Puede definirse, en general, una estructura como:
..."Conjunto de elementos resistentes capaz de mantener sus formas y cualidades a lo largo del tiempo, bajo la acción de las cargas y agentes exteriores a que ha de estar sometido"...
La estructura soporta las cargas exteriores (acciones y reacciones), las cuales reparten su efecto por los diferentes elementos estructurales que resultan sometidos a diferentes esfuerzos, los cuales inducen un estado tensional, que es absorbido por el material que la constituye.
Las estructuras son de diferentes tipos:
Elementos lineales sencillos (vigas y pilares)
Estructuras de barras
Estructuras articuladas
Estructuras reticuladas
Estructuras laminares
Continuos tridimensionales
Estructuras articuladas
Estructuras reticuladas
Estructuras laminares
Continuos tridimensionales
LA INGENIERÍA ESTRUCTURAL
Se conoce como Ingeniería Estructural el área o disciplina de la ingeniería que incluye el conjunto de conocimientos científico-técnicos necesarios en las fases del proceso de concepción, diseño y fabricación de los sistemas estructurales que son necesarios para soportar las actividades humanas. Este proceso se desglosa en fases consecutivas que son las siguientes:
Fase 1: Concepción.- Fase inicial que parte de una especificación de requisitos y que requiere imaginación creativa y juicio ingenieril para plantear alternativas y seleccionar una solución.
Fase 2: Análisis.- Fase que incluye las actividades conducentes a ratificar la adecuación de la estructura a su objetivo de soportar unas cargas dadas en unas condiciones predefinidas. En esta fase se precisa determinar (mediante cálculos que se basan en técnicas y métodos específicos) la respuesta de la estructura a cargas o acciones predefinidas; esta respuesta se mide,usualmente, estableciendo los esfuerzos en los elementos de la estructura y los desplazamientos en sus puntos más representativos.
Fase 3: Diseño.- Dimensionamiento detallado de los elementos estructurales en base a los esfuerzos que han de soportar y los materiales de que están compuestos.
Fase 4: Construcción o fabricación.- Fase final en la que se realiza la estructura
Aunque puede parecer que está más directamente asociada con la ingeniería civil, tiene una fuerte relación con todas aquellas especialidades de ingeniería que requieren un sistema estructural o componente para alcanzar sus objetivos. Son ejemplos de proyectos que requieren el uso de los métodos y técnicas de la ingeniería estructural los proyectos de estructuras de vehículos, componentes de máquinas, estructuras civiles, plantas industriales, medios de transporte, almacenamientos de gases o de líquidos, mecanismos de transmisión, estaciones de generación de potencia, plantas de tratamiento de aguas, naves y plantas industriales,...
La evolución de la Ingeniería Estructural está asociada a la evolución de la Mecánica de Materiales y del Análisis Estructural, al desarrollo de técnicas computacionales, a la introducción de nuevos materiales constructivos, a la creación de nuevas formas estructurales y al desarrollo de las técnicas constructivas.
LA MECÁNICA ESTRUCTURAL.-
La base teórica de la Ingeniería Estructural es la Mecánica Estructural que tiene por objeto la investigación de las mejores formas y dimensiones que se han de dar a los elementos de una construcción para permitirle resistir a las acciones que la solicitan así como para obtener el resultado de la manera más económica posible.
La Mecánica Estructural es una teoría de los cuerpos deformables que se aplica, sobre todo, a las estructuras y cuyo carácter técnico contrasta con el carácter matemático de la Mecánica de Sólidos (de la que constituye una rama especialmente sencilla) o, más generalmente, de los Mecánica de los Medios Continuos. En lugar de exigir un razonamiento matemático rigurosamente complejo, la Mecánica Estructural admite hipótesis simplificadoras, razonables y plausibles, verificables por la experiencia; gracias a estas simplificaciones se pueden resolver eficazmente, con un grado de aproximación suficiente, un gran número de problemas de interés práctico.
Aunque utiliza en sus planteamientos todas las nociones de la Estática, puede decirse que las que utiliza de forma constante son las nociones de equilibrio, de reducción de sistemas de fuerzas y de seccionamiento de sólidos. Esquemáticamente, una estructura puede ser analizada planteando, solamente, tres conjuntos de ecuaciones:
a) las ecuaciones de la estática, que aseguran el equilibrio de la estructura y de cualquiera de sus partes,
b) las ecuaciones geométricas que aseguran que todas las partes de la estructura permanecen juntas antes y después de la deformación, y
c) las ecuaciones en las que, utilizando las propiedades del material, se establece la relación entre las deformaciones en los elementos de la estructura y las cargas aplicadas.
El comportamiento de un elemento constructivo no depende solamente de las leyes fundamentales de la estática, tales como el equilibrio de fuerzas, sino también de las propiedades físicas que caracterizan los materiales con los cuales aquellos se construyen. Estas propiedades recogen la manera con la que los materiales resisten y se deforman ante diversas solicitaciones (tracción, flexión,...) aplicadas en diversas condiciones (rápidamente, lentamente, en frío, en caliente,...).
Las propiedades físicas de los materiales (cuyos conocimientos detallados y determinación experimental son objeto de la Mecánica de los Materiales), son una de las componentes esenciales de la Mecánica Estructural.
Los problemas de Mecánica Estructural se presentan bajo dos aspectos diferentes, a saber: "conocidas las fuerzas actuantes, las dimensiones y los materiales, obtener las fuerzas internas (esfuerzos) en los elementos estructurales y verificar su adecuación" o, también, "conocidas las fuerzas actuantes, dimensionar la estructura a fin de que los esfuerzos o los desplazamientos no sobrepasen ciertos límites prefijados".
Las propiedades físicas de los materiales (cuyos conocimientos detallados y determinación experimental son objeto de la Mecánica de los Materiales), son una de las componentes esenciales de la Mecánica Estructural.
Los problemas de Mecánica Estructural se presentan bajo dos aspectos diferentes, a saber: "conocidas las fuerzas actuantes, las dimensiones y los materiales, obtener las fuerzas internas (esfuerzos) en los elementos estructurales y verificar su adecuación" o, también, "conocidas las fuerzas actuantes, dimensionar la estructura a fin de que los esfuerzos o los desplazamientos no sobrepasen ciertos límites prefijados".
La Mecánica Estructural es por excelencia una ciencia de los ingenieros: su carácter aproximado requiere la intervención intensiva del juicio ingenieril para llegar a resultados numéricos con un valor práctico suficientemente satisfactorio. Es una disciplina de enorme interés en todas las ramas de la ingeniería: civil (puentes, edificios,...), industriales (naves,...), mecánica (máquinas, tuberías,...), aeronáutica (fuselajes, aviones,...), química (tanques, conducciones,...), naval (navíos, submarinos,...), minas (galerías, encofrados,...),...
EL INGENIERO Y LAS ESTRUCTURAS.-
La deducción, a partir de un conjunto de cargas o fuerzas exteriores y de las características mecánicas del material, de los estados de solicitación de los elementos estructurales, es el objetivo inmediato de las técnicas de análisis de la Ingeniería Estructural. El Ingeniero que se enfrenta al diseño de una estructura, sea ésta un simple entramado plano de piezas prismáticas o sea una estructura tridimensional de formas complejas, debe, naturalmente, conocer las técnicas analíticas asociadas a los necesarios cálculos. Estas técnicas habrán de ser utilizadas en el contexto de normativa cuya aplicación garantizará la estandarización de los métodos, el control de los resultados, la repetitividad de los cálculos,... El conocimiento de esta normativa y de su razón de ser y aplicabilidad debe ser simultáneo al estudio de los métodos y técnicas aplicables al cálculo de estructuras.
La deducción, a partir de un conjunto de cargas o fuerzas exteriores y de las características mecánicas del material, de los estados de solicitación de los elementos estructurales, es el objetivo inmediato de las técnicas de análisis de la Ingeniería Estructural. El Ingeniero que se enfrenta al diseño de una estructura, sea ésta un simple entramado plano de piezas prismáticas o sea una estructura tridimensional de formas complejas, debe, naturalmente, conocer las técnicas analíticas asociadas a los necesarios cálculos. Estas técnicas habrán de ser utilizadas en el contexto de normativa cuya aplicación garantizará la estandarización de los métodos, el control de los resultados, la repetitividad de los cálculos,... El conocimiento de esta normativa y de su razón de ser y aplicabilidad debe ser simultáneo al estudio de los métodos y técnicas aplicables al cálculo de estructuras.
Pero el cálculo de estructuras no es, en si mismo, más que una herramienta que se utiliza para prever si las formas y dimensiones de una construcción son aptas para soportar las cargas de trabajo. El Ingeniero que se enfrenta al diseño de una estructura, debe ir más allá que a la simple aplicación (probablemente en la mayoría de las casos auxiliado por un ordenador que hará esta tarea más sencilla) de los métodos y técnicas del análisis estructural; debe, a nuestro criterio, conocer la razón de ser de la morfología de la estructura y las causas profundas de su comportamiento.
Las estructuras no se construyen solamente para que resistan, sean estables, mantengan sus formas, soporten la agresión del medio, tengan un aspecto estético,...; se construyen, también, para que cumplan unas determinadas finalidades o funciones (soporte, aislamiento, contención, transmisión de esfuerzos,...) cuya consecución en el tiempo es lo que condiciona, generalmente, su tipología y las características exigibles a su comportamiento; el conocimiento y comprensión de estas funciones es imprescindible en el proceso de diseño y cálculo de una estructura. Con la toma en consideración de estos factores (probablemente con énfasis diferentes de un caso a otro) así como de los posibles condicionantes o limitaciones (comportamiento del material disponible, técnica constructiva, costo,...) ha de comenzar el proceso de planteamiento del problema que trata de resolver el Ingeniero.
“Vano sería el empeño de quién pretendiese dar con la atinada traza de una estructura, sin haber asimilado, hasta la médula de sus huesos, los principios tensionales que rigen todos sus fenómenos resistentes; tan vano como el de un médico que se pusiese a recetar y ordenar el tratamiento de sus enfermos sin conocer la fisiología del organismo humano.
No basta haber estudiado las teorías resistentes y los procesos de desarrollo de sus cálculos; es necesario haber meditado y experimentado sobre todo ello hasta sentir como algo propio, natural y congénito, sus fenómenos de tensión y deformación, para intuir de golpe cómo va a trabajar la estructura y cual sería su forma de rotura, para que aparezca a sus ojos todo eso con la misma claridad y convicción con que prevé la caída de una piedra en el espacio o en el impulso ineluctable que empuja la flecha al salir del arco de la ballesta”
Por
EDUARDO TORROJA MIRET
