Departamento de Tecnología – María Gracia Mendoza Martín

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Estructuras y esfuerzos

En la naturaleza podemos encontrar estructuras como losesqueletos, el caparazón de una tortuga o la concha de una ostra,pero el ser humano ha sabido construir las propias para resolverlos problemas o necesidades que se le presentan.

Problema o necesidad Estructura que resuelve elproblemaCruzar un río Puente

Levantar grandes pesos GrúasAsiento que soporte una persona SillaProtegerse del frío y la lluvia Viviendas

Otros ejemplos de estructuras son: coches, mesas, bolígrafos,pizarra, lámparas, relojes,… Pero… ¿qué tienen en común para sertodas estructuras?

1. Definición de estructura

Una estructura es un conjunto de elemento unidos entre sí capacesde soportar los esfuerzos que actúan sobre ella.

Los esfuerzos que soporta una estructura se llaman también cargasy pueden ser de dos tipos:

o Cargas fijas o permanentes: Son las fuerzas que no varían conel paso del tiempo.Ejemplo: El peso del propio puente, las farolas del puente, etc.

o Cargas variables: Son las fueras que varían con el paso deltiempo. Unas veces afectan a la estructura y otras no.Ejemplo: Las personas que pasan por el puente, el viento, lalluvia, los vehículos, …

2. Condiciones que debe cumplir una estructura

Para que una estructura funcione bien se debe cumplir que:

1. Debe ser resistente, es decir debe soportar las cargas alas que está sometida sin romperse.

2. Debe ser estable, es decir, no se debe volcar con facilidad.

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3. Debe ser rígida, es decir, que no se puede deformar o debedeformarse poco. Su forma básica no cambia o cambiapoco dentro de unos límites.

4. Debe ser lo más ligera posible, así se ahorra material y tenemosmenos cargas fijas.

3. Tipos de estructuras

Estructuras masivas: Son estructurasque se construyen acumulandomaterial, sin dejar apenas huecosentre él. Ejemplo: pirámides de Egipto,embalses, espigones…

Estructuras abovedadas: Son estructuras que tienen arcos y bóvedas.Los arcos permiten aumentar los huecos en la estructura. Las bóvedasson arcos uno a continuación del otro. Son muy comunes en iglesias ycatedrales.

Estructuras debarras: estánformadas porelementos de granlongitud encomparación con sugrosor. A estoselementos se lesdenomina perfiles,por ejemplo: unagrúa, una bicicleta,una grúa …

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Estructuras colgantes: Estas estructurasemplean cables de los que cuelga parte dela estructura. Esos cables se llamantirantes o tensores y tienden a estirarse.

Estructuras laminares: Está formada por láminas. Ejemplo:carrocería de un coche, carcasa de una tele, …

Estructuras entramadas: Son lasestructuras que se utilizan en nuestrosedificios de hoy en día. Estánconstituidas por barras de hormigón oacero unidas entre sí.

4. Esfuerzos en una estructura

Cuando te estiras un dedo de la mano notas una tensión en el mismo quete causa cierta molestia. Pues bien, los elementos o piezas de unaestructura también sufren tensiones internas porque soportan fuerzasinternas que no somos capaces de ver pero que están ahí. A estastensiones internas se les llaman esfuerzos.

En resumen: un esfuerzo es la tensión interna que “sufre” un cuerposometido a una o varias fuerzas.

Los elementos de una estructura pueden estar sometidos a cinco tipos deesfuerzos:

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a) Esfuerzo de compresión: Unelemento de una estructuraestá sometido al esfuerzo decompresión cuando sobre élactúan fuerzas que tienden aaplastarlo o contraerlo. Lasfuerzas actúan hacia el interiordel objeto. Ejemplo: Las patasde una silla sufrencompresión.

b) Esfuerzo de tracción: Unelemento de unaestructura está sometidoal esfuerzo de traccióncuando sobre él actúanfuerzas que tienden aestirarlo. Las fuerzasactúan hacia el exteriordel objeto. Ejemplo: Elcable de una grúa sufretracción.

c) Esfuerzo de flexión: Un elementode una estructura está sometidoal esfuerzo de flexión cuandosobre él actúan fuerzas quetienden a doblarlo. Ejemplo: Latabla de una mesa con muchoslibros sufre flexión.

d) Esfuerzo de torsión: Un elementode una estructura está sometidoal esfuerzo de torsión cuandosobre él actúan fuerzas quetienden a retorcerlo. Ejemplo:Una llave girando en unacerradura sufre torsión.

e) Esfuerzo de cortadura: Un elemento de unaestructura está sometido al esfuerzo de cortaduracuando sobre él actúan fuerzas que tienden acortarlo o desgarrarlo. Ejemplo: La zona de untrampolín de piscina unida a la torre

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Ejemplos:

5. Estructuras entramadas

Ya vimos que las estructurasentramadas son las que se utilizanen nuestros edificios de hoy endía. Están constituidas por barrasde hormigón y acero unidas deforma rígida.El hormigón es una mezcla decemento, arena, grava y agua,muy resistente al esfuerzo decompresión pero mucho menos alesfuerzo de tracción. Para que elhormigón sea resistente a todo tipode esfuerzos, se rellena con aceropara formar lo que se conoce comohormigón armado.

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Los elementos de una estructura entramada son:

Forjado: Es el suelo y el techo de los edificios. Aunque sóloveamos en el suelo las baldosas, bajo ellas hay una estructurallamada forjado que está formada por barras y relleno dehormigón.

Pilares: Son los elementos verticales deuna estructura y se encargan de soportarel peso del forjado. Los pilares estánsometidos a esfuerzos de compresión. Silos pilares son cilíndricos se llamancolumnas y si son cuadrados se llamanpilastras. Las pilastras están pegadas alas paredes.

Vigas: Son los elementos horizontales de una estructura con forma deprisma rectangular. Las vigas están sometidas a esfuerzos de flexión. Lasvigas soportan el peso del forjado. Las barras que forman parte delforjado se llaman viguetas y se llaman así porque son vigas pequeñas.Las vigas se colocan siempre sobre dos pilares. Entre las viguetas secolocan unos bloques llamados bovedillas.

Cimentación: El peso total de la estructura no va directamente hasta elsuelo (si fuese así, se hundiría como una estructura de palillos levantadasobre mantequilla). La cimentación se emplea para que los pilares de laestructura no se claven en el terreno y se hunda en él. Funciona como loszapatos del edificio.

Cimientos Forjado

Bovedilla

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Construcción decimientos y dospilares

Construcciónde un pilarcon unencofrado demadera

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6. Estructuras trianguladas

Se trata de estructura de barras, normalmente de madera o metálicas.Si se analiza cualquier estructura, como las de las grúas de la construcción,algunos puentes, las torres de alta tensión, etc.; vemos que la rigidez deestas estructuras no se debe a lo compacto de su construcción, sino alconjunto triangular de su forma. Es decir, su rigidez se basa en latriangulación. Eso es porque el triángulo es la única figura geométrica queno se deforma cuando sufre un esfuerzo. Una estructura es rígida cuandono se deforma. Esto ocurre cuando está formada por triángulos. Una figuracomo un cuadrado si se puede deformar.

Una de las condiciones que debe tener una estructura es que sea lo más ligeraposible, para conseguirlo se emplean los llamados perfiles.

Los perfiles son todas aquellas formas comerciales en las que suelensuministrarse los aceros. El nombre de perfil viene dado por la forma de lasuperficie lateral: I, U, T, L… Estos aceros se usan en las vigas y pilares. Graciasa las formas de los perfiles evitamos tener barras macizas y pesadas, porque losperfiles son mucho más ligeros, pero a la vez resistentes.

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7. Estabilidad de una estructura

Otra de las condiciones que tenía que tener una estructura es que fueseestable, es decir, que no vuelque. Para estudiar la estabilidad de unaestructura, los ingenieros estudian el centro de gravedad.

El centro de gravedad es el punto de todo cuerpo en el que suponemos que seaplica todo el peso de ese cuerpo, y que no varía sea cual sea la posición que laestructura adopte. Por ejemplo, si quieres mantener en equilibrio el bolígrafo sobreun dedo, debes encontrar su centro de gravedad para que el bolígrafo no se inclinehacia ningún lado. Igual ocurre con una carpeta, una hoja, etc.

Cuanto más cerca se encuentre el centro de gravedad de la base deun cuerpo o estructura, más estable será.

Por ejemplo, en un coche, cuanto más bajo sea el punto degravedad, más estable será. Por eso los turismos son más bajos que losdemás vehículos, porque van más deprisa y necesitan más estabilidad.Piensa, por ejemplo, en un coche de fórmula uno que está casi pegado alsuelo y es muy aplastado para tener el centro de gravedad lo más bajo

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posible y poder ir muy rápido sin desestabilizarse. Si un coche defórmula uno se enfrentara a un camión (mucho más alto), en una curvay a gran velocidad, el coche de fórmula uno no derrapará y el camión si lohará porque es menos estable.

Si el Centro de gravedad se saliese de la base del cuerpo cuandoéste se inclina, el cuerpo perdería el equilibrio y caería. Mientras alinclinarse un cuerpo, su centro de gravedad siga cayendo dentro de subase, el cuerpo permanecerá estable.

Para aumentar la estabilidad de una estructura se utilizan diferentesmétodos:

o fijarla fuertemente al suelo, por ejemplo, mediante tornillos ytuercas como en el caso de las farolas

o sujetarla con tensores, como las antenas de televisióno colocarle peso en la base, como las canastas de baloncestoo poner una base muy ancha, como los percheros de pie

Para averiguar, de forma práctica el centro de gravedad de una figura realiza estaexperiencia. Recorta la figura en papel y busca: lápiz, aguja, hilo y plomada. (Laplomada puede ser una moneda de 1 €., un anillo, etc.)