras trianguladas: Utilizan barras metálicas o de madera. Ej: torres.

Estructuras colgantes: Utilizan cables que reciben el nombre de tirantes. Cuando esos tirantes se pueden regular se denominan tensores.

Estructuras neumáticas: Utilizan el aire. Ej: atracciones infantiles.

Estructuras laminares: Utilizan láminas finas de metal, madera o materiales compuestos. Ej: el borde de un vaso de plástico, las ondulaciones de las chapas de construcción.

Estructuras geodésicas: Utilizan estructuras trianguladas que combinan las propiedades de las bóvedas con las de las estructuras de barras. La figura principal que se utiliza en su construcción es el tetraedro, una estructura que, al igual que el triángulo, es indeformable.