Estructuras: Definición y Propósito

Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí que dan forma a un objeto. Estos objetos (edificios, construcciones, máquinas, animales, insectos, etc.) son capaces de soportar las fuerzas para las que han sido diseñados sin deformarse en exceso.

Funciones de una Estructura

• Soportar el peso de los elementos sobre la estructura y de la propia estructura.
• Resistir fuerzas externas, como en el caso de la pared de una presa, que soporta el empuje del agua.
• Salvar obstáculos: puentes, viaductos, túneles.
• Almacenar materiales: botellas de plástico, bombonas de gas, latas de refresco, estanterías.
• Mantener o proporcionar forma: esqueleto, tirantes de un puente, de una tienda de campaña.
• Servir de protección: el chasis de un automóvil, la carcasa de un móvil.
• Cerrar espacios vacíos: las cúpulas, bóvedas de una catedral.

Clasificación por Origen

• Estructuras naturales:
  • Origen animal: nidos, panales de abejas, túneles de topos, conchas.
  • Origen vegetal: árboles, ramas, arbustos.
  • Origen geológico: cuevas, arcos naturales, montañas.
• Estructuras artificiales: Creadas por humanos.

Materiales Utilizados en las Estructuras

• Prehistoria: Maderas y piedras.
• Hasta la Revolución Industrial: Piedra, madera, ladrillo, argamasa.
• A partir de la Revolución Industrial: Acero y hormigón.

Cargas y Esfuerzos

Las estructuras se someten a fuerzas externas, como el peso de objetos situados sobre ellas, su propio peso, la fuerza del viento, del oleaje, etc. Por ejemplo, la estructura de un edificio soporta el peso de todos los elementos del edificio (vigas, pilares, ladrillos), el peso de las personas, los muebles, la fuerza del viento.

Cargas

Las cargas son las fuerzas que actúan sobre las estructuras.

• Fijas: peso propio, peso de muebles.
• Variables: personas, viento, nieve.

Esfuerzos

Los esfuerzos son la tensión interna que experimentan todos los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas.

• Esfuerzo de tracción: fuerzas que actúan sobre una estructura o elemento y tienden a aumentar su longitud (estirarlo).
• Esfuerzo de compresión: fuerzas que tienden a disminuir su longitud (comprimirlo, aplastarlo).
• Esfuerzo de flexión: fuerzas que tienden a doblar la estructura o elemento sobre el que actúa.
• Esfuerzo de cortadura: fuerza que tiende a cortarlo o rasgarlo.
• Esfuerzo de torsión: fuerza que tiende a retorcerlo.

Requisitos/Propiedades Básicas de las Estructuras

Para que una estructura realice correctamente sus funciones, ha de ser: resistente, rígida y estable.

• Resistencia: La resistencia mecánica de una estructura es la capacidad de soportar las cargas a las que se somete sin romperse. Dicha resistencia depende de:
  • Tipo de material: acero, hormigón, madera, papel.
  • Cantidad de material.
  • Forma de la estructura.
• Rigidez: Es la capacidad de una estructura de soportar las cargas a las que se somete sin deformarse, sin cambiar de forma. Está relacionada con la forma de la estructura.

  Ejemplo: Cuanto más canto tenga una viga, mayor será su rigidez.

  Una estructura con forma de polígono distinta al triángulo (cuadrado) se deformará al aplicarle una fuerza sobre sus vértices. El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando se le aplica una fuerza en sus vértices.

• 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 las estructuras: anclar la estructura a un elemento fijo (el suelo o una pared) o colocarle tirantes.

Estructuras Resistentes

Una estructura es resistente cuando conserva su forma al aplicarle cargas.

Elementos que proporcionan resistencia y estabilidad a las estructuras:

• Triángulos: Única forma geométrica que no se puede deformar aplicándole fuerzas en sus lados. Ha servido de base para fabricar estructuras trianguladas.
• Arcos: Trabajan sometidos a compresión. Fueron usados por los romanos para puentes con piedras y ladrillos. El ladrillo o piedra central del arco se llama piedra angular o clave; es el que sujeta al arco, y suele ser más grande que el resto.

Estructuras Estables

Son aquellas que, al aplicar una fuerza sobre ellas, conservan su posición.

Son inestables las estructuras que, al aplicar un pequeño empuje, pierden el equilibrio.

La estabilidad está relacionada con el centro de gravedad.

Recursos para mejorar la estabilidad:

• Aumentar la distancia entre apoyos.
• Utilizar escuadras en la base.
• Utilizar tirantes.
• Bajar el centro de gravedad (aumentar o poner lastres en la base).
• Aumentar la superficie de la base.
• Enterrar parte de la estructura en el suelo.

Elementos Estructurales

Cada uno de los elementos de una estructura están diseñados para hacer que esta sea resistente y estable.

Elementos más usados:

• Cimientos: Base resistente donde se apoya la estructura. Suele estar por debajo del nivel del suelo. Soporta todo el peso de la estructura y evita que se hunda.

  Ejemplos: Zapatas y losas de cimentación, pilotes de cimentación, basamento.

• Columnas, pilares y pilastras: Barras verticales que soportan esfuerzos de compresión.
• Vigas: Barras horizontales. Las diferentes plantas de un edificio se soportan con vigas. Están sometidas a esfuerzos de flexión.

  Ejemplos de columnas: dórica, jónica, corintia.

• Dintel: Elemento estructural horizontal, con forma de viga maciza que se apoya horizontalmente sobre 2 soportes verticales (jambas) y cierra huecos, como ventanas y puertas.
• Forjado: Elemento horizontal (o inclinado, en cubiertas), que forma parte de la estructura horizontal de diferentes plantas de un edificio. Su función es transmitir 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.
• Arcos: Forma curva que sirve para cubrir un hueco entre dos pilares. Soportan el peso descargándolo en los extremos, sobre los pilares.

  Ejemplos: Bóvedas románicas, de cañón, de arista.

• Tirantes: Cables y barras que soportan esfuerzos de tracción. Pueden ser de acero y sirven para dar resistencia y estabilidad a una estructura.
• Contrafuertes: Elemento constructivo vertical usado para transmitir las cargas transversales de bóvedas y arcos a la cimentación. Pueden encontrarse adosados a un muro o separados de estos.
• Arbotante: Elemento estructural exterior con forma de medio arco que recoge la presión en el arranque de la bóveda y la transmite a un contrafuerte. Muy usados en la arquitectura gótica, normalmente incluyen un canal que conduce el agua de lluvia de la cubierta a las gárgolas.

Perfiles

Recurso muy utilizado a la hora de realizar estructuras. Son barras de diferentes secciones que nos permiten hacer estructuras resistentes, ligeras y baratas al mismo tiempo.

• Abiertos, con forma de V, T, U, I, X, H.
• Cerrados, con forma de círculo, cuadrado o triángulo.

Tipos de Estructuras

• Masivas: Estructuras con una gran concentración de material (piedra sobre piedra, tierra, hormigón, ladrillos, etc.). Son macizas, estables y muy pesadas.

  Ejemplos: Muros, pirámides de Egipto o pirámides mayas, muros de castillos, presas de embalses, murallas.

• Abovedadas: Predominan los arcos, bóvedas o cúpulas como elementos de sujeción y soporte.

  Ejemplos: Teatros, iglesias, catedrales, túneles, acueductos.

• Entramadas: Conjunto de elementos como pilares o columnas y vigas entrelazados formando la estructura, pudiendo ser de madera, acero u hormigón.

  Ejemplos: Edificios de viviendas u oficinas, rascacielos, estanterías, andamios.

• Trianguladas: Unión de muchos elementos o perfiles de madera, acero, formando triángulos. Se pueden ir añadiendo elementos haciendo crecer la estructura. Pueden ser desmontables. Son más ligeras y no les afecta tanto el viento.

  Ejemplos: Andamios, torres de alta tensión, grúas, torre Eiffel, norias, estructura de techos de polideportivos, etc.

• Colgantes: Estructuras sustentadas por cables o tirantes sujetos a elementos de soporte. Están sometidos siempre a esfuerzos de tracción.

  Ejemplos: Puentes colgantes.

Otras estructuras:

• Neumáticas: Son inflables, ligeras y desmontables.
• Laminares: Láminas de material donde los elementos estructurales son nervios que recorren la estructura o parte de la superficie tienen un grosor mayor: cubos, carrocería de coche, carcasa de objetos, etc.
• Geodésicas: Son redes espaciales formadas por la unión de pentágonos o hexágonos. Son ligeras y resistentes, y se emplean en la construcción de formas esféricas o cilíndricas.