¿Qué es una Estructura?
Una estructura es el conjunto de elementos unidos entre sí, destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre un objeto y a mantener su forma y estabilidad frente a dichas fuerzas.
Tipos de Estructuras
- Naturales: Forman parte de los seres vivos o de la naturaleza.
- Artificiales: Pertenecen a objetos creados por el ser humano.
Funciones de una Estructura
- Mantener la forma y soportar su propio peso.
- Resistir fuerzas externas.
- Soportar pesos.
2. Cargas y Esfuerzos
Cargas: Son las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo u objeto.
Esfuerzos: Son los efectos que producen esas cargas en la estructura.
Tipos de Cargas
- Carga estática: Actúa sobre un cuerpo en reposo y tiende a deformarlo.
- Carga dinámica: Puede modificar el estado de reposo de un cuerpo.
Según su duración:
- Cargas fijas o permanentes: Peso propio de la estructura.
- Cargas variables o intermitentes: No actúan siempre (viento, personas, etc.).
La estructura debe garantizar resistencia y estabilidad frente a todas ellas.
Tipos de Esfuerzos
El esfuerzo es la tensión interna que experimentan los elementos de una estructura cuando están sometidos a una o varias fuerzas. Según la dirección, sentido y punto de aplicación de la fuerza, aparecen distintos tipos de esfuerzos:
- Tracción: Fuerzas que tiran del cuerpo, intentando estirarlo o alargarlo (como tirar de una cuerda).
- Compresión: Fuerzas que aplastan el cuerpo, intentando acortarlo (como el peso de una columna).
- Flexión: Fuerzas que doblan el cuerpo, estirando una cara y comprimiendo la otra (como una viga o un trampolín).
- Torsión: Fuerzas que hacen que el cuerpo gire sobre sí mismo (como retorcer una toalla).
- Cortadura (Cizalladura): Fuerzas paralelas y opuestas que intentan cortar el cuerpo (como usar tijeras).
3. Condiciones de una Estructura
Las estructuras deben cumplir tres condiciones fundamentales para ser seguras: resistencia, rigidez y estabilidad.
3.1. Resistencia
Es la capacidad de una estructura para soportar su propio peso y las cargas a las que se somete sin romperse. Depende del material, la forma y los elementos estructurales. Se busca la máxima resistencia con el mínimo material, utilizando perfiles, vigas y columnas en lugar de elementos macizos.
3.2. Rigidez
Es la capacidad de una estructura para soportar cargas sin deformarse, oponiéndose a deformaciones y desplazamientos. Depende de la forma de los elementos, la sección y el material (módulo de elasticidad). Una estructura puede deformarse de dos maneras:
- Elásticamente: Recupera la forma original al cesar la carga.
- Plásticamente: Sufre una deformación permanente.
3.3. Estabilidad
Es la capacidad de una estructura para mantenerse en equilibrio frente a las fuerzas que actúan sobre ella. Una estructura es estable si no vuelca ni se desplaza.
Tipos de inestabilidad:
- Deslizamiento
- Vuelco
- Inestabilidad elástica (pandeo)
Centro de Gravedad
Es el punto donde se concentran todas las fuerzas que actúan sobre la masa de un cuerpo. Cuanto más bajo esté el centro de gravedad y más centrado esté dentro de la base, mayor será la estabilidad.
Para aumentar la estabilidad se puede:
- Ampliar la base.
- Usar anclajes.
- Bajar el centro de gravedad.
- Añadir contrapesos.
- Usar tirantes o tensores.
A. Triangulación
La triangulación es uno de los métodos más eficaces para aumentar la rigidez. Consiste en convertir polígonos en triángulos, ya que el triángulo es indeformable.
Ley de barras: Una estructura es rígida si: B ≥ 2n − 3.
B. Equilibrio Estático en Estructuras
Una estructura está en equilibrio estático cuando la suma de fuerzas es cero y la suma de momentos es cero.
Tipos de estructuras según su equilibrio:
- Isostáticas o determinadas: Son estables y se resuelven solo con ecuaciones de equilibrio.
- Hiperestáticas o indeterminadas: Tienen más reacciones que ecuaciones y necesitan métodos adicionales.
- Hipostáticas o inestables: No son estables y no cumplen las condiciones de equilibrio.
4. Elementos Estructurales
Las estructuras están formadas por elementos básicos. Según el material, la forma y su colocación, se determina la solidez, estabilidad y resistencia de una estructura.
A. Bases, Anclajes y Cimientos
Son los elementos que soportan el peso de la estructura y permiten apoyarla o fijarla sobre un elemento estable y resistente. El principal esfuerzo al que están sometidos es la compresión.
- Bases y anclajes: Soportan el peso, aportan estabilidad, aumentan la superficie de apoyo y ayudan a bajar el centro de gravedad. En estructuras verticales suelen ser de tipo plancha con escuadras.
- Cimientos: Transmiten las cargas de la estructura al suelo o subsuelo. Son fundamentales en edificios y puentes.
Tipos de cimientos:
- Cimentaciones superficiales: Zapatas y losas.
- Cimentaciones profundas: Pilares y pilotes.
- Cimentaciones especiales: Pantallas de contención y cimentaciones antisísmicas (usan aisladores y amortiguadores).
B. Pilares y Columnas
Son elementos verticales sobre los que se apoyan otros elementos estructurales. Los pilares tienen sección poligonal y las columnas sección circular. Su esfuerzo principal es la compresión y su función es transmitir las cargas verticales hacia los cimientos.
C. Vigas y Barras
Son elementos alargados cuya longitud es mayor que su sección. Su función es soportar el peso del forjado y transmitirlo a pilares y columnas. Pueden estar apoyadas en dos puntos o en uno solo (vigas en voladizo). Sus esfuerzos principales son la flexión (en la parte central) y la cizalladura (en los apoyos).
Perfiles
Son secciones especiales que hacen a las vigas, pilares y columnas más resistentes y ligeras. Pueden ser de sección cerrada (tubular, redonda o cuadrada) o abierta (en L, T, I, H, U, C).
Cerchas y Riostras
Conjunto de barras rígidas unidas por sus extremos formando triángulos. Trabajan principalmente a tracción y compresión. Son ligeras, muy rígidas y se usan comúnmente en cubiertas y puentes.
D. Forjados
Conjunto de elementos que forman la estructura horizontal de un edificio, dividiendo las plantas y transmitiendo las cargas hacia vigas y pilares. Pueden ser unidireccionales (apoyan sobre vigas) o bidireccionales (apoyan sobre vigas y pilares).
E. Losas, Muros y Cubiertas
- Losas: Elementos planos y delgados que cierran espacios entre vigas y muros.
- Cubiertas: Protegen los espacios interiores y deben resistir cargas dinámicas (viento) y estáticas (nieve).
- Muros: Pueden ser muros de carga (soportan peso) o muros de contención (resisten empujes del terreno o agua).
F. Arcos
Elementos formados por dos pilares y una pieza curva superior que pueden formar bóvedas y cúpulas. Trabajan a compresión y transmiten empujes laterales. Sus partes incluyen: clave, dovela, trasdós, imposta, intradós, flecha, luz o vano y contrafuerte.
G. Tirantes y Tensores
Son cables o barras inextensibles sometidos a tracción. Aumentan la estabilidad y resistencia. Se usan para sujetar vigas en puentes, grúas o estabilizar mástiles.
- Tirantes activos: La tensión existe desde su instalación.
- Tirantes pasivos: La tensión aparece cuando la estructura se deforma.
5. Clasificación de los Tipos de Estructuras
Según los elementos que las componen y su disposición, se distinguen distintos tipos de estructuras:
- A. Estructuras Masivas: Formadas por grandes bloques de piedra u hormigón sin huecos. Son muy pesadas y estables, resistiendo principalmente la compresión (ej. pirámides y presas).
- B. Estructuras Entramadas o Reticuladas: Compuestas por elementos lineales (vigas, columnas) que forman una trama llamada pórtico. Son muy eficientes por su buena resistencia y poco peso (ej. rascacielos).
- C. Estructuras Trianguladas: Formadas por barras en forma de triángulos. Aportan gran estabilidad y ligereza (ej. Torre Eiffel).
- D. Estructuras Colgantes o Suspendidas: Utilizan cables, tirantes o tensores que trabajan a tracción para sujetar la estructura (ej. puentes colgantes).
- E. Estructuras Laminares o de Cáscara: Superficies delgadas que distribuyen las cargas por toda su superficie. Permiten cubrir grandes espacios (ej. cascos de barcos o depósitos).
- F. Estructuras Neumáticas: Membranas flexibles que mantienen su forma gracias al aire comprimido. Son ligeras y transportables (ej. atracciones infantiles).
- G. Estructuras Abovedadas: Basadas en el arco, la bóveda y la cúpula. Soportan grandes esfuerzos de compresión y permiten amplios espacios interiores.
- H. Estructuras Geodésicas: Esferas construidas mediante barras que forman polígonos. Son modulares y eficientes (ej. invernaderos).
- I. Estructuras Tensegríticas: Formadas por barras en compresión que no se tocan, unidas por cables en tracción. Son sostenibles y ligeras.