Conceptos Fundamentales de Fuerzas y Estructuras
Nota de Marta: Este documento aborda los principios básicos de las fuerzas y las estructuras, elementos cruciales en el ámbito de la ingeniería y la construcción.
¿Qué es una Fuerza?
Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de alterar su estado de movimiento o reposo. Podemos clasificar las fuerzas según su efecto:
- Dinámica: Produce movimiento o altera el estado de movimiento de un cuerpo.
- Estática: No permite el movimiento o mantiene el cuerpo en equilibrio.
La Estructura: Soporte y Estabilidad
Una estructura es el conjunto de elementos de un cuerpo destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre él. Su función principal es impedir que el cuerpo se rompa o se deforme, garantizando su integridad y funcionalidad.
Cargas y Esfuerzos en Estructuras
Las fuerzas que actúan sobre una estructura se denominan cargas. Estas pueden clasificarse en:
- Cargas fijas o permanentes: No varían con el paso del tiempo y siempre afectan a la estructura de la misma manera (por ejemplo, el peso propio de la estructura).
- Cargas variables: Aparecen en algunas ocasiones y no tienen siempre el mismo valor (por ejemplo, el peso de personas, el viento o la nieve).
Se llama esfuerzo a la tensión interna que experimentan todos los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas. Los principales tipos de esfuerzos son:
- Tracción: Fuerzas que tienden a estirar el cuerpo.
- Compresión: Fuerzas que tienden a aplastar o acortar el cuerpo.
- Flexión: Fuerzas que tienden a doblar el cuerpo.
- Torsión: Fuerzas que tienden a retorcer el cuerpo.
- Cizalladura (o Cortadura): Fuerzas que tienden a cortar el cuerpo.
Propiedades Clave de las Estructuras
Para que una estructura sea funcional y segura, debe cumplir con ciertas condiciones esenciales:
Estabilidad
La estabilidad de una estructura se refiere a su capacidad para mantenerse en equilibrio y no volcar. Para ello, el centro de gravedad del cuerpo (el punto de aplicación del peso de dicho cuerpo) debe estar centrado sobre su base de apoyo.
Resistencia
La resistencia es la capacidad de una estructura de soportar las tensiones a las que está sometida sin romperse. Es fundamental para evitar fallos estructurales.
Rigidez
La rigidez implica que la estructura debe permanecer recta y sin deformarse excesivamente bajo la acción de las cargas. Una estructura rígida mantiene su forma original.
Elementos Estructurales y Estabilidad
La Importancia de los Triángulos y el Arriostramiento
En el diseño estructural, los triángulos juegan un papel crucial. Mientras que las figuras con cuatro o más lados (como los cuadrados o rectángulos) pueden deformarse fácilmente al aplicarles una fuerza, el triángulo es la única figura geométrica indeformable. Por esta razón, el triángulo en una estructura sirve para evitar que esta se deforme.
La triangulación de las barras es una técnica común para lograr estabilidad. Las diagonales que sirven para triangular y evitar que se deformen los marcos o cuadros se denominan arriostramiento.
Tipos de Estructuras
Existen diversas tipologías de estructuras, cada una con características y aplicaciones específicas:
- Estructuras Masivas y Adinteladas: Se caracterizan por su gran volumen y el uso de dinteles (elementos horizontales que cubren un vano). Un ejemplo clásico son las pirámides egipcias, donde también se utilizaban dinteles de piedra o madera.
- Estructuras Abovedadas: Emplean el arco y la bóveda para cubrir grandes espacios y distribuir las cargas. Ejemplos incluyen arcos de medio punto, apuntados, de herradura o lobulados.
- Estructuras Entramadas: Son las estructuras más comunes en nuestros edificios modernos, formadas por un esqueleto de elementos lineales (pilares y vigas) de hormigón o acero.
- Otras Tipologías:
- Estructuras Trianguladas: Basadas en la repetición de triángulos para lograr ligereza y resistencia (por ejemplo, cerchas).
- Estructuras Colgantes: Utilizan cables o tirantes para soportar la carga principal (por ejemplo, puentes colgantes).
- Estructuras Neumáticas y Laminares: Las neumáticas se mantienen por presión de aire; las laminares son superficies delgadas y curvas que resisten cargas por su forma.
- Estructuras Geodésicas: Formadas por una red de triángulos que crean una superficie esférica o semiesférica, muy eficientes y ligeras.