Las Estructuras 1º ESO Profesor: Fernando del Castillo
1. Los sólidos Introducción: Para comprender cómo funcionan las estructuras, es necesario que primero veamos qué son los sólidos, los tipos de sólidos que hay, y sus características. Qué es un sólido? Un sólido es un cuerpo que, a diferencia de los líquidos y los gases, presenta forma propia y opone resistencia a ser deformado o dividido. Tipos de sólidos Dependiendo de su capacidad y respuesta ante fuerzas deformadoras, podemos encontrar hasta tres categorías de sólidos: Sólidos estables: Son aquellos que no se deforman ante fuerzas externas. Sólidos elásticos: Son los que se deforman ante una fuerza externa, pero recuperan su forma anterior una vez la fuerza se detiene. Sólido plástico: Son aquellos que pierden su forma ante una fuerza externa, y no vuelven a recuperarla una vez la fuerza externa cesa. Haz una pequeña lista de diversos materiales que conozcas que cumplan las tres características de los sólidos: Estable, Elástico, y Plástico. Es importante entender cómo se comportan los diferentes tipos de sólidos, ya que sus propiedades son decisivas a la hora de construir una estructura determinada, por ejemplo: En la construcción del mástil de un barco es muy importante que el material sea flexible, de otra forma se rompería con gran facilidad, pero tampoco tan flexible que no pueda soportar las velas... Qué material sería el más apropiado? Para la construcción de un rascacielos hacen falta materiales muy duros que sean capaces de resistir altísimos niveles de compresión sin agrietarse ni romperse... qué material es el más apropiado?
2. Qué es una estructura? Una estructura puede ser casi cualquier cosa, pudiendo diferenciarlas entre naturales o artificiales. El esqueleto humano es un ejemplo de estructura natural, al igual que una colmena de abejas, o una caracola marina. Por otro lado el hombre crea sus propias estructuras donde encontramos infinidad de formas, tamaños y usos, como por ejemplo edificios, puentes, vehículos, muebles, electrodomésticos, dispositivos electrónicos, etc... Desde un punto de vista teórico podemos definir una estructura como un conjunto de elementos que cumplen las siguientes características: Estan ordenados (no es una acumulación casual) Resisten pesos y fuerzas externas ( viento, peso, impactos, etc) Dan forma y protegen. (por ejemplo el chásis de un coche le da la forma, mientras que las puertas y capó lo protegen) Tipos de estructuras: Laminar o Carcasa: Son aquellas con forma de lámina o panel que envuelven al objeto, protegiéndolo y sujetando al resto de piezas. (móviles, ordenadores, cascos, bolígrafos, envases de bebidas, etc.) Armazón: Se forman a partir de piezas alargadas (barras, tubos, listones, travesaños...) unidos entre sí para formar un esqueleto o armadura. (Chasis de coches, andamios, sillas o mesas, etc) Masivas: Se caracterizan por ser pesadas, grandes y resistentes. Se utilizan para estructuras del tipo: presas, muros de contención y carga, pilares, bóvedas, arcos, acueductos... El material predominante de estas construcciones son la piedra y el hormigón. Trianguladas: Es la unión articulada de barras (mediante tornillos u otros sistemas de sujeción) que permiten crear estructuras de manera rápida y barata. Son ligeras y fáciles de montar. (Torres eléctricas, puentes de hierro, techos de polideportivos...) Entramadas: Se llaman así pues los diferrentes elementos verticales (pilares) y horizontales (vigas) se entretejen de forma repetitiva creando una trama. La unión entre ellos es rígida, y es el tipo de estructura empleado sobre todo en la construcción de edificios. Estructuras colgantes: Se caracterizan por soportar el peso desde arriba mediante cables o tirantes. Los cables van fijados a grandes mástiles o torres de sujeción. (puentes colgantes, cubiertas de estadios, etc...)
3. Los esfuerzos Supongamos que tenemos que levantar un peso, por ejemplo, una garrafa de agua. Nuestra mano tendrá que soportar la carga inicial del levantamiento, pero a continuación se transmitiría al resto de partes del cuerpo: brazo, espalda, abdomen, caderas, piernas, y pies. El peso está ahora distribuído, lo que nos permite no sólo soportar mejor la carga, sino moverla y manipularla con mayor facilidad. Con las estructuras pasa lo mismo, ellas deben soportar diferentes tipos de cargas, pero cuentan con elementos o piezas que distribuyen ese esfuerzo para ser más resistentes, y poder desempeñar un trabajo. Los tipos de esfuerzos que debe soportar una estructura son diversos, al igual que los grados de intensidad, por lo que cada parte de una estructura está especialmente diseñada para desempeñar su trabajo lo más eficientemente posible. Tipos de esfuerzos: Existen cinco tipos de esfuerzos. Toda estructura, ya sea grande o pequeña, está sometida a uno o varios de estos esfuerzos. Es importante conocerlos bien, para entender mejor como funciona una estructura. Tracción: La tracción se produce cuando un elemento está sometido a fuerzas en sentido opuesto, lo que produce el estiramiento del elemento. Compresión: La compresión se produce cuando un elemento está sometido a fuerzas de sentido opuesto, lo que produce el aplastamiento del elemento. Flexión: Es un tipo de deformación que ocurre en los elementos alargados. Consiste en un doblamiento en sentido perpendicular respecto del largo del elemento. Cortadura: Es cuando un cuerpo está sometido dos fuerzas con direcciones opuestas, pero dichas fuerzas no están alineadas, sino que existe una distancia entre ellas, produciendo un efecto de corte. Torsión: Se produce cuando en un objeto (generalmente alargado) al menos en uno de sus extremos actúa una fuerza que hace rotar la pieza sobre su propio eje, lo que produce un retorcimiento.
Analiza las siguientes imágenes y encuentra el tipo, o tipos de esfuerzo que se producen en ellas:
Analiza el siguiente caso y escribe cada uno de los esfuerzos que intervienen: 1-2- 3-4- 5-4 1-2 3 2-3- 4-1
4. Elementos de una estructura. Los elementos que constituyen cualquier estructura están pensados para cumplir una función determinada, es decir, realizar un trabajo específico de la manera más eficiente posible. Estos trabajos que deben soportar tienen relación directa con los esfuerzos que vimos en el punto anterior, y para cada uno de ellos se han creado diferentes estrategias estructurales. Veamos algunos ejemplos: Viga: Son elementos horizontales que se apoyan en sus extremos y reciben la carga en su parte central. Deben soportar el esfuerzo de flexión en su parte media, y de cortadura en los puntos de apoyo. Columna (o pilar): Son elementos verticales que soportan el esfuerzo de compresión. Arcos: Debido a su forma curva distribuye las fuerzas hacia los apoyos laterales liberando espacio debajo. Realiza esfuerzo de compresión. Muros de carga: Dependiendo de la estructura podemos encontrar muros de carga o de contención. Los muros de carga soportan otros elementos constructivos, por lo tanto deben aguantar el peso verticalmente, realizando esfuerzo de compresión.
Muros de contención: Los de contención están diseñados para contener empujes laterales, bien sea de tierra (desniveles de terrenos) o de agua (caso de embalses). Estos muros deben soportar el esfuerzo de flexión. Tirantes: Son cables o barras delgadas que al mantenerse en tensión sujetan otros elementos de la estructura. Para realizar su trabajo necesitan puntos de anclaje. Realizan el esfuerzo de tracción. Barras en triángulo: Perfiles o tubos delgados que se unen por sus extremos para formar estructuras trianguladas. Pueden realizar varios esfuerzos a la vez, como tracción y compresión.
5. Rigidez y Estabilidad Rigidez La rigidez es un concepto muy importante en una estructura, por ejemplo, imagina que vas a sentarte en una silla pero sus partes no están bien unidas, entonces empezará a tambalearse e incluso podría llegar a desmontarse y caerte. No importa que la silla sea de materiales duros y resistentes, si sus uniones son débiles, la estructura también será débil. Las uniones permiten que los esfuerzos se transmitan de un punto a otro de la estructura, por ello son tan importantes. La rigidez es la capacidad de una estructura de mantener una unión apropiada entre todas las piezas. Hay diferentes tipos de uniones: Uniones Rígidas: Es cuando dos partes de la estructura se sueldan entre sí (si son metálicas), o bien se encolan (si son de madera) creando una unión permanente y rígida. Refuerzos: Cuando la soldadura o encolado no es posible se puede recurrir a piezas de refuerzo auxiliar como las escuadras o las chapas de unión. Triangulaciones: La triangulación de una estructura impide la oscilación de sus diferentes partes. Mediante barras articuladas se refuerza toda la estructura.
Estabilidad A parte de resistir esfuerzos, y ser rígida, otra condición necesaria de una estructura es que sea estable, es decir, que se mantenga en pie y que no vuelque mientras realiza su trabajo o esfuerzo. La estabilidad de un cuerpo depende de la relación que hay entre su centro de gravedad y la base. Como ya sabemos, la tierra ejerce una fuerza de gravedad sobre todos los cuerpos. El centro de gravedad de un cuerpo es el punto medio de todas las partes del cuerpo en las que la gravedad ejerce su fuerza. Si la vertical del centro de gravedead cae sobre la base, la figura es estable, si cae fuera de la base la figura es inestable y caerá. Hay varias maneras de conseguir que un cuerpo (o estructura) sea más estable: Aumentar base de apoyo: Con esto conseguimos que la vertical del centro de gravedad caiga siempre sobre la base. Incrementar peso en la base: Si ponemos mucho peso en la parte baja del cuerpo, el centro de gravedad también baja y será más dificil que vuelque. Utilizar anclajes o tensores: La triangulación de una estructura impide la oscilación de sus diferentes partes. Mediante barras articuladas se refuerza toda la estructura.