Tipos de estructuras, esfuerzos, estabilidad, triangulación - Ejercicios y resumen
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Estructuras: tipos, esfuerzos, estabilidad y triangulación (ejercicios y resumen)
Introducción
Una estructura es el conjunto de elementos de un objeto que le permiten mantener su forma y soportar las fuerzas (cargas) que actúan sobre él sin romperse ni deformarse en exceso. Tienen estructura un puente, un edificio, una silla, una bicicleta, una grúa o tu propio esqueleto. En esta lección repasamos los tipos de estructuras, los esfuerzos que soportan sus elementos, cómo se consigue que sean estables y por qué los triángulos son tan importantes. Al final encontrarás ejemplos resueltos, ejercicios y un resumen.
Explicación
1. Cargas y elementos de una estructura
Las cargas son las fuerzas que soporta una estructura. Pueden ser fijas (su propio peso, el de los tabiques o el tejado) o variables (personas, muebles, viento, nieve, vehículos). Los elementos estructurales más habituales son:
Cimentación: reparte el peso de la estructura sobre el terreno.
Pilares y columnas: elementos verticales que transmiten las cargas hacia la cimentación.
Vigas: elementos horizontales que soportan las cargas de los forjados y las transmiten a los pilares.
Tirantes o tensores: cables o barras que sujetan elementos tirando de ellos.
Arcos: elementos curvos que reparten las cargas hacia los apoyos laterales.
2. Tipos de estructuras
Masivas: mucho material y pocos huecos. Ejemplos: las pirámides de Egipto o una presa.
Adinteladas: columnas verticales sobre las que se apoyan piezas horizontales llamadas dinteles. Ejemplo: los templos griegos.
Abovedadas: usan arcos, bóvedas y cúpulas para cubrir espacios grandes. Ejemplos: el acueducto de Segovia o el Panteón de Roma.
Entramadas: una red de vigas y pilares unidos entre sí, normalmente de hormigón armado o acero. Es la estructura de la mayoría de los edificios actuales.
Trianguladas: barras unidas formando triángulos. Son ligeras y rígidas. Ejemplos: torres eléctricas, grúas, la torre Eiffel.
Colgadas: el peso cuelga de cables sujetos a pilares o torres. Ejemplo: un puente colgante.
Laminares: láminas delgadas que envuelven el objeto, como la carrocería de un coche o una lata de refresco.
Neumáticas: se mantienen gracias a un gas (aire) a presión. Ejemplo: castillos hinchables o colchones de aire.
3. Esfuerzos
Cuando una carga actúa sobre un elemento, este sufre un esfuerzo. Los cinco esfuerzos básicos son:
Tracción: las fuerzas tiran del elemento y tienden a estirarlo. Ejemplo: el cable de un ascensor o de una grúa.
Compresión: las fuerzas empujan y tienden a aplastarlo o acortarlo. Ejemplo: las patas de una mesa o un pilar.
Flexión: el elemento tiende a doblarse. Ejemplo: una viga o un trampolín cuando alguien se pone encima.
Torsión: las fuerzas tienden a retorcerlo. Ejemplo: una llave al girar en la cerradura o un destornillador.
Cortadura o cizalladura: dos fuerzas próximas y de sentido contrario tienden a cortarlo. Ejemplo: el papel cortado con unas tijeras o un clavo que sujeta dos piezas.
Una viga que se flexiona trabaja a la vez a compresión (en su parte de arriba) y a tracción (en su parte de abajo).
4. Condiciones de una estructura
Resistente: soporta las cargas sin romperse.
Rígida: no se deforma en exceso.
Estable: no vuelca. Para que una estructura sea estable, la vertical que pasa por su centro de gravedad debe caer dentro de su base de apoyo. Se mejora la estabilidad ensanchando la base, bajando el centro de gravedad (poniendo más peso abajo) o anclando la estructura al suelo o con tirantes.
5. Triangulación
Un cuadrado formado por cuatro barras articuladas se deforma con facilidad: se convierte en un rombo. Un triángulo, en cambio, es la única figura que no se deforma si sus barras no se doblan ni se estiran, porque con tres lados fijos solo existe una forma posible. Por eso, para dar rigidez a una estructura de barras se añaden diagonales que la dividen en triángulos: es la triangulación. En una estructura plana triangulada sencilla, el número mínimo de barras para que sea rígida es b = 2n − 3, siendo n el número de nudos.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. Esfuerzos en un columpio. Un niño se sienta en un columpio colgado de una barra horizontal que se apoya en dos patas.
Las cadenas tiran del asiento: trabajan a tracción.
La barra horizontal soporta el peso en su centro y tiende a doblarse: trabaja a flexión.
Las patas soportan el peso de todo y tienden a aplastarse: trabajan a compresión.
Los tornillos que unen la barra con las patas tienden a cortarse: trabajan a cortadura.
Ejemplo 2. Triangular un marco cuadrado. Un marco cuadrado tiene 4 nudos y 4 barras. ¿Cuántas barras necesita como mínimo para ser rígido?
Aplicamos b = 2n − 3 = 2 · 4 − 3 = 5 barras.
Tiene 4, así que falta 1 barra: una diagonal, que divide el cuadrado en dos triángulos.
Ejemplo 3. Estabilidad de una lámpara de pie. Una lámpara alta se cae con facilidad. Para hacerla más estable podemos poner una base más ancha y más pesada: así el centro de gravedad baja y su vertical cae dentro de la base aunque la lámpara se incline un poco.
Ejercicios
El cable que sostiene la cabina de un ascensor, ¿a qué esfuerzo está sometido?
Una estructura plana de barras tiene 5 nudos. ¿Cuántas barras necesita como mínimo para estar triangulada y ser rígida?
Al girar una llave dentro de la cerradura, ¿qué esfuerzo soporta la llave?
¿Cuál de estas acciones hace más estable una estructura?
Resumen
Una estructura soporta cargas sin romperse, sin deformarse en exceso y sin volcar.
Tipos: masivas, adinteladas, abovedadas, entramadas, trianguladas, colgadas, laminares y neumáticas.