Una estructura la podemos definir como un conjunto de elementos simples dispuestos de forma que den rigidez y permitan soportar, sin romperse, las cargas o esfuerzos a las se ven sometidos.

El ser humano ha diseñado y utilizado desde tiempos remotos estos elementos para la realización de sus propias construcciones. Podemos encontrar en la naturaleza otros seres vivos que también realizan construcciones (abejas, hormigas, pájaros...) pero lo que diferencian unas estructuras de otras es la capacidad del ser humano para analizarlas, diseñarlas y dar solución a las distintas necesidades que se le presenten. 

Podemos hacer pues, una primera clasificación de las estructuras en: estructuras naturales y estructuras artificiales. A continuación se ponen algunos ejemplos de éstas:

 

Estructuras naturales: El esqueleto de un animal vertebrado se puede considerar como su estructura, capaz de dar rigidez y soporte a los distintos órganos y tejidos. En las aves los huesos son huecos lo que hace que sean ligeros y resistentes. En el caso de los animales invertebrados son las conchas o caracolas las que hacen de estructuras simples.

Estructuras artificiales: Hay numerosos ejemplo de estructuras artificiales entre las que podemos destacar las construcciones de edificios, estatuas, torres, etc., pero también las encontramos en vehículos de transporte, electrodomésticos, mobiliario ,etc.

1. Condiciones que debe de cumplir una estructura.

Las condiciones que debe de cumplir una buena estructura son las siguientes:

• ser resistente
• ser estable
• ser ligereza

 

se pueden tener en cuenta otros factores como el económico (utilización mínima de material) o el estético según la necesidad o finalidad a cubrir por la estructura.

2. Tipos de estructuras.

A grandes rasgos las estructuras artificiales las podemos dividirlas en:

 

Están formadas por perfiles o barras resistentes unidos entre sí, constituyendo el esqueleto de diferentes tipos de objetos. La estructura de los edificios, las sillas, las torres de la luz o los andamios son algunos ejemplos de armaduras. Por la importancia que tienen, tanto para la realización de proyectos escolares como reales, nos centraremos en esta unidad en su estudio.

Están constituidas por láminas o paneles resistentes que envuelven el objeto. La carcasa proporciona el lugar adecuado para proteger y mantener en su posición las diferentes piezas. Los walkman, el ordenador, la lavadora y diferentes tipos de contenedores tienen estas estructuras.

 

3. Concepto de acción y reacción. Cargas.

Se define a la acción como la fuerza o el conjunto de fuerzas que se ejercen sobre un cuerpo o elemento resistente. Toda acción lleva asociada otra fuerza en sentido contrario que se opone a ésta y trata de equilibrarla, a la que se denomina reacción. Este principio también es aplicable a las estructuras. Por ejemplo, cuando un pilar hace fuerza contra el suelo, éste hace otra fuerza igual pero en sentido contrario que impide que el pilar se hunda en el suelo.

El conjunto de fuerzas o acciones ejercidas sobre una estructura, se conoce genéricamente con el nombre de cargas. Podemos hacer una clasificación de éstas según su  naturaleza:

 

                        Peso propio (cargas debido al peso de los perfiles de las construcciones)

                                                                                         Estáticas   
Cargas                                       Según su movilidad
                                                                                         Dinámicas
Permanentes
Sobrecargas       Según su duración
Intermitentes
                                                                                                    Puntuales
Según el punto de aplicación
Distribuidas

4. Elementos de una estructura

 

Ya hemos comentado que una estructura esta formada por un conjunto de elementos simples que dependiendo de su geometría y la disposición dentro de la estructura tendrán unas características u otras.

Analizaremos a continuación algunos de estos de elementos:

Perfiles: Son todas aquellas formas comerciales en las que se suministran los aceros u otros materiales utilizados para la realización de estructuras. El nombre del perfil viene dado por la forma de la sección del mismo (I, U, T, L, etc).

Vigas: Son elementos resistentes, formados por uno o más perfiles destinados a soportar esfuerzos y cargas. Normalmente adoptan una posición horizontal. Junto con las viguetas forman la base del suelo de cada uno de los pisos de una construcción formando retículas de gran resistencia.

Pilares: Son elementos resistentes, formados por uno o más perfiles dispuestos en posición vertical, y que normalmente soportan las vigas, cerchas u otros elementos apoyados sobre él, transmitiendo las cargas a las zapatas de cimentación. Junto con las vigas forman estructura entramadas de gran resistencia y con grandes espacios vacíos por lo que se utilizan para la construcción de edificios.

Los pilares suelen ser más gruesos en las partes bajas de las construcciones ya que es donde deben de soportar mayores cargas. A medida que la construcción aumenta en altura los pilares van siendo más delgados.

 

Tirantes: Son elemento simples de las estructuras que suelen trabajar a esfuerzos de tracción. Un ejemplo típico es las tijeras de los andamios.

Tensores: Tienen una misión similar a los tirantes pero a diferencia de éstos, los tensores están realizados por cables, que mediante unos estribos se pueden tensar. Ejemplos los tenemos en los vientos de las antenas de telecomunicación, o los de una tienda de campaña.

 

5. Formas de aumentar la estabilidad en las estructuras.

 

Podemos definir el centro de gravedad de un objeto como el punto de aplicación del peso de éste. Siempre será el mismo sea cual sea su posición. Saber dónde está situado en una estructura es muy importante porque hará que la estructura sea estable o inestable.

Cuanto más cerca del suelo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura. Un ejemplo lo tenemos en los automóviles deportivos y de formula 1 que en sus diseños se hacen muy bajos prácticamente tocando el suelo para conferirles mayores estabilidades. Otro ejemplo lo podemos encontrar en las pirámides, construcciones de enorme estabilidad ya que su centro de gravedad esta situado a poca altura de su base.

Si nos fijamos en las torres anteriores las dos tiene el centro de gravedad a la misma altura pero la línea de acción del centro de gravedad de la primera de ellas cae dentro de la base de la torre siendo estable. Si la torre continua inclinándose, llegaría un momento en que la línea de acción del centro de gravedad saldría de la base y sería inestable y por tanto caería. Un ejemplo parecido es lo que ocurre con la torre de Pisa.

Es pues necesario para diseñar estructuras tener localizado el centro de gravedad, ya que nos determinará si es una estructura estable (los ejes de simetría nos ayudaran a localizar el centro de gravedad).

No obstante en muchas ocasiones no es posible variar la forma de la estructura por razones funcionales, estéticas, etc. por lo que se hace necesario métodos para evitar que la estructura caiga al suelo. Los más utilizados son:

 

 

 

6. Esfuerzos en las estructuras.

No todos los materiales soportan de la misma forma los distintos esfuerzos  a los que se encuentran sometidos. Pongamos por ejemplo una tiza de pizarra. Si intentamos romperla  utilizando las dos manos y flexionarla no nos costará casi esfuerzo partirla. Ahora bien, si lo intentamos comprimiéndola, por ejemplo contra la mesa, comprobaremos que tendremos que hacer mucha más fuerza para romperla. Este es un ejemplo de cómo los materiales soportan mejor un tipo de esfuerzos que otros. Por lo tanto es muy importante antes de diseñar una estructura saber identificar los esfuerzos que se producen con el fin de poder elegir el material y dimensiones más adecuados para los elementos resistentes.

La parte de la mecánica que estudia las dimensiones que han de tener los perfiles para que resistan las diferentes cargas y esfuerzos se denomina resistencia de materiales.

A continuación estudiaremos los principales esfuerzos que intervienen en una estructura:

 

Tracción: Se presenta cuando las cargas que actúan sobre una pieza tienden a estirarla, cimo ocurre en los cables de un puente colgante, una goma, etc.

En este caso las fuerzas que actúan son iguales y de sentido contrario. Las caras perpendiculares de un cuerpo tienden a separarse y las paralelas a juntarse.

Compresión: La soportan aquellos elementos que tienden a ser aplastados como por ejemplo, las zapatas de las construcciones.

En este caso las fuerzas que actúan son iguales y en el mismo sentido. Las caras perpendiculares del cuerpo tienen a juntarse mientras que la paralelas a separarse, lo que produce un acortamiento en su longitud.

Cortadura o Cizalladura: Tiene lugar cuando las cargas que actúan sobre un elemento tienden a rasgarlo o cortarlo.

El cuerpo esta sometido a dos fuerzas iguales, en sentido contrario, en planos paralelos y con muy poca separación. El sólido tiende a desunirse por desgarramiento en la separación de los planos en donde actúa la fuerza. Ejemplo típico es el caso de las tijeras, en el punto de apoyo de una viga o en uniones con tornillos y remaches.

 

Flexión: Es un esfuerzo que se produce cuando los pesos o las cargas que actúan sobre una pieza tienden a doblarla.

En este caso actúan dos fuerzas iguales paralelas y otra en sentido contrario en medio de las dos anteriores igual a la suma de éstas. Cuando se somete una barra a flexión se producen en ella los dos esfuerzos anteriores de tracción y compresión.(También se producen esfuerzos de cortadura).

Un ejemplo típico lo tenemos en una pasarela o tablón, en el cual vemos que la mitad superior se comprime, mientras que la inferior se tracciona, quedan en el centro una fibra que no sufre alteración, denominada fibra neutra.

 

Torsión: Un elemento está sometido a este esfuerzo si las cargas producen un retorcimiento del mismo.

Actúan dos pares de fuerzas contrarias en sentido opuesto, es decir, que normalmente sus secciones tienden a tomar un movimiento de rotación unas en contrario de las otras.  Un  ejemplo lo tenemos cuando un gimnasta gira alrededor de una barra fija, el rozamiento de sus manos con la barra torsiona ligeramente a ésta, también un tornillo cuando se aprieta con una llave.

Pandeo o combadura: Es cuando se somete a compresión un elemento de longitud muy grande y de sección transversal pequeña. El estudio del paneo es especialmente importante de el caso de los pilares.

Un ejemplo lo podremos observar fácilmente cuando comprimimos un palo delgado, éste se flexiona y se deforma, por lo que si seguimos aplicando esta fuerza se rompe.

 

7. Identificación de esfuerzos en una estructura.

Ya hemos comentado que en una estructura no solo se dan un tipo de esfuerzo aislado sino que aparecen generalmente los esfuerzos anteriormente indicados de forma conjunta. En este apartado estudiaremos la forma de identificar los elementos que están sometidos a esfuerzos de tracción o a flexión. Para ello vamos a imaginar que las uniones entre los elementos resistentes son uniones articuladas en vez de uniones rígidas. Pongamos como ejemplo el siguiente puente:

 

El método para averiguar el tipo de esfuerzo que se encuentra sometido el elemento resistente 1 es sustituirlo mentalmente por un goma elástica. Si esta goma queda tensada y la estructura no se rompe podremos asegurar que el elemento esta sometido a un esfuerzo de tracción. Si por el contrario la goma no se estira y la estructura se derrumba este elemento estará sometido a un esfuerzo de compresión, tal y como ilustran las figuras.

 

 

  

 

 

 

8. Aumento de la resistencia en estructuras.

El triángulo es el único polígono que no se deforma. Por este motivo, se puede evitar la deformación de los polígonos articulados colocando barras diagonales que delimitan triángulos. Este procedimiento se llama triangularización y se puede ver en las figuras siguientes:

Para comprender todo esto mejor estudiaremos los esfuerzos que se producen en los triángulos. Para ello nos imaginaremos una triángulo realizado dos tres amortiguadores de forma que sus lados no sean rígidos sino extensibles. Si actúa una carga en el vértice superior producirá una compresión en las barras inclinadas y un estiramiento (tracción) en la barra horizontal.

Como los elementos estructurales soportan generalmente bien los esfuerzos de compresión y de tracción y peor los esfuerzos de flexión en el diseños de nuestras estructuras intentaremos en la medida que sea posible la realización de triángulos en el entramado de ésta.

Con este tipo de estructuras se cubren grandes distancias, a la vez que se aliga el peso de la construcción.

9. Formas de reducir la flecha en una deformación por flexión.

Como hemos visto en elementos sometidos a esfuerzos de flexión se produce una deformación que aunque no rompa el elementos resistente si que puede ser tan grande que impida su utilización con seguridad. A esta deformación máxima, que normalmente se produce en medio de los apoyos, se le denomina flecha.

La flecha está normalizada en las construcciones y no puede sobrepasar de unos limites, generalmente ha de ser menor de 1/200 de la luz (distancia entre apoyos).

Existen diferentes métodos para reducir la flecha en un elemento flexión, los más usados son:

 

Aumentar el canto: Generalmente la vigas tienen perfiles rectangulares y su disposición en la estructura es colocada de forma que la dimensión más grande del perfil se encuentre en posición vertical. Esto hace que el elemento se deforme menos y por tanto reduzca la flecha.

A veces es imposible aumentar más el canto ya que este aumento comportaría un uso excesivo de material y de peso. Una solución es la sustitución de las vigas por elementos rectangulares triangularizados. En otras ocasiones cuando se han de cubrir grandes luces se utilizan cerchas (vigas formadas por un entramado de perfiles simples o compuestos, agrupados geométricamente formando triángulos).

 

9)   ¿Qué pasaría si se rompiesen los tirantes de una barra fija?

 

10) Localiza y representa en tu localidad tres ejemplos de construcciones para cada una de las estructuras siguientes: trianguladas, entramadas, con cables y tirantes. Dibújalas y haz un esquema de sus elementos estructurales.

 

     

ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN

 

 

2) Buscar información y localizad las estructuras más significativas que posea vuestra ciudad o comarca y realizad un trabajo de investigación sobre las mismas. Indicad en cada una de ellas para qué se utilizan, las partes de que constan, los esfuerzos que soportan, el material del que están hechas, la fecha de construcción y cuantos datos podáis aportar y contribuyan a la mejora del trabajo.

3)   Localiza una obra de construcción en la que se esté realizando la estructura. Observa, desde una distancia prudencial, cómo se construyen los pilares y las vigas, anota las operaciones y dibuja los detalles constructivos de mayor interés.

4)   Observa cómo se monta un andamio. Anota en tu cuaderno el proceso seguido, así como la forma del andamio, el tipo de piezas que emplea y el modo en que éstas se unen entre sí.

5)   Identifica los esfuerzos que se producen en las diferentes partes de una bicicleta. Dibújala con todos sus detalles.

 

 

 

PROYECTOS DE AMPLIACIÓN

 

1)   Construcción de la estructura metálica de una pequeña nave industrial.

Se trata de construir a escala una maqueta de una nave industrial. Deberás construir los perfiles de la estructura partiendo de latas como las que tienes en casa. Construye las zapatas, los pilares, la armadura, las vigas principales (cerchas) y la cubierta. Las uniones de las distintas partes de la estructura deberás hacerlas con soldadura de estaño.

 

2)   Construcción de la estructura de planta de una casa

Construir con hormigón armado una maqueta de la estructura de una casa. La finalidad será la de conocer todo lo referente a la construcción de este tipo de estructuras. Construir las base, los cimientos, los pilares, las vigas, las bovedillas y por último el suelo del primer piso.

Para realizar el encofrado puedes utilizar cartulina forrada de papel de aluminio o el cartón de una paqueta de tetrabick.

 

3)   Unión de una farola al suelo mediante una zapata.

Construir una maqueta que sirva para conocer el proceso de trabajo que resulta necesario para unir una farola al suelo. Utilizando como medio de unión una zapata de hormigón y tornillos.

4)   Reproducción de una estructura metálica.

Construcción de una maqueta de una estructura metálica o de parte de ella. La elección de la maqueta será libre, pero será necesario tener en cuenta su viabilidad (ejemplos: una torre de la red eléctrica, parque infantil, los palos de sujeción de una catenaria, puente, grúa, torre de sujeción de un telesférico, etc).

EXPERIENCIA I

 

Coge tres folios y pliégalos para conseguir figuras diferentes. Comprueba cuál de ellas soporta más peso.

 

 

 

 

Anota aquí tus conclusiones:

EXPERIENCIA II

¿Una hoja de cartulina puede soportar el peso de un libro?

Haz dos columnas con libros y coloca una hoja de cartulina sobre estos. Pon encima de la cartulina otro libro. ¿Qué sucede?.

 

 

Lo más probable es que el libro caiga ya que la cartulina no es capaz de soportar el peso del libro.

Si ahora doblamos la cartulina el peso del libro pequeño no la deformará y aguantará su peso.

 

Si ahora formamos una pieza cerrada pegando otra cartulina en la base, aún podrá soportar mayor peso.

 

Relacionar esta experiencia con las estructuras triangulares y con el caso de los cartones ondulados. Apunta aquí tus conclusiones.

EXPERIENCIA III

 

Coloca un listón de perfil rectangular, largo y delgado, sobre dos mesas. Sitúa en medio del listón un peso considerable, por ejemplo una botella de plástico llena de agua y observa lo que sucede.

 

 

Ahora clava en medio del listón un trozo de madera y coloca un hilo resistente tal y como nuestra la figura.

 

 

Repite la experiencia con este listón modificado. ¿ Qué sucede ahora?

¿A que esfuerzo están sometidos los hilos que hemos colocado?

Relaciona la experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en una deformación por flexión. Anota tus conclusiones aquí.

 

EXPERIENCIA IV

 

Intenta romper una palito de refresco de dos maneras diferentes.

¿En que caso nos costara más esfuerzo?

Ahora doblamos tres hojas de cartulina. Una por la mitad ,figura A, y las otras dos tal y como se indica en la figura B.

 

Apoyar las tres piezas y colocar pequeños pesos sobre cada una de ellas hasta que se caigan.

¿Cuál es la que más resiste? ¿Cuántas veces más?

Relaciona esta experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en una deformación por flexión.