Tema 5. Las estructuras como elementos resistentes

Tema 5. Las estructuras como
elementos resistentes
Víctor M. Acosta Guerrero
José Antonio Zambrano García
Departamento de Tecnología
I.E.S. Maestro Juan Calero
Tema 5. Las estructuras como elementos resistentes
Tecnología 1º ESO
Tema 5. Las estructuras como elementos resistentes.
1. INTRODUCCIÓN.
Desde la antigüedad, el ser humano ha diseñado y utilizado elementos resistentes
para soportar los esfuerzos o cargas a los que están sometidas las construcciones.
Además, la propia naturaleza cuenta con muchos tipos de estructuras, que en gran
medida el ser humano ha intentado imitar y mejorar.
Todas las construcciones, máquinas y objetos, incluso los animales y vegetales
existentes en la naturaleza, están sujetos a la acción de fuerzas. Estas fuerzas van desde
su propio peso, hasta todo tipo de empujes y acciones exteriores como el viento, el peso
de otros objetos o la presión de los líquidos. La misión de las estructuras es soportar las
acciones externas, manteniendo la forma de las construcciones.
A lo largo de este tema, vamos a estudiar los distintos tipos de estructuras que
existen, los tipos de esfuerzos a los que se encuentran sometidas, así como los
elementos que las componen.
Además conoceremos un poco más unas estructuras muy especiales: los puentes.
2. Tipos de estructuras.
En este apartado vamos a realizar una clasificación de las estructuras atendiendo a
distintos factores:

En función de su utilidad o situación.
 Pilares. Son barras apoyadas verticalmente, cuya función es la de soportar
cargas o el peso de otras partes de la estructura. Los materiales de los que
pueden estar hechos son muy diversos, como hormigón armado, madera,
acero, etc… Como veremos más adelante soportan fundamentalmente
esfuerzos de compresión y pandeo.
 Vigas. Son piezas o barras horizontales, con una determinada forma en
función del esfuerzo que soportan. Forman parte fundamental de los forjados
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de las estructuras. Los principales esfuerzos a los que están sometidas son
los de flexión.
 Muros. Soportan los esfuerzos en toda su longitud, de forma que reparten las
cargas. Están construidos de materiales variados: bloques de ladrillo, de
hormigón, de piedra, etc…
 Arcos. Son elementos constructivos con forma redondeada, con gran
complejidad constructiva, y que tienden a repartir los esfuerzos a los pilares.
 Tirantes. Son elementos que se utilizan fundamentalmente para asegurar
pilares, y que se fabrican de distintos materiales, como cables de acero,
cuerdas, tensores, etc… Soportan esfuerzos de tracción.

En función de su origen.
 Naturales. Como los esqueletos, los troncos de los árboles, las estalactitas y
las estalagmitas, etc…
 Artificiales. Son todas aquéllas que han sido proyectadas y construidas por el
hombre, como los edificios, los puentes, las atracciones de feria, etc…

En función de su movilidad.
 Móviles. Son aquéllas que se pueden desplazar, o tienen articulaciones.
Ejemplos de este tipo son los puentes móviles, las bisagras o el esqueleto.
 Fijas. Son las que no pueden sufrir desplazamientos, o estos son mínimos.
Como ejemplos están los pilares, las vigas, etc…
3. Función de las estructuras.
Las estructuras que construye el hombre tienen una función determinada, para la
cual han sido diseñadas, calculadas y construidas.
Cuentan con distintas funciones:

Soportar peso. Se incluyen este punto elementos como pilares, vigas, torres,
estanterías, etc… cuyo principal fin es el de soportar el peso de otros elementos.
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
Salvar distancias. Su principal función es la de esquivar objetos, permitir el paso
por una zona peligrosa o difícil, etc… Son los puentes, grúas o teleféricos.

Proteger objetos. Su función es proteger a los elementos almacenados en su
interior o que son transportados, tales como las cajas de embalaje, los cascos,
los cartones de huevos, etc…
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
Para dar rigidez a un elemento. Son las estructuras que lo que pretenden es dar
rigidez al propio objeto, como por ejemplo la estructura del casco de los barcos o
la estructura interior de puertas no macizas.
4. Esfuerzos que soportan las estructuras.
Para diseñar una estructura es necesario calcular las cargas y sobrecargas que
soportará en su uso, y en su caso, las generadas por acciones accidentales que pudieran
ocurrir, tales como terremotos, nevadas, etc… Los esfuerzos que soportarán las
estructuras son de los siguientes tipos:

Tracción. Es un esfuerzo que tiende a alargar la pieza. Un ejemplo sería una
lámpara que cuelga de una cadena. Aquí, el peso de la lámpara tiende a
aumentar las medidas de la cadena, al estar ésta sometida a un esfuerzo de
tracción.

Compresión. Es el esfuerzo contrario, ya que tiende a disminuir las medidas del
elemento. Así, cuando nos sentamos en una silla, nuestro peso tendería a
disminuir las medidas de las patas.

Flexión. Es una combinación de tracción y compresión, que tiende a que la pieza
se doble. Por tanto, unas fibras de la pieza se alargan y otras se acortan. Sería
el esfuerzo al que estaría sometida la balda de una estantería cuando se carga
de libros, o la barra de donde cuelgan las perchas en los armarios.
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
Torsión. Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a
retorcerse sobre su eje central, como el caso de una toalla que intentamos
escurrir.

Cortadura
o
cizallamiento.
Se
produce
cuando
se
aplican
fuerzas
perpendiculares a la pieza, y de sentido contrario, que tenderían a romper la
pieza. Un ejemplo sería el corte realizado por unas tijeras.
5. 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 bien que puede deformarlo de forma
transitoria o permanente.
Una fuerza produce distintos efectos sobre un cuerpo, según sea la dirección, el
sentido, y el punto de aplicación. Para representar fuerzas empleamos unas flechas a las
que llamamos vectores. Dichos vectores quedan definidos por su módulo (valor de la
fuerza), su dirección y su sentido.
Las fuerzas que tienen la misma dirección y sentido se suman, y las que tienen la
misma dirección y sentido contrario se restan. En el caso de que no tengan la misma
dirección, hay que realizar una pequeña composición, que consiste en colocar el principio
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de un vector en el final del otro. La fuerza resultante es el vector que va desde el inicio del
primero, hasta el final del segundo.
6. Elementos fundamentales en las estructuras.
En las estructuras solemos encontrar algunos elementos que comúnmente se
emplean para determinados fines. Los más importantes son:

Cimentación. Los cimientos en una estructura son los elementos encargados de
soportar y repartir el peso de la estructura en el terreno, impidiendo que sufra
movimientos de importancia. Suelen estar sometidos a esfuerzos de compresión,
y están formados por hormigón armado en la inmensa mayoría de los casos.

Pilares y columnas. Son elementos que se colocan verticalmente, y cuya función
es la de soportar el peso de otras partes de la estructura. El esfuerzo que suelen
soportar es el de compresión, como habíamos comentado anteriormente. Se
pueden construir de madera, de acero, de hormigón armado, de mármol, etc…
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
Vigas y viguetas. Son elementos que se colocan de forma horizontal, y tienen
una sección determinada, en función de los esfuerzos a los que estarán
sometidas. Dichos esfuerzos suelen ser fundamentalmente de flexión. Estos
elementos son fundamentales en los forjados (plantas) de las estructuras, como
veremos a continuación.

Forjados. Son estructuras horizontales o con una pequeña inclinación, formadas por
el conjunto de vigas, viguetas, bovedillas, hormigón y solerías, que nos sirven de
techo en una planta, y de suelo en otra.
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
Tirantes. Son elementos constructivos sometidos fundamentalmente a esfuerzos
de tracción, y que se utilizan para asegurar determinadas estructuras.

Arcos. Se emplean en las estructuras para dar solidez o bien de forma
ornamental. Forman parte de la estructura de las bóvedas y de muchos puentes.
7. Clasificación de los puentes.
Los puentes son estructuras que los seres humanos han ido construyendo a lo
largo de la Historia para superar distintas barreras naturales con las que se han
encontrado, y poder así transportar sus mercancías, permitir la circulación de gentes,
etc… Se pueden realizar distintas clasificaciones de los puentes en función de distintos
parámetros:

En función de su utilidad principal.
 Acueductos. Se emplean para el transporte de agua. Los romanos abastecían
de agua a muchas de estas ciudades gracias a los acueductos.
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 Viaductos. Están destinados al paso de vehículos.
 Pasarelas. Son puentes pensados para el uso exclusivo de peatones.
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
En función del material de construcción.
 De madera. Son rápidos de construir y de bajo coste, aunque por el contrario
son poco duraderos y poco resistentes. Su facilidad de construcción y la
abundancia de la madera hicieron que este tipo fuera el primer tipo de puente.
 De piedra. Los romanos fueron grandes constructores de puentes de piedra.
Son muy resistentes, compactos y duraderos, aunque en la actualidad serían
muy costosos de construir en comparación con otros tipos. Desde que se
dominó la técnica para fabricar arcos, la mayoría de puentes fueron de este
tipo, hasta que se consiguió dominar la técnica de construcción con hierro.
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 Metálicos. Permiten salvar grandes distancias, dado que son más ligeros y
flexibles que los de piedra. El principal inconveniente es que están sometidos
a la acción corrosiva de los agentes atmosféricos, por lo que su
mantenimiento es caro.
 De hormigón armado. Son de montaje rápido, ya que en muchos casos se
utilizan elementos prefabricados. Son muy resistentes y permiten salvar
mayores luces que los de piedra, aunque menores que los metálicos. Los
gastos de mantenimiento también son menores que los de los metálicos.
 De hormigón y acero. Combinan las excelentes propiedades de estos dos
materiales para conseguir puentes muy resistentes y flexibles. Son los más
construidos en la actualidad.
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
En función de la forma en que soportan los esfuerzos.
 De viga. Están formados fundamentalmente por elementos horizontales
apoyados sobre pilares. Dichos pilares soportan esfuerzos de compresión,
mientras que los elementos horizontales soportan esfuerzos de flexión.
 De arco. Están formados por una sección curvada hacia arriba, apoyada
sobre pilares, y que salva una determinada distancia. Hay ocasiones en las
que el arco soporta al tablero (arco bajo tablero), mientras que en otras, el
tablero cuelga del arco mediante unos tirantes (arco sobre tablero). En la
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imagen puedes observar un puente de cada tipo sobre el río Guadiana en
Mérida.
 Colgante. El tablero cuelga mediante muchos tirantes, de dos grandes cables
que forman sendas catenarias, y que están anclados en los extremos del
puente, y sujetos a torres de hormigón o acero.
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