Unidad 4. Estructuras
ESTRUCTURAS 1. INTRODUCCIÓN Las estructuras están presentes en todo lo que nos rodea aunque no nos demos cuenta. Las encontramos tanto en los seres vivos como en los objetos: caparazón de una tortuga, telaraña, tronco de un árbol, máquinas, muebles, edificios, puentes, presa, etc.
La ESTRUCTURA de un objeto se define como el conjunto de elementos unidos entre sí que le permiten mantener su forma y tamaño sin deformarse, cuando sobre el objeto actúan una serie de fuerzas.
Estas fuerzas que actúan sobre una estructura se llaman cargas.
Las cargas pueden ser: el propio peso de la estructura, el peso de los elementos que se colocan sobre ella, el viento que la empuja, la nieve que se posa sobre ella, etc.
Función de una estructura:
Soportar cargas.
Mantener la forma cuando está sometida a cargas. Servir de protección (la carcasa de un monitor o de un ordenador protege los elementos que encontramos dentro).
Presa
Tela de araña
Caparazón
Nido de cigüeña
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Puente
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2. TIPOS DE ESFUERZOS Cuando una estructura está sometida a cargas, cada uno de sus elementos está sometido a esfuerzos. Llamamos esfuerzos a las fuerzas internas que aparecen en los elementos de una estructura cuando está sometida a cargas. Por ejemplo, imagínate que tu compañero te estira de un dedo de la mano. Tu mano sería la estructura, mientras que la fuerza externa que hace tu compañero para estirar de ti sería la carga. El esfuerzo sería la tensión que notas en el dedo que te causa cierta molestia. Cada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos diferentes, que pueden ser de tracción, compresión, flexión, cortadura o cizalla y torsión. 2.1. Tracción Una estructura o un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a aumentar su longitud. Es decir, a estirarlo.
Los cables del puente y de la grúa y las gomas elásticas del tirachinas están sometidos a tracción.
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2.2. Compresión Una estructura o un elemento está sometido a un esfuerzo de compresión cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a disminuir su longitud; es decir, a comprimirlo.
Las columnas del templo están sometidas a un esfuerzo de compresión. 2.3. Flexión Un elemento o una estructura está sometido a un esfuerzo de flexión cuando las cargas tienden a doblarlo.
El tablero del puente está sometido a un esfuerzo de flexión.
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2.4. Cortadura o cizalla Un elemento está sometido a un esfuerzo de cortadura o cizalla cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a cortarlo.
2.5. Torsión Un elemento está sometido a un esfuerzo de torsión cuando existen fuerzas sobre él que tienden a retorcerlo.
3. ELEMENTOS DE UNA ESTRUCTURA La mayoría de las estructuras están formadas por la unión de varios elementos. Cada uno de estos elementos está diseñado para soportar distintos tipos de esfuerzos, de modo que el resultado final sea una estructura resistente y estable. Podemos distinguir: Los elementos más usados en las estructuras son: cimientos, columnas o pilares, vigas, arcos y tirantes. 3.1. Cimientos Todas las estructuras necesitan apoyarse sobre una base resistente. Esta base la constituyen los cimientos, que suelen estar por debajo de! nivel del suelo. Es el equivalente a las raíces de los árboles. La -4-
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mayoría de los edificios se construyen sobre cimientos de hormigón para evitar que se hundan debido a su peso.
3.2. Columnas o pilares Son elementos verticales especialmente diseñadas para soportar esfuerzos de compresión. 3.3. Vigas Son elementos horizontales que soportan esfuerzos de flexión. Las diversas plantas de un edificio se soportan con vigas.
3.4. Arco Es un elemento con forma curva que sirve para cubrir un hueco entre dos pilares y que soporta una parte de la estructura descargando el peso en los extremos.
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3.5. Tirantes Son cables o barras que soportan esfuerzos de tracción. Pueden ser de acero, y sirven para aumentar ¡a resistencia y la estabilidad de una estructura.
Nota: Una estructura es resistente si soporta las cargas a las que está sometida sin romperse. 4. RIGIDEZ DE UNA ESTRUCTURA Una estructura es rígida cuando no se deforma (cambio de forma) a aplicarle cargas. Vamos a estudiar elementos que proporcionan rigidez a las estructuras: a) Triángulos La única figura geométrica que no se puede deformar aplicándole fuerzas en sus lados es el triángulo. Por tanto una forma sencilla de hacer una estructura rígida es conseguir que los elementos estructurales formen triángulos indeformables. Esta técnica se llama triangulación.
El triángulo no se deforma a aplicarle una carga.
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El cuadrado es una estructura deformable. Añadiendo una barra auxiliar de refuerzo se consigue una estructura triangulada indeformable. El pentágono se puede reforzar por triangulación mediante barras auxiliares.
b) Escuadras: Son elementos triangulares de refuerzo en los puntos de unión de las piezas de las estructuras.
5. ESTABILIDAD DE UNA ESTRUCTURA Una estructura es estable si no vuelca ni cae al aplicarle cargas. Para que una estructura sea estable debe cumplir con tres condiciones: a) Si la base sobre la que se apoya la estructura es grande la estructura será estable.
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b) Cuanto más abajo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura, para ello debe concentrar casi toda la masa de la estructura cerca de la base.
c) El centro de gravedad debe caer dentro de la base, sino es así la estructura será INESTABLE, y por lo tanto, automáticamente volcará.
6. TIPOS DE ESTRUCTURAS Según los elementos con los que están construidas, las estructuras se pueden clasificar 3 grandes grupos: 1. Estructuras masivas. 2. Estructuras laminares (de carcasa). 3. Estructuras de armazón 1) Estructuras masivas. Son estructuras muy pesadas y macizas, construidas con elementos muy gruesos, anchos y resistentes. Ejemplos: grandes presas, antiguas iglesias o puentes de piedra y grandes pilares o arcos, pirámides, acueductos, etc.
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2) Estructuras laminares o de carcasa. Están constituidas por láminas o paneles resistentes y delgados formando carcasas, que envuelven y protegen las piezas internas del objeto. La resistencia de estas carcasas se consigue dándoles a las láminas una determinada forma. Ejemplos: chasis del coche, carcasa del ordenador, etc.
3) Estructuras de armazón. Están formadas por piezas como barras, tubos, pilares, vigas, o cables unidos entre sí para formar una especie de esqueleto o armazón. Según la disposición de sus elementos pueden ser: · Trianguladas: Se construyen mediante unión de barras que van formando triángulos. Ejemplos: torres del tendido eléctrico, grúas, soportes de antenas, puentes de hierro, etc.
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· Entramadas: Tienen elementos verticales y horizontales que se unen entre sí, formando una especie de malla. Los elementos horizontales se apoyan en los verticales. Ejemplos: estructura de un edificio, vallas de jardín, travesaños de una silla, marcos de ventanas, andamios, etc.
· Colgadas: El peso es soportado por cables que están unidos a otros elementos más robustos como muros o torres resistentes. Ejemplos: puentes colgantes.
7. PERFILES Los perfiles son los distintos tipos de sección de las vigas, pilares, barras, etc. que podemos emplear al construir nuestra estructura. Con ellos se consigue mayor resistencia de la estructura y menor peso (ya que no son macizos).
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