TEMA 4. ESTRUCTURAS

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.Perfiles más habituales:-Perfiles abiertos: -perfil en I, H o doble T. -perfil en T. -perfil en L. -perfil en U.-Perfiles cerrados:-sección rectangular -sección cuadrada -sección circular -sección triangular.

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.

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.En el diseño de una estructura tiene que haber tres condiciones esenciales:-La estructura ha de ser estable, es decir, ha de mantenerse en equilibrio estático.-El diseño de la estructura debe hacer que sus partes se mantenga sin deformarse.-Los materiales y su disposición han de conseguir que la estructura sea resistente, tanto para aguantar fuerzas externas como para soportar las fuerzas que aparecen debidas a su propio peso.

Teniendo en cuenta las condiciones anteriores, una estructura se formará con un conjunto de elementos sólidos, unidos y acoplados, que tiene la función de soportar fuerzas, pesos y. en general, todo tipo de cargas.

Según descubríamos y analizábamos diferentes estructuras de la naturaleza, hemos ido creando otras cada vez más perfeccionadas, llegando a la conclusión de que la correcta distribución de las fuerzas y los pesos ejercidos sobre el árbol o en las paredes de la cueva eran la clave de por qué las estructuras naturales se sostenían.Algunas estructuras de la naturaleza provienen de la formación y evolución geológica de nuestro planeta a lo largo de los millones de años de su historia.El reino animal también nos ofrece ejemplos de creación de estructuras. Los animales convertidos en arquitectos e ingenieros naturales han tratado de adaptarse al medio a lo largo de millones de años.

La naturaleza nos ofrece increíbles estructuras en las que se han fijado profesionales de la arquitectura y de la ingeniería con la intención de imitarlas. Muchos estudios de arquitectura y universidades analizan estas construcciones estructurales desde sus departamentos de biomimetismo.La biomimética es un área de la ciencia que tiene por objetivo el estudio de las estructuras biológicas, con el fin de resolver aquellos problemas humanos que la naturaleza ya ha resuelto.

Una fuerza puede hacer que un objeto se mueva en el sentido en el que esta se aplica.

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).Por tanto, las fuerzas pueden:-Mover un objeto que está en reposo.-Detener un cuerpo en movimiento.-Deformar un cuerpo.-Modificar la dirección del movimiento de un cuerpo.Las fuerzas se representan mediante flechas con una dirección y sentido determinados. La longitud de la flecha nos da idea de su magnitud.

Para medir una fuerza, existen varios instrumentos, el más habitual es la balanza, pero también se utiliza, en los laboratorios, el dinamómetroUnidades de medida:-La masa se mide en kilogramos (kg) en el sistema internacional y es una de las consideradas como las siete magnitudes básicas.-Las fuerzas, entre ellas el peso, son magnitudes, derivadas de 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

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 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.-Cargas accidentales, como las provocadas por terremotos, huracanes y todo tipo de fenómenos meteorológicos de alta intensidad.

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 específico: el centro de gravedad, que se define como un punto representativo de un cuerpo en el que se puede considerar concentrada toda su masa. El centro de gravedad es un punto geométrico, y su posición, cuando el cuerpo está hecho de un solo material, dependerá exclusivamente de su geometría.

Existen dos criterios para clasificar el tipo de fuerzas y cargas: Según su duración en el tiempo que pueden ser permanentes o variables y según su forma de aplicación que pueden ser puntuales o distribuidas.

Cuando varias fuerzas exteriores actúan sobre un objeto, este se deforma debido a la acción de un conjunto de fuerzas internas que reciben el nombre de <<esfuerzos>>.Existen cinco tipos diferentes: tracción, comprensión, flexión, torsión y cortadura.

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. Ejemplos claros son por ejemplo en las pirámides egipcias, los antiguos templos, los embalses y los puentes de piedra, algunos de los cuales aún se mantienen en pie.

Las estructuras entremadas 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 escalera de mano es un ejemplo de una estructura entramada simple.

Las estructuras laminadas 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 exoesqueleto.Normalmente las construcciones más habituales de este tipo de estructuras se localizan en los paneles exteriores de los electrodomésticos o las piezas de chapa que recubren un automóvil.

Este tipo de estructuras se basan 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 sobra las que apoyan los tirantes y los cables de acero que los sostienen.

El triángulo es el ´unico polígono indeformable. La triangulación, o formación de triángulos con elementos resistentes, es el método mñás eficaz para hacer que las estrcuturas sean más rígidas y menos deformables.Todo este tipo de soluciones se puede encontrar tanto en edificios y estructuras permanentes como en estrcuturas desmontables, por ejemplo, las grúas.

Las principales estructuras abovedadas son: -Arcos:En la construcción de arcos, hay dos momentos particularmente delicados: el encaje de la clave y la subsiguiente eliminación del andamio. El tipo de arco más simple y más conocido es el arco de medio punto.-Bóvedas y cúpulas: Las cúpulas fueron las primeras contrucciones artificiales que imitaron las cuevas naturales.Una bóveda es un cuerpo cóncavo, sostenido por las paredes que rodean un espacio.La cúpula es un tipo de bóveda esférica, generada por el giro de un arco sobre su eje de simetría.

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. Los elementos estructurales son:-Cimentación: Es la encargada de transmitir las cargas de la estructura al 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.-Pilares y columnas: Son elementos verticales de la estructura. Están sometidos principalmente a un esfuerzo de comprensión.-Vigas: Son elementos horizontales de la estructura que soportan la carga situada entre dos apoyos.

El fallo o mal funcionamiento de un sistema es algo inherente a la actividad humana.Las principales situaciones de fallo de una estructura se originan por: -Fatiga del material: las estructuras están permanentemente sometidas a fuerzas y cargas.-Oxidación y corrosión: Todos los materiales, en especial los metales, sufren procesos de oxidación, que en muchos casos derivan en corrosión.-Diseño estructural erróneo: factores como la óptima selección de materiales, su cálculo, situación, disposición e, incluso, el proceso de ensamble, son esenciales antes de la construcción de una estructura.