🏗️ Tema 30: Edificación: física, esfuerzos y sistemas constructivos

Diputación Provincial de Cuenca · Servicio de Prevención y Extinción de Incendios, Protección Civil y Emergencias (SPEIN) · Mecánico/a Bombero/a Conductor/a

Resumen

Este tema es el 8 de la parte específica del anexo III de las bases y sigue el capítulo 1 (Caracterización) de la parte 1, «Edificaciones», del Manual de riesgos tecnológicos y asistencias técnicas del CEIS Guadalajara: conceptos de física (apartado 2), acciones en la edificación (3), esfuerzos y tensiones (4) y sistemas constructivos básicos (6). 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.

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.
• Elementos estructurales, complementarios y auxiliares (el apeo es auxiliar).
• Periodo de servicio CTE: 50 años.
• Apoyo 1 coacción, articulación 2, empotramiento 3. GL = C isostática; GL < C hiperestática; GL > C mecanismo.

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