ESTRUCTURAS Y MECANISMOS

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1 ESTRUCTURAS Y MECANISMOS DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA I.E.S.O. CAMINO ROMANO SISANTE (CUENCA) 1

2 Tema 6: ESTRUCTURAS ÍNDICE DEL TEMA: 1. DEFINICIÓN 2. UTILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS 3. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LAS ESTRUCTURAS 4. TIPOS DE ESTRUCTURAS 5. ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS 5.1. ELEMENTOS DE CIMENTACIÓN 5.2. SOPORTES 5.3. ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN DE CARGAS A SOPORTES 6.-ESFUERZOS QUE SOPORTAN LAS ESTRUCTURAS 6.1.-ESFUERZO DE COMPRESIÓN 6.2.-ESFUERZO DE TRACCIÓN 6.3.-ESFUERZO DE FLEXION 6.4.-ESFUERZOS DE TORSIÓN 6.5.-ESFUERZO DE CORTADURA O CIZALLADURA 7.-CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LAS ESTRUCTURAS DE BARRAS 7.1.-PERFILES METALICOS 7.2.-TRIANGULACION DE ESTRUCTURAS 7.3.-ESTABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS 8. LOS MECANISMOS 8.1.-PERFILES METALICOS 8.2.-TRIANGULACION DE ESTRUCTURAS 8.3.-ESTABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS 9. LOS MECANISMOS 9.1. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO 9.2. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO 2

3 1.-DEFINICION Las estructuras son un conjunto de elementos que, convenientemente unidos entre si, son capaces de soportar los esfuerzos a que son sometidos. Además de soportar, como se ha dicho, diferentes fuerzas o cargas, las estructuras deben soportar su propio peso sin volcar o romperse. Las estructuras deben ser resistentes, ligeras y estables. 2.-UTILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS Las funciones más importantes de las estructuras son: Soportar peso: como por ejemplo un puente o un coche. Sostener objetos: como un caballete de pintura. Contener objetos en su interior: como una papelera Proteger objetos y personas: por ejemplo la carcasa de un ordenador o el casco de un motorista. 3.-FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LAS ESTRUCTURAS La primera fuerza que tiene que soportar es su propio peso. Además de su peso, las estructuras tienen que soportar cargas (pesos externos). Si las estructuras se encuentran en movimiento, también tendrán que soportar las fuerzas de inercia que aparecen cuando los cuerpos frenan o aceleran. Algunas estructuras tienen que resistir a menudo los efectos de la presión de un liquido o gas. 4.-TIPOS DE ESTRUCTURAS La gran variedad de estructuras existente hace que su clasificación sea difícil. Según el tipo de elementos componentes se distinguen: ESTRUCTURAS MASIVAS: como muros de carga, taludes, espigones, etc. ESTRUCTURAS DE BARRAS: como puentes, cerchas de naves, torres de alta tensión, etc. ESTRUCTURAS LAMINARES: formadas por láminas o planchas, como la carrocería de un coche o un avión. ESTRUCTURAS COLGADAS: sus principales elementos son los cables y los tensores. 3

4 5.-ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS Clasificaremos los distintos elementos, teniendo en cuenta la función estructuras que desempeñan: Elementos de cimentación Soportes o pilares Elementos de transmisión de cargas a los soportes ELEMENTOS DE CIMENTACIÓN Los cimientos son los elementos de transmisión de cargas al suelo. Antiguamente, cuando se construía con muros de carga, la cimentación era un ensanchamiento del muro. En la actualidad con el uso del hormigón, la cimentación se resuelve con zapatas. Los pilares y los muros de carga transmiten el peso a las zapatas SOPORTES Los elementos encargados de transmitir las cargas a la cimentación son los soportes. Estos pueden ser fundamentalmente de dos tipos: Muros de carga: son elementos lineales y continuos. Es el sistema tradicional de construcción. Pilares: son elementos verticales, puntuales e independientes, que soportan el peso de otras partes de la estructura ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN DE CARGAS A SOPORTES Como elementos que transmiten las cargas a los pilares o soportes estudiáremos los siguientes: Catenaria Arco Viga Tirante o tensor Escuadra 4

5 Catenaria La catenaria es la curva que describe una cuerda, cadena o similar, sujetada por dos puntos que no están sobre la misma vertical. Fue muy utilizada por el arquitecto catalán Gaudí. Arco Otra forma de transmitir esfuerzos es a través de arcos que suelen tener forma de semicircunferencia (arco de medio punto) o de dos centros u ojival (muy utilizado en el gótico) o de herradura (utilizado por los árabes). Otra forma son las bóvedas y cúpulas, que son una evolución de los arcos. Las bóvedas son una sucesión de arcos, mientras que las cúpulas están formadas por un arco que se hace girar por un efe vertical que pasa por la parte superior. Vigas Es el elemento de transmisión mas usado en la actualidad. Son elementos horizontales que trabajan a flexión. Normalmente transmiten las cargas a los pilares. Tirantes y tensores Son elementos, normalmente barras o cables metálicos, tracción. que trabajan a Escuadra 6.-ESFUERZOS QUE SOPORTAN LAS ESTRUCTURAS Si observas la construcción de los edificios, una vez construidos los cimientos, los obreros comienzan a levantar los pilares y sobre ellos una serie de vigas, de tal forma que estos elementos son los que van a soportar todo el peso del edificio. Pero cómo se deforma una viga o un pilar al soportar un peso?. En el caso de un viga, lo que ocurre es que la fuerza que actúa sobre ella tiende a curvarla, y si la fuerza es muy grande, llegaría incluso a romperla. Como se observa, hay elementos de las estructuras que deben resistir esfuerzos de un tipo, mientras que otros elementos lo han de resistir de forma diferente. Por ejemplo un pilar recibe otro tipo de esfuerzo y se observa como se deforma. En los ejemplos anteriores se ha observado como recibe el peso un pilar o una viga y las diferentes consecuencias que se producen en estos elementos. Cuántas clases de esfuerzos diferentes hay? 5

6 Estudiaremos los siguientes tipos de esfuerzos: Esfuerzo de compresión Esfuerzo de tracción Esfuerzo de flexión Esfuerzo de torsión Esfuerzo de cortadura o cizalladura Esfuerzo de pandeo 6.1.-ESFUERZO DE COMPRESIÓN Son aquellos que al actuar sobre una estructura hacen que esta se comprima, se acorte, como en el caso de un pilar de un edificio. Ejemplos: Pilar de un edificio, patas de una mesa, armario, etc. Un cuerpo está sometido a compresión cuando actúan sobre él dos fuerzas iguales y de sentido contrario. Las caras del cuerpo perpendiculares a las fuerzas tienden a unirse, mientras que las paralelas tienden a separarse, lo que produce un acortamiento en su longitud si las fuerzas tienen valor suficiente. F F 6.2.-ESFUERZO DE TRACCIÓN Son aquellos que al actuar sobre una estructura hacen que esta se estire, se alargue. Ejemplos: Una cuerda de la que cuelga un peso, los cables de los que cuelga una grúa. El cable del ascensor, las asas de la cesta de la compra. Un cuerpo está sometido a tracción cuando actúan sobre él dos fuerzas iguales y de sentido contrario. Las caras perpendiculares a las fuerzas tienden a separarse, y las paralelas a juntarse, con lo que se produce un alargamiento si las fuerzas tienen un valor suficiente. Éste es el caso típico de una goma elástica. F F 6

7 6.3.-ESFUERZO DE FLEXION Son aquellos que al actuar sobre una estructura hacen que esta tenga tendencia a doblarse, a flexionarse. Ejemplos: una viga, los puentes, una caña de pescar, el tablero de una mesa, la balda de una estantería. Un cuerpo está sometido a flexión cuando actúan sobre él dos fuerzas iguales paralelas, y otra en sentido contrario en medio de las dos anteriores igual a la suma de estas. En el caso particular de una viga se considera la flexión, como el efecto de curvarse la viga bajo la acción de cargas que actúan normalmente al eje de esta. Cuando se somete a flexión una barra (viga) se producen en ella esfuerzo de tracción, compresión, cizalladura y tensiones trasversales. Un ejemplo típico lo tenemos en un tablón simplemente apoyado, al que se la aplica una fuerza perpendicular a su eje, la cual provoca que la mitad superior se comprima, mientras que la inferior se tracciona, quedando en el centro una fibra que no sufre alteración, denominada fibra neutra. A la distancia máxima que se produce en un cuerpo simplemente apoyado cuando está sometido a flexión se le denomina flecha 6.4.-ESFUERZOS DE TORSIÓN Son aquellos que cuando actúan sobre una pieza o estructura, tienden a girarla, a retorcerla. Ejemplos: un destornillador cuando se pone con él un tornillo, una llave cuando se abre una puerta, un eje de un coche cuando transmite la fuerza a las ruedas de un coche, los ejes de las maquinas. Un cuerpo está sometido a tracción cuando sobre él actúan dos pares de fuerzas contrarias en sentido opuesto, es decir, que normalmente sus secciones tienden a tomar un movimiento de rotación unas en sentido contrario de las otras. Se produce de esta forma el fenómeno de cortadura. 7

8 6.5.-ESFUERZO DE CORTADURA O CIZALLADURA Son aquellos que cuando actúan sobre una estructura tienden a cortarla, a romperla, y son debidas a dos fuerzas iguales y opuestas cuyas líneas de acción están muy juntas. Ejemplos: unas tijeras trabajan a cortadura, una viga en voladizo trabaja a cortadura en la zona de empotramiento, etc. Un cuerpo está sometido a cortadura cuando sobre él actúan dos fuerzas iguales, en sentido contrario, en planos paralelos y con muy poca separación. El sólido tiende a desunirse por desgarramiento en la separación de los dos planos en donde actúa la fuerza. Ejemplo típico de este caso son las tijeras PANDEO Decimos que un cuerpo está sometido a pandeo, cuando se le somete a compresión siendo su longitud muy grande respecto a su sección transversal (cuerpos de gran esbeltez). Este es el caso de los pilares. Un ejemplo lo podemos observar fácilmente cuando comprimimos un palo delgado, éste se flexionará deformándose, por lo que si continuamos aplicando fuerza el palo romperá. 7.-CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LAS ESTRUCTURAS DE BARRAS La mayoria de las estructuras se construyen combinando varios elementos. La solidez y la resistencia de la estructura dependen de los materiales con los que están hechos estos elementos, de su forma y de cómo están colocados. Parece, en principio, lógico que los elementos vistos anteriormente como vigas, pilares, escuadras etc. es que fueran macizos, para que así aguanten mucho peso. 8

9 Sin embargo, una estructura no es más sólida cuanto mas material tenga. Al contrario, cuantos mas elementos macizos usemos tanto mas aumentaremos el peso, con lo cual, según va creciendo la estructura, será mucho mas difícil que se mantenga en pie. Lo fundamental de una estructura no es el material, ni su cantidad, sino la forma de un elemento y el modo en que se han colocado. A igualdad de resistencia, las estructuras son mejores cuanto más ligeras sean: son baratas, su construcción requiere menos materias primas y son más fáciles de transportar y de montar PERFILES METALICOS Para obtener estructuras resistentes y ligeras se utilizan los perfiles metálicos. En efecto, dándole al material ciertas formas se consigue que una estructura soporte grandes pesos y esfuerzos empleando mucho menos material del que haría falta para fabricar la misma estructura con barras sólidas. El material del que están fabricados suele ser de acero, hormigón y aluminio, ya que son materiales muy resistentes y además tiene un buen comportamiento contra la oxidación si están colocados a la intemperie. Las estructuras de acero, no obstante, si que hay que protegerlas con pinturas especiales (minio, etc) para evitar la oxidación. Podemos distinguir los siguientes tipos de perfiles: Perfiles abiertos o Perfil en L o Perfil en T o Perfil en U o Perfil en doble T Perfiles cerrados: o Tubo cuadrado o Tubo redondo 7.2.-TRIANGULACION DE ESTRUCTURAS Hay muchas estructuras que están formadas por triángulos. Esto se debe a que han sido reforzadas con barras diagonales. De este modo se consigue una estructura relativamente ligera y resistente. Por qué? El triangulo es una figura geométrica muy estable que no tiende a deformarse cuando actúa sobre el una fuerza, tal como se observa en la figura. 9

10 En este caso se observa que a y b trabajan a compresión mientras que c queda sometida a un esfuerzo de tracción. Triangulación de polígonos Un polígono de cuatro o más lados al que se aplica una fuerza, tiende a deformarse por efecto de ésta. Para conseguir que sea estable hay que triangularlo, es decir, unir sus vértices no consecutivos por medio de elementos rígidos. Aplicaciones de la triangulación En muchas estructuras se disponen las barras del armazón de modo que formen triángulos para conseguir resistencia, manejabilidad y ligeraza al mismo tiempo. Ejemplos: Grúas de construcción, torres de alta tensión, andamios, puentes, estanterías metálicas, algunas sillas plegables, etc ESTABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS Una estructura, además de ser resistente, ha de ser estable y no perder el equilibrio a causa de una variación de las condiciones que la rodean. La estabilidad de un cuerpo depende de la situación de su centro de gravedad. El centro de gravedad de un cuerpo es el punto de aplicación en dicho cuerpo de la fuerza de la gravedad que lo atrae hacia la Tierra. Para comprobar si un cuerpo es estable basta trazar una recta vertical que pasa por su centro de gravedad: si la recta cae dentro de su base, el cuerpo esta en equilibrio. Determinación del centro de gravedad de un cuerpo Recortar en cartulina la figura en la que se quiera calcular el centro de gravedad (c.d.g.) y con una chincheta sujetarla sobre un trozo de tablero de contrachapado, situado verticalmente. De la chincheta, se cuelga un hilo con un peso en el otro extremo y se marca una línea siguiendo la trayectoria del hilo. Se pone la figura en otra posición y haciendo la misma operación, según se indica en la figura adjunta. El punto donde se cruzan las líneas que se han trazado sobre la figura es el centro de gravedad. 10

11 Tipos de equilibrio Según las características del cuerpo, el equilibrio puede ser estable o inestable. Equilibrio estable Se produce cuando el centro de gravedad esta muy bajo o la base es muy amplia. De esta forma resulta difícil que la vertical del centro de gravedad salga de la base, aunque el cuerpo se incline bruscamente. Equilibrio inestable Se produce cuando el centro de gravedad esta muy alto o la base es muy pequeña. Así es probable que la vertical del centro de gravedad salga fuerza de la base al inclinar el cuerpo aunque solo sea ligeramente. CONCLUSIÓN: 1º) Las estructuras, además de resistir los esfuerzos han de ser estables. 2º) Cuanto mas bajo esté el centro de gravedad, mas estables serán las estructuras. 11

12 8. LOS MECANISMOS Mientras que las estructuras soportan las fuerzas de un modo estático, es decir, sin moverse, los mecanismos permiten el movimiento de los objetos. El sistema de engranajes con cadena de una bicicleta, los engranajes del reloj, la palanca de un balancín, la polea de un pozo de agua, son algunos de los mecanismos más sencillos que se encuentran formando parte de muchos objetos. Los mecanismos son elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y movimientos desde un elemento motriz (motor) a un elemento receptor. Permiten al ser humano realizar determinados trabajos con mayor comodidad y menor esfuerzo. Según su función, los mecanismos se pueden clasificar en mecanismos de transmisión de movimiento, del movimiento y mecanismos de transformación del movimiento MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO Transmiten el movimiento, la fuerza y la potencia producidos por un elemento motriz (motor) a otro punto. Mecanismos de Transmisión lineal (I): a) Polea: Es una rueda que gira alrededor de un eje. Éste se halla sujeto a una superficie fija. Por la ranura de la polea se hace pasar una cuerda, cadena o correa que permite vencer, de forma cómoda, una resistencia R, aplicando una fuerza F. Polea Fija: Se encuentra en equilibrio cuando la fuerza aplicada F es igual a la resistencia R, que presenta la carga, es decir, cuando F=R. Sirve para subir y bajar cargas con facilidad. Se utiliza en pozos, grúas sencillas, aparatos de musculación, etc. 12

13 Polea Móvil: Es un conjunto de dos poleas, una fija y otra que puede desplazarse linealmente. Se encuentra en equilibrio cuando F=R/2. Mediante este sistema, el esfuerzo realizado para vencer la resistencia de una carga se reduce a la mitad con respecto a la polea fija. Polipasto: Es un tipo especial de montaje constituido por dos grupos de poleas: fijas y móviles. A medida que aumenta el número de poleas, el mecanismo se hace más complejo, pero el esfuerzo necesario para vencer la resistencia disminuye. Mecanismos de Transmisión Lineal (II) Palanca: La palanca es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o articulación. En un punto de la barra se aplica una fuerza F, con el fin de vencer una resistencia R, que actúa en otro punto de la barra. La palanca se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza F, por su distancia, d, al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia, R, por su distancia, r, al punto de apoyo. Esta es la denominada ley de la palanca, que matemáticamente se expresa así: F.d = R.r Hay tres tipos de palanca: de primer grado, de segundo grado y de tercer grado PRIMER GRADO: El punto de apoyo se encuentra entre la fuerza aplicada y la resistencia. 13

14 SEGUNDO GRADO: La resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza aplicada. TERCER GRADO: La fuerza aplicada se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia Mecanismos de transmisión circular: a) Ruedas y Poleas: Son sistemas de dos o más ruedas que se encuentran en contacto, ya sea directo o a través de una correa. - La ruedas de fricción son sistemas de dos o más ruedas que se encuentran en contacto directo. Una de las ruedas se llama motriz o de entrada, pues al moverse provoca el movimiento de la rueda conducida o de salida, que se ve arrastrada o conducida por la primera. El sentido de la rueda arrastrada es contrario al de la rueda motriz. Son muy empleadas en la industria, por ejemplo para fabricar y arrastrar chapas metálicas, rollos de papel u otras superficies de poco espesor. Asimismo, se utilizan en el interior de máquinas y aparatos, como los de vídeo. 14

15 - Los sistemas de poleas con correa son conjuntos de poleas o ruedas situadas a cierta distancia, cuyos ejes suelen ser paralelos, que giran simultáneamente por efecto de una correa. Así, el giro de un eje se transmite al otro a través de las poleas acopladas a dichos ejes. Las dos poleas giran en el mismo sentido. Este mecanismo se utiliza en máquinas industriales, así como en motores de automóviles, lavadoras, taladradoras, etc. La relación de transmisión entre las velocidades de giro depende del tamaño relativo de las ruedas, y se expresa mediante la siguiente ecuación: d 1 /d 2 =n 2 /n 1 En la igualdad anterior, d 1 y d 2 indican los diámetros, y n 1 y n 2 las velocidades de las ruedas motriz y conducida. Las velocidades de las ruedas se expresan en revoluciones por minuto (rpm) y los diámetros en milímetros (mm). b) Engranajes: Son juegos de ruedas que poseen salientes denominados dientes, de modo que unas ruedas arrastran a las otras. En este caso los engranajes giran en sentido opuesto. Se utilizan en máquinas industriales y en automoción, pero también en artículos domésticos como taladradoras, batidoras, exprimidores, juguetes, etc. 15

16 * Los sistemas de engranajes con cadena consisten en dos ruedas dentadas de ejes paralelos situadas a cierta distancia la una de la otra, que giran por efecto de una cadena o correa dentada engranada a ambas. En este caso los engranajes giran en el mismo sentido. Se utiliza en máquinas industriales y motores, bicicletas, etc. La relación de transmisión es: Z 1 /Z 2 = N 2 /N 1 Z 1 y Z 2 es el número de dientes, y N 1 y N 2 las velocidades MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO Transforman un movimiento circular en un movimiento rectilíneo o viceversa. * Conjunto manivela torno: Una manivela es una barra unida a un eje al que le hace girar. El mecanismo que se basa en este dispositivo es el torno, que consta de un tambor que gira alrededor de su eje a fin de arrastrar un objeto. Un torno está en equilibrio cunado se cumple la siguiente igualdad: F.B f = R.B r 16

17 * Piñón-cremallera: es un piñón o rueda dentada de dientes rectos, engarzado a una cremallera, es decir, una correa o barra dentada. Cuando la rueda dentada gira, la cremallera se desplaza con movimiento rectilíneo. Este mecanismo permite transformar el movimiento rectilíneo de la cremallera en circular del piñón. Se utiliza en columnas de taladradoras, sacacorchos, direcciones, etc * Conjunto biela-manivela: Está formado por una manivela y una barra denominada biela. Esta se encuentra articulada por un extremo con dicha manivela y, por el otro, con un elemento que describe un movimiento alternativo. Al girar la rueda, la manivela transmite el movimiento circular a la biela, que experimenta un movimiento de vaivén. Este sistema también funciona a la inversa, es decir, transforma un movimiento rectilíneo alternativo o de vaivén en un movimiento de rotación. Su importancia fue decisiva en el desarrollo de la locomotora de vapor, y en la actualidad se utiliza en motores de combustión interna, limpiaparabrisas, máquinas herramientas, etc. * Trinquete: Permite el giro en un sentido y lo impide al contrario. Se utiliza en relojería, frenos, etc. * Muelle: Absorben energía cuando se les aplica una fuerza. Se utiliza en juguetes, relojes, bolígrafos, colchones, etc. 17