Fundamentos del análisis estructural: cargas, recorrido de las cargas y elegir el modelo adecuado
La página de orientación. Qué hace realmente un análisis, cómo llega una carga desde donde cae hasta el terreno y —la pregunta que las demás guías no pueden responder porque las atraviesa— a cuál de las cinco herramientas echar mano.
Qué es un análisis y qué no lo es
El análisis estructural responde a una pregunta: dada esta estructura y estas cargas, ¿qué esfuerzo lleva cada parte y cuánto se mueve todo? Es aritmética sobre un modelo: objetiva, comprobable e igual para todos.
El dimensionado viene después: ¿es admisible ese esfuerzo para este material, este perfil, esta unión y esta norma? En el dimensionado viven el criterio, las normas y los coeficientes de seguridad. Todas las herramientas de este sitio hacen análisis. Ninguna hace una comprobación normativa, y ninguna finge hacerla: lo que te dan es el dato honesto que necesita esa comprobación.
En la distancia entre ambos es donde ocurren la mayoría de los errores reales. Un análisis puede ser perfectamente correcto y aun así no servir para nada, porque el modelo tenía la forma equivocada para esa estructura. De eso trata el resto de esta página.
Cargas: para qué analizas
- Permanentes (G): constantes y conocidas, como el peso propio, los morteros, los acabados y las instalaciones. No se van nunca, así que son la única carga sobre la que puedes estar tranquilo.
- Sobrecarga de uso (Q): la ocupación, es decir, personas, mobiliario, mercancía, vehículos. Las normas la tabulan por usos, y como se mueve, encontrar su posición más desfavorable forma parte del problema.
- Viento (W): presión y succión, las dos. La succión levanta las cubiertas, y una cubierta ligera sometida a levantamiento puede meter a sus barras en el esfuerzo contrario al de gravedad.
- Nieve (S) y lluvia (R): incluida la acumulación contra los petos y el encharcamiento, en el que la flecha deja que se acumule agua y esa agua de más produce todavía más flecha.
- Sismo (E): la inercia debida al movimiento del terreno, gobernada por la masa y por la rigidez de la estructura.
- Térmicas (T) y deformaciones impuestas: dilatación coaccionada, asientos de apoyo, una barra fabricada con la longitud equivocada. Producen esfuerzos sin que se aplique ninguna carga, y solo en estructuras hiperestáticas.
Las calculadoras etiquetan cada carga con su hipótesis y construyen por ti las combinaciones y la envolvente, de modo que obtienes el efecto más desfavorable en cada posición y no el peor de una sola hipótesis. Los coeficientes los pones tú: son de tu norma, no de una web.
El equilibrio, y la comprobación que no cuesta nada
Una estructura que no se mueve está en equilibrio: las fuerzas se compensan en todas las direcciones y los momentos se compensan respecto a todos los puntos. En el plano son tres ecuaciones —ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0— y todo lo demás del análisis se construye encima de ellas.
Cuando las reacciones incógnita son tres o menos, esas ecuaciones bastan y la estructura es isostática. Si son más de tres, es hiperestática: las reacciones de más dependen de la rigidez relativa, y por eso todas las herramientas de aquí ejecutan el método directo de la rigidez y no solo el equilibrio.
Sea cual sea el método, comprueba el total. Suma las reacciones verticales que da la herramienta y compáralas con la carga que aplicaste. Cuesta cinco segundos, no exige teoría y pilla los dos errores de modelado más frecuentes que existen: una carga metida con el signo equivocado y una carga metida dos veces.
El recorrido de las cargas, y cuánto lo cambia el detalle
Toda carga sigue un camino hasta el terreno: losa → viga secundaria → viga principal → pilar → zapata → suelo. Trazarlo es lo primero que hay que hacer con cualquier estructura, porque cada eslabón de esa cadena es un modelo de análisis, y la reacción de un eslabón es la carga del siguiente.
La forma por sí sola no fija el camino. Aquí tienes un mismo pórtico —6 m de luz, pilares de 4 m, 10 kN/m en el dintel— con dos detalles de base distintos:
No cambió nada de la geometría ni de la carga, y aun así cambió casi todos los números. Empotrar los pies redistribuye más que reducir: los aleros trabajan más, el centro del vano menos, el momento determinante baja un poco, el empuje crece la mitad otra vez y aparecen 11.1 kN·m en una zapata que antes no tenía ninguno. Acero algo más ligero, una cimentación bastante más cara y un pórtico que se desploma mucho menos con el viento.
Eso es un compromiso de ingeniería de verdad, y resulta completamente invisible si el pórtico no se modela como pórtico. También recuerda que «más rígido» no es sinónimo de «mejor»: mueve el problema de sitio, y hay que mirar adónde se ha ido.
Y ese es también el argumento para usar la calculadora de pórticos en vez de analizar ese dintel como una viga aislada: una viga aislada no puede saber que sus apoyos impiden el giro, así que no puede encontrar ni el momento en la base ni el empuje horizontal que lo acompaña.
¿Qué modelo? Una decisión, no una preferencia
La elección de más consecuencias de un análisis es qué idealización usar. La regla práctica: pregúntate si los nudos transmiten momento y si la carga cae entre ellos.
| Herramienta | Échale mano cuando | Te da |
|---|---|---|
| Viga | Una sola barra que salva la distancia entre apoyos, cargada transversalmente. Vigas de forjado, dinteles, correas, vigas de puente, voladizos y tramos continuos sobre varios apoyos. | Las reacciones, y el cortante, el momento flector, el axil y la flecha a lo largo del vano. |
| Celosía | Un entramado triangulado, de nudos articulados, cargado solo en los nudos. Cerchas de cubierta, celosías de puente, torres de transporte de energía. | El esfuerzo axil de cada barra, a tracción o a compresión, más los desplazamientos de los nudos. |
| Pórtico | Barras que flectan Y comparten momento en sus nudos. Pórticos, pórticos rígidos de varias plantas, cualquier cosa que se desplome lateralmente. | Las reacciones, y los diagramas de axil, cortante y momento en cada barra del pórtico. |
| Sección | La sección no es de catálogo. Vigas armadas, vigas con platabandas, forjados mixtos, carriles, secciones con huecos. | A, I, Z, S, r, los ejes principales y el eje neutro plástico. |
| Editor de informes | El análisis tiene que salir de tu pantalla: una entrega, un juego de comprobaciones, algo que firma un revisor. | Un documento al nivel de Word, con los diagramas vivos y las tablas de resultados insertados desde las calculadoras. |
Vale la pena nombrar dos casos frontera. Una celosía cargada entre nudos ya no es una celosía: el cordón flecta, y eso exige un modelo de pórtico o una comprobación local de viga aparte. Y una viga cuyos apoyos impiden el giro forma en realidad parte de un pórtico: modelarla sola queda del lado de la seguridad para la viga, porque los momentos que ve salen mayores, pero oculta en silencio el momento que se están llevando los pilares.
Cómo pasa un encargo por las cinco herramientas
- Traza el recorrido de las cargas y decide dónde empieza y dónde acaba cada análisis.
- Analiza cada elemento: viga, celosía o pórtico. Las reacciones de uno se convierten en las cargas del siguiente.
- Consigue las propiedades de sección: elige un perfil de catálogo de la biblioteca incorporada, o dibuja el real en la calculadora de secciones y devuelve su I directamente al análisis.
- Comprueba resistencia y servicio según tu norma, con los esfuerzos y las flechas máximos que da el análisis.
- Itera. Cambiar el perfil cambia el peso propio y por tanto la respuesta; las calculadoras vuelven a resolver mientras escribes, así que sale barato.
- Redáctalo: inserta los diagramas y las tablas de resultados en el generador de informes, para que las figuras del informe sean las que produjo el solucionador y no capturas de pantalla que se quedarán obsoletas.
También hay una API, por si ese bucle prefieres programarlo a hacerlo a clics: el mismo motor, las mismas respuestas, por HTTP.
Los coeficientes de seguridad, en breve
Las normas modernas usan el cálculo por estados límite: las cargas se mayoran, las resistencias de los materiales se minoran, y la comprobación consiste en que la capacidad de cálculo supere al efecto de cálculo. Las dos familias de estados límite hacen preguntas distintas:
- Últimos (ELU): ¿va a fallar? Resistencia, estabilidad, pandeo, vuelco.
- De servicio (ELS): ¿se va a poder usar? Flecha, vibración, fisuración. Se comprueban con las cargas sin mayorar.
Los coeficientes son de la norma que te rige —AS/NZS, AISC 360, los Eurocódigos, IS 800— y difieren entre ellas. Los resultados del análisis de aquí van sin mayorar y son honestos; aplicar los coeficientes correctos es decisión del ingeniero, que es donde debe estar.
Adónde ir después
- Cómo analizar una viga: apoyos, cargas y los cuatro diagramas, todos dibujados.
- Cómo analizar una celosía: nudos, secciones y qué añade el método de la rigidez.
- Entender los perfiles de acero: para qué sirven realmente I, Z, S y r.
- Los 35 ejemplos resueltos: viga, celosía, pórtico y sección, cada uno resuelto a mano y contrastado con el solucionador.
Preguntas frecuentes
- ¿Debo modelar mi estructura como viga, como celosía o como pórtico?
- Hazte dos preguntas: ¿transmiten momento los nudos? y ¿cae carga entre ellos? Una sola barra que salva la distancia entre apoyos y se carga transversalmente es una viga. Un entramado triangulado de nudos articulados, cargado solo en esos nudos, es una celosía. Las barras que flectan y además comparten momento en sus uniones —un pórtico a dos aguas, un pórtico rígido de varias plantas, cualquier cosa que se desplace lateralmente— piden un modelo de pórtico. Una celosía cargada entre nudos deja de ser una celosía, y una viga cuyos apoyos impiden el giro es en realidad parte de un pórtico.
- ¿Qué diferencia hay entre análisis estructural y dimensionado estructural?
- El análisis calcula qué esfuerzos y qué desplazamientos desarrolla una estructura dada bajo unas cargas dadas: reacciones, cortante, momento flector, axil, flecha. Es aritmética sobre un modelo, y la respuesta es la misma para todo el mundo. El dimensionado pregunta después si esos esfuerzos son admisibles para el material, la sección y la unión elegidos según una norma concreta, y ahí es donde viven el criterio y los coeficientes de seguridad. Todas las herramientas de StructureCalcs hacen análisis; ninguna comprueba capacidad según norma.
- ¿Qué es el recorrido de las cargas?
- El camino que sigue una carga hasta el terreno: losa, viga secundaria, viga principal, pilar, zapata y suelo. Trazarlo es lo primero que hay que hacer con cualquier estructura, porque cada tramo es un modelo de análisis y la reacción de un tramo se convierte en la carga del siguiente. El camino no lo fija solo la forma: un detalle tan pequeño como si la base del pilar es articulada o empotrada traslada flexión entre la estructura metálica y la cimentación.
- ¿Cómo compruebo que un resultado de cálculo es correcto?
- Empieza por el equilibrio. Suma las reacciones verticales que da la herramienta y compáralas con la carga total que aplicaste: tienen que coincidir. Lleva segundos, no exige teoría y caza los dos errores de modelado más frecuentes que existen: una carga con el signo cambiado y una carga metida dos veces. Después, comprueba que el momento es nulo en cualquier apoyo fijo o móvil, y que el cortante pasa por cero donde el momento hace pico.
- ¿Qué diferencia hay entre ELU y ELS?
- Hacen preguntas distintas. El estado límite último pregunta si la estructura va a fallar: resistencia, estabilidad, pandeo, vuelco, comprobados con cargas mayoradas. El estado límite de servicio pregunta si va a ser utilizable: flecha, vibración, fisuración, comprobados con cargas sin mayorar. Una barra puede cumplir uno y no el otro, y en luces grandes lo que suele gobernar es el servicio.