Estructuras

¿Qué es una estructura?

Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí cuya misión es resistir las cargas (las fuerzas que actúan sobre ella) y mantener la forma sin romperse ni volcar. Además suele dar soporte y proteger a un objeto o a una construcción. Sin estructuras, ni los edificios, ni los puentes, ni las grúas, ni siquiera nuestro cuerpo se mantendrían en pie.

Distinguimos dos grandes grupos según quién las crea. Las estructuras naturales las hace la naturaleza: el esqueleto de un animal, una telaraña, el tronco de un árbol o un panal de abejas. Las estructuras artificiales las construye el ser humano: un puente, una grúa, una silla o la Torre Eiffel. Las naturales, además, suelen inspirar a las artificiales: el ingeniero copia soluciones que funcionan en la naturaleza desde hace millones de años.

Tipos de estructuras

Según su forma y cómo aguantan las cargas, las estructuras se clasifican en varios tipos. Reconocerlos te ayuda a entender por qué cada construcción es como es:

• Masiva: una gran cantidad de material macizo que aguanta por su propio peso. Ejemplos: una presa, una muralla, las pirámides.
• Abovedada: usa arcos y bóvedas de forma curva que reparten el peso hacia los lados. Ejemplos: un acueducto romano, una catedral, un iglú.
• Entramada: una malla de pilares y vigas. Es la de la mayoría de los edificios de viviendas.
• Triangulada: formada por barras que dibujan triángulos. Es muy rígida pesando poco. Ejemplos: una grúa, una torre eléctrica, la Torre Eiffel.
• Colgante: la carga cuelga de grandes cables tensados. Ejemplo: los puentes colgantes como el Golden Gate.

Más adelante (en 3.º ESO y más cursos) aparecen otros tipos como las estructuras laminares, geodésicas o neumáticas, pero con estas cinco se entiende casi todo lo que vemos a nuestro alrededor.

Cargas y estabilidad

Una carga es toda fuerza que actúa sobre la estructura y que esta tiene que resistir. Se distinguen dos tipos: las cargas fijas (o permanentes), que están siempre y no cambian, como el peso propio de la estructura; y las cargas variables, que aparecen y desaparecen o cambian con el tiempo, como el viento, la nieve, las personas o los vehículos que pasan por un puente.

Además de resistir las cargas, una estructura tiene que ser estable, es decir, no volcar. La estabilidad depende de dos cosas: una base ancha y un centro de gravedad bajo. Por eso una torre alta y estrecha vuelca con facilidad, mientras que una pirámide, ancha abajo, es muy estable. Una estructura vuelca justo cuando su peso (su centro de gravedad) deja de caer dentro de la base de apoyo.

Los esfuerzos

Cuando una estructura recibe cargas, cada una de sus piezas «sufre» por dentro de una forma concreta: eso es un esfuerzo. Hay cinco esfuerzos básicos, y casi todo lo que falla en una estructura se explica con ellos:

En las estructuras de barras —como un puente de celosía— los dos esfuerzos que más mandan son la tracción y la compresión. Una barra trabaja a tracción cuando las fuerzas tiran de ella y la estiran (como un cable o un tirante); trabaja a compresión cuando la aprietan y la aplastan (como un pilar). En el «Laboratorio de estructuras» cada barra se pinta de rojo si está a tracción y de azul si está a compresión:

Triangulación y elementos

Aquí está el secreto de casi todas las estructuras de barras: el triángulo es indeformable y el cuadrado no. Si empujas un cuadrado hecho de barras con uniones que pueden girar, se convierte en un rombo y se viene abajo. Un triángulo, en cambio, no puede cambiar de forma a menos que se estire o se rompa uno de sus lados. Por eso, para que una estructura cuadrada aguante, se le añade una diagonal que la divide en dos triángulos: a eso se le llama triangular.

Una estructura de barras trianguladas se llama celosía, y es la base de las grúas, las torres eléctricas y muchos puentes. Además de las barras, una construcción tiene otros elementos con funciones distintas: la cimentación (zapatas, losas o pilotes) la apoya en el terreno y reparte el peso; los pilares y columnas son los soportes verticales; las vigas son los soportes horizontales que sostienen suelos y techos; y los tirantes y tensores sujetan tirando (trabajan a tracción). Todo ello se construye con materiales como la madera, el acero (muy resistente y ligero) y el hormigón armado, que combina hormigón (resiste la compresión) con barras de acero por dentro (resisten la tracción).

Pruébalo: parte de un cuadrado que colapsa y añade una diagonal para verlo volverse rígido.

El proyecto: Liga de Puentes

En el proyecto final pondrás en práctica todo lo aprendido: por equipos diseñaréis un puente en el simulador y luego lo construiréis de verdad con palitos o espaguetis para que salve un hueco (la luz) y aguante el máximo peso en el centro. Tendrás que triangular bien la estructura, cuidar las uniones y predecir qué barras irán a tracción y cuáles a compresión.

Lo mejor es que no gana el puente más pesado, sino el más eficiente: el que aguanta más peso en relación con lo que pesa él mismo. Es justo lo que hace un ingeniero real cuando diseña un puente o una grúa: conseguir la máxima resistencia con el mínimo material. La versión ampliada para 3.º ESO añade el cálculo de las reacciones en los apoyos y la predicción de los esfuerzos antes de construir.

Dudas frecuentes