Determinar la deformada, es fundamental para garantizar las zonas mas comprometidas de las piezas y como actúan ante los diferentes esfuerzos.
200 – Conceptos de cortante, tracción y momento en estructuras
El comportamiento estructural bajo diversas fuerzas es fundamental para garantizar la estabilidad y seguridad de cualquier diseño. El efecto cortante se produce cuando fuerzas opuestas actúan sobre una viga, generando un esfuerzo que «corta» la estructura en puntos críticos. Este fenómeno es común cuando el peso de la carga y las reacciones de los apoyos generan fuerzas opuestas que actúan en la misma línea.
La relación entre tracción y momento se manifiesta en estructuras como pórticos y vigas. El momento es generado por la imposición al giro y es directamente proporcional a la fuerza aplicada y la distancia desde el punto de apoyo. En áreas donde hay mayor tracción el momento es más significativo, incrementando la posibilidad de fallas si la estructura no está adecuadamente diseñada para resistir estos esfuerzos.
Por último, el axil se refiere a la fuerza que actúa a lo largo del eje de la estructura. Estas fuerzas pueden comprimir o estirar los elementos estructurales, afectando su comportamiento general y su capacidad para soportar cargas.
Puntos claves:
- Cortante: Fuerzas opuestas en una estructura generan esfuerzos cortantes que pueden «cortar» la viga en puntos críticos.
- Relación entre tracción y momento: Mayor tracción en una zona aumenta el momento y la probabilidad de fallos estructurales.
- Momento en vigas: Las vigas, tanto simples como con ménsulas, presentan zonas críticas de tracción donde el momento es más alto.
- Axil: Las fuerzas axiales comprimen o estiran los elementos estructurales, afectando su capacidad de resistencia.
201 – Modelos de deformadas básicas y bielas en estructuras
El análisis de las deformaciones estructurales es esencial para entender cómo las piezas responden a diferentes fuerzas. Existen cinco modelos básicos de deformaciones que abarcan el comportamiento de cables, pilares, vigas (con y sin ménsula), vigas sometidas a fuerzas en ménsulas, y pórticos con vínculo triple. Estos modelos permiten predecir el comportamiento global de los sistemas estructurales bajo carga, proporcionando una base sólida para su diseño y análisis.
Las bielas, por su parte, son elementos estructurales que trabajan tanto a compresión como a tracción, a diferencia de cables que solo trabajan a tracción y pilares que solo trabajan a compresión. La capacidad de las bielas para adaptarse a ambos tipos de esfuerzos las convierte en componentes clave dentro de sistemas más complejos.
Tanto los pórticos como los reticulados pueden descomponerse en estos modelos básicos de deformación. En el caso de los reticulados, su comportamiento global puede entenderse al analizar cada barra individualmente como si trabajara como un cable o una columna, dependiendo de si está sometida a tracción o compresión.
Puntos claves:
- Modelos de deformadas básicas: Cinco modelos clave (cables, pilares, vigas, y pórticos con vínculo triple) permiten comprender cómo se deforman las estructuras bajo carga.
- Bielas: Elementos que trabajan tanto a compresión como a tracción, a diferencia de cables (tracción) y pilares (compresión).
- Descomposición de estructuras complejas: Pórticos y reticulados pueden analizarse como combinaciones de estos elementos más simples.
- Reticulados y cerchas: Comportan como vigas o pórticos de vínculo triple, con barras individuales que funcionan como cables o columnas según su esfuerzo.
202 – Comportamiento del cable en estructuras: Tracción y deformación
El cable es un elemento estructural cuya característica principal es que solo trabaja a tracción, lo que significa que su resistencia se activa cuando una fuerza se aplica a lo largo de su eje. Cuando se aplica una fuerza, el cable se estira, un fenómeno conocido como elongación. Este estiramiento, es una medida clave para evaluar el comportamiento del cable bajo carga.
A diferencia de otros elementos estructurales como pilares o vigas, el cable no puede soportar compresión ni fuerzas distintas al dirección de su eje. Su simplicidad en cuanto a funcionamiento lo convierte en un componente fundamental en sistemas estructurales donde se requiere la transmisión eficiente de fuerzas a larga distancia, como puentes colgantes o tensoestructuras.
El conocimiento del comportamiento de los cables es crucial en el diseño de estructuras ligeras y flexibles, ya que permite predecir cómo responderán ante cargas y garantizar su estabilidad y resistencia a largo plazo.
Puntos claves:
- Dirección de la fuerza: El cable solo soporta fuerzas aplicadas en la dirección de su eje.
- Tracción: El cable trabaja exclusivamente a tracción, lo que significa que se estira al ser sometido a una fuerza.
- Elongación: El estiramiento del cable es un indicador clave del comportamiento del cable.
- Uso en estructuras: Los cables son esenciales en estructuras que requieren transmitir fuerzas a largas distancias sin resistir compresión.
203 – Comportamiento de los pilares y el fenómeno del pandeo
Los pilares son elementos estructurales que trabajan a compresión, ya que las fuerzas se aplican en la dirección de su eje y, como resultado, estos se comprimen. Cuando un pilar soporta una carga que excede su capacidad de resistencia, puede fallar de diversas maneras, como romperse por cortante, deformarse por compresión o sufrir pandeo. El pandeo es un fenómeno crítico que ocurre cuando el pilar se curva, especialmente en su eje más débil, bajo una carga compresiva.
El pandeo suele manifestarse en la dirección del eje con menor inercia, lo que significa menor resistencia a la curvatura. Por ejemplo, en un pilar cuyo eje Y tiene más inercia que el eje X, el pandeo será más probable en el eje X. La inercia se entiende como la resistencia de una sección a curvarse bajo una carga, por lo que cuanto mayor sea la inercia, menores serán las probabilidades de sufrir pandeo.
La comprensión del comportamiento de los pilares bajo compresión y pandeo es fundamental en el diseño estructural, ya que permite prever y evitar fallos en estructuras sometidas a cargas importantes. Aumentar la inercia del pilar es una estrategia eficaz para reducir el riesgo de pandeo y mejorar su estabilidad.
Puntos claves:
- Compresión en pilares: Los pilares soportan fuerzas aplicadas en la dirección de su eje, trabajando exclusivamente a compresión.
- Posibles fallos: Si la carga supera la resistencia del pilar, este puede fallar por cortante, deformarse por compresión o sufrir pandeo.
- Pandeo: Se produce cuando el pilar se curva en la dirección de su eje más débil (menor inercia).
- Inercia estructural: Un eje con mayor inercia ofrece más resistencia a la curvatura y, por lo tanto, menor probabilidad de pandeo.
204 Comportamiento de pórticos con vínculo triple: Flexión, cortante y tracción
Los pórticos con vínculo triple son estructuras que trabajan principalmente a flexión. Cuando se aplica una fuerza sobre el pórtico, este se curva, generando un momento que se traduce en una fuerza de reacción en los apoyos, como en el punto A. Este proceso es crucial para entender cómo se distribuyen las cargas y las deformaciones en el pórtico.
El esfuerzo cortante en los pórticos se origina por la acción de las fuerzas verticales y las reacciones en los apoyos, comportándose como una tijera que corta la base en el punto A. Este fenómeno debe controlarse adecuadamente para evitar fallos en la estructura debido a esfuerzos cortantes excesivos.
A medida que el pórtico se curva, se genera compresión en un lado y tracción en el otro. Cuanto mayor es la curvatura, mayor es la tracción en las fibras del pórtico, lo que también aumenta el momento en esas zonas. Las áreas con mayor tracción son las más críticas, ya que coinciden con los mayores momentos y esfuerzos, lo que puede llevar a fallos estructurales si no se diseñan adecuadamente.
Puntos claves:
- Flexión en pórticos con vínculo triple:** La fuerza aplicada genera una curvatura, lo que induce un momento y reacciones en los apoyos.
- Esfuerzo cortante: Las fuerzas verticales y las reacciones actúan como tijeras, generando un esfuerzo cortante en la base del pórtico, especialmente en el punto A.
- Tracción y compresión: La curvatura del pórtico genera tracción y compresión en las fibras, siendo las zonas de mayor tracción las más propensas a experimentar mayores momentos.
- Áreas críticas: Las zonas con mayor tracción coinciden con los mayores momentos, haciendo que sean las áreas de mayor esfuerzo en el pórtico.
205 – Comportamiento de vigas con fuerzas entre dos apoyos: Curvatura, cortante y tracción
Cuando se aplica una fuerza sobre una viga apoyada en dos extremos, la viga se curva, generando un radio de curvatura que se manifiesta en una flecha (deflexión vertical) en el centro de la viga. Esta curvatura también provoca un ángulo en los extremos, lo que demuestra cómo la viga responde a las fuerzas aplicadas.
El esfuerzo cortante en las vigas se origina por las fuerzas verticales y las reacciones en los apoyos. Este cortante actúa como una tijera, «cortando» la viga en las zonas críticas cercanas a los apoyos, lo que puede llevar a fallos si no se controla adecuadamente.
Cuando la viga se curva, genera compresión en una parte y tracción en la otra. Cuanto mayor es la curvatura, mayor es la tracción en las fibras de la viga, lo que también incrementa el momento en esas zonas. Las áreas de mayor tracción coinciden con los mayores esfuerzos y momentos, lo que las convierte en las zonas más críticas para el diseño y análisis estructural.
Puntos claves:
- Curvatura en vigas: La fuerza aplicada genera una curvatura, creando una flecha en el centro y ángulos en los extremos.
- Esfuerzo cortante: El esfuerzo cortante actúa como tijeras, generado por las fuerzas verticales y las reacciones en los apoyos.
- Tracción y compresión: La curvatura de la viga provoca tracción en una zona y compresión en otra, siendo la tracción mayor en las zonas más curvadas.
- Momentos críticos: Las áreas de mayor tracción coinciden con los mayores momentos y esfuerzos en la viga, lo que las convierte en puntos clave a considerar en el diseño.
206 – Comportamiento de Vigas con Ménsula Bajo Fuerza Aplicada: Curvatura, Cortante y Tracción
Las vigas con ménsula presentan un comportamiento estructural particular debido a la combinación de fuerzas aplicadas tanto entre los apoyos como en la ménsula. Estas fuerzas generan una curvatura tanto en la viga como en la ménsula, produciendo dos descensos distintos. Este doble comportamiento de flexión hace que las vigas con ménsula experimenten diferentes zonas de compresión y tracción, lo que afecta el análisis y diseño de la estructura.
El esfuerzo cortante en vigas con ménsula se origina por las fuerzas verticales y las reacciones, actuando como tijeras que cortan la viga en varios puntos críticos. En el caso de fuerzas aplicadas entre los apoyos y en la ménsula, se producen hasta tres zonas de ruptura por cortante, lo que debe tenerse en cuenta para garantizar la estabilidad estructural.
La tracción y el momento en las vigas con ménsula varían según la ubicación de las fuerzas. Cuando las fuerzas se aplican entre los apoyos y en la ménsula, se generan múltiples zonas de compresión y tracción. En cambio, cuando la fuerza se aplica solo en la ménsula, la tracción se concentra principalmente en la parte superior de la viga, aumentando el momento en esa área crítica. A medida que las fibras se estiran debido a la curvatura, aumenta la probabilidad de ruptura si la viga no está adecuadamente diseñada para soportar esos esfuerzos.
Puntos claves de vigas con ménsula y fuerzas entre apoyos y en la ménsula:
- Curvatura doble: La viga y la ménsula experimentan dos descensos debido a las fuerzas aplicadas.
- Esfuerzo cortante: Se producen tres posibles zonas de ruptura por cortante: una en el apoyo A y dos en el apoyo B.
- Tracción y momento: Existen dos zonas de compresión y tracción. A mayor curvatura, mayor es la tracción y el momento, lo que incrementa el riesgo de fallo en las fibras.
Puntos claves de vigas con ménsula y fuerzas aplicadas solo en la ménsula:
- Curvatura en ménsula: La tracción se concentra principalmente en la parte superior de la viga, generando mayor momento.
- Esfuerzo cortante: Se produce una zona crítica de ruptura por cortante en el apoyo B.
- Tracción y momento: La curvatura genera mayor tracción y momento, incrementando la posibilidad de fallo en la pieza si las fibras no soportan el esfuerzo.
