Tema 3 Estructuras - Resumen PDF

# Estructuras. Definición Todos los objetos y los seres vivos necesitan uno o varios elementos que les permitan mantener su forma y soportar las cargas que actúan sobre ellos. La estructura es el conjunto de elementos unidos entre sí, destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sob...

# Estructuras. Definición Todos los objetos y los seres vivos necesitan uno o varios elementos que les permitan mantener su forma y soportar las cargas que actúan sobre ellos. La estructura es el conjunto de elementos unidos entre sí, destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre un objeto y a mantener su forma y su estabilidad frente a dichas fuerzas. Tanto los productos tecnológicos como los seres vivos tienen una estructura que sirve de soporte o protección al resto de sus elementos y está presente en objetos de cualquier tamaño y forma. Se denominan estructuras naturales aquellas que forman parte de los seres vivos y elementos de la naturaleza, y artificiales, aquellas que pertenecen a objetos creados por el hombre. ## Funciones de una estructura Todas las estructuras deben cumplir las siguientes funciones: - Mantener la forma y soportar su propio peso. Todos los cuerpos poseen un peso, debido a los elementos que los conforman, y tienen una forma que debe ser estable y mantenerse en el tiempo. Una función derivada de esta condición es que la estructura debe proteger al resto de los elementos. - Resistir fuerzas externas. Los cuerpos están sometidos a la acción de agentes externos, y su estructura debe encargarse de resistir estas fuerzas. - Soportar pesos. Además de fuerzas externas, la estructura debe soportar las cargas (que pueden ser consideradas fuerzas estáticas) o pesos externos, además de su propio peso. ## Cargas y esfuerzos Las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo u objeto se denominan cargas, y los efectos que estas cargas producen en la estructura se denominan esfuerzos. ### Tipos de cargas Las fuerzas externas o cargas pueden ser estáticas o dinámicas, dependiendo de sus características: - **Carga estática:** actúa sobre el cuerpo en estado de reposo, tratando de deformarlo. - **Carga dinámica:** es capaz de modificar el estado de reposo de un cuerpo. Las cargas debidas al peso del propio cuerpo y de la estructura y las cargas externas que no varían de posición se denominan fijas o permanentes. Las cargas debidas a agentes externos que no actúan de forma permanente se denominan variables o intermitentes. La estructura debe garantizar la resistencia y estabilidad frente a estas cargas hasta un valor que asegure su propia persistencia y la seguridad de sus elementos y de las personas que alberga, si se trata de un edificio o una infraestructura pública. ## Esfuerzos El efecto de las cargas sobre un cuerpo genera fuerzas internas o tensiones que tienden a deformarlo o romperlo. Este efecto se denomina esfuerzo. Un esfuerzo es la tensión interna que experimentan los elementos de una estructura cuando están sometidos a la acción de una o varias fuerzas. El esfuerzo es el efecto que produce en la estructura una carga. Dependiendo de la dirección, el sentido y el punto en el que actúe la carga o fuerza externa, la estructura se verá sometida a **esfuerzos de diferente tipo**. ### Tipos de esfuerzos | Tipo de esfuerzo | Descripción | |---|---| | Tracción | Las fuerzas tienden a estirar el cuerpo sobre el que actúan. Si actuan un par de fuerzas, estas son opuestas y lo hacen hacia el exterior del cuerpo en la misma dirección y sentido contrario. Si es una sola fuerza, actua hacia el exterior, perpendicularmente a la superficie que lo sujeta. Aparecen en cables, cadenas, barras... | | Compresión | Las fuerzas tienden a aplastar o acortar el cuerpo sobre el que actuan. Si actúan un par de fuerzas, estas son opuestas y lo hacen hacia el Interior del cuerpo, en la misma dirección y sentido contrario. Si es una sola fuerza, al igual que en el esfuerzo de tracción, lo hará de forma perpendicular a la superficie que lo sujeta. Se dan en columnas, cimientos, arandelas... | | Flexión | Las fuerzas actuan de forma perpendicular al eje longitudinal del cuerpo y tienden a deformario verticalmente o doblarlo. Si el cuerpo tiene un apoyo, la fuerza actúa en el extremo libre y tlende a deformario verticalmente. Si el cuerpo tlene dos apoyos, la fuerza actúa en la zona central y tiende a doblario. Están sometidos a estas fuerzas vigas, puentes, bancos... | | Torsión | Las fuerzas tienden a retorcer el cuerpo sobre el que actuan. Estas fuerzas se consideran un par (o momento) y son perpendiculares al eje de rotación. Se dan en ejes, tornillos, sacacorchos... | | Cortadura o cizalladura | Las fuerzas tienden a cortar el objeto. Estas fuerzas se sitúan muy próximas y actuan en sentido contrario y perpendicularmente al eje longitudinal del objeto. En una estructura, los elementos de unión suelen estar sometidos a estos esfuerzos. También aparecen en alcayatas y tijeras. | | Pandeo | Se define como un esfuerzo de flexión combinado con uno de compresión. Se da en elementos largos y con poca sección. Se puede observar en una regla graduada, un espagueti o el lateral del marco de una puerta. | Los esfuerzos generan tensiones internas en las estructuras, que no deben ser superadas para no deformar los objetos ni deteriorar los materiales de los que están hechos. En ocasiones, puede observarse este efecto exteriormente, siempre que no se supere la tolerancia establecida para mantener la estructura. ## Condiciones de una estructura Las estructuras deben garantizar el cumplimiento de las siguientes condiciones: **resistencia, rigidez y estabilidad.** ### Resistencia La resistencia de una estructura está determinada por el material del que está hecha, la forma que tiene y los elementos estructurales utilizados. La resistencia es la capacidad de la estructura de soportar su propio peso y el de las cargas a las que se ve sometida, conservando su forma al aplicarle cargas externas sin romperse. Las propiedades mecánicas de los materiales que constituyen las estructuras, tales como la resistencia mecánica y el módulo de elasticidad, determinarán su resistencia. El módulo de elasticidad (E) es la relación entre el esfuerzo normal (σ) y la deformación unitaria (ε). $E=σ/ε$ Sabemos que cada material responde de distinta forma a los esfuerzos; por ello, para fabricar elementos sometidos a esfuerzos de tracción, como cables o tirantes, se emplean materiales con un elevado módulo de elasticidad, como el acero o las fibras sintéticas. Para fabricar elementos sometidos a flexión, como vigas, se emplean materiales como madera y acero. Los elementos sometidos a esfuerzos de compresión, como los cimientos y las bases, se suelen hacer con hormigón, por su elevada resistencia a este esfuerzo, mientras que, si es necesario que soporten además esfuerzos de tracción, como en el caso de los forjados, se utilizará hormigón armado. La cantidad de material no siempre tiene una relación directa con la resistencia de una estructura. El cálculo de estructuras se basa en conseguir la mayor resistencia utilizando la menor cantidad de material; de ahí el uso de perfiles, vigas y columnas en lugar de elementos sólidos y macizos. Las uniones entre elementos son otro de los factores que pueden modificar su resistencia, ya que estos puntos se ven sometidos a fuerzas cortantes y otros agentes que pueden deteriorar la estructura, tales como la corrosión en el caso de los elementos metálicos (tornillos, puntos de soldadura...). En los elementos lisos, como las cubiertas, se emplean formas abovedadas para aumentar la resistencia. ### Rigidez La rigidez de una estructura está íntimamente relacionada con la forma en que se disponen sus elementos. La rigidez es la capacidad de soportar las cargas a las que se ve sometida una estructura sin deformarse, es decir, de oponerse a las deformaciones o al desplazamiento de sus elementos. Dependiendo de las condiciones de uso de la estructura, puede ser necesario que la rigidez no sea máxima. Para ello, es importante estudiar el comportamiento de los materiales, ya que pueden deformarse elásticamente (recuperar su forma cuando cesa la fuerza) o plásticamente (se deforman permanentemente). En ocasiones, es necesario que la estructura se deforme hasta un límite establecido y que recupere su forma cuando cese la acción de la carga. Por ejemplo, las carpas y lonas se deforman para soportar el viento sin romperse. La rigidez de una estructura se puede incrementar aumentando la sección de los elementos o disminuyendo su longitud. También se puede aumentar seleccionando materiales con un mayor módulo de elasticidad. ### Estabilidad La estabilidad de una estructura depende de su forma, de los apoyos y de las cargas que actúen sobre dicha estructura. La estabilidad es la capacidad de una estructura de mantenerse en un estado de equilibrio mecánico ante la acción de las fuerzas que actúan sobre ella. El objetivo de una estructura es ser estable, es decir, no volcar con facilidad y mantener su posición original sin desplazarse, desmoronarse o caerse. Cuando una estructura pierde el equilibrio al aplicar un pequeño empuje se dice que es inestable. Esta inestabilidad puede ser de tres tipos: - **Deslizamiento:** la fuerza que actúa sobre la estructura es capaz de modificar la posición de su base sobre una superficie de contacto. - **Vuelco:** el momento de la fuerza respecto a la vertical del centro de gravedad está fuera de la base de la estructura y esta pierde su posición de apoyo. - **Inestabilidad elástica:** se da en estructuras sometidas a esfuerzos de pandeo o a abolladuras. #### Análisis y mejora de la estabilidad La estabilidad de una estructura está relacionada con su centro de gravedad. El **centro de gravedad** es el punto resultante de la aplicación de todas las fuerzas que actúan sobre la masa del cuerpo. Es un punto de equilibrio en el que se concentraría toda la masa de un cuerpo si se comprimiese. En muchas ocasiones, la estructura de un objeto le proporciona una gran resistencia, pero poca estabilidad. La estabilidad está relacionada con la posición del centro de gravedad de un cuerpo. La estabilidad de una estructura será mayor cuanto más bajo esté su centro de gravedad. Además, para que una estructura sea estable, la proyección vertical de su centro de gravedad debe encontrarse dentro de su base. Puede aumentarse la estabilidad de una estructura modificando su centro de gravedad de diferentes formas: - Ampliando su base. - Usando anclajes o mejorando la cimentación. - Bajando su centro de gravedad. - Añadiendo contrapesos para equilibrarla. - Colocando tirantes, tensores o escuadras de apoyo (es una forma de ampliar la base). #### Equilibrio estático en estructuras Una estructura está en equilibrio estático cuando la suma de todas las fuerzas que actúan sobre los tres planos (x, y, z) es cero. El equilibrio puede ser **estable**, cuando el centro de gravedad siempre está debajo del punto de suspensión; **inestable**, cuando un pequeño movimiento hace que el centro de gravedad se desplace, e **indiferente**, cuando el cuerpo queda en la misma posición aunque sufra un desplazamiento. Estas condiciones deben cumplirse para el conjunto de la estructura, para cada una de sus partes y para cualquier combinación de acciones. La relación entre las acciones que se realizan sobre la estructura (que son conocidas) y las reacciones de esta (que son desconocidas) se determina mediante las ecuaciones de equilibrio de la estática. Según estas ecuaciones, se definen tres tipos de estructuras: - **Estructuras isostáticas o determinadas:** son estructuras estables y pueden serlo horizontal o verticalmente. En ellas, las ecuaciones de equilibrio son, por sí solas, suficientes para determinar tanto las acciones como las fuerzas internas. - **Estructuras hiperestáticas o indeterminadas:** son estables con un cierto grado de indeterminación. En ellas, el número de las componentes de las reacciones es mayor que el número de ecuaciones independientes de equilibrio. - **Estructuras hipoestáticas o inestables:** no son estables. En ellas, algunas fuerzas internas del sistema no pueden determinarse por estática, a pesar de que todas las reacciones sean conocidas. En cualquier caso, su análisis depende de las propiedades físicas y geométricas, es decir, de los momentos de inercia, el área y el módulo de elasticidad de sus elementos. El grado de libertad, por otra parte, se define como el número total de desplazamientos desconocidos en los nudos de la estructura. Como máximo, un nudo puede tener seis desplazamientos desconocidos, tres rotacionales y tres lineales en los marcos rígidos tridimensionales. El grado de libertad puede determinarse, entonces, contando únicamente los desplazamientos desconocidos en los nudos. ## Elementos estructurales Las estructuras están formadas en su mayoría por elementos básicos. Estos elementos están presentes en mayor o menor medida en cada tipo de estructura; de ahí se deriva su clasificación. Los materiales de los que están hechos estos elementos, su forma y su colocación, determinan la solidez, la estabilidad y la resistencia de una estructura. Las construcciones de infraestructuras públicas, debido a su importancia, deben garantizar la seguridad y la durabilidad en perfectas condiciones a lo largo del tiempo. Las estructuras de los edificios, tanto en el caso de viviendas como de hospitales o centros educativos; las grandes obras, como presas, puentes o torres eléctricas; y los grandes espacios públicos, como pabellones o teatros, deben cumplir unas condiciones de seguridad muy estrictas en condiciones variables, tanto de cargas soportadas como de condiciones medioambientales cambiantes. ### Bases, anclajes y cimientos Son los elementos que se encargan de soportar el peso y que permiten a la estructura apoyarse o fijarse a un elemento estable y resistente. El principal esfuerzo al que están sometidos es el de compresión, y sirven de base a los pilares y a las columnas. Los identificamos en las raíces de un árbol, los cimientos de un edificio o el pie de una sombrilla. Las bases y anclajes, además de trabajar a compresión y soportar el peso de la estructura, aportan estabilidad. Esto es debido a que aumentan la superficie de apoyo y contribuyen a modificar el centro de gravedad de la estructura, acercándolo al suelo. En estructuras formadas por elementos verticales, como una farola o un mástil, las bases suelen ser de tipo plancha y se complementan con escuadras. Los elementos de fijación al suelo o soporte son el punto en el que más degradación se produce y, por tanto, requerirán de más mantenimiento. Los cimientos tienen una gran importancia en las construcciones, como edificios o puentes, ya que transmiten las cargas de la estructura al suelo o al subsuelo. En este caso, son de hormigón armado, y su forma depende del tipo de terreno sobre el que se asienta la estructura y del peso que vaya a soportar. Pueden ser de distintos tipos: - **Cimentaciones superficiales:** zapatas (cubos de hormigón) o losas (superficies lisas). - **Cimentaciones profundas:** pilares (piezas prismáticas macizas) o pilotes (barras de hormigón armado). - **Cimentaciones especiales:** pantallas de contención o cimentaciones antiterremotos. Dependiendo de los elementos usados, los cimientos se denominan tal y como se refleja en la tabla: | Tipo de cimentación | Descripción | |---|---| | De zapatas | Se usan en cimentaciones superficiales y con suelos resistentes, ya que se emplean para soportar pesos elevados. | | De losa continua | Se usan en cimentaciones superficiales y con terrenos inestables, en estructuras que soportan cargas altas. Se componen de placas de hormigón sobre las que se apoya la estructura. | | De pozos o pilares | Se usan en cimentaciones de profundidad media, en terrenos blandos en superficie. Los pilares de hormigón transmiten las cargas directamente a la parte más profunda, que suele ser un lecho de roca. | | De pilotes | Se usan en terrenos blandos para distribuir la carga entre los pilotes a una profundidad considerable. | | Alsladores y amortiguadores | Se usan en suelos con un elevado riesgo de seísmo para separar la estructura de la cimentación y, de esta forma, no trasmitir las vibraciones sísmicas. Están formados por plásticos especiales muy resistentes. Los amortiguadores suelen ser grandes masas sólidas o incluso de agua. | ### Pilares y columnas Son los elementos verticales sobre los cuales se apoyan otros elementos estructurales. El principal esfuerzo al que están sometidos es de compresión. Su resistencia depende de la resistencia y estabilidad del elemento sobre el que apoyan, esto es, de los cimientos o de las bases. En las estructuras, son los encargados de transmitir las cargas verticales desde las vigas y techos, y el peso del resto de los materiales, hasta los cimientos. Por ello, también suelen estar sometidos a esfuerzos cortantes (en los puntos de unión) y a esfuerzos de pandeo (cuando son más altos y estrechos). En general, se denominan **pilares** si tienen sección poligonal, y **columnas** si tienen sección circular, aunque esta diferenciación es puramente estética. Pueden estar construidos de acero, hormigón armado, madera, bloques de piedra o mampostería. Las columnas son uno de los elementos estructurales más utilizados desde la Antigüedad. Su principal ventaja es que permiten soportar grandes pesos utilizando poco material y disminuyen así el peso de la estructura. Desde la introducción del uso de hormigón armado en la construcción, los pilares han sustituido a las columnas de bloques de piedra y a la madera. Pueden ser prismáticos o circulares, ya que la forma se aporta mediante la realización de un encofrado que permite que el hormigón fragüe con la forma adecuada. ### Vigas y barras Son elementos alargados cuya longitud es mayor que su sección. Los esfuerzos a los que están sometidos son principalmente **flexión**, en su parte central, y **cizalladura**, en los puntos de unión. Pueden estar apoyadas en uno o en dos puntos y colocadas de forma horizontal o inclinadas. La resistencia y la rigidez de la estructura dependerán de las uniones entre las barras, ya que las cargas se transmiten a través de ellas. Por tanto, estas uniones son elementos clave y pueden constituir uno de los puntos débiles de una estructura. Las barras se usan en estructuras ligeras entramadas o trianguladas y suelen estar fabricadas con materiales metálicos, acero, aluminio o distintas aleaciones para usos especiales. En las construcciones se denominan **vigas**, o **viguetas** si son secundarias y menos pesadas. Si se apoyan en un solo punto, se denominan vigas en voladizo. Su función principal es soportar el peso del forjado y el resto de los elementos de la estructura (muros, cubiertas, etc.). Transmiten las cargas a los pilares y columnas a través de los puntos de apoyo. Por ello, el cálculo de vigas es uno de los aspectos más importantes en el diseño de estructuras. En el Apartado 6 de la unidad se desarrolla este punto, analizando el comportamiento de una viga según la distribución y el tipo de cargas y las condiciones de apoyo. Los materiales que se suelen utilizar son acero, hormigón armado o madera, dependiendo de los requisitos de diseño y las condiciones de carga. Tradicionalmente, la madera ha sido uno de los materiales más utilizados por la facilidad para conseguirla y trabajarla. Además, es un material flexible y duradero (con los tratamientos adecuados), cuya principal desventaja es el ataque de agentes biológicos y la menor resistencia al fuego. El acero, en sus múltiples variedades, es el material más empleado debido a su gran resistencia y durabilidad. También por su versatilidad para fabricarlo con distintas secciones en los altos hornos. El hormigón armado también es muy utilizado, ya que el cemento aporta al acero resistencia a la tracción. Dos elementos derivados de las vigas y las barras son los denominados **perfiles** y **cerchas**. #### Perfiles Las vigas, las barras, los pilares, las columnas y otros elementos estructurales suelen tener secciones en formas determinadas para hacerlas más resistentes y más ligeras. Estas secciones se denominan perfiles. Los perfiles pueden ser de sección cerrada o abierta y se nombran según la forma de dicha sección. La sección cerrada puede ser tubular, triangular o redonda. La sección abierta puede ser plana, en ángulo o L, en T, en doble To H, en U o C, y de sección tubular cuadrada. #### Cerchas y riostras Son un conjunto de barras rígidas unidas por sus extremos formando triángulos, que constituyen un elemento estructural por sí mismas. Las celosías formadas por las barras pueden ser planas (triángulos) o tridimensionales (pirámides). También se denominan armaduras. Trabajan a tracción y compresión, compensando los esfuerzos y presentando pequeñas flexiones. Su resistencia depende de las uniones, llamadas nodos. Su importancia radica en su utilización en las cubiertas de pabellones, y en puentes y viaductos, debido a su ligereza y alta rigidez. ### Forjados Se denomina forjado a un conjunto de elementos que forma parte de la estructura horizontal (o inclinado en las cubiertas) dividiendo las diferentes plantas de una construcción. Su función es transmitir las cargas hacia las viguetas, vigas y pilares. Está constituido por diversos materiales que aportan resistencia y rigidez a la estructura, como hormigón armado, bovedillas y elementos terminales tales como baldosas o entarimados. Según el elemento sobre el que apoyan, se distinguen dos tipos de forjados: - **Unidireccionales:** apoyan sobre elementos lineales, como las vigas. Presentan flexión principalmente en una dirección. - **Bidireccionales:** apoyan sobre elementos lineales y puntuales, como pilares. Presentan flexión en dos direcciones: longitudinal y transversal. Los materiales con los que se construyen han variado a lo largo de la historia. Antes de la Revolución Industrial y el desarrollo de los materiales de construcción como el acero y el hormigón, los forjados estaban constituidos por vigas de madera y tableros de madera o losas de yeso o piedra. Los componentes básicos de un forjado de hormigón armado hoy en día se muestran en la figura: ### Losas, muros y cubiertas Los elementos estructurales planos que cubren y cierran espacios transmiten las cargas a otros elementos de las estructuras, como vigas, pilares, forjados y bases y cimientos. Según los materiales con los que están construidos y su disposición en la estructura, se distinguen losas, cubiertas y muros. #### Losas Las losas o losetas son elementos planos y delgados que cubren y cierran los espacios entre vigas y muros, transmitiendo las cargas a las vigas y pilares. Pueden ser losas macizas de hormigón armado, losas prefabricadas o losas de otros materiales. Aunque no es su función principal en la estructura, estos elementos también se usan para proporcionar resistencia al fuego y para crear cualquier tipo de aislamiento, ya sea con fines acústicos o para crear espacios estancos o separados de otros. #### Cubiertas En las cubiertas se usan planchas o láminas para cubrir y proteger los espacios interiores de un edificio, que pueden ser planas o inclinadas. Se utilizan diferentes tipos de materiales, dependiendo de las dimensiones y las cargas que deba soportar la estructura. Estos materiales son planchas de acero, madera, hormigón, vidrio o materiales especiales, como plásticos resistentes. Los elementos de una cubierta deben resistir las cargas dinámicas, como el viento, y estáticas, como la nieve, y otros factores climáticos y generalmente variables. Su dimensionamiento, junto con las vigas y las cerchas de este tipo de estructuras, debe estar cuidadosamente calculado para resistir los factores anteriormente citados. #### Muros Los muros son elementos verticales estructurales que se utilizan para separar espacios y soportar cargas verticales y laterales. Pueden ser muros de carga o portantes, que llevan las cargas verticales de la estructura, o muros de contención, que resisten las fuerzas horizontales del suelo o el agua. Los materiales utilizados suelen ser hormigón armado, mampostería, acero u otros materiales compuestos que mejoren aspectos como la eficiencia energética o el aislamiento. ### Arcos Los arcos son elementos formados por dos pilares y una pieza directriz de forma curvada que soportan el peso de la estructura. En ellos, la carga se reparte hacia los lados mediante una fuerza denominada empuje, logrando que puedan soportar grandes cargas a pesar de estar hueco el espacio bajo el arco. ### Losas prefabricadas de hormigón La construcción con losas prefabricadas de hormigón tiene la ventaja del ahorro de costes de construcción, por su fácil instalación. Por ello, cada vez se usan más, tanto en grandes construcciones como en viviendas. ### Estructura de cubierta Las infraestructuras de cubiertas deben soportar los elementos meteorológicos extremos o inusuales, ya que su uso suele estar destinado a albergar personas. ### Tensores Los tirantes o tensores son cables inextensibles que sujetan a otros elementos estructurales para aumentar la estabilidad y la resistencia de las estructuras. Están sometidos a esfuerzos de tracción y no deben tener elasticidad, o esta debe ser muy baja. Los tensores son elementos que soportan el peso colgante de una estructura, transmitiendo el esfuerzo a vigas, columnas o losas. Se usan para sujetar vigas en puentes o grúas, aligerando el peso de las estructuras. También se usan para aumentar la estabilidad en estructuras con elementos verticales, como antenas de televisión o mástiles. Los tirantes aportan rigidez a las estructuras soportando esfuerzos de tracción y, en ocasiones, también de compresión. Pueden ser elementos rígidos en lugar de cables, como barras que refuerzan la unión entre una viga y una columna. Según sea la tensión a la que están sometidos, se distinguen tirantes activos y pasivos: - **Tirantes activos:** la tensión está presente desde el momento de su instalación en la estructura y son fundamentales para mantener su estabilidad. - **Tirantes pasivos:** la tensión se produce por una reacción a una deformación de la estructura. En estructuras ligeras, se usan tirantes realizados con textiles trenzados o cables simples. En las grandes estructuras, sin embargo, se usan cordones de acero trenzados; incluso se pueden trenzar varios cordones ya trenzados, para aumentar su resistencia. Además, pueden estar protegidos por tubos de acero. También existen tirantes de cadena, formados por eslabones de acero. En todos ellos, el punto de unión tanto con la estructura como con el anclaje o soporte debe ser capaz de soportar la tensión a la que se va a ver sometido el elemento. ### Arcos y bóvedas Las dovelas son los elementos que forman la parte curva del arco. Están sometidas a esfuerzos de compresión, fundamentalmente, y transmiten el empuje horizontal hacia el exterior en los puntos de apoyo, tratando de separar dichos puntos. Por ello, los arcos se suelen adosar a otros arcos (como en un acueducto) o a muros o contrafuertes con masa suficiente para contrarrestar dichas fuerzas. Los arcos pueden formar bóvedas (varios arcos paralelos) y cúpulas (arcos colocados en círculo). A lo largo de la historia, los arcos han sido uno de los elementos más utilizados y más importantes en las estructuras, y su estudio y evolución ha sido uno de los aspectos más importantes de la arquitectura. Los acueductos romanos, las cúpulas de las catedrales y los túneles y grandes viaductos son ejemplos de estructuras basadas en arcos. ### Estructuras abovedadas El elemento principal de este tipo de estructuras es el arco y, por extensión de este, la bóveda y la cúpula. Su uso ha sido la base de la construcción de edificios y estructuras muy altas y con espacios huecos. Al estar formadas por arcos, el peso y los esfuerzos se distribuyen entre sus elementos y, por ello, se pueden emplear en su construcción materiales como bloques de piedra o de hormigón. Las estructuras abovedadas soportan grandes esfuerzos de compresión, por lo que son el elemento principal de los túneles y se usan desde la Antigüedad en acueductos, puentes y edificios. Algunas estructuras famosas son el acueducto de Segovia, y el coliseo y el panteón de Agripa en Roma. ### Estructuras geodésicas Las estructuras o cúpulas geodésicas están formadas por una esfera geodésica generada a partir de sólidos platónicos, generalmente icosaedros o dodecaedros. Los polígonos están formados por barras y sus vértices se sitúan en la superficie de la esfera. Este tipo de estructuras permite cubrir grandes espacios sin necesidad de columnas o cables, con un reducido aporte de material y de forma rápida, debido a que generalmente son de construcción modular, lo que permite un ahorro en los costes. Su construcción se generalizó a mediados del siglo xx, a partir de que el arquitecto Buckminster Fuller sistematizase el diseño y el cálculo de cúpulas geodésicas. Desde entonces, se usan en diversos tipos de construcciones, como invernaderos, planetarios, pabellones e incluso viviendas. ### Estructuras colgantes o suspendidas Las estructuras colgantes están formadas por cables, tirantes o tensores que sujetan el resto de la estructura. Estos elementos deben estar sujetos mediante anclajes a los soportes. Los cables o tensores están sometidos a esfuerzos de tracción muy fuertes, por lo que las uniones deben ser muy seguras y estables. Este tipo de estructuras se denominan estructuras de carga dinámica, ya que deben soportar fuerzas que cambian constantemente. Por una parte, deben resistir y absorber las vibraciones y movimientos oscilatorios de fuerzas variables, como el viento o el tráfico. Por otra parte, deben resistir las cargas estáticas, como su propio peso. Los materiales de los cables van desde cuerdas y alambres, para estructuras pequeñas como tiendas de campaña o antenas de televisión, hasta gruesos cables de acero trenzado en los puentes colgantes. Una de las estructuras colgantes más famosas es el puente Golden Gate, en San Francisco, pero los puentes y pasarelas colgantes se construyen desde la Antigüedad con materiales como cuerdas y madera. ### Estructuras laminares, de cáscara o de membrana Las estructuras laminares, de cáscara o de membrana están formadas por superficies planas en forma de chapas o láminas que recubren el resto de los elementos. Su función es la de actuar de carcasa para dar forma y proteger los elementos que contienen. Su forma es indefinida, generalmente redondeada, por lo que ofrecen gran resistencia pese a tener poco espesor, ya que las cargas se distribuyen a lo largo de la superficie. Las láminas, las planchas o las chapas están formadas por materiales metálicos, plásticos o compuestos. Se denominan estructuras de cáscara aquellas destinadas a cubrir grandes espacios sin necesidad de soportes intermedios. Se encuentran en los depósitos de agua, en la carrocería de los coches, en el casco de los barcos o en las cúpulas geodésicas. Las estructuras compuestas por superficies ligeras y flexibles tensadas se denominan estructuras de membrana. Se encuentran en toldos, cúpulas y cubiertas que requieren grandes áreas de cobertura con pocos apoyos. Se basan en la transmisión de fuerzas de tensión y compresión en el plano que forma la estructura. Este tipo de estructuras se encuentran en cubiertas de edificios, cascos de motorista, carcasas de equipos electrónicos, embalajes, botellas y envases. ### Estructuras neumáticas Las estructuras neumáticas son un tipo de estructura laminar formada por una membrana de material compuesto capaz de soportar los esfuerzos de tracción generados por el aire comprimido contenido en su interior, que la hace resistente a esfuerzos exteriores. Son estructuras ligeras, de fácil montaje y desmontaje, y suelen ser transportables. Por ello, son adecuadas para instalaciones de emergencia y de carácter temporal, como el alojamiento de personas ante una catástrofe natural o el almacenaje de mercancías por escasez de espacio. No obstante, se dañan con facilidad y necesitan de soportes para sujetarse. Su durabilidad también es menor, debido a su exposición a agentes externos. Para mantener la estructura correctamente es necesario un compresor para inyectar el aire comprimido a la presión adecuada. Los materiales plásticos con los que están hechas son resistentes y soportan cargas dinámicas y condiciones climatológicas desfavorables. Se emplean en embarcaciones ligeras, atracciones infantiles y neumáticos de vehículos. ### Estructuras abovedadas El elemento principal de este tipo de estructuras es el arco y, por extensión de este, la bóveda y la cúpula. Su uso ha sido la base de la construcción de edificios y estructuras muy altas y con espacios huecos. Al estar formadas por arcos, el peso y los esfuerzos se distribuyen entre sus elementos y, por ello, se pueden emplear en su construcción materiales como bloques de piedra o de hormigón. Las estructuras abovedadas soportan grandes esfuerzos de compresión, por lo que son el elemento principal de los túneles y se usan desde la Antigüedad en acueductos, puentes y edificios. Algunas estructuras famosas son el acueducto de Segovia, y el coliseo y el panteón de Agripa en Roma. ### Estructuras geodésicas Las estructuras o cúpulas geodésicas están formadas por una esfera geodésica generada a partir de sólidos platónicos, generalmente icosaedros o dodecaedros. Los polígonos están formados por barras y sus vértices se sitúan en la superficie de la esfera. Este tipo de estructuras permite cubrir grandes espacios sin necesidad de columnas o cables, con un reducido aporte de material y de forma rápida, debido a que generalmente son de construcción modular, lo que permite un ahorro en los costes. Su construcción se generalizó a mediados del siglo xx, a partir de que el arquitecto Buckminster Fuller sistematizase el diseño y el cálculo de cúpulas geodésicas. Desde entonces, se usan en diversos tipos de construcciones, como invernaderos, planetarios, pabellones e incluso viviendas. ### Estructuras tensegríticas Se trata de estructuras formadas por barras rígidas, sometidas a esfuerzos de compresión, que no se tocan entre sí y están unidas por cables o tensores, sometidos a esfuerzos de tracción, que componen una forma estable por sí misma. El término original tensegrity proviene de la contracción de tensional e integrity (integridad tensional). Inicialmente, se empleó en estructuras de uso escultural, aunque poco a poco se han introducido en la construcción. En general, las estructuras tensegríticas requieren menos peso propio que otros tipos; también necesitan menos material y su transporte por piezas es sencillo. Por tanto, son estructuras sostenibles desde muchos puntos de vista. Sus características son: - No necesitan de elementos exteriores para mantener su forma, ya que están en autoequilibrio. - Su resistencia es proporcional a la tensión de sus elementos. - La discontinuidad de los elementos a compresión evita la aparición de esfuerzos de torsión en la estructura. ## Tipos de estructuras Dependiendo de los elementos que componen una estructura y la disposición de estos, se distinguen varios tipos de estructuras. Cada tipo de estructura soporta mejor determinado tipo de cargas exteriores y, por ello, es más adecuada para una función específica. No obstante, en todas ellas están presentes distintos esfuerzos y en todo momento deben garantizar las condiciones de una estructura: resistencia, estabilidad y rigidez. Las estructuras reales son complejas y, en ocasiones, se podrían incluir en más de un grupo. La clasificación que se presenta a continuación se realiza atendiendo a los principales elementos estructurales presentes en cada una de ellas. ### Estructuras masivas Las estructuras masivas están formadas por grandes bloques de rocas, hormigón o conglomerados. Estos materiales se apilan sin huecos; por ello, estas estructuras son muy pesadas y macizas y, por tanto, resistentes y muy estables. La continuidad de los elementos que forman la estructura conforma un todo que se opone a grandes esfuerzos, generalmente de compresión. Las grandes construcciones que tienen que soportar unas cargas muy elevadas y constantes, como las presas hidráulicas, son un ejemplo de estas estructuras. Desde la Antigüedad, los grandes bloques de piedra se han utilizado en las construcciones megalíticas, como las pirámides. ### Estructuras entramadas, reticuladas o de armazón Las estructuras entramadas están formadas por una combinación de elementos lineales, verticales y horizontales, que se combinan formando una trama. Los elementos estructurales pueden ser vigas, columnas, barras o perfiles. La trama formada se denomina pórtico y se une a otros pórticos formando estructuras volumétricas. Estas estructuras son muy eficientes en cuanto a resistencia y disminución del peso, ya que las cargas se distribuyen a través de sus elementos. El ejemplo más común de este tipo de estructura son los edificios y, en su máxima expresión, los rascacielos. En todos ellos, la combinación de vigas, columnas, cimientos y forjados es el elemento fundamental de la estructura. Como ya se ha descrito, los materiales de construcción de la estructura son diversos, desde acero y hormigón armado, hasta madera y aleaciones de aluminio. ### Estructuras trianguladas Las estructuras trianguladas están constituidas por barras entrecruzadas dispuestas en forma de triángulos. Debido a la gran estabilidad que aporta la triangulación, este procedimiento permite construir estructuras ligeras y muy estables. Los elementos estructurales son barras, y los materiales suelen ser madera o metal. Como ya se ha expuesto en el apartado anterior, cualquier polígono se puede triangular para aumentar la estabilidad de una estructura con poco aporte de material y, por tanto, con un incremento poco significativo de su peso. Se adaptan a multitud de espacios y formas, puesto que se extienden en forma de redes planas o tridimensionales. Las torres del tendido eléctrico, las grúas o las norias tienen este tipo de estructura. La estructura entramada más famosa es la torre Eiffel. ### Estructuras colgantes o suspendidas Las estructuras colgantes están formadas por cables, tirantes o tensores que sujetan el resto de la estructura. Estos elementos deben estar sujetos mediante anclajes a los soportes. Los cables o tensores están sometidos a esfuerzos de tracción muy fuertas, por lo que las uniones deben ser muy seguras y estables. Este tipo de estructuras se denominan estructuras de carga dinámica