Principios Fundamentales de las Estructuras: Tipos, Funciones y Optimización

1. Definición de Estructura

Una estructura es un conjunto de elementos unidos o conectados entre sí de manera ordenada que proporcionan estabilidad y rigidez al conjunto y son capaces de soportar una carga con la mínima deformación tolerable.

2. Estructuras Naturales y Artificiales

Según su origen, las estructuras se pueden clasificar en naturales y artificiales.

Ejemplos de estructuras naturales son el nido de un ave, un panal de abejas, un árbol, la concha de un molusco o el esqueleto de un animal.

Muchas veces las personas imitan a la naturaleza cuando construyen estructuras; estas estructuras hechas por el ser humano se denominan estructuras artificiales.

3. Concepto de Fuerza

Probablemente estarás familiarizado con el concepto de fuerza en tus experiencias cotidianas. Cuando empujas un objeto o tiras de él, ejerces fuerza sobre ese objeto. También cuando golpeas una pelota o la lanzas; en estos casos, la palabra fuerza está asociada al cambio en el estado de movimiento del objeto. Puede que estuviera en reposo y le imprimas una aceleración con tu golpe, o puede que provoques un cambio en la dirección del desplazamiento del objeto.

Fuerza es toda influencia que es capaz de deformar un cuerpo o modificar su estado de reposo o movimiento.

La fuerza es una acción que modifica el movimiento de un cuerpo, o bien, lo deforma.

Cargas

Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo o una estructura se denominan cargas y pueden ser de dos tipos:

• Cargas permanentes o fijas: cuando no varían a lo largo del tiempo, por ejemplo, el propio peso de la estructura.
• Cargas variables o intermitentes: son cargas que varían a lo largo del tiempo, por ejemplo, la fuerza del aire o el peso de las personas en un edificio.

Estructura

versidad

4. Esfuerzos

Dependiendo del punto de aplicación de las fuerzas que actúan sobre una estructura, su dirección, su sentido y la propia geometría de la estructura, las cargas provocan tensiones de diversos tipos en los elementos que constituyen la estructura. Estas tensiones se denominan esfuerzos.

Esfuerzos de tracción:

Cuando las fuerzas tienden a estirar el cuerpo sobre el que actúan.

Por ejemplo, una goma al ser estirada o los cables que sujetan un puente están sometidos a esfuerzo de tracción.

Esfuerzos de compresión:

Cuando las fuerzas tienden a comprimir o acortar la distancia de las caras opuestas del cuerpo sobre el que actúan.

Por ejemplo, los pilares de una casa o las patas de una mesa están sometidos a esfuerzos de compresión.

Esfuerzos de flexión:

Cuando las fuerzas tienden a curvar o doblar el elemento sobre el que actúan.

Las vigas de una casa o las baldas de una estantería están sometidas a esfuerzos de flexión.

Esfuerzos de torsión:

Cuando las fuerzas intentan retorcer el elemento sobre el que actúan.

Un destornillador o el eje de un motor están sometidos a esfuerzos de torsión.

Esfuerzos de cizalladura o cortante:

Cuando las fuerzas se aplican en planos paralelos muy próximos y en sentido contrario de tal modo que cortan el elemento sobre el que actúan.

Las tijeras actúan sobre un papel aplicando un esfuerzo cortante.

5. Funciones de las Estructuras

De la definición de estructura podemos interpretar que las estructuras deben cumplir con tres funciones principalmente:

Estabilidad

Las estructuras deben ser estables, es decir, no deben volcar. Para ello, es necesario que el centro de gravedad (c.d.g.) de la estructura quede verticalmente encima de su base lo más centrado posible. Cuanto mayor sea la base de la estructura, menor la altura del c.d.g. y más centrado se encuentre éste dentro de la base, mayor será la estabilidad de la estructura.

Centro de gravedad (c.d.g.): es un punto imaginario donde consideramos que se aplica la fuerza de gravedad sobre el cuerpo.

Rigidez

Las estructuras deben ser capaces de mantener su forma cuando están sometidas a las cargas para las que fueron diseñadas. Todas las estructuras se deforman ligeramente, pero esas deformaciones deben estar dentro de un margen tolerable para que pueda cumplir su función.

Resistencia

Las estructuras deben ser capaces de soportar las cargas sin romperse o colapsar. La resistencia de una estructura depende de los materiales utilizados para construirla y también de su forma y de su tamaño.

Además, la resistencia de un material depende del tipo de esfuerzo al que está sometido; por ejemplo, un ladrillo soporta grandes esfuerzos de compresión, pero funciona muy mal a tracción o flexión. Por el contrario, un cable de acero es excelente para soportar esfuerzos de tracción.

Existen materiales compuestos que aúnan las mejores características de los materiales que lo forman; por ejemplo, el hormigón armado está constituido por hormigón reforzado con una armadura de varillas de acero. El hormigón es excelente para esfuerzos de compresión y, combinado con el acero, soporta también esfuerzos de flexión y se utiliza muchísimo en construcción.

Estructuras Geodésicas

Están constituidas por triángulos o polígonos que producen bóvedas o esferas. Encierran un gran volumen con un mínimo material y el uso del triángulo en su construcción se pueden clasificar dentro de las trianguladas.

Estructuras Entramadas

En estas estructuras las forjas transmiten las cargas a las vigas y de estas pasa a los pilares que a su vez las transmiten al terreno a través de la cimentación. La unión de vigas y pilares forman el pórtico.

El Hormigón Armado está constituido por una red de barras de acero corrugado (armadura) rodeadas de hormigón y aúna las mejores características de ambos materiales para la compresión, tracción y flexión.

Estructuras Trianguladas

Son estructuras formadas por elementos lineales de pequeña sección denominadas barras que forman estructuras planas o tridimensionales mediante la repetición de formas triangulares. Los materiales más usados son la madera y el acero.

Las estructuras trianguladas son ligeras, muy rígidas y resistentes.

Las estructuras trianguladas se utilizan para cubrir grandes luces (espacio abierto entre dos apoyos) utilizando cerchas o vigas trianguladas.

Estructuras Abovedadas y de Arco

El descubrimiento del arco permitió abrir grandes espacios (luces) en los muros utilizando elementos que trabajan a compresión y no a flexión (como los dinteles) y además aligerar las construcciones.

Los primeros arcos se utilizaron profusamente por los romanos en sus construcciones: acueductos, anfiteatros, etc. Fueron de medio punto (semicirculares). También construyeron bóvedas de cañón y cúpulas. Posteriormente, en la Edad Media se utilizaron arcos apuntados u ojivales y bóvedas de crucería y también el arco de herradura.

Las bóvedas son estructuras compuestas por muchos arcos. Cuando los arcos son contiguos forman la bóveda de cañón y si los arcos se cruzan forman la bóveda de crucería.

6. ¿Cómo Mejorar la Estabilidad de una Estructura?

Para conseguir estructuras más estables podemos hacer varias actuaciones:

Aumentar la base de la estructura

Al aumentar la base de la estructura mejora la estabilidad. 

Atirantar la estructura

Al utilizar tirantes, conseguimos estructuras más estables, pues también aumenta la base de la estructura.

Bajar el centro de gravedad de la estructura

Añadiendo peso o lastre cerca de la base de la estructura conseguimos que el c.d.g. de la misma baje y, por tanto, mejoramos la estabilidad de la estructura.

Empotrar la estructura en el suelo

También conseguimos una mayor estabilidad si empotramos en el suelo la estructura

7. ¿Cómo mejorar la rigidez de una estructura?

Para conseguir estructuras rígidas podemos llevar a cabo las siguientes acciones:

Triangulación

La triangulación permite estructuras rígidas, ligeras y resistentes.

Un triángulo no puede deformarse sin romperse.

Escuadras

Cuando no se pueden realizar triangulaciones se puede recurrir al uso de escuadras.

Escuadra

Uniones rígidas

Realizar uniones rígidas mediante soldadura o utilizando bulones (tuercas y tornillos) o roblones rigidiza la estructura.

También el entrelazamiento de las armaduras en las uniones de estructuras de hormigón armado produce uniones rígidas

Es una forma de triangulación utilizando cables o perfiles. El arriostramiento más simple es la cruz de San Andrés, donde dos tirantes se colocan formando un aspa y que probablemente habrás visto utilizar en andamios.

Arriostramiento:

cruz de San Andrés