LAS ESTRUCTURAS Y SUS APLICACIONES

ING. MEC. JOSE AROLDO NIMATUJ Q.

ESTRUCTURAS NATURALES Y ARTIFICIALES •ESTRUCTURAS NATURALES

•ESTRUCTURAS ARTIFICIALES

¿PARA QUÉ SIRVEN LAS ESTRUCTURAS?

La estructura que construye el hombre tienen una finalidad determinada, para la que ha sido pensada, diseñada y finalmente construida.

Podemos hacer un análisis en función de la necesidad que satisface:

•Soportar peso: se engloban en este apartado aquellas estructuras cuyo fin principal es el de sostener cualquier otro elemento, son los pilares, las vigas, estanterías, torres, patas de una mesa, etc.

¿PARA QUÉ SIRVEN LAS ESTRUCTURAS?

• Salvar distancias: su principal función es la de esquivar un objeto, permitir el paso por una zona peligrosa o difícil, son los puentes, los teleféricos,

las grúas, etc.

• Proteger objetos: cuando son almacenados o transportados, como las cajas de embalajes, los cartones de huevos, cascos, etc.

TIPOS DE ESTRUCTURAS RESISTENTES

Si observan detenidamente las estructuras están hechas con diferentes materiales, formas y dimensiones, se pueden clasificar en: • Laminar de caparazón, los autos son de acero y tienen este tipo de estructura, y la carcasa de un televisor, un frigorífico…. • De armazón Las torres eléctricas se construyen con perfiles o barras, atornilladas unas con otras.

TIPOS DE ESTRUCTURAS RESISTENTES

• De hormigón armado Los edificios modernos se construyen con este tipo de estructura (cimientos, pilares y vigas de hormigón armado).

• Vigas metálicas Naves industriales.

FUERZAS PRINCIPALES EN ESTRUCTURAS

Hay dos tipos de fuerzas en las estructuras: Fuerzas exteriores = CARGAS Fuerzas interiores = ESFUERZOS DEFINICIÓN DE CARGA. TIPOS DE CARGAS Las cargas son las fuerzas externas que actúan sobre las estructuras. Los tipos de carga más habituales son:

– Los pesos situados sobre las estructuras – El peso de la propia estructura – La presión del agua – La fuerza del viento

DEFINICIÓN DE ESFUERZOS Los esfuerzos son fuerzas internas de resistencia que aparecen en las estructuras y evitan que ésta falle.

•TRACCIÓN: es el esfuerzo a que esta sometido un elemento de una estructura cuando las cargas que actúan sobre él tienden a ESTIRARLO.

• COMPRESIÓN: es el esfuerzo a

que esta sometido un elemento de

una estructura cuando las cargas

que actúan sobre él tienden a

APLASTARLO.

• FLEXIÓN: es el esfuerzo a que esta sometido un elemento de una estructura cuando las cargas que actúan sobre él

tienden a

CURVARLO,

DOBLARLO.

• TORSIÓN: es el esfuerzo a

que esta sometido un elemento de

una estructura cuando las cargas

que actúan sobre él tienden a

RETORCERLO.

• CORTANTE: es el esfuerzo a

que esta sometido un elemento de

una estructura cuando las cargas

que actúan sobre él tienden a

CORTARLO.

ESTUDIANDO ESFUERZOS

• Cuando una viga esta soportando una determinada carga -“a” esfuerzo de flexión- se originan otros esfuerzos: “b” tracción y “c” compresión.

• Por tanto cada viga se ha de diseñar y construir para soportar correctamente todos los esfuerzos a que esta sometida, teniendo en cuenta además que en los extremos está sometida a un esfuerzo de corte “d”.

ESTUDIANDO ESFUERZOS

Tracción Compresión Flexión Cortadura Torsión http://www.profes.net/varios/videos_interactivos/estructuras/index.html

ESTUDIANDO ESFUERZOS

Tracción Compresión Flexión Cortadura Torsión

Las siguientes estructuras son estables, es decir,

no vuelcan, gracias a distintos sistemas. Además de la estabilidad ¿Qué otras condiciones debe cumplir una estructura para funcionar como tal?

ESTRUCTURAS ESTABLES Para que una estructura funcione bien, debe cumplir tres condiciones independientes entre sí: • Estabilidad. Alude a la capacidad de una estructura de mantenerse erguida y no volcar. Para ello, su centro de gravedad debe estar centrado sobre su base. Cuanto más centrado y mas cercano al suelo esté el centro de gravedad, más estable será la estructura. • Resistencia: Es la capacidad de la estructura de resistir las tensiones a las que esta sometida sin romperse. En la resistencia de una estructura interviene la forma y el material que la constituye. • Rigidez: Aunque todos los objetos se deforman levemente al aplicarles una fuerza, esta deformación nunca debe ser tan grande que le impida cumplir su misión.

ESTABILIDAD Centro de gravedad: Cuando representamos la fuerza peso de un objeto, lo suponemos situado en un punto (el centro de gravedad), esto no es real, ya que el peso está distribuido por todo el espacio físico ocupado por el cuerpo. Definimos el centro de gravedad como ese punto característico en el que suponemos el total de la masa del

objeto.

¿CÓMO HACER QUE UNA ESTRUCTURA SEA ESTABLE, RESISTENTE Y RÍGIDA?

• Podemos dar estabilidad a un cuerpo, añadiendo masa en su base, atirantándolo o empotrando su parte inferior en el suelo.

• La resistencia depende del material con que se construye (el hormigón, el acero, la madera o la piedra tienen distintas resistencias), de la cantidad de material que se use y de la forma que tenga la estructura. ¿Cuál de las dos posiciones de esta tabla presenta mejor resistencia a flexión? ¿Por qué?

• La rigidez se consigue soldando las uniones, dando a la estructura una forma apropiada y haciendo triangulaciones, como veremos más adelante. La forma es muy importante, cuando más canto tenga una viga o más ancho sea un pilar, mayor será su rigidez.

ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURA PARTES GENERALES DE UN EDIFICIO

ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURAS FORJADO UNIDIRECCIONAL

ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURAS

La función de los pilares es soportar todo el peso de la construcción, es decir, aguantan el peso de la estructura, paredes interiores, techos, suelos, muebles, personas, etc. Aunque a simple vista parece que los pilares están sometidos a esfuerzos de compresión, la realidad es que la deformación que sufren suele ser lateral, sobre todo si son esbeltos. Por tanto los pilares deberán ser resistentes a pandeo, que es la combadura de un elemento largo y estrecho en su parte central cuando está sometido a compresión. Pandeo = flexión lateral por compresión

ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURAS PILARES

• Los pilares transmiten los esfuerzos a los cimientos, que son los encargados de transmitirlos a su vez al suelo. • Los elementos de cimentación más comunes son las zapatas, cuya misión es la de sostener la estructura para que no se hunda. HA. • Las losas crean una base de gran tamaño que permite asentarse sobre suelos blandos . HA. • Los pilotes, empleados también en terrenos blandos, se clavan en la tierra hasta encontrar una zona de roca dura donde apoyarse.

CIMENTACIÓN: ZAPATAS, LOSA, PILOTES

El ACERO EN LAS ESTRUCTURAS Es uno de los materiales más importantes en la construcción de estructuras. Se utiliza principalmente de dos maneras:

• Como armadura en estructuras de hormigón armado. Son las barras o redondos de acero macizo.

El hormigón esta formado por un aglomerante, por lo general, cemento, arena, grava y agua. Una vez fraguado resiste muy bien la compresión, pero no la tracción. Cuando va acompañado de una armadura de acero para dar más resistencia a flexión se llama hormigón armado.

¿Qué zona de la viga es más necesario

reforzar con barras de acero? ¿pq?

¿Qué es la flecha?

El ACERO EN LAS ESTRUCTURAS • Formando con perfiles la estructura completa:

PERFILES I • Las barras que componen las estructuras se fabrican en diferentes

formas, a la sección transversal perpendicular al eje longitudinal se le denomina perfil.

• Dependiendo del material del que está construida la barra, la obtención de un determinado perfil se realizará por un procedimiento u otro.

• En las barras metálicas los procesos más usados para la obtención de perfiles son: – Mediante un molde: consiste en la fabricación de un molde (de

acero, escayola, de cera etc), sobre el que se vierte el material al que se le va a dar forma. Se utiliza por ejemplo para la fabricación de prefabricados de hormigón, fundiciones, etc.

– Laminación: consistente en hacer pasar al material base (acero, aluminio) por una serie de rodillos que irán poco a

poco dándole la forma apropiada. Para facilitar el proceso, se calientan los metales, de forma que sean más maleables. Mediante la laminación se consiguen piezas como planchas, vigas, redondos, traviesas, etc. – Extrusión: el metal extrusionado tiene que ser fácilmente maleable, de forma que se le empuja a través de un orificio que tiene la forma del perfil que queremos obtener.

Formas más comunes:

PERFILES II Veamos a continuación con más detalle algunos perfiles. • Perfil en T: es muy usual en la construcción, se coloca con las

alas hacia abajo, de manera que puedan apoyarse sobre él ladrillos, rasillones, y otros elementos constructivos.

• Perfil en L o angular: es un perfil de forma que la sección es un ángulo recto. Se utiliza mucho en la

construcción de estructuras metálicas, en la parte de cubiertas. Principalmente para tracción y compresión, poco a flexión.

PERFILES III

• Perfil en doble T: es el que se coloca en

pilares. Trabaja también muy bien con

esfuerzos de flexión (también a tracción y

compresión). Son perfiles IPN o IPE.

• Perfil de ala ancha: es una viga en doble T,

en la que la altura total es igual a la anchura de las alas. Es un perfil HEB.

• Perfil UPN: sección en U. Se utiliza

para tracción, compresión y flexión.

En pilares se usa la sección UPN en cajón.

• Sección cuadrada, perfiles huecos,

listones planos, etc.

PERFILES IV

IMPORTANTE: La elección de un tipo específico de perfil depende de la misión que deba desempeñar dentro de la estructura y de los esfuerzos que tenga que soportar.

Los perfiles se diseñan

de manera que alcanzando

los distintos elementos

la misma resistencia sean

lo más ligeros posible.

PERFILES V UNIONES Con los perfiles que hemos visto, se realizan las

estructuras metálicas, para ello es necesario realizar una serie de uniones entre los diferentes elementos. Tipos de uniones:

Soldadura: se trata de un sistema que une las partes de forma permanente (fija), por tanto

es apropiado para estructuras que no van a ser desmontadas o trasladadas. Métodos de

soldadura hay muchos, pero básicamente consiste en calentar las piezas a unir de manera que mediante la aportación de un material fundente o no, queden perfectamente unidas.

Unión mediante tornillos: es el apropiado para estructuras que son desmontables, de forma que las diferentes partes de la estructura quedan unidas mediante un tornillo y su

correspondiente tuerca.

ESTRUCTURAS TRIANGULADAS

Están compuestas por barras enlazadas formando triángulos. Constituyen una estructura rígida. Sus elementos más importantes:

Barras: perfiles

Tirantes o tensores: elementos que soportan vigas, columnas, etc.

Nudos: uniones entre las diferentes barras: soldadura, tornillos

ESTRUCTURAS TRIANGULADAS

TRIANGULACIÓN

El triángulo es el único polígono indeformable, por lo que se emplea con mucha frecuencia en la construcción de estructuras.

ESTUDIO DE ESFUERZOS EN BARRAS

ELEMENTOS RESISTENTES EN LAS ESTRUCTURA

ESTRUCTURAS COLGANTES

• Se utilizan cables de los que cuelga la estructura.

• Tirantes y tensores que trabajan solo a TRACCIÓN.

• Para sujetar carpas, puentes, antenas, torres, etc.

MATERIALES DE ESTRUCTURAS I Madera: - Obtención: Se obtiene del árbol, lleva un proceso de corte, secado y preparación de la madera. - Tipos: Pino Flandes, Eucalipto, Haya, Roble, Caoba, aglomerado, contrachapado. - Propiedades: Dureza media, ligero, flexible, fácil de trabajar (moldeable). - Aplicaciones: Muebles en su mayoría, pasta de papel, algunos edificios (Japón edificios sin clavos). Acero: - Obtención: Fundición de Hierro (99%) y Carbono (1%). Si se añade Cromo o Níquel es inoxidable. - Tipos: Acero al carbono, acero inoxidable, Hierro fundido, etc. - Propiedades: Dureza alta, no frágil, flexible, moldeable a altas temperaturas. - Aplicaciones: Industrias, edificios, llaveros, relojes, etc. Hormigón: - Obtención: Mezcla proporcionada de: arena, cemento, agua, áridos ( y acero si es hormigón armado). - Tipos de acero: Hormigón en masa (poco practico, solo de relleno), hormigón armado. - Propiedades: Dureza alta, frágil a tracción y flexión, moldeable (fragua en 21 días). - Aplicaciones: construcción en general. Otros: ladrillos (relleno-aislante), cemento (unión, enlucir), corcho (aislante térmico y acústico), etc.

MATERIALES DE ESTRUCTURAS II

ELECCIÓN DEL MATERIAL:

Se realiza teniendo en cuenta 4 factores:

- Propiedades del material (dureza, flexibilidad, conductividad eléctrica, etc.)

- Disponibilidad (si el material es abundante o escasea, donde se encuentra, transporte, etc.)

- Procesos de fabricación (Si se puede fabricar, que procesos conlleva, contaminación, etc.)

- Costes (lo que cueste al final, sumando obtención, transporte, transformación, venta, etc.)

¿Qué se tiene en cuenta para diseñar estructuras?

TIPO DE ESTRUCTURA APROPIADO: Armazón (barras), laminar, de hormigón armado, metálica, colgante, etc. CONSEGUIR ELEMENTOS DE ESTRUCTURAS RESISTENTES: a) Elección material - Propiedades físicas - Disponibilidad - Procesos de fabricación - y Costes c) Basándonos en elementos conocidos: - Viga elemento destinado a resistir a flexión - Pilar elemento destinado a resistir a compresión - Pórtico conjunto de elementos que dan forma a edificios o naves - Zapata elemento de sustentación de las construcciones - Montantes y tirantes elementos característicos para salvar grandes distancias (Ej.: puentes) - Otros elementos (tirantes, cartelas, etc.) d) Eligiendo secciones adecuadas según a los esfuerzos que estén sometidas las barras. Ejemplos: - Un cable resiste bien a tracción. - Una viga en doble T la que mejor resiste a flexión. - En que posición resiste mejor a flexión una regla tumbada o de canto?

¿Qué se tiene en cuenta para diseñar estructuras?

CONSEGUIR UNA ESTRUCTURA RESISTENTE: a) Ser estable: sometida a esfuerzos que no vuelque. - Centro de Gravedad bajo. - Base ancha. -Anclaje o fijación al suelo. b) Ser rígida: sometida a esfuerzos no se deforme, y sus elementos resistan. - Con triangulaciones. - Con uniones rígidas.

FUERZAS I Representación de fuerzas: se puede entender por fuerza toda acción sobre un objeto que tiende a modificar el estado de reposo o movimiento de dicho objeto, o que puede deformarlo de forma permanente o transitoria. Una fuerza produce diferentes efectos sobre un cuerpo, según sea la dirección y el sentido en que se apliquen. Para distinguir entre dirección y sentido, pongamos el símil de una carretera, ésta (la dirección) es única, pero tiene dos sentidos:

Al representar las fuerzas emplearemos flechas que denominaremos vectores, estos quedan definidos por un módulo (su valor), por la dirección y sentido.

FUERZAS II Suma y resta de fuerzas: las que tienen la misma dirección y sentido, se suman, mientras que las que tienen la misma dirección pero sentido contrario se restan. En el caso de que las fuerzas no tengan la misma dirección, hay que realizar una pequeña composición, consistente en colocar el principio de un vector en el final del anterior, la fuerza resultante el vector que va desde el inicio del primero al final del último. Acción y reacción: cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo, se produce otra en la misma dirección pero en sentido contrario. Momento: podemos calcular el momento de una fuerza respecto de un punto, como el producto del valor de dicha fuerza por la distancia. El momento tiende a hacer girar un cuerpo, cuanto mayor sea la fuerza o mayor la distancia mayor será el momento. M = F * D.

ESTABILIDAD- EQUILIBRIO

Equilibrio: un objeto está en equilibrio, cuando la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero.

Pero además, la suma de los momentos de todas

las fuerzas que actúan sobre el objeto debe ser

igual a cero. Supongamos un volante, en el que hay

aplicada dos fuerzas iguales y de sentido contrario,

tal y como el de la fotografía, ¿está en equilibrio?

ESTABILIDAD- EQUILIBRIO

Centro de gravedad: Cuando representamos la fuerza peso de un objeto, lo suponemos situado en un punto (el centro de gravedad), esto no es real, ya que el peso está distribuido por todo el espacio físico ocupado por el cuerpo. Definimos el centro de gravedad como ese punto característico en el que suponemos el total de la masa del objeto. Un cuerpo está en equilibrio cuando la proyección de su centro de gravedad cae dentro de la base de sustentación, por el contrario cuando el CG cae afuera de esta el cuerpo pierde el equilibrio.

ESTABILIDAD- EQUILIBRIO

• ¿Qué es el centro de gravedad C.G.? Es el punto donde se mantiene el equilibrio de un objeto.

• Aplicación: La principal aplicación del C.G. es la estabilidad y hay 3 formas de conseguirlo:

LA ALTURA Cuanto más bajo es un objeto mas bajo estará su CG y mayor equilibrio tendrá

LA BASE DE SUSTENTACIÓN Cuanto más grande es la base de sustentación, mayor será el equilibrio de cualquier cuerpo

FIJACIÓN AL SUELO CON CIMIENTOS O ANCLAJES QUE IMPIDAN EL VUELCO

ESTABILIDAD- EQUILIBRIO

• Rigidez y elasticidad: podemos definir elasticidad como la propiedad que tienen los cuerpos para retornar a su forma inicial una vez ha sido suprimidas las fuerzas que ha provocado la deformación. La elasticidad depende del material, todos los materiales son más o menos elásticos. Un cuerpo con un elasticidad baja será rígido. Si sometemos a un material elástico a un determinado esfuerzo, de manera que este sobrepase un determinado valor (límite elástico), en primer lugar veremos que la deformación se ha convertido en permanente, pero si seguimos aplicando el esfuerzo, llegará un momento en que se produzca la rotura.