Conceptos básicos de estructuras aeronáuticas

Para desarrollar los criterios y las particularidades básicas de las estructuras aeronáuticas es fundamental conocer el origen de los esfuerzos, su modo de aplicación y la reacción que evidencian los materiales ante esa energía aplicada.

¿Cómo actúa un conjunto de cargas en un sistema estructural aéreo? Primero debe entenderse que el material constituyente se considera en un constante equilibrio de fuerzas de cohesión y repulsión, hecho que permite mantener las condiciones geométricas, dimensionales y las propiedades mecánicas invariables en el tiempo. Entonces, en virtud de lo expuesto, un sistema estructural se encuentra en completo equilibrio cuando se respeta la siguiente igualdad:

Carga aplicada o energía externa = Resistencia o fuerza interior del material

Cuando las cargas son aplicadas de modo perpendicular a la sección transversal principal del sistema estructural o componente y son transmitidas de modo uniforme, se dice que el esfuerzo es normal (σ). Cuando se presenta cualquier otro vector de esfuerzo que no forme un ángulo recto respecto de la referencia anterior, se dice que el esfuerzo es tangencial (τ).

Las cargas tangenciales también son conocidas como fuerzas de deslizamiento o solicitaciones tendientes al corte, debido a que su aplicación tiende a producir planos de deslizamiento que pueden manifestarse en torsión o corte.

Las cargas que actúan sobre un sistema estructural están integradas por fuerzas y pares de fuerzas (momentos), las que pueden ser concentradas o distribuidas. Si se tiene en cuenta la aplicación práctica, todas las solicitaciones y fuerzas aplicadas se presentan de modo distribuido respecto a un área o volumen dado.

El esfuerzo puntual es mensurable en unidades de masa aplicada, como en kilogramos, mientras que las cargas distribuidas son cuantificadas en función de área o volumen. Ambos tipos de carga pueden ser estáticas o dinámicas.

Las cargas estáticas son aquellas solicitaciones estables cuya magnitud o punto de aplicación no varía, o bien varía muy lentamente, de modo tal que la aceleración se considera despreciada. El propio peso de un sistema estructural y los esfuerzos que ejerce son considerados una carga estática.

Por su parte, las cargas dinámicas son todos aquellos esfuerzos que varían su magnitud en función del tiempo y/o existe una intervención de la aceleración. El impacto de un proyectil contra un elemento es considerado una solicitación dinámica, al igual que cualquier movimiento cíclico que produzca un esfuerzo sobre algún punto de un sistema estructural.

A su vez, las cargas pueden ser diferenciadas en dos grandes grupos: las cargas de régimen estable, con un solo ciclo de aplicación de esfuerzo; y las cargas de repetición periódica o cargas cíclicas.

Del mismo modo, pueden discriminarse según su intensidad en el tiempo. Las cargas estáticas de corta duración son aquellas donde el esfuerzo suele permanecer en equilibrio, y todas las ecuaciones de la estática son aplicables en su resolución. El esfuerzo aplicado puede ser comparado con las condiciones de impacto, y genera consecuencias similares; el máximo nivel de tensiones se alcanza inmediatamente. Este tipo de cargas suelen asociarse también a las cargas dinámicas generadas sobre la estructura en vuelo. Los casos típicos suelen presentarse en condiciones de flutter (bataneo o flapeo).

Para las estructuras aeronáuticas, el estudio de tensiones y el análisis de probabilidad de falla dependen de una importante serie de variables. Las condiciones de cargas estáticas son sólo una de las condiciones. La distribución de presiones sobre el recubrimiento y la estructura de una aeronave es la fuente principal de esfuerzos, por lo que en todas las condiciones y actuaciones de vuelo más desfavorables estas presiones deben ser conocidas y debidamente disueltas por los distintos sistemas estructurales.