Fundamentos de Diseño e Ingeniería Estructural: Conceptos Clave y Tipos

Conceptos Fundamentales de Estructuras

Una estructura es un conjunto de elementos capaces de soportar fuerzas y transmitirlas a los puntos donde se apoya, con el fin de ser resistente y estable. Estas fuerzas que actúan sobre una estructura se llaman cargas.

Fuerzas y Cargas Estructurales

Una fuerza es todo aquello que es capaz de deformar un cuerpo (efecto estático) o bien de modificar su estado de reposo o movimiento (fuerza dinámica). Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se llaman cargas y pueden ser de dos tipos:

• Fijas o permanentes: Son aquellas que no varían con el paso del tiempo.
• Variables: Son aquellas que actúan unas veces sí y otras no.

Condiciones Esenciales de una Estructura

Para que una estructura cumpla su función, debe satisfacer las siguientes condiciones:

• Estabilidad: Que no se caiga una estructura. Para ello, su centro de gravedad debe estar centrado sobre la base.
• Resistencia: Tiene que soportar los esfuerzos a los que se le someta sin romperse.
• Deformación Controlada: Se puede deformar, pero dentro de unos límites que le permitan no romperse y cumplir la función para la que ha sido creada.

Tipos de Esfuerzos Estructurales

Llamamos esfuerzos a las fuerzas que aparecen en los elementos de una estructura cuando esta sometida a otras fuerzas o cargas. Los principales tipos de esfuerzos son:

• Tracción: Una estructura o elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a aumentar su longitud, es decir, a estirarlo.
• Compresión: Una estructura o un elemento está sometido a un esfuerzo de compresión cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a disminuir su longitud, es decir, a comprimirlo.
• Flexión: Un elemento o una estructura está sometida a un esfuerzo de flexión cuando las fuerzas o las cargas tienden a doblarlo.
• Cizalla (o Cortadura): Un elemento está sometido a un esfuerzo de cortadura o cizalla cuando las fuerzas que actúan paralelamente a su sección tienden a cortarlo, es decir, tienden a desplazar una sección con respecto a otra.
• Torsión: Un elemento está sometido a un esfuerzo de torsión cuando existen fuerzas sobre él que tienden a hacer girar una sección con respecto a la otra, es decir, tienden a retorcerlo.

Elementos Constitutivos de una Estructura

Los elementos de una estructura más utilizados son:

• Cimientos
• Columnas o pilares
• Vigas
• Arcos
• Tirantes

Propiedades Clave: Resistencia Estructural

Una estructura es resistente cuando conserva su forma al aplicarle cargas.

Triángulos como Elementos Resistentes

La única figura geométrica que no se puede deformar aplicándole fuerzas en sus lados es el triángulo. Esto ha servido de base para fabricar las estructuras triangulares.

Arcos: Resistencia por Compresión

Otro elemento que también aporta resistencia a una estructura es el arco. Trabaja sometido a compresión. Este elemento fue usado ya por los romanos para hacer puentes con piedras y ladrillos.

Propiedades Clave: Estabilidad Estructural

Son estructuras estables aquellas que, al aplicar una fuerza sobre ellas, conservan su posición. Son inestables las estructuras que, al aplicar un pequeño empuje, pierden el equilibrio. La estabilidad está relacionada con el centro de gravedad. El centro de gravedad es un punto imaginario donde estaría toda la masa del objeto si se pudiera comprimir. Cuando este punto se sitúa fuera de la base del objeto, entonces este se convierte en inestable si se vuelca.

Importancia de los Perfiles en el Diseño Estructural

Los perfiles nos permiten hacer las estructuras resistentes, ligeras y baratas al mismo tiempo.

Clasificación de Estructuras Artificiales

Existen diversos tipos de estructuras artificiales, clasificadas según su configuración principal:

• Masiva: Son estructuras masivas aquellas en las que predomina una gran concentración de material.
• Abovedadas: En las estructuras abovedadas predominan los arcos, las bóvedas o las cúpulas como elementos de sujeción y soporte.
• Entramadas: Las estructuras entramadas son estructuras formadas por un conjunto de perfiles de madera, acero u hormigón que se entrecruzan entre sí. Los elementos estructurales son las vigas, los pilares o columnas y la cimentación.
• Trianguladas: Las estructuras trianguladas se forman con la unión de muchos triángulos, construyendo redes planas o espaciales.
• Colgantes: Son estructuras colgantes las que están sustentadas por cables o perfiles a elementos de soporte.