Tipos de estructuras, esfuerzos, estabilidad, triangulación

Tipos de estructuras, esfuerzos, estabilidad y triangulación

Introducción

Tu esqueleto, una silla, un puente, la grúa de una obra o la caja de cartón de un pedido tienen algo en común: son estructuras. Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí cuya función es soportar cargas (pesos y fuerzas) sin romperse ni deformarse demasiado, y mantener la forma de un objeto o proteger lo que contiene. En esta lección veremos los tipos de estructuras, los esfuerzos que sufren sus elementos, qué las hace estables y por qué el triángulo es la figura estrella de la ingeniería.

Explicación

1. Condiciones de una estructura

• Resistente: soporta las cargas sin romperse.
• Rígida: no se deforma en exceso.
• Estable: no vuelca ni se cae.

2. Elementos estructurales

Cimientos (reparten el peso sobre el terreno), pilares y columnas (elementos verticales que soportan cargas), vigas (elementos horizontales apoyados en pilares), arcos, tirantes o cables (trabajan estirados) y forjados (los suelos de cada planta).

3. Tipos de estructuras

• Masivas: mucho material macizo y pocos huecos. Pirámides de Egipto, presas.
• Adinteladas: piezas horizontales (dinteles) apoyadas sobre columnas. Templos griegos.
• Abovedadas: usan arcos, bóvedas y cúpulas. Acueducto de Segovia, catedrales.
• Entramadas: red de pilares y vigas, de hormigón armado o acero. Los edificios actuales.
• Trianguladas: barras unidas formando triángulos. Grúas torre, torres eléctricas, la Torre Eiffel.
• Colgantes: la carga cuelga de cables o tirantes. Puentes colgantes como el Golden Gate.
• Laminares o de carcasa: una lámina fina envuelve el objeto. Carrocería de un coche, latas, cascos.
• Neumáticas: se sostienen con aire a presión. Castillos hinchables, colchonetas.

También hay estructuras naturales (esqueletos, conchas, tallos, panales) y artificiales (fabricadas por las personas).

4. Esfuerzos

Las cargas provocan en los elementos esfuerzos, que son las tensiones internas que sufren:

• Tracción: dos fuerzas tienden a estirar el elemento. Cable de un ascensor, cuerda de un columpio.
• Compresión: las fuerzas tienden a aplastarlo o acortarlo. Patas de una mesa, pilares.
• Flexión: tienden a doblarlo. Una viga cargada, una estantería con libros, un trampolín.
• Torsión: tienden a retorcerlo. Una llave al girar en la cerradura, un destornillador.
• Cortadura o cizalladura: dos fuerzas opuestas muy próximas tienden a cortarlo. Papel entre las hojas de unas tijeras, los tornillos de una bisagra.

Un mismo elemento puede sufrir varios esfuerzos a la vez. En una viga que se flexiona, la cara de arriba se comprime y la de abajo se tracciona.

5. Estabilidad

Una estructura es estable si la vertical que pasa por su centro de gravedad cae dentro de su base de apoyo. Si cae fuera, vuelca. Para aumentar la estabilidad se puede:

• Bajar el centro de gravedad, poniendo más peso en la parte inferior (una lámpara con base pesada).
• Ensanchar la base de apoyo (las patas abiertas de una escalera de tijera).
• Anclar o empotrar la estructura al suelo (farolas, señales).
• Usar tirantes que la sujeten (una tienda de campaña, la antena de un barco).

6. Triangulación

El triángulo es el único polígono indeformable: si sus tres lados tienen longitud fija y se unen con articulaciones, no puede cambiar de forma. Un cuadrado articulado, en cambio, se deforma en un rombo con un pequeño empujón. Si añadimos una barra en diagonal, el cuadrado queda dividido en dos triángulos y se vuelve rígido. Esto es la triangulación. En general, para hacer rígido un polígono articulado de n lados se necesitan como mínimo n − 3 barras diagonales.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Identificar esfuerzos en un columpio. Las cadenas soportan el peso del niño estirándose: tracción. Los postes verticales soportan el peso de todo: compresión. La barra horizontal de la que cuelgan las cadenas tiende a doblarse: flexión.

Ejemplo 2. Triangular polígonos. Cuadrado: 4 − 3 = 1 diagonal. Pentágono: 5 − 3 = 2 diagonales, que dividen la figura en 3 triángulos. En general, n − 3 diagonales trazadas desde un mismo vértice dividen el polígono en n − 2 triángulos.

Ejemplo 3. Una estantería que vuelca. Una estantería alta y estrecha con los libros pesados arriba vuelca con facilidad, porque su centro de gravedad está alto y la base es pequeña. Soluciones: colocar los libros pesados en las baldas inferiores (baja el centro de gravedad) y fijarla a la pared con escuadras (anclaje).

Ejemplo 4. Clasificar estructuras. Acueducto de Segovia: abovedada. Edificio de pisos moderno: entramada. Torre de alta tensión: triangulada. Casco de bicicleta: laminar.

Ejercicios