TE Taller de EstudioIngeniería Agrícola
Portfolio

Asignatura 03 · Cálculo de estructuras

Estructuras:
la sección que aguanta
y la que no se mueve

Una nave ganadera se cae por dos motivos: porque la tensión supera el límite del material o porque la flecha asusta y agrieta. Esta página ordena las dos comprobaciones, el pandeo y el camino completo del esfuerzo hasta la sección.

  • 10 fórmulas
  • 4 calculadoras
  • 12 tarjetas
  • 10 preguntas
01

Mapa del tema

Del esfuerzo en el nudo a la comprobación de la sección.

La asignatura tiene fama de difícil por la cantidad de símbolos, pero el recorrido es siempre el mismo: acciones → esfuerzos → tensiones → comprobación. Si en algún punto no sabes qué hacer, pregúntate en qué eslabón de esa cadena estás.

Paso 1

Acciones

Peso propio, nieve, viento, sobrecarga de uso y empujes. Se combinan con coeficientes parciales y se reparten según el área tributaria de cada correa o pórtico.

Paso 2

Esfuerzos

El cálculo estructural devuelve axil, cortante y momento en cada punto. En una viga biapoyada de luz L con carga puntual P, el momento máximo vale P·L/4 en el centro.

Paso 3

Tensiones

El momento se convierte en tensión con la geometría de la sección: σ = M/W. El axil, con el área: σ = N/A. La tensión se compara con el límite del material dividido por el coeficiente de seguridad.

Paso 4

Deformación y estabilidad

Además de no romper, la estructura no debe deformarse en exceso (flecha) ni perder la forma (pandeo). Son comprobaciones de servicio y de estabilidad, no de resistencia.

En construcción agrícola manda lo barato y lo ligero: correas de acero galvanizado, madera estructural y tubo conformado. Eso hace que casi siempre gobierne la flecha o el pandeo, no la rotura.

02

Conceptos clave

Los ocho términos que sostienen todos los ejercicios.

Tensión normal y tangencial

La tensión normal (σ) actúa perpendicular a la sección y puede ser de tracción o de compresión. La tensión tangencial (τ) actúa en el plano de la sección y la genera el cortante. Se miden en N/mm², que es lo mismo que MPa. Un acero S275 empieza a ceder a 275 MPa; una madera C24, a 24 MPa. Esa diferencia de un orden de magnitud explica por qué las secciones de madera son mucho más grandes.

Deformación y módulo de Young

La deformación unitaria ε es el alargamiento dividido por la longitud inicial, adimensional. En régimen elástico, tensión y deformación son proporcionales: σ = E · ε. La constante E (módulo de Young) mide la rigidez del material: 210 GPa para el acero, 11 GPa para la madera, 30 GPa para el hormigón. No mide resistencia, mide cuánto se deforma.

Flexión: fibra neutra, inercia y módulo resistente

Al flectar, la sección gira alrededor de una fibra neutra que no se alarga ni se acorta. Las fibras más alejadas son las que más trabajan, y por eso la tensión crece con la distancia y: σ = M·y/I. El cociente I/y se llama módulo resistente W y resume toda la geometría en un número. Una sección rectangular de ancho b y canto h tiene I = b·h³/12 y W = b·h²/6: doblar el canto multiplica por cuatro la resistencia y por ocho la rigidez.

Cortante

El cortante V genera tensiones tangenciales que son máximas en la fibra neutra y nulas en los extremos. En una sección rectangular, τmáx = 1,5·V/A. En perfiles en I, el alma asume casi todo el cortante y las alas casi nada, lo que hace al perfil muy eficiente.

Flecha

Es el desplazamiento vertical de la viga. Se calcula integrando la curvatura y depende de E y de I, no de la resistencia del material. Por eso una viga puede cumplir de sobra a tensión y fallar por flecha: es el caso típico de las correas de cubierta. El límite habitual es L/300 en forjados y L/250 en cubiertas.

Pandeo

Un pilar esbelto comprimido no falla por aplastamiento: se comba lateralmente y pierde capacidad. La carga crítica de Euler es Pcr = π²·E·I/(βL)². Depende de la rigidez y del cuadrado de la longitud, no de la resistencia. Cuanto más esbelto, menos carga admite: por eso un pilar de 4 m aguanta mucho menos que dos de 2 m con el mismo material.

Longitud de pandeo y esbeltez

La longitud de pandeo Lk = β·L corrige la longitud real según los apoyos: β = 1 biarticulado, 0,7 empotrado en un extremo y articulado en el otro, 0,5 biempotrado, 2 en ménsula. La esbeltez λ = Lk/i, con i el radio de giro, decide si el pandeo es un problema: por encima de 100 manda Euler; por debajo de 60, el material plastifica antes.

Estados límite y coeficiente de seguridad

El estado límite último (ELU) comprueba que la estructura no colapsa. El estado límite de servicio (ELS) comprueba que no se agrieta, no vibra ni se deforma en exceso. Los coeficientes parciales majoran las acciones (1,35 para las permanentes y 1,5 para las variables) y minoran la resistencia del material. El coeficiente de seguridad global es el cociente entre lo que aguanta y lo que le pides.

03

Formulario

Las diez expresiones que resuelven casi cualquier problema de la asignatura.

Tensión normal por axil σ = N / A
  • σ N/mm² tensión, igual a MPa
  • N N esfuerzo axil, tracción o compresión
  • A mm² área de la sección
Tensión por flexión σ = M · y / I = M / W
  • M N·mm momento flector
  • I mm⁴ momento de inercia de la sección
  • W mm³ módulo resistente, W = I/y
  • La tensión es máxima en la fibra más alejada de la neutra.
Cortante en sección rectangular τmáx = 1,5 · V / A
  • τmáx N/mm² en la fibra neutra
  • V N esfuerzo cortante
  • En perfiles en I, el alma asume casi todo el cortante.
Ley de Hooke σ = E · ε  ·  ε = ΔL / L
  • E N/mm² módulo de Young: acero 210 000, madera 11 000
  • ε adimensional deformación unitaria
  • Válida solo en régimen elástico.
Momento máximo, carga puntual Mmáx = P · a · b / L
  • a, b m distancias del apoyo a la carga
  • L m luz total, a + b
  • Si la carga está en el centro, a = b = L/2 y queda P·L/4.
Flecha, carga puntual descentrada δ = P · a² · b² / (3 · E · I · L)
  • δ m en el punto de aplicación de la carga
  • P kN carga puntual
  • Con carga repartida q: δ = 5·q·L⁴/(384·E·I).
Carga crítica de Euler Pcr = π² · E · I / (β · L)²
  • Pcr N carga de pandeo
  • β 0,5 a 2 coeficiente según los apoyos
  • No interviene la resistencia del material: solo E e I.
Esbeltez mecánica λ = Lk / i  ·  i = √(I / A)
  • Lk mm longitud de pandeo, β·L
  • i mm radio de giro de la sección
  • λ mayor de 100: pandeo elástico. Menor de 60: plastificación.
Coeficiente de seguridad CS = σlímite / σtrabajo
  • σlímite N/mm² fy del acero, fm de la madera
  • CS 1,5 a 3 según el material y la norma
  • En pandeo se aplica sobre Pcr, no sobre la tensión.
Tensión del terreno bajo zapata σ = N/A ± M/W
  • N kN carga vertical transmitida
  • A m² superficie de la zapata
  • W m³ módulo resistente en planta
  • Si σmín sale negativa, la zapata despega del terreno.
i Truco de examen

Pasa todo a N y mm antes de sustituir. Un momento en kN·m hay que multiplicarlo por 10⁶ para llegar a N·mm, y un módulo resistente en cm³ por 10³. Si el resultado sale 1 000 veces mayor o menor, el error está en esa conversión.

04

Viga en vivo

Mueve la carga a lo largo de la viga y mira cómo cambian el momento y la deformada.

En una viga biapoyada, el momento máximo aparece siempre bajo la carga y vale P·a·b/L. El máximo absoluto se alcanza con la carga en el centro, pero el caso descentrado es el que se da en la realidad: una correa que recibe el peso de un panel o de un depósito. La deformada se dibuja amplificada para que se vea.

A B P RA RB M MOMENTO FLECTOR kN·m

Lectura: el triángulo es el diagrama de momentos: nulo en los apoyos y máximo bajo la carga. La línea discontinua es la deformada, amplificada. Si duplicas la luz, el momento se duplica pero la flecha se multiplica por ocho: por eso las luces grandes se resuelven con canto, no con más acero.
05

Ejemplo resuelto

Correa de cubierta de una nave ganadera: 6 m de luz, separación 1,20 m, IPE 160 en S275.

  1. Carga lineal sobre la correa

    La cubierta transmite una carga superficial que hay que convertir en carga por metro. El área tributaria de cada correa es su separación por un metro de longitud.

    q = 1,0 kN/m² · 1,20 m = 1,20 kN/m

    Dentro del 1,0 kN/m² van el panel, los rastreles y la nieve. El peso propio del perfil se añade después: es pequeño, pero en luces grandes deja de serlo.

  2. Momento máximo

    Con carga repartida en viga biapoyada, el momento máximo está en el centro y vale q·L²/8.

    M = 1,20 · 6² / 8 = 5,40 kN·m

    En N·mm son 5,40 · 10⁶, que es la unidad en la que se trabaja con módulos resistentes en mm³.

  3. Tensión en la fibra más alejada

    El IPE 160 tiene un módulo resistente W = 108,7 cm³, es decir 108 700 mm³.

    σ = 5,40 · 10⁶ / 108 700 = 49,7 MPa

    El límite del S275 es 275 MPa. Con un coeficiente de seguridad de 1,5 la tensión admisible es 183 MPa, así que la correa trabaja al 27 % de su capacidad. Va sobrada a resistencia.

  4. Flecha

    Aquí manda la rigidez, no la resistencia. El IPE 160 tiene I = 869,3 cm⁴, que son 869,3 · 10⁻⁸ m⁴.

    δ = 5 · 1,20 · 6⁴ / (384 · 210·10⁶ · 869,3·10⁻⁸) = 11,1 mm

    La relación es L/540. El límite de cubierta es L/250, que serían 24 mm. Cumple con holgura, pero ya es la comprobación que se acerca al límite, no la de tensión.

  5. Añadir el peso propio

    El IPE 160 pesa 15,8 kg/m, es decir 0,155 kN/m. Se suma a la carga anterior y se repite el cálculo.

    q = 1,355 kN/m → M = 6,10 kN·m → σ = 56,1 MPa

    La tensión sube un 13 % y la flecha otro tanto, hasta 12,5 mm. Sigue cumpliendo. Ignorar el peso propio es un error pequeño aquí y grave en una viga de hormigón.

  6. Comprobar el cortante

    El cortante máximo en un apoyo vale q·L/2 = 4,07 kN. En el alma del IPE 160, de 4,5 mm de espesor y 152 mm de canto, la tensión tangencial es del orden de 6 MPa.

    τ ≈ V / (h · t) = 4 070 / (152 · 4,5) = 5,9 MPa

    Frente a los 159 MPa admisibles a cortante del S275, es despreciable. En perfiles en I el cortante casi nunca gobierna.

Comprobación final: ¿por qué no se elige un IPE más pequeño?

Un IPE 120 tiene W = 53 cm³ e I = 318 cm⁴. A tensión daría 115 MPa, todavía admisible. Pero la flecha se iría a 30 mm, por encima de los 24 mm de L/250. El perfil pequeño falla por servicio, no por resistencia.

Ese es el patrón habitual en cubiertas ligeras: se elige la sección por flecha y luego se comprueba que la tensión sobra. Si el cálculo se hace solo a tensión, la nave se construye y la cubierta se ve combada desde el primer día.

! La nieve no es una carga permanente

La nieve es una acción variable y se combina con un coeficiente de 1,5, no de 1,35. Además, en cubiertas con pendiente baja puede acumularse de forma desigual y duplicar la carga en una franja. Los fallos de cubiertas agrícolas casi siempre son por nieve acumulada, no por sobrecarga uniforme.

06

Práctica

Calcula a mano y comprueba. Tolerancia del 2 % para absorber redondeos.

1. Un pilar de madera de 10 × 10 cm recibe una compresión de 120 kN. ¿Qué tensión soporta?

MPa

2. Viga biapoyada de 6 m con una carga puntual de 8 kN en el centro. ¿Momento máximo?

kN·m

3. Con P = 8 kN, L = 6 m, E = 210 GPa e I = 2 000 cm⁴, ¿cuánto baja la viga en el centro? Da el resultado en mm.

mm

4. Pilar biarticulado de 3 m, E = 210 GPa, I = 100 cm⁴. ¿Carga crítica de Euler en kN?

kN

Calculadora

Viga biapoyada con carga puntual

Sección rectangular y acero S275.

La sección es rectangular maciza. Para un perfil comercial, usa su W e I de la tabla del apartado 07 en lugar de b y h. El límite de tensión que se comprueba es 183 MPa, que es el S275 con coeficiente 1,5.

Calculadora

Pandeo de Euler y esbeltez

Cambia las condiciones de apoyo y mira cuánto pierde el pilar.

La carga crítica no depende de la resistencia del material. Si el resultado es mayor que el axil de plastificación (A · fy), el pilar rompe antes de pandear y manda la comprobación a tensión.

Calculadora

Propiedades de una sección rectangular

Área, inercia, módulo resistente y radio de giro.

Doblar el canto multiplica por 4 el módulo resistente y por 8 la inercia. Doblar el ancho solo lo duplica. Por eso las secciones de flexión son altas y estrechas.

Calculadora

Zapata con carga excéntrica

Comprueba si el terreno aguanta y si la zapata despega.

El momento se supone en la dirección del lado L. Si la excentricidad supera L/6, la resultante sale del tercio central y parte de la zapata deja de apoyar: el cálculo deja de ser válido con esta fórmula.

07

Tablas de referencia

Valores de manual. La norma y el fabricante mandan sobre la tabla.

Materiales estructurales habituales
MaterialResistenciaE (GPa)σ admisible (CS 1,5)
Acero S235235 MPa210157 MPa
Acero S275275 MPa210183 MPa
Madera maciza C1818 MPa912 MPa
Madera maciza C2424 MPa1116 MPa
Madera laminada GL24h24 MPa11,516 MPa
Hormigón HA-2525 MPa3016,7 MPa
Acciones a considerar en una cubierta agrícola
AcciónValor habitualTipo
Peso propio de panel y rastreles0,15 – 0,35 kN/m²Permanente
Nieve (zona media peninsular)0,5 – 0,7 kN/m²Variable
Nieve (zona de montaña)1,0 – 2,0 kN/m²Variable
Viento (presión dinámica)0,42 – 0,52 kN/m²Variable
Sobrecarga de mantenimiento0,4 kN/m²Variable
Equipos suspendidos (ventiladores)0,2 – 0,5 kNPermanente puntual
Perfiles comerciales de acero (valores de catálogo)
PerfilA (cm²)I (cm⁴)W (cm³)Peso (kg/m)
IPE 12013,231853,010,4
IPE 16020,1869108,715,8
IPE 20028,51 943194,322,4
IPN 14018,257381,914,3
IPN 20033,52 140214,026,3
Límites de flecha habituales
ElementoLímitePor qué
Correa de cubiertaL/250Evitar embolsamiento de agua y desajuste de paneles
Viga de forjadoL/300Evitar fisuras en tabiques y pavimentos
Dintel de naveL/400Puertas y cerramientos sensibles al movimiento
VoladizoL/150Se mide sobre la longitud del voladizo
08

Errores típicos

Los que se cobran puntos en el examen y sustos en la obra.

× Mezclar kN·m con N·mm

Un momento de 5 kN·m son 5 · 10⁶ N·mm, no 5 000. Si divides 5 entre un W de 108 700 mm³ te sale 0,00005 MPa y el resultado no tiene sentido. Pasa siempre a N y mm antes de sustituir.

× Usar cm⁴ como si fueran mm⁴

1 cm⁴ son 10 000 mm⁴. En la flecha, ese factor va elevado y cambia el resultado en cuatro órdenes de magnitud. Es el error más caro de la asignatura porque la flecha parece correcta y no lo es.

! Comprobar solo a tensión

Una correa puede trabajar al 20 % de su resistencia y tener una flecha de L/120. En cubiertas ligeras la flecha gobierna casi siempre. Comprobar solo la tensión es aprobar el examen y suspender la obra.

! Confundir L con la longitud de pandeo

Un pilar empotrado en la base y articulado arriba tiene Lk = 0,7·L. Usar L directamente sobreestima la carga crítica un 50 % y deja el pilar sin margen real.

! Olvidar el peso propio en hormigón

En una viga de acero pesa poco. En una de hormigón, 25 kN/m³ hacen que el peso propio sea la mitad de la carga total. Dejarlo fuera no es un redondeo, es otro problema.

i Un detalle que suma

La madera tiene distinto límite a flexión según la dirección de las fibras y la humedad. Citar la clase resistente (C24, GL24h) y el contenido de humedad en un examen de materiales demuestra que se entiende el material, no solo la fórmula.

09

Tarjetas

Tapa la respuesta, dilo en voz alta y gira. Baraja para no memorizar el orden.

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10

Test

Diez preguntas con explicación. No hay nota guardada: al cerrar la página, se borra.

Pregunta 1 de 10 Aciertos 0 / 10

    11

    Glosario

    Vocabulario mínimo para leer un enunciado sin dudar.

    Axil
    Esfuerzo normal a la sección, de tracción o compresión. Genera tensión uniforme σ = N/A.
    Cortante
    Esfuerzo tangencial a la sección. Genera tensiones τ máximas en la fibra neutra.
    ELU
    Estado límite último. Comprueba que la estructura no colapsa.
    ELS
    Estado límite de servicio. Comprueba flechas, fisuración y vibraciones.
    Esbeltez
    Cociente entre la longitud de pandeo y el radio de giro. Decide si el pandeo es crítico.
    Fibra neutra
    Línea de la sección que no se alarga ni se acorta al flectar.
    Flecha
    Desplazamiento vertical máximo de una viga. Se limita a una fracción de la luz.
    Inercia (I)
    Momento de inercia de la sección respecto al eje de flexión. Mide la oposición a girar.
    Longitud de pandeo
    Longitud equivalente Lk = β·L que depende de las condiciones de apoyo del pilar.
    Módulo resistente
    W = I/y. Convierte el momento en tensión: σ = M/W.
    Pandeo
    Pérdida de estabilidad de un elemento comprimido esbelto por flexión lateral.
    Radio de giro
    i = √(I/A). Resume el reparto de área respecto al eje.
    Tercio central
    Zona de la base de una zapata donde debe caer la resultante para que no despegue.
    Zapata
    Elemento de cimentación que reparte la carga del pilar sobre el terreno.
    12

    Plan de repaso

    Tres pasadas cortas rinden más que una maratón la víspera.

    Pasada 1 · 20 min

    Entender

    Lee el mapa y los conceptos clave. Cierra la página y explica en voz alta por qué una viga puede cumplir a tensión y fallar por flecha. Si no sale, vuelve al apartado 02.

    Pasada 2 · 30 min

    Calcular

    Resuelve el ejemplo sin mirar los pasos. Después haz los cuatro ejercicios y mueve la carga en la viga hasta predecir dónde estará el momento máximo antes de soltar el deslizador.

    Pasada 3 · 15 min

    Comprobar

    Haz el test. Cada fallo se convierte en una tarjeta que repites al día siguiente. Si aciertas nueve de diez, el tema está listo.

    i Para conectar con la nave

    Entra en cualquier nave agrícola y busca las correas, los pórticos y los arriostramientos. Si las correas están combadas hacia abajo entre pórticos, estás viendo una estructura dimensionada por tensión y no por flecha.