Explorando las Estructuras: Fuerzas, Tipos y su Impacto en el Diseño y la Ingeniería

Fuerzas

Definición de Fuerza

Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo (efecto estático¹) o de alterar su estado de movimiento o reposo (efecto dinámico²).

Estructuras: Naturales y Artificiales

La naturaleza nos ofrece infinidad de ejemplos de estructuras surgidas sin la intervención del ser humano, como los nidos de las aves.

Existen también estructuras artificiales creadas por el ser humano; desde objetos pequeños y sencillos como un portaminas hasta los más grandes y complejos como un puente, un rascacielos o un satélite artificial.

¿Qué es una Estructura?

Una estructura es el conjunto de elementos de un cuerpo destinados a soportar los efectos de fuerzas (externas o internas) que actúan sobre él. La estructura impide que el cuerpo se rompa o se deforme en exceso.

Cargas y Esfuerzos en las Estructuras

Definición de Cargas

Las fuerzas que actúan sobre una estructura se denominan cargas.

Tipos de Cargas

• Cargas fijas o permanentes: No varían con el paso del tiempo, por ejemplo, un paquete de 1 kg de arroz.
• Cargas variables: Aparecen en algunas ocasiones y no tienen siempre el mismo valor, por ejemplo, el peso de una persona.

Definición de Esfuerzos

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

• Tracción: Es el esfuerzo de tirar desde los extremos a la vez hacia fuera.
• Compresión: Consiste en empujar hacia dentro los extremos a la vez.
• Torsión: Es el esfuerzo de retorcer un cuerpo.
• Flexión: Se produce al doblar un cuerpo por el centro.
• Cizalladura: Consiste en empujar una parte hacia arriba y otra hacia abajo en el mismo sitio.

Condiciones Fundamentales de las Estructuras

• Estabilidad: Capacidad de una estructura para mantenerse erguida y no volcar.
• Resistencia: Capacidad de soportar las tensiones a las que es sometida.
• Rigidez: Capacidad de una estructura para no deformarse.

La Triangulación en Estructuras

¿Por qué la Triangulación es Crucial?

En el caso de estructuras de barras, como las celosías, es preciso que sean indeformables, puesto que hay figuras que podrían desplazarse. Esto se logra mediante la triangulación de las barras.

Tipos de Estructuras Comunes

Estructuras Masivas

Las primeras estructuras se obtuvieron excavando en la roca o acumulando materiales sin dejar apenas hueco, por ejemplo, bloques de arcilla apilados unos encima de otros, como las pirámides.

Estructuras Abovedadas

Son estructuras que tienen forma de bóveda, distribuyendo las cargas de manera eficiente.

Estructuras Entramadas

Son estructuras formadas por un conjunto de elementos horizontales y verticales (vigas y pilares) que se utilizan comúnmente en la construcción de bloques de pisos.

Estructuras Trianguladas

Son estructuras de barras, normalmente metálicas o de madera, formadas por la unión de triángulos. Esta configuración les confiere gran rigidez y se observa en ejemplos como puentes y torres de alta tensión.

Estructuras Colgantes

Este tipo de estructuras basa su funcionamiento en la utilización de cables de los que cuelga la estructura. Estos cables reciben el nombre de tirantes. Cuando se pueden regular estirándolos más o menos, se llaman tensores.

Estructuras Neumáticas

Las estructuras neumáticas son desmontables y ligeras; por ello, se utilizan, por ejemplo, en atracciones infantiles y construcciones que se pueden transportar e instalar muy rápidamente, como lanchas, colchones hinchables y castillos hinchables.

Estructuras Laminares

Están compuestas por láminas finas de metal, plásticos o materiales compuestos. Ofrecen gran resistencia debido a su curvatura, como se ve en una carrocería de coche.

Estructuras Geodésicas

Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas con las estructuras de barras, como el edificio de las Aves o la Ciudad de las Artes y las Ciencias (Valencia).