Las estructuras LAS ESTRUCTURAS Una estructura es un conjunto de elementos dispuestos de tal manera que pueden soportar pesos y fuerzas sin romperse y sin deformarse excesivamente. Proteger objetos o personas: por ejemplo un envase de cartón de huevos o un casco para motoristas. Las funciones más importantes de las estructuras son: Soportar peso: por ejemplo un puente soporta su propio peso y el de los vehículos que pasan por él. Las estructuras pueden ser naturales o artificiales. Ejemplos de estructuras naturales son el esqueleto de los animales vertebrados, o la cáscara de un huevo, o los nervios de las hojas. Sostener objetos: por ejemplo, un caballete de pintor, una farola o un candelabro están diseñados para sostener unos elementos en una determinada posición, aunque su peso sea pequeño. Contener objetos en su interior: por ejemplo un carrito de la compra, una papelera o una lata de conservas. Tecnología. IES Bellavista Las estructuras artificiales son las diseñadas y construidas por el hombre para resolver sus necesidades de protección (viviendas, rejas,...), de salvar obstáculos (puentes, acueductos,...) para el transporte (vehículos,...). Ejemplos de estructuras artificiales estamos rodeados de ellos, desde una silla a una bicicleta, un puente o un edificio. 1 Las estructuras 1. TIPOS DE ESTRUCTURAS 2. ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS Aunque las estructuras tienen formas muy variadas, se pueden agrupar en dos tipos básicos: las estructuras de barras o de armazón y las estructuras laminares o de carcasa. Las estructuras están sometidas a diversas cargas (su propio peso, el peso adicional de utilización, el viento, etc). Esto hace que los elementos de los que están constituidas estén sometidos a diversos tipos de esfuerzos. • Las estructuras de barras o de armazón están formadas por barras o tubos resistentes unidos entre sí. Se utilizan fundamentalmente para conseguir funciones de sostener objetos y soportar peso. Ejemplos de este tipo de estructuras son las estructuras de los edificios, las sillas, las torretas eléctricas, una noria de feria, una bicicleta, un puente, etc. • Las estructuras laminares o de carcasa están formadas por paneles o láminas resistentes unidas entre sí que envuelven el objeto. Son las más idóneas para las funciones de contener y proteger. Ejemplos de este tipo de estructuras pueden ser una lata de conservas, el fuselaje de un avión o el chasis de un vehículo. 2 Los esfuerzos a que están sometidos los elementos de una estructura pueden ser: • Tracción: un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a estirarlo. Esto es lo que ocurre cuando se tira de un elemento por ambos extremos o bien se sujeta un extremo y se tira del otro. Por ejemplo, están sometidos a tracción los tirantes de un puente colgante, como El Alamillo. Tecnología I. IES Bellavista Las estructuras • Compresión: un elemento está sometido a un esfuerzo de compresión cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a aplastarlo o comprimirlo. Por ejemplo, están sometidos a compresión los pilares de los edificios o las patas de una silla. • Cortadura o cizalladura: un elemento está sometido a un esfuerzo de cortadura cuando las fuerzas aplicadas tienden a cortar o desgarrar la pieza (igual que hace unas tijeras con un papel). Por ejemplo, están sometidos a esfuerzo de cortadura los puntos de apoyo de las vigas. • Torsión: un elemento está sometido a un esfuerzo de torsión cuando las fuerzas que actúan tienden a retorcerlo alrededor de su eje más largo. A este tipo esfuerzo están sometidos los ejes de los motores, las manivelas, las llaves al abrir las cerraduras, los tornillos tirafondos al ser roscados, etc. • Flexión: un elemento está sometido a flexión cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a doblarlo. Una parte del elemento está sometida a tracción y otra a compresión. Manivela Por ejemplo, están sometidas a esfuerzo de flexión las baldas de las estanterías, el trampolín de una piscina o las vigas de los edificios. Tecnología. IES Bellavista • Pandeo: cuando intentamos comprimir un elemento que es muy largo con respecto a su sección, puede ocurrir que se curve, adoptando forma de arco. Este efecto se denomina pandeo. El elemento en vez de estar sometido a compresión, está sometido a flexión. 3 Las estructuras 3. PERFILES ESTRUCTURALES La resistencia de un elemento no sólo depende de la cantidad de material que se emplee, sino también de la forma que este material adopte. Ejemplo: si tomamos un trozo de cartulina, lo colocamos entre dos tacos de madera y le ponemos algún peso encima, la cartulina se dobla y el objeto se cae. Perfil plano: es el que menos peso puede soportar, fácilmente se flexiona. Perfil angular: equivale a dos perfiles planos unidos por sus cantos formando un ángulo recto (su sección tiene forma de L). Aguanta bastante más que el perfil plano. Perfil en T: equivale a dos perfiles planos si se unen en ángulo recto el canto de uno con el centro de la cara del otro (su sección tiene forma de T). Aguanta bastante más que el perfil plano. Perfil en U: equivale a tres perfiles planos unidos formando como una U. Aguanta más que el perfil angular o en T. Pero si al mismo trozo de cartulina le doblamos los bordes, observaremos que puede aguantar el objeto sin apenas deformarse. De igual modo, una estructura no es más sólida cuanto más material tenga; al contrario, cuanto más material más aumenta el peso propio de la estructura y conforme ésta vaya creciendo será mucho más difícil que se mantenga en pie. Perfil en doble T: equivale a tres perfiles planos uniendo los cantos de uno de ellos a los centros de las caras de los otros dos (tiene forma de I ). Aguanta más que el perfil angular o en T. Perfiles tubulares: estos perfiles son cerrados y su resistencia aumenta con respecto a los abiertos. Pueden tener diferentes tipos de secciones: triangular, redonda, cuadrada o rectangular, etc. Angular En T En U En doble T Si nos fijamos en una estructura metálica, por ejemplo de una nave industrial, de una grúa o de una torreta eléctrica, observamos que sus elementos tienen secciones con forma de L, forma de T, forma cuadrada pero hueca, etc. En efecto, se puede conseguir que aumente la resistencia de una estructura usando menos material y, por tanto, disminuyendo el peso propio, construyendo sus elementos con el perfil adecuado. Los perfiles estructurales que se utilizan habitualmente son de diferentes tipos. 4 Tubular triangular Tubular rectangular Tubular redondo Tecnología I. IES Bellavista Las estructuras 4. ELEMENTOS RESISTENTES DE LAS ESTRUCTURAS DE BARRAS Cada uno de los elementos resistentes que nos encontramos en las estructuras reciben nombres diferentes dependiendo de la función que desempeñan. Los elementos más comunes son los siguientes: Pilares: son los apoyos verticales sobre los cuales descansan las vigas y el resto de la estructura. Están sometidos a esfuerzos de compresión. Vigas: son elementos horizontales que se unen a los pilares y que tienen la misión de soportar las cargas. Están sometidos a esfuerzos de flexión. Escuadras: son piezas con forma de triángulo rectángulo que se emplean para reforzar estructuras (para unir una viga con una columna, para mantener verticales los pilares, etc). Pueden ser laminas planas, o un triángulo de barras. También las hay en forma de L (se elimina la hipotenusa del triángulo). Están sometidas a compresión o a tracción. en las antenas de televisión o en las tiendas de campaña). Están sometidos a esfuerzos de tracción. Pilar Tirantes Viga Escuadra Pilar Riostras: son piezas prismáticas colocadas oblicuamente para evitar que se deformen las uniones entre elementos de una estructura (normalmente uniones entre vigas y pilares). Están sometidas normalmente a esfuerzos de compresión. Viga Pilar Escuadras Riostra Escuadra Base 5. TRIANGULACIÓN DE ESTRUCTURAS Viga Viga Escuadra Escuadra Pilar Tirantes o tensores: son elementos en forma de cables, fabricados de material muy rígido para que no se estiren. Pueden servir para colgar vigas (como en los puentes colgantes) o para evitar el vuelco de los pilares (como Tecnología. IES Bellavista Si observas las torretas eléctricas, las grúas que usan para la construcción, una fotografía de la torre Eiffel, etc, observarás que las barras de su estructura están colocadas formando triángulos. Vamos a ver que esto no es por capricho. 5 Las estructuras Vamos considerar una experiencia sencilla. Si construimos con listones de madera un polígono de cuatro lados sujetando sus uniones con tornillos pasadores (no apretándolos a fondo) y le aplicamos una fuerza como se indica en la figura, observaremos que se deforma con facilidad. No se han roto los listones, son las uniones las que se han deformado. Si observamos ahora el cuadrado con su diagonal y el pentágono con sus dos diagonales, vemos que lo que hemos hecho es formar triángulos. En efecto, si formamos con tres listones un triángulo se aprecia que es indeformable. Las estructuras que no están trianguladas se pueden hacer rígidas a base de reforzar muy bien sus uniones para que sean indeformables, sin embargo, la resistencia de la estructura se basará en sus uniones, precisamente los puntos más débiles, y no en sus barras. Sin embargo, si a esta estructura le colocamos una barra diagonal (o simplemente una riostra entre dos de sus lados, que hace el mismo efecto) y le volvemos a aplicar fuerza observamos que ahora no se deforma. En cambio, la resistencia de una estructura triangulada se basa en sus barras ya que las uniones ni siquiera tienen por qué ser rígidas, pueden ser articuladas. En efecto, en el triángulo que formamos antes, aunque los tornillos pasadores estén flojos la figura sigue siendo indeformable. Veamos un ejemplo de cómo podemos hacer indeformable una estructura simple mediante el método de la triangulación. Si el polígono es de cinco lados, también se deforma con facilidad. Podemos hacer indeformable la estructura con cualquiera de las formas siguientes: En este caso, con dos listones adicionales podemos hacer la figura indeformable. Y cuanto más lados tengan las figuras más listones adicionales necesitaremos, pero al final se hace indeformable. 6 Tecnología I. IES Bellavista Las estructuras 6. ESTABILIDAD EN LAS ESTRUCTURAS Las estructuras, además de ser resistentes, deben ser estables, es decir, deben permanecer en equilibrio sin volcarse o caerse al variar las cargas que actúan sobre ella (lógicamente nos referimos a variaciones dentro de ciertos límites). Si aumentamos las dimensiones de la base de apoyo el sistema es más estable. Por ejemplo, la base de un monitor de ordenador. La estabilidad de un cuerpo depende de la posición de su centro de gravedad, que, de forma simplificada, podemos definir como el punto en el que podemos suponer concentrada toda la masa de dicho cuerpo y, por tanto, la fuerza de gravedad que la Tierra ejerce sobre él. Pero, de momento, no vamos a entrar en más detalle sobre esto. Sí es interesante conocer algunos aspectos que conviene tener en cuenta a la hora de diseñar las estructuras, para que éstas sean más estables y disminuya la posibilidad de vuelco o desplazamiento: Si aumentamos el peso en la base aumenta la estabilidad. Por ejemplo, el lastre que se coloca en las canastas de baloncesto para evitar que se vuelquen, o las bases de las grúas. Si la estructura está empotrada en la base o sujeta firmemente a ella, es más estable. Pensar en los cimientos de los muros, que están empotrados, o en las farolas que están sujetas al suelo con pernos roscados. Colocando tensores o tirantes a las estructuras muy esbeltas mejora la estabilidad, y la estructura se comporta como si tuviera una base mayor. Por ejemplo, en las antenas de TV o radio. Tecnología. IES Bellavista 7 Las estructuras ACTIVIDADES Actividad 1: De los siguientes elementos indica cuáles tienen estructura de barras y cuáles estructura laminar: bolígrafo, paraguas, lata de conservas, televisión, silla de alumno, columpio de parque, edificio de viviendas, ratón de ordenador, esqueleto humano, tortuga, bicicleta, frigorífico. Actividad 7: En el aparato de gimnasia de barra fija de la figura, indica los tipos de esfuerzo a que están sometidos los tirantes, los soportes y la barra horizontal. Barra horizontal Tirantes Actividad 2: Muchas estructuras de acero utilizan piezas huecas en lugar de macizas. ¿A qué crees que es debido? Actividad 3: De las siguientes estructuras indica las que son indeformables y las que no. Supón que las uniones entre barras son articuladas (por ejemplo, los tornillos no están apretados fuertemente). A Soportes B Actividad 8: En los tres casos siguientes, ¿Cuál de las dos estructuras, la A o la B, crees que soportará un mayor peso? ¿Por qué? Caso 1 C D E F Caso 2 Actividad 4: ¿Por qué es más difícil que vuelque un triciclo que una bicicleta? Actividad 5: ¿Por qué las antenas de televisión tienen tirantes en varias direcciones? Caso 3 Actividad 6: ¿A qué tipo de esfuerzo están sometidas los siguientes elementos?: una broca, las cuerdas de una guitarra, los peldaños de una escalera, la llave de un grifo, el asiento de un banco de jardín, los huesos de nuestras piernas. 8 Tecnología I. IES Bellavista