Los elementos de una estructura deben de aguantar, además de su propio peso, otras fuerzas y cargas exteriores que actúan sobre ellos. Dependiendo de la posición dentro de la estructura y del tipo de fuerzas que actúan sobre ellos, los elementos o piezas de las estructuras soportan diferentes tipos de esfuerzos. Una fuerza sobre un objeto tiende a deformarlo, la deformación producida dependerá de la dirección, sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza. Estas fuerzas tienen distintos orígenes:
- Debidas a su propio peso (toda estructura debe soportarse a si misma).
- Debidas al peso, movimiento o vibraciones de los elementos que componen el conjunto del sistema técnico. Por ejemplo, el cuadro de una bicicleta no debe deformarse cuando una persona sube a ella o cuando coja baches mientras circula.
- Debida a agentes externos al propio sistema técnico. Por ejemplo, un puente no debe caerse por el efecto de viento, el tejado de una casa no debería venirse abajo cuanso se acumule la nieve sobre él.
Normalmente, cuando construimos una estructura lo hacemos para que ésta no se deforme cuando esté trabajando. Sin embargo, hay algunas estructuras que su trabajo lo ejercen deformándose y recuperando más tarde su forma original, pero esto es menos normal.
Antes de comenzar con los tipos de esfuerzos debemos conoces los tecnicismos de estos como pueden se:
- Fuerza: Es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales.
- Vector: Es una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física del cual depende únicamente un módulo (o longitud) y una dirección (u orientación) para quedar definido.
- Momento de una fuerza: Es una magnitud vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza con respecto al punto al cual se toma el momento por la fuerza, en ese orden. Generan giros.
- Esfuerzo: Es la fuerza que hace un elemento de la estructura para no ser deformado por las cargas. Los esfuerzos pueden ser: esfuerzos compuestos y esfuerzos variables..
- Esfuerzos compuestos: Es cuando una pieza se encuentra sometida simultáneamente a varios esfuerzos simples, superponiéndose sus acciones.
- Esfuerzos variables: Son los esfuerzos que varían de valor e incluso de signo. Cuando la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo es 0, el esfuerzo se denomina alternado.
- Resistencia: Es cuando la carga actúa y produce deformación. Es la capacidad de un cuerpo para resistir una fuerza aun cuando haya deformación.
- Rigidez: Es cuando la carga actúa y no produce deformación. Es la capacidad de un cuerpo para resistir una fuerza sin deformarse.
- Carga: Es la fuerza exterior que actúan sobre los diferentes elementos. Podemos diferenciar tres tipos de cargas, como son: la carga estática, la carga dinámica y la carga cíclica.
- Carga estática: Es la fuerza que se aplica gradualmente desde en valor inicial cero hasta su máximo valor «F». Es decir, aquella que es invariable o su magnitud crece de forma lenta (un coche encima de un puente, etc.).
- Carga dinámica: Es la fuerza que se aplica con velocidad sobre la pieza que la debe soportar. En este caso la tensión producida es mayor que la de la carga estática, pues la energía cinética de la carga absorbida elásticamente por la pieza, lo cual origina un aumento de la tensión en la misma. Este aumento puede ser mayor que la propia tensión estática. Las cargas dinámicas se dividen en tres: carga súbita, carga de choque libre y carga de choque forzado.
- Carga súbita: Es cuando el valor máximo se aplica instantáneamente.
- Carga de choque libre: Es cuando está producida por la caída de un cuerpo sobre un elemento resistente.
- Carga de choque forzado: Es cuando una fuerza obliga a dos masas que han colisionado a seguir deformándose después del choque.
- Carga cíclica o alternada: Es aquella que cambia de dirección o magnitud (o ambas) de forma cíclica o alternada (cigüeñal, amortiguadores, etc.).
Los tipos de esfuerzos a los que pueden estar sometidos los elementos de una estructura metálica, barcos, aviones, motores, etc. son los siguiente: Tracción, Compresión, Flexión, Torsión y Cortante.
¿Qué es un esfuerzo?
Son un conjunto de fuerzas internas a la que está sometida un cuerpo a consecuencia de solicitaciones que actúan sobre él.
Pero antes de hablar a profundidad sobre los esfuerzos, nos hacemos la siguiente pregunta:
¿Qué es una estructura?
Una estructura es un cuerpo capaz de resistir cargas sin que exista una deformación excesiva de una de las partes con respecto a otra.
Es así que, la función de la estructura consiste en transmitir adecuadamente las fuerzas de un punto a otro en el espacio, sin que esta pierda su estabilidad.
Tipos de esfuerzos
1. Tracción
El cuerpo está sometido a un esfuerzo de tracción cuando se le aplican dos fuerzas en sentido opuesto, estirando el elemento tal como se puede observar a continuación.
Ejemplos de tracción
Muchos puentes modernos, en especial los puentes atirantados y los puentes colgantes utilizan cables de acero para sostener el tablero por donde van a circular los vehículos. Estos cables se denominan tirantes y están sometidos a tracción.
Otro ejemplo de tracción se puede observar en la lanza de un remolque, ya que esta barra está sometida a un esfuerzo de tracción, puesto que la fuerza que ejerce el vehículo tiende a estirarla hacia adelante, y este al desplazarse, por efectos del rozamiento de las ruedas del remolque con la carretera y la resistencia aerodinámica de este, se genera una fuerza de reacción que tiende a estirar la barra hacia atras.
El cable de una grúa también es un ejemplo de tracción. Ya que el peso de la carga tiende a estirar hacia abajo, mientras que para contrarrestar dicha fuerza, la estructura de la grúa ejerce una fuerza igual, pero hacia arriba.
2. Compresión
Un cuerpo está sometido a esfuerzos de compresión cuando se le aplican dos fuerzas en sentido opuesto que tienen tendencia a aplastarlo.
Ejemplos de compresión
En construcción, uno de los ejemplos más comunes de esfuerzos de compresión es el que resisten las columnas, pilas o pilares, muros de carga, etc. Estos elementos estructurales deben soportar el peso del edificio que los contienen y de la carga viva que actúan sobre ello.
Otro ejemplo un poco más común, son las patas de sillas y mesas sometidas a compresión siempre, ya sea por su propio peso o por soportar un peso encima de estos. Para este tipo de esfuerzos, una fuerza de reacción que proviene del suelo, y que tiene sentido ascendente, contrarresta la fuerza ejercida por el peso.
3. Flexión
Una carga está sometida a flexión cuando recibe una o más fuerzas que tienden a doblarla.
Ejemplos de esfuerzos de flexión
Un ejemplo claro de flexión, a pesar de que no se pueda notar a simple vista, es la plataforma de un puente sometido a cargas constantes producto del paso de los vehículos. En este caso, la flexión es muy pequeña, casi inobservada, debido a que estas son diseñadas para que sean rígidos.
Otro caso similar de esfuerzo a flexión son las vigas de las estructuras.
4. Cortante
Un cuerpo está sometido a un esfuerzo cortante cuando se le aplican dos fuerzas en sentido opuesto que tienen la tendencia a cortarle.
Ejemplos de cortante
Otro término utilizado para el esfuerzo a cortante es la de «Cizalladura», y a continuación te mostraré algunos ejemplos de ellos:
Un caso de cortante en ingeniería se puede observar en los extremos de las vigas de un edificio, ya que estas están sometidas a un esfuerzo de cizalladura. Como se va observar a continuación, hay dos fuerzas iguales u de sentido contrario, aplicadas a la derecha y a la izquierda de los puntos de apoyo, que tienen tendencia a cortar la viga.
Por una parte, la fuerza del peso que sostiene la viga y, por otro lado, la fuerza de reacción que ejerce el pilar o muro para sostener dicho peso.
5. Torsión
Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de torsión cuando se le aplican dos fuerzas de sentido opuesto que tienen tendencia a «retorcerse».
Ejemplos de torsión
La mayoría de los ejes de maquinas están sometidos a torsión, como los de los aviones o aerogeneradores. Por ejemplo, la fuerza del viento hace girar los ejes en un sentido mientras que el generador, que se resiste a girar, ejercer una fuerza en sentido contrario.
En el caso de las estructuras frente a sismos, los elementos estructurales sufren de la famosa «flexotracción», y al momento de diseñar estos elementos, siempre tenemos que tener en cuenta que esta resista a estas solicitaciones.
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