1.- ESTRUCTURAS
Si aplastamos la goma de borrar con los dedos estamos aplicando una fuerza capaz de deformarla. Si empujamos el lápiz con un dedo, la fuerza provoca su desplazamiento; la Tierra nos atrae con una fuerza (la de la gravedad) proporcional a la cantidad de materia (masa) de nuestro cuerpo... En el mundo existen innumerables ejemplos de lo que llamamos fuerza, pero: ¿qué es realmente una fuerza?
Los productos tecnológicos, por sencillo que sean, han de disponer de un esqueleto o armazón que soporte su propio peso, lo proteja frente a fuerzas externas y, además, mantenga unidos todos sus elementos. Dicho de otro modo, todo objeto debe poseer una estructura que soporte las fuerzas a las que se ve sometido.
Por consiguiente, las FUNCIONES DE UNA ESTRUCTURA pueden ser muchas y variadas, entre las que destacamos:
- Soportar el peso de los elementos sobre la estructura, y de la propia estructura. Ejemplos: los pilares de un puente, la estructura de un edificio....
- Resistir fuerzas externas, como en el caso de la pared de una presa o dique que soporta la fuerza del agua contenida, los rompeolas...
- Salvar obstáculos: puentes, viales, túneles...
- Almacenar materiales, como por ejemplo, las bombonas de gases licuados, botellas de plástico, latas de refrescos, estanterías...
- Mantener y proporcionar la forma: Las estructuras deben de ser capaces de soportar pesos y resistir
fuerzas sin llegar a deformarse en exceso. Algunos ejemplos incluyen nuestro esqueleto, los tirantes de un puente, las varillas de un paraguas, de una tienda de campaña ...
- Servir de protección: el chasis de un automóvil protege a los pasajeros, la carcasa de un móvil protege los elementos electrónicos de su interior...
- Cerrar espacios vacíos: cúpulas, bóvedas...
Las estructuras están presentes en todo lo que nos rodea pudiéndolas encontrar tanto en los seres vivos como en los objetos: caparazón de un caracol, tronco de un árbol, máquinas, muebles, edificios, etc.. De ahí que las estructuras suelen clasificarse atendiendo a su origen en:
- Estructuras naturales: de origen animal (nidos de aves, presas de los castores, colonias de corales, túneles de los topos y ratones, huevos de aves, panales de abejas, caparazones....); vegetal (troncos, ramas de árboles y arbustos, tallos de plantas....); y geológico (cuevas, arcos naturales, montañas.....)
- Estructuras artificiales: Son las creadas por el hombre. Seguro que se te ocurren muchos ejemplos:
puentes, barcos, edificios, torres, carcasas...Estudiaremos éstas en un apartado posterior.
1.1.- Condiciones que debe reunir una estructura
Para que una estructura realice correctamente sus funciones de ser: Resistente, rígida y estable
a) Resistencia. Tiene que soportar sin romperse los esfuerzos a los que está sometida.
b) Rigidez. Tiene que mantener la forma sin que las deformaciones le impidan cumplir la función a la que está destinada.
c) Estable. Se debe de mantener en equilibrio, sin volcarse ni caerse.
2.- TIPOS DE ESTRUCTURAS ARTIFICIALES
A lo largo de la historia se han empleado diferentes tipos de estructuras para las edificaciones, desde las chozas de pieles, madera y piedras, hasta los castillos hinchables y cúpulas geodésicas, pasando por los acueductos, castillos, grandes catedrales, puentes colgantes...
2.1.- Estructuras masivas y adinteladas: son aquellas en las que predomina una gran concentración de material, principalmente piedras de gran tamaño, como pirámides, dólmenes, panteones, etc. Se caracterizan por ser macizas, estables y muy pesadas. Son muy resistentes a esfuerzos de compresión y emplean mármol, granito, hormigón, piedras, etc. Como elementos estructurales utilizan columnas y dinteles. Empleos de esta estructuras son las pirámides de Egipto y los templos griegos.
2.2.- Estructuras abovedadas: son aquellas en las que predominan los arcos, bóvedas y cúpulas como elementos de soporte y sujeción. Estas estructuras permiten cubrir espacios mayores y aumentar los huecos entre los elementos de soporte como pilares y columnas.
2.3.- Estructuras entramadas: están formadas por un conjuntos de perfiles de diferentes materiales, que se entrecruzan entre sí formando mallas o entramados. Los elementos estructurales que se utilizan son principalmente pilares, vigas, viguetas, forjados, cimentaciones, etc.
Su empleo permitió una gran disminución de peso respecto a las estructuras masivas o abovedadas, lo que se tradujo en la posibilidad de aumentar la altura de las. Son las estructuras empleadas en los edificios de bloques de pisos de hoy en día.
2.4.- Estructuras trianguladas: Son estructuras planas o reticulares formadas por perfiles,
mediante la repetición de formas triangulares. Se caracterizan por su gran rigidez y ligereza. Habitualmente están hechas de acero, por su gran resistencia a la compresión y a la tracción, y gran variedad de barras y perfiles. Son ejemplos de estructuras trianguladas: las cerchas, vigas trianguladas, grúas, andamios, norias, ciertos puentes, torretas de alta tensión y de telefonía...
2.5.- Estructuras colgantes: son aquellas formadas sustentadas por cables o tensores y otros elementos de soportes como grandes pilares. Se basan en empleo de elementos tipo cable o cuerda, denominados tirantes; que funcionan únicamente a tracción y sirven para sustentar otros elementos. Es la estructura típica de los puentes colgantes.
2.6.- Estructuras laminares: pueden considerarse como la forma material tomada por envoltura de un volumen limitado por una superficie curva. Son superficies delgadas curvas de pequeño espesor, comparado con las dimensiones globales de la estructura, que resisten, por su forma, las cargas de peso propio y las cargas exteriores.
2.7.- Estructuras geodésicas. Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas y de las estructuras de barra.
En las cúpulas geodésicas, los triángulos forman elementos hexagonales y pentagonales, cuyos vértices deben coincidir, todos, con la superficie de una esfera.
Cuanto más grande es una cúpula geodésica, más resistente se vuelve. Es la única forma de estructura que puede cubrir grandes extensiones sin la necesidad de soportes interiores, tales como pilares.
2.8.- Estructuras neumáticas. Consisten en una delgada pared de material compuesto, llamada membrana, que contienen aire a presión en su interior. Este aire es el que sujeta la propia estructura sometiendo a la membrana a esfuerzos de tracción.
La construcciones neumáticas pueden estar hinchadas o soportadas por el aire a presión. En ambos casos, este tipo de estructuras poseen un peso estructural extremadamente bajo y el tiempo de montaje/desmontaje es muy corto, lo las hace fácil de trasladar y de almacenar después de su uso.
Así se emplean en embarcaciones neumáticas, ruedas de vehículos, atracciones infantiles, colchones de aire, carpas, cubiertas de escenarios....
3.- FUERZAS, CARGAS Y ESFUERZOS.-
Las estructuras se ven sometidas a fuerzas externas, tales como pesos de objetos situados sobre ellas, su propio peso, la fuerza del viento, del oleaje...etc. Así, la estructura de un edificio habrá de soportar el peso de todos los elementos del edificio (vigas, pilares, ladrillos...), el peso de las personas, los muebles, la fuerza del viento....
3.1.- Fuerzas
Llamamos fuerza a todo aquello que deforma o presiona los cuerpos o que puede cambiar su movimiento; por ejemplo, aumentando su velocidad, frenándolo o haciendo que cambie de dirección.
Hay fuerzas, como la gravedad o las fuerzas eléctricas, que actúan a distancia. Otras lo hacen mediante contacto directo entre los cuerpos; por ejemplo, el impulso que se le da a una pelota cuando se golpea con el pie, o de la fuerza necesaria para elevar un ascensor.
Componentes de una fuerza, son:
- Su magnitud o módulo, es decir, el valor que tiene, medido en las unidades adecuadas.
- Su dirección, la línea en la que actúa.
- Su sentido, izquierda o derecha, arriba o abajo.
- Su punto de aplicación, el lugar donde se concentra su acción.
- Las fuerzas se representan mediante flechas en las que se señalan estos componentes.
3.2.- Cargas
Las fuerzas externas aplicadas sobre las estructuras se les denominan cargas.
Tipos de cargas:
- Las cargas fijas: no varían con el paso del tiempo y siempre afectan a la estructura de la misma manera. Por ejemplo, el peso de la propia estructura.
- Las cargas variables: cambian con el tiempo, unas veces actúan y otras no, y no siempre tienen la misma magnitud. Por ejemplo, el peso de los vehículos que cruzan un puente, el empuje del agua almacenada en un embalse, el empuje del viento, etc.
3.3.- Esfuerzos
Las cargas que soportan las estructuras generan fuerzas internas en la propia estructura (tensiones), que tienden a deformarlas y/o romperlas. A estas fuerzas internas producidas por las cargas se las llaman esfuerzos.
Imagínate que tu compañero te tira de un dedo de la mano. Los huesos de tu mano conformarían la estructura, mientras que la fuerza externa que hace tu compañero sería la carga. El esfuerzo sería la tensión que notas en el dedo, que te causa cierta molestia. Si tu compañero hiciese mucha fuerza, el esfuerzo que sufrirías podría llegar a doblarte, luxarte o romperte el dedo.
Tipos de esfuerzo
Los tipos de esfuerzos más importantes, que veremos son: tracción, compresión, flexión, torsión, cizalla y pandeo.
a) Tracción: la fuerza tiene a alargar el objeto. Es el esfuerzo que aparece cuando las cargas actúan en la misma dirección y sentidos opuestos hacia el exterior del objeto.
Ejemplos: cable del que cuelga un peso, tirantes y tensores de un puente, cadenas de un columpio, cable
de una tirolina....
b) Compresión: la fuerza tiende a acortar el objeto. Este esfuerzo aparece cuando las cargas actúan en la misma dirección y sentidos opuestos hacia el interior de un cuerpo.
Ejemplos: tus piernas al estar de pié, patas de una mesa o silla, dovelas de un arco, contrafuertes, arbotantes...
c) Flexión: la fuerza tiende a curvar o doblar el objeto. Es el esfuerzo al que se ve sometido un elemento de una estructura cuando sobre él actúan dos fuerzas separadas cierta distancia la una de la otra, y a una tercera fuerza entre ellas de sentido contrario. Es por lo tanto una combinación del esfuerzo de compresión y tracción, ya que, al doblarse, una parte de la estructura estará sometida a compresión y otra a tracción.
Ejemplos: los estantes de una estantería al colocar libros sobre él, el tablero de un puente, vigas y dinteles de un edificio...
d) Torsión: la fuerza tiende a retorcer el objeto, de manera que las secciones contiguas del objeto se deslizan unas sobre otras.
Ejemplos: ejes de un motor, de una rueda, llave al girar la cerradura, punta del destornillador al girarlo,
manivela...
d) Cizalla o cortadura: la fuerza tiende a cortar el objeto. Se produce cuando, en un punto cercano, se aplican fuerzas opuestas en sentido y perpendiculares al elemento. De esa manera una parte de la estructura tiende a deslizarse sobre la otra, haciendo que las partículas del material tiendan a desplazarse las unas sobre las otras.
Ejemplos: las tijeras al cortar, puntos de unión de vigas con pilares, mina del lápiz al escribir, dientes de una sierra al cortar madera, clavo o alcayata del que cuelga un peso....
e) Pandeo: esfuerzo que aparece sobre elementos esbeltos (con alta relación longitud/sección) sometidos a compresión, en el que aparecen desplazamientos transversales a la dirección de la compresión. Se considera como una esfuerzo de flexión resultante de una compresión. Puedes observarlo fácilmente si comprimes una regla graduada, un espagueti, o una pajita por sus extremos.
Ejemplos: chapas metálicas, barras, muelles, columnas, y pilares largos sometidos a compresión..
4.- PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS ESTRUCTURAS
Para que una estructura realice correctamente sus funciones ha de ser: Resistente, rígida y estable
4.1. RESISTENCIA
La resistencia mecánica de una estructura es la capacidad de una estructura de soportar las cargas a las que se ve sometida sin romperse. Dicha resistencia de la estructura depende de:
- Tipo de material: Los materiales responden de distinta forma a los esfuerzos que tienen que soportar.
Para fabricar elementos que tengan que soportar la tracción (cables o tirantes) se empleara el acero o fibras sintéticas. Para fabricar vigas que soportan esfuerzos de flexión, se empleará madera que resiste bien la flexión.
- Cantidad de material. El cálculo de estructuras consiste en conseguir la mayor resistencia de una estructura utilizando para ello la menor cantidad posible de material.
- Forma de la estructura
4.2. RIGIDEZ
La rigidez es la capacidad de una estructura de soportar las cargas a las que se ve sometida sin deformarse, i.e. sin cambiar de forma. Está íntimamente relacionada con la forma de la estructura. Así, por ejemplo, cuanto más canto tenga una viga mayor será su rigidez.
¿Te has fijado alguna vez en la forma en que se disponen las barras de una grúa, una torre de alta tensión....? Una estructura con forma de polígono distinta al triángulo (por ejemplo un cuadrado, figura A) se deformará al aplicarle una fuerza (figura B) sobre sus vértices. ¿pasará lo mismo en la figura C?
El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando se aplica una fuerza en sus vértices.
Por consiguiente, se puede obtener estructuras rígidas haciendo que los elementos estructurales formen
triángulos indeformables (figura C), constituyendo estructuras planas o reticulares. Esta técnica, denominada triangulación, está asociada a aquellas estructuras de barras o perfiles tales como cerchas o
armaduras..
4.3. ESTABILIDAD
La estabilidad es la capacidad de una estructura de, al verse sometida a cargas, mantenerse en su posición original sin desmoronarse o caerse; es decir, de no variar su posición.
Hay varios modos de asegurar la estabilidad de una estructura, dos de los cuales parecen obvios: anclar la estructura a un elemento fijo (por ejemplo el suelo o una pared) o colocarle tirantes.
Además, la estabilidad está relacionada claramente con el centro de gravedad (o punto virtual en el que podemos representar todo el peso del objeto).
La Tierra atrae a todas y cada una de las partículas que forman un cuerpo; a esta fuerza de atracción la llamamos gravedad. Sin embargo, existe un punto en el cual podemos considerar que se concentra dicha fuerza. Es punto se llama centro de gravedad.
El centro de gravedad de un cuerpo es un punto imaginario en el que podemos considerar que se concentra todo el peso del cuerpo.
En general se cumplen las siguientes normas:
- Cuanto mayor sea la base sobre la que se apoya, mayor será la estabilidad de la estructura.
- Cuanto más abajo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura. De ese modo se concentra casi toda la masa de la estructura cerca de la base.
- El centro de gravedad debe situarse dentro de la base. Sino es así, la estructura será inestable, y por lo tanto, automáticamente volcará.
5.- ELEMENTOS ARQUITECTÓNICOS
Como ya hemos visto, la misión que ha de cumplir cualquier estructura es la de soportar las cargas a las que está sometida, sin romperse, volcarse ni deformarse en exceso.
Para ello existen una serie de elementos que forman parte de la mayoría de las estructuras y que son los encargados de darle la suficiente resistencia, rigidez y estabilidad. Los principales son:
- Cimentación: es el conjunto de elementos encargados de soportar y repartir en el suelo todo el peso de la estructura, impidiendo que ésta sufra movimientos importantes. Los cimientos proporcionan una superficie a la que se anclan todos los demás elementos de la estructura de los edificios. Dicha cimentación dependerá del tipo de terreno sobre el que se asienta la estructura, así como del peso y del tipo de obra.
- Zapata: Cubo de hormigón que aumenta la superficie de apoyo de un pilar. Se emplea en cimentaciones cerca de la superficie del suelo, cuando el terreno es resistente (capaz de soportar pesos elevados).
- Pilote: Elemento estructural alargado, normalmente de hormigón armado y sección circular, incrustado en el terreno para transmitir las cargas de un edificio. Se usa cuando no es posible la cimentación superficial, en terrenos blandos, ya sea para transmitir las cargas de la estructura a través de suelos poco firmes hasta estratos más profundos y resistentes, o repartir las cargas y, así, soportar la estructura con seguridad.
- Pilar: Elemento constructivo en forma de barra que se apoya verticalmente, cuya función es la de soportar el peso de otras partes de la estructura y transmitirla a la cimentación. Los pilares, tienen sección poligonal (cuadrada, rectangular...). Cuando la sección es más o menos circular recibe el nombre de columna.
- Viga: Elemento estructural con forma de barra que se coloca horizontalmente y se apoya sobre columnas y pilares. Al igual que en el caso de dinteles, y viguetas, en las vigas los principales esfuerzos (flexión) se dan en su parte central.
- Vigueta: Elemento constructivo con forma de barra quese coloca horizontalmente y se apoya sobre las vigas.
- Dintel: Elemento estructural horizontal, con forma de viga maciza que se apoya horizontalmente sobre dos soportes verticales (jambas) y que cierra huecos tales como ventanas y puertas.
- Forjado: Elemento horizontal (o inclinado, en cubiertas), que forma parte de la estructura horizontal de las diferentes plantas de un edificio. Su función es transmitir las cargas verticales y horizontales hacia otros elementos estructurales (viguetas, vigas, pilares...) que, a
su vez, las transmitirán hacia el suelo. Generalmente están formados por vigas y viguetas de hormigón armado, bovedillas y una capa de compresión de hormigón ligeramente armada.
- Tirantes: Elemento constructivo que está sometido principalmente a esfuerzos de tracción.
- Perfiles: barras, normalmente metálicas, de distintas secciones que se emplean para conseguir estructuras más ligeras que soportan grandes pesos con poca cantidad de material.
- Cerchas: composición de barras rectas unidas entre sí en sus extremos formando triángulos planos o pirámides tridimensionales para constituir un armazón rígido reticular. Se diseñan de modo que sean capaces de soportar cargas aplicadas sobre las uniones (llamadas nodos). Todos los elementos trabajan a tracción o compresión sin la presencia de flexión y cizalla. Son una de las principales estructuras usadas en ingeniería, por su rigidez y poco peso.
- Arco: Elemento estructural de forma curvada, que salva el espacio entre dos pilares o muros. Es muy útil para salvar espacios relativamente grandes con piezas pequeñas en forma de cuña llamadas dovelas. La moldura sobre los que se apoya el arco se denomina imposta.
El arco, trabaja siempre a compresión, transmitiendo las cargas que recibe a los puntos de apoyo perpendicularmente y hacia el exterior.
Los arcos pueden adoptar formas curvas diversas, dando origen a múltiples tipos de arco.
- Bóveda: elemento arquitectónico de forma curva, que sirve para cubrir el espacio comprendido entre dos muros o una serie de pilares alineados. Puede formarse por la rotación de un arco (cúpula), por su desplazamiento a lo largo de un eje o por la intersección
de varios arcos o bóvedas.
- Cúpula o bóveda esférica: elemento arquitectónico que se utiliza para cubrir un espacio de planta circular, cuadrada, poligonal o elíptica.
