Estructuras y esfuerzos

Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí, diseñados para soportar fuerzas externas e internas sin romperse y sin deformarse excesivamente. Su función principal es la capacidad de soportar cargas, protegiendo el contenido de la construcción y manteniendo la integridad del conjunto.

Los elementos estructurales (como vigas, pilares o cables) trabajan de forma coordinada para que el objeto mantenga su forma original frente a las acciones del entorno. Una estructura eficiente es aquella que cumple su función con la menor cantidad de material posible.

Las fuerzas que actúan sobre una estructura se denominan cargas. Se clasifican según su duración y variabilidad:

1. Cargas fijas o permanentes: Son aquellas que no varían en el tiempo. El ejemplo principal es el peso propio de la estructura (el peso de los ladrillos, las vigas, el hormigón, etc.).
2. Cargas variables o sobrecargas: Son fuerzas que pueden aparecer o no. Incluyen el peso de las personas, el mobiliario, la nieve sobre un tejado o la presión del viento.

Para que una estructura se considere válida desde el punto de vista de la ingeniería, debe cumplir tres condiciones fundamentales:

• Estabilidad: La estructura debe permanecer erguida y no volcarse ante la aplicación de fuerzas externas.
• Resistencia mecánica: Cada elemento debe ser capaz de soportar los esfuerzos a los que está sometido sin romperse.
• Rigidez: La estructura no debe deformarse más allá de unos límites aceptables. Un exceso de deformación podría provocar fallos funcionales o psicológicos (sensación de inseguridad).

• Tracción: Ocurre cuando dos fuerzas opuestas actúan sobre un cuerpo y tienden a estirarlo. Las fibras del material se alargan. Ejemplo: el cable de una grúa o la cuerda de una persiana.
• Compresión: Es el esfuerzo opuesto. Las fuerzas tienden a aplastar o acortar el elemento. Ejemplo: las patas de una silla cuando nos sentamos o las columnas de un edificio.

• Flexión: Se produce cuando las fuerzas tienden a doblar el elemento. Es típico en elementos horizontales apoyados en sus extremos. En una viga flectada, las fibras superiores se comprimen y las inferiores se traccionan.
• Torsión: Ocurre cuando las fuerzas tienden a retorcer el objeto sobre su eje longitudinal. Ejemplo: al escurrir una bayeta o el eje de transmisión de un motor.

La cizalladura aparece cuando dos fuerzas iguales y de sentido contrario actúan en planos muy próximos, tendiendo a cortar o deslizar una sección sobre otra. Es el esfuerzo que realizan las tijeras al cortar papel o el que sufren los tornillos y remaches en las uniones.

El pandeo es un fenómeno de inestabilidad elástica que afecta a elementos esbeltos (largos y delgados) sometidos a compresión. Aunque el material sea resistente, la columna puede curvarse lateralmente y colapsar súbitamente. La resistencia al pandeo depende críticamente de la relación entre la longitud y el grosor del elemento.

• Vigas y viguetas: Elementos horizontales diseñados para soportar esfuerzos de flexión.
• Pilares y columnas: Elementos verticales que transmiten las cargas hacia la cimentación, trabajando principalmente a compresión.
• Muros de carga: Paredes que, además de cerrar espacios, soportan el peso de los forjados superiores.
• Forjados: Estructuras planas horizontales que forman los suelos y techos.

El triángulo es la única figura geométrica que no se deforma cuando se le aplican fuerzas en sus vértices. Esta propiedad de indeformabilidad geométrica es la base de la triangulación. Las cerchas y celosías son estructuras formadas por barras trianguladas, muy comunes en naves industriales y puentes.

Estos elementos permiten cubrir grandes espacios utilizando materiales que resisten bien la compresión (como la piedra o el ladrillo).

• El arco transmite las cargas lateralmente hacia los apoyos. La pieza central se llama clave y las laterales dovelas.
• Las bóvedas son arcos extendidos en el espacio, y las cúpulas son arcos que han girado 360º.

Toda la carga de un edificio debe acabar en el terreno. La cimentación es la parte de la estructura encargada de esta transmisión.

• Zapatas: Ampliaciones de la base de los pilares para repartir el peso.
• Losas de cimentación: Grandes superficies de hormigón para suelos poco resistentes. Es vital conocer la capacidad portante del suelo para evitar hundimientos.

Las estructuras antiguas (como las pirámides de Egipto o los templos griegos) se basaban en la acumulación de grandes masas de piedra. Las estructuras adinteladas usan una viga horizontal (dintel) sobre dos soportes verticales. Su limitación principal es la escasa resistencia de la piedra a la flexión, lo que obligaba a poner muchas columnas muy juntas.

Son las más comunes en la edificación moderna. Se basan en un "esqueleto" de hormigón armado o acero.

• Los nudos rígidos permiten que la estructura se comporte como un todo, facilitando la construcción de rascacielos.
• Permiten liberar las paredes de su función portante, creando espacios diáfanos.

Utilizan cables de acero llamados tirantes o tensores para soportar el peso.

• En los puentes colgantes, los cables principales sostienen el tablero mediante tirantes verticales.
• El esfuerzo dominante en los cables es siempre la tracción.

Piedras, ladrillos y hormigón destacan por su gran resistencia a la compresión, pero son muy frágiles y resisten mal la tracción.

• Hormigón armado: Es una mezcla de hormigón con barras de acero en su interior. El hormigón resiste la compresión y el acero la tracción, creando un material compuesto excelente.

El acero es el rey de los metales estructurales por su alta elasticidad y ductilidad. Se comercializa en perfiles normalizados (con formas de I, H, U o L) para optimizar su peso y resistencia. Su mayor enemigo es la corrosión (oxidación).

La madera es un material ligero y sostenible, aunque presenta anisotropía (sus propiedades cambian según la dirección de la fibra). En la actualidad, se investigan materiales como la fibra de carbono, que ofrece una resistencia altísima con un peso mínimo.

El centro de gravedad es el punto donde se considera que actúa el peso total de un cuerpo. Para que una estructura sea estable:

1. La vertical de su centro de gravedad debe caer dentro de su base de sustentación.
2. Cuanto más bajo esté el centro de gravedad, más difícil será el vuelco.

Antes de construir, se realizan modelos:

• Maquetas: Permiten observar el comportamiento físico a escala.
• Software de simulación: Programas informáticos que calculan tensiones y deformaciones mediante complejos modelos matemáticos.

Para evitar catástrofes, los ingenieros aplican coeficientes de seguridad. Si una estructura debe soportar $1000\ N$, se diseña para que aguante, por ejemplo, $2000\ N$ ($Factor\ de\ seguridad = 2$). En España, el Código Técnico de la Edificación (CTE) es la normativa legal que garantiza que todos los edificios sean seguros y habitables. El cumplimiento de la normativa es obligatorio para prevenir fallos estructurales y garantizar la seguridad pública.