Estructuras y esfuerzos

Podemos definir una estructura como un conjunto de elementos capaces de soportar pesos y cargas sin romperse ni deformarse excesivamente. Sus funciones principales son:

• Soportar pesos y cargas: Incluyendo su propio peso (carga muerta) y el peso de lo que transportan o soportan (carga variable, como personas o viento).
• Mantener la forma: Evita que el objeto se desmorone o se altere su geometría básica.
• Proteger elementos internos: Por ejemplo, el cráneo protege el cerebro o la carcasa de un ordenador protege sus componentes.
• Garantizar la estabilidad: Asegura que el objeto no vuelque ante fuerzas laterales.

Una estructura debe ser resistente, rígida y estable para cumplir su propósito con seguridad.

Dependiendo de quién o qué las haya creado, las dividimos en dos grandes grupos:

1. Estructuras naturales: Son aquellas que no han sido creadas por el ser humano. Ejemplos claros son los esqueletos de los animales, el tronco de un árbol, las cuevas o los nidos de los pájaros.
2. Estructuras artificiales: Son las diseñadas y construidas por las personas. A lo largo de la historia, la ingeniería ha evolucionado desde las cuevas naturales hasta los complejos puentes colgantes y naves espaciales actuales.

Para que una estructura funcione, utiliza diferentes piezas o elementos, cada uno con una misión específica:

• Cimentación y zapatas: Es la parte que está bajo tierra. Su función es transmitir todo el peso de la estructura al terreno de forma repartida.
• Columnas y pilares: Son elementos verticales que soportan esfuerzos de peso. Cuando son circulares se suelen llamar columnas.
• Vigas y viguetas: Son elementos horizontales que se apoyan sobre los pilares para sostener los suelos o techos.
• Tirantes y tensores: Son cables o barras de acero que ayudan a mantener los elementos en su sitio mediante fuerzas de estiramiento.

Son los esfuerzos más básicos y comunes:

• Tracción: Aparece cuando las fuerzas intentan estirar el elemento. Por ejemplo, el cable de una grúa que sube un peso o las cuerdas de una guitarra. Las fibras del material tienden a alargarse.
• Compresión: Ocurre cuando las fuerzas intentan aplastar o comprimir el elemento. Es el esfuerzo típico de las patas de una silla o los pilares de un edificio.

Existen otros esfuerzos más complejos que dependen de cómo se aplique la fuerza:

1. Flexión: Se produce cuando las fuerzas actúan sobre un elemento horizontal (como una viga) y tienden a curvarlo. La parte superior de la viga se comprime y la inferior se estira.
2. Torsión: Aparece cuando las fuerzas intentan retorcer el objeto. Un ejemplo cotidiano es cuando giramos el pomo de una puerta o cuando usamos un destornillador.
3. Cizalladura o corte: Ocurre cuando dos fuerzas iguales y opuestas se aplican muy cerca una de otra, intentando cortar el material. Es lo que sucede en el papel cuando usamos unas tijeras.

Para entender la ingeniería, debemos aprender a mirar los objetos y "ver" sus esfuerzos:

• En una silla, las patas sufren compresión, mientras que el asiento sufre flexión.
• En un puente colgante, los cables principales sufren tracción, mientras que las torres de soporte sufren compresión.
• En una estantería, las baldas sufren flexión debido al peso de los libros.

Son las más antiguas. Se basan en acumular grandes cantidades de material para crear muros anchos y pesados que soporten el peso por su propia masa.

• Ejemplos: Las pirámides de Egipto, los templos griegos o las presas de hormigón.
• Materiales: Piedra, barro y, actualmente, hormigón en masa.

Son estructuras más ligeras que las masivas:

• Entramadas: Formadas por una red de pilares y vigas que se cruzan. Es el sistema que se usa en la mayoría de los edificios de viviendas actuales.
• Trianguladas: Se basan en la unión de barras formando triángulos. El triángulo es la única figura geométrica que no se deforma cuando se le aplican fuerzas en sus vértices. Se usan en grúas, torres eléctricas y puentes de hierro (cerchas).

• Colgantes: Utilizan cables (tirantes) para sujetar los elementos. Permiten salvar distancias muy grandes, como en el Golden Gate de San Francisco.
• Laminares: Son carcasas o láminas finas pero muy resistentes debido a su curvatura. Un ejemplo es la cáscara de un huevo o la carrocería de un coche.

La estabilidad es la capacidad de mantenerse erguida y no volcar.

• Centro de gravedad (CG): Es el punto donde se concentra todo el peso de un objeto. Para que sea estable, la línea vertical que baja desde el CG debe caer dentro de la base de sustentación.
• Regla de oro: Cuanto más baja esté la masa y más ancha sea la base, más estable será la estructura.

La resistencia es la capacidad de soportar esfuerzos sin romperse. Depende de:

1. El material: El acero resiste mucho mejor la tracción que la piedra.
2. La forma: Una hoja de papel plana no aguanta peso, pero si la enrollamos en forma de cilindro, puede soportar varios libros.

Una estructura puede ser resistente pero si se deforma demasiado, no sirve. Para evitar cambios de forma no deseados, usamos la triangulación. Si tenemos un cuadrado de barras y empujamos un lado, se convierte en un rombo. Si añadimos una barra diagonal (formando dos triángulos), el cuadrado se vuelve rígido.

Existen tres fallos comunes que debemos evitar:

• Pandeo: Ocurre cuando una columna muy larga y delgada se dobla lateralmente bajo compresión.
• Fatiga: Cuando un material se rompe después de soportar esfuerzos repetidos muchas veces (como doblar un clip adelante y atrás hasta que parte).
• Vuelco: Cuando el centro de gravedad sale de la base de sustentación.

Para unir los elementos estructurales, existen diferentes métodos:

• Uniones fijas: Soldadura (en metales), remaches o adhesivos fuertes. Son difíciles de desmontar sin romper.
• Uniones móviles: Tornillos con tuercas, pasadores o bisagras. Permiten el movimiento o el desmontaje para reparaciones.

Para poner en práctica estos conceptos, el proyecto ideal es construir una torre o puente usando materiales ligeros como palillos de madera o canutillos de papel.

Pasos para el éxito:

1. Diseño: Dibujar un boceto basado en triángulos.
2. Construcción: Asegurar que las uniones (con pegamento o silicona) sean fuertes.
3. Prueba de carga: Añadir peso gradualmente hasta identificar los puntos débiles.

La ingeniería estructural consiste en encontrar el equilibrio perfecto entre seguridad, coste y ligereza.