Tema 7 _ Estructuras

Para que la arquitectura sirva no debe moverse ni deformarse tanto como para impedir su uso ni llegar a romperse. Para lograr esto existen las estructuras, que pueden ser indiferenciadas cuando no solamente atienden este tipo de funciones; o diferenciadas si se encargan únicamente de la función estructural.
Definición de estructura: Conjunto de cuerpos vinculados entre sí y organizados para recibir y resistir las fuerzas que actúan sobre estos y transmitirlas al terreno. Es un conjunto organizado pues implica una determinada organización, tanto geométrico como de vínculos. Estos son los que limitan los desplazamientos posibles de un cuerpo y existen tres tipos: Articulación móvil, anula los desplazamientos en una dirección; articulación fija, impide desplazamientos en las dos direcciones; y empotramiento que anula tanto desplazamientos como giros.
A la hora de pensar en las estructuras es fundamental analizar las cargas que actuarán sobre el edificio considerando su función (vivienda, biblioteca, depósito), los materiales que se utilizarán (pesados o livianos), el lugar donde se ubicará (vientos, posibilidad de sismos), o el tiempo ya que puede variar su uso o condición.
Clasificación de las cargas:
1) Estáticas: Son aquellas que no sufren cambios bruscos. Pueden ser permanentes (peso de la estructura, elementos complementarios, etc.) o bien transitorias (personas, muebles, etc.). Todas estas son cargas gravitatorias por lo que tienen la dirección del radio de la Tierra, son constantes y las más importantes por lo que son las más fáciles de prever.
2) Dinámicas: Son aquellas que sus valores cambian con rapidez. Pueden ser resonantes (movimientos sísmicos y vientos) o de impacto (entrada brusca de vehículos, descarga brusca de materiales, golpe de olas, etc.).
Todas las cargas pueden ser equilibradas por las reacciones y con ello impedir cualquier movimiento de traslación o giro. Para que no exista ningún tipo de desplazamiento y el edificio esté en equilibrio las sumatoria de las fuerzas en los ejes x e y deben ser cero al igual que la sumatoria de momentos.
Existen diversos tipos de equilibrios:
1) Indiferente: En el cual todas las posiciones son de equilibrio por lo cual con una pequeña perturbación el cuerpo quedará en otra posición. No sirve para la arquitectura.
2) Inestable: Es aquel que no regresa a su configuración original luego de una pequeña perturbación. No sirve para la arquitectura.
3) Estable: Siempre que recibe una pequeña perturbación restablece su posición inicial. Este es el que sirve para la arquitectura y es el primer requerimiento básico de una estructura.
Todo sólido experimenta deformaciones al ser solicitados por fuerzas exteriores. Al iniciarse la deformación, se originan en las partículas fuerzas interiores crecientes con la intensidad de las fuerzas exteriores hasta equilibrarlas. Alcanzada dicha situación se dice que en todas las partículas del cuerpo existe equilibrio entre fuerzas interiores y exteriores (equilibrio interno).
De las tensiones existentes se estudiarán las básicas, compresión y tracción, en las cuales el material “trabaja” con la misma intensidad en toda su sección; y los esfuerzos compuestos, flexión, en donde el “trabajo” no se da homogéneamente (existencia de fibras traccionadas, neutras y comprimidas),
1) Compresión: Es un esfuerzo normal de fuerzas convergentes con igual dirección y sentido contrario. Las partículas del material tienden a apretarse entre sí, produciendo una deformación en el material que consiste en el acortamiento de la pieza en el sentido de la dirección de la fuerza y el engrosamiento de la sección transversal a la dirección del esfuerzo. Es importante mencionar que la compresión se da en piezas relativamente cortas ya que de lo contrario se producirá el fenómeno del pandeo (flexión lateral que ya se mencionará más adelante).
2) Tracción: Al igual que la compresión es un esfuerzo normal de fuerzas con misma dirección y sentido contrario pero que divergen, por lo cual la deformación estará dada por el alejamiento de las partículas que conforman el material, alargando la pieza en el sentido de la dirección de la fuerza y la reducción de la sección transversal a la dirección del esfuerzo.
3) Flexión: Está dada por la combinación de los dos estados básicos de tensión descritos anteriormente: la compresión y la tracción. Se produce cuando una pieza es sometida a esfuerzos perpendiculares a su eje longitudinal y apoyada en uno o más puntos no coincidentes con la recta de acción de cargas. La deformación consiste en el alargamiento de las fibras traccionadas y el acortamiento de las comprimidas. Entre medio de éstas existe un eje neutro en el cual las fibras quedan invariables.
Efecto pandeo o flexión lateral: Se da en toda barra recta cuya longitud sea considerablemente mayor que el lado menor. Esta flexión se da mucho antes que el material colapse por compresión simple y depende de la esbeltez (relación entre el alto y el lado menor del elemento comprimido); la forma de la sección del material, el propio material, los vínculos y la magnitud de las cargas.
La resistencia es el segundo requerimiento básico de una estructura y analiza las fuerzas desarrolladas en el interior del material originadas a consecuencia de las fuerzas aplicadas en él, y el equilibrio entre ambos sistemas de fuerzas.
Otro aspecto a considerar de los materiales es la rigidez, es decir, la relación entre la causa (fuerza) y el efecto (deformaciones que producen). La estructura y cada parte de la misma no poseen una única rigidez sino tantas como acciones distintas se le pueden aplicar. Dicha rigidez depende de la organización geométrica, los vínculos y las características propias del material.
Por último, es importante hacer referencia a la eficacia: Tercer requerimiento básico de una estructura. La misma es la relación entre los resultados obtenidos y los recursos empleados. Está muy vinculado con el tamaño, la configuración geométrica y los materiales.
Por último, decir que existen determinadas formas de resolver problemas que involucran una configuración geométrica en relación con la utilización de los materiales; a cada una de estas formas se les denominan tipos estructurales.
Los problemas principales de las estructuras arquitectónicas son: 1) Cubrir luces, 2) Trasladar verticalmente las cargas hacia el suelo, 3) Soportar empujes horizontales.
1) 1er problema - Cubrir luces:
La luz es la distancia existente entre los apoyos de un elemento que cubre un espacio.
a) Estructuras comprimidas
Los ejemplos más característicos son el arco y las bóveda. Para entender su funcionamiento se debe analizar el comportamiento de su pieza central, la clave del arco. La misma para poder descender debe “empujar” hacia fuera a las dos piezas siguientes (contraclaves). Su carga vertical se descompone en dos fuerzas oblicuas que accionan cada una sobre las dos contraclaves ya mencionadas. Cada una de estas fuerzas se combina con el peso de la nueva dando como resultado una fuerza más “inclinada hacia abajo” que actuará sobre la siguiente pieza. Es así que la fuerza resultante de cada pieza se compone con la carga de la pieza siguiente. Debe analizarse la dirección de la resultante final pues de no ser perfectamente vertical aparecerán empujes horizontales que deberán equilibrarse con contrafuertes, arbotantes (gótico) o bien delgados tensores interiores.
Los materiales más adecuados para construir tanto arcos como bóvedas son aquellos que tienen un buen comportamiento a la compresión como son los pétreos (naturales y artificiales), el ladrillo, la madera, etc..
b) Estructuras traccionadas
Las más comunes son aquellas suspendidas por cables. Los cables adoptarán distintas formas según la disposición de las cargas sobre él. Por lo general, las estructuras “colgadas” son de peso relativamente bajo y tienen escasa rigidez.
El sistema de cable es el único que permite construir con la misma geometría (sólo varía la dimensión de los elementos traccionados) elementos pequeños como enormes, ya que el sistema es independiente de la dimensión de la luz.
Membranas: Su peso propio es relativamente insignificante y no dependen de la rigidez del material. Como dicho material no es rígido por sí mismo, debe lograrse esta característica mediante una geometría de tracción. Una de las posibles soluciones es el empleo de formas que tengan curvas opuestas. Soportan por su forma, son estructuras inflexibles utilizando materiales flexibles. Debe conseguirse que estos materiales sin rigidez mantengan la forma bajo todas las condiciones de carga que debe soportar el edificio.
La liviandad, a la vez de ser una desventaja, arraiga muchas dificultades, deben ser cinchadas hacia abajo en vez de ser soportadas hacia arriba por ejemplo.
c) Estructuras flexionadas
Ante una fuerza exterior aplicada y sus dos reacciones en sus dos puntos de apoyo la viga comienza a deformarse. Si incrementamos la fuerza aplicada llegará un momento en que la viga se rompa. Si la observamos, vemos que en cada uno de los extremos hubo un giro por lo que provocó un momento (momento exterior). Para lograr el equilibrio, apareció una fuerza interna que crecía a medida que crecía la exterior (momento interno).
Si analizamos una “rebanada” central de la viga, vemos que las fuerzas interiores comprimen el material en la parte superior, de forma máxima en el borde y de allí va descendiendo hasta a no haber solicitación en el medio para luego empezarse a traccionar hasta llegar al máximo en el otro borde. Con esto se concluye que no todo el material utilizado está utilizado con el mismo grado de solicitud.
Si la viga está equilibrada, el momento flector (exterior) es igual al momento resistente (interior). El primero aumenta por un incremento de la fuerza o de la luz (distancia entre ambos apoyos). Para dar mayor resistencia a la viga se pueden utilizar materiales más resistentes o aumentar la altura de la sección para que el momento resistente sea mayor. Pero a la vez que sucede esto, el peso aumenta y como el material no trabaja homogéneamente por lo que no todo está usado a su máximo potencial (sólo los extremos) y a medida que aumenta la altura de la pieza aumenta notoriamente el material “ocioso”.
¿Qué materiales puedo utilizar? Aquellos que responden a solicitaciones tanto de compresión como de tracción. Entre estos podemos distinguir a la madera y el acero, aunque también se puede dar una combinación de distintos materiales que trabajen bien a cada una de las dos solicitaciones, es el ejemplo del hormigón armado donde el hormigón funciona mejor a compresión y el hierro a tracción.
Estrategias para mejorar la eficiencia
i. Se coloca material donde realmente se necesita y se aligeran las zonas menos solicitadas (más cercanas al eje neutro). Esto ocurre muy fácil en el acero en el cual aparecen distintos perfiles como por ejemplo el doble T. Con el hormigón armado se dificulta en la ejecución del encofrado para conseguir formas apropiadas; y en la madera resulta inútil. Si se extrema esta estrategia es posible separar los cordones comprimidos de los traccionados manteniendo sólo una unión entre ellos para que trabajen en conjunto. Pero se introduce el problema de cómo unir ambas partes para conservar la rigidez. Existen dos tipos distintos de uniones, las rígidas y las articuladas mediante triángulos (geométricamente indeformables).
ii. Otra manera de separar los cordones comprimidos y traccionados se obtiene a partir de elementos delgados de baja resistencia a la flexión que posibilitan su plegamiento a modo de otorgarles rigidez.
d) Estructuras reticuladas
El ejemplo más característico es la cercha caracteriza por su liviandad y capacidad de soportar grandes cargas. Se utilizan principalmente en construcciones con luces grandes, como techos de bodegas, almacenes, iglesias y en general edificaciones con grandes espacios en su interior. Está formada por una sucesión de piezas cortas, vinculadas en nudos, que conforman triángulos (geométricamente indeformables). Entre cercha y cercha están las correas. Las distintas piezas que conforman este sistema son los pares, el tensor, el pendolón, las diagonales y los montantes.
2) 2do problema – Transmitir verticalmente las cargas al suelo.
Esto se hace mediante columna, pilares y muros portantes entre otros. La introducción de materiales modernos de elevada resistencia a la compresión, tales como el acero, pueden usarse para construir columnas mucho más delgadas que mediante la piedra o el hormigón. Pero esta delgadez, introduce la limitación del pandeo que se da en elementos largos y delgados, que sometidos a esfuerzos de compresión experimentan una flexión lateral y en ocasiones pueden colapsar. El pandeo depende de la esbeltez, la forma de la sección transversal (son mejores aquellas que presentan mayor parte del material lejos del centro como por ejemplo las secciones redondas huecas, el perfil doble T, etc.); y las restricciones impuestas a sus extremos (el empotramiento da la mayor resistencia al pandeo).
3) 3er problema – Empujes horizontales.
Estos pueden ser producidos por distintos motivos y de carácter permanente (actúan siempre y sin variar como por ejemplo el empuje producido por un desnivel); o eventual (no actúan siempre sino en ocasiones, son aquellos producidos por vientos o movimientos sísmicos).
El viento ejerce una presión distribuida sobre las caras expuestas del edificio, dando como resultado una fuerza aplicada en el centro geométrico de las caras. A esta fuerza el suelo le genera una reacción iniciándose un momento llamado “momento de vuelco”. Este aumenta con la fuerza del viento o por un incremento de la distancia entre el viento y su reacción (altura del edificio). Para que el edificio esté en estado de reposo el momento de vuelco debe ser equilibrado con otro momento de igual magnitud y sentido contrario, el “momento estabilizador”. La estabilidad de un edificio aumenta con su peso y la amplitud de su base.
Es sismo es otro de los empujes eventuales. La energía liberada por un terremoto se propaga por la corteza terrestre en forma de vibraciones que provocan desplazamientos del terreno en cualquier dirección (horizontal o vertical). La fuerza destructiva del sismo se explica en el principio de inercia que señala que todo cuerpo presenta una reacción a cambiar su estado de movimiento. Esta reacción es directamente proporcional a la masa del cuerpo. Es así que ocurrido el sismo, cada una de las partes del edificio “reacciona” oponiéndose al movimiento con una fuerza proporcional a su masa y de sentido contrario al movimiento del terreno. Al contrario de con el viento, el peso no contribuye para con la estabilidad sino que aumenta la fuerza destructora.
Respuestas para conseguir una mayor estabilidad.
En columnas: Depende esencialmente de sus vínculos. Al tener una base menor a su altura presenta una pequeña reacción al vuelco. Para que mantenga un equilibrio estable deberá vincularse articuladamente o empotrarse a otros elementos. Al empotrarla se modifica el comportamiento de la columna pues queda sometida a flexión.
En los muros: La capacidad de respuesta hacia un empuje depende de su dirección: Si la fuerza es perpendicular al muro deberá empotrarse (si resiste a la flexión) o vincularse con elementos que impidan su vuelco. Si la fuerza sobre el muro es paralela a este, su estabilidad mejora sustancialmente. Cuanto más bajo y largo es un muro mayor es su estabilidad.