Fundamentos de Estructuras: Materiales, Tipos y Comportamiento Mecánico

Fundamentos Esenciales en el Diseño y Comportamiento de Estructuras

Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí, con la misión de soportar las fuerzas que actúan sobre ellos.

Propiedades de los Materiales Estructurales

• Rígido: Es un material que no se deforma ante una presión ejercida sobre él. El antónimo en estructuras es *flexible*.
• Tenaz: Es un cuerpo que no se rompe por el golpeo ejercido sobre él. El antónimo en estructuras es *frágil*.
• Resistente: Es un cuerpo que no se rompe ante una presión ejercida sobre él. El antónimo en estructuras es *débil*.

Tipos de Estructuras

Las estructuras se clasifican según su forma y el modo en que distribuyen las cargas:

Estructuras Masivas

Son aquellas que se construyen acumulando mucho material.

Estructuras Entramadas

En construcción, se componen de barras horizontales, llamadas vigas, apoyadas en barras verticales, llamadas pilares.

Estructuras Abovedadas

Se desarrollaron a partir del conocimiento para construir arcos, permitiendo abrir huecos en los muros y crear bóvedas y cúpulas para cubrir espacios.

Estructuras Triangulares

Son muy ligeras y resistentes a la vez, formadas por barras delgadas o perfiles que se unen por sus extremos formando los indeformables triángulos.

Estructuras Atirantadas

Utilizan cables o cuerdas que transmiten la carga hasta un punto muy fijo, que puede ser un soporte o una torre muy resistente.

Estructuras Laminares

Son las empleadas tanto en la fabricación de objetos y vehículos, como en la construcción de delgadas cubiertas curvas que dan la sensación de flotar en el aire.

Requisitos Fundamentales del Diseño Estructural

Para garantizar el correcto funcionamiento de una estructura, se deben considerar los siguientes aspectos:

Resistencia

Las cargas que debe soportar la estructura no deben romperla.

La forma y posición de los elementos de la estructura influyen en su resistencia tanto como el material elegido para construirla.

Rigidez

Las cargas que debe soportar la estructura no deben deformarla demasiado.

La triangulación consiste en colocar barras entre las uniones de un polígono tratando de formar triángulos, siendo esta la estructura simple más rígida.

Estabilidad

Las cargas que debe soportar la estructura no deben volcarla.

Para que permanezca erguida, el centro de gravedad debe estar centrado sobre su base y lo más cercano a ella.

El Centro de Gravedad (CDG)

El centro de gravedad de un objeto es su punto de equilibrio. Es un punto imaginario asociado a la masa, pero no tiene porqué estar dentro del volumen del objeto al que se refiere. Por ejemplo, el CDG de un anillo es su centro.

Cargas y Esfuerzos: La Respuesta Mecánica

Definiciones Clave

El comportamiento de una estructura es la respuesta que ofrece a las fuerzas que actúan sobre ella. A estas fuerzas las denominamos CARGAS y generan unas tensiones internas en los materiales llamadas ESFUERZOS.

Es importante diferenciar entre unas y otros. Los esfuerzos, esas tensiones, aparecen sólo como respuesta a las cargas y dependen directamente de ellas. Los esfuerzos de una estructura generan nuevas fuerzas que se oponen a las cargas para anularlas y de esta forma resistir.

Ejemplo Práctico

Por ejemplo, la losa del suelo puede sufrir el peso de dos personas, una que pesa (tiene una masa de) 50 kg y otra que pesa cien. Tenemos entonces dos cargas verticales – gravitatorias–, de 50 y de 100 kgf. El suelo resiste, lo que quiere decir que han aparecido tensiones dentro de éste que acaban resultando en dos fuerzas, con idénticos punto de aplicación, magnitud y dirección que las cargas, pero de sentido contrario.

Esfuerzos Combinados

En general, como resultado de la acción de distintas cargas, las estructuras experimentan esfuerzos combinados, fruto de la adición de esfuerzos simples, que en total son cinco:

1. Compresión: Un par de fuerzas se acercan una hacia la otra, intentando reducir el objeto.
2. Tracción: Un par de fuerzas se alejan una de la otra, intentando separarse o alargando el objeto.
3. Flexión: Tres fuerzas paralelas en el mismo plano, la del medio en sentido opuesto a las extremas.
4. Cortadura o cizalla: Dos fuerzas próximas paralelas de sentidos opuestos tienden a hacer resbalar una parte del cuerpo sobre la otra.
5. Torsión: Dos fuerzas actúan retorciendo el objeto.