​​TURNO VESPERTINO​
PROF.: DANIEL ORTIZ MORALES
Jiquilpan No 9; col.: Santa Clara
Minatitlán, Veracruz
96730
(01 922) 223 7331
ESC. SEC. TEC. IND. No 8
A la hora de diseñar una estructura esta debe de cumplir tres propiedades principales: ser resistente, rÃgida y estable. Resistente para que soporte sin romperse el efecto de las fuerzas a las que se encuentra sometida, rÃgida para que lo haga sin deformarse y estable para que se mantenga en equilibrio sin volcarse ni caerse.
ESFUERZOS QUE SOPORTAN LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN LAS ESTRUCTURAS
En la naturaleza hay muchas fuerzas: la fuerza de la gravedad, la fuerza del viento, las fuerzas mecánicas que mueven máquinas, las presiones de los gases, las fuerzas que desarrollan los músculos.... ¿Cómo podemos definir una fuerza? ¿qué es una fuerza?. Si empujamos un libro con un dedo, este se desplaza, mientras que si apretamos una goma de borrar esta no se desplaza sino que sufre una deformación. Siempre que aplicamos una fuerza sobre un cuerpo se produce uno de estos dos fenómenos o los dos simultáneamente, de modo que podemos definir fuerza como:
Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo (efecto estático) o alterar su estado de movimiento o reposo (efecto dinámico)
Al construir una estructura se necesita tanto un diseño adecuado como unos elementos que sean capaces de soportar las fuerzas, cargas y acciones a las que va a estar sometida. Los tipos de esfuerzos que deben soportar los diferentes elementos de las estructuras son:
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Tracción: Hace que se separen entre sà las distintas partÃculas que componen una pieza, tendiendo a alargarla. Por ejemplo, cuando se cuelga de una cadena una lámpara, la cadena queda sometida a un esfuerzo de tracción, tendiendo a aumentar su longitud.
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Compresión: Hace que se aproximen las diferentes partÃculas de un material, tendiendo a producir acortamientos o aplastamientos. Cuando nos sentamos en una silla, sometemos a las patas a un esfuerzo de compresión, con lo que tiende a disminuir su altura.
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Cizallamiento o cortadura: Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a la pieza, haciendo que las partÃculas del material tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Al cortar con unas tijeras un papel estamos provocando que unas partÃculas tiendan a deslizarse sobre otras. Los puntos sobre los que apoyan las vigas están sometidos a cizallamiento.
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Flexión: Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que las fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de flexión se alargan, las inferiores se acortan, o viceversa. Al saltar en la tabla del trampolÃn de una piscina, la tabla se flexiona. También se flexiona un panel de una estanterÃa cuando se carga de libros o la barra donde se cuelgan las perchas en los armarios.
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Torsión: Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje central. Están sometidos a esfuerzos de torsión los ejes, las manivelas y los cigüeñales.
EQUILIBRIO
Equilibrio: un objeto está en equilibrio, cuando la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero.
Veamos unos sencillos ejemplos en los que el equilibrio no se cumple:
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 fotografÃa, ¿está en equilibrio?.
No se mantiene en equilibrio, porque las dos fuerzas actuan de forma comnrtraria, lo que ocasionaria que el volante gire.
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 fÃsico ocupado por el cuerpo. Definimos el centro de gravedad como ese punto caracterÃstico en el que suponemos el total de la masa del objeto.
Para calcular experimentalmente el centro de gravedad de una superficie plana, se construye una plomada (con un hilo y un peso). A continuación se coloca la plomada en un punto del objeto, de manera que este cuelgue libre, se traza una lÃnea. Se realiza el proceso desde otro punto. Las dos lÃneas trazadas, se cortan en un punto que es el centro de gravedad. Saber dónde se encuentra el centro de gravedad en una estructura es muy importante, ya que hará que esta sea estable o inestable.
Esta figura es estable, ya que la proyección centro de gravedad está dentro de su base, aunque al más mÃnimo movimiento se saldrá de él.
Esta figura es estable, ya que la proyección centro de gravedad está dentro de su base.
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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 rÃgido. Si sometemos a un material elástico a un determinado esfuerzo, de manera que este sobrepase un determinado valor (lÃmite 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.
Imaginaros que la Giralda no tuviera una cierta elasticidad, como podrÃa resistir vientos fuertes, o un pequeño terremoto.
ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE LAS ESTRUCTURAS.
Llegados a este punto del tema, ya debes saber más o menos las partes fundamentales de una estructura, en el capÃtulo dos veÃamos algunas de ellas, hagamos un recordatorio ahora.
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Pilares y columnas: es una barra apoyada verticalmente, cuya función es la de soportar cargas o el peso de otras partes de la estructura. Los principales esfuerzos que soporta son de compresión y pandeo. También se le denomina poste, columna, etc. Los materiales de los que está construido son muy diversos, desde la madera al hormigón armado, pasando por el acero, ladrillos, mármol, etc. Suelen ser de forma geométrica regular (cuadrada o rectangular) y las columnas suelen ser de sección circular.
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Vigas y viguetas: es una pieza o barra horizontal, con una determinada forma en función del esfuerzo que soporta. Forma parte de los forjados de las construcciones. Están sometidas a esfuerzos de flexión.
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Forjado: es la estructura horizontal (o con una pequeña inclinación), formada por el conjunto vigas, viguetas, bovedillas, hormigón y solerÃa, que nos sirve de techo (si hay una planta superior), y de suelo.
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Cimientos: es el elemento encargado de soportar y repartir en la tierra todo el paso de la estructura, impidiendo que ésta sufra movimientos importantes. Normalmente soporta esfuerzos de compresión. los materiales de los que se compone son hormigón armado, hierro, acero, etc.
Las cimentaciones a su vez son de muchos tipos (planas, profundas, con pilotes...) y tienen muchas partes diferentes (zapatas, pozos, pilotes, bancadas,...), que por ahora no vamos a entrar en ellas.
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PERFILES
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:
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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.
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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.
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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:
Las formas más habituales son las que te mostramos en la siguiente figura:
Pero no son las únicas, pues tenemos en el mercado una amplia variedad de perfiles, ángulos, pletinas, chapas, etc.
Veamos a continuación con más detalle algunos perfiles.
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Perfil normal en forma de 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.
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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.
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Perfil en doble T: es el que se coloca en pilares. Trabaja también muy bien con esfuerzos de flexión. Es un perfil I (PN)
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Perfil de ala ancha: es una viga en doble T, en la que la altura total es igual a la anchura de las alas.
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Redondo: hierro, acero, cobre, de unas determinadas propiedades. Se utiliza en múltiples áreas de la construcción. En estructuras, ejes, etc.
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Triangular
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Cuadrado o rectangular
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. las uniones se realizan normalmente por soldadura, aunque también se realizan algunas mediante tornillos y tuercas y mediante remaches.
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TRIANGULACIÓN DE ESTRUCTURAS.
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Existen muchas estructuras que están formadas a base de triángulos unidos entre sÃ. Este tipo de estructuras, que adquieren una gran rigidez, tienen infinidad de aplicaciones. |
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El triángulo es el único polÃgono que no se deforma cuando actúa sobre él una fuerza. Al aplicar una fuerza de compresión sobre uno cualquiera de los vértices de un triángulo formado por tres vigas, automáticamente las dos vigas que parten de dicho vértice quedan sometidas a dicha fuerza de compresión, mientras que la tercera quedará sometida a un esfuerzo de tracción. Cualquier otra forma geométrica que adopten los elementos de una estructura no será rÃgida o estable hasta que no se triangule. En este sentido, podemos observar cómo las estanterÃas metálicas desmontables llevan para su ensamblado unas escuadras o triángulos, que servirán como elemento estabilizador al atornillarse en los vértices correspondientes. Análogamente, en los andamios de la construcción se utilizan tirantes en forma de aspa, que triangulan la estructura global y le confieren rigidez. A continuación puedes observar cómo se pueden convertir en estructuras rÃgidas un cuadrado y un pentágono. |
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A base de triangulación se han conseguido vigas de una gran longitud y resistencia, que se llaman vigas reticuladas o arriostradas y que se emplean profusamente en la construcción de grandes edificaciones que necesitan amplias zonas voladas y sin pilares, asà como en la de puentes de una gran luz. Las vigas de este tipo tienen una mayor resistencia que las vigas macizas. En las casetas de feria se pueden observar, durante los procesos de montaje y desmontaje, los triángulos que soportan el peso de la lona que las cubre. Estos triángulos se denominan cerchas. También es comprensible ya porque se utilizan tirantes o travesaños en la diagonal de puertas de jardÃn o cancelas. Las grúas tan frecuentes en las proximidades de las grandes ciudades son estructuras desmontables reforzadas con multitud de triángulos. |
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Sin duda la estructura reticulada más famosa del mundo es la torre Eiffel. El ingeniero civil francés Alexandre Gustave Eiffel la proyectó para la Exposición Universal de ParÃs de 1889. El edificio, sin su moderna antena de telecomunicaciones, mide unos 300 m de altura. La base consiste en cuatro enormes arcos que descansan sobre cuatro pilares situados en los vértices de un rectángulo. A medida que la torre se eleva, los pilares se giran hacia el interior, hasta unirse en un solo elemento articulado. Cuenta con escaleras y ascensores (elevadores), y en su recorrido se alzan tres plataformas a distintos niveles, cada una con un mirador, y la primera, además, con un restaurante. Para su construcción se emplearon unas 6.300 toneladas de hierro. Cerca del extremo de la torre se sitúan una estación meteorológica, una estación de radio, una antena de transmisión para la televisión y unas habitaciones en las que vivió el propio Eiffel. |
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