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Las cerchas son uno de los sistemas que la ingeniería estructural resuelve con el empleo de elementos simples como los perfiles. Suelen diseñarse para la sustentación de tejados y puentes. El desarrollo de cerchas se realizará a base de formar triángulos uniendo, mediante cartelas, los perfiles y las barras, lo que da lugar a una estructura resistente a la deformación. Como las uniones, o nodos, dan a los perfiles la posibilidad de girar, cada uno de ellos trabajará solo a compresión o tracción.
Los perfiles son aquellas formas comerciales en las que se suelen suministrar el acero, el aluminio y otros materiales. El nombre de cada uno de los perfiles viene dado por la forma que presenta su sección. Estos perfiles –con formas en I, L, T y U–, son elementos que se utilizan en la construcción de estructuras.
Una estructura debe ser capaz de resistir los diferentes tipos de esfuerzos a los que va a ser sometida. Los perfiles se han diseñado para ello. Sus especiales formas permiten conseguir más resistencia empleando menor cantidad de material. Alejando la masa del centro de gravedad del perfil, conseguimos hacerlo más resistente empleando la misma cantidad de material.
Los arcos y las bóvedas han sido empleados como solución arquitectónica durante miles de años, aunque su uso se ha restringido a edificios singulares, ya que su construcción es compleja y costosa. Las principales estructuras abovedadas son:
ARCOS
En la construcción de arcos, hay dos momentos particularmente delicados: el encaje de la clave, o piedra angular, y la subsiguiente eliminación del andamio. Si el andamio no se quita en el orden correcto, toda la estructura podría venirse abajo. El tipo de arco más simple y
más conocido es el arco de medio punto.
BÓVEDAS Y CÚPULAS
Las cúpulas fueron las primeras construcciones artificiales que imitaron las cuevas naturales. Este tipo de estructuras distribuyen uniformemente los esfuerzos entre sus partes y son un recurso arquitectónico muy empleado cuando se quiere resaltar la sensación de espacio y ligereza en la construcción.
Una bóveda es un cuerpo cóncavo, sostenido por las paredes que rodean un espacio, al cual sirve de cubierta o techumbre. Existe una gran variedad de bóvedas: de cañón, de media naranja o de aristas, entre otras.
La cúpula es un tipo de bóveda esférica, generada por el giro de un arco sobre su eje de simetría. Se utiliza para cubrir o cerrar un espacio generalmente cuadrado, octogonal o circular.
Históricamente se han empleado bóvedas y cúpulas en la construcción de iglesias, catedrales y palacios, pero actualmente se pueden encontrar también en aeropuertos, estaciones o centros comerciales.
El triángulo es el único polígono indeformable. Un objeto compuesto de tres barras rígidas formando un triángulo no sufre variación en la forma cuando se le aplican fuerzas. De este modo, la triangulación, o formación de triángulos con elementos resistentes, es el método más eficaz para hacer que las estructuras sean más rígidas y menos deformables.
Este tipo de soluciones se pueden encontrar tanto en edificios y estructuras permanentes como en estructuras desmontables, por ejemplo, las grúas.
Este tipo de estructuras se basa en el empleo de tirantes y cables de acero para sostener elementos estructurales macizos. Se utilizan en la construcción de puentes, que suelen tener una o dos grandes torres sobre las que apoyan los tirantes y los cables de acero que los sujetan.
Estas estructuras tienen la función de servir de elemento de recubrimiento y protección. Suelen ser ligeras y normalmente, frágiles si se comparan con otro tipo de estructuras más pesadas. Cuando se fabrican estructuras laminadas con mayor dureza y más resistentes, suelen
denominarse exoesqueletos. Las construcciones más habituales para este tipo de estructuras se encuentran en los paneles exteriores de los electrodomésticos o las
piezas de chapa que recubren un automóvil.
Son aquellas estructuras que emplean elementos resistentes, como pilares y columnas verticales, los cuales se entrecruzan con vigas horizontales formando un emparrillado. Se emplean actualmente para forjar el esqueleto de los edificios y para construir andamios. Una es-
calera de mano es un ejemplo de una estructura entramada simple.
Empleadas desde la Antigüedad, se basan en la solidez, la resistencia y permanencia en el tiempo de las estructuras naturales. Se componen de grandes bloques de piedra de gran espesor y de la acumulación de materiales cuya función principal es la sustentación. Los ejemplos más claros los encontramos en las pirámides egipcias, los antiguos templos, los embalses y los puentes de piedra, algunos de los cuales aún se mantienen en pie.
El fallo o mal funcionamiento de un sistema es algo inherente a la actividad humana. Frente a la imperfección, lo mejor es imponer el mantenimiento preventivo y poner cuidado y precisión en el diseño.
Las principales situaciones de fallo de una estructura se originan por:
--->Fatiga del material. Las estructuras están permanentemente so-metidas a fuerzas y cargas. En muchos casos, las cargas no son estáticas, sino que están en constante movimiento, como en el caso de puentes destinados al tráfico de vehículos. Los elementos de la estructura reciben vibraciones por el movimiento de las cargas mediante pequeños y repetitivos impactos en todas las direcciones. Esto hace que el material de la estructura esté sometido a mayores
esfuerzos y se degenere con mayor rapidez.
--->Oxidación y corrosión. Todos los materiales, en especial los metales, sufren procesos de oxidación, que en muchos casos derivan en corrosión, dando lugar a la pérdida de la masa afectada en el material atacado. El uso de pinturas específicas u otras técnicas anticorrosivas son prácticas habituales para evitarla.
---> Diseño estructural erróneo. Factores como la óptima selección de materiales, su cálculo, situación, disposición e, incluso, el proceso de ensamble, así como muchos otros parámetros son esenciales antes de la construcción de una estructura. Si en el proceso de planificación y diseño de la obra se comete algún error o no se tiene en cuenta alguna eventualidad importante, al cabo de un tiempo aparecen fallos. Los materiales alcanzarán condiciones indeseables
de ruptura, y la estructura terminará por derrumbarse.
Una estructura está formada por diferentes elementos, cada uno de los cuales tiene su propia misión en ella, por lo que no todos tienen por qué estar sometidos a los mismos esfuerzos. Piensa, por ejemplo, en un edificio. Como ya sabes, su estructura debe servir para soportar tanto su propio peso como el efecto de las diferentes cargas a las que se encuentra sometida, como pueden ser el efecto del viento, los movimientos sísmicos, las vibraciones que gene-
ra el tráfico, etc.
ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Cimentación. Es la encargada de transmitir
las cargas de la estructura al terreno.
Su diseño depende de las características
de la construcción y la naturaleza del terreno.
Arcos. Son marcos curvos en los que las
fuerzas soportadas se distribuyen entre
sus elementos como cargas que producen
compresión.
Tirantes. Son cables de acero que se utilizan
con el objeto de dar rigidez y aumentar la
resistencia de la estructura. Están sometidos
únicamente a esfuerzos de tracción.
Pilares y columnas. Son elementos
verticales de la estructura. Están
sometidos principalmente a un esfuerzo
de compresión.
Vigas. Son elementos horizontales de la estructura
que soportan la carga situada entre dos apoyos.
Están sometidas, principalmente, a esfuerzos de
flexión.
En muchas ocasiones, lo que se necesita es convertir un movimiento rotatorio en otro de vaivén o alternativo. Para ello, los mecanismos más utilizados son la leva y el mecanismo biela-manivela.
--->La leva consiste en una rueda de forma ovalada unida a un eje que no pasa por su centro geométrico. La leva está en contacto permanente con otro elemento, el palpador o seguidor, de modo que al girar esta empuja el palpador y provoca en él un movimiento alternativo.
--->El mecanismo biela-manivela se utiliza para convertir un movimiento rotatorio en alternativo, y viceversa. La figura inferior muestra una secuencia de su funcionamiento.
LAS POLEAS
Uno de los elementos más comunes en los mecanismos rotatorios es la polea, que consiste en una rueda dotada de eje, llamada rueda motriz, unida por medio de una correa a otra rueda denominada rueda dirigida. Su finalidad es transmitir el movimiento rotativo de la rueda
motriz a la dirigida. Dependiendo del diámetro relativo de ambas ruedas, los sistemas serán:
--->Multiplicador, cuando el diámetro de la rueda motriz sea mayor que el de la rueda dirigida, haciendo que esta última gire a mayor velocidad
---> Reductor, cuando el diámetro de la rueda motriz sea menor que el de la rueda dirigida, provocando que esta última gire a menor velocidad.
LOS ENGRANAJES
Los sistemas de ruedas dentadas, o engranajes, se emplean para transmitir y trasladar movimiento rotatorio a lo largo de una o varias etapas de engranajes. A diferencia de las poleas, las ruedas de los engranajes deben engranar unas con otras, lo que se consigue solo si coincide en ellas el cociente entre su diámetro y el número de dientes. A este número se lo denomina módulo Existen diversos tipos de engranajes, que se diferencian por la forma y la posición de las ruedas. A la derecha se muestran algunos ejemplos.
Toda máquina se compone de mecanismos, y todo mecanismo, por complejo que sea, se basa a su vez en elementos sencillos, llamados mecanismos, o máquinas simples.
EL PLANO INCLINADO
El plano inclinado Mover un objeto pesado por el suelo, empujándolo o tirando de él, es una tarea sencilla, pero se complica cuando el cuerpo se quiere trasladar a una posición más elevada. El plano inclinado facilita esta tarea empleando una superficie que une ambas alturas. Observa el dibujo inferior izquierda. Sin utilizar el plano inclinado, ha-bría que sostener todo el peso (representado por la flecha azul). En cambio, mediante el plano inclinado, el esfuerzo empleado solo es una parte del peso de la carga. Cuanto menor sea el ángulo del plano, menor será la fuerza necesaria para mover el objeto.
LA CUÑA
Una cuña es un objeto muy simple con forma de prisma triangular resultado de la unión de dos planos inclinados. Cualquier fuerza que se aplique perpendicularmente a una de sus caras, se transmitirá hacia las otras dos, y las fuerzas transmitidas a esas dos caras también
serán perpendiculares a ellas. Cuando se golpea con un hacha una madera, se aplica este principio: se transmite una fuerza vertical para separar horizontalmente el leño.
EL CONJUNTO RUEDA-EJE
La rueda tiene una característica única en relación con el resto de las máquinas simples: dispone de un centro geométrico del que todos los puntos de su periferia están equidistantes. Recuerda que dicha distancia se denomina radio de la rueda. En el centro se sitúa el eje, una pieza cilíndrica unida a la rueda con la que forma un conjunto solidario; es decir, si la rueda se mueve, el eje se moverá igualmente.
EL TORNILLO
El tornillo es el elemento más simple para convertir un movimiento de giro en un movimiento lineal de avance y retroceso. Este mecanismo tiene más de dos mil años de antigüedad y consiste en un cilindro al que se le ha realizado un roscado. Se puede decir que es un plano inclinado enrollado alrededor de un cilindro, como puedes observar en la figura.
EL CONJUNTO TORNILLO-TUERCA
Entre las aplicaciones del tornillo, la más común es la de formar un conjunto con una tuerca, que posee la misma rosca interior. Según gira el tornillo en sentido horario en una tuerca o en un roscado interior, se produce un movimiento de avance. Si gira en sentido antihorario, se producirá un retroceso. Este conjunto es muy usado en dispositivos para la sujeción de piezas, como los tornillos de banco, o en máquinas, como tornos y fresadoras,
en los que el tornillo se denomina «husillo» y controla el avance de la herramienta de corte con gran precisión.
LA PALANCA
Una palanca es una barra rígida cuya función es transmitir fuerza y
movimiento. La palanca descansa sobre un punto de apoyo denominado «fulcro», y las fuerzas aplicadas provocan giros en el extremo opuesto. El brazo que soporta la fuerza se denomina «brazo motor», mientras que la parte de la palanca que sostiene la carga o peso resistente, se denomina brazo resistente. La fuerza necesaria para vencer un peso resistente con una palanca viene dada por la fórmula:
A diferencia de las estructuras, los mecanismos están formados por un conjunto de piezas cuyo objetivo es realizar un determinado movimiento, transformar una fuerza o aprovechar la energía que proporciona un sistema para generar movimiento. Normalmente, los mecanismos se sujetan a una estructura fija e inmóvil. Cuando la estructura y los mecanismos forman un conjunto integrado se denomina bancada. Según se dispongan las piezas de un mecanismo, los movimientos que se originan pueden ser:
--->Movimiento lineal, en el que la pieza del mecanismo se mueve en una única dirección, normalmente a lo largo de una línea recta.
--->Movimiento rotativo, propio de los mecanismos con piezas giratorias.
--->Movimiento alternativo, en el que el mecanismo se mueve en línea recta y en ambos sentidos.
--->Movimiento oscilante, que, al igual que el movimiento alternativo, actúa en ambos sentidos, pero mediante giros.
--->Movimiento intermitente, por medio del cual el elemento del mecanismo actúa en base a marchas y paradas.
Cuando varias fuerzas exteriores actúan sobre un objeto, este se de-
forma debido a la acción de un conjunto de fuerzas internas que reciben el nombre de «esfuerzos». Existen cinco tipos diferentes: tracción, compresión, flexión, torsión y cortadura (o cizalladura). Vamos a explicar detalladamente cada uno de ellos:
---> Tracción: es aquel esfuerzo en el que fuerzas estiran una pieza, de tal forma que la pieza aumenta su longitud y disminuye su sección, especialmente en el centro. Es el efecto que se origina sobre una cuerda cuando tiramos de sus extremos. de tal forma que la pieza aumenta su longitud y disminuye su sección, especialmente en el centro. Es el efecto que se origina sobre una cuerda cuando tiramos de sus extremos.
--->Compresión: es aquel esfuerzo en el cual dos fuerzas aplastan una pieza provocando una disminución de su longitud y un ensancha-miento de la pieza. Es el efecto que se produce en las patas de una silla cuando nos sentamos encima.
---> Flexión: se da cuando una fuerza actúa de forma perpendicular a una pieza, produciendo la curvatura de esta. Es el efecto que origina en un tablón apoyado en sus extremos cuando nos subimos encima.
---> Torsión: es el retorcimiento de la pieza cuando sobre sus extremos actúan dos fuerzas giratorias y en sentido contrario. Es el efecto que resulta cuando escurrimos un trapo mojado.
--->Cizalladura: es el efecto de corte de una pieza cuando actúan sobre ella, en un mismo punto, dos fuerzas con direcciones contrarias. Es el efecto que tiene lugar cuando cortamos algo con las tijeras.
Cuando sobre un objeto actúan fuerzas externas , la forma en la que estas se distribuyen y varían sobre su superficie puede ser diferente según el caso.
SEGÚN SU DURACIÓN Y MANIGNITUD EN EL TIEMPO PODRÁN SER:
--->Permanentes: su magnitud y su dirección son siempre constantes, por ejemplo , el peso de un edificio sobre el suelo.
--->Variables: cambian continuamente de magnitud y de dirección , tal y como sucede con la carga que soporta un puente cuando circula el tráfico sobre él.
--->Puntuales o concentradas: como el golpeo de un martillo sobre la cabeza de un clavo o la forma en que se clava con el dedo una chincheta.
--->Distribuidas: en las que las cargas reparten y dispersan su peso total sobre una superficie , como la nieve acumulada sobre un tejado.
Se dice que un objeto o una estructura es estable cuando la distribución de su masa se equilibra ante las fuerzas de la gravedad . Esta definición nos lleva a un concepto especifico: el centro de gravedad , que puede considerar concentrada toda su masa. El centro de gravedad es un punto geométrico, su posición , cuando el cuerpo está hecho de un solo material, dependerá exclusivamente de su geometría.
Una estructura en equilibrio está afectada por múltiples fuerzas. Entre ellas , las que aparecen debido al peso que soportan se denominan cargas.
LAS CARGAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN:
--->Cargas estáticas o muertas, que no varían con el tiempo como los muebles que se soportan en la planta de un edificio.
--->Cargas dinámicas o vivas, que pueden variar en el tiempo , como el peso de la nieve sobre un tejado o el tránsito del tráfico de vehículos sobre un puente.
--->Cargas accidentales, como las provocadas por terremotos , huracanes y todo tipo de fenómenos meteorológicos de alta intensidad.
Para medir una fuerza , existen varios, instrumentos , el más habitual es la balanza, pero también se utiliza , en los laboratorios , el dinamómetro. Este aparato de medida se basa en la capacidad que tiene un muelle de alargase de forma proporcional a la fuerza que se aplica.
UNIDADES DE MEDIDA
--->La masa se mide en kilogramos (kg).
--->Las fuerzas, entre ellas el peso , son magnitudes derivadas se la masa y , por tanto , sus unidades se basan en ella. En concreto en el sistema internacional se emplea el newton (N) como unidad de fuerza.
Las fuerzas son magnitudes que se caracterizan por su valor , o intensidad , y por su dirección. Las fuerzas producen efectos sobre los cuerpos: pueden deformarlos o cambiar su estado de movimiento (acelerarlos , frenarlos o cambiar la dirección en que se mueven).
---> Mover un objeto que esta en reposo.
---> Detener un cuerpo en movimiento.
---> Deformar un cuerpo.
Las fuerzas se representan mediante flechas con una dirección y sentido determinado. La longitud de la flecha nos da idea de su magnitud.
Una estructura es un objeto complejo cuya función principal es la de soportar cargas es decir mantener en su interior o sobre ella determinados pesos.
Profesionales de la arquitectura y de la ingeniería se han fijado en la naturaleza con la intención de imitar las increíbles estructuras que esta nos ofrece.
En relación con las estructuras llevadas a cabo por las termitas , existe un proyecto en la ciudad de Harare , en Zimbabue , en el que se ha conseguido recrear un sistema de aire acondicionado de forma similar a como las termitas refrigeran de forma natural sus torres-termitero.
Los seres humanos siempre hemos convivido con nuestro entorno , nos hemos adaptado a sus cambios , y fruto de la observación , de la exploración y de la investigación tendemos a imitar lo que la naturaleza nos ofrece para nuestro provecho y bienestar.
ESTRUCTURAS NATURALES
Algunas estructuras de la naturaleza provienen de la información y evolución geológica de nuestro planetaa
Una estructura se formara con un conjunto de elementos sólidos, unidos y acoplados que tiene la función de soportar fuerzas y en general todo tipo de cargas.
