Tecnología 2º ESO Tema 5.- Estructuras

Actualizado el lunes 30 de marzo de 2020

ÍNDICE TEMA 5.- ESTRUCTURAS

1.- Introducción. 

   1.1.- Definición de estructura

   1.2.-Materiales y estructuras.

   1.3.-Funciones de una estructura

   1.4.-Clasificación de las estructuras

2.- Cargas y Tipos de esfuerzos

   2.1.- Tracción

   2.2.- Compresión

   2.3.- Flexión

   2.4.- Torsión

   2.5.- Cizalla o cortadura

3.- Propiedades básicas de las estructuras

   3.1.- Resistencia

   3.2.- Rigidez

   3.3.- Estabilidad

   3.4.- Centro de gravedad

4.- Elementos de una estructura

   4.1.- Cimientos

   4.2.- Cimentación

   4.3.- Pilares

   4.4.- Columnas

   4.5.- Vigas

   4.6.- Viguetas

   4.7.- Zapatas

   4.8.- Dintel

   4.9.- Tirantes

   4.10.- Arco

   4.11.- Bóveda

   4.12.- Cúpula

   4.13.- Contrafuerte

   4.14.- Arco arbotante

   4.15.- Perfiles

5.- Tipos de estructuras artificiales

   5.1.- Estructuras masivas y adinteladas

   5.2.- Estructuras abovedadas

   5.3.- Estructuras entramadas

   5.4.- Estructuras trianguladas

   5.5.- Estructuras colgantes

   5.6.- Estructuras laminares

6.- Ejercicios y actividades

1.- INTRODUCCIÓN

     Una de las ramas de la Ingeniería más apasionantes es el cálculo de estructuras. Calcular la resistencia máxima de una estructura utilizando la menor cantidad de material es un reto. Los puentes con estructura triangulada es un ejemplo de ello.

1.1.- Definición de estructura

Definición de fuerza: Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de movimiento o reposo.
Definición de estructura: Una estructura es el conjunto de elementos unidos entre sí, capaces de soportar fuerzas externas y transmitirlas a los puntos de apoyo, que permiten, mantener su tamaño y forma (sin deformarse en exceso) y cuyo fin es ser resistente y estable.
   Esas fuerzas externas que actúan sobre una estructura se llaman "cargas". Las cargas pueden ser:
- El peso propio de la estructura
- El peso de los elementos que se colocan sobre ella (ladrillos, tejas, baldosas, muebles, etc.)
- La fuerza del viento que empuja a la estructura desde diferentes ángulos.
- El peso de la nieve que se acumula en los tejados y en las cubiertas, etc.

1.2.-Materiales y estructuras.

    Los materiales tienen una importancia fundamental en las estructuras. Cada material tiene sus propias características y propiedades como dureza, resistencia mecánica, peso propio, etc., que los hacen apropiados para unos usos determinados. Según sea la función de la estructura, se debe buscar un equilibrio entre los materiales utilizados y el coste. Las estructuras deben ser lo más ligeras posible y al mismo tiempo muy resistentes. Los principales materiales que se usan en las estructuras son:

- Hormigón armado: para edificios, viviendas, infraestructuras, puertos, aeropuertos, etc.

- Acero: sobre todo para edificios industriales, naves, polideportivos, torres de alta tensión, torres de comunicaciones,  vías ferreas, puentes, aparcamientos, etc.

- Madera: se utiliza en viviendas, construcciones sencillas, invernaderos, buhardillas, cubiertas, etc.

- Plásticos: debido a su baja resistencia mecánica, mal comportamiento frente al calor y al fuego, los plásticos solo se usan en pequeñas estructuras como carcasas, soportes, recubrimientos, etc.

- Materiales cerámicos: los materiales cerámicos como ladrillos, tejas, bovedillas, se suelen utiliar en combinación con los anteriores, y se usan principalmente en fachadas, muros, tabiques, cubiertas, forjados, etc. Casi nunca se utilizan como elementos resistentes como pilares y vigas, ya que otros cumplen mejor esa función, aunque a veces se realizan pilares de ladrillos y otros elementos decorativos.

- Piedra: las estructuras con piedras se han utilizado con frecuencia en la antiguedad para grandres construcciones, como estructuras megalíticas, acueductos, vías de comunicación, puentes, pirámides, murallas, templos, anfiteatros, etc. Hoy día se han sustituido por el hormigón armado principalmente, ya que tiene mejores propiedades.

1.3.-Funciones de una estructura

Por consiguiente, 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). (Ej: los pilares de un puente, la estructura de un edificio...)
Resistir fuerzas externas: (Ej: 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 de ser capaces de soportar pesos y resistir fuerzas sin llegar a deformarse (Ej: los tirantes de un puente....).
Servir de protección: (el chasis de un automóvil protege a los pasajeros, la carcasa de un móvil protege los elementos electrónicos de su interior....).

1.4.-Clasificación de las estructuras

Las estructuras suelen clasificarse atendiendo a su origen en:

Estructuras naturales: tanto de origen animal (nidos de aves, presas de los castores, colonias de corales, colmenas y avisperos, túneles de los topos, ratones, huevos de aves, 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... Estudiaremos éstas en un apartado posterior, ya que antes deberemos conocer algunos elementos arquitectónicos que nos faciliten su estudio.





2.-CARGAS Y TIPOS DE ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS

Las fuerzas externas que actúan sobre una estructura se denominan cargas.
Las cargas que soportan las estructuras generan fuerzas internas en la propia estructura (tensiones), que tienden a deformarlas y/o romperlas. A estas fuerzas internas deformantes producidas por las cargas se las llaman esfuerzos.
Se denomina esfuerzo a la tensión interna que experimentan todos los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas.
Los tipos de esfuerzo más importantes, vistos en el tema de los materiales son: tracción, compresión, flexión, torsión, y cizalla. Vamos a repasarlos:

-TRACCIÓN: Para la mecánica y la ingeniería, la tracción es el esfuerzo al que se somete un objeto cuando hay dos fuerzas que resultan opuestas y tienden, a partir de su aplicación, a alargarlo o estirarlo. Dicho esfuerzo entra en el grupo de los internos o de sección, una magnitud física que se usa para calcular piezas prismáticas (como ser pilares y vigas), láminas y placas.


-COMPRESIÓN: es el esfuerzo al que se somete a una pieza u objeto mediante dos fuerzas opuestas y de sentidos contrario, que tienden a aplastarlo o comprimirlo. El resultado de la deformación que se produce en la pieza es un acortamiento de su longitud y un aumento de la sección, sobre todo en el centro de la pieza.


- FLEXIÓN: la flexión se produce cuando tenemos una pieza prismática, apoyada en sus dos extremos, y se la somete a una fuerza situada en el centro de la pieza y perpendicular al eje principal de la pieza. El efecto o deformación que se produce es que la pieza tiende a doblarse o curvarse, principalmente en la zona donde se aplica la fuerza. Las secciones de la pieza se mantienen pero experimentan un giro.

- TORSIÓN: la torsión se produce cuando sobre los extremos de un objeto se aplican dos fuerza de giro con sentidos opuestos que tienden a retorcer sobre su eje principal a la pieza u objeto. El efecto o deformación que se produce es la deformación de las diferentes secciones de la pieza que giran sobre sí mismas, también se produce un acortamiento de la pieza en su longitud y una variación de las secciones, disminuyendo en unas zonas y aumentando en otras zonas de la pieza.

- CIZALLA O CORTADURA: se produce cuando sobre la pieza se aplican sobre la misma sección, dos fuerzas iguales y de sentido contrario, que tienden a cortar o separar dos secciones de la pieza que estaban unidas.



3.-PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS ESTRUCTURAS

Para que una estructura realice correctamente sus funciones ha de ser:

- Resistente (soportar las tensiones a las que se ve sometida sin romperse). La resistencia de la estructura depende de la forma de dicha estructura, del tipo (acero, hormigón, madera, papel...) y de la cantidad de material.

- Estable (mantenerse en su posición original sin desmoronarse o caerse al verse sometida a esfuerzos.....). La estabilidad está relacionada claramente con el centro de gravedad (o punto en el que podemos representar todo el peso del objeto).

- Rígida (no se deforme ante los esfuerzos a los que se ve sometida). La forma de una estructura está íntimamente relacionada con la rigidez. Así cuanto más canto tenga una viga mayor será su rigidez. Para aumentar la rigidez de la estructura se puede recurrir a una técnica denominada triangulación.

4.-ELEMENTOS DE UNA ESTRUCTURA

Existen una serie de elementos que forman parte de la mayoría de las estructuras y que son los encargados de darle la suficiente resistencia. Los principales son:

4.1.- Cimientos: es el elemento encargado de soportar y repartir en el suelo todo el peso de la estructura, impidiendo que ésta sufra movimientos importantes.

4.2.-Cimentación: es el conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación al suelo.


4.3.-Pilares: es un elemento estructural en forma de barra que se apoya verticalmente, cuya función es la de soportar el peso de otras partes de la estructura y transmitirla a la cimentación. Los pilares, a diferencia de la columna, tienen sección poligonal (cuadrada, rectangular…).

4.4.-Columnas: Pilar de sección ,mas o menos circular.

4.5.- Vigas: elemento estructural en forma de barra que se coloca generalmente de forma horizontal y se apoya sobre pilares o columnas. Sirve para formar la base de suelos, forjados, techos, cubiertas, etc.

Una viga es un elemento de una estructura diseñada para soportar fuerzas. Para soportar estas fuerzas la viga debe estar en equilibrio, es decir que no se rompa por las fuerzas y que no se mueva o gire (momentos).

4.6.- Vigueta: elemento estructural en forma de barra, que se coloca horizontalmente y se apoya sobre las vigas. La diferencia con las vigas es que las vigas se apoyan en pilares o columnas y las viguetas suelen ser más pequeñas y se apoyan sobre las vigas. Sirven para rellenar los huecos de un forjado (suelo o techo) y permitir la colo cación de las bovedillas.

 

4.7.- Zapatas: es un tipo de cimentación superficial (normalmente aislada), que puede ser empleada en terrenos razonablemente homogéneos y de resistencias a comprensiones medias o altas. Consisten en un ancho prisma de hormigón (concreto) situado bajo los pilares de la estructura. Su función es transmitir al terreno las tensiones a que está sometida el resto de la estructura y anclarla.


4.8.- Dintel: se denomina dintel al elemento horizontal que se encuentra en la parte superior de las ventanas, las puertas y otras aberturas, que se apoya sobre otros elementos como pilares, muros o tabiques, cuya función es resistir las cargas de los elementos que se van a situar encima de ellos. Los extremos del dintel se apoyan sobre las jambas, que son las piezas verticales ubicadas a los lados de la ventana o la puerta.



4.9.- Tirantes: elemento constructivo, generalmente cables de acero, que funcionan a tracción y compresión, y forman parte de una estructura con elementos diferentes. También, pieza horizontal de refuerzo de la techumbre que enlaza los pares. En los puentes atirantados son los principales elementos, que sujetan la plataforma del puente.




4.10.- Arco: elemento arquitectónico que permite sustentar el peso de la construcción sobre un hueco en un muro. El arco está formado por un conjunto de piezas llamadas dovelas que cubren en forma de cuña el vano en el muro, de forma que la presión se descarga hacia los extremos y cae sobre los muros laterales.


4.11.- Bóveda: es una cubierta curva, que se apoya en muros, pilares o columnas. Es la resultante teórica de la proyección o movimiento del arco, desplazándose sobre su plano principal. Las hay de muchos tipos. Es un elemento estructural superficial, generalmente elaborado en mampostería o fábrica, en el que sus piezas y componentes trabajan a compresión. La bóveda sirve como cubierta o como elemento del techo de una construcción. Las galerías subterráneas, las catedrales y las naves industriales son algunos de los espacios que suelen contar con bóvedas. Las bóvedas suelen tener planta rectangular o cuadrada. La bóveda de crucería es la intersección o cruce de dos bóvedas perpendicularmente.

4.12.- Cúpula: es un elemento arquitectónico que se utiliza para cubrir un espacio de planta circular o poligonal mediante arcos de perfil semicircular, parabólico u ovoidal, rotados respecto de un punto central de simetría. Es como si el arco girase sobre sí mismo sobre su eje vertical central. El uso de la cúpula, sin embargo, fue poco común en la antigua Grecia, y hasta el Imperio romano no se comienzan a levantar las primeras cúpulas verdaderas. Las cúpulas se utilizan en grandes catedrales, basílicas, templos, panteones, palacios, etc.
Actualmente se están usando las cúpulas geodésicas o domo Geodésico que es parte de una esfera geodésica, un poliedro generado a partir de un icosaedro o un dodecaedro, aunque puede generarse de cualquiera de los sólidos platónicos. Lá cúpula geodésica se forma con la unión de numerosos elementos o perfiles metálicos en forma de triánfulos unidos mediante nudos, formando una malla esférica.



4.13.- Contrafuerte: también llamado estribo, es un engrosamiento puntual en el lienzo de un muro, normalmente hacia el exterior, usado para transmitir las cargas transversales a la cimentación. Los contrafuertes, que permiten al muro resistir empujes, se conocen desde tiempos antiguos y han sido profusamente usados en todo tipo de construcciones, siendo elementos característicos del arte románico y gótico.



4.14.- Arco arbotante: o simplemente arbotante, ​es un elemento estructural exterior con forma de medio arco que recoge la presión en el arranque de la bóveda y la transmite a un contrafuerte, o estribo, adosado al muro de una nave lateral. El arbotante es un elemento característico de la arquitectura gótica junto con el arco apuntado y la bóveda de crucería. Al tratarse de un arco exterior de descarga suele aparecer en una disposición inclinada.
Este elemento estructural exterior se empleó por primera vez en el siglo XII a instancias de la construcción de la nave central de la Catedral Nuestra Señora de París, más conocida como Notre Dame, la catedral más antigua representante de justamente el estilo gótico, con la clara misión de reforzar su bóveda de ojivas.

4.15.- Perfiles: son barras de acero, de hormigón u otro elemento, de diferentes secciones que forman parte de las estructuras. Los perfiles metálicos son aquellos productos laminados, fabricados usualmente para su empleo en estructuras de edificación, o de obra civil. Los perfiles permiten construir estructuras ligeras, resistentes y económicas. Los perfiels pueden ser abiertos o cerrados, huecos o macios. Se distinguen:

Entre los perfiles abiertes tenemos: Perfil T, doble T, IPN, IPE, Perfil HE, UPN, Perfil L, Perfil LD.



Entre los perfiles cerrados tenemos: tubo redondo, rentangular, cuadrado, triangular, etc

5.- TIPOS DE ESTRUCTURAS ARTIFICIALES

5.1.- Estructuras masivas y adinteladas: son aquellas en las que predomina una gran concentración de material, principalmente piedras de gran tamaño, como pirámides, dolmenes, panteones, etc. Se caracterizan por ser macizas, estables y muy pesadas. Son muy resistentes a esfuerzos de compresión y emplean mármol, granito, hormigón, piedras, etc. Como elementos estructurales utilizan columnas y dinteles. Emplos de esta estructuras son las pirámides de Egito y los templos griegos.

5.2.- Estructuras abovedadas: son aquellas en las que predominan los arcos, bóvedas y cúpulas como elementos de soporte y sujeción. Estas estructuras perminte cubrir espacios mayores y aumentar los huecos entre los elementos de soporte como pilares y columnas.



5.3.- Estructuras entramadas: están formadas por un conjuntos de perfiles de diferentes materiales, que se entrecruzan entre sí formando mallas o entramados. Los elementos estructurales que se utilizan son principalmente pilares, vigas, viguetas, forjados, cimentaciones, etc.  Las estructuras entramadas o reticulares se utilizan para construir edificios y viviendas. Están formadas por barras verticales y horizontales de hormigón o acero unidas entre sí. Las barras verticales soportan esfuerzos de compresión y cizalla o corte y las horizontales de flexión y compresión.


5.4.- Estructuras trianguladas: están formadas por la unión de perfiles formando triángulos constituyendo redes planas o espaciales. Son estructuras formadas por elementos lineales de poca sección denominadas barras que crean superficies estructurales planas o tridimensionales mediante la repetición de formas triangulares. La torre Eiffel es una de las construcciones más representativas de este tipo de estructuras.

5.5.- Estructuras colgantes: son aquellas formadas sustentadas por cables o tensores y otros elementos de soportes como grandes pilares. Se basan en empleo de elementos tipo cable o cuerda, denominados tirantes; que funcionan únicamente a tracción y sirven para sustentar otros elementos. Es la estructura típica de los puentes colgantes.

5.6.- Estructuras laminares: pueden considerarse como la forma material tomada por envoltura de un volumen limitado por una superficie curva. Son superficies delgadas curvas de pequeño espesor, comparado con las dimensiones globales de la estructura, que resisten, por su forma, las cargas de peso propio y las cargas exteriores.



Aquí tenéis el vídeo explicativo o clase virtual del tema publicado en mi canal de Youtube:

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Aquí podéis realizar el cuestionario digital sobre el tema:

     Tema 6.- Estructuras, una ficha interactiva de FcoDiaz

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