Un soporte estructural es una parte de un edificio o estructura que proporciona la rigidez y la resistencia necesarias para resistir las fuerzas internas (fuerzas verticales de gravedad y fuerzas laterales debidas al viento y los terremotos) y guiarlas de forma segura hasta el suelo. Las cargas externas (acciones de otros cuerpos) que actúan sobre los edificios provocan fuerzas internas (fuerzas y pares del resto de la estructura) en las estructuras de soporte de los edificios. Los soportes pueden estar en el extremo o en cualquier punto intermedio a lo largo de un elemento estructural o una parte constituyente de un edificio y se denominan conexiones, juntas o restricciones. [1]
Las estructuras de soporte de los edificios, sin importar los materiales que se utilicen, deben brindar resultados precisos y seguros. Una estructura depende menos del peso y la rigidez de un material y más de su geometría para su estabilidad. [2] Cualquiera que sea la condición, es necesaria una rigidez específica para los diseños de conexión. El tipo de conexión de soporte tiene efectos en la capacidad de carga de cada elemento, que compone un sistema estructural. Cada condición de soporte influye en el comportamiento de los elementos y, por lo tanto, del sistema. Las estructuras pueden ser sistemas de soporte de tramo horizontal (estructuras de piso y techo) o sistemas de estructura de construcción vertical (paredes, marcos, núcleos, etc.) [3]
La estructura es necesaria para los edificios, pero la arquitectura, como idea, no requiere estructura. Cada edificio tiene estructuras que soportan carga y partes que no la soportan. Los miembros estructurales forman sistemas y transfieren las cargas que actúan sobre los sistemas estructurales, a través de una serie de elementos al suelo. Los elementos de la estructura del edificio incluyen líneas ( vigas , columnas , cables , marcos o arcos , marcos espaciales , elementos de superficie (paredes, losas o láminas ) y formas libres. [3]
Los requerimientos funcionales de la estructura limitarán las posibles formas que se pueden considerar. Otros factores como la disponibilidad de materiales, las condiciones de cimentación, los requerimientos estéticos y las limitaciones económicas también juegan papeles importantes en el establecimiento de la forma estructural. [4] Los sistemas estructurales o todos sus miembros y partes se consideran en equilibrio si los sistemas están inicialmente en reposo y permanecen en reposo cuando un sistema de fuerzas y pares actúa sobre ellos. [5] No son aspectos de un modelo que deban adivinarse. Para poder analizar una estructura, es necesario tener claro las fuerzas que pueden ser bastante complicadas.
Hay dos tipos de fuerzas: las fuerzas externas, que son las acciones de otros cuerpos sobre la estructura en consideración, y las fuerzas internas, que el resto de la estructura ejerce sobre un miembro o parte de la estructura como fuerzas y pares. [6] Se requiere una pequeña deflexión o juego para que una estructura proteja a otros materiales circundantes de esas fuerzas.
Hay cinco tipos básicos de estructuras de soporte idealizadas, categorizadas por los tipos de deflexión que restringen: rodillo , pasador , fijo , colgador y soporte simple . [1]
Un soporte de rodillos permite la expansión y contracción térmica del tramo y evita daños en otros elementos estructurales, como un soporte articulado. La aplicación típica de los soportes de rodillos es en puentes de gran tamaño. En ingeniería civil, los soportes de rodillos se pueden ver en un extremo de un puente.
Un soporte de rodillo no puede impedir los movimientos de traslación en direcciones horizontales o laterales ni ningún movimiento de rotación, pero impide las traslaciones verticales. [1] [5] Su fuerza de reacción es una única fuerza lineal perpendicular a la superficie y que se aleja de ella (hacia arriba o hacia abajo). Se supone que este tipo de soporte es capaz de resistir el desplazamiento normal.
Pueden ser cojinetes de goma , balancines o un conjunto de engranajes que permiten una cantidad limitada de movimiento lateral. Una estructura sobre patines, por ejemplo, permanece en su lugar mientras solo deba sostenerse a sí misma. Tan pronto como una carga lateral empuja sobre la estructura, una estructura sobre patines se desplazará en respuesta a la fuerza.
Un soporte articulado une la única alma de una viga a una viga maestra , lo que se denomina conexión de corte. El soporte puede ejercer una fuerza sobre un miembro que actúe en cualquier dirección y evitar movimientos de traslación o desplazamiento relativo de los extremos del miembro en todas las direcciones, pero no puede evitar ningún movimiento de rotación . [1] Sus fuerzas de reacción son fuerzas lineales simples de dirección desconocida o fuerzas horizontales y verticales que son componentes de la fuerza única de dirección desconocida. [5]
Un soporte articulado es como un codo humano. Puede extenderse y flexionarse (rotación), pero no puede mover el antebrazo de izquierda a derecha (traslación). Una ventaja de los soportes articulados es que no tienen fuerzas de momento internas y solo su fuerza axial juega un papel importante en su diseño. Sin embargo, un solo soporte articulado no puede sujetar por completo una estructura. Se necesitan al menos dos soportes para resistir el momento. [7] La aplicación en cerchas es una forma frecuente en la que podemos utilizar este soporte.
Los apoyos rígidos o fijos mantienen la relación angular entre los elementos unidos y proporcionan resistencia tanto a la fuerza como al momento. Ejercen fuerzas que actúan en cualquier dirección y evitan todos los movimientos de traslación (horizontales y verticales) así como todos los movimientos de rotación de un miembro. Las fuerzas de reacción de estos apoyos son componentes horizontales y verticales de una resultante lineal ; un momento. [5] Es un tipo de apoyo o conexión rígido. La aplicación del apoyo fijo es beneficiosa cuando solo podemos usar un apoyo único, y la gente usa más ampliamente este tipo como el único apoyo para un voladizo . [7] Son comunes en conexiones de viga a columna de marcos de acero resistentes a momentos y conexiones de viga, columna y losa en marcos de hormigón.
Un soporte de suspensión ejerce únicamente una fuerza y evita que un elemento actúe o se traslade en la dirección de la suspensión. Sin embargo, este soporte no puede evitar el movimiento de traslación en todas las direcciones ni ningún movimiento de rotación. [1] [5] Esta es una de las formas estructurales más simples en las que los elementos están en tensión pura. Las estructuras de este tipo varían desde estructuras simples atirantadas o atirantadas hasta grandes sistemas de puentes y techos soportados por cables. [4]
Un soporte simple es básicamente el lugar donde el elemento estructural reposa sobre una estructura externa, como dos bloques de hormigón que sostienen una tabla de madera en sus partes superiores. Este soporte es similar al soporte de rodillos en el sentido de que restringe las fuerzas verticales, pero no las fuerzas horizontales. Por lo tanto, no se utiliza mucho en estructuras de la vida real a menos que el ingeniero pueda estar seguro de que el elemento no se trasladará. [7]