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1. INTRODUCCIÓN
Las estructuras están presentes en
todo lo que nos rodea aunque no nos demos cuenta. Las encontramos tanto en los
seres vivos como en los objetos (caparazón de un caracol, tronco de un árbol,
máquinas, muebles, edificios, etc.).
Desde
tiempos remotos, el ser humano ha diseñado y utilizado distintos
elementos resistentes para que le ayudaran a contrarrestar los
esfuerzos o cargas a los que estaban sometidas sus construcciones.
Pero… ¿Qué es una
estructura?
De forma
sencilla, se puede entender la estructura de un objeto como el “esqueleto” o
“armazón” que soporta el propio peso del objeto, lo protege frente a otras
fuerzas externas, y además mantienen unidos entre sí todos sus elementos.
El
edificio de L’Hemisferic en la Ciudad de las Artes y las Ciencias (Valencia)
presenta una vanguardista estructura
2. LAS
ESTRUCTURAS QUE NOS RODEAN
2.1. Definición y función de las estructuras
La mayoría de objetos a nuestro alrededor disponen
de estructura: edificios, puentes, sillas, estanterías, automóviles, pupitres,
etc.
La estructura de un objeto se
define como el conjunto de elementos unidos entre sí que le permiten
mantener su forma y tamaño sin deformarse, cuando sobre el objeto
actúan una serie de fuerzas externas.
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Por tanto ¿cuál es la función de las estructuras?
- Soportar pesos (el peso de los elementos sobre la
estructura, y el peso mismo del objeto y de la propia estructura).
- Resistir fuerzas externas (la pared de una presa soporta
la fuerza del agua contenida en el embalse, así como el tejado soporta el peso de la nieve caída).
- Mantener la forma (igual que el esqueleto nos da forma,
las estructuras proporcionan la forma de los
objetos).
- Servir de protección (la carcasa de un monitor o de un
ordenador protege los elementos que encontramos dentro, así como el chasis del
automóvil protege a los pasajeros)
2.2. Tipos de estructuras
Una primera clasificación de las estructuras, atendiendo a su naturaleza, nos permite distinguir entre:
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A. Estructuras naturales. Se encuentran en la naturaleza de forma espontánea.
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| | B. Estructuras artificiales. Aquellas creadas por el hombre. |
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Según los elementos con los que están construidas, las estructuras se pueden clasificar en 3 grandes grupos:
ESTRUCTURAS
MASIVAS. ESTRUCTURAS LAMINARES (DE
CARCASA).
ESTRCTURAS DE ARMAZÓN.
A. ESTRUCTURAS MASIVAS
Son estructuras muy pesadas y macizas, construidas con elementos muy gruesos, anchos y resistentes.
Ejemplos: grandes presas, antiguas iglesias o puentes de piedra y grandes pilares o arcos, pirámides, acueductos, etc.
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B. ESTRUCTURAS LAMINARES (DE CARCASA)
Están
constituidas por láminas o paneles resistentes y delgados formando
carcasas, que envuelven o protegen las piezas internas del objeto. La
resistencia de estas carcasas se consigue dándoles a las láminas una
determinada forma.
Ejemplos: chasis del coche, carcasa del ordenador, esqueleto de un animal, etc.
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C. ESTRCTURAS DE ARMAZÓN
Están
formadas por piezas como barras, tubos, pilares, vigas o cables unidos
entre sí para formar una especie de esqueleto o amazón. Según la
disposicion de sus elementos pueden ser:
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Trianguladas: Se construyen mediante unión de barras que van formando
triángulos. Ejemplos: torres del tendido eléctrico, grúas, soportes de anteanas, puentes de hierro, etc.
* Entramadas:Tienen
elementos verticales y horizontales que se unen entre sí,
formando una especie de malla. Los elementos horizontales se apoyan en
los verticales. Ejemplos: esetructura de un edificio, travesaños de una
silla, marcos de ventanas, andamios, etc.
* Colgadas: El
peso es soportado por cables que están unidos a otros elementos más
robustos como muros o torres resistentes. Ejemplos: puentes colgantes
Torre de alta tensión
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Andamio de construcción
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Golden Gate
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Actividades (1)
Contesta en tu cuaderno las
siguientes preguntas, copiando los enunciados completos:
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1. Indica si son correctas las siguientes afirmaciones y explica tu respuesta.
a) Las estructuras sólo sirven para soportar
pesos.
b) Sólo los edificios y los puentes tienen estructura resistente debido a su tamaño.
c) Las carcasas de los electrodomésticos sirve para ocultar sus piezas internas.
2. Relaciona cada elemento con el tipo de estructura empleado:
Frigorífico
De carcasa
Muralla
Antena
colectiva
Masiva
Edificio
Carpa de un
circo
De armazón
3. Para cada objeto, indica el tipo de estructura que lo conforma
y su función en el objeto.
a) La carrocería de un
coche
b)
Templo griego
c) Soporte de
antena
d)
Puente romano
e) Puente
colgante
f) Rascacielos
g)
Presa
h)
Acueducto romano
i) Cubierta de la
tele
j) Silla.
4. Indica si las siguientes estructuras son: masivas, de carcasa,
trianguladas, entramadas o colgantes:
5. En las imágenes
tienes ejemplos de estructuras famosas.
Averigua su nombre
e indica su tipo:
a)
b)
c)
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d)
e)
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6. Busca al menos 5 ejemplos de
estructuras sencillas en tu localidad, tu barrio, tu casa, etc. Nómbralas
e indica el tipo al que pertenecen.
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3. ELEMENTOS RESISTENTES
Como se vio en su definición, las estructuras
están formadas por varias piezas o elementos. Todos los elementos resistentes
ayudan y trabajan juntos soportando las cargas y esfuerzos asociados para que
la estructura no se deforme, se rompa o caiga.
3.1. Elementos y perfiles
Si observamos una estructura cualquiera, comprobaremos que está formada
por una serie de elementos simples que, en conjunto, proporcionan al
diseño rigiedez y resitencia suficientes para soportar todas las cargas
o esfuerzos a los que se ve sometida.
Son elementos simples de una
estructura todos aquellos tramos en los que se puede subdividir. Cada
uno de estos tramos puede estar formado por uno o varios perfiles. Los
perfiles son las formas comerciales que las que suelen suministrarse el
acero y otros materiales (por ejemplo, el aluminio)
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En función de la posición que ocupan y del esfuerzo que han de
soportar, los elementos simples se pueden clasificar en: vigas,
cerchas, pilares, columnas, tirantes y tensores
3.2. Elementos característicos de una estructura
Por ejemplo, observa
cómo trabajan los distintos elementos de la estructura de una barra fija cuando
una gimnasta se balancea sobre ella:
 
Veamos a continuación una lista de los elementos resistentes más habituales
en estructuras:
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VIGAS Y VIGUETAS.
Las vigas son elementos resistentes horizontales, formados por uno o
más perfiles. Apoyan sus extremos directamente sobre los pilares para
crear el suelo de la planta de un edificio, por lo que experimentarán esfuerzos de flexión.
Las cargas que soportan son los pesos de personas y muebles que habrá
en el edificio, por lo que hay una tendencia a doblarse bajo dicho peso.
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PILARES Y COLUMAS.
Son elementos de soporte alargados y verticales. Soportan el peso de
otras partes de la estructura que están por encima de ellos, como es el
caso de las vigas, cerchas u otros elementos, de modo que transmiten
las cargas a la cimentación (zapatas). Por lo
tanto, los pilares y columnas están sometidos a esfuerzos de compresión.
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CIMENTACIONES Y ZAPATAS.
Son grandes bloques de hormigón enterrados bajo el suelo, y su misión
es soportar todo el peso de la estructura que tienen encima. Están
sometidas por tanto a un esfuerzo de compresión
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Tirantes
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TIRANTES. Son barras o cables de acero que sirven para reforzar,
dar equilibrio a la esturctura, o para sujetar dos partes de la
estructura entres sí (ver imagen de la antena). Están sometidos a esfuerzos de tracción.
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RIOSTRAS O CERCHAS.
Formadas por la unión de elementos resistentes que adoptan una
disposición de celdillas triangulares (triangulación de la estructura)
y que se comportan como una viga de enormes dimensiones. Estas
estructuras permiten salvar grandes distancias entre sus apoyos. Pueden
estar sometidas a esfuerzos de tracción o compresión.
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ESCUADRAS. Son elementos triangulares de refuerzo en los puntos de
unión de las piezas de las estructuras. Están sometidas a esfuerzos de
compresión.
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Actividades (2)
Contesta en tu cuaderno las
siguientes preguntas, copiando los enunciados completos:
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1. Nombra cada uno de los
elementos de la estructura:
2. Indica
a qué esfuerzos están sometidos los siguientes elementos resistentes:
a. Las
zapatas de un edificio:
b. Las
vigas de una estructura:
c. Los
cables que sujetan la antena de TV:
d. Los
pilares de un puente romano:
3.
En el siguiente puente
colgante, indica mediante flechas los diferentes elementos resistentes
que forman su estructura, así como los esfuerzos que deberán de
soportar cada uno de
ellos:
4. Verdadero o Falso. Si la
frese en falsa, rescríbela de nuevo para conseguir que sea una afirmación verdadera:
a. Las vigas se colocan verticalmente en una estructura, mientras que las columnas están horizontalmente
b. Las vigas son cables que se utilizan para reforzar las estructuras.
c. Las vigas se apoyan sobre los cimientos.
d. Los pilars se sitúan sobre las vigas.
e. El tablero de un puente colgante se sueta mediante a la estructura mediante escuadras.
f. Los pilares ejercen esfuerzos cortantes sobre las vigas.
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4. CARGAS Y
ESFUERZOS EN ESTRUCTURAS
4.1. Cargas
Como hemos comentado anteriormente,
las estructuras se ven sometidas a fuerzas
externas, tales como pesos de
objetos sobre ellas, el propio peso de la estructura, la fuerza del agua o del
viento, etc.
Por ejemplo, la estructura de un
edificio soporta el peso de los muebles, el peso de vigas y ladrillos, el peso
de las personas que viven en el edificio, la fuerza del viento, el peso de la
nieve, etc.
* A estas
fuerzas externas aplicadas sobre las estructuras se les denominan CARGAS.
El peso de pilares, la fuerza del viento, y el
peso de los coches coches actúan como cargas para la estructura del puente.
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La presión del agua embalsada supone una importante
carga sobre la estructura de la presa.
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4.2. Esfuerzos
Las cargas que soportan las
estructuras generan fuerzas internas en
la propia estructura (tensiones), que tienden a deformarlas y/o romperlas.
* A estas
fuerzas deformantes producidas por las cargas se las llaman ESFUERZOS.
Por ejemplo, imagínate que tu
compañero te estira de un dedo de la mano. Tu mano sería la estructura,
mientras que la fuerza externa que hace tu compañero para estirar de ti sería
la carga. El esfuerzo sería la tensión que notas en el dedo que te causa cierta
molestia. Si tu compañero hiciese mucha fuerza, el esfuerzo que sufrirías
podría llegar a doblarte o romperte el dedo.
4.3. Tipos de esfuerzos
Dependiendo de la carga aplicada a la estructura,
ésta puede sufrir 5 tipos de esfuerzos distintos:
a) Esfuerzo de tracción.
b) Esfuerzo de compresión.
c) Esfuerzo de flexión.
d) Esfuerzo de corte o cizalladura.
4.3.1. Tracción Una estructura está sometida a un esfuerzo de
tracción cuando se aplican dos fuerzas o cargas de sentido opuesto, que tienden
a deformar la estructura por alargamiento.
4.3.2. Compresión
Una estructura está sometida a un esfuerzo de
compresión cuando sufre dos fuerzas o cargas de sentido opuesto que tienden a
deformar la estructura por aplastamiento.
4.3.3. Flexión
Una estructura está sometida a un esfuerzo de flexión cuando recibe fuerzas
o cargas que tienden a doblar la
estructura.
4.3.4. Torsión
Una estructura está sometida a un esfuerzo de
torsión cuando recibe dos fuerzas o cargas opuestas que tienden a retorcer la estructura.
4.3.5. Corte o cizalladura
Una estructura está sometida a un esfuerzo
cortante o de cizalladura cuando recibe dos fuerzas o cargas opuestas que
tienden romper o cortar la
estructura.
Actividades (3)
Contesta en tu cuaderno las
siguientes preguntas, copiando los enunciados completos:
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1. Observa las siguientes fotografías e indica las cargas (fuerzas externas)
que soportan cada una de las estructuras.
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Recinto
polideportivo, en cuyas gradas suele haber espectadores. Se sitúa en un lugar
donde los inviernos suelen ser muy fríos
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Plano del piso
amueblado de un edificio de 10 alturas.
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Puente colgante con frecuente tráfico de
automóviles, situado en una zona muy ventosa
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2. Relaciona los siguientes efectos con su respectivo esfuerzo:
Flexión
estiramiento
Torsión
aplastamiento
Cizalladura
doblado de la pieza
Compresión
retorcimiento
Tracción
corte
3. Relaciona mediante flechas cada uno de los objetos con el esfuerzo que soporta.
Tracción
Patas
de la mesa.
Compresión
Tablero
de la mesa.
Flexión
Cadena
con colgante.
Torsión
Guillotina.
Corte o
Cizalladura
Sacar
punta al lápiz.
4. Observa los dibujos
siguientes e identifica el tipo de esfuerzo que se está realizando:
5. Señala el tipo de esfuerzos se
producen en cada uno de los objetos numerados de la siguiente figura:
6. Completa la siguiente tabla:
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Acción
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Elemento
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Tipo
de esfuerzo
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Saltar sobre una cama
elástica.
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Superficie de la cama
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Cuerdas de
sujeción de la cama
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Sentarse en una
silla
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Asiento
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Patas
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Girar llave en la cerradura
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Llave
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Clavar un calvo
en una tabla
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Tabla
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¿Cómo identificar los esfuerzos en una estructura?
Para identificar los esfuerzos que hay en las distintas
partes de una estructura primero tenemos que ver las cargas que hay aplicadas.
Después observar el efecto que tienen esas cargas sobre cada una de las partes
de la estructura.
Para conocer el efecto de las cargas sobre las partes de
una estructura, puedes imaginar que, en vez de estar hechas de materiales
resistentes, son de un material blando (plastilina, goma). Después piensa que
pasaría con cada una (si se aplasta, se estira, se dobla se retuerce o se corta).
Practica lo explicado con las siguientes estructuras:
8. En un columpio, identifica los esfuerzos a que
están sometidos los elementos de su estructura.
9. Decir
que tipo de esfuerzo soporta
(compresión, torsión, flexión, cortadura, tracción).
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5. MÁQUINAS Y MECANISMOS
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• Una máquina es
un conjunto de elementos móviles y fijos que se utiliza para producir un
trabajo.
• Los mecanismos son elementos que pueden transmitir
y transformar movimientos y fuerzas desde un elemento motriz o conductor
hasta un elemento conducido.
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5.1. Mecanismos de transmisión lineal
• Palanca: barra rígida
que gira en torno a un punto de apoyo, lo cual permite realizar un esfuerzo
reduciendo el trabajo.
Según la
posición del punto de apoyo o fulcro, las palancas se clasifican en tres
géneros:
• Poleas: es un
mecanismo compuesto por una rueda que gira alrededor de un eje. Tiene un canal
o carril por el cual pasa una cuerda o una correa. El principal objetivo del
uso de las poleas es reducir el esfuerzo obteniendo ventaja mecánica.
5.2. Mecanismos de transmisión circular
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a) Poleas de
transmisión:
la transmisión se produce entre dos o más poleas unidas por correas flexibles,
que transmiten el movimiento circular entre ejes separados y pueden modificar
sentido de giro, fuerza y velocidad. Los ejes pueden ser paralelos o cruzados.
Si las poleas
tienen diámetros diferentes, se obtiene una ventaja mecánica, y la transmisión
puede ser de dos tipos:
• Multiplicadora
de velocidad: cuando la polea conductora tiene un diámetro mayor que la
polea conducida, esta girará más rápido, pero su eje transmitirá menos fuerza.
• Reductora
de velocidad: la polea conductora tiene un diámetro menor que la conducida;
esta gira más despacio, pero el eje transmite más fuerza.
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b) Ruedas de
fricción: son
dos ruedas que transmiten el movimiento circular entre ejes muy próximos. La
transmisión se realiza por rozamiento, por lo que las ruedas suelen ser de un
material antideslizante, como la goma, y siempre se cambia el sentido de giro.
5.2.1. Ruedas dentadas
La rueda dentada
encaja en una cadena para transmitir el movimiento a la rueda conducida. Puede
modificar la fuerza y la velocidad, pero no el sentido de giro, y los ejes
siempre tienen que estar paralelos.
5.2.2. Engranajes
Los engranajes
son ruedas dentadas cuyos dientes encajan entre sí y transmiten fuerza y
movimiento circular. Los dientes pueden tener distintas formas que se utilizan
en función de la posición de los ejes.
5.2.3. Tornillo sinfín-corona
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Transmisión que
está formada por un tornillo y una rueda dentada llamada corona. Se emplea para
transmitir movimiento circular entre dos ejes perpendiculares que se cruzan. La
transmisión no es reversible, es decir, el tornillo siempre es el elemento
conductor y la corona, el conducido.
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5.2.4. Transformación del movimiento
Transformación
del movimiento circular en alternativo:
• Biela-manivela: el mecanismo compuesto por una
biela, que realiza un movimiento lineal alternativo, y una manivela, que
realiza un movimiento circular.
• Cigüeñal: conjunto de manivelas que están
dispuestas sobre un mismo eje.
• Leva-seguidor: una leva es una
rueda unida a un eje que tiene salientes o entrantes (deformaciones) que, al
girar, comunican su movimiento a un seguidor o empujador, al cual transmite el
movimiento alternativo.
• Excéntrica: rueda que gira sobre su eje, pero
no pasa por su centro. Transmite el movimiento de la misma forma que la leva a
un seguidor.
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Transformación
del movimiento circular en lineal:
• Tornillo-tuerca: el
tornillo gira y la tuerca se moverá linealmente; por el contrario, si gira la
tuerca, el tornillo será el que realice el movimiento lineal.
• Piñón-cremallera: este mecanismo está formado
por una rueda dentada, denominada piñón, que engrana con una barra también
dentada, denominada cremallera. Ambos han de tener el mismo paso para que se
transmita el movimiento.
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