1. ESTRUCTURAS: definición y tipos 2. CARGAS Y ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS 3. ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS

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n la actualidad, si observamos a nuestro alrededor, vemos que estamos rodeados de

estructuras. Las estructuras son fundamentales tanto para las construcciones como para la

sustentación de las máquinas. En esta unidad estudiaremos qué es una estructura, qué tipos de

estructuras existen, cuáles son las condiciones que deben cumplir y qué elementos se le

pueden añadir para hacerlas más resistentes.

E

1.

ESTRUCTURAS: definición y tipos

1.2. Tipos de estructuras artificiales

2.

CARGAS Y ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS

3.

ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS

4.

ESTRUCTURAS RESISTENTES, ESTABLES Y RÍGIDAS

1.

ESTRUCTURAS: definición y tipos

1.1.

Definición

Si aplastamos la goma de borrar con los dedos estamos aplicando una fuerza capaz de deformarla. Si empujamos el lápiz con un dedo, la fuerza provoca el desplazamiento del lápiz. La Tierra nos atrae con una fuerza (la de la gravedad) proporcional a la cantidad de materia (masa) de nuestro cuerpo... En el mundo existen innumerables ejemplos de lo que llamamos fuerza, pero ¿qué es realmente una fuerza?

Los productos tecnológicos por sencillos que sean, han de disponer de un esqueleto o armazón que soporte su propio peso, la proteja frente a fuerzas externas y, además, mantenga unidos todos sus elementos. Dicho de otro modo, todo objeto debe poseer una estructura que soporte las fuerzas a las que se ve sometido.

Por tanto, las funciones de una estructura son:

 Soportar pesos: el peso de los elementos sobre la estructura, y el peso mismo del objeto y de la propia estructura. Ejemplos: los pilares de un puente, la estructura de un edificio...

 Resistir fuerzas externas. Ejemplo: la pared de una presa o dique soporta la fuerza del agua contenida.

 Mantener la forma: evitar las deformaciones en exceso, que pueden llevar a la rotura. Las estructuras deben ser capaces de soportar pesos y resistir fuerzas sin llegar a deformarse. Ejemplo: los tirantes de un puente.

 Servir de protección.Ejemplos: el chasis de un automóvil protege a los pasajeros, la carcasa de un teléfono móvil protege los elementos electrónicos de su interior...

Las estructuras están presentes en todo lo que nos rodea pudiéndolas encontrar tanto en los seres vivos como en los objetos (caparazón de un caracol, tronco de un árbol, máquinas, muebles, edificios, etc). De ahí que las estructuras suelen clasificarse atendiendo a su origen en:

 Estructuras naturales: tanto de origen animal (nidos de aves, colmenas y avisperos, caparazones...); vegetal (troncos, ramas de árboles y arbustos, tallos de plantas...); y geológico (cuevas, montañas...).

 Estructuras artificiales: creadas por el hombre: puentes, barcos, edificios, torres, carcasas de aparatos... Estas serán las que estudiaremos a lo largo de todo el tema.

Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de movimiento o reposo.

La estructura de un objeto es el conjunto de de elementos que permiten mantener su tamaño y forma (sin deformarse en exceso) cuando sobre él actúan fuerzas externas.

1.2.

Tipos de estructuras artificiales

A lo largo de la historia se han empleado diferentes tipos de estructuras para las edificaciones: desde las chozas, hasta los castillos hinchables, pasando por los acueductos, castillos, catedrales, puentes colgantes...

ESTRUCTURAS MASIVAS: son estructuras muy pesadas y macizas, construidas con elementos muy gruesos, anchos y resistentes, y con gran cantidad de material. Ejemplos de estructuras masivas son las pirámides egipcias y las pirámides mayas, los templos griegos, las presas de los embalses, las murallas y los diques.

Pirámide maya Muralla romana de Lugo

ESTRUCTURAS ABOVEDADAS: son estructuras en las que predominan los arcos, las bóvedas o las cúpulas como elementos de sujeción y soporte.

Son estructuras abovedadas los teatros, los circos y los acueductos romanos, las iglesias y catedrales, algunas mezquitas y determinadas construcciones actuales, como los túneles.

Los arcos sujetan la cubierta de la mezquita de Córdoba y se apoyan en finas columnas que aportan ligereza al conjunto.

ESTRUCTURAS ENTRAMADAS: son estructuras formadas por un conjunto de perfiles de madera, acero u hormigón. Los elementos estructurales son las vigas, los pilares o columnas y la cimentación.

Estructuras entramadas son los edificios, por ejemplo, que se cubren con ladrillos o cristal después de colocar los pilares y las vigas. Esto supone una disminución de peso respecto de las estructuras masivas o abovedadas antiguas, que se traduce en la posibilidad de aumentar la altura de las construcciones actuales.

Ejemplo de estructura entramada.

ESTRUCTURAS TRIANGULADAS: son estructuras formadas por barras que forman triángulos. Se caracterizan por ser ligeras a la vez que resistentes.

Cada triángulo está sometido a sus propios esfuerzos de tracción y compresión, equilibrándose la estructura permitiendo que esta pueda crecer todo lo que se desee.

Los materiales que se suelen emplear para construir estas estructuras son la madera o el acero. Son estructuras trianguladas las torres de alta tensión, las grúas, las plataformas petrolíferas, los estadios deportivos y algunos puentes.

ESTRUCTURAS COLGANTES: son estructuras colgantes las que están sustentadas por cables o tirantes sujetos a elementos de soporte resistentes.

Son estructuras de este tipo los puentes colgantes, las tiendas de campaña, las carpas de circo...

Los puentes colgantes tienen un tablero o base para el paso de vehículos que suele ser metálico y nos pilares de hormigón con cimientos muy profundos. Los tirantes sujetan el tablero apoyándose en los pilares y están firmemente amarrados desde la orilla. El puente está literalmente colgado de los cables. Si los cables se rompieran, el puente se hundiría. Esta técnica permite construir puentes más largos con menos piares intermedios de sujeción, lo que resulta de especial interés para atravesar ríos anchos, bahías, etc.

Puente Golden Gate (San Francisco, California)

ESTRUCTURAS LAMINARES: son estructuras constituidas por

láminas finas de metal, plástico o materiales compuestos que se emplean como carcasas en todo tipo de objetos y en cubiertas onduladas que envuelven y protegen. A pesar de su poco espesor ofrecen una gran resistencia debido a su curvatura.

Ejemplos: chasis del coche, carcasa del ordenador, de un teléfono móvil, etc.

2.

CARGAS Y ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS

Las estructuras se ven sometidas a fuerzas externas, tales como pesos de objetos situados sobre ellas, su propio peso, la fuerza del viento, del oleaje, etc. Así, la estructura de un edificio habrá de soportar el peso de todos los elementos del edificio (vigas, pilares, ladrillos...), el peso de las personas, los muebles, la fuerza del viento...

El peso de la calzada, la fuerza del viento y el peso de los coches actúan como cargas para la estructura del

puente.

La presión del agua embalsada supone una importante carga sobre la estructura de la presa. Las cargas que soportan las estructuras generan fuerzas internas en la propia estructura (tensiones), que tienden a deformarlas y/o romperlas.

Ejemplo: Imagínate que tu compañero te tira de un dedo de la mano. Tu mano sería la estructura, mientras que la fuerza externa(carga) 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. Si tu compañero hiciese mucha fuerza, el esfuerzo que sufrirías podría llegar a doblarte o romperte el dedo.

Dependiendo de la carga aplicada a la estructura, ésta debe soportar esfuerzos diferentes que pueden ser de los siguientes tipos: tracción, compresión, flexión, torsión y cortadura o cizalladura.

Tracción: una estructura o elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a estirarlo.

A estas fuerzas externas aplicadas sobre las estructuras se les denominan CARGAS.

Puente Vasco de Gama (Lisboa)

Compresión: una estructura o elemento está sometido a un esfuerzo de compresión cuando sobre el actúa fuerzas que tienden a reducir su longitud, es decir, a comprimirlo.

Flexión: un elemento o estructura está sometido a un esfuerzo de flexión cuando las fuerzas o las cargas tienden a doblarlo.

Torsión: un elemento está sometido a un esfuerzo de torsión cuando existen fuerzas sobre él que tienden a retorcerlo.

La mayoría de los ejes de máquinas están sometidos a torsión.

Cortadura o cizalladura: un elemento está sometido a un esfuerzo de cortadura o cizalladura cuando existen dos fuerzas iguales y de sentido contrario que actúan paralelamente muy próximas y, por ello, tienden a cortar el material. Es decir, tienden a desplazar una sección con respecto a otra.

Las herramientas de corte manual que funcionan por la acción de dos hojas de metal afilado: tijeras, guillotinas para papel, cizallas para metal, etc, someten al material que se corta a un esfuerzo de cizalladura que no puede soportar, por lo que se produce el corte.

3.

ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS

Como ya hemos visto, la misión que ha de cumplir cualquier estructura es la de soportar los esfuerzos a que se la somete, sin romperse ni deformarse exceso. Para ello existen una serie de elementos que forman para de la mayoría de las estructuras y que son los encargados de darle la suficiente resistencia.

Por ejemplo, observa cómo trabajan los distintos elementos de la estructura de una barra fija cuando una gimnasta se balancea sobre ella:

A continuación se explican una serie de elementos resistentes que se utilizan con frecuencia en estructuras:

Cimientos. Todas las estructuras necesitan apoyarse sobre una base resistente. Esta base la constituyen los cimientos, que suelen estar por debajo del nivel del suelo. Es el equivalente a las raíces de los árboles. La mayoría de los edificios se construyen sobre cimientos de hormigón para evitar que se hundan debido a su peso.

 Pilares. Son elementos estructurales con forma de barra, que se apoyan verticalmente y que tienen como función soportar el peso de otras partes

de la estructura como las vigas y transmitirla a la cimentación. Soportan esfuerzos de compresión. Cuando tienen sección circular se denominan columnas.

 Vigas. Son elementos estructurales con forma de barra que se colocan horizontalmente y se apoya sobre las columnas y los pilares. Soportan esfuerzos de flexión y son los elementos que soportan, por ejemplo, las diversas plantas de un edificio.

 Viguetas. Son elementos estructurales con forma de barra que se colocan horizontalmente y se apoyan sobre las vigas.

 Tirantes. Son cables de sustentación que ayudan a soportar los esfuerzos de tracción en otros componentes de una estructura, repartiendo el peso hacia los soportes o hacia el terreno donde van anclados. Pueden ser de acero, y sirven para aumentar la resistencia y la estabilidad de una estructura. Se utilizan como elemento estructural en las estructuras colgantes.

Puente de Rande sobre la ría de Vigo  Arco. Es un elemento con forma curva que sirve para cubrir el espacio entre dos pilares o muros.

y que soporta una parte de la estructura descargando el peso en los extremos.

 Bóveda. Es una sucesión de varios arcos que se apoya en muros, pilares o columnas.

 Cúpula. Es una bóveda de forma semiesférica que se utiliza como cubierta y ejerce el mismo empuje en todas las direcciones.

Bóveda de la Catedral de Santiago de Compostela Cúpula de la Basílica de San Pedro, el Vaticano  Contrafuertes. Tanto las bóvedas como las cúpulas son capaces de soportar fuertes esfuerzos

de compresión, por lo que permiten cubrir grandes espacios con materiales pétreos, como la piedra o el hormigón. El peso de los elementos recae sobre los muros laterales, por lo que es necesario reforzarlos con contrafuertes, que son unos piares que se colocan adosados a los muros para reforzarlos y aguantar su empuje.

4.

ESTRUCTURAS RESISTENTES, ESTABLES Y RÍGIDAS

Para que una estructura realice correctamente sus funciones ha de ser resistente (soportar las tensiones a las que se ve sometida sin romperse), estable (mantenerse en su posición original sin desmoronarse o caerse al verse sometida a esfuerzos...) y rígida (no se deforme ante los esfuerzos a los que se ve sometida).

La resistencia de una estructura depende de:

 El tipo de fuerzas y el punto donde éstas se apliquen.

 La forma de la estructura y los elementos que la componen, así como el tipo de material de que están hechos.

Entonces, ¿cómo podemos conseguir estructuras resistentes?  Aumentando su estabilidad.

 Aumentando su rigidez.

4.1.

Elementos para aumentar la estabilidad

La estabilidad es una condición fundamental de las estructuras, ya que, cuando una fuerza actúa sobre ellas, no deben caerse, ni volcar ni hundirse.

La estabilidad está relacionada con el centro de gravedad que es un punto imaginario donde estaría toda la masa del objeto si se pudiera comprimir. Cuando este punto se sitúa fuera de la base del objeto, entonces este se convierte en inestable y se vuelca.

Fíjate en estas figuras: la primera es estable y la segunda no.

La posición del centro de gravedad de la segunda fuera de la base hace que tienda a caer.

Existen varias formas de aumentar la estabilidad de una estructura, entre otras están las siguientes:

Ensanchando o aumentando la base (la superficie de apoyo) de la estructura.

Situando el centro de gravedad de la estructura en un punto bajo. Cuanto más abajo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura. De ese modo se concentra casi toda la masa de la estructura cerca de la base.

Realizando una buena cimentación de la estructura.

Sujetando la estructura con anclajes o tirantes.

 Aumentando la distancia entre apoyos.

4.2.

Elementos para aumentar la rigidez. Triangulación

Para proporcionar una mayor rigidez a una estructura podemos colocar en ella elementos resistentes, como barras diagonales, escuadras o tirantes.

Triangulación

Imagina una estructura formada por cuatro barras unidas entre sí por tornillos en sus extremos formando un cuadrado.

¿Qué ocurrirá al aplicar la fuerza indicada?

La estructura se deforma.

¿Qué ocurrirá si la estructura es un pentágono y aplicamos una fuerza sobre uno de sus vértices?

La estructura también se deforma

Lo mismo ocurre si creo estructuras más complejas basadas en estas formas sencillas.

Considera ahora una estructura con forma de triángulo. ¿Qué ocurrirá al aplicar la fuerza indicada?

La estructura no puede girar en torno a los tornillos, mantiene la forma.

Si partimos de una estructura inestable y le añadimos cuatro barras diagonales, conseguimos estabilizar el sistema y que la estructura sea rígida, tal y como se puede ver en la siguiente figura.

Escuadras o cartelas

Colocando cartelas o escuadras de unión se refuerzan y ensamblan los elementos de una estructura. Las escuadras son elementos triangulares de refuerzo que se colocan en los puntos de unión de las piezas de las estructuras y sirven para unir dos barras que forman un ángulo recto. Están sometidas a esfuerzos de compresión.

Perfiles

Otro de los recursos más utilizados a la hora de realizar estructuras son los perfiles, que consisten en barras de distintas secciones que se pueden utilizar como vigas o pilares en las estructuras entramadas o como barras en las estructuras trianguladas. Los perfiles son igual de resistentes que los elementos macizos, pero con la ventaja de que son más ligeros y más baratos porque se utiliza menos material en su fabricación.

Perfiles abiertos

Perfiles cerrados

La triangulación es una técnica de construcción para hacer rígidas algunas estructuras que no lo son, añadiendo barras para conseguir estructuras formadas por triángulos que serán indeformables.