Fundamentos de la Ingeniería Estructural: Tipos, Esfuerzos y Elementos Resistentes

Conceptos Fundamentales de las Estructuras

La estructura es el conjunto de las partes de un cuerpo que lo sustentan, lo protegen y le dan consistencia.

Tipos de Estructuras

• Masivas: Son estructuras pesadas y voluminosas. Se construyen apilando materiales (ejemplo: edificios de piedra).
• Abovedadas: Emplean el arco y la bóveda para cubrir espacios, aumentar los huecos y reducir el peso.
• Laminadas: Consisten en láminas o paneles delgados y resistentes que forman una caja que protege al resto de las piezas.
• De Armazón: Compuestas por piezas alargadas (como tubos o vigas) que se unen entre sí para formar un esqueleto o armazón.

Clasificación de las Estructuras de Armazón

• Entramadas: Forman una malla de piezas verticales y horizontales (ejemplo: una silla).
• Trianguladas: Utilizan barras que forman triángulos, proporcionando gran rigidez (ejemplo: torres eléctricas).
• Colgadas: Soportan parte del peso de la construcción mediante cables que se fijan a muros o torres (ejemplo: puentes colgantes).

Fuerzas y Esfuerzos en las Estructuras

Las Cargas (Fuerzas)

Las fuerzas que soporta una estructura se denominan cargas. Se clasifican en:

• Fijas (Cargas Permanentes): No varían con el paso del tiempo y afectan a la estructura de manera constante.
• Variables (Cargas Temporales): Cambian con el tiempo, afectando la estructura de forma intermitente.

Tipos de Esfuerzos Mecánicos

Los esfuerzos son las tensiones internas que experimentan los materiales:

• Tracción: Las fuerzas que actúan sobre la pieza tienden a estirarla.
• Compresión: Las fuerzas tienden a aplastarla.
• Flexión o Pandeo: Las fuerzas tienden a doblarla.
• Torsión: Las fuerzas tienden a retorcerla.
• Corte (Cizalladura): Las fuerzas tienden a cortarla.

Elementos Resistentes Fundamentales

Estos son los componentes básicos que proporcionan soporte y estabilidad a una estructura:

• Pilares: Apoyos verticales que soportan principalmente esfuerzos de compresión.
• Vigas: Piezas horizontales que soportan esfuerzos de flexión.
• Tirantes: Cables inextensibles que soportan esfuerzos de tracción.
• Escuadras: Triángulos rectángulos empleados para reforzar la estructura.
• Diagonales: Barras que unen dos vértices opuestos de un polígono.
• Arcos: Elementos de forma curvilínea que se apoyan sobre dos pilares.

Otros Componentes Estructurales

• Dinteles: Elementos horizontales usados para abrir huecos en los muros.
• Bóvedas: Estructuras curvas apoyadas en muros o pilares.
• Contrafuertes: Pilares adosados a los muros para aumentar su resistencia.
• Cúpulas: Bóvedas semiesféricas utilizadas como cubiertas.
• Membranas: Superficies flexibles que soportan cargas.
• Columnas: Cumplen la misma función que los pilares.
• Placas: Elementos que distribuyen la carga por toda su superficie.

Funcionalidad y Propósito de las Estructuras

Las estructuras resuelven diversas necesidades constructivas, incluyendo:

• Proteger y proporcionar apoyo a los elementos de un conjunto.
• Salvar accidentes geográficos.
• Generar superficies.
• Cerrar y cubrir espacios.
• Almacenar materiales.
• Alcanzar alturas en el espacio.

Condiciones Esenciales

Toda estructura debe cumplir dos condiciones fundamentales:

1. Ser estable.
2. Ser resistente.

El Centro de Gravedad y la Estabilidad

El centro de gravedad de un cuerpo es un punto imaginario en el que se considera que se concentra todo el peso del cuerpo, siendo crucial para determinar su estabilidad.

Cálculo Estructural

El cálculo de estructuras consiste en lograr la mayor resistencia posible utilizando la mínima cantidad de material.