Conceptos Fundamentales de Estructuras en Ingeniería y Diseño
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Conceptos Fundamentales de Estructuras en Ingeniería
Definición de Estructura
Una estructura es un conjunto de elementos capaces de soportar fuerzas y transmitirlas a los puntos donde se apoya, con el fin de ser estable y resistente. Llamamos cargas a las fuerzas que actúan sobre una estructura.
- Estructuras Estables: Son aquellas que, al aplicar fuerza sobre ellas, conservan su posición.
- Estructuras Inestables: Son las que, al aplicar un pequeño empuje, pierden el equilibrio.
- Estructuras Resistentes: Son aquellas que conservan su forma al aplicarle cargas (ej. arcos, tirantes y triángulos).
Elementos Clave de una Estructura
Los componentes fundamentales que conforman una estructura son:
- Arcos: Elementos de forma curva que cubren un hueco entre dos pilares y trabajan principalmente a esfuerzos de compresión.
- Vigas: Barras horizontales diseñadas para soportar esfuerzos de flexión.
- Tirantes: Cables que soportan esfuerzos de tracción, aumentando la resistencia y estabilidad de la estructura.
- Pilares: Barras verticales que soportan principalmente esfuerzos de compresión.
- Cimientos: La base sobre la que se apoya la estructura, encargados de resistir y transmitir los esfuerzos de compresión al terreno.
Tipos de Esfuerzos en Estructuras
Las estructuras están sometidas a diversas fuerzas que generan diferentes tipos de esfuerzos internos:
- Esfuerzo de Tracción: Se produce cuando un elemento tiende a estirarse (ej. cables de puentes colgantes).
- Compresión: Ocurre cuando un elemento tiende a comprimirse o acortarse (ej. columnas o pilares).
- Flexión: Se manifiesta cuando un elemento tiende a doblarse (ej. vigas bajo carga).
- Cizalla (o Cortante): Tiende a desplazar una sección de un elemento con respecto a otra (ej. la acción de unas tijeras).
- Torsión: Se produce cuando un elemento tiende a retorcerse sobre su propio eje (ej. al apretar un tornillo).
Perfiles Estructurales
Los perfiles de los elementos estructurales se clasifican según su forma:
- Perfiles Abiertos: Como V, T, U, L, X, H.
- Perfiles Cerrados: Como O (circulares), [] (cuadrados o rectangulares), o triangulares.
Clasificación de Estructuras por su Configuración
Las estructuras pueden clasificarse en diferentes categorías según su diseño y los materiales predominantes:
- Estructuras Masivas: Aquellas en las que predomina una gran concentración de material (ej. pirámides, templos griegos, murallas, diques).
- Estructuras Abovedadas: Predominan los arcos, las bóvedas y cúpulas como elementos de sujeción y soporte (ej. teatros, circos, iglesias, catedrales).
- Estructuras Trianguladas: Se forman con la unión de muchos triángulos, que proporcionan gran rigidez (ej. grúas, estadios, torres de alta tensión).
- Estructuras Entramadas: Se forman por un conjunto de elementos de madera, acero u hormigón que se entrecruzan entre sí. Elementos clave: vigas, pilares y cimentación (ej. rascacielos).
- Estructuras Colgantes: Sustentadas por cables sujetos a elementos de soporte (ej. Puente Golden Gate).
Evolución Histórica y Ejemplos Notables
En el siglo XIX se adquirieron conocimientos técnicos profundos sobre las estructuras. A finales de siglo, la invención del acero y del ascensor eléctrico permitieron la construcción de edificios de gran altura: los rascacielos. Ejemplos históricos y modernos de estructuras icónicas incluyen:
- Crómlech de Stonehenge (Inglaterra)
- Pirámides del Antiguo Egipto
- Acueducto Romano de los Milagros (Mérida, Badajoz)
- Rascacielos (Nueva York)
- Puente Vasco da Gama (Lisboa)