Estructura
Una
estructura puede concebirse como un conjunto de partes o componentes que se combinan
en forma ordenada para cumplir una función dada, mas específicamente, soportar la
acción de una serie de fuerzas aplicadas sobre ellos.
La
estructura debe cumplir la función a que está destinada con un grado de
seguridad razonable y de manera que tenga un comportamiento adecuado en las
condiciones normales de servicio. Además, deben satisfacer otros requisitos,
tales como mantener el costo dentro de límites económicos y satisfacer
determinadas exigencias estéticas.
Análisis estructural
El
tema principal de esta materia es estudiar el comportamiento de las estructuras
sometidas a cargas internas y externas.
Entiéndase
por análisis la descomposición de un todo en sus partes para su estudio, y
teoría como el conjunto de reglas, principios y conocimientos que forman la
base de una ciencia, una técnica o un arte.
Entonces
el análisis de estructuras significa la separación de la estructura en sus
elementos constitutivos y la determinación del efecto de las cargas aplicadas a
la estructura en cada elemento. Cualquier estructura es un todo continuo, pero
para fines de análisis se puede dividir en distintos miembros, como serían las
barras de una armadura, o las vigas, columnas y losas en la estructura de un
edificio, o las pilas, estribos, sistemas de piso y cables, en un puente
colgante. Una vez dividida la estructura en sus distintos miembros, la
determinación del efecto de las cargas en cada miembro se lleva a cabo
calculando las acciones internas producidas por esas cargas, o sea, las fuerzas
axiales, las fuerzas cortantes, los momentos flexionantes y los torsionantes de
cada miembro, así como las deformaciones de cada elemento y de la estructura
completa.
Todo
lo anterior es la esencia del cálculo estructural. Po r consiguiente, a manera
general, el análisis estructural “es la predicción del comportamiento de una
estructura dada bajo cargas prescritas y otros efectos externos, o bajo ambas
influencias, como movimientos en los apoyos y cambios de temperatura”
(Kassimali, 2001)
La ingeniería estructural
Es
la ciencia y el arte de planear, diseñar y construir estructuras seguras y económicas
que servirán a los fines a los que están dirigidas.
Fases de un proyecto típico de
Ingeniería Estructural
- Fase de Planeación:
-
Requisitos de
funcionamiento de la estructura propuesta.
-
Consideraciones
de los tipos de estructura (pórticos, armazones…)
-
Tipo de
material.
-
Estética.
-
Impacto
ambiental.
-
Economía.
- Diseño estructural preliminar:
- Estimación de
los tamaños de los diversos miembros del sistema estructural, análisis
aproximado, experiencia pasada y normas. Predimensionado.
- Estimación de Cargas.
- Análisis Estructural.
- Determinación de los esfuerzos en los miembros y las
deflexiones.
- Comprobación de seguridad y utilidad:
-
Del análisis
estructural se determina si la estructura satisface o no los requisitos de
seguridad y utilidad de los códigos y normas.
- Dibujos, Especificaciones Técnicas y Fase de Construcción.
- Diseño revisado:
-
Revisión de
tamaños y miembros.
-
Se revisan las
fases 3 al 5 hasta que satisfaga los requerimientos.
Componentes y sistemas estructurales
Todos
los sistemas estructurales están integrados por componentes. Los componentes
principales de una estructura son los siguientes:
-
Tirantes: aquellos miembros sometidos sólo a fuerzas axiales a
tensión pura. Las cargas se aplican solo en los extremos. Se emplean
“estructuras a tensión” compuestas de cables flexibles de acero para sostener puentes
colgantes o techos de claros largos. A dichos elementos les falta rigidez en
sus direcciones laterales, por tal motivo son susceptibles a oscilaciones
inducidas por fuerzas externas, como por ejemplo, el viento.
-
Vigas y
trabes: son elementos estructurales
en donde su eje longitudinal es más grande o predomina sobre su ancho y/o alto.
Son miembros sometidos principalmente a flexión y corte, los cuales actúan en
el plano normal al eje longitudinal. Algunas veces están sometidas a torsión.
Cuando una viga forma parte de un pórtico están sujetas también a cargas
axiales, pero son muy pequeñas en comparación con los de corte y flexión.
-
Columnas: miembros rectos sujetos a cargas axiales de
compresión simple. Generalmente son verticales pero pueden ser inclinadas.
Pueden ir acompañadas de flexión uniaxial o biaxial, son también susceptibles a
pandeo o inestabilidad, por lo cual se proporciona el uso de arriostramiento
cuando las columnas pertenecen a pórticos, igualmente algunas veces son
sometidas a corte.
-
Puntales: son aquellos miembros estructurales sometidos solo a
fuerzas axiales de compresión. Puede cargarse únicamente en sus extremos, y no
resisten cargas sometidas a flexión.
-
Armaduras: es un tipo especial de estructura, compuesta
enteramente de puntales y tirantes, conectados por articulaciones en sus extremos
y por lo tanto están sometidas solo a fuerzas axiales de tensión o compresión
respectivamente. Se supone que todas las cargas externas que actúan sobre las
armaduras están aplicadas en sus nudos y no directamente a sus componentes. En
virtud de su peso ligero y su alta resistencia, las armaduras se usan con
amplitud y sus aplicaciones van desde soportar puentes, tejados de edificios,
hasta ser soporte en estructuras espaciales.
-
Marcos o
armazones rígidos: los marcos son
estructuras constituidas por columnas y vigas cuyas uniones son nudos rígidos,
o sea, no permiten la rotación relativa entre los miembros que concurren en el
nudo. A diferencia de las armaduras, las cuales se sujetan a cargas en las uniones,
sobre las armazones las cargas externas pueden estar aplicadas sobre los
miembros así como sobre las uniones. En general, se sujetan a momentos flexionantes,
corte y compresión axial o tensión, bajo la acción de cargas externas. Sin
embargo, el diseño de los miembros horizontales o vigas suele regirse sólo por
los esfuerzos flexionantes y cortantes, ya que las fuerzas axiales en esos
miembros por lo común son pequeñas.
-
Conexiones:
-
Conexiones rígidas: impiden las traslaciones y rotaciones relativas de los miembros
conectados a ella; es decir todos los extremos de miembros conectados a una unión
rígida tienen las mismas traslación y rotación. En otras palabras, se mantienen
los ángulos originales que existen entre los miembros que se intersectan en una
unión rígida, después que la estructura se ha deformado bajo la acción de
cargas. Por lo tanto, esas juntas son capaces de transmitir fuerzas así como
momentos entre los miembros conectados. Suelen representarse por puntos en las
intersecciones de los miembros.
-
Conexión o junta articulada: solo impide las traslaciones relativas de los
extremos de los miembros conectados a ella; es decir, todos los extremos de los
miembros conectados a una unión articulada tienen la misma traslación, pero
pueden tener rotaciones diferentes. Por tanto, esas juntas son capaces de
transmitir fuerzas, pero no momentos, entre los miembros conectados. Se
representan por lo general por círculos pequeños en las intersecciones de los
miembros.
-
Apoyos: los apoyos se usan para sujetar las estructuras al
suelo o a otros cuerpos, restringiendo de este modo sus movimientos bajo la
acción de las cargas aplicadas. Las cargas tienden a mover las estructuras;
pero los apoyos impiden los movimientos al ejercer fuerzas, o reacciones, que
se oponen para neutralizar los efectos de esas cargas, manteniendo de este modo
las estructuras en equilibrio. Los principales apoyos estudiados son:
-
El apoyo simple o rodillo: ofrece resistencia al movimiento sólo en una dirección
perpendicular a la superficie de apoyo bajo el rodillo. No presenta resistencia
a ligeras rotaciones respecto al eje del rodillo ni a movimientos paralelos a
la superficie de apoyo. La única incógnita es la magnitud de la fuerza
necesaria para evitar el movimiento perpendicular a la superficie de apoyo.
-
El apoyo articulado o simplemente “articulación”: este tipo de soporte impide el movimiento en dirección
vertical y/u horizontal, pero no impide ligeras rotaciones alrededor del
pasador. Hay por tanto dos fuerzas desconocidas, en una articulación: las
magnitudes de las fuerzas necesarias para impedir el movimiento horizontal y
vertical.
-
Empotramiento: ofrece resistencia a la rotación alrededor del soporte y al movimiento
horizontal y vertical. Se tiene aquí tres incógnitas: las magnitudes de las
fuerzas para impedir el movimiento vertical y horizontal y la magnitud de la
fuerza para impedir la rotación.
Nota del Profesor:
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también
Las dudas e inquietudes serán
discutidas en clases, igualmente pueden hacer uso de los comentarios. Recuerden
que el Blog es una herramienta para el aprendizaje y la toma de apuntes correspondientes
a las clases ya vistas o próximas a ver.
Referencia Bibliográfica
González,
O. (2009) Análisis Estructural. Editorial Limusa. 1° Ed.
Kassimali, A.
(2001) Análisis Estructural. Editorial Thomsom Learning. 2° Ed.
