ESTRUCTURAS

ESTRUCTURAS

Se puede decir que una estructura es un conjunto de elementos dispuestos de tal forma que pueden soportar una carga con estabilidad. Esto es importante, porque  ¿ de qué nos vale hacer un rascacielos si al llegar un golpe de aire , se nos cae ? Ejemplos de estructuras son, aparte del edificio, una silla, un puente, las torres de electricidad e incluso el caparazón de la tortuga. Las estructuras tienen que estar diseñadas para soportar las cargas que va a contener, esto es su propio peso mas el peso variable. En el caso del puente, el propio peso es el peso de los elementos que lo componen y el variable son los vehículos que circulan por el mismo. Hay veces que  aparecen fuerzas repentinas como vientos o movimientos de tierra. Un buen arquitecto tiene que tener en cuenta estos factores a la hora de su diseño.

Tipos de esfuerzos

Las fuerzas que pueden aparecer en una estructura pueden ser:

Tracción.  Ocurre cuando aparecen fuerzas que tienen a alargar a un elemento de la

estructura. Un ejemplo claro es el cable que soporta el peso de un puente. Por un lado está la viga que soporta la carretera y por el otro  el pilar al que está amarrado

   Compresión. En este caso, la fuerza tiene a disminuir la longitud del elemento. Ejemplo, la pata de una silla

Flexión.  La fuerza aparece perpendicular al elemento de la estructura. En la carretera del puente, al pasar un camión, se ejerce una fuerza hacia abajo, intentando doblarle.

Torsión. En este caso, la fuerza que aparece es circular y tiende a retorcer el material. Un ejemplo lo tenemos en la llave de una cerradura o un destornillador

Cizalla. Las fuerzas son paralelas,  de sentido contrario y perpendiculares al elemento

Ejercicio1. En el columpio de la imagen, decir a qué tipo de esfuerzo están sometidos las diferentes barras metálicas, las cuerdas del columpio y el asiento que soporta el peso del niño,

Ejercicio 2: Nombrar 2 ejemplos donde aparecen cada uno de los esfuerzos estudiados. Ejemplo, tracción en la cadena del ancla de un barco.

Ejercicio 3. En el cartel de la figura, hacer un estudio indicando los esfuerzos a los que están sometidos cada elemento, considerando que puede haber vientos importantes y que pueden golpear en el extremo del cartel

Elementos de una estructura

Desde un puente a un rascacielos encontramos que toda estructura tiene una serie de elementos que casi siempre se repiten en todos ellos. Pasaremos a comentarlos

1. Cimientos.  Donde recae todo el peso. Suelen estar formados por un entramado de hierros y hormigón y sirve de base para soportar todo el peso de la estructura. La forma y el tamaño dependen de qué va a soportar. No es lo mismo para un puente sobre el mar que para una casa.
2. Columnas.  Elementos verticales que partiendo de los cimientos elevan la estructura. En un edificio, las de abajo son mas anchas que las de arriba, debido a que a medida que subimos plantas, el peso que soporta es menor
3. Vigas. Parecida a las columnas, pero en este caso se colocan horizontalmente. Las vigas que hay entre dos vigas se llama vigueta
4. Arcos. Elemento muy usado en la antigüedad, permite soportar un peso  de la estructura “descargándolo” sobre los extremos. Vemos un ejemplo de nuestro puente de Alcantara
5. Tirantes. Son cables de acero especial que soportan un gran esfuerzo de tracción. Se suele emplear mucho en los puentes

 

Arcos.Como vimos antes, el arco se emplea para soportar un elemento horizontal “descargando” este peso sobre los dos pilares laterales. Hasta aquí todo bien,  el misterio está en que cada piedra que compone el arco  está suelta. Entonces, ¿  porqué no se cae ?. La respuesta está en la forma de las piedras, que no son bloques rectangulares, sino que tiene los lados de diferente tamaño y de esta forma al posicionarse sobre el arco, el lado mayor se coloca en la parte superior y el menor en la parte de abajo del arco. A la piedra superior se le llama piedra clave. Veremos en la siguiente ilustración este detalle. La “clave ” de esta piedra clave radica en cómo transmite la fuerza vertical a otras horizontales. Lo podemos ver en este detalle

 

Estructuras Estables e Inestables.

Decimos que una estructura es estable cuando ante cualquier esfuerzo repentino ( empuje )  recobra su posición original. Cristina Sierra Moreno ( 1º Bachillerato 2012 )  nos ha hecho un trabajo con el GIMP para mostrar este concepto. Podemos verlo a continuación.
 En el muñeco vemos que al empujarlo no se cae. Es muy estable y su estabilidad se debe a dos cosas

1.  La base permite recuperar su estado inicial
2. El centro de gravedad lo tiene muy bajo

El centro de gravedad es un punto virtual ( imaginario ) donde se supone que esta toda la masa del cuerpo. Esto es, desde el punto de vista de la gravedad, es como si tirase de ese punto. Si un coche que tiene motor se cae al agua, el punto de entrada es por el capó, ya que la mayor parte del peso esta en la parte delantera ( motor ). Si encontramos el centro de gravedad y lo “sujetamos” con un boli, entonces, el objeto no se cae ( ver imagen )

 

Perfiles

Algunos de los elementos de las estructuras como las vigas  tienen formas muy características. A esta forma se le denomina Perfil. Podemos hacer este perfil como un cuadrado macizo de hierro para que soporte el peso, pero, ¿ No habrá otra manera de usar menos material y que soporte el mismo peso ?. Los ingenieros mecánicos ya se plantearon este asunto y descubrieron que la Forma del perfil es determinante, o sea que a esa barra maciza le quitamos el hierro del interior y tenemos una barra cuadrada hueca con resultados fabulosos. Mostramos algunos de los perfiles mas usados en la construcción  La primera de ellas es la cuadrada hueca, la segunda la doble T ( también llamada H) , la tercera la T y la cuarta la L. Hay muchas otras, pero quizás estas son las mas usadas de todas.

Haciendo estructuras mejores. Viva el Triángulo

 ¿ Como hacer resistentes a las estructuras  ? Bueno, mejor sería hacerse la pregunta  ¿ Cómo hacer estructuras resistentes al menor precio ?. Todos podemos hacer un edificio resistente incorporando unas columnas enormes con unos cimientos muy profundos, pero el precio sería muy alto. La idea es hacer la estructura para que con el menor material posible, soporte el peso para el que han sido diseñados. Aquí interviene de forma determinante, la forma de la estructura. Veremos una de ellas, el triángulo. Si hacemos un cuadrado con barras de metal y las unimos unas a otras con tornillos, podemos hacer el experimento de aplicar fuerzas en los vértices. Resultado-> Los lados ceden. Si hacemos lo mismo con un triángulo ( usamos menos barras y menos material ) el resultado es bien distinto. Tenemos una forma geométrica que soporta muy bien los esfuerzos que tienen a deformarlo. En esta imagen se muestra un detalle del puente colgante de portugalete ( Vizcaya ) donde aparte de varios tirantes, podemos observar que  la estructura está muy triangularizada, o sea, existen muchas formas triangulares en el mismo. Podemos hacer la misma observación en la torre Eiffel, edificios y otras estructuras y veremos lo mismo. Triángulos. ¿ Porqué no cuadrados ?.Veremos la razón. Lo veremos mejor en este ejemplo.

En los dos ejemplos hemos aplicado una fuerza , primero a un cuadrado y luego a un pentágono. Tenemos el  mismo resultado, una deformación de la forma original. Si pasamos a triangulizar y ponemos el elemento verde, el resultado son dos triángulos donde había un cuadrado y lo mismo del 2º ejemplo ( en este caso 3 triángulos). Si aplicamos de nuevo la fuerza externa, la nueva estructura soportará el esfuerzo mucho mejor.

Ejercicios. En los siguientes elementos, comenta si es estable y como se puede hacer

TRABAJO PRÁCTICO DE ESTRUCTURAS

Materiales necesarios

• sorbetes 
• plastilina 
• cinta adhesiva 
• tijera 

Objetivo

Armar una estructura no inferior a los 15 cm de alto, que pueda soportar un peso equivalente a 350 grs