Las cargas o acciones estructurales son fuerzas, deformaciones o aceleraciones aplicadas a una estructura o a sus componentes. Una carga es la cantidad de peso que debe soportar una estructura. Las cargas provocan tensiones, deformaciones y desplazamientos en las estructuras. El análisis estructural es el cálculo de los efectos de las cargas en las estructuras físicas. Un exceso de carga o una sobrecarga pueden provocar un fallo estructural. Esto es una consideración en el diseño y la construcción de una estructura.

Las estructuras mecánicas, como los aviones, los satélites, los cohetes, las estaciones espaciales, los barcos y los submarinos, tienen sus propias cargas y acciones estructurales. En un vehículo, especialmente en los camiones, el chasis está diseñado para soportar la carga estructural. En muchos coches se utiliza la construcción unibody, en la que la piel metálica (u otros materiales) está diseñada para soportar la carga.

La gravedad en la Tierra es una fuerza de atracción que afecta a todos los objetos. Una carga gravitatoria es aquella a la que afecta la fuerza de gravedad hacia abajo.

Tipos de cargas

  • Cargas permanentes (muertas): Son las cargas constantes a lo largo de la vida útil de la estructura, por ejemplo el peso propio de los elementos estructurales, paredes, losetas y acabados.
  • Cargas variables (vivas): Cargas que cambian con el tiempo, como ocupación, mobiliario, vehículos, nieve o agua acumulada en cubiertas.
  • Cargas accidentales o extraordinarias: Incluyen impactos, explosiones, sobrecargas puntuales inesperadas o colisiones.
  • Cargas ambientales: Viento, sismo (carga sísmica), variaciones térmicas y presiones hidrostáticas.
  • Cargas dinámicas: Aquellas que incluyen efectos de aceleración e inercia: vibraciones, golpes, fatiga por cargas repetidas (por ejemplo en puentes o aeronaves).
  • Cargas térmicas: Deformaciones y esfuerzos producidos por cambios de temperatura o gradientes térmicos.

Clasificación según la forma de aplicación

  • Concentradas o puntuales: Se aplican en un punto o área muy pequeña (por ejemplo la carga de una columna sobre una viga).
  • Distribuidas: Repartidas a lo largo de una línea o superficie (carga distribuida en una viga, presión uniforme sobre una pared).
  • Axiales: Fuerzas que actúan a lo largo del eje de un elemento (tracción o compresión).
  • Flexión (bending): Causan momentos que curvan los elementos.
  • Cortantes: Producen esfuerzos de corte entre secciones adyacentes.
  • Torsión: Causadas por momentos que producen giro alrededor del eje.

Efectos de las cargas en las estructuras

  • Esfuerzos internos: Tensiones normales, cortantes y de flexión que determinan la resistencia necesaria de los materiales.
  • Deformaciones y desplazamientos: Pueden afectar la funcionalidad y la durabilidad; los límites de servicio se controlan para evitar deformaciones excesivas.
  • Estabilidad: Cargas laterales o combinadas pueden provocar pandeo o vuelco si la estructura no tiene rigidez suficiente.
  • Fatiga: Cargas repetidas pueden causar fallos por fatiga aun cuando las tensiones estén por debajo del límite estático de rotura.
  • Vibraciones: Las cargas dinámicas pueden excitar modos naturales de la estructura y producir resonancia, amplificando desplazamientos y tensiones.

Ejemplos prácticos

  • Edificios: Cargas muertas (peso propio), cargas vivas (personas, mobiliario), viento, nieve y sismo. Las combinaciones de estas cargas definen el dimensionamiento de pilares, vigas y cimentaciones.
  • Puentes: Cargas de tránsito (vehículos, trenes), viento, variaciones térmicas e impacto. El análisis considera efectos de fatiga y la distribución de carga entre carriles.
  • Techos y cubiertas: Cargas de nieve, agua acumulada y personas para mantenimiento.
  • Vehículos y aeronaves: Cargas por maniobras, impactos en aterrizaje, vibraciones inducidas por motores y turbulencias.
  • Estructuras marinas: Presión hidrostática, oleaje, impacto de objetos flotantes y corrosión que afecta la capacidad portante con el tiempo.
  • Maquinaria: Cargas dinámicas y de choque transmitidas por piezas móviles, excéntricas o desequilibrios.

Consideraciones en el diseño

  • Combinación de cargas: Los códigos de diseño especifican combinaciones de cargas (muertas, vivas, viento, sismo...) para verificar estados límite últimos y de servicio.
  • Factores de seguridad y coeficientes: Se aplican factores parciales sobre cargas y resistencias para garantizar seguridad frente a incertidumbres.
  • Ruta de carga (load path): Es importante entender cómo las fuerzas se transmiten desde el punto de aplicación hasta la cimentación; discontinuidades o juntas mal resueltas pueden concentrar tensiones.
  • Redundancia y ductilidad: Diseñar con redundancia y capacidad de deformación evita fallos catastróficos ante cargas imprevistas.
  • Normativas: Se emplean códigos nacionales e internacionales (por ejemplo Eurocódigos, normas ACI, ASCE u otras locales) que definen acciones, métodos de cálculo y requisitos de seguridad.
  • Análisis dinámico: Para cargas sísmicas, de impacto o vibraciones, es necesario un análisis que considere masas, rigideces y amortiguamiento.

Buenas prácticas

  • Identificar todas las fuentes de carga previsibles y posibles escenarios extremos.
  • Realizar combinaciones conservadoras siguiendo normas aplicables.
  • Verificar tanto la resistencia como la deformación (servicio) y la estabilidad global.
  • Considerar inspección y mantenimiento para cargas que cambian con el tiempo (corrosión, acumulación de hielo, fatiga).
  • Usar modelos y ensayos (pruebas en laboratorio, ensayos no destructivos, monitoreo estructural) para validar hipótesis y comportamientos reales.

Comprender las cargas y sus efectos es esencial para garantizar que una estructura cumpla su función con seguridad y durabilidad. Un diseño adecuado combina cálculo, normativa, experiencia y verificación experimental cuando sea necesario.