Tipos de esfuerzos

Una estructura tiene que soportar su propio peso, el de las cargas que sujetan y también fuerzas exteriores como el viento, las olas, etc.

Por eso, cada elemento de una estructura tiene que resistir diversos tipos de esfuerzos de diferente tipo e intensidad sin deformarse ni romperse. Los tipos de esfuerzos más importantes que soportan son:

1.- Tracción:  Aparece cuando las fuerzas que actúan tienden a estirar el objeto.

Las dos fuerzas actúan en la misma dirección, pero en sentidos opuestos.

Es el tipo de esfuerzo que soportan los tirantes y los tensores.

2.- Compresión: Se produce cuando las fuerzas que actúan sobre el objeto hacen que se aplaste.

Las dos fuerzas actúan en la misma dirección, pero diferente sentido.

Es el tipo de esfuerzo que soportan los pilares y los cimientos.

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.

Esto ocurre cuando un objeto está apoyado en sus extremos y tiene un peso encima, como puedes ver en la imagen.

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.

5.- Cortadura o 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 vigas.

6.- Pandeo: Es un tipo especial de compresión en el que la estructura es muy larga en relación a su anchura. Al deformarse la estructura su centro de gravedad se aleja del eje central, aumentando el momento de la fuerza y disminuyendo su resistencia. Ej. Cuando doblamos una pajita comprendiéndola por sus extremos

 

Los esfuerzos en las estructuras

Todos los objetos del Universo están sometidos a la acción de fuerzas.

Definimos:

Fuerza como toda causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo o de deformarlo.

Cuando hablamos de CARGA en el sentido de un peso o una masa que genera un esfuerzo sobre algún otro objeto. Las cargas producen unas tensiones internas en los materiales de las estructuras que se llaman esfuerzos. Las cargas a las que vamos a hacer referencia también son fuerzas.

Los esfuerzos se clasifican según su duración en:

• Estáticos: Son aquellos esfuerzos cuya carga afecta siempre a la estructura de la misma forma. Siempre están presentes y la estructura tendrá que soportarlos en todo momento.

Por ejemplo: el peso de un edificio, del cuerpo o de un tronco.

• Dinámicos:  Son esfuerzos cuyas cargas pueden variar tanto en dirección como en sentido e intensidad. Pueden  aparecer  o  desaparecer  en  función  de  las condiciones externas a la estructura.

Por ejemplo: la acción del viento, nieve.

Las estructuras suelen experimentar esfuerzos de ambos tipos, simultáneamente.

Estructuras

Se puede decir que una estructura es un conjunto de elementos de un cuerpo destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre él a la vez que da la forma o lo protege.

Una estructura debe ser capaz de soportar no solo su propio peso, sino también a las fuerzas externas, llamadas cargas, que actúan sobre el cuerpo. En el caso del puente, el propio peso es el peso de los elementos que lo componen y el variable son los vehículos que circulan por el mismo. Hay veces que aparecen fuerzas repentinas como vientos o movimientos de tierra. Un buen arquitecto tiene que tener en cuenta estos factores a la hora de su diseño.

Esto es importante, porque ¿de qué nos vale hacer un rascacielos si al llegar un golpe de aire , se nos cae?

Ejemplos de estructuras son, un edificio, una silla, un puente, las torres de electricidad e incluso el caparazón de la tortuga.

Función

Impiden que las fuerza que actúan sobre los cuerpos lleguen a deformarlos en exceso o incluso romperlos.

Vemos que en una estructura van a ser tan importantes los elementos que la componen como su disposición (ubicación, colocación) y el orden en el que se encuentran.

Podemos hablar de la estructura de casi todas las cosas.

Clasificación de las estructuras

De acuerdo con su procedencia, existen dos tipos de estructuras: naturales y artificiales. El caparazón de un caracol, un árbol o el esqueleto humano son dos ejemplos de estructuras porque surgen de la naturaleza sin la intervención de hombre.

Conchas de mar

Pita

En cambio, las estructuras artificiales han sido construidas por el ser humano para satisfacer una necesidad, cómo los puentes, edificios, sillas, etc...

Plaza Mayor (El Ejido)

Discoteca Pirámide (Almerimar)

Invernadero de palos

Invernadero de tubos

Sin embargo en función de su versatilidad, también se pueden clasificar en estructuras permanentes o desmontables.

Estructura permanente, Edificio

Estructura desmontable, Cinta transportadora

En este tema vamos a centrarnos en las estructuras que tienen como principal objetivo resistir las fuerzas físicas a las que van a estar sometidas.

Como nuestro rival en esta “lucha” son las fuerzas físicas, lo primero que tenemos que hacer es conocerlas bien para saber cómo podremos conseguir que nuestras estructuras sean capaces de resistirlas.

Estructuras estéreas

Las estructuras estéreas, también conocidas como mallas espaciales. Se caracterizan porque transmiten las cargas aplicadas en dos direcciones, por lo que sus elementos están sometidos a esfuerzos de tracción y compresión. Se la denomina también malla espacial.

Muchos de sus elementos forman triángulos.

Construcción de una estructura estérea

Estructura estérea

Material y herramientas

Papel  (folios ya usados), pegamento termofusible, pistola de pegamento, tijeras y cutter.

1.- Construimos las barritas enrollando papel y cortamos piezas de igual tamaño, en nuestro caso 15 cm.
2.- Colocamos las barras formando cuadrados y fijamos los vértices con pegamento termofusible.
3.- Construimos pirámides que parten de los vértices.
4.- Unimos los vértices de las pirámides.
Seguimos colocando otra cuadrícula y repetimos el proceso.

El resultado es una estructura de gran rigidez y resistencia.

Estructura estérea

En la estructura del ejemplo se ha usado además, una base de cartón, (un material más resistente que el papel), y las barras circulares miden todas lo mismo, 15 cm.

Prueba de resistencia

Construcción de una estructura con barras de papel

Vamos a realizar estructuras resistentes a partir de materiales que en un principio nos pueden parecer que no lo son (como por ejemplo el papel).

Propuesta de trabajo

Diseñar y construir una estructura que soporte una carga importante (el peso de una persona), a partir de un material como el papel reciclado.

Solución adoptada

Las estructuras de papel se construyen convirtiendo hojas de papel normal en barras resistentes:

Material necesario

Papel reciclado (periódico, revistas,etc..), pegamento termofusible, tijeras, cuter, palitos de los dientes.

Construimos las barritas enrollando papel (se enrolla cada hoja partiendo de sus esquinas).

Fabricación de barritas de papel

Se fija el extremo final con cola blanca.

Fabricación de barritas de papel

Se cortan los extremos, ya que éstos son más débiles, cortamos piezas de igual tamaño.

Barritas de papel

 A veces, al unir las barras, habrá que cortar previamente a bisel los extremos para que encajen.

Barrita de papel biselada

 En otras ocasiones, será conveniente aplastar primero los extremos para que queden planos antes de hacer la unión.

Se pueden fijar las uniones con pegamento termofusible.

Barritas de papel pegadas

Enrollando el papel en forma de tubos hemos conseguido aumentar la resistencia.

Cubo fabricado con barritas de papel

 ¿Qué forma le daréis a vuestra estructura para conseguir que sea rígida? Ya hemos visto en clase que el triángulo es el único polígono indeformable. Por lo tanto, utilizaremos la triangulación de las barras para conseguir una estructura indeformable.

Leer mas... Estructuras rígidas 

Cubo fabricado con barritas de papel, triangulación

Realizamos una prueba de resistencia de la estructura fabricada..

Estructura de papel

Estructura de papel

y como se preveía la estructura ha resistido sin deformarse.



Una vez comprobado que las estructuras de papel son resistentes, vamos a construir diferentes estructuras utilizando la técnica anteriormente descrita.

Puente con barras de papel

Puente con barras de papel

Puente levadizo

Puente atirantado

Puente atirantado

 

Grúa con motor y automatizada con Arduino

Fabricación de una estructura estérea

Estructuras rígidas y articuladas

Si se construye un triángulo con tres palos de helados agujereados en sus extremos, uniendo sus extremos con encuadernadores, se puede observar que, al aplicar una fuerza en cualquiera de sus vértices, la estructura no se deforma. El triángulo es por tanto una estructura rígida.

Una estructura rígida es aquella que, al someterla a diferentes esfuerzos, no se puede deformar sin que se produzca la rotura de sus elementos.

Si se construye del mismo modo un cuadrilátero con cuatro palos de helados y se aplica una fuerza en alguno de sus vértices, se consigue deformar la estructura. El cuadrilátero es una estructura que se puede articular por sus vértices..

La unión de cuatro barras formando un cuadrilátero constituye una estructura articulada.

 Si se aplican fuerzas en los vértices de un cuadrilátero, la estructura se deforma.

Una estructura articulada es la que se deforma por medio del desplazamiento de sus elementos al aplicarle una fuerza..

Para hacer que la estructura del cuadrilátero se convierta en una estructura rígida, basta con unir los vértices correspondientes a los extremos de una de sus diagonales con una quinta barra..

Si se añade una barra diagonal, el cuadrilátero se transforma en una estructura rígida.

 Si se observa atentamente la construcción del cuadrilátero, resulta sencillo darse cuenta de que al colocar el tirante en la diagonal del mismo lo que se ha conseguido es transformarlo en dos triángulos que tienen un lado común, el que forma su diagonal. 

La estructura de polígonos de más de cuatro lados son estructuras articuladas que se pueden convertir en estructuras rígidas colocando barras en las diagonales que unen sus vértices o escuadras en sus vértices.

Estructura articulada

Conversión de un pentágono en una estructura rígida.

Las estructuras de triángulos proporcionan gran rigidez a grandes estructuras como los puentes, las grúas y o las torres metálicas.

Puente de hierro,Soria

Fase de construcción del puente de Huarea (Albuñol)

Torre metálica

Las grandes grúas empleadas en la construcción son ejemplos de la utilización de estructuras trianguladas, que además de proporcionarles la rigidez necesaria hacen que sean mucho más ligeras.

De manera similar, para conseguir mayor rigidez en,por ejemplo, muebles o estanterías metálicas desmontable, se emplean escuadras planas que forman triángulos en los ángulos de unión de sus elementos.