INTRODUCCIÒN

Análisis estructural se refiere al uso de las ecuaciones de la resistencia de materiales para encontrar los esfuerzos internos, deformaciones y tensiones que actúan sobre una estructura resistente, como edificaciones o esqueletos resistentes de maquinaria. Igualmente el análisis dinámico estudiaría el comportamiento dinámico de dichas estructuras y la aparición de posibles vibraciones perniciosas para la estructura.

OBJETIVO GENERALIdentificar, estudiar alternativas, seleccionar, analizar y verificar resultados de la solución estructural a un problema ingenieril, teniendo presentes los criterios de funcionalidad, economía, seguridad y la estética.En el diseño estructural completo se distinguen dos etapas: análisis y diseño.

OBJETIVO DEL ANÁLISISDeterminar fuerzas internas (axiales, cortantes, momentos) y deformaciones de una estructura, sobre la base de: una forma dada de la estructura, del tamaño y propiedades del material usado en los elementos y de las cargas aplicadas.

OBJETIVO DEL DISEÑOSelección de la forma, de los materiales y detallado (dimensiones, conexiones y refuerzo) de los componentes que conforman el sistema estructural. Ambas etapas son inseparables, parecería que se empieza por el diseño, ya que es en esta etapa donde se crea y luego se analiza, pero las cosas no terminan ahí, se requiere verificar que las fuerzas encontradas en el análisis, si son soportadas y resistidas con los materiales y dimensiones seleccionadas, por lo tanto volveríamos al diseño, es decir, el proceso es iterativo.

¿Qué es una Estructura?

Una estructura es un conjunto de elementos simples dispuestos de tal forma que permiten soportar, sin romperse, otras partes del sistema o mecanismos.Sus objetivos son: resistir cargas resultantes de su uso y de su peso propio y darle forma a un cuerpo, obra civil o maquina. EJEMPLOS: puentes, torres, edificios, estadios, techos, barcos, aviones, maquinarias, presas y hasta el cuerpo humano.El sistema estructural constituye el soporte básico, el armazón o esqueleto de la estructura total y él transmite las fuerzas actuantes a sus apoyos de tal manera que se garantice seguridad, funcionalidad y economía.En una estructura se combinan y se juega con tres aspectos:

FORMA MATERIALES Y DIMENSIONES DE ELEMENTOS CARGAS

Los cuales determinan la funcionalidad, economía y estética de la solución propuesta.

¿PARA QUÉ SIRVEN LAS ESTRUCTURAS?Sirven para Soportar peso:

Clasificación de las Estructuras

Las estructuras son de dos tipos: Naturales y Artificiales.

ESTRUCTURAS NATURALES: Son aquellas creadas por la naturaleza, sin intervención del hombre, y aquellas que se refieren al esqueleto o estructura ósea. El esqueleto de un ser vertebrado, las formaciones pétreas, el caparazón de un animal o la estructura de un árbol son algunos ejemplos de este tipo de estructura.

ESTRUCTURAS ARTIFICIALES: Hacen referencia a las inquietudes y necesidades del hombre por cambiar el medio en que se desenvuelve, inventa y construye sistemas estructurales que en cada momento le resuelven los problemas que se le presentan. Los ejemplos más usuales de este tipo de estructuras son los puentes y edificios, pero las podemos encontrar en la mayoría de los objetos realizados por el hombre. A la hora de diseñar una estructura esta debe de cumplir tres propiedades principales: ser resistente, rígida y estable. Resistente para que soporte sin romperse el efecto de las fuerzas a las que se encuentra sometida, rígida para que lo haga sin deformarse y estable para que se mantenga en equilibrio sin volcarse ni caerse.

También se clasifican en estructuras fijas y móviles.

ESTRUCTURAS MOVILES: serían todas aquellas que se pueden desplazar, que son articuladas. Como puede ser el esqueleto, un puente levadizo, una bisagra, una biela, una rueda, etc. Como ejemplo la estructura que sustenta un coche de caballos y un motor de combustión.

ESTRUCTURAS FIJAS: serian aquellas que por el contrario no pueden sufrir desplazamientos, o estos son mínimos. Son por ejemplo los pilares, torretas, vigas, puentes.

ESTRUCTURAS MIXTAS: También existen estructuras mixtas, por tener una parte fija y otra parte móvil, como por ejemplo una mesa cuyas dos patas delanteras o traseras tienen ruedas en sus extremos.

Elementos que Intervienen en la Construcción de una Estructura :Las estructuras son elementos de soporte y columna vertebral de mecanismos, puentes, edificios, etc. han desempeñado un papel muy importante en el desarrollo de nuestra cultura. Sus formas, tamaños y materiales se han ido adaptando a las necesidades del hombre y a los medios tecnológicos.

Los elementos que intervienen en la elaboración de una estructura son: Vigas, soportes, tirantes, tensores entre otros.

 PRINCIPALES SISTEMAS ESTRUCTURALES 

Cerchas Armaduras planas y espaciales Marcos o pórticos planos y espaciales Sistemas combinados o duales Sistemas de muros Sistemas de piso Sistemas continuos

 A. CERCHAS: Este sistema combina elementos tipo cercha donde la disposición de los

elementos determina la estabilidad.  Pueden ser planas y espaciales.       

B. ARMADURAS: En este sistema se combinan elementos tipo cercha con elementos tipo viga o columna unidos por articulaciones.

        

C. MARCOS O PÓRTICOS: Este sistema conjuga elementos tipo viga y columna.  Su estabilidad está determinada por la capacidad de soportar momentos en sus uniones.  Pueden ser planos y espaciales

      

   

D. SISTEMAS DE PISOS: Consiste en una estructura plana conformada por la unión varios elementos (cáscara, viga, cercha) de tal manera que soporte cargas perpendiculares a su plano. Se clasifican por la forma en que transmiten la carga a los apoyos en bidireccionales y unidireccionales.

            

E. SISTEMAS DE MUROS: Es un sistema construido por la unión de muros en direcciones perpendiculares y presenta gran rigidez lateral.  Este sistema es uno de los mas usados en edificaciones en zonas sísmicas.

       

F. DOMOS, CILOS Y TANQUES 

       

G. SISTEMAS COMBINADOS  PARA EDIFICACIONES: Se aprovechan las cualidades estructurales de los elementos tipo muro con las cualidades arquitectónicas de los sistemas de pórticos.  Las características de rigidez lateral también se pueden lograr por medio de riostras que trabajan como elementos tipo cercha.( ver figura).

 

PRINCIPIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL SEGURIDAD, FUNCIONALIDAD Y ECONOMÍA Una estructura se diseña para que no falle durante su vida útil. Se reconoce que una estructura falla cuando deja de cumplir su función de manera adecuada.Las formas de falla pueden ser: falla de servicio o falla por rotura o inestabilidad.La falla de servicio es cuando la estructura sale de uso por deformaciones excesivas ya sean elásticas o permanentes.La falla por rotura (resistencia) o inestabilidad se da cuando hay movimiento o separación entre las partes de la estructura, ya sea por mal ensamblaje, malos apoyos o rompimiento del material. SEGURIDAD: La seguridad se determina controlando las deformaciones excesivas que obligan a que salga de servicio o el rompimiento o separación de alguna de sus partes o de todo el conjunto.Una de las condiciones de seguridad, la estabilidad, se puede comprobar por medio de las leyes de equilibrio de Newton. En el caso particular de fuerzas estáticas la ecuaciones generales del equilibrio; las cuales deben ser satisfechas por la estructura en general y por cada una de sus partes.

El principio de acción y reacción es uno de los conceptos básicos de uso general en las estructuras, encontrar fuerzas actuantes y fuerzas resistentes hace parte del diario de la ingeniería estructural. Este principio dice: “para toda fuerza actuante debe haber algo que produzca una

reacción que contrarreste el efecto o en otras palabras para una fuerza actuante existe una reacción de igual magnitud, dirección pero sentido contrario”.La condición de seguridad de resistencia a la rotura de los elementos que la componen y de las uniones entre estos, depende de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados. FUNCIONALIDAD: La estructura debe mantenerse en funcionamiento durante su vida útil para las cargas de solicitación. Un puente que presenta deformaciones excesivas daría la sensación de inseguridad y la gente dejaría de usarlo, en ese momento deja de ser funcional. ECONOMÍA: El aprovechamiento de los recursos determina un reto para el diseño estructural. En la economía se conjuga la creatividad del ingeniero con su conocimiento.

Grados de indeterminación

En el análisis estructural se consideran dos tipos de indeterminación, la estática y

cinemática. La primera tiene relación con las fuerzas y la segunda con los

desplazamientos.

Indeterminación estática

Se refiere a un exceso de reacciones y fuerzas internas desconocidas, comparadas con

las ecuaciones de equilibrio de la estática. Esto da lugar a clasificar las estructuras

como estáticamente determinadas y estáticamente indeterminadas. Las fuerzas

internas o reacciones desconocidas que no se pueden obtener con las ecuaciones de

equilibrio se denominan fuerzas redundantes y el número de fuerzas redundantes define

el grado de indeterminación estática o hiperestáticidad.

Existen dos tipos de indeterminación estática: externa e interna, la indeterminación

externa se refiere al número de reacciones redundantes de la estructura y la

indeterminación interna al número de fuerzas de la estructura que no pueden conocerse

con las ecuaciones de la estática. El grado total de indeterminación es la suma de

ambas.

Indeterminación cinemática

Se refiere al número de desplazamientos desconocidos o redundantes que describen el

comportamiento de la estructura (movimiento) cuando ésta se sujeta a acciones de

carga.

Cálculo del grado de indeterminación o Hiperestaticidad

Cuando una estructura es Isostática, su grado de indeterminación GH = 0, ya que es

estática- mente determinada. Las estructuras Hiperestáticas pueden tener distintos

grados de indeterminación GH > 0, si una estructura es inestable su grado de

indeterminación es GH < 0.

GH > 0 Estructuras hiperestáticas

GH = 0 Estructuras Isostáticas

GH < 0 Estructuras Inestables

En el caso de armaduras y marcos pueden ser externa o internamente indeterminadas.

Son externamente indeterminadas cuando el número de reacciones es mayor que el

número de las ecuaciones de equilibrio más las ecuaciones de condición. La

indeterminación interna ocurre cuando el número de miembros es mayor al mínimo

necesario para que la estructura sea estable.

Elemento Grado de Hiperestaticidad Grado de libertad

Vigas GHT = NR − NEE − C GL = 3NN − NR

Armaduras

GHT = GHE + GHI

GHE =NR − NEE

GHI = NE− 2NN + 3 (2D)

GL = 2NN − NR (2D)

GL = 3NN − NR (3D)

Marcos

GHT = GHE + GHI

GHE = NR − NEE − C

GHI = 3NE − 3NN + NEE (2D)

GL = 3NN − NR (2D)

GL = 6NN − NR (3D)

Donde:

GHT = Grado de hiperestaticidad total

GHE = Grado de hiperestaticidad externa

GHI = Grado de hiperestaticidad interna

NR= Número de reacciones

NEE = Número de ecuaciones de la estática

NE= Número de elementos

NN = Número de nodos

C = Ecuaciones adicionales de condición

GL = Grado de libertad o desplazamiento redundante

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