Estructuras

Concepto de estructura

Llamamos estructura a un conjunto de elementos capaces de aguantar pesos y cargas sin romperse y sin apenas deformarse.

Basta con mirar a  nuestro alrededor para encontrarnos todo tipo de estructuras. Algunas de ellas son creadas por la naturaleza y por tanto las denominamos estructuras naturales.  El esqueleto de un ser vertebrado,  las formaciones pétreas,  el caparazón de un animal o la estructura de un árbol son algunos ejemplos de este tipo de estructura.

  

                

Otras han sido diseñadas y construidas por el hombre para satisfacer sus necesidades a lo largo de su evolución, las llamaremos  estructuras artificiales. Los ejemplos más usuales de este tipo de estructuras son los puentes y edificios, pero las podemos encontrar en la mayoría de los objetos realizados por el hombre.

         

Desde los puentes romanos de piedra hasta los largos puentes colgantes; desde los primeros poblados hasta los grandes rascacielos, los avances tecnológicos y la utilización de nuevos materiales van posibilitando al hombre la construcción de estructuras cada vez más resistentes y ligeras.

A la hora de diseñar una estructura esta debe de cumplir tres propiedades principales: ser resistente, rígida y estable. Resistente para que soporte sin romperse el efecto  de las fuerzas a las que se encuentra sometida, rígida para que lo haga sin deformarse y estable  para que se mantenga en equilibrio sin volcarse ni caerse.

Elementos resistentes

La resistencia de una estructura no depende solamente de las propiedades del material con el que está hecha, sino también de la disposición del conjunto de elementos resistentes que la forman.

En cualquier estructura podemos encontraremos uno o varios de los siguientes elementos resistentes, encargados de proporcionarle la suficiente resistencia para soportar las cargas a la que está sometida:

Pilares | Vigas | Tirantes | Arcos | Triángulos | Tubos

Pilares

Elementos resistentes dispuestos en posición vertical, que soportan el peso de los elementos que se apoyan sobre ellos. Cuando presentan forma cilíndrica se les denomina columnas.

       

Vigas

Elementos colocados normalmente en posición horizontal que soportan la carga de la estructura y la transmiten hacia los pilares. Están constituidas por uno o más perfiles.

Los perfiles son las formas comerciales en que se suele suministrar el acero u otros materiales. El tipo de perfil viene dado por la forma de su sección.

Perfiles cerrados

Perfiles abiertos

                     

Tirantes 

Son cables, normalmente constituidos por hilos de acero, que dan rigidez y permiten mejorar la resistencia de  la estructura. Soportan bien los esfuerzos que tienden a estirarlos y pueden ser tensados mediante tensores o trinquetes como el que se puede observar en la fotografía siguiente:

Arcos 

Forma geométrica muy utilizada a lo largo de la historia como solución arquitectónica. Permite trasmitir las cargas que soporta hacia los elementos que sustentan la estructura.

Triángulos

Puede demostrarse, de forma experimental, que el triángulo es la forma geométrica más estable, al no deformarse al actuar sobre él fuerzas externas. Esta es la razón por la que se utiliza la triangulación para aportar mayor rigidez a las estructuras. En caso contrario nos encontraremos con una estructura articulada.

Estructuras articuladas

Estructuras rígidas

En ocasiones la colocación de una simple escuadra otorga a la estructura la rigidez y resistencia que necesita.

A menudo nos encontramos estructuras que se hayan formadas por un conjunto de perfiles agrupados geométricamente formando una red de triángulos, son las denominadas cerchas. Las vemos en construcciones industriales, grúas, gradas metálicas, postes eléctricos, etc.

En las siguientes fotografías puedes observar algunos ejemplos comunes de utilización de estructuras triangulares:

        

Tubos 

Por último, otro tipo de elementos  que presentan gran resistencia son los  tubos o estructuras tubulares.  Su geometría cilíndrica permite un reparto equitativo de las cargas sobre sus paredes. Una de sus principales aplicaciones es la construcción de canalizaciones.

Esfuerzos en las estructuras

Los elementos de una estructura deben de aguantar, además de su propio peso, otras fuerzas y cargas exteriores que actúan sobre ellos. Esto ocasiona la aparición de diferentes tipos de esfuerzos en los elementos estructurales, esfuerzos que estudiamos a continuación: Tracción | Compresión | Flexión | Torsión | Cortadura

Tracción                  Decimos que un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a estirarlo. Los tensores son elementos resistentes que aguantan muy bien este tipo de esfuerzos.

Compresión             Un cuerpo se encuentra sometido a compresión si las fuerzas aplicadas tienden a aplastarlo o comprimirlo. Los pilares y columnas son ejemplo de elementos diseñados para  resistir esfuerzos de compresión. Cuando se somete a compresión una pieza de gran longitud en relación a su sección, se arquea recibiendo este fenómeno el nombre de pandeo.

Flexión                   Un elemento estará sometido a flexión cuando actúen sobre el cargas que tiendan a doblarlo. Ha este tipo de esfuerzo se ven sometidas las vigas de una estructura.

Torsión                   Un cuerpo sufre esfuerzos de torsión cuando existen fuerzas que tienden a retorcerlo. Es el caso del esfuerzo que sufre una llave al girarla dentro de la cerradura.

Cortadura               Es el esfuerzo al que está sometida a una pieza cuando las fuerzas aplicadas tienden a cortarla o desgarrarla. El ejemplo más claro de cortadura lo representa la acción de cortar con unas  tijeras.