INSTITUTO TECNICO MUNICIPAL LOS PATIOS. GUIA DE TECNOLOGIA N 4. REPASO DE ESTRUCTURAS. LOGRO A EVALUAR: 1. Identifica el proceso de la evolución de las estructuras. 2. Define e identifica que es una estructura de elementos simples. 3. Identifica cuales son las resistencias de los materiales en las estructuras. 4. Define que son estructuras de materiales mixtos. INTRODUCCION. La estructura la podemos definir como el conjunto de elementos simples dispuestos de forma que den rigidez y permitan soportar, sin romperse, las cargas o esfuerzos a las que se ven sometidos. Una primera clasificación delas estructuras nos permite distinguir entre naturales y artificiales, según si es la naturaleza o ser humano quien las crea. El ejemplo más conocido de estructuras naturales lo encontramos en los huesos. Estos dan consistencias, rigidez y soportan a los órganos y tejidos musculares en su actividad cotidiana. Sin nuestra estructura óseas seríamos incapaces de ponernos ni tan siquiera de pie. Por el contario, las estructuras artificiales las diseñas y construye el ser humano con el objeto de resolver los problemas que se presentan mientras trata de adaptar al medio a sus necesidades. 1.1 EVOLUCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS. Desde hace más de 15.000 años el ser humano ha diseñado diversos tipos de estructuras para construcción de útiles de caza y de vivienda. Al principio empleaba palos de madera sobre los que colocaba pieles de animales, y posteriormente, según fue abandonando el sistema de vida nómada y se hizo sedentario, las construcciones evolucionaron de forma más rápida, y con ello, en parte, las estructuras. Empieza a construir puentes sencillo con palos que atravesaban pequeños arroyos, posteriormente más complicados, con pilares o paredes de piedras superpuesta, y más tarde piedras labradas por canterios que encajaban como un puzle, logrando construcciones que hoy en día perduran. los romanos fueron verdaderos maestros en este tipo de construcciones, con los que desarrollaron enormemente las estructuras en aquellos tiempos, ya que al trabajar con elementos muy pesados (enorme piedras) se hacía necesario la construcción de grandes andamios (tensores, poleas, ), para facilitar el trabajo. El comercio con otros países también contribuyó al desarrollo de las estructuras, bien por tierras (con el consiguiente diseño de carros y elementos de arrastre para el tiro de animales) o por mar, con fines comerciales o militares, para que se construyeran barcos resistentes a los vientos y a los oleajes. En la edad media hubo realmente un paro en el desarrollo, no sólo en la evolución de las estructuras, sino casi en todos los órdenes. Lo único que se desarrolló en esa época fue la construcción de iglesias y catedrales en sus diferentes estilos arquitectónicos. Cuando realmente se puede hablar del gran desarrollo de las estructuras fue en la revolución industrial, en donde se empezó a sustituir la piedra y la madera por el aceró, que se podía trabajar más rápidamente mediante la unión de piezas sencillas en forma de retículas triangulares, lo que daba al conjunto un menor peso y una gran resistencia. Hoy en día las estructuras están tan inmersas en la sociedad, que en cualquier dirección que mire nos encontramos con algunas, como pueden ser la vigas y los pilares del aula, las patas del pupitre, la torres de alta tensión, los coches, los aviones, la bicicletas, etc. Por citar algunas de las estructuras típicas, que seguro habrás vistos en fotografías y odio nombrar, tenemos: las torres gemelas de Nueva York, el Empier State, la Torre Eiffel, Torre España, el puente de la Barqueta, etc. 1.2 ESTRUCTURA DE ELEMENTOS SIMPLES: Analizamos a continuación algunos de los elementos que intervienen en las estructuras: Perfiles: Son todas aquellas formas comérciales en las que suelen suministrar los aceros. El nombre del perfil viene dado por la forma de sección del mismo (I, U, T, L, etc.,). Vigas: Son todos aquellos elementos resistentes, formados por uno o más perfiles, destinados para soportar esfuerzos o cargas. Estas vigas normalmente adoptan una posición horizontal. Pilares :
Son aquellos elementos resistentes, formados por uno o más perfiles dispuestos en posición vertical, y que normalmente soportan las vigas, cerchas u otros elementos apoyados sobre él, transmitiendo las cargas a la cimentación (zapatas). Tirantes: Con el objeto de dar rigidez a los diferentes elementos simples que constituyen una estructura se disponen de unos perfiles simples entre los diferentes elementos, los cuales suelen trabajar a esfuerzo tracción. Un ejemplo típico lo tenemos en las tijeras de los andamios. Tensores: Los tensores tienen una misión parecida a los tirantes, si bien éstos, en ocasiones son simples cables de acero que mediante unos estribos se pueden tensar. 1.3 RESISTENCIA DE MATERIALES: Es la parte de la mecánica que resuelve por medio de fórmulas las dimensiones de los sólidos o perfiles para que resistan las diferentes cargas o esfuerzos. Los elementos estructuras se ven sometidos a diversos esfuerzos y deformaciones como son la resistencia detracción, de comprensión, de cortadura, de flexión, a las tensiones transversales y de pandeo. Analizamos a continuación cada uno de estos casos. Tracción. Un cuerpo está sometido a tracción cuando actúan sobre él dos fuerzas iguales y de sentido contrario. Las caras del cuerpo perpendiculares a la fuerza tienden a separarse, y las paralelas a juntarse, con lo que se producen su alargamiento si las fuerzas tienen un valor suficientes. Este es el caso típico de una goma elástica. Compresión Un cuerpo está sometido a compresión cuando actúan sobre él dos fuerzas iguales y en sentido contrario. Las caras del cuerpo perpendiculares a las fuerzas tiende a unirse, mientras que las paralelas tiende a separarse, lo que produce un acortamiento en su longitud si las fuerzas tienen un valor suficiente. Cortadura: Un cuerpo está sometido a cortadura cuando sobre él actúan dos fuerzas iguales, en sentido contrario, en el plano paralelos y con muy poca separación. El sólido tiende a desunirse por desgarramiento en la separación de los dos planos en donde actúan la fuerza. Ejemplo típico de este caso son las tijeras. Flexión. Un cuerpo está sometido a flexión cuando actúan sobre él dos fuerzas iguales paralelas, y otras en sentido contrario en medio de las dos anteriores igual a la suma de éstas. Cuando se somete a flexión una barra se produce en ella los
dos esfuerzos anteriores de tracción y compresión, así como el de cortadura. Un ejemplo típico lo tenemos en un tablón, en el cual vemos que la mitad superior se comprime que la inferior se traiciona, quedando en el centro una fibra que nos sufre alteraciones denomina fibra neutra. Tensión transversales: El << alma>> de las vigas en carga está sometida a tensiones transversales o de desgarramiento producidas por las fuerza contrarias de su parte superior inferior. Estas fuerzas tienden a bollar el << alma>> y producen su máximo esfuerzo en el centro y el mínimo en los extremos. Normalmente los perfiles comerciales están calculados para resistir estas tensiones cuando la viga se encuentre apoyada en su máxima longitud (luz) y con el máximo de carga. Torsión: Un cuerpo está sometido a torsión cuando sobre él actúan do pares de fuerzas contraías 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 nuevo el fenómeno de cortadura. Pandeo. Decimos que un cuerpo está sometido a pandeo, cuando se le somete a compresión siendo su longitud muy grande y su sección transversal pequeña. Este es el caso de los pilares. Un ejemplo que podemos observar fácilmente es que cuando comprimimos un palo delgado, este se flexiona y se deforma, por lo que si seguimos aplicando esta fuerza se rompe. Como hemos visto en las vigas, cuando están sometidas a cargas se deforman ( ejemplo del tablón) y puede ser que aunque resistan sin romperse, la deformación sea tan grande que impide la utilización con seguridad. A esta deformación la llamaremos normalmente se produce en el medio de los apoyos, se denomina flecha.
La flecha está normalizada en las construcciones, y generalmente ha de ser menor 1/200 de la luz. Si ahora tuviéramos que realizar la construcción de un puente, y viéramos que éste se deforma excesivamente. Qué soluciones adoptaríamos para disminuir las flechas? Existen varios procedimientos para disminuir la flecha y seguramente los habrás vistos en muchas ocasiones. Entre los mas utilizamos tenemos: o o o Disminuir la luz (mediante pilares u otras elementos). Colocar cable o tirantes. Colocar estructura triangulares, aumentando el canto. Los elementos que hemos visto anteriormente se denominan elementos simples, pero a poco que te fijes en las estructuras te darán cuenta que normalmente los elementos resistentes están formados por varios perfiles unidos, los cuales tienen por misión mejorar el comportamiento de las estructuras, aumentar la resistencia de los mismo a los diferentes esfuerzos y limitar las deformaciones que se puedan producir. Así para evitar el pandeo en los pilares, se suele recurrir a piezas de sección compuesta. Estos pilares en muchas ocasiones están formados por dos hierros en forma de C enlazados por otros hierros planos llamados prensillas o por elementos en celosía. Con esto se consigue que la resistencia obtenida por el conjunto difiera poco a poco de la correspondiente a una pieza simple del mismo tamaño. También en el caso de la realización de cerchas (vigas formadas por un entramado de perfiles simples o compuestos, agrupado geométricamente formando triángulos) se consigue una gran resistencia de los elementos simples en vigas que han de cubrir grandes luces. En otras ocasiones se recurre a otros sistemas de construcción como son los arcos, que como su nombre indica, constan de una serie de elementos simples formando pequeños triángulos. Dan al conjunto la apariencia de un inmenso arco capaz de soportar sin deformase grandes esfuerzos. Un ejemplo lo tenemos en el puente de Henry Hudson, en Nueva York, que cruza el rio Harlem, cubre una anchura de 250 m y eleva el arco de 60 m. Otras veces se utilizan los pórticos. Estos tienen un sistema de construcción parecido al de los arcos, pero con la diferencia que se encuentran unidos solidariamente tanto el arco como los pilares. Las uniones de los diferentes elementos se refuerzan mediante perfiles variables.
Así nos encontramos con algunas construcciones como la realizada en la india, en el coliseo Allen County War Memorial, con una altura de casi 30 m y 70 m de luz. 1.4 ESTRUCTURAS MIXTAS. Seguramente habrás oído hablar en muchas ocasiones del hormigón. Como ya sabes, es uno de los materiales más utilizados en la construcción de estructuras, sobre todo cuando se utiliza para pilares o columnas, ya que soporta con facilita los esfuerzos de compresión. sin embargo, no puede emplearse como viga, ya que intervienen esfuerzos de flexión y se corre el riego de que se rompa, pues el hormigón no soporta la tracción. Seguramente ahora será capaz de intuir el motivo por el que las diferencias construcciones se utilice el hormigón armado, formado por hormigón y varillas de hierro en su interior. ACTIVIDADES INDIVIDUALES. CUESTIONARIO. 1. Define qué es tracción y cita un ejemplo de algún elemento que conozca. 2. Define qué es compresión y cita un ejemplo de algún elemento que conozca. 3. Define qué es flexión y cita un ejemplo de algún elemento que conozca. 4. Define qué es cortadura y cita un ejemplo de algún elemento que conozca. 5. Para disminuir la flecha existe el procedimiento de aumentar el canto. Conoces algún ejemplo en donde se utilice este método? 6. En el hormigón armado tenemos acero y hormigón. sabrías decir quién trabaja a tracción y quien a compresión? por qué? 7. Observa el dibujo. Suponemos que es un taco primatico de madera, al cual le hemos realizado unas ranuras (sin llegar a cortarlo). Si ahora le ponemos unas gomas en cada lado, una arriba y otra abajo, y lo colocamos apoyado en sus extremos, con carga en su punto medio qué cree que ocurrirá? 8. Fíjate en las gomas que hemos puesto anteriormente y contesta las siguientes preguntas. a. La goma de arriba está estirada o encogida? b. Qué tipo de esfuerzo se habrá producido? c. Cómo ésta la goma de abajo? Estirada o encogida? d. Qué tipo de esfuerzo se habrá producido? e. Está de acuerdo con la afirmación siguiente?: << todo cuerpo que está sometido a flexión, tiende a deformarse según una curva, con lo que se producen a la vez esfuerzo de tracción (estirar) y compresión (encoger).>> 9. Ya te has dado cuenta que si te fijas en las deformaciones que se producen en los materiales, podrás decir que tipo de esfuerzo ha de soportar. Vamos a ver si es verdad. Contesta en tu cuaderno a las siguientes cuestiones: a. Si en un cuerpo sus fibras se estiran como consecuencia de una fuerza externa, decimos que está sometido a
. b. Si en un cuerpo su fibras se encogen como consecuencia de una fuerza externa, decimos que está sometido a. ACTIVIDADES GRUPALES: CONSTRUCIÓN DE ESTRUCTURAS. LABORATORIO A continuación se muestran algunas formas de construir estructuras sencillas usando materiales baratos y de fácil adquisición. Como hacer perfiles de papel, cartulina o cartón. Procedimiento: Estos materiales son muy adecuados en aquellas construcciones que no estén sometidas a grandes esfuerzos. Son muy fáciles de trabajar y además el material utilizado es muy barato. El papel de revista o folios gastados nos puede servir para construir estructuras tubulares muy consistentes (varillas) resistencia. Enrolla el papel, empezando por una esquina y pega la otra cuando termines. Es conveniente que quede dura para que adquiera mayor Cómo conseguir perfiles muy largos: Procedimiento: corta con unas tijeras los extremos. Fabricas otros perfiles tubulares (varita) con medo folio o revista con lo que su diámetro va ser un poco menor. Corta sus extremos.
Coge una varita pequeña e introdúcela en el interior de dos grandes. Envuélvalas con cinta adhesiva o esparadrapo. Cómo doblar cartón. 1. Marcar en cartón, sirviendo de regla y tijeras, la línea recta por la que deseas doblar. 2. Línea marcada en el cartón 3. Dobla por la línea hasta conseguir la inclinación que desees. Cómo fabricar elementos de refuerzo. Las escuadras o soportes. estructuras, base y a la recto esté bien soporte. Son elementos que, adosados convenientemente a unas le dan una gran sujeción. estos elementos de refuerzo deben ir pegado a la tablas estructura. Para conseguir una buena sujeción conviene que su ángulo trazado y que su altura sea muy aproximada a la del Puedes conseguir escuadras cortando las esquinas cortando las esquinas de los rectángulos que forman las cajas. Cómo construir una estructura pegando diferentes perfiles. Coloca dos varillas sobre una mesa y pega en ambos extremos un perfil angular de cartón o de papel reforzado.
luego pega otro perfil angular en el centro, de manera que quede inclinado, como se muestra en la figura. Pon la estructura en posición vertical y pégala a la varita, como se muestra en la figura puede colocar tantos perfiles angulares como consideres oportuno hasta que creas que la estructura queda rígida. Empleando este sistema se estructuras muy complejas. puede llegar a conseguir ACTIVIDAD A DESARROLLAR. Teniendo en cuenta los procedimientos anteriores, construya las siguientes estructuras aplicando todos los conceptos visto en la guía un puente, una torre de energía, un edificio. Construya utilizando todos los materiales (papel periódico, cartón y cartulina) las siguientes estructuras.