ESTRUCTURAS. TPR 2º ESO

Transcripción

1 ESTRUCTURAS. TPR 2º ESO 1.- INTRODUCCIÓN La ESTRUCTURA es el esqueleto o armazón que permite a los cuerpos mantener su forma. Si un cuerpo no tiene estructura su forma no se mantiene. Una estructura está formada por un conjunto de elementos simples dispuestos de manera que permiten mantener la forma y soportar las fuerzas o cargas que tienden a deformar y romper la estructura. Cuando la estructura no cumple su cometido y se derrumba se dice que se ha producido un FALLO ESTRUCTURAL. El fallo ocurre debido a las fuerzas que actúan sobre los elementos de la estructura. Estas fuerzas se pueden clasificar en dos grandes grupos: a ) Fuerzas estáticas o estacionarias: son aquellas que no varían y permanecen constantes a lo largo del tiempo (son debidas al propio peso de la estructura, pues toda estructura debe soportar la fuerza de la gravedad, y las cargas permanentes que soporta) b ) Fuerzas dinámicas o motrices: son aquellas que varían a lo largo del tiempo (suelen ser producidas por los agentes atmosféricos: viento, lluvia..., los vehículos, viandantes, etc.) Existen muchos tipos de estructuras, pero nosotros vamos a basar nuestro estudio en las denominadas ESTRUCTURAS DE ARMAZÓN o ARMADURAS: son estructuras formadas principalmente por barras rígidas ensambladas entre sí. La estructuras deben tener las siguientes características: a ) ESTABILIDAD: No deben volcar ni derrumbarse. b ) RIGIDEZ: No deben deformarse. c ) RESISTENCIA: No deben deteriorarse por el paso del tiempo o la acción de los agentes atmosféricos. Estas características dependen de los siguientes factores: - Las fuerzas que actúan sobre la estructura - La forma de la estructura Los materiales que constituyen la estructura. 1

2 2.- FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LAS ESTRUCTURAS Las fuerzas o cargas tratan de alterar la forma de la estructura sobre la que actúan. Es necesario conocer como actuarán las fuerzas para asegurar que la estructura resistirá. Pueden ser de los siguientes tipos: a ) TRACCIÓN: Son las fuerzas que tienden a hacer que una barra se estire. Actúan en la dirección del eje de la barra y hacia afuera b ) COMPRESIÓN: Son las fuerzas que tienden a hacer que una barra se aplaste o comprima. Actúan en la dirección del eje de la barra y hacia dentro c ) FLEXIÓN: Son las fuerzas que tienden a hacer que una barra se doble o combe. Actúan en dirección transversal al eje de la barra d ) TORSIÓN: Son las fuerzas que tienden a retorcer la barra. Se trata de fuerzas de rotación que dan lugar a los denominados momentos de torsión. e ) CIZALLADURA o CORTADURA: Son fuerzas que tienden a hacer que una parte de la estructura deslice sobre otra. Actúan dos fuerzas opuestas y formando un cierto ángulo con el eje de la barra. 2

3 3.- ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS DE ARMAZÓN Todas las estructuras de armazón, sean más o menos complejas, están constituidas por un conjunto de elementos simples. La función de estos elementos es soportar todas las cargas que actúan sobre la estructura sin que ésta se deforma o rompa. Así, las cargas totales que debe soportar la estructura se reparten entre los elementos que la constituyen y cada uno de ellos va a soportar un tipo de fuerza particular en función de la posición en que se encuentre. a ) PERFILES: Las estructuras de armazón están formadas por perfiles. Son barras cuya sección tiene una forma particular determinada. La barras que constituyen las estructuras deben ser resistentes y soportar todo tipo de fuerzas, pero a la vez deben ser lo más ligeras posibles para que la estructura no sea muy pesada. Esto se consigue dando formas peculiares a las secciones de estas barras, de forma que se consigue una gran resistencia a la vez que un gran ahorro en material. El nombre del perfil viene dado por la forma de su sección: b ) VIGAS: Son perfiles que se suelen colocar horizontalmente sobre dos apoyos. Están sometidas a fuerzas de flexión. Si analizamos más de cerca la viga sometida a flexión, tiende a comprimirse mientras que la parte inferior se estira. Ambas zonas están delimitadas por una línea denominada línea neutra, en la que se compensan las fuerzas de tracción y compresión y no actúa ningún tipo de fuerza. La máxima deformación que sufre la viga se denomina flecha y la distancia entre los apoyos se denomina luz de la viga. Cuanto mayor sea 3

4 la luz de una viga, hay más probabilidad de que ésta se deforme y por tanto mayor sea la flecha. Un caso particular de viga, habitual en muchos tipos de estructuras, es la denominada VIGA VOLADIZA: se trata de una viga que tiene un solo apoyo. Al igual que las vigas con dos apoyos, la viga voladiza soporta fuerzas de flexión, pero en este caso la deformación máxima se produce en el extremo. c ) PILARES o COLUMNAS: Son perfiles que se colocan verticalmente, y suelen servir de apoyo a las vigas. Van a soportar fuerzas de compresión. La mayoría de las estructuras de armazón están constituidas por un entramado de vigas y columnas. d ) ELEMENTOS DE REFUERZO: Son elementos que permiten reforzar la estructura de forma que ésta permanezca rígida y estable. Existen varios tipos: - TIRANTES: son perfiles que actúan como refuerzo y soportan fuerzas de tracción. En ocasiones también se les denomina TENSORES. - MONTANTES: son perfiles que actúan como refuerzo y soportan fuerzas de compresión. - ESCUADRAS: son triángulos que se utilizan para reforzar una estructura. 4.- TRIANGULACIÓN Las estructuras de armazón pueden adoptar diversas formas, pero de todas ellas, el triángulo es la estructura rígida más sencilla. 4

5 Si consideramos una estructura sencilla de cuatro lados, al aplicar una fuerza en uno de sus vértices la estructura se deformará, tal y como se muestra en la figura: Se trata de una estructura no rígida, y lo mismo ocurrirá si consideramos polígonos con mayor número de lados. Sin embargo el triángulo constituye una estructura rígida. El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando sobre él actúa una fuerza. Al aplicar una fuerza sobre uno cualquiera de los vértices de un triángulo en las barras van aparecer las tensiones que aparecen en la figura: las barras laterales van a tender a comprimirse o aplastarse debido al efecto de la fuerza, pero la barra de abajo es estirada, de forma que ambos efectos se compensan entre sí y el triángulo no se deforma. Cualquier otra forma geométrica que adopten los elementos de una estructura no será rígida y se deformará. Para evitar que una estructura de armazón sufra deformaciones, las barras que la constituyen se suelen disponer formando triángulos. Así, por ejemplo, podemos conseguir que el cuadrado anterior sea rígido intercalando una barra diagonal y formando dos triángulos, como aparece en la figura: Este proceso, que consiste en formar triángulos para conseguir que una estructura sea rígida recibe el nombre de TRIANGULACIÓN. Otra forma de conseguir la rigidez de una estructura cuando no se puede triangular, es usar escuadras. 5

6 5.- ESTABILIDAD Se dice que una estructura es ESTABLE cuando no se vuelca fácilmente al actuar una fuerza sobre ella. En caso contrario se dice que la estructura es INESTABLE. La estabilidad está relacionada con la posición del CENTRO DE GRAVEDAD (CG) de la estructura. El centro de gravedad es el punto imaginario desde el que se considera que la fuerza de gravedad de la Tierra actúa sobre el cuerpo, tirando de él hacia el suelo. Dicho de otra forma, si pudiésemos concentrar toda la masa del cuerpo en un solo punto, de tal forma que el movimiento del cuerpo pudiese ser descrito por el movimiento de ese punto, obtendríamos el centro de gravedad. Un cuerpo caerá cuando la vertical trazada desde su centro de gravedad hasta el suelo no caiga sobre la base del objeto. Para mejorar la estabilidad de una estructura, hay que bajar el centro de gravedad del cuerpo lo máximo posible. Una de las maneras de lograr esto es ensanchar la base del cuerpo todo lo posible..cg Si la estructura es estable, el CG subirá al intentar volcar la estructura, por lo que volverá a su posición inicial al cesar la fuerza. Sin embargo, si es inestable, el CG describirá una trayectoria descendente. 6

7 6.- ANÁLISIS DE FUERZAS Las fuerzas que actúan sobre una estructura se suelen representar mediante flechas con las que se indica la dirección y sentido de dichas fuerzas. Esta representación se denomina DIAGRAMA DE FUERZAS, y es de gran ayuda para estudiar como se reparten las cargas entre los distintos elementos que constituyen la estructura. En una estructura de armazón sencilla es fácil encontrar que clases de fuerzas están actuando, siguiendo el método expuesto en el ejemplo sencillo. Para simplificar se considera sólo el análisis de fuerzas de tracción y de compresión. Esta estructura está compuesta por dos barras: la barra AB y la barra CB, y ambas están soportando la carga situada en el extremo B. La barra AB está siendo estirada por la carga y por tanto experimenta una fuerza de tracción. Si la barra AB se rompiera, los extremos rotos n-n tenderían a separarse, y esto sólo puede ocurrir si la barra está siendo estirada. La barra CB está siendo comprimida y por tanto sufre una fuerza de compresión. Si la barra CB se rompiera, los extremos m-m tenderían a cruzarse entre sí, y esto sólo puede ocurrir si la barra está siendo comprimida. Por tanto, para conocer qué tipo de fuerza ( tracción o compresión ) actúa sobre cada una de las barras que constituyen una estructura basta seguir el siguiente procedimiento: - suponemos que la barra considerada se rompe y nos preguntamos qué les ocurre a los extremos? - si los extremos se separan la barra está soportando una fuerza de tracción - si los extremos se acercan o se cruzan la barra está soportando una fuerza de compresión. Las fuerzas de flexión también son sencillas de analizar pues actúan en dirección perpendicular a las barras. 7

8 7.- ESTRUCTURAS COMPUESTAS Son estructuras formadas por varios elementos. Existen muchos tipos, algunos de los más representativos son los siguientes: a ) CERCHAS: Son vigas formadas por un entramado de perfiles dispuestos geométricamente formando triángulos. Con este tipo de estructuras se pueden conseguir grandes luces para cubrir grandes espacios con deformaciones muy pequeñas. Son habituales en naves industriales, estaciones, puentes, etc. Existen muchos tipos de cerchas, que se diferencian entre sí por la forma que adoptan los triángulos. A continuación se muestran algunos ejemplos: b ) ARCOS: Son estructuras formadas por una serie de elementos simples ( con forma de triángulo o cuña ) que dan al conjunto una forma curva. Las fuerzas que actúan sobre el arco se transmiten a los apoyos o estribos del mismo, que están sometidos a compresión. Se trata de una estructura muy resistente que permite cubrir grandes espacios, por lo que se utiliza en puentes, estaciones, hangares, catedrales, etc. En los arcos de armazón la forma del arco se consigue mediante un entramado de perfiles: 8