Este documento describe los elementos fundamentales de una estructura, incluyendo sistemas de cargas, elementos geométricos y apoyos. Explica que las cargas pueden clasificarse según su ubicación, origen, concentración y continuidad. También describe elementos estructurales comunes como vigas, cables, arcos y estructuras superficiales. Finalmente, cubre diferentes tipos de apoyos como juntas simples, de rodillo y conexiones rígidas o articuladas.

1. Universidad Anáhuac del Mayab
Estructuras Isostáticas
Gabriel Vargas Marín
Elementos Estructurales
Elías Ernesto Balcázar Puente
22 de enero de 2013

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Elementos Estructurales
Introducción.
Se define como estructura a un sistema de partes conectadas que soporta una carga.
En el diseño de una estructura se toma en cuenta la seguridad, estética y facilidad de
mantenimiento, tomando en cuenta las limitantes ambientales o económicas que se
puedan presentar. Una vez diseñada, la estructura debe ser analizada para asegurarse
de que cuente con rigidez necesaria. En este análisis, la teoría establecida propone
crear las llamadas “estructuras ideales” en las que se idealizan las propiedades de las
cargas, los apoyos y los sistemas de soporte. Para este análisis, se divide a un sistema
estructural en tres componentes: cargas, geométricos y apoyos.
Sistemas de Cargas o fuerzas.
La anticipación de las cargas a las que estará sometida una estructura suele
proporcionar la clase de estructura, diseño, componentes, etc. Para analizar los
sistemas de cargas se debe de proceder en orden secuencial, es decir, por el orden en
el que las cargas se transmiten a través de la estructura hasta el sistema de apoyo. En
el cálculo de estas fuerzas se debe tomar en cuenta los códigos de construcción y de
diseño de cada región, los que dan los lineamientos mínimos constructivos y las
normas reales y detalladas, respectivamente.
Las cargas varían por su ubicación relativa, por su origen, por su concentración y por
su continuidad.
Por su ubicación relativa a la primera aplicación se pueden clasificar en vivas o
muertas. El termino ubicación relativa se refiere a la ubicación que ocupan en relación
a la ubicación en la que fueron aplicadas en un principio. Las cargas vivas son las que
varían tanto en ubicación como en fuerza. Pueden ser provocadas por mobiliario,
personas y en general cualquier clase de objeto o fuerza que se coloca sobre una
estructura de manera efímera. Las cargas mínimas pueden considerarse a partir de su
efecto en la estructura. La importancia de estas cargas recae en que se debe tener en
cuenta que un exceso en estas cargas puede conllevar una deformación permanente y
excesiva o repentina, lo que podría tener consecuencias terribles, especialmente en
estructuras altas que están sometidas a un sistema complejo de fuerzas.
Se les llama cargas muertas a los pesos de elementos estructurales y elementos que
están adosados de manera permanente a la estructura. Elementos estructurales de
diseño como trabes, vigas, muros, etc. se consideran como cargas muertas sobre la
estructura misma. Es por esto que es importante que al diseñar la estructura y las
cargas a las que serán sometidas se calcule una carga que incluya el peso propio de
los componentes diseñados. Estos pesos dependen de los materiales con los que se
construya la misma estructura, por ejemplo, el concreto con sus diferentes niveles de
capacidad de carga y peso, conforman parte importante del diseño estructural, por lo
que el cálculo de sus pesos muertos está ya bastante estudiado. También se consideran
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como carga muerta los pesos de las partes de una estructura que conforman las
instalaciones eléctricas, hidráulicas, etc.
Con respecto a su origen, las cargas se pueden diferenciar como naturales o humanas.
Es decir, las cargas pueden considerarse como de causas de la naturaleza, o
accidentales, y como cargas inferidas por el uso mismo de la actividad. Las cargas
causadas por el uso de la estructura pueden a su vez clasificarse en puntuales o
uniformes. Las cargas puntuales, aunque teóricas, se definen como las cargas que se
aplican en un punto o locación especifica dentro de la estructura y que se diferencia
en consideración a los demás puntos en la estructura, mientras que las uniformes se
distribuyen en un área mayor, lo que proporciona un decremento la presión sobre los
elementos estructurales. Un ejemplo de una carga puntual son las cargas de impacto,
como las de aparatos de ejercicio en un gimnasio, que al terminar de ser usados se
dejan caer sobre el sistema de entrepiso de la estructura.
Dentro de las cargas producto de la naturaleza se encuentran las cargas por acción del
viento, por acción de sismos, por nieve, etc. En una estructura que no tiene un sistema
de losa con un desagüe apropiado, se puede presentar inclusive cargas por lluvia. Las
cargas del viento producen una fuerza horizontal en dirección del viento que somete
al edificio a cargas para las que muchas veces no está diseñado. Asi mismo, las cargas
por sismo se tratan de fuerzas de desplazamiento horizontal que son forzadas por el
movimiento de los sistemas de apoyo estructurales.
Elementos Geométricos
Los elementos geométricos son importantes para poder conocer a que clase de
cargas se pueden someter las diferentes secciones de las estructuras.
Dependiendo de las componentes geométricas se puede determinar la función de
las diferentes partes de las estructuras.
Las armaduras son elementos que permiten un amplio claro, cuyo peralte y
profundidad no afecten en la funcionalidad final. Se dividen en dos, las planas
que sirven para elementos de construcción como naves industriales, graneros,
puentes, etc. y son generalmente triangulares; y las espaciales, que son
elementos tridimensionales que son de amplio uso en grúas, torres, postes, etc.
Su disposición geométrica les permite diseñarse con elementos largos y delgados
que pueden ser acomodados con gran diversidad de combinaciones,
distribuyendo sus cargas en tensión y compresión.
Las vigas son elementos rectos horizontales que se usan para soportar cargas
verticales, se pueden colocar en voladizo, fijos, empotrados o con apoyo
continuo. Las vigas pueden diseñarse con gran variedad de secciones
transversales y de materiales de construcción. Son elementos que trabajan muy
bien a compresión y por lo regular se les agregan ciertos soportes para cortante
y momentos, así como de tensión. Cuando a una viga se le agregan columnas, se
genera un marco que pueden estar conectados de manera rígida o flexible, que
son analizados desde el punto de vista de sus interacciones entre los elementos.

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Los cables presentan una ventaja sobre los elementos rígidos de soporte ya que
por su estado constante de tensión, es improbable que se presente un colapso o
inestabilidad. Sobre los marcos presenta la ventaja de que es ampliamente más
sencilla su colocación, ya que no depende de un peralte o profundidad para la
amplitud de su claro, mientras que solo dependen de su peso, colgamiento y
anclaje. Así mismo, los arcos se someten en compresión con una curvatura
inversa a la del cable, pero a diferencia del cable, los arcos son rígidos para
mantener su forma, lo que les da una cortante y un momento que es considerado
en su diseño.
Las estructuras superficiales son materiales en las que sus dimensiones
presentan una diferencia remarcada en comparación con su espesor. Cuando se
trata de una membrana flexible que puede adoptar diferentes formas mientras
aguanta cargas por tensión, se le da el nombre de tenso estructura. Si presenta
rigidez, estas estructuras pueden recibir el nombre de cascarones o placas. Son
estructuras sumamente complejas, ya que actúan con una distribución de carga
muy delicada, funcionando cada una de las capas como un conjunto.
Apoyos
Los apoyos como elemento de un sistema estructural consisten en los
mecanismos que sirven para la transmisión de cargas hacia la tierra. Estos
apoyos pueden ser rígidos o flexibles, aunque por lo general siempre existe
cierto grado de libertad.
Las juntas de apoyo simple se basan en el peso propio y el coeficiente de fricción
entre los dos materiales en el sistema. Este tipo de conexión tiene la deficiencia
de tener una vulnerabilidad incrementada hacia cargas o desplazamientos por
sismos, o inclusive por desplazamientos debido a excavaciones o cargas de suelo
en edificios aledaños.
El apoyo de rodillo permite desplazamientos en una dirección, generalmente
horizontal, mientras que el peso restringe los movimientos en dirección
contraria a ese dirección de libertad. Estos apoyos son especialmente útiles en
tramos de puentes o carreteras, que permiten su dilatación térmica e inclusive
un desplazamiento excesivo debido a carga excedente.
Las conexiones rígidas o articuladas difieren en la cantidad de elementos de
sujeción que emplean para apoyarse. Siendo que las rígidas tienen mayor
número de elementos de puntos de sujeción, también cuenta con refuerzos
internos que le permiten restringir aún más el movimiento. Cabe destacar que en
algunos tipos de estructuras, el mismo material no permite que se diseñen
conexiones rígidas, como es el caso de la madera.
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