Introducción al Análisis de Estructuras. Comprende principalmente conceptos que ayudan a entender el porqué deben ser analizadas las estructuras, su importancia, diferencias de algunos tipos de análisis, entre otros. Preparado por mi persona para introducir a mis alumnos de la Universidad en el apasionante mundo de las Estructuras.

1. Ing. Miguel Sambrano.
Puerto Ordaz,
Venezuela.
Julio 2014.

2. Estructuras
Una estructura puede
concebirse como un
conjunto de partes o
componentes que se
combinan en forma
ordenada para cumplir
una función dada, mas
específicamente,
soportar la acción de
una serie de fuerzas
aplicadas sobre ellos.

3. La estructura debe cumplir la
función a que está destinada
con un grado de seguridad
razonable y de manera que
tenga un comportamiento
adecuado en las condiciones
normales de servicio. Además,
deben satisfacer otros
requisitos, tales como mantener
el costo dentro de límites
económicos y satisfacer
determinadas exigencias
estéticas.

4. Análisis estructural
el análisis de estructuras significa la separación de la estructura
en sus elementos constitutivos y la determinación del efecto de
las cargas aplicadas a la estructura en cada elemento.
Cualquier estructura es un todo continuo, pero para fines de
análisis se puede dividir en distintos miembros, como serían las
barras de una armadura, o las vigas, columnas y losas en la
estructura de un edificio, o las pilas, estribos, sistemas de piso
y cables, en un puente colgante. Una vez dividida la estructura
en sus distintos miembros, la determinación del efecto de las
cargas en cada miembro se lleva a cabo calculando las acciones
internas producidas por esas cargas, o sea, las fuerzas axiales,
las fuerzas cortantes, los momentos flexionantes y los
torsionantes de cada miembro, así como las deformaciones de
cada elemento y de la estructura completa.

5. Como un concepto general, Kassimali (2001) señala
que el análisis estructural “es la predicción del
comportamiento de una estructura dada bajo
cargas prescritas y otros efectos externos, o bajo
ambas influencias, como movimientos en los apoyos
y cambios de temperatura” (pág. 4)

6. El diseño estructural
El diseño estructural incluye el arreglo y dimensionamiento de
las estructuras y sus partes, de tal manera que las mismas
soporten satisfactoriamente las cargas colocadas sobre ellas.
En particular, el diseño estructural implica lo siguiente:
1. La disposición general de las estructuras
2. Estudio de los posibles tipos o formas estructurales que
representen soluciones factibles.
3. Consideración de las condiciones de carga.
4. Análisis y diseño preliminares de las soluciones posibles.
5. Selección de una solución y análisis y diseño estructural
final de la estructura, incluyendo la preparación de los
planos.

7. Fase de Planeación
Diseño estructural preliminar
Estimación de las cargas
Análisis estructural
Seguridad y utilidad
Si
Fase de construcción
No
Diseño estructural
revisado
Fases de un proyecto típico de Ingeniería Estructural. Fuente: Kassimali (2001)

8. La estructura, sus componentes y partes.
Ya se ha dicho con anterioridad que una estructura es un todo
formado por componentes y partes. Se puede decir entonces
que una estructura es un conjunto ordenado de elementos y
nudos que son capaces de soportar cargas, transferirlas y
mantener un equilibrio de todo ese conjunto.
1. Los elementos de una
estructura son las piezas
fundamentales de la misma.
Relacionan los nodos de la estructura.
Son elementos físicos construidos por
materiales que deben ser resistentes,
deformables y además tienen la
capacidad de almacenar energía
elástica de deformación.

9. Tirantes: aquellos miembros
sometidos sólo a fuerzas axiales
a tensión pura. Las cargas se
aplican solo en los extremos. Se
emplean “estructuras a tensión”
compuestas de cables flexibles
de acero para sostener puentes
colgantes o techos de claros
largos. A dichos elementos les
falta rigidez en sus direcciones
laterales, por tal motivo son
susceptibles a oscilaciones
inducidas por fuerzas externas,
como por ejemplo, el viento.
Fuente: http://www1.caminos.upm.es/estructuras/

10. Vigas y trabes: son elementos
estructurales en donde su eje
longitudinal es más grande o
predomina sobre su ancho y/o
alto. Son miembros sometidos
principalmente a flexión y corte,
los cuales actúan en el plano
normal al eje longitudinal.
Algunas veces están sometidas
a torsión. Cuando una viga
forma parte de un pórtico están
sujetas también a cargas
axiales, pero son muy pequeñas
en comparación con los de corte
y flexión.
Fuente: http://hanselmeraz.blogspot.com/

11. Columnas: miembros rectos sujetos a cargas axiales de
compresión simple. Generalmente son verticales pero
pueden ser inclinadas. Pueden ir acompañadas de
flexión uniaxial o biaxial, son también susceptibles a
pandeo o inestabilidad, por lo cual se proporciona el
uso de arriostramiento cuando las columnas
pertenecen a pórticos, igualmente algunas veces son
sometidas a corte.
Fuente: http://incoronatabitetti.blogspot.com/ Fuente:
http://grupo320102.blogspot.com/2
010/09/pabellon-h.html

12. Puntales: son aquellos miembros estructurales sometidos solo
a fuerzas axiales de compresión. Puede cargarse únicamente
en sus extremos, y no resisten cargas sometidas a flexión.
Armaduras: es un tipo especial de estructura, compuesta
enteramente de puntales y tirantes, conectados por
articulaciones en sus extremos y por lo tanto están sometidas
solo a fuerzas axiales de tensión o compresión
respectivamente. Se supone que todas las cargas externas
que actúan sobre las armaduras están aplicadas en sus nudos
y no directamente a sus componentes. En virtud de su peso
ligero y su alta resistencia, las armaduras se usan con
amplitud y sus aplicaciones van desde soportar puentes,
tejados de edificios, hasta ser soporte en estructuras
espaciales.

13. Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/02/normal-0-false-
false-false_01.html
Fuente: http://www.constructorcivil.org/2011/05/tipos-de-
cerchas-metalicas.html

14. Marcos o armazones rígidos: los marcos son estructuras
constituidas por columnas y vigas cuyas uniones son nudos
rígidos, o sea, no permiten la rotación relativa entre los
miembros que concurren en el nudo.
A diferencia de las armaduras, las cuales se
sujetan a cargas en las uniones, sobre las
armazones las cargas externas pueden
estar aplicadas sobre los miembros así
como sobre las uniones. En general, se
sujetan a momentos flexionantes, corte y
compresión axial o tensión, bajo la acción
de cargas externas. Sin embargo, el diseño
de los miembros horizontales o vigas suele
regirse sólo por los esfuerzos flexionantes y
cortantes, ya que las fuerzas axiales en
esos miembros por lo común son
pequeñas.
http://paginas.seccionamarilla.com.mx/estru
cturas-reforzadas-en-vallarta-sa-de-
cv/estructuras-metalicas/jalisco/puerto-
vallarta/-/de-las-juntas-delegacion/

15. 2. Juntas o Nodos: se denomina Juntas o nodos a los
puntos de concurso de varios elementos. Es decir al
medio de conexión de dos o más elementos.
Normalmente se representa un nodo con un punto el
mismo que corresponde a la intersección de los
elementos que concurren a él.
En un sentido más técnico se les llama Conexiones.
Estas pueden ser Rígidas o articuladas.
Fuente: Aguiar Falconi (2004)

16. Conexiones rígidas: impiden las traslaciones y
rotaciones relativas de los miembros conectados a ella;
es decir todos los extremos de miembros conectados a
una unión rígida tienen las mismas traslación y
rotación. En otras palabras, se mantienen los ángulos
originales que existen entre los miembros que se
interceptan en una unión rígida, después que la
estructura se ha deformado bajo la acción de cargas.
Por lo tanto, esas juntas son capaces de transmitir
fuerzas así como momentos entre los miembros
conectados. Suelen representarse por puntos en las
intersecciones de los miembros.

17. Conexión o junta articulada: solo impide las
traslaciones relativas de los extremos de los miembros
conectados a ella; es decir, todos los extremos de los
miembros conectados a una unión articulada tienen la
misma traslación, pero pueden tener rotaciones
diferentes. Por tanto, esas juntas son capaces de
transmitir fuerzas, pero no momentos, entre los
miembros conectados. Se representan por lo general
por círculos pequeños en las intersecciones de los
miembros.
Conexión
Rígida
Conexión
Articulada

18. 3. Apoyos: los apoyos se
usan para sujetar las
estructuras al suelo o a otros
cuerpos, restringiendo de este
modo sus movimientos bajo la
acción de las cargas aplicadas.
Las cargas tienden a mover las
estructuras; pero los apoyos
impiden los movimientos al
ejercer fuerzas, o reacciones,
que se oponen para
neutralizar los efectos de esas
cargas, manteniendo de este
modo las estructuras en
equilibrio.

19. Los principales apoyos estudiados son:
El apoyo simple o rodillo: ofrece resistencia al
movimiento sólo en una dirección perpendicular a la
superficie de apoyo bajo el rodillo. No presenta
resistencia a ligeras rotaciones respecto al eje del rodillo
ni a movimientos paralelos a la superficie de apoyo. La
única incógnita es la magnitud de la fuerza necesaria
para evitar el movimiento perpendicular a la superficie
de apoyo.

20. El apoyo articulado o simplemente “articulación”: este tipo
de soporte impide el movimiento en dirección vertical y/u
horizontal, pero no impide ligeras rotaciones alrededor del
pasador. Hay por tanto dos fuerzas desconocidas, en una
articulación: las magnitudes de las fuerzas necesarias
para impedir el movimiento horizontal y vertical.

21. Empotramiento: ofrece
resistencia a la rotación
alrededor del soporte y al
movimiento horizontal y
vertical. Se tiene aquí tres
incógnitas: las magnitudes
de las fuerzas para impedir
el movimiento vertical y
horizontal y la magnitud de
la fuerza para impedir la
rotación.

22. Tipos de Análisis Estructural
El Análisis estático estudia principalmente la acción que
generan cargas estáticas (fijas) sobra la estructura.
Algunas cargas en movimiento son consideradas cargas
fijas sobre éstas debido principalmente a que no generan
excitación en la masa de la estructura. Sin embargo,
cuando existen fuerzas actuando sobre la estructura que
generan grandes movimientos en el tiempo, es necesario
hacer un análisis dinámico. Estas acciones principalmente
son el viento y los sismos; pero también pueden
considerarse fuertes impactos de maquinas o explosiones.

23. Es muy difícil encontrar estructuras en el plano
(bidimensionales). Las estructuras principalmente son
tridimensionales. Sin embargo para facilitar los
procedimientos se “consideran” estructuras planas. Para
realizar este análisis siempre se idealiza la estructura, éste
procedimiento consiste en representarla con “líneas
unidimensionales normalmente coincidentes con los ejes
geométricos de los miembros” (González C. Pág. 15). Sin
embargo los avances que se han tenido hoy en día,
permiten modelar y analizar estructuras tridimensionales por
medio del computador.
Otro tipo de análisis que se realiza a las estructuras depende
del material y su comportamiento bajo la acción de las
cargas aplicadas, además de las deformaciones que se
pueden presentar en las estructuras. Hablamos entonces de
análisis lineal y no lineal.

24. Toda estructura se deforma bajo la acción de cargas
externas. Si al retirar dicha carga de la estructura, ésta
vuelve a su forma original, se dice que estamos frente a
una estructura lineal. En otras palabras, existe una relación
lineal entre la carga y los desplazamientos y responde
principalmente a que el material constituyente de la
estructura cumple con la Ley de Hooke (hipótesis básica
de la Teoría de la Elasticidad) y en que los
desplazamientos son infinitésimos.
P: carga aplicada
u: deformación.

25. Pero sí, al retirar la carga que ha generado una
deformación en la estructura, ésta no vuelve a su posición
original, nos encontramos con una estructura de
comportamiento No lineal. Se dice que existen
deformaciones y desplazamientos remanentes y responde
principalmente a que el material no cumple con la Ley de
Hooke (No linealidad física) y/o cuando la estructura es
sumamente deformable (No linealidad geométrica).
P: carga aplicada
u: deformación.

26. Cuando pueden calcularse las reacciones
de una estructura por medio de las 3
ecuaciones de la estática, se dice que es
una estructura Estáticamente
determinada o Isostática . Pero cuando
el número de reacciones en los apoyos
es mayor que el número de ecuaciones
de equilibrio estático se dice que es una
estructura Estáticamente Indeterminada
o Hiperestática, conociéndose como las
redundantes todas aquellas reacciones
en exceso que no pueden ser halladas
sino se aplican métodos destinados a
resolver estructuras indeterminadas. El
número de redundantes se conoce como
el grado de indeterminación externa de
la estructura.
Viga Isostática
Marco Hiperestático

27. Visite:
http://raydeacero.blogspot.com/2012/02/tipos-de-uniones-acero-
estructural.html
http://estructuras.eia.edu.co/estructurasI/conceptos%20fundamentales/conce
ptos%20fundamentales.htm
Material Referencial:
Aguiar Falconi, R. (2004) Análisis Matricial de Estructuras. Editorial 3° Ed.
Álvarez L, B (s/f). Calculo de Estructuras. Sin más datos.
González, O. (2009) Análisis Estructural. Editorial Limusa. 1° Ed.
Hsieh, Y (1973) Teoría Elemental de Estructuras. Editorial Prentice/Hall. 1° Ed. En
español.
Kassimali, A. (2001) Análisis Estructural. Editorial Thomsom Learning. 2° Ed.
Introducción y definiciones básicas. Cátedra de Estructuras III. Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de La Plata.