ESTRUCTURAS

En la naturaleza hay muchas fuerzas: la fuerza de la gravedad, la fuerza del viento, las fuerzas mecánicas que mueven máquinas, las presiones de los gases, las fuerzas que desarrollan los músculos.... ¿Cómo podemos definir una fuerza? ¿qué es una fuerza?. Si empujamos un libro con un dedo, este se desplaza, mientras que si apretamos una goma de borrar esta no se desplaza sino que sufre una deformación. Siempre que aplicamos una fuerza sobre un cuerpo se produce uno de estos dos fenómenos o los dos simultáneamente, de modo que podemos definir fuerza como:

        Piensa y razona
      Al levantarte por la mañana eres 1 cm más alto que por la noche, ¿se te ocurre alguna posible explicación a este fenómeno?

      Los cuerpos están sometidos a la acción de diferentes fuerzas, ¿cómo consiguen no deformarse ante la acción de tales fuerzas?, gracias a su estructura. Todos los cuerpos presentan partes que les sirven de sujeción y evitan que se desmorones o se deformen en exceso. En nuestro caso esta estructura la forman los huesos, en las plantas el tallo, en una silla las patas, en un edificio las vigas y columnas... Todas estas partes reciben el nombre de estructuras que pueden ser naturales o artificiales.

     Las cargas pueden ser el propio peso de la estructura, el peso de los elementos que se colocan sobre ellas, el viento, la nieve,...

      Estas cargas pueden ser:
Fijas o permanentes .- No varían con el tiempo como el peso del cuerpo.
Variables o sobrecargas .- Unas veces actúan sobre el cuerpo y otras no, como las mochilas.

¿Qué condiciones debe cumplir una estructura para funcionar bien?. En una estructura valoramos de formo independiente, las siguientes cualidades:
        Estabilidad.- Ha de conseguir que el objeto sea estable, no vuelque con facilidad. Para esto el centro de gravedad debe de estar lo más cerca posible de su base.
         Resistencia.- Tiene que soportar los esfuerzos a los que se ve sometida sin romperse.

         Deformación controlada.- Debe deformarse siempre dentro de los límites que permiten al objeto para el cumplimiento de su función.
     Estas condiciones son independientes, una estructura puede ser estable y romperse o ser resistente y no tener estabilidad
      Las estructuras estables son aquellas que, al aplicarle una fuerza sobre ellas, conservan su posición, son inestables aquellas que al aplicarles una pequeño empuje, pierden el equilibrio.

      La estabilidad está relacionada con el centro de gravedad. el centro de gravedad es un punto imaginario en el que estaría concentrada toda la masa del cuerpo si se pudiera comprimir. Si este punto se sitúa fuera de la base del objeto, este se vuelve inestable y cae.

El centro de gravedad no cambia sea cual sea la posición que adopte. En los cuerpos geométricos el centro de gravedad es fácil de calcular siendo algo más complicado en los cuerpos irregulares. En este último caso es necesario el uso de un plomada para calcular el centro de gravedad.

En las siguientes figuras ¿cuál es el centro de gravedad?, ¿cuál de ellos es más estable?, ¿cuál crees que fue el primero utilizado en la historia de las construcciones?

   La acción de las fuerzas sobre los cuerpos y su estructura provoca una serie de efectos internos. Estos efectos se manifiestan como tensiones externas.

     Atendiendo a la dirección y sentido en que actúan las fuerzas que los originan, los esfuerzos se clasifican en:

          Tracción.- Al aplicar dos fuerzas perpendiculares a la superficie, en la misma dirección y sentido contrario hacia fuera, el cuerpo tiende a estirarse.

           Compresión.- Al aplicar dos fuerzas perpendiculares a la superficie, en la misma dirección y sentido contrario hacia adentro, el cuerpo tiende a comprimirse.

           Flexión.- Al aplicar dos fuerzas perpendiculares a la longitud, en la misma dirección y sentido, el cuerpo tiende a doblarse.

          Torsión.- Al aplicar dos fuerzas perpendiculares a la longitud, en la misma dirección y sentido contrario, el cuerpo tiende a retorcerse.

          Cizalladura o cortadura.- Al aplicar dos fuerzas perpendiculares a la longitud , en la misma dirección y sentido contrario, el cuerpo tiende a cortarse.

   Las estructuras se clasifican en dos grandes grupos:

         Estructuras naturales.- creadas por la naturaleza, el esqueleto humano, el tronco de los árboles, el caparazón de las tortugas,...

         Estructuras artificiales.- conjunto de elementos sencillos proyectados y construidos por el hombre y dispuestos de forma que den rigidez y permitan soportar, sin romperse o deformarse en exceso, determinadas cargas o esfuerzos para las que han sido diseñadas. dentro de las estructuras artificiales tenemos:

                  Estructuras masivas.-Las primeras estructuras se formaban acumulando material sin dejar apenas huecos, colocando bloques de piedra o arcilla unos encima de otros o excavando en la roca. Para las ventanas o huecos se utilizaban los dinteles de piedra o madera. Los dinteles constan de una barra horizontal colocada sobre dos soportes verticales, normalmente con la finalidad de dejar un hueco debajo de ellas. También se denomina viga o cargadero.

              Estructuras abovedadas.-El descubrimiento del arco y la bóveda permitió cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en la estructura. Los arcos y las bóvedas están comprimidos. Una bóveda es el resultado de situar varios arcos uno a continuación de otro (bóveda de cañon) o de entrecruzarlos y rellenar los espacios intermedios (bóveda de crecería).

             Estructuras de armadura o armazón. Estructuras formadas por piezas alargadas, como barras, tubos, pilares, vigas, travesaños o cables unidos entre sí para formar una especie de esqueleto o armazón. Según la disposición de sus elementos, las clasificamos en:  entramadas, trianguladas y colgadas.

                      Estructuras entramadas.-Son las estructuras utilizadas en a construcción de edificios y viviendas. Está constituida por barras de hormigón o acero unidas de manera rígida formando un emparrillado. Cada parte de la estructura tiene una misión específica.

                En el suelo que pisamos sólo vemos baldosas, pero debajo de ellas nos encontramos con una estructura llamada forjado formado por barras y relleno. El forjado transmite nuestro peso y el de todos los objetos existentes en la habitación hacia las vigas, elementos horizontales con forma de prisma rectangular y sometidas a un esfuerzo de flexión.

       Las vigas que van dentro del forjado reciben el nombre de vigueta, vigas pequeñitas. Las vigas se apoyan en los pilares y les transmiten el peso. Los pilares son verticales y se encargan de llevar el peso hasta la cimentación. están sometidos a esfuerzos de compresión, es decir, aplastados entre las vigas y cimientos. Los pilares circulares se llaman columnas y si están pegados a a pared pilastras.

      El peso total no va directamente al suelo porque se hundiría, para evitar que los pilares se claven en el terreno, se apoyan en la cimentación, elemento intermedio que actúa a modo de zapatos para el edificio. La cimentación puede hacerse con zapatas, losas de cimentación y pilotes, dependiendo de la naturaleza y características del terreno.

      Las losas y pilotes se utilizan en terrenos muy blandos. Estos elementos se pueden fabricar de distintos materiales, siendo los más usados el acero y el hormigón armado por su gran resistencia. La madera se suele utilizar como elemento decorativo en estructuras.

      Los perfiles se utilizan en numerosas estructuras, sobretodo metálicas. Son barras que tienen distintas secciones, dependiendo de los esfuerzos que deben soportar. Con los perfiles se consiguen estructuras más ligeras que soportan grandes pesos con menos cantidad de material, los perfiles abiertos se adaptan muy bien a los esfuerzos de compresión.

                Estructuras trianguladas.- Se caracterizan por la disposición de barras formando triángulos. Resultan muy resistentes y ligeras a la vez.

                   Estructuras colgadas soportan el peso de la construcción mediante cables o barras que van unidos a soportes muy resistentes.

     Estos cables se llaman tirantes, cuando estos se pueden regular más o menos se denominan tensores. Los tirantes sólo soportan esfuerzos de tracción, pero tienen la ventaja de poder adaptar su forma a las cargas que reciben en cada momento.

             Estructuras laminares o de carcasa Las estructuras  de carcasa están constituidas por láminas resistentes que envuelven al objeto, formando una caja o carcasa que protege y mantiene en su posición a las piezas que lo componen. Otros ejemplos de estructuras de carcasa son las carrocerías y fuselajes de coches y aviones, y la mayoría de los envases como botellas de plástico o tetra briks.