C. M. MIGUEL CASTILLEJO Fundación Vera-Cruz JAÉN TECNOLOGÍA 2º ESO. Departamento de Ciencias Experimentales y Tecnología

Transcripción

1 C. M. MIGUEL CASTILLEJO Fundación Vera-Cruz JAÉN TECNOLOGÍA 2º ESO Departamento de Ciencias Experimentales y Tecnología

2 ÍNDICE 1. DEFINICIÓN. 2. ESTRUCTURAS RESISTENTES Problemas que resuelven las estructuras Tipos de estructuras resistentes Fuerzas que actúan sobre las estructuras resistentes. 3. ESFUERZOS Esfuerzos que soportan los elementos estructurales. 4. ELEMENTOS RESISENTES 4.1. Elementos de soporte Tipos de uniones. 5. PERFILES Y TRIANGULACIÓN Perfiles Triangulación de estructuras. 6. PUENTES 6.1. Tipos de puentes. Página 2 de 10

3 1. DEFINICIÓN Se llama estructura resistente a aquella parte de un cuerpo que le permite mantener su forma a pesar de las fuerzas que actúan sobre él y tienden a deformarlo. Todas las estructuras son un grupo de elementos que adoptan una cierta disposición, que se relacionan, sustentan un conjunto y le dan consistencia. 2. ESTRUCTURAS RESISTENTES 2.1. Problemas que resuelven las estructuras Las estructuras se construyen para: almacenar materiales (envases de cartón, silos de grano, tinajas de vino, depósitos de gas ) cubrir espacios (techos, bóvedas, marquesinas, cúpulas ) salvar accidentes geográficos (puentes, túneles ) crear espacios vacíos (canales, estanques, piscinas, presas ) generar superficies utilizables (carreteras, aeropuertos, polideportivos, etc. ) alcanzar alturas en el espacio (torres, postes de la luz, grúas ) proporcionar apoyo y proteger a los restantes elementos de un conjunto (el esqueleto humano ) 2.2. Tipos de estructuras resistentes Las estructuras se pueden clasificar de muchas maneras. Si nos referimos a la forma que tienen y a cómo se reparten los esfuerzos, las cargas y las acciones que actúan sobre ellas, se pueden establecer tres grandes grupos: lineales: si la resistencia actúa en una única dirección (un pilar, un tensor, una viga ) superficiales: cuando la resistencia se reparte por toda la superficie de la estructura (una presa, una bóveda ) espaciales: cuando contienen elementos que resisten en las tres dimensiones (edificios ) Cualquier estructura por sólida que parezca a simple vista, sufre deformaciones. Atendiendo a la magnitud de éstas, las estructuras se pueden clasificar en: rígidas: cuando la deformación es escasa flexibles: cuando la deformación es considerable Página 3 de 10

4 2.3. Fuerzas que actúan sobre las estructuras resistentes. Todas las estructuras tienen que soportar la acción de la fuerza de la gravedad que es la que atrae los cuerpos hacia el suelo, con el fin de resistir y contrarrestar dicha fuerza, las estructuras aprovechan su forma y el material del que están hechas. El suelo es capaz de soportar esfuerzos entre 5 y 40 toneladas por metro cuadrado. Además de tener que soportar su propio peso, las estructuras sufren el efecto de las fuerzas de inercia y de las presiones. En el caso de las estructuras de edificación, éstas tiene que soportar las cargas derivadas de su uso (personas, muebles, instalaciones, la acción del viento, la sobrecarga de nieve, movimientos sísmicos ) Las fuerzas que actúan sobre una estructura se pueden representar gráficamente mediante flechas con las que se indica si intensidad o magnitud, y la dirección y el sentido en el que actúan. Esta representación se llama diagrama de fuerzas, y es de gran utilidad para estudiar cómo se reparten las cargas y los esfuerzos. 3. ESFUERZOS Al construir una estructura se necesita tanto un diseño adecuado, como elementos que sean capaces de soportar las fuerzas, cargas y acciones a las que va a estar sometido. Una estructura estará en equilibrio cuando: La suma de todas las fuerzas (las que deforman y las de resistencia) es 0 Si la suma de todos los momentos (efectos que producen giros) es Esfuerzos que soportan elementos estructurales Tracción: las distintas partículas que componen una pieza se separan tendiendo a alargarla. Compresión: hace que se aproximen las diferentes partículas de un material produciendo aplastamiento. Cizallamiento o cortadura: se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a una pieza, haciendo que las partículas del material resbalen unas sobre otras. Flexión: es una combinación de compresión y tracción. Torsión: hace que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje central Pandeo: es una compresión vertical, se produce cuando la longitud del elemento es mayor que su sección. Página 4 de 10

5 4. ELEMENTOS RESISTENTES. La mayoría de las estructuras se construyen cambiando varios elementos. La estabilidad de la estructura depende de la forma, de los materiales de los que está hecha y la disposición de estos elementos Elementos del soporte Las vigas, los pilares, las ménsulas y los tirantes son elementos resistentes muy frecuentes en las estructuras. Las vigas: son elementos de madera, hierro u hormigón armado, que se colocan horizontalmente dentro de una estructura, se apoyan en dos puntos y están destinadas a soportar cargas. Las vigas están sometidas a esfuerzos de flexión. Se emplean fundamentalmente en la construcción, permitiendo la realización de grandes zonas voladas. En los edificios las vigas sirven de apoyo a las viguetas (vigas más pequeñas) en las que se sujetan elementos de cerámica y hormigón, para formar los forjados (los suelos). Los pilares: son elementos que se colocan verticalmente y que tienen como misión servir de apoyo a vigas, cerchas, etc. Están sometidas fundamentalmente a esfuerzos de compresión. En la construcción de edificios suelen descansar en grandes cubos de hormigón llamados zapatas. Las ménsulas: son apoyos o repisas para sustentar otros elementos de la estructura. Generalmente se apoyan en las paredes y sobre ellas descansan balcones, plataformas, vigas Son elementos horizontales que trabajan a flexión. Los tirantes: son elementos alargados que soportan y ayudan a dar rigidez a las estructuras. Trabajan a tracción. En el siguiente esquema de cargas se pueden apreciar otros elementos estructurales, algunos ya mencionados (zapata continua, zapata aislada) y otros importantes como los muros de carga, viga riostra (o cordón), arriostramiento (o cruz de San Andrés) y otros menores como el brochal. Página 5 de 10

6 4.2. Tipos de uniones Las fuerzas y las acciones que inciden sobre una estructura se transmiten por sus distintos elementos a través de sus uniones. Se pueden clasificar en tres tipos: Apoyada: en la que los distintos elementos se puedes desplazar uno respecto del otro. En este caso, solo se transmiten esfuerzos perpendiculares al apoyo. Articulada: este tipo de unión permite que uno de los elementos gire respecto del otro. La unión transmite esfuerzos en todas las direcciones que pasen por su eje. Rígida: la unión no permite ningún desplazamiento de los elementos que lo integran. La transmisión de esfuerzos se realiza en cualquier dirección y sobre cualquier punto. 5. PERFILES Y TRIANGULACIÓN. Una estructura no es más sólida cuanto más material tenga. Lo fundamental es la forma de sus elementos y su organización global. Página 6 de 10

7 5.1. Perfiles. Se llaman perfiles a las formas que tienen las secciones de los aceros comerciales que se emplean en la construcción de estructuras. La elección de un tipo específico de perfil, depende de la misión que deba desempeñar dentro de la estructura y de los esfuerzos que tenga que soportar Triangulación de estructuras. Existen muchas estructuras que están formadas a base de triángulos unidos entre sí. Este tipo de estructuras, que adquieren una gran robustez, tienen infinidad de aplicaciones. El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando actúa sobre él una fuerza. Al aplicar una fuerza de compresión sobre uno cualquiera de los vértices de un triángulo formado por tres vigas automáticamente las dos vigas que parten de dicho vértice quedan sometidas a compresión, mientras que la tercera trabaja tracción. Cualquier otra forma geométrica que adopte los elementos de una estructura no será rígida o estable hasta que no se triangule. CERCHA SIMPLE ARRIOSTRADA Cordón superior Pilar Riostra Cordón inferior A base de triangulación se han conseguido vigas de gran longitud y resistencia que se llaman vigas reticuladas o arriostradas y que se utilizan en la construcción de grandes edificaciones que necesitan amplias zonas voladas y sin pilares, así como en los puentes de una gran luz, postes, torres y andamios. Página 7 de 10

8 Diferentes tipos de cerchas arriostradas 6. PUENTES Los puentes son estructuras que los seres humanos han ido construyendo a lo largo de los tiempos para superar las diferentes barreras naturales con las que se encontrado y así poder transportar sus mercancías, permitir la circulación de las personas y trasladar sustancias en formación. Las características de los puentes dependen de los materiales con los que se construyen: Los puentes de madera: aunque son rápidos de construir y económicos, son poco resistentes y duraderos ya que son sensibles a la lluvia y el viento. Los puentes de piedra: son tremendamente resistentes y duraderos, aunque en la actualidad su construcción es muy costosa. Los puentes metálicos: son muy versátiles, permiten diseños de grandes luces, se construyen con rapidez, pero son caros de construir y de mantener por estar sometidos a la acción continua de gases y humos de las fábricas y ciudades. Los puentes de hormigón armado: son de montaje rápido, son resistentes y tienen un mantenimiento escaso, ya que son muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos. Página 8 de 10

9 6.1. Tipos de puentes. Básicamente, las formas que adoptan los puentes son tres, que por otra parte están directamente relacionadas por los esfuerzos que soportan sus elementos constructivos. Puentes de viga: formados por elementos horizontales que se apoyan en sus extremos sobre soportes o pilares. Mientras que estos se ven sometidos a esfuerzos de compresión, las vigas trabajan a flexión. Puentes de arco: están constituidos por una sección curvada hacia arriba, que se apoya en unos soportes o estribos y que abarca una luz. En ciertas ocasiones el arco es el que soporta el tablero del puente sobre el que se circula mediante una serie de soportes auxiliares, mientras que en otros de él cuelga el tablero mediante la utilización de tirantes. La sección curvada del puente está sometida siempre a esfuerzos de compresión, igual que los soportes tanto los del arco como los auxiliares que sustentan el tablero. Los tirantes soportan esfuerzos de tracción. Página 9 de 10

10 Puentes colgantes: están formados por un tablero que cuelga mediante un gran número de tirantes de dos grandes cables que forman sendas catenarias y que están ancladas en los extremos del puente y sujetas por dos grandes torres de hormigón o acero. Las torres o pilares trabajan a compresión y los demás elementos del puente se ven sometidos a esfuerzos de tracción. Página 10 de 10