Arquitectura: La arquitectura, es la ciencia también considerada arte y técnica, encargada de la proyección y la construcción de espacios para el humano, donde pueda desarrollar sus actividades del día a día de forma segura, y confortable. 

Estructura: La estructura es un conjunto de sólidos resistentes vinculados entre sí, diseñado para resistir combinaciones de fuerzas con un fin determinado, para así mantener el espacio son ningún tipo de deformaciones.

Exigencias básicas de las estructuras:

Es fundamental que estas estructuras cumplan con los requisitos y exigencias la cuales son:

Equilibrio: Se conoce como equilibrio a la garantía de que la estructura no se moverá.

Estabilidad: La estructura deberá estar en su total estabilidad, es decir que cuando el viento actúa en la cima de un edificio que no está equilibrado por su propio peso puede caer sin desintegrarse.

Resistencia: Es la integridad de la estructura sometida a todas sus cargas, para esto se elige el sistema estructural y se establecen las cargas que actúan sobre él, luego se comparan el tipo de magnitud de las tenciones que el material puede resistir sin peligro.

Funcionalidad: La estructura deberá facilitar o por lo menos, no interferir el buen funcionamiento arquitectónico.

Estética: En este caso el arquitecto debe optar por el sistema estructural conveniente, para expresar el concepto del edificio. La estructura debe ser portadora de la emoción estética.

Las Cargas Estructurales: Son las fuerzas externas aplicadas a los elementos resistentes, o también su propio peso, sostenido por una estructura en la edificación, vigas, columnas, entrepisos o losas de pisos, fundaciones, entre otros. Son fuerzas que pueden ser Estáticas y Dinámicas, y que se aplican ya sea por gravedad o por medio de fuerzas externas.

     Las cargas se expresan en unidades de peso, ya sea por longitud o en unidades de peso por superficie unitaria, es decir, kg; kg/m y kg/m², según el Sistema Métrico Decimal.

     Estas cargas son aplicadas a los diferentes elementos de las estructuras de las edificaciones, los que constituyen a su vez, un conjunto de miembros estructurales. Cada uno de estos miembros esta constituido por un material con determinada forma volumétrica y sujeto a realizar uno o varios esfuerzos, cuando forman parte de la estructura.

     Como los esfuerzos son consecuencias de las cargas, es necesario conocer o suponer las cargas a que va a estar sometido cada uno de esos miembros.

Tipos de Cargas

Las cargas, según su naturaleza pueden ser: estáticas, de repetición o cíclicas, y de impacto; según su disposición pueden ser distribuidas y concentradas.

Según su naturaleza

• Cargas Estáticas: Son las que se aplican lentamente y producen deformaciones graduales , estas son mayores si la carga es mayor y permanecen el la edificación.  Se clasifican en : cargas muertas,  cargas vivas y cargas por asentamiento de la cimentación.

• Cargas Muertas o Permanentes: Son aquellas que resultan de la gravedad, son las que tienen carácter de permanencia sobre el miembro que actúan, como la estructura misma del edificio y sus elementos, por ejemplo: los bloques, el acero, el concreto, los marcos de ventanas y puertas.

• Cargas Vivas o Accidentales: Son aquellas que se aplican lentamente y algunas veces se  pueden  aplicar a los miembros y otras no, estas se pueden  pueden mover dentro de la edificación pero de manera lenta y se consideran como estáticas, por ejemplo: el mobiliario, los vientos, la nieve y los sismos. Estas cargas son impredecibles pues no puede tenerse un valor exacto.

• Cargas Dinámicas: Se aplican un gran número de veces a un miembro produciéndose efectos variables que motivan desgaste y/o rotura del material, producido por un cambio brusco o rápido. Ejemplo, cuando se aplica un doblado alternativo a un alambre hasta que se produce la fatiga y este se rompe. Estas son peligrosas porque su aplicación es repentina o rítmica por naturaleza.

• 
  

  Cargas por Impacto: son aquellas en las cuales la dire

  Ejemplos: Una piedra que se suelta o se desprende, un vehículo que choca en un puente, la hincada de un pilote con el equipo de colocación, si se coloca un peso de 1kg, movimiento sísmico, entre otros acción del movimiento coincide con la dirección en que se produce la carga. Se caracterizan por un tiempo de aplicación muy breve (instantánea).

• Cargas Resonantes: Son aquellas que varían de manera rítmica por lo tanto no hay precisión en el cálculo de la misma, por ejemplo: una campana doblando, un camión pesado sobre un puente, la antena de un vehículo, un rascacielos y una ráfaga de viento fuerte, la vibración de una maquinaria o motor, el temblor fuerte y extenso sobre el edificio, entre otros. Como todos los cuerpos son elásticos, al aplicar cargas se flexionan y al retirarse llegan a su posición original, pero las estructuras tienden a oscilar.

• 
  

  Cargas Móviles: Son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es perpendicular a la dirección en que se produce la carga. Ejemplos: desplazamiento de un vehículo; desplazamiento de una grúa móvil sobre sus rieles; desplazamiento de un tren sobre sus rieles, entre otros.

Según su ubicación en el espacio

• Concentradas o Puntuales: Son las que se aplican en un área pequeña, en comparación con la total del miembro resistente, ejemplos: el peso de una máquina herramienta en una esquina del taller, columna o viga que apoya sobre una viga, rueda de un puente grúa sobre la vía, anclaje de un tensor, entre otros.

• Distribuidas: Son las que  se encuentran repartidas en determinada área, es decir, a lo largo de todo el elemento estructural o parte de el. Estas se dividen en uniformemente distribuidas y distribuidas no uniformes:

• Uniformemente Distribuidas: son aquellas que mantienen un mismo valor en toda su expansión, es decir, que se reparten de forma uniforme. Ejemplos : el peso propio de una losa, la presión de agua sobre el fondo de un deposito, o el publico en una sala de espectáculos.

• No Uniformemente Distribuidas: son aquellas en las que varia su valor en los distintos puntos de su extensión, es decir  que no se reparten de manera uniforme. Ejemplos : la acción del viento, una pared de altura variable, o la presión en la pared de un tanque.

Estática: Es la rama de la mecánica clásica que analiza las cargas (fuerza, par / momento) y estudia el equilibrio de fuerzas en los sistemas físicos en equilibrio estático, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas de los subsistemas no varían con el tiempo.

Resistencia de los Materiales: Es una disciplina de la ingeniería mecánica, la ingeniería estructural y la ingeniería industrial que estudia la mecánica de sólidos deformables mediante modelos simplificados. La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.

Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Generalmente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular.

Los principios de la Estática son el principio del paralelogramo, el del equilibrio, de la transmisibilidad y de acción y reacción. La explicación de cada uno de los principios la voy a dar a continuación:

• Principio del Paralelogramo: Dos fuerzas que actúan sobre el mismo punto en un cuerpo rígido  realizan la misma acción que una fuerza resultante, que actúa sobre el mismo punto y se determina formando un paralelogramo con los vectores de las fuerzas como lados.

• Principio del Equilibrio: Para que un cuerpo rígido se encuentre en equilibrio es condición  necesaria y suficiente que la resultante sea nula. Para que la resultante lo sea todas las componentes de la misma deben ser 0.

• Principio de la Transmisibilidad: Este principio indica que una fuerza que actúa sobre un cuerpo rígido  es equivalente a otra del mismo módulo que actúa sobre otro punto del cuerpo rígido sobre la misma recta de acción.

• Principio de Acción y Reacción: toda acción implica la existencia de una reacción. Esta reacción tiene la misma intensidad pero sentido contrario.

Fuerza Axial: Es una fuerza que actúa directamente sobre el centro axial de un objeto en la dirección del eje longitudinal. Estas fuerzas pueden ser de compresión o de tensión, dependiendo de la dirección de la fuerza. Cuándo una fuerza axial actúa a lo largo del eje longitudinal y este eje pasa por el centro geométrico del objeto, será además una fuerza concéntrica; en caso contrario será un fuerza excéntrica. Las fuerzas perpendiculares al eje longitudinal del objeto se denominan normalmente como fuerzas verticales.

Una de las partes importantes al analizar una fuerza axial es el concepto de centro geométrico y de centro axial. El centro geométrico es un punto dentro del espacio delimitado por la forma del objeto y que es el centro perfecto de su masa, en otras palabras, desde este punto encontraremos la misma cantidad de masa del objeto en cualquier dirección.

Polígono Funicular: Se le llama Polígono Funicular cuando un sistema de varias fuerzas coplanares actúa sobre un cuerpo rígido donde puede utilizarse con ventaja un método gráfico. Para determinar la resultante del sistema en módulo, dirección, sentido y recta de acción y el momento respecto de cualquier punto del plano al que pertenecen las fuerzas.

Las cargas de servicio en una estructura para definen el polígono funicular con cierta cantidad de lados, los cuales al ir aumentando definen una curva o una aproximación a ella.

Se pueden conseguir polígonos de cualquier cantidad de lados llamados catenaria que son la forma de equilibrio de una carga repartida a lo largo de un hilo o de una curva, se puede hablar de la carga de su propio peso en todo el cable. También existen las llamadas parábolas donde las cargas se encuentran uniformemente distribuidas a lo largo de una recta.

Ya que se hablan de los puntos de cargas, hablaremos de las estructuras de la compresión dominante que no es nada más que el estado de tensión en el cual las partículas se aprietan entre si, por ejemplo una columna sobre la cual se poya una carga se halla sometida a una solicitación a la compresión, por tal motivo su altura disminuye por efecto de la carga.

Existe una relación entre tensión de compresión y deformación por compresión la cual es el modulo de elasticidad por compresión. Las deformaciones provocadas por la compresión son de sentido contrario a las producidas por tracción, ocurre un acortamiento en la dirección de la aplicación de la carga y un ensanchamiento perpendicular a esa dirección y esto es debido a que la cantidad de masa del cuerpo no varía.

Cuando ocurre un comportamiento típico de los elementos estructurales sometidos a esfuerzos de compresión se denomina Pandeo. Ninguna pieza sometida al esfuerzo de compresión está exenta de sufrir pandeo, se trata de una flexión lateral que está en relación con la esbeltez (luz de pandeo). La carga del pandeo depende del material, longitud, forma de sección transversal y restricciones impuestas a los extremos de una columna.

Cualquier pequeña imperfección hace que ocurra un pandeo.

Ahora hablaremos de cómo es la configuración anti funicular de las cargas; en las estructuras de tracción pura la distribución de las cargas a lo largo de la curva responde a la forma de catenaria.

Existen unas tipologías de apoyo, como lo son los pilares los cuales son estructuras de mampostería bajo compresión excéntrica, cuentan con una situación de equilibrio estable cuando a través del plano de su apoyo se genera una fuerza de reacción que equilibra a la fuerza total de acción.

Otra tipología de apoyo es el muro, el cual cumple una función estructural portante de soporte de cargas verticales y de contención de empujes, tiene largo, alto y espesor.

Por último tenemos a las columnas donde la longitud y la sección transversal deberán estar en relación tal que, por su magnitud no superan los valores máximos permitidos para los materiales.

Aparte de las tipologías de apoyo también se encuentran las de cubrimiento, las cuales son las bóvedas donde se modifica el estado de solicitación produciéndose una diferencia entre el baricentro de la sección y la nueva curva de presiones.

Las cúpulas son estructuras de revolución donde cada meridiano se comporta como una curva funicular solicitada a compresión pura.

Y por último los arcos los cuales tienen una forma anti funicular o de parábola en el caso de las cargas repartidas a lo largo de la cuerda, por sus materiales son capaces de resistir solicitaciones de compresión.

Tipos de Materiales

En la construcción tenemos que tomar en cuenta  el tipo de material que se vaya a utilizar, de dichas  Propiedades Químicas como:

• Composición química,
• Estabilidad química
• Propiedades Mecánicas
• Resistencia
• Tenacidad
• Fragilidad
• Elasticidad
• Plasticidad
• Isotropia
• Anisotropia

Entre esos materiales tenemos algunos  para  la  construcción, como los siguientes:

El Acero: Sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 2,14 % en masa de su composición, dependiendo del grado. No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal duro y relativamente dúctil.

Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM y UNS, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas características determinadas como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad o maquinabilidad.

A continuación se listan algunos de los efectos de los elementos aleantes en el acero:

• Aluminio: Se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1 % y en porcentajes inferiores al 0,008 % como desoxidante en aceros de alta aleación.

• Boro: En muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006 %) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm.

• Cobalto: Muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.

• Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento por tratamiento termoquímico como la carburación o la nitruración. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.

• Molibdeno: Es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

• Nitrógeno: Se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.

• Níquel: Es un elemento gammageno permitiendo una estructura austenítica a temperatura ambiente, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.

• Plomo: El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15 % y 0,30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.

• Silicio: Aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

• Titanio: Se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.

• Wolframio: También conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.

• Vanadio: Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

Impurezas: Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. 

Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.

Azufre: Límite máximo aproximado: 0,04 %. El azufre con el hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material.

Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente cinco veces la concentración de S para que se produzca la reacción.

El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición menos porosa, y por lo tanto de mayor calidad.

Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.

Fósforo: Límite máximo aproximado: 0,04 %. El fósforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar FeP («fosfuro de hierro»). El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado «esteadita», el que es sumamente frágil y posee un punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad.

Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.