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Ingeniería Civil para dummies. Las estructuras y su clasificación

Jueves, 23 Diciembre, 2021

En la entrega de diciembre de “Ingeniería Civil para dummies”, analizamos qué son las estructuras y cuál es su clasificación más común. De esta manera, continuamos acercando la profesión al público en general con publicaciones especializadas en los ámbitos más destacados de las Obras Públicas. 

Definición de estructura

Las estructuras son conjuntos de elementos unidos entre sí capaces de soportar las fuerzas que actúan sobre ellas, conservando su forma. Las fuerzas que actúan sobre las estructuras se denominan cargas o acciones. Para mantenerse en equilibrio con las fuerzas que actúan sobre ellas, las estructuras, según el principio físico de acción y reacción, tienen que contraponer otras fuerzas iguales y de sentido contrario.

De esta manera, al conjunto de fuerzas con las que las estructuras reaccionan ante las cargas se las denomina reacciones. Las fuerzas de reacción se ejercen en los puntos por donde las estructuras están sujetas, o bien por donde se unen los diferentes elementos de las mismas. A estos puntos de unión se les denomina apoyos, y a las fuerzas de reacción se les suele denominar también coacciones.

A las estructuras se les exige soportar cargas, mantener la forma, proteger partes delicadas, ser ligeras y sobre todo, ser estables. Toda estructura además, tiene que cumplir las siguientes condiciones:

  • Estabilidad. Para que la estructura se mantenga erguida y no vuelque, su centro de gravedad tiene que estar dentro de su base y lo más cercano al suelo posible. Para conseguirlo a veces se tiene que recurrir a acciones como ampliar la base, poner tirantes o empotrando su base inferior al suelo.
  • Resistencia. Tienen que ser capaces de soportar las distintas cargas sin romperse, esto depende de la forma de la estructura y del tipo y de la cantidad de material con que se ha construido, ya que todos los materiales tienen una tensión de rotura determinada, que es la máxima fuerza por unidad de superficie que aguantan sin romperse.
  • Rigidez. La deformación de los elementos no puede ser grande. Esto se consigue cuando la forma de las estructuras es adecuada, soldando las uniones para reforzarlas y con triangulaciones, ya que el triángulo es el único polígono indeformable. Es por ello que son las formas más empleadas en las estructuras. Las diagonales usadas para triangular se llaman arriostramientos. Aún así, toda estructura tiene que tener cierto grado de flexibilidad, ya que tienen que ser capaces de soportar las variaciones debidas a la dilatación y a la contracción de materiales, así como de absorber vibraciones y movimientos sísmicos.

Clasificación

Existen muchos tipos de estructuras clasificadas, atendiendo a la forma en la que resisten los esfuerzos.  En la realidad, existen combinaciones y estructuras más complejas que podrían incluirse en más de uno de los siguientes grupos y con elementos de unos y otros, pero podríamos clasificarlas en:  

  • Estructuras masivas. Son estructuras sólidas macizas que se construyen colocando material en grandes piezas (bloques) o mediante material continuo (como hormigón). Existe una continuidad en este tipo de elementos estructurales de forma que forman un todo que opone su pesadez y su masa material a las solicitaciones que actúan sobre ella. Normalmente, son idóneas cuando hay que esperar esfuerzos de compresión.
  • Estructuras superficiales. También denominadas laminares o de cáscara, presentan una gran superficie en contraposición con un espesor o una sección muy pequeños. Mantienen su estabilidad y resisten las acciones distribuyendo las cargas por toda su superficie.
  • Estructuras abovedadas. Son estructuras formadas por arcos y bóvedas que permiten cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en las estructuras. Los arcos y las bóvedas están formados por piezas denominadas dovelas que trabajan resistiendo las fuerzas que reciben y transmiten (llamadas empujes) mediante esfuerzos de compresión.
  • Estructuras de armazón. Son estructuras constituidas por una sucesión de elementos horizontales (vigas) y verticales (soportes y pilares) que forman una trama plana, denominada pórtico. Los pórticos son entramados planos o superficiales que forman las estructuras volumétricas mediante elementos de unión con otros pórticos planos.
  • Estructuras trianguladas. Son estructuras formadas por elementos lineales de poca sección denominadas barras que crean superficies estructurales planas o tridimensionales mediante la repetición de formas triangulares. Las uniones entre barras, normalmente, no son rígidas para evitar rigideces perjudiciales. Sin embargo, sin que exista la posibilidad de que las barras se deformen, los triángulos que forman la pieza base de las estructuras son indeformables.
  • Estructuras colgantes. Se basan en el empleo de elementos tipo cable o cuerda, denominados tirantes. Éstos funcionan únicamente a tracción y sirven para sustentar otros elementos. Es la estructura típica de los puentes colgantes.

Elementos

Todas estas estructuras se componen de lo que denominamos elementos resistentes, que se podrían clasificar en:

  • Cimientos o cimentación. Conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación o de elementos apoyados en éste al suelo, distribuyéndolas de forma que no superen una serie de valores máximos del terreno de apoyo. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será mucho más grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes).
  • Soportes. Elementos verticales que soportan fundamentalmente esfuerzos de compresión, aunque también parte de cortante y, sobre todo, en los elementos más esbeltos, pandeo. Los pilares son habitualmente de hormigón armado, normalmente ejecutados “in situ”. Cuando el soporte es de madera se denomina “pie derecho”. Columna es aquel soporte de sección circular
  • Muros de carga o portantes. Se trata de paredes de una edificación que poseen función estructural, es decir, aquellas que soportan otros elementos estructurales del edificio, como arcos, bóvedas, vigas o viguetas de forjados o de la cubierta. Cuando los muros soportan cargas horizontales, como las presiones del terreno contiguo, se denominan muros de contención.
  • Viga. Elemento estructural que normalmente se coloca en posición horizontal (aunque pueden ser también inclinadas) que se apoya sobre los pilares, destinado a soportar cargas. Ejemplos de vigas son los rieles de las cortinas, los travesaños horizontales de debajo del tablero en el pupitre o en la silla, el marco de la ventana o de la puerta, etc. Cuando forman parte de la superficie de un forjado se denominan viguetas. El conjunto vigas-pilares forma los pórticos.
  • Cercha. Una cercha es una celosía, una estructura reticular de barras rectas interconectadas en nodos formando triángulos planos (en celosías planas) o pirámides tridimensionales (en celosías espaciales). También se les conoce como armaduras. El interés de este tipo de estructuras es que las barras trabajan predominantemente a compresión y tracción, presentando comparativamente flexiones pequeñas.
  • Forjado. Se denomina forjado al elemento estructural, horizontal o inclinado (en cubiertas), que soporta su propio peso y las sobrecargas de uso, tabiquería, dinámicas, etc. Dichas cargas se transmiten al terreno mediante otros elementos de la estructura como vigas, pilares, muros y cimentación. Forma parte de la estructura horizontal de las diferentes plantas de un edificio, siendo capaz de solidarizar horizontalmente los diversos elementos estructurales, permitiendo no solo transmitir cargas verticales, sino también horizontales. Ello contribuye a aportar rigidez en ese plano horizontal.
  • Arco. Es un elemento estructural de directriz en forma curvada, que salva el espacio abierto entre dos pilares o muros transmitiendo toda la carga que soporta a los apoyos, mediante una fuerza oblicua que se denomina empuje. Normalmente, está formado por piezas denominadas dovelas.
  • Bóveda. Elemento estructural superficial, generalmente elaborado en mampostería o fábrica, en el que sus piezas y componentes trabajan a compresión. Las bóvedas poseen una forma geométrica generada por el movimiento de un arco a lo largo de un eje. Por regla general, este elemento constructivo sirve para cubrir el espacio comprendido entre dos muros o una serie de pilares alineados.
  • Cúpula. La cúpula es un elemento estructural que se utiliza para cubrir un espacio de planta circular, cuadrada, poligonal o elíptica, mediante arcos de perfil semicircular, parabólico u ovoidal, rotados respecto de un punto central de simetría. Desde el punto de vista estructural una cúpula delgada puede considerarse un elemento bidimensional de doble curvatura con simetría radial (respecto al centro de la esfera inscrita). Los esfuerzos predominantes son de tracción en el sentido de los paralelos y de compresión en el sentido de los meridianos. Estructuralmente funcionan como una lámina de revolución.
  • Dintel. Es el elemento superior que permite crear vanos en los muros para conformar puertas, ventanas o pórticos. Por extensión, el tipo de construcción que utiliza dinteles para cubrir los espacios en los edificios se llama construcción adintelada. Es un tipo de estructura masiva. No hay que confundir los dinteles con las vigas.

Sobre el CITOP

“Ingeniería Civil para dummies” es la sección del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas que difunde los conceptos básicos de la profesión para llegar a un mayor número de población. 

Para aquellos Colegiados interesados en participar, pueden hacerlo a través del correo informacion@citop.es.