El esfuerzo normal en estructuras

Qué es el esfuerzo normal, cuándo se produce y qué consecuencias tiene sobre el material.

Abordaremos en las siguientes entradas los conceptos básicos de las solicitaciones o esfuerzos en una estructura, referido a estructuras de barras, aunque los conceptos son extrapolables a otros tipos de elementos como losas, muros o láminas.

Como veíamos en el artículo sobre tipos de solicitaciones, las solicitaciones o esfuerzos son las fuerzas internas de una estructura, que ponen en equilibrio las cargas con las reacciones de la estructura, todas éstas fuerzas ajenas a la estructura e impuestas a ella.

¿Qué es el esfuerzo normal en estructuras?

Comenzando por el esfuerzo más intuitivamente sencillo, se llama esfuerzo normal en una barra a la fuerza que es perpendicular -normal- a una sección recta de la misma.

Tomamos como ejemplo de estructura sencilla la formada por la percha del pozo, la cuerda y el cubo con agua, como vemos en la imagen de portada. La carga es el cubo con el agua, las reacciones aparecen así en ambos apoyos de la percha. El normal es el esfuerzo interno tanto en el cable que sujeta el cubo como en ambos apoyos de la percha sobre el brocal del pozo. Podría asemejarse a la tensión en los pilares de un pórtico, si sólo tenemos en cuenta el peso de la cubierta.

Si la fuerza va contra la sección de la barra se denomina compresión. Si la fuerza sale de la sección se denomina tracción. Ambas situaciones son en principio la misma, pero cambiando simplemente el signo de la fuerza, pero veremos que no es tan simple la cuestión.

En cualquier caso, la fuerza normal se resiste gracias a tensiones en el material de la barra, y que son paralelas y de igual signo que la fuerza. Si hay compresión, las tensiones también comprimen el material. Y si hay tracción, tracción sufrirá el material. Salvo condiciones especiales, la fuerza se reparte en una tensión de valor constante en todos los puntos de la sección. Esta tensión tiene de valor la fuerza dividida por el área de la sección de la barra.

Elasticidad y esfuerzo normal en estructuras

Todos los materiales tienen -simplificando un poco- dos propiedades mecánicas que los definen. Una es la rigidez, definida por el módulo de Young o de elasticidad, que mide la tensión que hace falta para que un material incremente o decremente su dimensión en la misma cantidad que su dimensión original sin tensión, y en la misma dirección y sentido que la tensión. Suele denominarse este módulo con la letra E.

esfuerzo normal en estructuras y límite elástico. Gráfica tensión-deformación

Entonces, resulta que si sometemos un material a una tensión, éste se deformará en proporción inversa a su módulo de elasticidad y proporcionalmente a la tensión producida. A la relación entre tensión y módulo de deformación se la denomina deformación unitaria, que viene a decirnos en tantos por uno cuánto se deforma el material respecto de su dimensión original. La otra propiedad es el llamado límite elástico, que mide la máxima tensión para la que lo anterior es cierto. A partir de ese valor de tensión ya no se respeta la anterior ley expuesta. Ese límite elástico suele ser el valor para el que se toma la resistencia del material, especialmente en los metálicos como el acero o el aluminio

Esfuerzo normal y deformación asociada

Por tanto, cuando una barra está sometida a un normal, está sometida a tensiones paralelas a la dirección de la barra. Por eso se llama axil, porque se da para el esfuerzo normal, por ser tensiones paralelas al eje de la barra. Esas tensiones provocan deformaciones paralelas a la dirección de la barra que, acumuladas a lo largo de ella, hacen que la barra altere su longitud al someterse a un normal.

esfuerzo normal en estructuras, tensión y deformación

Como la deformación sigue el signo y la dirección de la tensión, cuando hay compresiones la barra tenderá a acortarse y cuando hay tracciones, a alargarse. Simplificando, la tracción se produce cuando se estira la barra y la compresión cuando la barra se acorta.

esfuerzo normal en estructuras, compresión y tracción

Es importante ver que tensiones y deformaciones, como fuerzas y desplazamientos, son indisociables y que no existen de manera independiente.

En el caso del normal, la aparente igualdad de comportamiento en tracción o compresión no es completamente cierta, sino que el tipo de material y los problemas de estabilidad ligados a la compresión -el pandeo- hacen que sean en realidad dos esfuerzos muy distintos en comportamiento mecánico. Este aspecto lo veremos más adelante.

Si el artículo te ha gustado te agradecemos que lo compartas en tus redes sociales, más abajo tienes los enlaces.

También te invitamos a que nos dejes algún comentario, que responderemos encantados.

BUSCAR AQUÍ

e-STRUC, tu App online para calcular estructuras

Desarrollada con dedicación exclusiva por Euteca, la consultora de estructuras líder del mercado hispano