Fundamentos de Estructuras: Fuerzas, Cargas y Esfuerzos

Fuerzas: Es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de alterar su estado de movimiento. Se representan gráficamente mediante flechas, con las que se indica su intensidad, la dirección y el sentido en el que actúan. Esta representación se llama diagrama de fuerzas y es útil para estudiar cómo se reparten las cargas y los esfuerzos.

Cargas: Son las fuerzas que actúan sobre la estructura. Hay 2 tipos: fijas y variables.

Esfuerzos: Son las tensiones internas que experimentan los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas. Los esfuerzos provocan: deformaciones o roturas en los cuerpos.

Estructura: Es el conjunto de elementos, materiales y dimensiones, enlazados con uniones específicas y que tienen una disposición tal que, a través de los esfuerzos transmiten las fuerzas aplicadas hasta los puntos de apoyo.

Aplicaciones de las Estructuras

1. Mantener una forma y proteger: esqueletos, armaduras.
2. Almacenar materiales: presas, piscinas, botellas, envases de cartón.
3. Cerrar y cubrir espacios: techumbres, bóvedas, cúpulas.
4. Salvar accidentes geográficos: puentes y túneles.
5. Alcanzar alturas en el espacio: torres, postes, antenas, grúas.
6. Generar superficies: carreteras, campos deportivos, aeropuertos.

A lo largo de la historia, los materiales fueron cambiando: el barro (en bruto o en ladrillos), la piedra y la madera primero, el hierro (acero) y el hormigón luego, hasta llegar al aluminio, las aleaciones, los plásticos y las maderas tecnológicas.

Tipos de Esfuerzos

1. Tracción: Es el provocado por fuerzas opuestas que tienden a estirar el cuerpo sobre el que actúan. Fuerzas opuestas hacia el exterior, en la misma dirección y sentido contrarios.
2. Compresión: Es el provocado por fuerzas que tienden a comprimir o aplastar el cuerpo. Fuerzas opuestas hacia el exterior en la misma dirección y sentido contrarios.
3. Flexión: Es el provocado por fuerzas que intentan doblar un cuerpo que está apoyado en sus extremos.
4. Torsión: Es el provocado por fuerzas que intentan girar un cuerpo en sentidos opuestos.
5. Cizalladura o cortante: Es el provocado por fuerzas hacia arriba y hacia abajo muy próximas, intentando cortar el objeto.

Propiedades de las Estructuras

1. Estabilidad: Es la capacidad de una estructura de mantenerse erguida y no volcar. Se consigue haciendo que el centro de gravedad:
   1. esté alineado verticalmente sobre la base de apoyo
   2. esté lo más cercano al suelo posible.
2. Resistencia: Es la capacidad que tiene la estructura de soportar tensiones sin romperse.
3. Rigidez: Es la capacidad que tiene la estructura de deformarse levemente al aplicarle una fuerza.

Estrategias para mejorar las propiedades

• Estabilidad: ensanchar la base, atirantar, empotrar en el suelo, concentrar su masa cerca de la base.
• Resistencia: elegir adecuadamente: el material y su cantidad, así como la forma de la estructura.
• Rigidez: soldar uniones, dar a la estructura una forma apropiada (aumentar el canto o el ancho) y triangular.

Tipos de Estructuras

• Estructuras masivas: muro, contrafuerte, dintel, zapata.
• Estructuras abovedadas: arco, bóveda, cúpula.
• Estructuras entramadas: cimientos, pilar, columna, pilastra, viga, jácena o viga maestra, forjado, dintel.
• Estructuras triangulares: barra hueca, perfil hueco, tirante, nudo, escuadra, riostra o diagonal.
• Estructuras colgantes: tablero, tirante, tensor, catenaria.