Fundamentos de Estructuras: Tipos, Fuerzas y Elementos Esenciales en Construcción

Conceptos Fundamentales de Estructuras

Una estructura es el conjunto de elementos de un cuerpo destinado a soportar las acciones externas para evitar que se rompa o se deforme en exceso.

Tipos de Estructuras

• Estructuras Naturales: Son aquellas que se han formado sin intervención del ser humano; están presentes en los seres vivos y en sus construcciones.
• Estructuras Artificiales: Son aquellas elaboradas por los seres humanos para satisfacer una necesidad.

Fuerzas y Esfuerzos en Estructuras

Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo (efecto estático) o alterar su estado de movimiento o reposo (efecto dinámico).

Tipos de Cargas

• Cargas Fijas o Permanentes: Son aquellas que no varían a lo largo del tiempo, por tanto, son cargas constantes. Ejemplos: asfalto o barandilla.
• Cargas Variables: Son aquellas que cambian a lo largo del tiempo. Por ejemplo, el peso de las personas dentro de un edificio.

Una carga es una fuerza que actúa sobre una estructura y puede ser fija o variable.

Llamamos esfuerzo a la tensión interna que experimentan todos los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas.

Tipos de Esfuerzos

• Tracción: Se produce cuando las fuerzas tratan de estirar el cuerpo sobre el que actúan.
• Compresión: Aparece cuando la fuerza trata de aplastar o comprimir un cuerpo.
• Flexión: Aparece cuando la fuerza intenta doblar el elemento sobre el que actúa.
• Torsión: En este caso, las fuerzas intentan retorcer el elemento sobre el que actúan.
• Cortante: Este esfuerzo trata de seccionar el objeto en un punto determinado.

Clasificación de Estructuras Artificiales

Estructuras Masivas y Adinteladas

Son las estructuras que se construían concentrando gran cantidad de material sin apenas dejar huecos. Colocando bloques de piedra o arcilla, para abrir ventanas y pasos libres se utilizaban dinteles de piedra o madera. Son ejemplos de estructuras masivas y adinteladas los templos griegos.

Estructuras Abovedadas

El descubrimiento del arco y la bóveda permitió cubrir espacios mayores y dejar más hueco en las estructuras. Las estructuras abovedadas están formadas por arcos y bóvedas y se basaban en el empleo de piedras cortadas y colocadas de tal forma que solo aparezca en ellas el esfuerzo de compresión, que es bien soportado por la piedra.

Estructuras Triangulares

Están formadas por barras (metálicas o de madera). La triangulación hace que las estructuras sean indeformables, lo que es útil para la construcción de puentes, cubiertas de grandes luces y estructuras verticales.

Estructuras Colgantes

Para construir se utilizan cables de los que cuelga la estructura y que reciben el nombre de tirantes. Cuando se pueden regular, estirándolos más o menos, se llaman tensores. Existe una gran variedad de estructuras colgantes que permiten cubrir grandes espacios, como estadios o pabellones, sin utilizar pilares.

Estructuras Entramadas de Hormigón Armado

El hormigón supuso un gran adelanto en la construcción, ya que puede tener cualquier forma. Bajo el suelo que pisas hay una estructura horizontal llamada forjado, construida por pequeñas vigas denominadas viguetas. El forjado transmite el peso de tu piso hasta las vigas, y estas a los pilares. Los pilares no se apoyan directamente en el terreno, porque se hundirían. Entre ellos y el suelo se encuentra la cimentación, elemento intermedio que aumenta la superficie de apoyo y permite repartir el peso del edificio.

Estructuras Laminares

Están formadas por láminas finas de metal, plástico o material compuesto como el hormigón armado. Deben su resistencia a la curvatura u ondulaciones que presentan. La curvatura hace que la lámina resista esfuerzos de tracción y compresión en su superficie. Los pliegues y nervaduras dan rigidez.

Estructuras Neumáticas

Las estructuras neumáticas son desmontables y ligeras, de ahí que se empleen en construcciones que deben ser transportadas e instaladas de forma rápida y sencilla.

Estructuras Especiales y Geodésicas

Son estructuras tridimensionales de barras que aprovechan sus propiedades geométricas.

Condiciones Fundamentales de las Estructuras

• Estabilidad: Habilidad de mantenerse erguida y no volcar. El centro de gravedad debe estar centrado sobre su base.
• Resistencia: Tiene que resistir las tensiones a las que está sometida sin romperse.
• Rigidez o Deformación Controlada: Aunque todos los cuerpos se deforman levemente al aplicarles una fuerza, esta deformación no debe impedirles cumplir su función.

Soluciones para la Estabilidad Estructural

Para conseguir que una estructura sea estable, se puede recurrir a las siguientes soluciones:

• Compresión: Emplearemos elementos gruesos.
• Tracción: Bastará con aumentar la sección y tensar bien los elementos.
• Flexión: Aumentaremos el canto del elemento y acumularemos el material en las partes superior e inferior.

Para conseguir uniones rígidas entre los elementos de la estructura de hormigón armado, se entrelaza la armadura de acero y se utilizan elementos intermedios como la cartela.

La triangulación evita deformaciones.

Elementos Estructurales Clave

Pilares, Columnas y Pilastras

Se trata de elementos verticales que soportan el peso de la estructura que está por encima de ellos.

• Pilares: Son cuadrados o rectangulares.
• Columnas: Son cilíndricas y, además de funciones estructurales, suelen tener fines decorativos.
• Pilastras: Columnas o pilares adosados a un muro.

Vigas, Viguetas y Dinteles

Son elementos horizontales lineales. Su función es salvar un espacio entre dos apoyos.

• Vigas: Se apoyan en los pilares y les transmiten el peso del forjado o la cubierta.
• Viguetas: Son pequeñas vigas dentro del forjado.
• Dinteles: Denominados arquitrabes en la arquitectura clásica, sirven para cerrar el espacio entre columnas.

Arcos y Bóvedas

Son elementos curvos o tridimensionales que sirven para cubrir el espacio entre dos muros o columnas.

• Arcos: Se construyen mediante una estructura auxiliar llamada cimbra, que sujeta las piezas que lo forman mientras se está construyendo. La colocación de la pieza superior, que se denomina clave, hace que el arco se sostenga por sí mismo.
• Bóvedas: Se construyen a partir de una sucesión continua de arcos.

Arbotantes y Contrafuertes

• Arbotante: Es un arco exterior que lleva las cargas perpendiculares.
• Contrafuerte: Puede estar directamente adosado al muro.

Muros de Carga y Contención

Son elementos verticales que transmiten las cargas hasta el terreno.

• Muros de Carga: Transmiten esfuerzos de compresión y pueden estar construidos con materiales como piedra o ladrillo.
• Muros de Contención: Soportan esfuerzos de flexión debido a la fuerza del terreno (empujes) y, por tanto, deben construirse en hormigón armado.

Forjado

Es un elemento horizontal que se extiende en dos direcciones y transmite las cargas que soporta al resto de la estructura.

• Viguetas: Llevan el peso del forjado hasta las vigas.
• Bovedillas: Cubren el espacio entre las vigas.
• Capa Superior de Hormigón Armado: Da homogeneidad al forjado.

Basamento, Zapata, Losa y Pilote

Son elementos de cimentación, la parte inferior de la estructura.

• Basamento: Es el elemento inferior de la estructura.
• Zapatas: Son prismas rectangulares de hormigón.
• Losa de Cimentación: Es un elemento superficial de hormigón.
• Pilotes: Son columnas que se colocan verticalmente en suelos inestables o arcillosos.