Tema 4: Las estructuras.

Una estructura es un objeto complejo cuya función principal es la de soportar cargas, , es decir mantener en su interior o sobre ella determinados pesos. En el diseño de una estructura, quienes diseñan la arquitectura y la ingeniera han de contemplar tres condiciones esenciales.-La estructura ha de ser estable, es decir, ha de mantenerse en equilibrio estático. -El diseño de la estructura debe hacer que sus partes se mantengan sin deformarse. -Los materiales y su disposición han de conseguir que la estructura sea resistente, tanto para aguantar fuerzas externas como para soportar las fuerzas que aparecen debidas a su propio peso.

Teniendo en cuenta las condiciones anteriores una estructura se formará con un conjunto de elementos solidos, unidos y acoplados, que tiene la función, pesos y, en general, todo tipo de cargas.

Los seres humanos hemos convivido con nuestro entorno, nos hemos adaptado sus cambios, y fruto de la observación, de la exploración y de la investigación tendemos a imitar lo que la naturaleza nos ofrece para nuestro provecho y bienestar.Algunas estructuras de la naturaleza provienen de la formación y evolución geológica de nuestro planeta a lo largo de los millones de años de su historia .

Profesionales de la arquitectura y de la ingeniería se han fijado en la naturaleza con la intención de imitar las increíbles estructuras que esta nos ofrece.

Las fuerzas son magnitudes que se caracterizan por su valor, o intensidad y por su dirección. Las fuerzas producen efectos sobre los cuerpos: pueden deformarlos o cambiar su estado de movimiento (acelerarlos, frenarlos o cambiar la dirección en que se mueven).Por tanto las fuerzas pueden:-Mover un objeto que esta en reposo.-Detener un cuerpo en movimiento.-Deformar un cuerpo.-Modificar la dirección del movimiento de un cuerpo.

Para medir una fuerza, existen varios instrumentos, el más habitual es la balanza, pero también se utiliza en los laboratorios, el dinamómetro.-Unidades de medida:·La masa se mide en kilogramos en el sistema internacional y es una de las consideradas como las siete magnitudes básicas.·Las fuerzas, entre ellas el peso, son magnitudes derivadas de la masa y, por tanto, sus unidades se basan en ella.

Para que un cuerpo se encuentre en equilibrio, es necesario que la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el sea igual a cero. En caso contrario, como hemos visto, el cuerpo estará sometido a una aceleración. Las cargas se pueden clasificar en:·Cargas estáticas o muertas: que no varían con el tiempo, como los muebles que se soportan en la planta de un edificio.·Cargas dinámicas o vivas: que pueden variar en el tiempo, como el peso de la nieve sobre un tejado o el transito del trafico de vehículos sobre un puente.·Cargas accidentales: como las provocadas por terremotos, huracanes y todo tipo de fenómenos meteorólogos de alta intensidad.

Se dice que un objeto o una estructura es estable cuando la distribución de su masa se equilibra ante las fuerzas de la gravedad. Esta definición nos lleva a un concepto especifico: el centro de gravedad, que se define como un punto representativo de un cuerpo en el que se puede considerar concentrada toda su masa.

Cuando sobre un objeto actúan fuerzas externas, la forma en la que estas se distribuyen y varían sobre su superficie puede ser diferente según el caso.Así, existen dos criterios para clasificar el tipo de fuerzas y cargas.Según su duración y magnitud en el tiempo podrán ser:·Permanentes: su magnitud y su dirección son siempre constantes, por ejemplo, el peso de un edificio sobre el suelo.·Variables: cambian continuamente de magnitud y de dirección, tal y como sucede con la carga que soporta un puente cuando circula el trafico sobre el. Según su forma de aplicación:·Puntuales o concentradas: como el golpeo de un martillo sobre la cabeza de un clavo o la forma en que se clava con el dedo una chincheta·Distribuidas: en las que las cargas reparten y dispersan su peso total sobre una superficie, como la nieve acumulada sobre un tejado.

Cuando varias fuerzas exteriores actúan sobre un objeto, este se deforma debido a la acción de un conjunto de fuerzas internas que reciben el nombre de "esfuerzos". Existen 5 tipos diferentes: tracción, compresión, flexión, torsión y cortadura.

Una estructura está formada por diferentes elementos, cada uno de los cuáles tiene su propia misión en ella, por lo que no todos tienen por qué estar sometidos a los mismos esfuerzos.Elementos estructurales:-Cimentación-Arcos-Tirantes-Pilares y columnas.-Vigas

El fallo o mal funcionamiento de un sistema es algo inherente a la actividad humana. Frente a la imperfección, lo mejor es imponer el mantenimiento preventivo y poner cuidado y precisión en el diseño.Las principales situaciones de fallo de una estructura se originan por:·Fatiga del material·Oxidación y corrosión ·Diseño estructura erróneo

Empleadas desde la antigüedad se basan en la solidez, la resistencia y permanencia en el tiempo de las estructuras naturales. Se componen de grandes bloques de piedra de gran espesor y de la acumulación de materiales cuya función principal es la sus tención.

Son aquellas estructuras que emplean elementos resistentes, como pilares y columnas verticales, los cuales se entrecruzan con vigas horizontales formando un emparrillado. Se emplean actualmente para forjar el esqueleto de los edificios y para construir andamios.Una escalera de mano es un ejemplo.

Estas estructuras tienen la función de servir de elemento de recubrimiento y protección. Suelen ser ligeras y, normalmente, frágiles si se comparan con otro tipo de estructura más pesadas. Cuando se fabrican estructuras laminadas con mayor dureza y más resistente, suelen denominarse exoesqueletos.

Este tipo de estructura se basa en el empleo de tirantes y cables de acero para sostener elementos estructurales macizos. Se utilizan en la construcción de puentes, que suelen tener una o dos grandes torres sobre las que apoyan los tirantes y los cables de acero que lo sujetan.

El triángulo es el único polígono indeformable. Un objeto compuesto de tres barras rígidas formando un triángulo no sufre variación en la forma cuando se le aplican fuerzas. De este modo, la triangulación o formación de triángulos con elementos resistentes, es el método más eficaz para hacer que las estructuras sean más rígidas y menos deformables.

Los arcos y las bóvedas han sido empleados como solución arquitectónica durante miles de años, aunque su uso se han restringido a edificios singulares, ya que su construcción es compleja y costosa. La principales estructuras abovedadas son:•ArcosEn la construcción de arcos, hay dos momentos particularmente delicados: el encaje de la clave, o piedra angular, y la subsiguiente eliminación del andamio. Si el andamio no se quita en el orden correcto toda la estructura podría venirse abajo. El tipo de arco más simple y más conocido es el arco de medio punto.•Bóveda y cúpulasUna bóveda es un cuerpo cóncavo, sostenido por las paredes que rodean un espacio, al cual sirve de cubierta o techumbre. Existe una gran variedad de bóvedas: de cañón, de media naranja o de aristas entre otras.La cúpula es un tipo de bóveda esférica generada por el giro de un arco sobre su eje de simetría. Se utiliza para cubrir o cerrar un espacio generalmente cuadrado, octogonal o circular.

Los perfiles son aquellas formas comerciales en las que se suelen suministrar el acero, el aluminio y otros materiales.Una estructura debe ser capaz de resistir los diferentes tipos de esfuerzos a los que va ser sometida.Perfiles mas habituales:

Las cerchas son uno del sistemas que la ingeniería estructural resuelve con el empleo de elementos simples como los perfiles. Suelen diseñarse para la sustentación de tejados y puentes. El desarrollo de cerchas se realizara a base de formar de triángulos uniendo, mediante cartelas, los perfiles y las barras, lo que da lugar a una estructura resistente a la deformación.