Principios Esenciales de Estructuras en Arquitectura e Ingeniería Civil

La arquitectura sirve para que una edificación permanezca en su sitio, sin romperse ni deformarse. Para lograrlo, se basa en principios estructurales fundamentales que garantizan su estabilidad y durabilidad.

Conceptos Fundamentales de Estructuras

Definiciones Básicas

• Estructura: Conjunto de cuerpos vinculados entre sí, organizados para recibir y resistir las fuerzas a las que son sometidos.
• Sistema Estructurado: Puede ser:
  • Indiferenciado
  • Diferenciado
  • Mixto
• Vínculos: Elementos que conectan las partes de una estructura, pudiendo ser:
  • Fijos
  • Móviles
  • Empotrados

Requerimientos Estructurales Clave

Toda estructura debe cumplir con los siguientes requisitos esenciales:

• Equilibrio Estático: Mantener la estabilidad bajo la acción de las fuerzas.
• Resistencia: Oponerse a la rotura o fallo del material.
• Eficiencia: Relación óptima entre los resultados obtenidos y los recursos empleados (material, forma, etc.).

Fuerzas y Momentos

• Fuerzas: Son magnitudes vectoriales que actúan sobre la estructura.
• Sumatoria de Fuerzas: La fuerza resultante de un sistema de fuerzas es el resultado de la suma vectorial de todas las fuerzas aplicadas.
• Cupla: Par de dos fuerzas de igual intensidad y sentido opuesto, que tienden a producir rotación.
• Momento: También conocido como momento de una cupla, es el poder de rotación que una fuerza o cupla ejerce sobre un punto o eje.

Equilibrio y Estabilidad

El equilibrio estable y la resistencia son requerimientos básicos en la arquitectura, íntimamente relacionados:

• Equilibrio: Se refiere a un sistema de fuerzas exteriores que se anulan, tanto en el conjunto de la estructura como en sus partes aisladas.
• Estabilidad: Es la permanencia del equilibrio, es decir, la capacidad de la estructura para volver a su posición original después de una perturbación.

Tensiones en Materiales

• Tensión: Es la distribución de la fuerza a través de una superficie dada.
• Tipos de Tensión:
  • Tensión Normal: Producida por fuerzas normales o cuplas.
  • Tensión Simple: Incluye compresión o tracción.
  • Tensión Compuesta: Generalmente asociada a la flexión.
  • Tensión Tangencial (Torsión): Tensión sometida a cuplas que producen torsión.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

• Resistencia: Oposición de un material a la rotura bajo carga.
• Rigidez: Oposición de un material a deformarse bajo carga.
• Deformación Elástica: Deformación temporal; al aplicar presión, el material se deforma y luego vuelve a su estado original al cesar la carga.
• Deformación Plástica: Deformación permanente; al aplicar presión, el material queda deformado de manera irreversible.
• Límite de Elasticidad: La tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones plásticas permanentes.
• Módulo de Elasticidad (Módulo de Young): Medida de la rigidez de un material, indicando su oposición a deformarse elásticamente.
• Ley de Hooke: Establece que las deformaciones unitarias son proporcionales a las tensiones dentro del período elástico del material.
• Límite de Rotura: La tensión máxima que un material puede soportar antes de fracturarse.
• Tensión Admisible: La tensión máxima que se permite aplicar a un material en una estructura, generalmente inferior al límite elástico para garantizar seguridad.

Factores que Afectan la Rigidez

La rigidez de un material depende intrínsecamente de su estructura interna. Por otro lado, la rigidez de una estructura en su conjunto depende de varios factores interrelacionados:

• El material utilizado.
• Los vínculos y conexiones entre sus elementos.
• La forma geométrica y configuración de la estructura.
• Las dimensiones de sus componentes.

Tipos Estructurales y Manejo de Cargas

Tipo Estructural

Un tipo estructural se define por la relación determinada entre las variables de forma y el trabajo del material bajo carga.

Manejo de Cargas

Las estructuras están diseñadas para manejar diferentes tipos de cargas y empujes:

• Cargas Verticales (Cubrir Luces):
  • Estructuras a flexión
  • Estructuras a compresión
  • Estructuras a tracción
• Transmitir Cargas al Suelo: Asegurar que las fuerzas se distribuyan adecuadamente a la cimentación.
• Empujes Horizontales: Resistir fuerzas laterales como el viento o sismos.

Ejemplos de Estructuras para Cubrir Luces

• Estructuras Flexionadas: La flexión se produce en piezas cargadas perpendicularmente a su eje longitudinal. Ejemplos comunes incluyen:
  • Estructuras plegadas
  • Vigas tipo Vierendeel
  • Reticulados planos
• Estructuras Comprimidas: Aquellas donde la carga principal es de compresión, transmitiéndose de una pieza a la siguiente. Ejemplo clásico:
  • El arco (donde cada pieza se compone con la fuerza de la siguiente)
• Estructuras Traccionadas: Diseñadas para trabajar principalmente bajo tensión. Ejemplos:
  • Estructuras colgadas (como puentes colgantes o cubiertas tensadas)
  • Estructuras infladas (como cúpulas neumáticas)