Para empezar, debemos enseñarles que no nos inventamos los pesos. Todo está tabulado en el CTE DB-SE-AE (Acciones en la edificación). Las clasificamos por su variación en el tiempo:
Acciones Permanentes (G): Las que siempre están ahí.
Peso propio: La estructura en sí (Anexo C del CTE). Por ejemplo, el hormigón armado pesa 25 kN/m³ y el acero 78,5 kN/m³.
Cargas muertas: Tabiquería, pavimentos, falsos techos.
Acciones Variables (Q): Las que van y vienen.
Sobrecargas de uso: Dependen de para qué se use el edificio (Tabla 3.1 del CTE). Por ejemplo, en viviendas usamos 2,0 kN/m² y en zonas de pública concurrencia 3,0 kN/m² o más.
Viento y Nieve: Dependen de la ubicación geográfica (mapas de los anexos del CTE), altitud y exposición.
Acciones Accidentales (A): Sismos (aquí entra la norma NCSR), incendios o impactos.
La Combinación de Acciones:
Las cargas no se suman "a lo bruto". Usamos coeficientes de mayoración ($\gamma$) para ponernos del lado de la seguridad, y coeficientes de simultaneidad ($\psi$) porque es improbable que el edificio esté lleno de gente, con un huracán y una nevada histórica al mismo tiempo.
Una vez que la carga toca la estructura, se viaja por ella generando esfuerzos. Aquí pasamos de la física a la resistencia de materiales.
Esfuerzos Simples:
Axil de Tracción: Estira la pieza (ej. un tirante).
Axil de Compresión: Aplasta la pieza (ej. un pilar).
Cortante: Intenta "segar" o cortar la pieza (ej. cerca de los apoyos de una viga).
Flector: Curva la pieza (ej. el centro de una viga).
Torsor: Retuerce la pieza (ej. vigas de borde).
Esfuerzos Compuestos:
Para saber si la pieza aguanta esos esfuerzos, necesitamos conocer sus "superpoderes", regidos por el Código Estructural.
Tensión ($\sigma$ o $\tau$): Es la fuerza repartida en una superficie. No es lo mismo aplicar 1000 kg sobre una aguja que sobre un zapato plano.
Módulo de Elasticidad o de Young ($E$): Mide la rigidez del material. Cuanto mayor es, menos se deforma bajo la misma carga. El acero es mucho más rígido que la madera, por ejemplo.
Coeficientes de Seguridad del Material ($\gamma_M$): Al igual que mayoramos las cargas, minoramos la resistencia del material por si viene con defectos. En acero suele ser 1,05 y en hormigón 1,50.
El principio básico del dimensionamiento en los Estados Límite Últimos (ELU) es que el Efecto de las acciones ($E_d$) debe ser menor o igual a la Resistencia del material ($R_d$):
$$E_d \le R_d$$
Para estos ejemplos, usaremos acero estructural por ser el más intuitivo didácticamente para comprender las fórmulas base del Código Estructural.
Ejemplo A: Pieza sometida a Tracción (Un tirante de acero)
Concepto: Toda el área de la sección trabaja por igual.
Cálculo: La fuerza de tracción de cálculo ($N_{Ed}$) debe ser menor que la resistencia plástica de la sección bruta.
$$N_{Ed} \le \frac{A \cdot f_y}{\gamma_{M0}}$$
(Donde $A$ es el área de la sección, $f_y$ el límite elástico del acero y $\gamma_{M0}$ el coeficiente parcial de seguridad).
Ejemplo B: Pieza sometida a Compresión (Un pilar de acero corto vs. esbelto)
Concepto: Aquí entra el gran enemigo de la compresión: el pandeo. Si el pilar es esbelto, se curvará antes de aplastarse.
Cálculo: Introducimos el coeficiente de reducción por pandeo ($\chi$), que penaliza la resistencia cuanto más esbelto es el pilar.
$$N_{Ed} \le \frac{\chi \cdot A \cdot f_y}{\gamma_{M1}}$$
Ejemplo C: Pieza sometida a Flexión (Una viga metálica)
Concepto: Las fibras inferiores se traccionan y las superiores se comprimen (o viceversa). Lo importante aquí no es solo el área, sino cómo está distribuida esa área respecto al centro (momento de inercia o módulo resistente, $W$). Por eso usamos perfiles en "I" o "H".
Cálculo: El momento flector de cálculo ($M_{Ed}$) debe ser soportado por el momento resistente de la sección.
$$M_{Ed} \le \frac{W_{pl} \cdot f_y}{\gamma_{M0}}$$
Esta estructura te permite llevar a los alumnos desde la abstracción de la norma hasta el número concreto que define un perfil.
Para enfocar los ejercicios prácticos que harás en el aula, ¿prefieres que preparemos un guion numérico centrado en hormigón armado, en perfiles de acero estructural, o una mezcla conceptual de ambos?