🏗️ Tema 20: Edificación: física, esfuerzos, materiales y sistemas constructivos

Concello da Coruña · Servizo de Extinción de Incendios e Salvamento · Bombero/a

Resumen

Tema 12 de la parte específica del anexo II de tus bases (el 20 aquí). El epígrafe oficial, en gallego, dice: «Edificacións. Caracterización: Conceptos da física aplicados á edificación. Accións na edificación. Esforzos/tensión. Materiais de construción. Sistemas construtivos básicos empregados na construción. Elementos estruturais máis comúns da edificación». Aquí lo tienes explicado en castellano; el cuestionario lo haces en gallego o en castellano, según marcaste en la solicitud (no se puede cambiar después). Para los temas 1 a 25 de la parte específica las bases dan como bibliografía los manuales «Formación Libre para Bombeiros» del CEIS Guadalajara.

El manual es de 2015; donde cita normas, manda el texto vigente del Código Técnico de la Edificación (CTE, Real Decreto 314/2006) y, para el hormigón y el acero, el Código Estructural (Real Decreto 470/2021), que derogó la EHE-08 y la EAE que menciona el manual.

Fuerza: magnitud vectorial que representa la interacción entre cuerpos; F = m · a y se mide en newtons (1 N = 1 kg·m/s²). La definen su módulo, dirección, sentido y punto de aplicación. Rigen las tres leyes de Newton: inercia (un cuerpo sigue en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si no actúa una fuerza), ley fundamental (fuerza = masa × aceleración) y acción y reacción (toda fuerza tiene otra igual y de sentido contrario). Un par de fuerzas son dos fuerzas paralelas, iguales y de sentido contrario; su momento es la fuerza por la distancia perpendicular entre ellas (brazo), en N·m. El manual toma como positivo el giro horario y como negativo el antihorario, y llama momento resistente o de empotramiento a la reacción que impide el giro. La palanca está en equilibrio cuando P · dp = R · dr: a más brazo de potencia, menos fuerza.

Equilibrio estático: no hay movimientos, así que la suma de fuerzas y la suma de momentos de cada cuerpo son cero (ΣF = 0, ΣM = 0). El centro de gravedad es el punto donde puede considerarse concentrado el peso y no tiene por qué ser un punto material (en una esfera hueca está en el centro, fuera del material). Un cuerpo apoyado está en equilibrio estable mientras la vertical de su centro de gravedad cae dentro de la base de apoyo. Elasticidad es la capacidad de deformarse de forma reversible; superado el límite elástico, el material entra en régimen plástico y la deformación es permanente. Ley de Hooke: σ = E · ε. Módulos de Young del manual: acero 210.000 N/mm², fundición 100.000 (se deforma el doble que el acero), hormigón 21.500-39.000, fábrica de ladrillo 3.000-5.000.

Comportamiento térmico: cuanto menor es el coeficiente de conductividad térmica (W/m·K), más aislante es el material (corcho, fibra de vidrio, poliuretano). El coeficiente de dilatación lineal del acero es 0,000012 por °C y el del hormigón es prácticamente el mismo, lo que permite que trabajen juntos en el hormigón armado; aplicándolo, una viga de 10 m que se calienta 100 °C se alarga 1,2 cm. En un incendio esos alargamientos empujan lateralmente a otros elementos y pueden provocar el colapso.

Acciones en la edificación (CTE DB SE-AE). Permanentes: peso propio, pretensado y acciones del terreno (pesos específicos del anejo C: hormigón normal 24 kN/m³, 1 kN/m³ más si es armado; acero 77-78,5). Variables: sobrecarga de uso (viviendas y habitaciones de hospitales y hoteles, 2 kN/m² y 2 kN de carga concentrada; zonas de acceso público, de 3 a 5 kN/m²), acciones sobre barandillas y elementos divisorios, viento (valor simplificado de presión dinámica 0,5 kN/m² en todo el territorio), acciones térmicas (pueden no considerarse en hormigón o acero si no hay elementos continuos de más de 40 m, con juntas de dilatación) y nieve (1,0 kN/m² en cubiertas planas de localidades por debajo de 1.000 m de altitud). Accidentales: sismo (norma NCSE-02, Real Decreto 997/2002, obligatoria en general desde una aceleración sísmica básica de 0,04 g), incendio (DB SI) e impacto (vehículos de hasta 30 kN: 50 kN en la dirección de la vía y 25 kN en la perpendicular, no simultáneas).

Esfuerzos y tensiones. Las cargas producen esfuerzos que se traducen en tensiones internas; la tensión es la fuerza por unidad de área (el manual usa N/mm², que es lo mismo que un megapascal). La tensión de rotura es la máxima que soporta el material en laboratorio, sin coeficientes; la de trabajo es la admisible con coeficientes de seguridad, del orden del 70-80 % del límite elástico según el manual. Esfuerzos simples: compresión (las partículas se aprietan: pilares, muros, pies derechos, puntales), tracción (se separan: tirantes) y cortante o cizalladura (deslizan unas sobre otras por fuerzas paralelas no coincidentes: encuentro de viga y pilar). Esfuerzos compuestos: flexión (carga transversal en pieza longitudinal; en una viga biapoyada tracciona abajo y comprime arriba, en un voladizo al revés), pandeo (piezas esbeltas comprimidas en su directriz) y torsión.

En una viga a flexión, las fibras extremas solo tienen tensiones normales (compresiones y tracciones) y la fibra neutra, que pasa por el centro de gravedad de la sección, solo tensiones de cortante; el cortante vertical es máximo en la fibra neutra. Una carga puntual da un cortante constante entre cargas y un momento flector que varía linealmente; una carga uniformemente repartida da un cortante que varía linealmente y un flector parabólico. Con la misma carga, los momentos cambian según cómo sean los nudos de los extremos.

Sistemas constructivos básicos. El manual divide la edificación en elementos estructurales (capacidad portante: forjados, pilares, cimentaciones), complementarios (cerramientos, particiones, instalaciones, acabados) y auxiliares (andamios, cimbras, encofrados o apeos, que solo están durante la obra o la reparación). Capacidad portante es la aptitud de asegurar estabilidad y resistencia durante el periodo de servicio, que el CTE DB SE fija en 50 años si no se indica otro; aptitud al servicio es limitar deformaciones y anomalías. El CTE (desde 2006, desarrolla la Ley de Ordenación de la Edificación) tiene documentos básicos de seguridad (SE, con AE, C, A, F y M; SI; SUA) y de habitabilidad (HS, HR, HE). Para valorar una estructura el bombero mira tres factores: geometría, rigidez y materiales. La geometría manda: un cable libre adopta la forma funicular (catenaria si solo carga su peso, parábola con carga uniforme en proyección horizontal), y al aumentar la flecha bajan los esfuerzos internos; los arriostramientos absorben las componentes horizontales.

Rigidez: capacidad de soportar esfuerzos sin deformarse en exceso. En el plano, un cuerpo tiene tres grados de libertad (desplazamiento vertical, horizontal y giro), que las coacciones limitan. Nudos: apoyo (1 coacción, 2 grados de libertad: solo impide el desplazamiento vertical), articulación (2 coacciones, 1 grado: permite solo el giro) y empotramiento (3 coacciones, 0 grados). Comparando grados de libertad (GL) y coacciones (C): GL = C, isostática (estable con lo justo; la temperatura no crea tensiones, pero si falla un elemento colapsa); GL < C, hiperestática (más segura, reparte esfuerzos si falla un elemento, pero sensible a asientos, desplazamientos de nudos y temperatura); GL > C, hipostática o mecanismo (inestable). Ante una patología: fase 0, equilibrio previo; fase 1, equilibrio de la estructura dañada; fase 2, soluciones, empezando por la más sencilla y la de menor peligro para los intervinientes, como un apeo junto al nudo sin movimientos.

Para un bombero, el edificio es el escenario de trabajo: saber cómo está hecho te dice por dónde puede caer. No hay manual del tribunal, así que la referencia es el Manual de riesgos tecnológicos del CEIS Guadalajara (parte 1, «Edificaciones», capítulo de caracterización) y el Código Técnico de la Edificación (RD 314/2006), con sus documentos básicos de seguridad estructural (DB SE, SE-AE, SE-C, SE-A, SE-F, SE-M), de incendio (DB SI) y de utilización y accesibilidad (DB SUA). El DB SE fija, a falta de indicaciones específicas, un periodo de servicio de 50 años.

Tipos de edificios según su época. Antes del siglo XX se construía de forma empírica, sin normas: gruesos muros de carga de piedra (sillar, sillarejo, mampuesto) o de tierra (adobe, tapial), con huecos pequeños, y entramados de madera para las casas populares de más de dos alturas. De 1900 a 1939 se consolidan los entramados, primero de madera y luego de hormigón y metálicos. De 1940 a 1965, con la guerra y la posguerra, la escasez de acero y hormigón devuelve los entramados de madera y las fábricas. De 1965 a 1990, con el primer boom (años 70), se imponen los entramados de hormigón y acero. De 1990 a 2010, en el segundo boom, llegan la prefabricación y la modulación. Esto te permite prever con qué estructura te vas a encontrar.

Materiales de construcción. Pétreos naturales (rocas ígneas como el granito o el basalto, sedimentarias y metamórficas) y artificiales: conglomerantes aéreos (yeso, cal aérea), hidráulicos (cal hidráulica, cemento) y bituminosos (alquitrán, betún, asfalto); con ellos se hacen pastas, morteros y hormigón, y los elementos de fábrica (adobe, ladrillo cerámico, bloque de hormigón). Metálicos (el acero, con un módulo de elasticidad de unos 210.000 N/mm²) y orgánicos (madera maciza, laminada encolada, microlaminada, tableros). Por su comportamiento, los materiales tenaces (madera, acero) trabajan bien a compresión y a tracción, y los frágiles o «másicos» (piedra, ladrillo) resisten bien la compresión pero mal la tracción, por lo que no soportan flexiones.

Elementos y sistemas. El manual distingue elementos estructurales (reciben y transmiten cargas: cimentaciones, pilares, forjados), complementarios (cerramientos, particiones, instalaciones, acabados) y auxiliares (andamios, cimbras, encofrados y apeos). Los nudos pueden ser apoyo (impide el desplazamiento vertical; 1 coacción), articulación (impide desplazamientos y deja girar; 2 coacciones) y empotramiento (lo impide todo; 3 coacciones). Una estructura isostática tiene el equilibrio justo y, si falla un elemento, colapsa; la hiperestática tiene más elementos de los necesarios y reparte esfuerzos si uno falla; la hipostática es un mecanismo inestable. Sistemas constructivos básicos: muros de carga, sistemas entramados o porticados (pilares y vigas), pórticos triangulados y arcos.

Cimentación. Directa o superficial cuando reparte las cargas en un plano de apoyo horizontal a poca profundidad: zapatas aisladas (bajo pilares; cuadradas las interiores y rectangulares las de medianería), combinadas (dos o más pilares próximos), corridas (bajo muros o tres o más pilares alineados), emparrillados, losas (cubren toda la planta, útiles en terrenos poco homogéneos) y pozos de cimentación, para estratos resistentes a 4-6 m. Las vigas de atado arriostran las cimentaciones y las vigas centradoras absorben los giros de las zapatas excéntricas de medianería y esquina. Es profunda cuando su extremo inferior está a más de 8 veces su diámetro o ancho (CTE DB SE-C): pilotes aislados, grupos de pilotes, zonas pilotadas y micropilotes (típicos de ampliaciones de edificios existentes). Además están los elementos de contención de tierras.

Muros y pórticos. Los muros de carga pueden ser conformados, de fábrica (piezas colocadas según un aparejo, trabadas y con las juntas verticales desplazadas; la categoría más importante) o entramados de madera (carreras, pies derechos, tornapuntas, cruces de San Andrés). Se arriostran con muros perpendiculares frente a esfuerzos horizontales. Un muro de revestimiento reviste a otro sin traba y no contribuye a su resistencia, y un muro sin carga puede eliminarse sin dañar el resto. En los entramados los pilares llevan las cargas a la cimentación y las vigas reciben las de los forjados: de madera (carreras, de hasta unos 5 m), de acero (perfiles en I o doble T) o de hormigón; las vigas de cuelgue sobresalen bajo el forjado y las planas quedan embebidas en su canto.

Forjados. Elemento generalmente horizontal que trabaja a flexión, lleva las cargas a vigas, muros o pilares y además solidariza cada planta y reduce el pandeo de los pilares. Unidireccionales: nervios o viguetas (in situ, semiviguetas que no resisten hasta hormigonar, viguetas autoportantes pretensadas o losas alveolares), piezas de entrevigado o bovedillas sin función resistente (aligeran; deben aguantar a una persona, 1 kN) y capa de compresión con mallazo que reparte las cargas. Las viguetas suelen ir a 0,60-0,90 m (hasta 1,20 m); las luces rondan los 4 m en madera y los 6 m en acero y hormigón. Los huecos se abren con brochales y viguetas cojas. Bidireccionales: losa maciza y forjado reticular, que se macizan alrededor del pilar formando el ábaco. Mixtos: chapa colaborante de acero grecado con hormigón.

Fachadas y cubiertas. Los cerramientos pesados superan los 100 kg/m² (de una hoja, trasdosado con cámara y tabique, tabique pluvial para medianeras que quedan al aire al desaparecer el edificio vecino); los ligeros pesan menos de 100 kg/m² y tienen 10-15 cm: el muro cortina es una fachada ligera continua colgada de los forjados y la fachada panel, discontinua. La barrera de vapor va por la cara caliente y se consideran aislantes los materiales con λ < 0,08 W/m·°C. Las cubiertas inclinadas pueden ser a una, dos o cuatro aguas, de mariposa, mansarda o en dientes de sierra (shed, con el faldón acristalado al norte); tradicionalmente se apoyan en tabiques palomeros. Las planas suelen tener menos del 5 % de pendiente y pueden ser transitables, no transitables o ajardinadas; en la invertida el aislante va sobre la impermeabilización, la cubierta a la catalana es fría y ventilada y la deck es metálica y ligera. En el encuentro con un paramento vertical, la impermeabilización sube al menos 20 cm por encima de la protección de la cubierta (CTE DB HS 1, 2.4.4.1.2).

Escaleras. Elementos: zanca (viga inclinada que recoge las cargas), tablero o losa, peldaños (huella y contrahuella o tabica), mesetas y barandillas. El CTE DB SUA 1 (4.2) exige en escaleras de uso general huella de 28 cm como mínimo en tramos rectos, contrahuella de 13 a 18,5 cm (máximo 17,5 cm en uso público o sin ascensor alternativo) y la relación 54 cm ≤ 2C + H ≤ 70 cm; cada tramo tendrá al menos 3 peldaños y salvará como máximo 2,25 m en zonas de uso público o sin ascensor alternativo, y 3,20 m en los demás casos; pasamanos si se salvan más de 55 cm, a entre 90 y 110 cm. El DB SI clasifica las escaleras en abiertas, protegidas, especialmente protegidas (con vestíbulo de independencia en cada acceso) y abiertas al exterior, que se asimilan a especialmente protegidas.

Claves para el examen

• Fuerza: vectorial, F = m · a, en N (kg·m/s²). Módulo, dirección, sentido y punto de aplicación.
• Newton: 1.ª inercia, 2.ª F = m · a, 3.ª acción y reacción.
• Momento = fuerza × brazo (N·m). Palanca: P · dp = R · dr.
• Equilibrio: ΣF = 0 y ΣM = 0. Estable si el centro de gravedad cae en la base.
• Hooke: σ = E · ε. E acero 210.000 N/mm²; la fundición se deforma el doble.
• Dilatación acero ≈ hormigón ≈ 0,000012 /°C.
• Acciones CTE: permanentes, variables y accidentales.
• Vivienda 2 kN/m²; viento 0,5 kN/m²; nieve 1,0 kN/m² (< 1.000 m); juntas cada 40 m.
• Sismo NCSE-02 desde 0,04 g. Impacto: 50 kN paralelo, 25 kN perpendicular.
• Simples: compresión, tracción, cortante. Compuestos: flexión, pandeo, torsión.
• Viga biapoyada: tracción abajo; voladizo: tracción arriba.
• Fibra neutra: solo cortante (máximo). Carga repartida: flector parabólico.

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