CEO - Tecnología. 1º ESO

7/24/2019 CEO - Tecnologa. 1 ESO

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La s es tructura s como

elementos resistentesDesde la Antigedad, el ser humano ha empleado distintas tcnicas

y recursos para conseguir la mxima resistencia de sus diseos.

El desarrollo de las estructuras y los sistemas de unin, prontoencontraron mltiples aplicaciones en todos los campos; desde entonces

ha s ido as y hoy en da se encuentran integrados en prcticamente

todos los elementos.


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Para comprobar la resistencia de las estructuras que diseaba , el

arquitecto Antonio Gaud construa una maqueta y le daba la vuelta.

Una vez invertida, colgaba pequeos saq uitos de perdigones para

calcular el peso que poda soportar cada una de las partes del edificio.

Sabas que en algunas estructuras de hormign se introducen

pequeos cables de fibra ptica para detecta r si en el interior de

los edificios se producen esfuerzos excesivos?

Si a lguien te dijera que una varilla de a cero de 12 mm de dimetro

sujetada convenientemente en el techo del aula es capaz de soportar

el peso de todos los alumnos de la clas e lo creeras?


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Desde tiempos remotos, el ser humano ha diseado y utilizado distintos elementosresistentes que le ayudaran a contrarrestar los esfuerzos o cargas a los que estabansometidas sus construcciones.

Son muchos los seres vivos que realizan tambin sus propias construcciones (abe-jas, hormigas, pjaros...); la diferencia es que el ser humano posee la capacidad deanalizar, disear, experimentar y modificar sus proyectos antes de construirlos.

Una primera clasificacin de las estructuras nos permite, por tanto, distinguir entreestructuras naturales y artificiales, segn aparezcan stas en la Naturaleza de formaespontnea o sean creadas por el ser humano.

El hombre primitivo comenz a utilizar racionalmente algunos materiales que lue-

go transform en estructuras, con objeto de dar solucin a una necesidad o pro-blema suscitado, como por ejemplo cobijarse.

Si bien las estructuras como tales se han desarrollado simultneamente en todoslos mbitos (automocin, construccin, diseo de enseres del hogar, etc.), en lospuntos siguientes analizaremos brevemente, y de forma independiente, la evolucinque han ido sufriendo las estructuras utilizadas para la construccin de viviendas ode puentes a medida que han ido apareciendo nuevos materiales y se han desarro-llado nuevas tcnicas constructivas.68

5.1 Historia de las est ructuras

Diseo inspirado en la Naturaleza. El ser humano en muchas ocasiones encuentra en la Naturalezamodelos idneos para llevar a cabo sus proyectos.

Estructuras naturales. Los huesos de losseres vivos constituyen un claro ejem-plo de estructura natural; los de las avesson huecos, lo que los hace ligeros yresistentes.

Las estructuras artificiales son el conjunto de elementos sencillos

proyectados y construidos por el serhumano dispuestos de forma que

den rigidez y permitan soportar, sin romperseo deformarse en exce-

so, determinadas cargas o esfuerzos para las que han sido diseadas.

5.2 Evolucin de las est ructuras artificia les


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Evolucin de las estructuras en las viviendas

Hace casi 20000 aos el ser humano comenz a construir con pieles y palos vivien-das que le resguardasen de las inclemencias del tiempo.

De esta forma, nuestros antepasados levantaron chozas con ramas y troncos demadera, provistas de tejados de paja y barro. Otras veces, cuando se establecan enlas cercanas de lagos o lugares pantanosos, edificaban sus cabaas sobre platafor-mas de madera sustentadas por gruesas estacas que clavaban en el fondo (palafitos).

As, el ser humano ha realizado y contina realizando susconstrucciones aprovechando los materiales existentes ensu hbitat, como los igles, construidos por los esquima-les con bloques de hielo.

Rpidamente fue incorporando nuevos materiales en laconstruccin de sus viviendas. Se empieza a utilizar elbarro amasado con paja, as como la piedra, que, de for-

ma masiva, se introduce como material de construccincon el objeto de que stas perdurasen en el tiempo, tcni-cas en la que los egipcios, y posteriormente los romanos,fueron grandes maestros.

Construcciones segn el hbitat. Los igles tienencubiertas las paredes y suelos con pieles, con lo quese logran temperaturas acogedoras en su interior.

Primeras estructuras elemental es empleadas por el ser humano paraconstruir sus viviendas.

Las primeras mquinas. El empleo de materiales pesados en lasconstrucciones potenci el desarrollo de sistemas mecnicos yestructurales. De esta forma surgen las gras destinadas a la elevacinde cargas, estructuras provisionales en forma de andamios y otros tiposde mecanismos que facilitan el trabajo.

Tcnicas arquitectnicas.Durante siglos el ser humanoutiliz las paredes, arcos,bvedas y contrafuertes comoelementos estructuralesencargados de transmitir ysoportar el peso de susconstrucciones.

En la Edad Media se desarroll la cons-truccin de iglesias y catedrales de dife-rentes estilos arquitectnicos, lo quedio lugar a la incorporacin de elemen-tos como los arcos de medio punto,arcos ojivales y arcos arbotantes comoavances estructurales arquitectnicosms significativos.


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Realmente se puede hablar del gran desarrollo de las estructurasa partir de la Revolucin industrial (siglo XVIII), momento en queempiezan a sustituirse de forma masiva la piedra y la madera por elacero. En esta poca, Henry Bessemer consigui un procedimiento

para obtener acero, material ms resistente y barato que la mayora delos materiales anteriores, con la ventaja aadida de que ste se podatrabajar y unir con mayor facilidad y rapidez (por medio del remacha-do, el roblonado o la soldadura). El acero permiti que se pudieranformar, por ejemplo, retculas triangulares a base de unir piezas senci-llas que lograban conjuntos de menor peso y mayor resistencia.

Durante el siglo xx, cientos de edificios se construyeron empleando elacero como elemento resistente. Las estructuras se comportan como unesqueleto de enorme resistencia, capaz de trasladar el peso de cada pisodirectamente a los cimientos, por lo que dejan de ser necesarios losmuros muy gruesos. De hecho, stos son cada vez ms delgados yactualmente algunos se hacen hasta de cristal.

El mayor inconveniente que presenta el acero como material de construccin es quesu resistencia disminuye de forma notable cuando su temperatura aumenta porencima de unos ciertos valores, por lo que un incendio de una cierta intensidadpuede provocar la ruina del edificio, como sucedi en las Torres Gemelas de Nueva

York en el atentado del 11 de septiembre de 2001.

Evolucin de las estructuras en los puentes

Desde que el ser humano empez a construir los primeros puentes depiedra hasta la actualidad han transcurrido casi 5000 aos. Duranteeste tiempo las tcnicas de construccin y los materiales empleados

han ido evolucionando. El gran avance se produjo cuando los cons-tructores descubrieron las enormes posibilidades que presentaban susdiseos si colocaban las piedras describiendo un arco.

Los romanos fueron de nuevo los grandes maestros en este tipo deconstrucciones. Un ejemplo lo tenemos en el acueducto de Segoviaque, con una longitud de 728 m y una altura mxima de 29 m, esuno de los pocos monumentos que, sin cemento ni argamasa, semantienen intactos desde hace 2000 aos.

Cuando desaparece el Imperio romano, gran parte de los puentes ycaminos se abandonan. Habrn de transcurrir varios siglos hasta quese emprendan nuevas construcciones. Se elevan puentes, en oca-

siones ligados a viviendas y fortalezas; en algunos casos los viajerosdeban pagar un tributo al seor feudal para transitar por l.

Nuevamente el desarrollo del hormign y del acero potenciarn laconstruccin de puentes y elementos estructurales. El acero permitedisear estructuras ligeras y resistentes para todo tipo de gustos y nece-sidades; aparecen as los puentes colgantes, levadizos y basculantesque hoy en da podemos ver en cientos de ciudades o formando partetambin de otros conjuntos, como es el caso de las autopistas.Puente de la Barqueta (Sevilla).

Empire State Building. El enorme peso de este edificio setransmite a travs de varios centenares de pilares. Estoscimientos fueron excavados en roca de granito a unaprofundidad media de 12 metros, es decir, que podranalbergar varios edificios de cuatro pisos de altura.

Acueducto de Segovia.

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Otros tipos de estructuras

Enumerar la evolucin que han sufrido todaslas estructuras utilizadas por el ser humano

es prcticamente imposible. Basta decir quedesde las primeras herramientas diseadasen la Prehistoria hasta los robots ms van-guardistas se han proyectado sobre una sli-da estructura constituida por elementosresistentes.Detalle del Museo de las Artes y de las Ciencias de Valencia junto al Hemisferit .

Construcciones emblemticas. El puente de Rande (Galicia), el museo Guggenheim(Pas Vasco), y las torres Kio (Madrid) son algunos de los dise-os estructurales ms conocidos y famosos de Espaa. En algunas ocasiones las estructuras se han transformado en verdaderos smbolos capaces derepresentar de forma precisa una idea, ciudad o pas.

Actividades

Define brevemente lo que entiendes por estructuray cita algn ejemplo que conozcas de tu ciudad oque se encuentre prximo a ella cuyo diseo se base

principalmente en elementos estructurales.

Disead un grfico que os permita ordenar porfechas los distintos descubrimientos, aplicaciones,avances, etc., realizados por el ser humano enmateria de estructuras.

Elegid un puente, torre o edificio significativo devuestra ciudad o comarca y realizad un trabajo deinvestigacin que incluya, como mnimo, los apar-tados siguientes:

a)poca en la que se construy.

b) Forma y diseo utilizado en su construccin.

c)Materiales utilizados.

Posteriormente, cuando concluyis el estudio de laUnidad, identificad los esfuerzos que soportaba.

Individuales

De grupo


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Identif icacin y defin icin de los elementos simples ms caractersticos de una estructura

Si observamos una estructura cualquiera comproba-remos que est formada por una serie de elementossimples que, en conjunto, proporcionan al diseo larigidez y resistencia suficientes para soportar todaslas cargas o esfuerzos a los que se ve sometida.

Cada uno de estos tramos puede estar formado poruno o varios perfiles, que se definen como todasaquellas formas comerciales en las que se suelensuministrar el acero y otros materiales (como el alu-minio, por ejemplo).

En funcin de la posicin que ocu-pan y del esfuerzo que han de sopor-tar, los elementos simples se puedenclasificar en: vigas, pilares, tirantes ytensores.

El nombre del perfil viene dado, a su vez, por la forma que presenta su seccin.

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5.3 Las estructuras como elementos resistentes

Porelementos simples en una estruc-

tura entendemostodos aquellos tramosenlos que sta se puede subdividir.

Vigas

Pilares y columnas

Tirantes ytensores

Vigas: son aquellos elementos resistentes formados por uno o ms perfiles destinados asoportar esfuerzos o cargas. Normalmente las vigas adoptan una disposicin horizontal.

Lascerchasson vigas especiales formadas por la unin de elementos resistentes que adoptanuna disposicin de celdillas triangulares, comportndose como una viga de enormes dimen-siones. Estas estructuras permiten salvar grandes distancias entre sus apoyos.

Pilares: son aquellos elementos resistentes formados por uno o ms perfiles dispuestos enposicin vertical y que normalmente soportan el peso de las vigas, cerchas u otros elementosque se apoyan sobre ellos, de modo que transmiten las cargas a la cimentacin (zapatas).

Columnas:elementos verticales, generalmente cilndricos, que sirven como elemento de apo-yo de una parte de la construccin y que, en ocasiones, pueden tener una finalidad meramenteornamental.

Con objeto de dar rigidez y aumentar la resistencia en las estructuras, se suelen colocar unosperfiles entre los diferentes elementos, que son en ocasiones simples cables de acero quemediante unos tensores o trinquetes se pueden tensar. Los tirantes estn sometidos a esfuer-zos que tratan de estirar el perfil (esfuerzo de traccin).

Cercha

ColumnaPilar

Viga

Viga


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Vivimos en un mundo en continuo movimiento sobre el queactan mltiples tipos de fuerzas. De algunas no somos cons-cientes, porque se encuentran en equilibrio o porque estamosacostumbrados a ellas (gravedad, presin atmosfrica...).Otras, al manifestarse sbitamente o con mayor intensidad, seperciben mejor (terremotos, aludes, volcanes...).

Qu es la accin?

El conjunto de fuerzas o acciones ejercidas sobre unaestructura lo conocemos con el nombre decargas.

Edificio en construccin. En l puedes ver distintos tipos de carga.

5.4 Concepto de a ccin y reaccin

Accin es la fuerza o conjunto de fuerzas que

actuan sobre un cuerpo o elemento resistente.

Qu entendemos por reaccin?

El principio de accin y reaccin se puede observar enmltiples situaciones de la vida cotidiana. En la figura se harepresentado un ejemplo que te ayudar a comprenderambos conceptos.

Observa cmo una nia trata de arrastrar un hipoptamo,para lo cual emplea una cuerda. Cuando la fuerza que apli-ca, accin, es igual o menor a la resistencia que opone laplataforma del hipoptamo, reaccin, el conjunto perma-

nece en reposo, es decir, mantiene su equilibrio estti-co. En cambio, si la fuerza o accin ejercida fuera mayorque la reaccin, el conjunto se desplazara.

En el ejemplo de la estructura de la figura superior puedescomprobar tambin que a la accin ejercida por las cargassobre la estructura se ha de oponer con igual valor la reaccindel suelo, con lo que se establece el equilibrio esttico. De noser as, el edificio se hundira.

Todafuerzaejercidasobre un cuerpo (accin) llevaasociada otra

fuerza que se opone y trata de equilibrar a la anterior, a la quedenominamos reaccin.

=

>

Equilibrio esttico

Equilibrio dinmico

Accin Reaccin

Accin Reaccin


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El diseo de cualquier proyecto estructural ha de cumplir siempre las condiciones deestabilidad y resistencia.

Condiciones de es ta bilidad

Toda estructura se ha de disear teniendo siempre en cuenta su estabilidad, la cualsuele ir ligada al tipo de esfuerzo que ha de soportar, a la geometra del conjuntode la estructura y a la posicin del centro de gravedad, de forma que el conjunto hade cumplir en todo momento las ecuaciones de la esttica (el anlisis individual delconjunto de fuerzas verticales, horizontales y momentos que intervienen en laestructura considerada ha de ser igual a 0).

Pero qu es un momento? Para analizar este aspecto estudiemos brevemente algu-

nas mquinas simples como la palanca y la polea.Lapalanca es una mquina simpleempleada por el ser humano para multitudde aplicaciones desde el paleoltico. Consta de una barra rgida en la que se distin-guen tres partes: el punto donde se ejerce la fuerza (tambin denominado puntode potencia), el elemento resistente y el punto de apoyo o fulcro.

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5.5 Estabilidad en las estructuras

La ecuacin de equilibrio de la palanca presenta la siguiente expre-

sin: Fuerza (F) su brazo (L) = Resistencia (R) su brazo (l).

Palanca. Con una misma fuerza puedes obtener distintos esfuerzos (momentos) simplemente variando la longitud de la palanca.

Se denominamomento al esfuerzo resultante de aplicar unafuerza

por su distancia.

FL =R l

M = F d

Recuerda

Decimosqueuna

estructuraesestable

cuandoalactuarsobre

elladistintascargasy

solicitacionesexternas

permaneceenequilibrio

sinqueseproduzcariesgo

evidentedecadaovuelco.

Partes de una palanca.


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Lapolease puede considerar como una rueda que presentaun diseo especial, cuyo funcionamiento, en cierta forma, sebasa en la ley de la palanca. Existen muchas clases de poleas,que pueden serfijasymviles.

Si quieres elevar una carga, el esfuerzo que tienes que realizarcon una polea fija es de igual magnitud al del peso de la carga,ya que el brazo de la palanca (radio de la polea) es el mismopara la carga que para la fuerza aplicada (recuerda el conceptode momentoM = Fd); sin embargo, si utilizas una polea mvilla fuerza que es necesario aplicar se reduce a la mitad.

Qu es el centro de gravedad?

Algunas estructuras presentan, por necesidades de diseo,formas geomtricas complejas que, en ocasiones, pueden presentar problemas gra-ves de estabilidad.

Es conveniente que sepas que la estabilidad de una estructura depende de la formao geometra que sta posee, o dicho de otra forma, de la posicin que ocupa el cen-tro de gravedad (cdg)del conjunto. Por este motivo los tcnicos deben conocerexactamente el lugar en donde se encuentra situado el cdg de sus diseos, ya queste afecta directamente a la estabilidad del conjunto (que no hay que confundircon resistencia), de forma que la estructura ser tanto ms estable cuanto ms bajose encuentre su cdg.

Seguramente habrs observado alguna vez una figura simi-lar a la representada, capaz de mantenerse en equilibrioapoyndose simplemente en un punto (su pico), punto quese denomina cdgy sobre el cual se encuentra aplicada laresultante de las fuerzas producidas por el peso (fuerzasverticales).

Cmo localizar el cdg de cualquier

figura?

Al ser el cdg el punto en donde se encuentra aplicada laresultante de las fuerzas debidas al peso, para localizar elcdg de cualquier figura bastar con colgarla de una pun-ta sobre la que pende un hilo provisto de un contrapesoque acta de plomada. Repitindose el proceso desde otropunto distinto y una vez definidas las lneas delimitadaspor la plomada, observaremos que stas se cruzan siempreen un mismo punto denominado baricentro o centro degravedad (cdg).

Centro de gravedad. La geometra dealgunas figuras desplaza su cdg,provocando en algunos diseos efectossorprendentes.

Mtodo prctico para obtener el cdg de cualquier figura.

El centro degravedad es el punto de aplicacin delafuerzapesode un cuerpo, y que no vara seacual seala posicin queste adopte.

FR

R

h

F

R FR__2

R__2

R__

2

R__2

R

l = 2h

hF = R

F =R__2

h

F

Poleas fijas y mviles.

cdg


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Consideraciones sobre el cdg

Una figura ser tanto ms estable cuanto ms cerca se encuentre su cdg de su base,lo que implica que si por cualquier causa sta se inclinase observaramos cmo elcdg se elevara. Una vez desaparecida la causa o efecto que provoc la distorsinanterior el conjunto recuperar la posicin original de equilibrio.

La figura ser inestable cuando, al inclinarse, su cdg descienda, lo que suele provo-car en la mayora de los casos el vuelco de la estructura.

Teniendo presente que en las estructuras los distintos esfuerzos se van transmi-tiendo de perfil a perfil hasta llegar a la cimentacin o empotramiento, en lassiguientes figuras se han representado algunos de los mtodos ms utilizados paraconseguir la estabilidad de las estructuras representadas.

Esta bilidad en estructuras sometidas

a carga s verticales. Cimentaciones

En las figuras inferiores se muestran algunas de las soluciones adoptadas por elser humano para lograr la estabilidad en estructuras que se encuentran sometidasa cargas verticales.

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Experiencia de estabil idad efectuada con una figura. Su cdg se encuentra prximo a su base, posicin estable a); su cdg se encuentra alejadode su base, posicin inestable b).

Cargas verticales. Las cargas principales que soportan las estructuras delos edificios son verticales y se transmiten a las zapatas a travs de lasvigas y pilares.

Zapatas. Cuando la carga a transmitir es grande, las dimensiones delas zapatas pueden aumentar tanto que terminan unindose, formandouna losa.

cdg

cdg

a) b)


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Estabilidad en construcciones sometidas

a fuerzas horizontales y momentos

Existen estructuras cuyo diseo tiene como objetivo principal soportar las cargas,

esfuerzos horizontales y momentos producidos por las acciones externas (debidasal empuje del terreno, a los vientos...), sobre las construcciones. La estabilidad delconjunto, en la mayora de los casos, se suele conseguir combinando varios de losmtodos que a continuacin se proponen.

El empotramiento disminuye la posibi lidad de vuelcos

y deslizamientos.

El empleo de bases con lastreo contrapesodesplaza el cdg del

conjunto en sentido favorable a la estabi lidad.

Los tirantesy tensoresenestructuras muy esbeltasmejoran la estabi lidad, y el

conjunto se comporta comouna construccin de mayorsuperficie.

El aumentode las dimensiones de la baselogra disminuir la alturadel cdg reforzando assu estabil idad.

cdg

Lastre

cdg


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5.6 Resistencia de las estructuras

Decimos que una estructura es resistente cuando staes capaz desoportarlas cargas o solicitaciones externasa las que seve sometida.

Recuerda

Laelasticidadesla

capacidadquepresentan

losmaterialespara

deformarseporlaaccin

deunacargaexternay

recuperarsusdimensiones

originalessinquese

produzcandeformaciones

permanentes.

78Ordenacin longitudinal de las fibras de la seccin de un perfil .

FibrasDeformacin y recuperacin de un material

elstico.

Esta resistencia depender del material con el que est construida la estructura, delos esfuerzos principales que ha de soportar, de la rigidez de cada una de sus par-tes y del conjunto de la estructura. De momento, analizaremos estos dos ltimosaspectos, dejando el estudio de los materiales para el Apartado 5.7.

Esfuerzos principales de los elementos simples

Ya hemos visto cmo las cargas o acciones que actan sobre los elementos estructura-

les provocan reacciones de igual intensidad. Pero, qu ocurre y cmo se comportaninternamente cada uno de los perfiles que componen los elementos estructurales?

Antes de pasar al estudio de los pilares, vigas y tirantes, estableceremos paratodos ellos las siguientes hiptesis de trabajo:

1. Consideraremos que todos los materiales son elsticos (hiptesis correcta, yaque todos los materiales se deforman en mayor o menor medida, si bien no entodos ellos es posible apreciar a simple vista las deformaciones que se producen).

2. Cuando deseemos estudiar un perfil, deberemos exagerar las deformacionesque en ste se producen, para lo cual sustituiremos en nuestros ensayos el perfilpor una goma elstica. Sin embargo, a la hora de interpretar los efectos que se ori-

ginan en los perfiles, supondremos que stos estn formados por miles de gomaselsticas ordenadas longitudinalmente hasta conseguir la seccin del perfil.

3. Llamaremos fibra a cada una de las gomas elsticas que forman parte delperfil.

4. Finalmente, con un rotulador pintaremos dos anillos paralelos en el mode-lo que, a modo de marcas, nos ayudarn a interpretar las deformaciones que seproducen, al tiempo que nos facilitarn la realizacin de los diferentes ensayos.


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Esfuerzos de t raccin. Tirantes

Imaginemos por un momento una estructura formada por dos piezas huecas decartn dobladas y pegadas entre s. Sobre la pieza nmero 2 se desea colgar unpesado letrero. Para evitar la cada o rotura de la estructura se coloca un tirante o

tensor 3 y ahora, con el objeto de comprobar el esfuerzo que soporta ste, lo sus-tituimos por un tensor elstico. Qu ocurre?

Si observamos las marcas realizadas con el rotulador sobre el perfil tirante, com-probamos cmo stas se encuentran ms separadas, es decir, las gomas se hanestirado por el efecto de la carga. Esta experiencia nos indica que en este caso elperfil 3 est sometido a esfuerzos de traccin.

Cuando en un perfil se producen nicamente esfuerzos de traccin, ste se puedesustituir por un simple cable o tirante, motivo por el que para ciertas aplicacionesson muy utilizados (por ejemplo en las gras y en los puentes).

Esfuerzos de compresin. Pilares

Supongamos por un instante un pilar formado por una pieza de goma de seccincuadrangular sobre la que se ha colocado una plataforma con una pesada carga.Qu ocurrir en esta ocasin?

Si observamos las marcas realizadas con el rotulador sobre el perfil cuadrangular,

comprobamos cmo stas se encuentran ms prximas, es decir, las gomas handisminuido su longitud por efecto de la carga, experiencia que nos indica que eneste caso el perfil est sometido a esfuerzos de compresin.

Un cuerpo est sometido a esfuerzos de traccin cuando por elefecto de las cargasque actan sobre l todas sus fibras (gomas)

tienden a estirarse (hecho que se constata al observarlas marcas

realizadas por el rotulador en el perfil).

Pilar con a) y sin carga b) (esfuerzo de compresin).

Elemento estructural sometido a esfuerzo

de traccin.

Tirantes sometidos a esfuerzos de traccin.

Pieza traccionada.

a) b)

Marcas del pilar sin carga Pilar sometido a carga(Marcas ms prximas)

Posadacompromiso Posada

traccin


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Palillos planos

Encuadernadores

Cuando en un perfil se producen nicamente esfuerzos de compresin, ste se hade sustituir siempre por un elemento que posea una rigidez suficiente, nunca debeser un cable o tirante, ya que stos, al no tener rigidez, provocaran la ruina de laestructura.

Cmo identificar si un perfil se encuentra sometido

a es fuerzos de traccin o compresin?

En la mayora de los casos, los elementos estructurales suelen venir asociados unosa otros. En estas situaciones no suele ser fcil indicar con seguridad qu tipo deesfuerzo soporta cada perfil.

Existe un mtodo que, aunque laborioso, permite identificar sin ninguna duda eltipo de esfuerzo al que est sometido cada perfil. Para ello basta con construir unaestructura similar a la que deseamos identificar con tornillos y palillos planos tala-drados en sus extremos. De esta forma, si se sustituye el perfil en el que se quieredetectar el esfuerzo por un cable, pueden producirse dos situaciones:

1. Que el cable se tense y por tanto la estructura permanezca estable, situacinque indica que el perfil sustituido trabaja atraccin.

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Un cuerpoestsometido aesfuerzos de compresin cuando por

el efecto de las cargas que actan sobre l todas sus fibras

(gomas) tienden a disminuir su longitud (hecho que se constata

al observar lasmarcas realizadas por el rotulador en el perfil).

Para saber ms

Cuando a una pieza delgadapero de gran longitud se la

comprime, puede ocurrir que

se curve y adopte forma de

arco. Este fenmeno se

denomina pandeo y se

produce en aquellas piezas

cuya relacin entre la longi tud

y el rea de la seccin del

perfil esmuy grande. A esta

relacin se la conoce con el

nombre de esbeltez.

Pandeo.

Pieza comprimida.

Compresin

Cable

Elemento estructural 3 sometido a esfuerzo de compresin.

Mtodo experimental para identificar si el perfil de una estructura trabaja a traccin o compresin.

F

F

F

F

Posada

Elcomprimido

Posada

Laru

ina


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2. Que el cable se deforme, al no tener rigidez, y provoque la ruina de la estructu-ra, situacin que indica que el perfil sustituido trabaja acompresin.

Esfuerzo de flexin. Vigas

Con frecuencia, en un solo perfil se puede produ-cir a la vez ms de un esfuerzo; es el caso de lasvigas.

Supongamos que tenemos un tabln de goma deseccin rectangular, que a modo de viga ha desoportar una pesada carga en su centro. Quocurre?

Si observamos las marcas realizadas sobre el per-fil, antes y durante la deformacin, comprobare-mos cmo en el mismo perfil existen dos zonasdiferenciadas. As, en la zona superior las fibras

(gomas) se han acortado, mientras que en lainferior se han estirado, quedando en elcentro una fibra que no sufre alteracin yque se denomina fibra neutra. Dicho deotra forma, el perfil soporta a la vez esfuer-zos de compresin y de traccin, exceptoen la fibra neutra, donde no hay tensiones.

Realicemos otra experiencia. Qu ocurrir si colo-camos el tabln anterior de canto?

Observamos que la deformacin que se produce enel perfil es mucho menor. Este es el motivo princi-pal por el que muchos de los diseos que presen-tan los perfiles comerciales se han basado enaumentar el tamao del canto. Estos perfiles permi-ten obtener estructuras ligeras y resistentes, capa-ces de soportar grandes cargas sin sufrir apenasdeformaciones.

Uncuerpoestsometido a esfuerzos

de flexin cuando porel efecto de las

cargas queactansobre l aparecensimultneamente dentro del perfil

dosesfuerzos distintos, uno de trac-

cin y otrodecompresin(hecho que

seconstata alobservar el comporta-

miento de lasfibras gomasa travs

delas marcas realizadas enel perfil).

Experiencia para conocer el esfuerzo de traccin y compresin.

Elemento estructural (tabln) sometido a esfuerzos de flexin.

Zonatraccionada

Zonacomprimida

Fibraneutra


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En aquellos casos en los que por motivos de resistencia, o para evitar una defor-macin excesiva, no es suficiente el empleo de un solo perfil (ya que ste, pararesistir, debera tener grandes dimensiones), se recurre a la construccin de ele-mentos estructurales formados por la unin de varios perfiles en forma de redes

triangulares que se comportan como un solo perfil de canto mayor.

Ya hemos visto que normalmente las vigas, cuandoestn cargadas, se deforman. Al valor de esta defor-macin mxima, que normalmente se produce enmedio de los apoyos, se le denominaflecha.

Debes saber que si la deformacin de una viga esmayor que la deformacin mxima que permiten lasnormas de construccin, no puede ser utilizada, aun-que la viga resista sin romperse.

Si ahora tuviramos que realizar la construccin dealgn puente y observramos que ste se deformabaexcesivamente, qu soluciones adoptaras para dis-minuir la flecha?

Existen varios procedimientos para disminuir la flechay seguramente los habrs visto en muchas construc-ciones. En la figura del margen puedes comprobar losmtodos ms utilizados.

Tipos de rigidez

Rigidez de cada una de las partes y del

conjunto de una es tructura

Acabamos de ver cmo los diferentes elementosestructurales pueden estar sometidos a distintostipos de esfuerzos, luego parece lgico pensar que,igualmente, han de existir formas geomtricas quesean capaces de soportarlos mejor que otras. Por tan-

to, a la hora de seleccionar un perfil se ha de tener en cuenta, entre otras cosas, losiguiente: la capacidad de resistencia que posea el perfil en funcin del tipo deesfuerzo que de l se solicita; el peso por metro lineal, que adems influye directa-mente en el peso y precio final de la estructura; su esttica y ergonoma...82

Viga de gran canto para evitar grandes deformaciones.

c

Goma sin estirar (fibra).Compresin

Goma estirada (fibra).Traccin

Modelo didctico que permite apreciar cmo en una viga sometida a

flexin se producen simultneamente esfuerzos de traccin y compresin.

f

f = flecha

Mtodos para disminuir la flecha en una estructura. Los ms utilizados son:a) disminuyendo la luz entre pilares, b) disponiendo cables o tirantes yc) aumentando el canto de las vigas utilizadas.

a

b

c

La deformacin de una viga sometida a esfuerzos de flexin se denominaflecha.

Perfil comercial de gran canto (c)uti lizado como viga.

c


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Rigidez de un perfil segn su

esfuerzo y seccin

Existen diferentes tipos de perfiles segn

soporten mejor o peor un determinadoesfuerzo.

Para los esfuerzos detraccinse pueden uti-lizar todo tipo de secciones; no obstante, losperfiles cilndricos en forma de alambres,cables y barras o los perfiles con forma de fle-

jes, las llantas, las pletinas y los angulares sonlos ms utilizados.

Para los esfuerzos de compresin, las sec-ciones idneas suelen ser aquellas que pre-sentan un perfil cerrado o constituidas a base

de angulares que impiden su deformacinlateral o el pandeo del perfil. Este tipo desecciones puede soportar los esfuerzos detraccin, pero son ms caras, por lo quepreferentemente se utilizan para soportarlos esfuerzos de compresin.

Rigidez de una est ructura .

Triangulacin

Finalmente, si analizas cualquier estructuraformada por la unin de perfiles simplesobservars cmo stos se ordenan forman-

do celdillas que adoptan una disposicintriangular, ya que sta es la nica formageomtrica no deformable. La rigidez deuna estructura se basa en la triangulacin,por ello la mayora de las estructuras adop-ta esta forma.

Traccin y compresin. Los alambres,

cables y barras soportan bien losesfuerzos de traccin y mal los decompresin.

Deformacin.Toda forma geomtrica con unnmero de lados superior a tres esdeformable.

Rigidez. Para conseguir larigidezen unaestructura, los perfiles se deben disponerformando celdillas triangulares.

Cables, tensores y escuadras. Igualmente,mediante el empleo de cables, tensores yescuadras, dispuestas en lugares apropiados, sepuede conseguir la rigidez de una estructura.

Perfiles angulares. Estos perfiles soportanbien los esfuerzos de compresin.


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No todos los materialespresentan las mismas propie-dades, por lo que a la hora de seleccionar uno u otrohan de tenerse en cuenta dichas propiedades y el tipode esfuerzo que habrn de soportar. Si el esfuerzo esdetraccin, las fibras del material tienden a estirarse, ypor ello se utilizan materiales como el acero o la made-ra, ya que stos poseen una fibra continua que sopor-ta muy bien este tipo de esfuerzos. Sin embargo, la pie-dra apenas se emplea en elementos que deben trabajara traccin.

Cuando el material ha de soportar esfuerzos decompre-sin, el esfuerzo trabaja a favor de la cohesin del propio

material. De esta forma, la piedra y el hormign princi-palmente, y en menor medida la madera y el acero, sonlos materiales ms utilizados.

Si los esfuerzos a soportar son deflexin, la madera presenta unas caractersticas quela hacen idnea para este tipo de solicitaciones. Esta es la razn principal por la que,durante miles de aos, ha sido el material que con mayor frecuencia se ha encontradopresente en todo tipo de construcciones realizadas por el ser humano. En la actuali-dad, como ya hemos visto anteriormente, existen otros materiales que soportanmucho mejor la flexin, como ocurre con el acero.

Mat eriales mixtos. Hormign armad o y forjados

El ser humano, en su afn de aprovechar laspropiedades que poseen por separado la pie-dra y el acero, inventa y comienza a utilizar, afinales del siglo XIX, un material que rene yaprovecha simultneamente las propiedadesde ambos materiales (la elevada resistencia a

la compresin de la piedra y a latraccin del acero). A este materiallo conocemos con el nombre dehormign armado.

Seguramente, ahora sers capaz de intuir el motivo por el que en las dife-

rentes construcciones, como por ejemplo en las vigas y pilares, se utiliza elhormign armado, formado por hormign en masa (cemento +arena +agua) y varillas de acero en su interior, as como la disposicin que estas lti-mas han de adoptar.

Finalmente, y para aligerar el enorme peso que pueden alcanzar estasconstrucciones, el ser humano utiliza de forma combinada bovedillas,losas y otros materiales con los que rellena los entrevigados de un piso,conjunto que denominamos forjado.84

5.7 Los materia les en las estructuras

Hormign armado. Este material estformado por hormign en masa y varillasde acero en su interior.

Pilares de hormign armado para el viaducto de

una autopista en fase de construccin.

Nave industrial. En esta construccin se han empleado, como elementosresistentes, perfiles comerciales de acero.

Columnas.Estos elementos debensoportar grandes esfuerzos decompresin. La piedra y el hormign,debido a sus caractersticas, suelen sermateriales idneos para este tipo deconstrucciones.

Viga

Columna


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Actividades

De grupo

Realiza las actividades del bloque 5 Estructuras y

mecanismos, denominadas estructuras y mecanis-mos I, II, IIIyIV, propuestas en elcuaderno de tra-bajo.

Sobre un dibujo previamente numerado, indica a qutipo de esfuerzo est sometido cada uno de sus ele-mentos. En caso de necesidad, recuerda que, utili-zando tornillos y palillos planos taladrados en susextremos, puedes construir una estructura similar ala de la figura, y a partir de sta podrs identificar eltipo de esfuerzo que soporta cada uno.

Tomando como referencia los dibujos representadosen la figura, identifica el nombre y esfuerzo que pre-visiblemente soportan los elementos sealados.

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Individuales

Identificad en vuestro proyecto los diferentes elemen-

tos estructurales que lo componen (pilares, vigas...),as como los esfuerzos a los que se ven sometidos.

En los dibujos siguientes, determinad el tipo deesfuerzo que, previsiblemente, han de soportar loselementos sealados (recordad la deformacin queen ellos se produce).

T =Traccin; C=Compresin;F=Flexin; P=Pandeo

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Perfil

Esfuerzo

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