LAS ESTRUCTURAS Y
SUS APLICACIONES
RAQUEL GIMENO PÉREZ
IES MARE NOSTRUM
ESTRUCTURAS NATURALES
Y ARTIFICIALES
•ESTRUCTURAS NATURALES
•ESTRUCTURAS ARTIFICIALES
¿PARA QUÉ SIRVEN
LAS ESTRUCTURAS?
La estructura que construye el hombre tienen una finalidad
determinada, para la que ha sido pensada, diseñada y finalmente
construida.
Podemos hacer un análisis en función de la necesidad que
satisface:
•Soportar peso: se engloban en este apartado aquellas
estructuras cuyo fin principal es el de sostener cualquier otro
elemento, son los pilares, las vigas, estanterías, torres, patas de
una mesa, etc.
¿PARA QUÉ SIRVEN
LAS ESTRUCTURAS?
• Salvar distancias: su principal función es la de esquivar un objeto,
permitir el paso por una zona peligrosa o difícil, son los puentes, los
telesféricos,
las grúas, etc.
• Proteger objetos: cuando son almacenados o transportados, como las
cajas de embalajes, los cartones de huevos, cascos, etc.
TIPOS DE ESTRUCTURAS
RESISTENTES
Si observáis detenidamente
las estructuras están hechas
con diferentes materiales,
formas y dimensiones, se
pueden clasificar en:
• Laminar de caparazón,
los coches son de acero y tienen este tipo
de estructura, y la carcasa de un televisor,
un frigorífico….
• De armazón Las torres eléctricas se
construyen con perfiles o barras,
atornilladas unas con otras.
TIPOS DE ESTRUCTURAS
RESISTENTES
• De hormigón armado Los edificios modernos se
construyen con este tipo de estructura (cimientos,
pilares y vigas de hormigón armado).
• Vigas metálicas Naves industriales.
FUERZAS PRINCIPALES
EN ESTRUCTURAS
Hay dos tipos de fuerzas en las estructuras:
Fuerzas exteriores = CARGAS
Fuerzas interiores = ESFUERZOS
DEFINICIÓN DE CARGA.
TIPOS DE CARGAS
Las cargas son las fuerzas externas
que actúan sobre las estructuras.
Los tipos de carga más habituales son:
– Los pesos situados sobre las estructuras
– El peso de la propia estructura
–
La presión del agua
–
La fuerza del viento
DEFINICIÓN DE ESFUERZOS
Los esfuerzos son fuerzas internas de resistencia que
aparecen en las estructuras y evitan que ésta falle.
•TRACCIÓN: es el esfuerzo a que esta sometido un
elemento de una estructura cuando las cargas que
actúan sobre él tienden a ESTIRARLO.
• COMPRESIÓN: es el esfuerzo a
que esta sometido un elemento de
una estructura cuando las cargas
que actúan sobre él tienden a
APLASTARLO.
• FLEXIÓN: es el esfuerzo a que esta sometido un
elemento de una estructura cuando las cargas que
actúan sobre él
tienden a
CURVARLO,
DOBLARLO.
• TORSIÓN: es el esfuerzo a
que esta sometido un elemento de
una estructura cuando las cargas
que actúan sobre él tienden a
RETORCERLO.
• CORTANTE: es el esfuerzo a
que esta sometido un elemento de
una estructura cuando las cargas
que actúan sobre él tienden a
CORTARLO.
ESTUDIANDO ESFUERZOS
• Cuando una viga esta soportando una determinada carga
-“a” esfuerzo de flexión- se originan otros esfuerzos:
“b” tracción y “c” compresión.
• Por tanto cada viga se ha de diseñar y construir para
soportar correctamente todos los esfuerzos a que esta
sometida, teniendo en cuenta además que en los
extremos está sometida a un esfuerzo de corte “d”.
ESTUDIANDO ESFUERZOS
Tracción
Compresión
Flexión
Cortadura
Torsión
http://www.profes.net/varios/videos_interactivos/estructuras/index.html
ESTUDIANDO ESFUERZOS
Tracción
Compresión
Flexión
Cortadura
Torsión
Las siguientes estructuras son estables, es decir,
no vuelcan, gracias a distintos sistemas. Además
de la estabilidad ¿Qué otras condiciones debe
cumplir una estructura para funcionar como tal?
ESTRUCTURAS ESTABLES
Para que una estructura funcione bien, debe
cumplir tres condiciones independientes entre sí:
• Estabilidad. Alude a la capacidad de una
estructura de mantenerse erguida y no volcar.
Para ello, su centro de gravedad debe estar
centrado sobre su base. Cuanto más centrado
y mas cercano al suelo esté el centro de
gravedad, más estable será la estructura.
• Resistencia: Es la capacidad de la estructura de
resistir las tensiones a las que esta sometida sin
romperse. En la resistencia de una estructura
interviene la forma y el material que la
constituye.
• Rigidez: Aunque todos los objetos se deforman
levemente al aplicarles una fuerza, esta
deformación nunca debe ser tan grande
que le impida cumplir su misión.
ESTABILIDAD
Centro de gravedad: Cuando representamos la fuerza
peso de un objeto, lo suponemos situado en un punto (el
centro de gravedad), esto no es real, ya que el peso está
distribuido por todo el espacio físico ocupado por el
cuerpo. Definimos el centro de gravedad como ese punto
característico en el que suponemos el total de la masa del
objeto.
¿CÓMO HACER QUE UNA ESTRUCTURA
SEA ESTABLE, RESISTENTE Y RÍGIDA?
• Podemos dar estabilidad a un cuerpo, añadiendo masa en su
base, atirantándolo o empotrando su parte inferior en el suelo.
• La resistencia depende del material con
que se construye (el hormigón, el acero,
la madera o la piedra tienen distintas
resistencias), de la cantidad de material
que se use y de la forma que tenga la
estructura. ¿Cuál de las dos posiciones
de esta tabla presenta mejor
resistencia a flexión? ¿Por qué?
• La rigidez se consigue soldando las uniones, dando a la
estructura una forma apropiada y haciendo triangulaciones,
como veremos más adelante. La forma es muy
importante, cuando más canto tenga una viga o más
ancho sea un pilar, mayor será su rigidez.
ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURA
PARTES GENERALES DE UN EDIFICIO
ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURAS
FORJADO UNIDIRECCIONAL
ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURAS
ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURAS
PILARES
La función de los pilares es soportar todo el
peso de la construcción, es decir, aguantan el
peso de la estructura, paredes interiores,
techos, suelos, muebles, personas, etc.
Aunque a simple vista parece que los pilares
están sometidos a esfuerzos de compresión,
la realidad es que la deformación que sufren
suele ser lateral, sobre todo si son esbeltos.
Por tanto los pilares deberán ser resistentes
a pandeo, que es la combadura de un elemento
largo y estrecho en su parte central cuando
está sometido a compresión.
Pandeo = flexión lateral por compresión
CIMENTACIÓN:
ZAPATAS, LOSA, PILOTES
• Los pilares transmiten los esfuerzos a los cimientos, que
son los encargados de transmitirlos a su vez al suelo.
• Los elementos de cimentación más comunes son las
zapatas, cuya misión es la de sostener la estructura
para que no se hunda. HA.
• Las losas crean una base de gran tamaño que permite
asentarse sobre suelos blandos . HA.
• Los pilotes, empleados
también en terrenos
blandos, se clavan en
la tierra hasta
encontrar una zona
de roca dura
donde apoyarse.
El ACERO EN LAS ESTRUCTURAS
Es uno de los materiales más importantes en la construcción de
estructuras. Se utiliza principalmente de dos maneras:
• Como armadura en estructuras de hormigón armado. Son las
barras o redondos de acero macizo.
El hormigón esta formado por un aglomerante, por lo general,
cemento, arena, grava y agua. Una vez fraguado resiste muy bien
la compresión, pero no la tracción. Cuando va acompañado de una
armadura de acero para dar más resistencia a flexión se llama
hormigón armado.
¿Qué zona de la viga es más necesario
reforzar con barras de acero? ¿pq?
¿Qué es la flecha?
El ACERO EN LAS ESTRUCTURAS
• Formando con perfiles la estructura completa:
PERFILES I
•
•
•
Las barras que componen las estructuras se fabrican en diferentes
formas, a la sección transversal perpendicular al eje longitudinal se le
denomina perfil.
Dependiendo del material del que está construida la barra, la obtención
de un determinado perfil se realizará por un procedimiento u otro.
En las barras metálicas los procesos más usados para la obtención de
perfiles son:
– Mediante un molde: consiste en la fabricación de un molde (de
acero, escayola, de cera etc), sobre el que se vierte el material al
que se le va a dar forma. Se utiliza por ejemplo para la fabricación
de prefabricados de hormigón, fundiciones, etc.
– Laminación: consistente en hacer pasar al material base (acero,
aluminio) por una serie de rodillos que irán poco a
poco dándole la forma apropiada. Para facilitar el
proceso, se calientan los metales, de forma que
sean más maleables. Mediante la laminación se
consiguen piezas como planchas, vigas, redondos,
traviesas, etc.
– Extrusión: el metal extrusionado tiene que ser
fácilmente maleable, de forma que se le empuja a
través de un orificio que tiene la forma del perfil
que queremos obtener.
Formas más comunes:
PERFILES II
Veamos a continuación con más detalle algunos perfiles.
• Perfil en T: es muy usual en la construcción, se coloca con las
alas hacia abajo, de manera que puedan apoyarse sobre él
ladrillos, rasillones, y otros elementos constructivos.
• Perfil en L o angular: es un perfil de forma que la sección es
un ángulo recto. Se utiliza mucho en la
construcción de estructuras metálicas,
en la parte de cubiertas. Principalmente
para tracción y compresión, poco a flexión.
PERFILES III
• Perfil en doble T: es el que se coloca en
pilares. Trabaja también muy bien con
esfuerzos de flexión (también a tracción y
compresión). Son perfiles IPN o IPE.
• Perfil de ala ancha: es una viga en doble T,
en la que la altura total es igual a la anchura de las alas. Es un perfil
HEB.
• Perfil UPN: sección en U. Se utiliza
para tracción, compresión y flexión.
En pilares se usa la sección UPN en cajón.
• Sección cuadrada, perfiles huecos,
listones planos, etc.
PERFILES IV
IMPORTANTE: La elección de un tipo específico
de perfil depende de la misión que deba
desempeñar dentro de la estructura y de los
esfuerzos que tenga que soportar.
Los perfiles se diseñan
de manera que alcanzando
los distintos elementos
la misma resistencia sean
lo más ligeros posible.
PERFILES V
UNIONES
Con los perfiles que hemos visto, se realizan las
estructuras metálicas, para ello es necesario
realizar una serie de uniones entre los
diferentes elementos. Tipos de uniones:
Soldadura: se trata de un sistema que une las
partes de forma permanente (fija), por tanto
es apropiado para estructuras que no van a ser
desmontadas o trasladadas. Métodos de
soldadura hay muchos, pero básicamente
consiste en calentar las piezas a unir de manera
que mediante la aportación de un material
fundente o no, queden perfectamente unidas.
Unión mediante tornillos: es el apropiado para
estructuras que son desmontables, de forma
que las diferentes
partes
de la estructura
quedan unidas
mediante un
tornillo y su
correspondiente tuerca.
ESTRUCTURAS TRIANGULADAS
Están compuestas por barras enlazadas formando triángulos.
Constituyen una estructura rígida. Sus elementos más importantes:
Barras: perfiles
Tirantes o tensores: elementos que soportan vigas, columnas, etc.
Nudos: uniones entre las diferentes barras: soldadura, tornillos
ESTRUCTURAS TRIANGULADAS
TRIANGULACIÓN
El triángulo es el único polígono
indeformable, por lo que se emplea
con mucha frecuencia en la
construcción de estructuras.
ESTUDIO DE ESFUERZOS EN BARRAS
ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURA
ESTRUCTURAS COLGANTES
• Se utilizan cables de los que cuelga la estructura.
• Tirantes y tensores que trabajan solo a TRACCIÓN.
• Para sujetar carpas, puentes, antenas, torres, etc.
MATERIALES DE ESTRUCTURAS I
Madera:
- Obtención: Se obtiene del árbol, lleva un proceso de corte, secado y preparación
de la madera.
- Tipos: Pino Flandes, Eucalipto, Haya, Roble, Caoba, aglomerado, contrachapado.
- Propiedades: Dureza media, ligero, flexible, fácil de trabajar (moldeable).
- Aplicaciones: Muebles en su mayoría, pasta de papel, algunos edificios (Japón
edificios sin clavos).
Acero:
- Obtención: Fundición de Hierro (99%) y Carbono (1%). Si se añade Cromo o
Níquel es inoxidable.
- Tipos: Acero al carbono, acero inoxidable, Hierro fundido, etc.
- Propiedades: Dureza alta, no frágil, flexible, moldeable a altas temperaturas.
- Aplicaciones: Industrias, edificios, llaveros, relojes, etc.
Hormigón:
- Obtención: Mezcla proporcionada de: arena, cemento, agua, áridos ( y acero si es
hormigón armado).
- Tipos de acero: Hormigón en masa (poco practico, solo de relleno), hormigón
armado.
- Propiedades: Dureza alta, frágil a tracción y flexión, moldeable (fragua en 21
días).
- Aplicaciones: construcción en general.
Otros: ladrillos (relleno-aislante), cemento (unión, enlucir),
corcho (aislante térmico y acústico), etc.
MATERIALES DE ESTRUCTURAS II
ELECCIÓN DEL MATERIAL:
Se realiza teniendo en cuenta 4 factores:
- Propiedades del material (dureza, flexibilidad,
conductividad eléctrica, etc.)
- Disponibilidad (si el material es abundante o escasea,
donde se encuentra, transporte, etc.)
- Procesos de fabricación (Si se puede fabricar, que
procesos conlleva, contaminación, etc.)
- Costes (lo que cueste al final, sumando obtención,
transporte, transformación, venta, etc.)
¿Qué se tiene en cuenta para
diseñar estructuras?
TIPO DE ESTRUCTURA APROPIADO: Armazón (barras), laminar, de hormigón
armado, metálica, colgante, etc.
CONSEGUIR ELEMENTOS DE ESTRUCTURAS RESISTENTES:
a) Elección material
- Propiedades físicas
- Disponibilidad
- Procesos de fabricación
- y Costes
c) Basándonos en elementos conocidos:
- Viga elemento destinado a resistir a flexión
- Pilar elemento destinado a resistir a compresión
- Pórtico conjunto de elementos que dan forma a edificios o naves
- Zapata elemento de sustentación de las construcciones
- Montantes y tirantes elementos característicos para salvar grandes distancias (Ej.:
puentes)
- Otros elementos (tirantes, cartelas, etc.)
d) Eligiendo secciones adecuadas según a los esfuerzos que estén sometidas las barras.
Ejemplos:
- Un cable resiste bien a tracción.
- Una viga en doble T la que mejor resiste a flexión.
- En que posición resiste mejor a flexión una regla tumbada o de canto?
¿Qué se tiene en cuenta para
diseñar estructuras?
CONSEGUIR UNA ESTRUCTURA RESISTENTE:
a) Ser estable: sometida a esfuerzos que no vuelque.
- Centro de Gravedad bajo.
- Base ancha.
-Anclaje o fijación al suelo.
b) Ser rígida: sometida a esfuerzos no se deforme, y sus
elementos resistan.
- Con triangulaciones.
- Con uniones rígidas.
FUERZAS I
Representación de fuerzas: se puede entender por fuerza toda acción
sobre un objeto que tiende a modificar el estado de reposo o
movimiento de dicho objeto, o que puede deformarlo de forma
permanente o transitoria. Una fuerza produce diferentes efectos sobre
un cuerpo, según sea la dirección y el sentido en que se apliquen.
Para distinguir entre dirección y sentido, pongamos el símil de una
carretera, ésta (la dirección) es única, pero tiene dos sentidos:
Al representar las fuerzas emplearemos flechas
que denominaremos vectores, estos quedan
definidos por un módulo (su valor), por la
dirección y sentido.
FUERZAS II
Suma y resta de fuerzas: las que tienen la misma dirección y sentido, se suman, mientras que
las que tienen la misma dirección pero sentido contrario se restan. En el caso de que las fuerzas
no tengan la misma dirección, hay que realizar una pequeña composición, consistente en colocar el
principio de un vector en el final del anterior, la fuerza resultante el vector que va desde el inicio
del primero al final del último.
Acción y reacción: cuando se ejerce una fuerza sobre un
cuerpo, se produce otra en la misma dirección pero en
sentido contrario.
Momento: podemos calcular el momento de una fuerza respecto de un punto, como el producto
del valor de dicha fuerza por la distancia. El momento tiende a hacer girar un cuerpo, cuanto
mayor sea la fuerza o mayor la distancia mayor será el momento. M = F * D.
ESTABILIDAD- EQUILIBRIO
Equilibrio: un objeto está en equilibrio, cuando la suma de todas
las fuerzas que actúan sobre él es cero.
Pero además, la suma de los momentos de todas
las fuerzas que actúan sobre el objeto debe ser
igual a cero. Supongamos un volante, en el que hay
aplicada dos fuerzas iguales y de sentido contrario,
tal y como el de la fotografía, ¿está en equilibrio?
ESTABILIDAD- EQUILIBRIO
Centro de gravedad: Cuando representamos la fuerza peso de
un objeto, lo suponemos situado en un punto (el centro de
gravedad), esto no es real, ya que el peso está distribuido por
todo el espacio físico ocupado por el cuerpo. Definimos el centro
de gravedad como ese punto característico en el que suponemos
el total de la masa del objeto.
Un cuerpo está en
equilibrio cuando
la proyección de
su centro de
gravedad cae
dentro de la base
de sustentación,
por el contrario
cuando el CG cae
afuera de esta el
cuerpo pierde el
equilibrio.
ESTABILIDAD- EQUILIBRIO
• ¿Qué es el centro de gravedad C.G.? Es el punto
donde se mantiene el equilibrio de un objeto.
• Aplicación: La principal aplicación del C.G. es la
estabilidad y hay 3 formas de conseguirlo:
LA ALTURA
Cuanto más bajo es un objeto mas bajo estará su CG
y mayor equilibrio tendrá
LA BASE DE SUSTENTACIÓN
Cuanto más grande es la base de sustentación, mayor
será el equilibrio de cualquier cuerpo
FIJACIÓN AL SUELO CON CIMIENTOS O
ANCLAJES QUE IMPIDAN EL VUELCO
ESTABILIDAD- EQUILIBRIO
• Rigidez y elasticidad: podemos definir
elasticidad como la propiedad que tienen los
cuerpos para retornar a su forma inicial una vez
ha sido suprimidas las fuerzas que ha provocado la
deformación. La elasticidad depende del material,
todos los materiales son más o menos elásticos. Un
cuerpo con un elasticidad baja será rígido. Si
sometemos a un material elástico a un
determinado esfuerzo, de manera que este
sobrepase un determinado valor (límite elástico),
en primer lugar veremos que la deformación se ha
convertido en permanente, pero si seguimos
aplicando el esfuerzo, llegará un momento en que
se produzca la rotura.
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Nociones de estructuras