Tema 5. Las estructuras como elementos resistentes Víctor M. Acosta Guerrero José Antonio Zambrano García Departamento de Tecnología I.E.S. Maestro Juan Calero
Tema 5. Las estructuras como elementos resistentes. 1. INTRODUCCIÓN. Desde la antigüedad, el ser humano ha diseñado y utilizado elementos resistentes para soportar los esfuerzos o cargas a los que están sometidas las construcciones. Además, la propia naturaleza cuenta con muchos tipos de estructuras, que en gran medida el ser humano ha intentado imitar y mejorar. Todas las construcciones, máquinas y objetos, incluso los animales y vegetales existentes en la naturaleza, están sujetos a la acción de fuerzas. Estas fuerzas van desde su propio peso, hasta todo tipo de empujes y acciones exteriores como el viento, el peso de otros objetos o la presión de los líquidos. La misión de las estructuras es soportar las acciones externas, manteniendo la forma de las construcciones. A lo largo de este tema, vamos a estudiar los distintos tipos de estructuras que existen, los tipos de esfuerzos a los que se encuentran sometidas, así como los elementos que las componen. Además conoceremos un poco más unas estructuras muy especiales: los puentes. 2. Tipos de estructuras. En este apartado vamos a realizar una clasificación de las estructuras atendiendo a distintos factores: En función de su utilidad o situación. Pilares. Son barras apoyadas verticalmente, cuya función es la de soportar cargas o el peso de otras partes de la estructura. Los materiales de los que pueden estar hechos son muy diversos, como hormigón armado, madera, acero, etc Como veremos más adelante soportan fundamentalmente esfuerzos de compresión y pandeo. Vigas. Son piezas o barras horizontales, con una determinada forma en función del esfuerzo que soportan. Forman parte fundamental de los forjados I.E.S. Maestro Juan Calero Página 1
de las estructuras. Los principales esfuerzos a los que están sometidas son los de flexión. Muros. Soportan los esfuerzos en toda su longitud, de forma que reparten las cargas. Están construidos de materiales variados: bloques de ladrillo, de hormigón, de piedra, etc Arcos. Son elementos constructivos con forma redondeada, con gran complejidad constructiva, y que tienden a repartir los esfuerzos a los pilares. Tirantes. Son elementos que se utilizan fundamentalmente para asegurar pilares, y que se fabrican de distintos materiales, como cables de acero, cuerdas, tensores, etc Soportan esfuerzos de tracción. En función de su origen. Naturales. Como los esqueletos, los troncos de los árboles, las estalactitas y las estalagmitas, etc Artificiales. Son todas aquéllas que han sido proyectadas y construidas por el hombre, como los edificios, los puentes, las atracciones de feria, etc En función de su movilidad. Móviles. Son aquéllas que se pueden desplazar, o tienen articulaciones. Ejemplos de este tipo son los puentes móviles, las bisagras o el esqueleto. Fijas. Son las que no pueden sufrir desplazamientos, o estos son mínimos. Como ejemplos están los pilares, las vigas, etc 3. Función de las estructuras. Las estructuras que construye el hombre tienen una función determinada, para la cual han sido diseñadas, calculadas y construidas. Cuentan con distintas funciones: Soportar peso. Se incluyen este punto elementos como pilares, vigas, torres, estanterías, etc cuyo principal fin es el de soportar el peso de otros elementos. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 2
Salvar distancias. Su principal función es la de esquivar objetos, permitir el paso por una zona peligrosa o difícil, etc Son los puentes, grúas o teleféricos. Proteger objetos. Su función es proteger a los elementos almacenados en su interior o que son transportados, tales como las cajas de embalaje, los cascos, los cartones de huevos, etc I.E.S. Maestro Juan Calero Página 3
Para dar rigidez a un elemento. Son las estructuras que lo que pretenden es dar rigidez al propio objeto, como por ejemplo la estructura del casco de los barcos o la estructura interior de puertas no macizas. 4. Esfuerzos que soportan las estructuras. Para diseñar una estructura es necesario calcular las cargas y sobrecargas que soportará en su uso, y en su caso, las generadas por acciones accidentales que pudieran ocurrir, tales como terremotos, nevadas, etc Los esfuerzos que soportarán las estructuras son de los siguientes tipos: Tracción. Es un esfuerzo que tiende a alargar la pieza. Un ejemplo sería una lámpara que cuelga de una cadena. Aquí, el peso de la lámpara tiende a aumentar las medidas de la cadena, al estar ésta sometida a un esfuerzo de tracción. Compresión. Es el esfuerzo contrario, ya que tiende a disminuir las medidas del elemento. Así, cuando nos sentamos en una silla, nuestro peso tendería a disminuir las medidas de las patas. Flexión. Es una combinación de tracción y compresión, que tiende a que la pieza se doble. Por tanto, unas fibras de la pieza se alargan y otras se acortan. Sería el esfuerzo al que estaría sometida la balda de una estantería cuando se carga de libros, o la barra de donde cuelgan las perchas en los armarios. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 4
Torsión. Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje central, como el caso de una toalla que intentamos escurrir. Cortadura o cizallamiento. Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a la pieza, y de sentido contrario, que tenderían a romper la pieza. Un ejemplo sería el corte realizado por unas tijeras. 5. Fuerzas. Se puede entender por fuerza, toda acción sobre un objeto que tiende a modificar el estado de reposo o movimiento de dicho objeto, o bien que puede deformarlo de forma transitoria o permanente. Una fuerza produce distintos efectos sobre un cuerpo, según sea la dirección, el sentido, y el punto de aplicación. Para representar fuerzas empleamos unas flechas a las que llamamos vectores. Dichos vectores quedan definidos por su módulo (valor de la fuerza), su dirección y su sentido. Las fuerzas que tienen la misma dirección y sentido se suman, y las que tienen la misma dirección y sentido contrario se restan. En el caso de que no tengan la misma dirección, hay que realizar una pequeña composición, que consiste en colocar el principio I.E.S. Maestro Juan Calero Página 5
de un vector en el final del otro. La fuerza resultante es el vector que va desde el inicio del primero, hasta el final del segundo. 6. Elementos fundamentales en las estructuras. En las estructuras solemos encontrar algunos elementos que comúnmente se emplean para determinados fines. Los más importantes son: Cimentación. Los cimientos en una estructura son los elementos encargados de soportar y repartir el peso de la estructura en el terreno, impidiendo que sufra movimientos de importancia. Suelen estar sometidos a esfuerzos de compresión, y están formados por hormigón armado en la inmensa mayoría de los casos. Pilares y columnas. Son elementos que se colocan verticalmente, y cuya función es la de soportar el peso de otras partes de la estructura. El esfuerzo que suelen soportar es el de compresión, como habíamos comentado anteriormente. Se pueden construir de madera, de acero, de hormigón armado, de mármol, etc I.E.S. Maestro Juan Calero Página 6
Vigas y viguetas. Son elementos que se colocan de forma horizontal, y tienen una sección determinada, en función de los esfuerzos a los que estarán sometidas. Dichos esfuerzos suelen ser fundamentalmente de flexión. Estos elementos son fundamentales en los forjados (plantas) de las estructuras, como veremos a continuación. Forjados. Son estructuras horizontales o con una pequeña inclinación, formadas por el conjunto de vigas, viguetas, bovedillas, hormigón y solerías, que nos sirven de techo en una planta, y de suelo en otra. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 7
Tirantes. Son elementos constructivos sometidos fundamentalmente a esfuerzos de tracción, y que se utilizan para asegurar determinadas estructuras. Arcos. Se emplean en las estructuras para dar solidez o bien de forma ornamental. Forman parte de la estructura de las bóvedas y de muchos puentes. 7. Clasificación de los puentes. Los puentes son estructuras que los seres humanos han ido construyendo a lo largo de la Historia para superar distintas barreras naturales con las que se han encontrado, y poder así transportar sus mercancías, permitir la circulación de gentes, etc Se pueden realizar distintas clasificaciones de los puentes en función de distintos parámetros: En función de su utilidad principal. Acueductos. Se emplean para el transporte de agua. Los romanos abastecían de agua a muchas de estas ciudades gracias a los acueductos. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 8
Viaductos. Están destinados al paso de vehículos. Pasarelas. Son puentes pensados para el uso exclusivo de peatones. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 9
En función del material de construcción. De madera. Son rápidos de construir y de bajo coste, aunque por el contrario son poco duraderos y poco resistentes. Su facilidad de construcción y la abundancia de la madera hicieron que este tipo fuera el primer tipo de puente. De piedra. Los romanos fueron grandes constructores de puentes de piedra. Son muy resistentes, compactos y duraderos, aunque en la actualidad serían muy costosos de construir en comparación con otros tipos. Desde que se dominó la técnica para fabricar arcos, la mayoría de puentes fueron de este tipo, hasta que se consiguió dominar la técnica de construcción con hierro. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 10
Metálicos. Permiten salvar grandes distancias, dado que son más ligeros y flexibles que los de piedra. El principal inconveniente es que están sometidos a la acción corrosiva de los agentes atmosféricos, por lo que su mantenimiento es caro. De hormigón armado. Son de montaje rápido, ya que en muchos casos se utilizan elementos prefabricados. Son muy resistentes y permiten salvar mayores luces que los de piedra, aunque menores que los metálicos. Los gastos de mantenimiento también son menores que los de los metálicos. De hormigón y acero. Combinan las excelentes propiedades de estos dos materiales para conseguir puentes muy resistentes y flexibles. Son los más construidos en la actualidad. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 11
En función de la forma en que soportan los esfuerzos. De viga. Están formados fundamentalmente por elementos horizontales apoyados sobre pilares. Dichos pilares soportan esfuerzos de compresión, mientras que los elementos horizontales soportan esfuerzos de flexión. De arco. Están formados por una sección curvada hacia arriba, apoyada sobre pilares, y que salva una determinada distancia. Hay ocasiones en las que el arco soporta al tablero (arco bajo tablero), mientras que en otras, el tablero cuelga del arco mediante unos tirantes (arco sobre tablero). En la I.E.S. Maestro Juan Calero Página 12
imagen puedes observar un puente de cada tipo sobre el río Guadiana en Mérida. Colgante. El tablero cuelga mediante muchos tirantes, de dos grandes cables que forman sendas catenarias, y que están anclados en los extremos del puente, y sujetos a torres de hormigón o acero. I.E.S. Maestro Juan Calero Página 13