Las estructuras

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TEMA 4: LAS ESTRUCTURASUna estructura es un conjunto de elementos dis-puestos de tal manera que pueden soportar pe-sos y fuerzas sin romperse, sin volcarse y sin deformarse excesivamente.

Las funciones más importantes de las estructu-ras son:

� Soportar pe-so: por ejem-plo un puente soporta su propio peso y el de los vehí-culos que pa-san por él.

� Sostener objetos: por ejemplo, un caballete de pintor, una farola o un candelabro están diseñados para sostener unos elementos en una determinada posición, aunque su peso sea pequeño.

� Contener objetos en su interior: por ejemplo un carrito de la compra, una papelera o una lata de conservas.

� Proteger objetos o personas: por ejemplo un envase de cartón de huevos o un casco para motoristas.

Las estructuras pueden ser naturales o artificia-les. Ejemplos de estructuras naturales son el esqueleto de los animales vertebrados, o la cás-cara de un huevo, o los nervios de las hojas.

Las estructuras artificiales son las diseñadas y construidas por el hombre para resolver sus ne-cesidades de protección (viviendas, rejas,...), de salvar obstáculos (puentes, acueductos,...) para el transporte (vehículos,...). Ejemplos de estruc-turas artificiales estamos rodeados de ellos, desde una silla a una bicicleta, un puente o un edificio.

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1. TIPOS DE ESTRUCTURAS

Aunque las estructuras tienen formas muy varia-das, se pueden agrupar en dos tipos básicos: las estructuras de barras o de armazón y las estruc-turas laminares o de carcasa.

• Las estructuras de barras o de armazón están formadas por barras o tubos resistentes unidos entre sí. También pueden ser cables. Se utilizan fun-damentalmente para con-seguir funciones de soste-ner objetos y soportar pe-so. Ejemplos de este tipo de estructuras son las es-tructuras de los edificios, las sillas, las torretas eléc-tricas, una noria de feria, una bicicleta, un puente, etc.

• Las estructuras laminares o de carcasa están formadas por paneles o láminas resisten-tes unidas entre sí que en-vuelven el objeto. Son las más idóneas para las funcio-nes de contener y proteger . Ejemplos de este tipo de estructuras pueden ser una lata de conservas, el fuselaje de un avión o el chasis de un vehículo.

2. ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS

Las estructuras están sometidas a diversas car-gas (su propio peso, el peso adicional de utiliza-ción, el viento, etc). Esto hace que los elementos de los que están constituidas estén sometidos a diversos tipos de efectos llamados esfuerzos.

Los esfuerzos a que están sometidos los ele-mentos de una estructura pueden ser:

• Tracción: un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando las fuerzas que ac-túan sobre él tienden a estirarlo . Esto es lo que ocurre cuando se tira de un elemento por ambos extremos o bien se sujeta un extremo y se tira del otro.

Por ejemplo, están sometidos a tracción los tiran-tes de un puente colgante, como El Alamillo.

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• Compresión: un elemento está sometido a un esfuerzo de compresión cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a aplastarlo o com-primirlo.

Por ejemplo, están some-tidos a com-presión los pilares de los edificios o las patas de una silla.

• Flexión: un elemento está sometido a flexión cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a curvarlo . Una parte del elemento está sometida a tracción y otra a compresión.

Por ejemplo, están sometidas a esfuerzo de flexión las baldas de las estanterías, el trampolín de una piscina o las vigas de los edificios.

El hormigón armado es un material que combi-na la buena resistencia a la compresión del hor-migón con la buena resistencia a la tracción del acero, siendo mucho más barato que éste.

Cuando intentamos com-primir un elemento que es muy largo con respecto a su sección, puede ocurrir que se curve, adoptando forma de arco. Este efecto se denomina pandeo. El elemento, en vez de estar sometido a compresión, está sometido a flexión.

• Cortadura o cizalladura : un elemento está sometido a un esfuerzo de cortadura cuando las fuerzas aplicadas tienden a cortar o desgarrar la pieza (igual que hace unas tijeras con un papel).

Por ejemplo, están sometidos a esfuerzo de cor-tadura los puntos de apoyo de las vigas.

• Torsión: un elemento está sometido a un esfuerzo de torsión cuando las fuerzas que actú-an tienden a retorcerlo alrededor de su eje más largo. A este tipo esfuerzo están sometidos los ejes de los motores, las manivelas, las llaves al abrir las cerraduras, los tornillos tirafondos al ser roscados, etc.

Manivela

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3. PERFILES ESTRUCTURALES

La resistencia de un elemento no sólo depende de la cantidad de material que se emplee, sino también de la forma que este material adopte.

Ejemplo: si tomamos un trozo de cartulina, lo colocamos entre dos tacos de madera y le po-nemos algún peso encima, la cartulina se dobla y el objeto se cae.

Pero si al mismo trozo de cartulina le doblamos los bordes, observaremos que puede aguantar el objeto sin apenas deformarse.

De igual modo, una estructura no es más sóli-da cuanto más material tenga ; al contrario, cuanto más material más aumenta el peso propio de la estructura y conforme ésta vaya creciendo será mucho más difícil que se mantenga en pie.

Si nos fijamos en una estructura metálica, por ejemplo de una nave industrial, de una grúa o de una torreta eléctrica, observamos que sus ele-mentos tienen secciones con forma de L, forma de T, forma cuadrada pero hueca, etc.

En efecto, se puede conseguir que aumente la resistencia de una estructura usando menos ma-terial y, por tanto, disminuyendo el peso propio, construyendo sus elementos con el perfil ade-cuado. Los perfiles estructurales que se utili-zan habitualmente son de diferentes tipos .

� Perfil plano : es el que menos peso puede soportar, fácilmente se flexiona.

� Perfil angular : equivale a dos perfiles planos unidos por sus cantos formando un ángulo recto (su sección tiene forma de L). Aguanta bastante más que el perfil plano.

� Perfil en T : equivale a dos perfiles planos si se unen en ángulo recto el canto de uno con el centro de la cara del otro (su sección tiene forma de T). Aguanta bastante más que el perfil plano.

� Perfil en U : equivale a tres perfiles planos unidos formando como una U. Aguanta más que el perfil angular o en T.

� Perfil en doble T : equivale a tres perfiles pla-nos uniendo los cantos de uno de ellos a los centros de las caras de los otros dos (tiene forma de I ). Aguanta más que el perfil angu-lar o en T.

� Perfiles tubulares : estos perfiles son cerra-dos y su resistencia aumenta con respecto a los abiertos. Pueden tener diferentes tipos de secciones: triangular, redonda, cuadrada o rectangular, etc.

Angular En T

En U En doble T

Tubular triangular

Tubular rectangular

Tubular redondo

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4. ELEMENTOS RESISTENTES DE LAS ESTRUCTURAS DE BARRAS

Cada uno de los elementos resistentes que nos encontramos en las estructuras recibe un nom-bre diferente dependiendo de la función que desempeña. Los elementos más comunes son los siguientes:

� Pilares : son los apoyos verticales sobre los cuales descansan las vigas y el resto de la estructura. Están sometidos a esfuerzos de compresión .

Los pilares transmiten las fuerzas al suelo a través de las cimentaciones . Los elementos que suelen formar parte de las cimentaciones suelen ser: las zapatas, las losas y los pilotes.

� Vigas : son elementos horizontales que se unen a los pilares y que tienen la misión de soportar las cargas. Están sometidos a es-fuerzos de flexión .

� Escuadras : son piezas con forma de triángu-lo rectángulo que se emplean para reforzar estructuras (para unir una viga con una co-lumna, para mantener verticales los pilares, etc). Pueden ser láminas planas, o un triángu-lo de barras. También las hay en forma de L (se elimina la hipotenusa del triángulo, son menos resistentes). Están sometidas a com-presión o a tracción .

� Tirantes o tensores : son elementos en forma de cables, fabricados de material muy rígido para que no se estiren. Pueden servir para colgar vigas (como en los puentes colgantes) o para evitar el vuelco de los pilares (como en las antenas de televisión o en las tiendas de campaña). Están sometidos a esfuerzos de tracción .

� Riostras : son piezas prismáticas colocadas oblicuamente para evitar que se deformen las uniones entre elementos de una estructura (normalmente uniones entre vigas y pilares). Están sometidas normalmente a esfuerzos de compresión .

5. TRIANGULACIÓN DE ESTRUCTURAS

Si observas las torretas eléctricas, las grúas que usan para la construcción, una fotografía de la torre Eiffel, etc, observarás que las barras de su estructura están colocadas formando triángulos.

Vamos a ver que esto no es por capricho. Pilar

Viga Viga

Escuadra Escuadra

Escuadras

Pilar Viga

Escuadra

Tirantes Pilar

Riostra

Escuadra

Base

Pilar

Viga

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Vamos considerar una experiencia sencilla. Si construimos con listones de madera un polígono de cuatro lados sujetando sus uniones con torni-llos pasadores (no apretándolos a fondo) y le aplicamos una fuerza como se indica en la figu-ra, observaremos que se deforma con facilidad. No se han roto los listones, son las uniones las que se han deformado.

Sin embargo, si a esta estructura le colocamos una barra diagonal (o simplemente una riostra entre dos de sus lados, que hace el mismo efec-to) y le volvemos a aplicar fuerza observamos que ahora no se deforma.

Si el polígono es de cinco lados, también se de-forma con facilidad.

En este caso, con dos listones adicionales po-demos hacer la figura indeformable. Y cuanto más lados tengan las figu-ras más listones adiciona-les necesitaremos, pero al final se hace indeforma-ble.

Si observamos ahora el cuadrado con su diagonal y el pentá-gono con sus dos diagonales, vemos que lo que hemos hecho es formar triángulos. En efecto, si formamos con tres listones un triángulo se aprecia que es indeformable .

Las estructuras que no están trianguladas se pueden hacer rígidas a base de reforzar muy bien sus uniones para que sean indeformables, sin embargo, la resistencia de la estructura se basará en sus uniones, precisamente los puntos más débiles, y no en sus barras.

En cambio, la resistencia de una estructura triangulada se basa en sus barras ya que las uniones ni siquiera tienen por qué ser rígidas, pueden ser articuladas.

En efecto, en el triángulo que formamos antes, aunque los tornillos pasadores estén flojos la figura sigue siendo indeformable.

Veamos un ejemplo de cómo podemos hacer indeformable una estructura simple mediante el método de la triangulación.

Podemos hacer indeformable la estructura con cualquiera de las formas siguientes:

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6. ESTABILIDAD EN LAS ESTRUCTURAS

Las estructuras, además de ser resistentes, de-ben ser estables , es decir, deben permanecer en equilibrio sin volcarse o caerse al variar las cargas que actúan sobre ella (lógicamente nos referimos a variaciones dentro de ciertos límites).

La estabilidad de un cuerpo depende de la po-sición de su centro de gravedad, que, de forma simplificada, podemos definir como el punto en el que podemos suponer concentrada toda la masa de dicho cuerpo y, por tanto, la fuerza de grave-dad que la Tierra ejerce sobre él. Cuanto más bajo esté situado su centro de gravedad, más estable es una estructura.

Es interesante conocer algunos aspectos que conviene tener en cuenta a la hora de diseñar las estructuras, para que éstas sean más estables y disminuya la posibilidad de vuelco o desplaza-miento:

� Si aumentamos el peso en la base aumenta la estabilidad, pues baja el centro de grave-dad. Por ejemplo, el lastre que se coloca en las canastas de baloncesto para evitar que se vuelquen, o las bases de las grúas.

� Si aumentamos las dimensiones de la base de apoyo el sistema es más estable. Por ejemplo, la base de un monitor de ordenador.

� Si la estructura está empotrada en la base o sujeta firmemente a ella , es más estable.

Pensar en los ci-mientos de los mu-ros, que están em-potrados, o en las farolas que están sujetas al suelo con pernos rosca-dos.

Realmente es co-mo si incluyéramos el suelo en la base de la estructura,…. una base de tama-ño y peso enor-mes.

� Colocando tensores o tirantes a las estructu-ras muy esbeltas mejora la estabilidad, y la estructura se comporta como si tuviera una base mayor. Por ejemplo, en las antenas de TV o radio.

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Barra horizontal

Tirantes

Soportes

ACTIVIDADES

1.- ¿A qué se le llama una estructura?

2.- ¿Cuáles son las funciones básicas de las estructuras? Pon dos ejemplos característicos de estructuras pensadas para cada una de las fun-ciones indicadas, pero que sean diferentes a los indicados en los apuntes.

3.- Pon tres ejemplos de estructura de barras y tres de estructuras laminares diferentes a los que aparecen en los apuntes

4.- De los siguientes elementos indica cuáles tienen estructura de barras y cuáles estructura laminar: bolígrafo, paraguas, lata de conservas, televisión, silla de alumno, columpio de parque, edificio de viviendas, ratón de ordenador, esque-leto humano, tortuga, bicicleta, frigorífico.

5.- Indica los cinco tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos los elementos que for-man las estructuras.

6.- Averigua lo que es el hormigón.

7.- Explica lo que es el hormigón armado.

8.- Indica por qué se utiliza el hormigón armado en vez del hormigón en masa en algunos ele-mentos.

9.- ¿Qué ventajas tiene el hormigón armado fren-te al acero?

10.- Explica lo que es el pandeo y en qué se diferencia de la flexión normal.

11.- En el aparato de gimnasia de barra fija de la figura, indica los tipos de esfuerzo a que están sometidos los tirantes, los soportes y la barra horizontal.

12.- ¿A qué tipo de esfuerzo están sometidas los siguientes elementos?: broca, cuerdas de guita-rra, peldaños de escalera, llave de grifo, asiento de banco de jardín, huesos de nuestras piernas.

13.- ¿De qué depende, además del tipo de mate-rial y de la cantidad de material, la resistencia que presenta a los esfuerzos una estructura?

14.- Muchas estructuras de usan piezas huecas en vez de macizas. ¿A qué crees que se debe?

15.- Ordena de mayor a menor resistencia los siguientes perfiles estructurales: Doble T, Tubu-lar rectangular, plano, angular.

16.- ¿Cuáles son más resistentes los perfiles abiertos o los cerrados?

17.- Indica la diferencia entre pilares y vigas.

18.- ¿Se pueden construir vigas de hormigón en masa (no armado)? ¿Por qué?

19.- ¿Qué es una riostra?

20.- ¿A qué llamamos cimentación de una es-tructura? Indica algunos elementos característi-cos de las cimentaciones y realiza un dibujo aclarativo de cada uno de los mismos

21.- De las siguientes estructuras indica las que son indeformables y las que no. Supón que las uniones entre barras son articuladas (por ejem-plo, los tornillos no están apretados fuertemen-te).

F

E

D

B A

C

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22.- ¿Por qué muchas estructuras de barras, como las bicicletas, las torretas eléctricas, etc. se construyen a base de triángulos?

23.- En los tres casos siguientes, ¿Cuál de las dos estructuras, la A o la B, crees que soportará un mayor peso? ¿Por qué?

24.- ¿Qué significa que una estructura es esta-ble?

25.- ¿Qué es el centro de gravedad de un cuer-po?

26.- Ordena de mayor a menor estabilidad las siguientes estructuras.

27.- Ordena de mayor a menor estabilidad las siguientes estructuras

28.- Ordena de mayor a menor estabilidad las siguientes estructuras:

29.- Ordena de mayor a menor estabilidad las siguientes estructuras suponiendo que sus cen-tros de gravedad están situados en los puntos que se indican.

30.- Enumera los diversos métodos usados para mejorar la estabilidad de las estructuras, indi-cando un par de ejemplos de cada uno.

31.- ¿Por qué es más difícil que vuelque un trici-clo que una bicicleta?

32.- ¿Por qué las antenas de televisión tienen tirantes en varias direcciones?

33.- Averigua en Internet lo que son las estructu-ras masivas e indica algunos ejemplos.

Caso 1

Caso 2

Caso 3

1 2 3 4

1 2 3

4 5

Plástico Acero

1 2 3

1 2 3 4

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34.- Las estructuras abovedadas utilizan arcos, bóvedas y cúpulas como elementos de sujeción y soporte.

Averigua en Internet quienes utilizaron estos elementos por primera vez, la definición de cada uno de ellos y en qué basan su resistencia.

35.- Averigua lo que son las estructuras entra-madas, cuales son sus elementos estructurales y para qué se utilizan fundamentalmente.

36.- Indica el tipo de estructura de la figura e identifica cada uno de los elementos que se se-ñalan.

37.- Averigua lo que es el forjado en un edificio.

38.- Las siguientes figuras representan un puen-te colgante y un puente atirantado. Identifica cuál es cada uno de ellos. Averigua en Internet la diferencia entre dichos tipos de puentes.

39.- En Sevilla tenemos varios puentes sobre el río Guadalquivir. Averigua en Internet sus nom-bres y de que tipo es cada uno de ellos.

40.- Observa las figuras A y B siguientes. Explica la razón física por la que, llegado un punto de vuelco de la silla, nos caemos al suelo? Indica a qué tipo de esfuerzo están sometidas las patas traseras de la silla en cada figura. ¿En qué caso crees que hay más riesgo de que se partan di-chas patas y por qué?

41.- ¿Cuál de los siguientes vehículos crees que será más estable? Explica el motivo.

Arco Bóveda

Cúpula

4

3

2

6 7

5

1

A

B