Fundamentos de las Estructuras en Ingeniería Civil: Tipos, Cargas y Análisis

¿Qué es una Estructura?

Para el ingeniero civil, la palabra estructura es muy amplia y tiene muchos significados.

Las estructuras más usadas son las de edificios, muros y puentes. Estas estructuras están compuestas por diferentes elementos, unidos entre sí de tal manera que puedan soportar las fuerzas externas, manteniéndose en equilibrio. El análisis completo de una estructura puede dividirse en tres fases, aunque en la práctica están entremezcladas: primero, debe determinarse la carga que actúa sobre la estructura; luego, se deben inspeccionar los miembros y nudos.

Clasificación de las Estructuras

La mayoría se clasifican en: estructuras de nodos rígidos, estructuras de nodos articulados y estructuras combinadas.

Estructuras de Nodos Rígidos

Una estructura de nodos rígidos está compuesta de elementos o miembros que van unidos mediante uniones rígidas. El análisis completo de las estructuras de nodos rígidos queda concluido una vez hallados los valores y los diagramas de fuerza axial, fuerza cortante, momento flector y momentos en las barras.

Estructuras de Nodos Articulados

Una estructura de nodos articulados es aquella en que todos sus miembros están unidos por medios articulados lisas en sus extremos. Su análisis queda realizado una vez hallados los valores de las fuerzas axiales en todas las barras de reticulados en magnitud, dirección y sentido.

Cargas sobre la Estructura

Las cargas que actúan sobre una estructura y deben ser tomadas en cuenta son: las cargas permanentes, las sobrecargas, los efectos dinámicos o impactos de sobrecargas, los sismos, los empujes, los cambios de temperatura y el movimiento de los apoyos.

• Cargas Permanentes: Incluyen el peso propio de la estructura.
• Sobrecargas: Es el sistema de carga que debe soportar la estructura.
• Impactos: Es el efecto dinámico debido a la aplicación de la sobrecarga.

Hipótesis para un Comportamiento Linealmente Elástico

• El material es homogéneo, isotrópico, continuo y sigue la ley de Hooke.
• Las deformaciones deben ser pequeñas para no alterar la geometría de la estructura.
• Las cargas deben ser estáticas.
• Los esfuerzos y las deformaciones inducidas por efectos distintos se pueden añadir utilizando el principio de superposición de efectos.
• Todo sistema debe corresponder a un estado de equilibrio estático.

Métodos de Análisis

El objetivo principal de la teoría estructural es estudiar los principios y los diferentes métodos para calcular la fuerza axial, cortante y momento flector de una sección cualquiera de un elemento que está sometido a un sistema de carga.

El análisis de estructura plana utiliza las tres ecuaciones de equilibrio de un sistema general de fuerza.

Estabilidad de Estructuras

Las estructuras están obligadas, en su gran mayoría, a no moverse libremente. Una estructura plana tiene tres grados de libertad, es decir, tiene tres posibilidades de movimiento: vertical, horizontal y de rotación.

Para lograr su fijación, se necesita suministrar vínculos externos dispuestos de tal manera que las líneas de acción de las reacciones no sean ni paralelas ni concurrentes. Cuando una estructura tiene suficientes vínculos externos, pero no dispuestos de tal manera que produzcan estabilidad, se dice que la estructura tiene inestabilidad geométrica.