Dentro de la Ingeniería Civil, una de sus especialidades más apasionantes es la rama estructural, la cual se dedica al diseño y cálculo de elementos que componen los edificios, puentes, presas, etc. y que hacen que sus estructuras resistan las cargas a las que se verán solicitadas a lo largo de su vida útil.
Esta especialidad ha ido evolucionando a lo largo de la historia gracias a la aparición de nuevos elementos estructurales y al uso de materiales más resistentes, que han hecho posible hitos como la construcción del Burj Khalifa, actual edificio más alto del mundo con 828 metros.
En el presente artículo realizaremos una introducción al análisis de estructuras, centrándonos en los dos materiales principales que se utilizan hoy en día en las construcciones de obra civil: el acero y el hormigón.
Estructuras metálicas
El uso de materiales metálicos en la construcción se remonta a los tiempos de la Antigua Grecia, donde se utilizaban vigas de hierro forjado para la construcción de algunos templos. Sin embargo no es hasta después de la Revolución Industrial cuando las estructuras metálicas toman verdadera importancia.
Así, durante el siglo XIX el uso del hierro para la construcción se generaliza debido entre otras cosas a la fabricación de piezas en serie y a la aparición de los perfiles doble T. A causa de estos avances y a mentes como la de Gustave Eiffel, se pudieron llevar a cabo proyectos como el que lleva su nombre, la Torre Eiffel.
Sin embargo, actualmente el hierro ha dejado paso al acero como principal material de las estructuras metálicas tras el invento a mediados del siglo pasado de distintos procesos de producción y debido a sus excepcionales características.
Formado principalmente por una aleación de hierro y carbono a la que se le pueden añadir otros materiales para mejorar sus características, tiene un densidad de 7.850 kg/m3 y un módulo de elasticidad (E) de 210.000 N/mm2. Respecto a su límite elástico (fy), varía desde 235 hasta más de 400 N/mm2 dependiendo del tipo de acero.
Así mismo, es necesario añadir la gran variedad de perfiles normalizados que existen actualmente (IPE, HEA, HEB, UPN, en L, etc.), que conforman un amplio catálogo para la elección del tipo de sección transversal que mejor se adapte a la estructura y sus solicitaciones.
Comportamiento del acero a flexión
Una de las grandes ventajas que nos aportan las vigas de acero es su gran capacidad resistente ante los esfuerzos a tracción, compresión y flexión. Para el estudio de este último, se utilizan las leyes de Momento-Curvatura que se obtienen a partir de las leyes - de los materiales y de la hipótesis de deformación plana de secciones de Navier-Bernouilli.
La zona inicial corresponde a la rama elástica caracterizada por su gran rigidez, finalizando en el límite elástico que se sitúa entre deformaciones del 0,11 al 0,17% en función del acero.
A continuación aparece una zona casi horizontal llamada de cedencia o fluencia plástica, que se extiende hasta deformaciones en torno al 1,5-2,5%. Finalmente aparece la rama de endurecimiento por deformación hasta que alcanza la tensión de rotura, situada en el 12-17%.
Una vez alcanzada la tensión de rotura, el acero continúa deformandose a la vez que se reduce la tensión hasta la rotura, con deformaciones del 20-25%.
Estructuras de hormigón
La historia del hormigón data del Antiguo Egipto, donde se utilizaron mezclas de yesos y calizas disueltas en agua para unir sillares de piedra. Sin embargo, es en la Antigua Grecia cuando se origina el primer hormigón, al mezclarse caliza calcinada con agua, arena y piedras trituradas.
No obstante, no es hasta el siglo XIX cuando se produce la gran revolución en el hormigón debido a la creación por parte de Joseph Aspdin y James Parker del Cemento Portland, uno de los principales materiales que componen el concreto.
Posteriormente, y gracias al auge de la industria del hormigón a partir del siglo XX, se generaliza su uso en obra civil dando lugar a multitud de proyectos de hormigón, como los realizados por el ingeniero suizo Robert Maillart.
En cuanto a su composición, el hormigón se obtiene de la mezcla de cemento Portland, áridos, agua y aditivos, siendo estos últimos los encargados de dotar de características especiales al concreto, y obteniendo una densidad en torno a los 2,3-2,5 kg/m3 en función del tipo de hormigón utilizado (en masa, armado o pretensado). En el artículo "La importancia del curado del hormigón y los distintos métodos para realizarlo adecuadamente" detallamos la composición y las fases de creación del hormigón.
Comportamiento y resistencia del hormigón
El hormigón, al contrario que en el caso del acero, no se comporta igual ante los esfuerzos de tracción y compresión, siendo la resistencia ante esfuerzos de tracción alrededor de un 10% de la resistencia a compresión, tal y como vemos en el gráfico de tensión-deformación.
Esto hace que los elementos de hormigón trabajen de forma óptima ante las solicitaciones a compresión, pero en zonas donde aparecen tracciones o esfuerzos a flexión la pieza se fisura, lo que puede llegar a suponer el fallo de la estructura si no se controla.
Además, es necesario añadir dos fenómenos que tienen lugar en los elementos de hormigón: la retracción y la fluencia, que son los culpables de generar deformaciones adicionales en la pieza.
El hormigón es un material que alcanza el 80-90% de su resistencia a los 28 días, tras pasar de un estado plástico inicial al estado sólido. Durante ese camino, el hormigón pierde volumen al evaporarse parte del agua que lo compone, lo que produce la aparición de esfuerzos de tracción que pueden provocar su fisuración.
Así mismo, una vez que el hormigón ha alcanzado su resistencia máxima, las variaciones que sufre durante su vida útil en el ambiente y en la temperatura también genera la pérdida de volumen.
Por último, es necesario hablar de la fluencia que se produce en el hormigón, y que se puede resumir como el aumento en la deformación del elemento estructural bajo una carga constante a lo largo del tiempo.
Esta deformación diferida en algunos casos es muy importante, y por lo tanto, debe ser estudiada en el análisis estructural. La fluencia depende de factores como la resistencia del hormigón, el volumen de la pieza y la humedad del ambiente que le rodea.
Estructuras mixtas
Tras ver las características mecánicas y el comportamiento de los dos principales materiales utilizados en las estructuras metálicas y de hormigón, a continuación vamos a tratar las estructuras mixtas, en las que se combinan ambos.
Estos tipos de estructuras trabajan de forma monolítica sin deslizamientos relativos significativos entre sí y en ellas se puede aplicar la hipótesis de deformación plana de Navier-Bernouilli.
Son utilizadas en tableros de puentes, forjados, cubiertas o en pilas, donde se aprovecha la gran resistencia del hormigón a compresión y del acero a tracción. Supone además un considerable ahorro económico respecto a estructuras completamente de acero.
En conclusión, los conocimientos necesarios para el análisis de estructuras metálicas, de hormigón y mixtas son muy extensos y requieren de una formación especializada. En el blog de Structuralia contamos con artículos como "5 software utilizados para el diseño y cálculo de estructuras en edificación y obra civil" en el que profundizamos sobre el cálculo de estructuras.
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