1. ESTRUCTURAS
01. ESTRUCTURAS
02. TIPOS DE ESTRUCTURAS
03. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
RECURSOS
ACTIVIDADES
EVALUACIÓN
1. ESTRUCTURAS
Vamos a conocer las estructuras, implicándonos en sus tipos de cargas y de esfuerzos, las condiciones que deben cumplir y los tipos que hay.
1. 1. ¿QUÉ ES UNA ESTRUCTURA?
«Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí, con la misión de soportar las fuerzas que actúan sobre ellos.»
Fíjate en la imagen siguiente donde puedes ver algunos de los elementos de una estructura:
Las estructuras sirven para soportar diversos elementos, las podemos encontrar en nuestro día a día desde una silla hasta un edificio. Es por ello, que las estructuras están pensadas para soportar fuerzas y eso es lo siguiente que vamos a ver.
FUERZA
Es todo aquello capaz de deformar un cuerpo (efecto estático) o de modificar su estado de reposo o movimiento (efecto dinámico).
Las fuerzas que actúan directamente sobre una estructura tienen un nombre específico, cargas. El peso que soporta una estructura es también una fuerza.
TIPOS DE FUERZA
Fuerza estática
Fuerza dinámica
Las fuerzas se pueden representar mediante vectores, que son una herramienta matemática que se utiliza para describir la intensidad, dirección y punto de aplicación de una fuerza. Un vector se representa gráficamente mediante una flecha, donde la longitud de la flecha representa la intensidad de la fuerza, la dirección de la flecha indica la dirección de la fuerza y el principio de la flecha señala el punto de aplicación de la fuerza. Los vectores son muy útiles para analizar y entender la influencia de las fuerzas en las estructuras.
1. 2. TIPOS DE CARGAS EN LAS ESTRUCTURAS
Las cargas son las fuerzas que tienen que soportar las estructuras. Y como mencionamos anteriormente hay dos tipos:
CARGAS FIJAS
Las cargas fijas son aquellas que no varían sobre la estructura y tienen el mismo valor en todo momento. Algunos ejemplos de cargas fijas son el peso propio de la estructura y otros elementos que forman parte de la estructura y no se mueven, como los muros o el suelo. Las cargas fijas son importantes en el análisis y diseño de las estructuras, ya que son una carga constante que siempre actúa sobre la estructura.
CARGAS VARIABLES
Las cargas variables son las que pueden variar sobre la estructura con el paso del tiempo. Algunos ejemplos de cargas variables son los agentes externos como los fenómenos meteorológicos, como el viento, la lluvia y la nieve, así como otros factores como la temperatura o el uso de la estructura. Las cargas variables son importantes en el análisis y diseño de las estructuras, ya que pueden afectar a la estabilidad y resistencia de la estructura y deben tenerse en cuenta en el cálculo de las cargas que soportará la estructura.
ACTIVIDADES DE INVESTIGACIÓN
P1. En la figura anterior: ¿Qué cargas son fijas y variables?
P2. Investigación: ¿Puede caerse un puente por algún efecto relacionado con las propiedades de los materiales? ¿O alguna condición ambiental que pueda hacer que se caiga?
1. 3. ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS
Los esfuerzos son las fuerzas que experimentan internamente los elementos de una estructura cuando actúan fuerzas externas. Por tanto, estos elementos han de soportar los esfuerzos sin romperse ni deformarse para mantener la estructura.
Por ejemplo, cuando en nuestro cuerpo sujetamos algo encima de nuestra cabeza y los brazos sienten mucha presión, o nos estiramos mucho y sentimos esa tensión en los brazos, nuestro cuerpo tiene que soportarlo.
Las estructuras tienen que soportar estas tensiones internas, llamadas esfuerzos, cuando se someten a una fuerza externa. Aunque no se vean a simple vista están ahí, como los que soporta nuestro propio cuerpo.
Entre los esfuerzos nos vamos a encontrar diversos tipos de fuerzas que tienen que resistir, los más importantes son:
1. TRACCIÓN
Si sobre los extremos de un cuerpo actúan dos fuerzas opuestas que tienden a estirarlo, el cuerpo sufre tracción. Es el tipo de esfuerzo que soportan los tirantes y los tensores.
3. FLEXIÓN
Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a doblarlo, el cuerpo sufre flexión. Es el tipo de esfuerzo que soportan las vigas y las cerchas.
5. CORTADURA/CIZALLADURA
Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a cortarlo o desgarrarlo, el cuerpo sufre cortadura. Es el tipo de esfuerzo que sufre la zona del trampolín de piscina unida a la torre o la zona de unión entre una viga y un pilar.
2. COMPRESIÓN
Si sobre los extremos de un cuerpo actúan dos fuerzas opuestas que tienden a comprimirlo, el cuerpo sufre compresión. Es el tipo de esfuerzo que soportan los pilares y los cimientos.
4. TORSIÓN
Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a retorcerlo, el cuerpo sufre torsión. Es el tipo de esfuerzo que soporta una llave girando en una cerradura.
6. PANDEO
Es un tipo especial de compresión en el que la estructura es muy larga con relación a su anchura. Cuando la estructura se deforma disminuye su resistencia, porque su centro de gravedad se aleja del eje central. Ocurre por ejemplo, cuando doblamos una pajita comprimiéndola por sus extremos.
Un columpio es una estructura en la que se pueden observar como actúan todas las fuerzas en ella.
1. 4. CONDICIONES DE LAS ESTRUCTURAS
Todos los objetos, desde una simple lámpara hasta un complejo edificio, poseen una estructura, encargada de soportar el peso del objeto, soportar acciones externas, proteger y/o dar forma:
- Soportar su peso: La función principal de cualquier estructura es soportar su propio peso. Los pilares de un edificio deben ser capaces de sostener todo el peso del edificio.
- Resistir acciones externas: además existen estructuras que están diseñadas claramente para soportar acciones externas, como las presas o el aparejo de los barcos (mástil, velas, …).
- Proteger: son las estructuras diseñadas para la protección o cobertura otros elementos. Carcasas de monitores, teclados, chasis de un vehículo.
- Dar forma: por último, las estructuras sirven para proporcionar forma. Ratón (forma ergonómica), estructura de una tienda de campaña.
Para poder construir una estructura es necesario que cumple con estas condiciones. Las 4 siguientes son obligatorias en todas las estructuras.
RÍGIDA
La estructura debe ser rígida, es decir, que no se deforma en exceso cuando se somete a cargas. Para lograr esta rigidez, se puede utilizar una estructura triangular, ya que las formas triangulares son naturalmente rígidas y pueden resistir deformaciones en el marco de trabajo. También se pueden utilizar otros métodos, como reforzar las uniones o añadir elementos de refuerzo, para aumentar la rigidez de la estructura.
RESISTENCIA
La resistencia es una de las principales cualidades que debe tener una estructura. Esto significa que cada elemento de la estructura debe ser capaz de soportar el esfuerzo al que se verá sometido sin romperse o deformarse. El tamaño y la forma de cada elemento son factores clave para determinar su capacidad de resistencia. Por ejemplo, una viga de gran sección transversal será más resistente que una viga de sección transversal pequeña, ya que soportará mayores esfuerzos antes de deformarse o romperse.
ESTABLE
La estructura también debe ser estable, es decir, que no se vuelque o derrumbe cuando esté sometida a fuerzas externas. Esto se puede lograr diseñando la estructura de manera adecuada y asegurando que esté bien anclada al suelo y tenga una base sólida y amplia. También se pueden utilizar elementos de refuerzo y sistemas de anclaje para aumentar la estabilidad de la estructura.
LIGERA
Es importante que la estructura sea lo más ligera posible, ya que esto puede ayudar a reducir los costos de material y cargas fijas y hacer que la estructura sea más asequible. Una forma de lograr esto es utilizando elementos de forma adecuados, ya que algunas formas pueden ser más ligeras y resistentes al mismo tiempo. Los perfiles de las vigas son un ejemplo de esto, ya que la forma de la viga puede afectar su capacidad de carga y su peso. Algunos de los perfiles de vigas más comunes son el perfil I, el perfil H y el perfil U. Cada uno de estos perfiles tiene sus propias características y se utiliza para diferentes aplicaciones en función de las necesidades de la estructura.
ACTIVIDADES DE INVESTIGACIÓN
P3. Investigación: ¿Qué es el centro de gravedad? ¿Para qué se utiliza? ¿En qué está relacionado con las estructuras?