Estructuras

1.- Introducción

En la naturaleza se han producido, desde siempre, diferentes procesos evolutivos en función de los cuales las formaciones geológicas y los organismos vivos se han ido adaptando y cambiando sus formas para crear estructuras adaptadas al medio con las que resistir los embates de las diferentes cargas o esfuerzos a los que las fuerzas del planeta someten a la corteza terrestre y a los seres vivos que sobre ella habitan.

El ser humano ha sabido entender el funcionamiento de esas estructuras naturales para incorporarlo a las construcciones y objetos tecnológicos que ha venido fabricando desde la antigüedad. El entusiasmo y la capacidad inventiva de las personas han creado estructuras que, además de cumplir la finalidad para la que fueron construidas, son auténticas obras de arte. La torre Eiffel en París, la estatua de la libertad de Nueva York, las catedrales de Europa o las pirámides de Egipto o Perú, son ejemplos admirables del ingenio humano y de su destreza técnica.

2.- Las Estructuras

2.1.- Funciones de una Estructura

Una Estructura es un conjunto de elementos diseñados y construidos para soportar pesos y cargas sin llegar a romperse o deformarse. Por lo tanto, las estructuras deben ser capaces de:

• Sostenerse a Si Misma: Si no puede soportar su propio peso se derrumbará.
• Soportar Pesos: Debe soportar que se le coloquen objetos, personas o agentes geológicos (nieve) encima sin romperse o deformarse.
• Resistir Fuerzas: Algunas estructuras han de soportar fuerzas variables, tanto en su intensidad como en el punto de aplicación. Por ejemplo, en un puente colgante siempre hay coches en movimiento que ejercen fuerza y se desplazan sobre el.

2.2.- Resistencia, Estabilidad y Protección

Las estructuras deben diseñarse para cumplir su función sin volcar, romperse o derrumbarse. Pensemos, por ejemplo, en que la estructura de un edificio siempre ha de calcularse para que no se derrumbe y soporte la acción de un eventual terremoto.
Con el fin de evitar accidentes, las estructuras se diseñan para soportar cargas mucho mayores de las previstas en unas condiciones de trabajo normales, y asegurar así su correcto funcionamiento. De esta manera, el cable de una grúa debe soportar sin romperse hasta cinco veces el peso autorizado de carga de la misma.
En definitiva, las estructuras deben estar diseñadas para que la construcción u objeto que soportan tengan tres propiedades fundamentales:

• Resistencia: Esto es, que No se Rompan por acción de las cargas o esfuerzos soportados. la resistencia de una estructura se garantiza eligiendo buenos materiales para su construcción.
• Estabilidad: Esto es, que No se Caigan o Vuelquen por acción de las cargas o esfuerzos soportados. El equilibrio de una estructura se garantiza eligiendo y situando los elementos estructurales adecuados en los puntos donde se necesiten.
• Protección: Una estructura debe Proteger las Partes Delicadas de los objetos que la poseen. Por ejemplo el esqueleto animal protege los órganos internos o la carcaza de un ordenador sus dispositivos internos. Esta propiedad no es necesaria si no hay elementos internos que proteger, como en un puente o una grúa.

3.- Tipos de Esfuerzos

Una estructura tiene que soportar su propio peso, el de las cargas que sujetan y también fuerzas exteriores como el viento, las olas, etc. Por eso, cada elemento de una estructura tiene que resistir diversos tipos de fuerzas sin deformarse ni romperse. Los tipos de fuerza más importantes que soportan son:

• Tracción: Si sobre los extremos de un cuerpo actúan dos fuerzas opuestas que tienden a estirarlo, el cuerpo sufre tracción. Es el tipo de esfuerzo que soportan los tirantes y los tensores. 
• Compresión: Si sobre los extremos de un cuerpo actúan dos fuerzas opuestas que tienden a comprimirlo, el cuerpo sufre compresión. Es el tipo de esfuerzo que soportan los pilares y los cimientos.
• Flexión: Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a doblarlo, el cuerpo sufre flexión. Es el tipo de esfuerzo que soportan las vigas y las cerchas.
• Torsión: Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a retorcerlo, el cuerpo sufre torsión. Es el tipo de esfuerzo que soporta una llave girando en una cerradura.
• Cortadura o Cizalla: Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a cortarlo o desgarrarlo, el cuerpo sufre cortadura. Es el tipo de esfuerzo que sufre la zona de unión entre una viga y un pilar.

4.- Elementos Estructurales

Los principales elementos estructurales, llamados elementos estructurales simples o elementos resistentes, son:

• Forjado: Es el suelo y el techo de los edificios
• Pilares: Son los elementos verticales de una estructura y se encargan de soportar el peso de toda la estructura y los esfuerzos de Compresión. Si los pilares son redondos se llaman columnas.
• Vigas: Son elementos estructurales que normalmente se colocan en posición horizontal, que se apoyan sobre los pilares, destinados a soportar cargas de Flexión. Las vigas en un edificio forman parte del forjado.
• Tirantes: Con objeto de dar rigidez a las estructuras y soportar los esfuerzos de Tracción se dispone en ellas de unos elementos simples que se colocan entre las vigas y los pilares, generalmente con orientación oblicua o en diagonal.
• Tensores: Su misión es parecida a la de los tirantes pero éstos son normalmente cables, como los cables que sostienen la barra de gimnasia, o sujetan una tienda de camping, etc.
• Dintel: Es una viga maciza que se apoya horizontalmente sobre dos soportes verticales y que cierra huecos tales como ventanas y puertas.
• Arcos y Bóvedas: Es un elemento estructural, de forma curvada, que salva el espacio entre dos pilares o muros. Es muy útil para salvar espacios relativamente grandes.
• Cerchas: Son un caso especial de vigas formada por un conjunto de barras formando una estructura triangular. Se usan normalmente en los techos de las naves industriales. Es decir, es una estructura triangular construida con barras de acero o madera que forman tejados.
• Cimientos: Es el elemento encargado de soportar y repartir por el suelo todo el peso de la estructura. Gracias a la cimentación, el peso total de la estructura no va directamente al el suelo y los pilares de la estructura no se clavan en el terreno y se hunden en él y al mismo tiempo logramos que permanezca estable. Serán Zapatas (si solamente ocupa la zona donde se asiente el pilar) o Losas (si ocupan también las zonas entre pilares).
• Perfiles: Son todos aquellas barras de acero que tienen una forma especial. se emplean para conseguir estructuras más ligeras que soportan grandes pesos con poca cantidad de material. El nombre del perfil viene dado por la forma de la superficie lateral, ya sea I, U, T, L..

5.- Tipos de Estructuras

En función de su origen, las estructuras pueden ser Naturales o Artificiales:

• Naturales: Por ejemplo los esqueletos de los animales vertebrados, que soportan el peso y mantienen la forma corporal de estos animales. Este sistema óseo les permite sostenerse en pie, caminar, volar, etc.
• Artificiales: Son aquellas diseñadas u construidas por los humanos para satisfacer necesidades. Desde los primeros tiempos de la existencia, el ser humano comenzó a construir estructuras con el objetivo fundamental de protegerse de los ataques de los animales y de sus semejantes, así como para salvar obstáculos naturales como los ríos o los desniveles de terreno. Estas estructuras se han ido perfeccionando con el paso de los años y con la adquisición de nuevos conocimientos, llegando en la actualidad a construirse verdaderos alardes tecnológicos.

Cuando las clasificamos en función de sus características podemos hablar de:

• Estructuras Masivas: Están formadas por acumulación de grandes cantidades de material pesado, unido entre sí usando materiales aglomerantes que ayudan a dar a la estructura su firmeza. Son estructuras típicas de las antiguas pirámides del Egipto o las grandes presas modernas.
• Estructuras Abovedadas: Son estructuras que están formadas por arcos y bóvedas que permiten que sean más ligeras y más resistentes. Emplean arcos, bóvedas y cúpulas.
• Estructuras Entramadas: Están formadas a base de pilares y vigas a modo de retícula, formando un entramado ligero, resistente y muy estable. Es el tipo de estructura habitual en los edificios modernos.
• Estructuras Colgadas: Están formadas con materiales ligeros que se sostienen a base de cuerdas y tirantes, que soportan las fuerzas de tracción. Son típicas en muchos puentes colgantes y en las casetas de campaña.
• Estructuras Laminares o de Carcasa: Están formadas por láminas o paneles delgados que forman la estructura y protegen las partes internas del objeto o construcción.
• Estructuras Trianguladas: Este tipo de estructura, por sus peculiaridades y gran importancia, las estudiaremos en un apartado independiente a continuación.

6.- Las Estructuras Trianguladas

Si se analiza cualquier estructura formada por la unión de perfiles simples, como las de las grúas de la construcción, algunos puentes, o las torres de alta tensión, vemos que la rigidez de estas estructuras no se debe a lo compacto de su construcción, sino al entramado triangular de su forma. Es decir, su rigidez se basa en la triangulación. Por ello, podemos evitar la deformación estructural si incorporamos elementos que formen triángulos en el armazón de la estructura, consiguiendo así gran rigidez.

Si te fijas en los ejemplos, la estructura cuadrada puede deformarse fácilmente, al igual que la pentagonal. Pero la triangular es muy estable e indeformable. Por eso, las otras formas geométricas se triangulan para darles rigidez. Es decir, la triangulación hace que las estructuras no se deformen y que sean muy estables.