Análisis de estructuras, Ejercicios de Análisis Estructural

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CONCEPTOS FUNDAMENTALES 3

1.1 OBJETO DE LA INGENIERÍA ESTRUCTURAL

a Ingeniería estructural tiene por objeto el diseño de estructuras. Toda estructura se construye con un propósito definido que constituye su función. Ésta puede ser encerrar un espacio, contener o retener un material, transmitir cargas al terreno, o muchas otras (referencia 1.1). Al diseñarlas se establecen ciertos objetivos que se refieren a aspectos de seguridad, funcionalidad y economía. Además es importante considerar su aspecto desde el punto de vista de la estética (referencias 1.2 y 1.3). El código modelo CEB-FIP (referencia 1.4) define el objeto del diseño estructural así:

El objetivo del proyecto es llegar a probabilidades aceptables para que la obra estudiada no resulte impropia a su destino en el transcurso de un período dado, considerado como período de referencia, habida cuenta de su duración de vida prevista. En consecuencia, todas las estructuras o elementos estructurales deben conce- birse y calcularse de forma que resistan, con un grado de seguridad apro- piado, todas las cargas y deformaciones susceptibles de intervenir durante su construcción y explotación; que se comporten de manera satisfactoria durante su uso normal; y que presenten una durabilidad conveniente durante su existencia. Para alcanzar este objetivo, hay que fundar el método de concepción y de cálculo sobre teorías científicas, datos experimentales y la experiencia adquirida ante- riormente en la práctica de los proyectos, sobre la base de interpretaciones estadísticas en la medida de lo posible. Además la seguridad, la aptitud para el servicio y la durabilidad no son simplemente función de los cálculos, sino que dependen también del control ejercido durante la fabricación y de la vigilancia en obra, de la limitación a un nivel conveniente de las imperfecciones inevitables y, en fin, de la cualificación y competencia de todo el personal implicado. Se admite también implícitamente que se cuida de las condiciones de explotación de la obra durante su duración de vida prevista.

Conviene destacar acá que la expresión probabilidades aceptables implica que se debe dar adecuada consideración a las condiciones técnicas y socioeconómicas existentes en un momento dado en el lugar de aplicación. Esto exige estudios multidisciplinarios que hasta

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el momento no se han hecho en Colombia. Por otra parte, las duraciones asignadas al período de referencia y a la vida útil de las diversas categorías de estructuras intervienen en la elección de su nivel de seguridad. Obsérvese que la responsabilidad de cumplir el objetivo no se le asigna únicamente al calculista sino también a los fabricantes, al constructor, a la interventoría y a los encargados de asegurar su mantenimiento, y que las condiciones reales de utilización de la estructura no se aparten sensiblemente de las especificaciones en el proyecto. Para poder cumplir dicho objetivo se requiere conocer las leyes que relacionan las cargas aplicadas con las fuerzas internas desarrolladas en los cuerpos que las resisten y, además, las que rigen el comportamiento de los materiales cuando se someten a esfuerzos. Unas y otras fueron objeto de los cursos de Mecánica de sólidos y por eso figuran como pre- rrequisitos indispensables para poder acometer el análisis y diseño de cualquier estructura. Se recordará que en el primero de dichos cursos se estudiaron las condiciones de equilibrio estático y se emplearon para encontrar las reacciones y fuerzas internas en estructuras simples, a saber: armaduras, marcos, cables y vigas. Sólo se consideraron aquellas estructuras en que las condiciones de equilibrio eran suficientes para encontrar todas las reacciones de los apoyos y fuerzas internas de los elementos y que, en conse- cuencia, fueron clasificadas como estáticamente determinadas. Se vio también que aquellas estructuras estáticamente indeterminadas , por presentar más incógnitas que ecuaciones de equilibrio, podían resolverse mediante el planteamiento de ecuaciones adicionales obtenidas a partir de condiciones de compatibilidad de las defor- maciones experimentadas por sus miembros. Esto obligó a considerar el cuerpo con su naturaleza real de sólido deformable, aplicando las relaciones pertinentes entre cargas y deformaciones encontradas experimentalmente en los laboratorios de resistencia de mate- riales. Tales relaciones se vieron en el segundo curso de Mecánica de sólidos, junto con algunas leyes y métodos de Teoría estructural aplicables a los casos más simples. Los cursos de Análisis de estructuras hacen uso de los conocimientos anteriores y los extienden para poder cubrir los casos más complicados de ocurrencia frecuente en el ejercicio profesional de la Ingeniería civil. Dichos cursos son complementados con otros que se refieren al diseño, ya sea en hormigón, madera o acero. El alumno no debe perder de vista que su fin al estudiar esta materia es diseñar estructuras que se puedan cons- truir y que el análisis es sólo un medio para lograrlo. No por eso debe menospreciarlo sino, por el contrario, mantener en la mente la expresión del profesor Fernández Casado (referencia 1.5) que ha servido de preámbulo a este libro.

1.2 TIPOS DE FALLAS

Cuando una estructura deja de cumplir su función de manera adecuada, se dice que ha fallado. Al hablar de falla es preciso aclarar dicho concepto, pues es sabido que las hay de diferentes tipos. En general, se pueden clasificar así:

1. Falla por deformación elástica excesiva.
2. Falla por deformación permanente.