Bloque IV Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas Tecnología I (2º ESO)
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I 1
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Agradecimiento especial: A mis padres y hermanos, compañeros, amigos y alumnos Me trajeron a donde estoy, me acompañan en cada paso del camino Reconocimiento de autoría: La mayor parte del contenido del presente bloque tiene su fuente a quí y su autor original es Manuel Torres Búa Esta obra está sujeta a la licencia Reconocimiento-CompartirIgual 4.0 Internacional de Creative Commons. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ 2
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Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Índice de Contenidos 6 Estructuras: Definición, elementos resistentes más comunes en las estructuras: pilar, viga, arco, etc 8 8 Fuerza 13 Tipos de fuerzas Momento Tipos de esfuerzos a que están sometidas las estructuras 16 Tracción 17 Compresión 18 Flexión 18 Torsión 19 Cizalla, corte o cortadura 19 Pandeo 20 Estructuras de barras. Triangulación. Elementos de soporte más adecuados en la construcción de estructuras: perfiles 21 Condiciones de las estructuras 21 Resistencia 21 Rigidez 23 La triangulación 24 Estabilidad y vuelco. Formas de mejorar la estabilidad estructural 25 El centro de gravedad. (c.d.g.) 26 Equilibrio 27 Diseño, elección y colocación de elementos necesarios para construcción de estructuras con materiales sencillos 28 Tipos de estructuras 28 Estructuras masivas 29 Estructurales superficiales 29 Estructuras abovedadas 30 Estructura abovedada de la zona del cimborrio de la Catedral de Burgos. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. 30 Mezquita de Toledo. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. 30 Arco de entrada al castillo de Castro Leboreiro. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA 30 Estructuras de armazón 30 Estructuras trianguladas 31 Estructuras colgantes 31 Elementos resistentes 31 Cimientos 32 Soportes 36 Muros 37 Vigas 39 Cerchas 40 4
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Forjados Arcos 41 Bóvedas 41 Cúpulas 43 Dinteles 44 Apoyos y enlaces entre elementos estructurales 46 47 ANEXO. Contenidos, criterios de evaluación y estándares de aprendizaje evaluables 49 5
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Estructuras: Definición, elementos resistentes más comunes en las estructuras: pilar, viga, arco, etc Las estructuras son sistemas que de forma estable soportan pesos y fuerzas en una posición determinada. Pueden ser una creación humana, pero están también presentes en la naturaleza. Por ejemplo, una persona, para descansar, se sienta en una silla; ésta tendrá que soportar su peso sin romperse, por lo que la silla es una estructura. La carrocería de un coche, la estructura de una casa, una mesa, una grúa, un puente, unas estanterías,... Todas ellas son estructuras creadas artificialmente. También la naturaleza crea las suyas: un árbol, una montaña, una cueva, el esqueleto de los animales, las conchas,… La estructura (del latín structūra) es la disposición y orden de las partes dentro de un todo. La definición anterior vale para muchas cosas, algunas de la cuales no tienen que ver con nuestro tema: la estructura de capítulos de un libro, la organización de un aula, etc.… Para el tema que nos ocupa, las estructuras que nos interesan son las que tienen como misión resistir las fuerzas físicas a las que están sometidas. Todos los cuerpos poseen algún tipo de estructura, también las que encontramos en la naturaleza. También el ser humano dispone de la estructura ósea para que su cuerpo se mantenga y funcione. Son las estructuras naturales: el tronco de un árbol, las conchas de los moluscos, una montaña, una cueva, las estalactitas y estalagmitas,… Pero además de las estructuras naturales, la humanidad desde sus orígenes ha creado estructuras artificiales para satisfacer sus necesidades. Son las que vamos a estudiar en este tema. Hablaremos de una estructura cuando se cumplan las siguientes condiciones: ● Que esté formada por un conjunto de elementos simples unidos entre sí. ● Que resista las fuerzas a las que está sometido sin destruirse. ● Que conserve básicamente su forma bajo la acción de esas fuerzas. Redefiniendo de nuevo el concepto de estructura, de acuerdo con el tema podemos decir entonces que: Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí capaces de soportar las fuerzas que actúan sobre ella, conservando su forma. Al conjunto de fuerzas que actúan sobre la estructura se les denomina carga o acciones. La estructura, según el principio físico de acción y reacción, para mantenerse en equilibrio con las fuerzas que actúan sobre ella tiene que contraponer otras fuerzas iguales y de sentido contrario. Al conjunto de fuerzas con las que la estructura reacciona ante las cargas se las denomina r eacciones. Las fuerzas de reacción se ejercen en l os puntos por donde la estructura está sujeta, o bien por donde se unen los diferentes elementos de la misma. A estos puntos de unión s e les denomina apoyos, y a las fuerzas de reacción se les suele denominar también coacciones. En la siguiente tabla puedes ver de forma resumida cuales son las misiones o características que le encomendamos a una estructura: 6
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Funciones de la estructura Soportar cargas Es la principal función de toda estructura ya que las fuerzas o cargas siempre están presentes en la naturaleza: la gravedad, el viento, el oleaje, etc. Mantener la forma Es fundamental que las estructuras no se deformen, ya que si esto ocurriese, los cuerpos podrían romperse. Es lo que ocurre cuando los esfuerzos son muy grandes. Por ejemplo, en un accidente de coche, la carrocería siempre se deforma o araña dependiendo de la gravedad del impacto. Liberty ship construction 09 lower decks. En Wikimedia Commons- Licencia dominio público. Proteger partes Una estructura debe proteger las partes delicadas delicadas de los objetos que las poseen. Por ejemplo, el esqueleto protege nuestros órganos internos, la carcasa de un ordenador protege el microprocesador, las tarjetas, etc. Pero hay estructuras que no tienen partes internas que proteger, como los puentes o las grúas. Ser ligeras Las estructuras deben ser lo más ligeras posibles. Si la estructura fuese muy pesada, podría venirse abajo y, además se derrocharían muchos materiales. Taraxacum officinale. De KoS en Wikimedia Commons. Licencia dominio público. Ser estable La estructura no puede volcar o caerse aunque reciba diferentes cargas. Tataragi Dam in Asago, Hyōgo Pref., Japan. De 663highland en Wikipedia Commons. Licencia CC-BY. 7
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Fuerza Aunque hablar de fuerza es bastante habitual en muchos ámbitos de la vida diaria, no siempre se hace de acuerdo con su verdadero significado. Comencemos entonces definiendo este concepto. Denominamos fuerza a cualquier causa (acción, esfuerzo o influencia) que puede alterar el estado de movimiento o de reposo de cualquier cuerpo o bien deformarlo. Es una magnitud física que se representa mediante vectores. La representación vectorial nos presenta una imagen simbólica de las fuerzas, indicándonos un p unto de aplicación, una d irección de la fuerza, un sentido y un valor, dado por la longitud del segmento que la representa, denominado módulo. El uso de vectores para representar las fuerzas permite el estudio gráfico de los estados de las fuerzas en las estructuras, campo que se denomina grafostática. Puedes ver un vídeo explicativo en este enlace. Hay magnitudes que para describirlas es necesario conocer la dirección en la que se aplica, ya vimos que éste era el caso de la velocidad, y que por eso le poníamos signo. Esto pasa también con las fuerzas, dependiendo de la dirección y el sentido de la misma se conseguirán distintos efectos. Supongamos que queremos mover un tronco empujando entre dos personas, dependiendo de la dirección y el sentido en el que se empuje tendremos un movimiento del tronco u otro como puedes observar en las siguientes secuencias de imágenes: Tipos de fuerzas Las fuerzas están presentes en todas las actividades y elementos. Podemos clasificarlas atendiendo a criterios diversos: 8
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I En función de la duración Fuerzas fijas o permanentes Fuerzas variables o intermitentes Siempre están presentes en la estructura y ésta tendrá Pueden aparecer o desaparecer en función de que soportarlas en todo momento. Por ejemplo: el peso las condiciones externas a la estructura. Por de un edificio, del cuerpo o de un tronco. ejemplo: la acción del viento, nieve. La imagen representa la acción de las fuerzas en un árbol. Por un lado está el peso propio del árbol, (fuerza fija), y por otro la acción del viento, (fuerza variable). 9
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I En función de cómo actúan Fuerzas estáticas Fuerzas dinámicas La variación de la intensidad, lugar o dirección en Las fuerzas que actúan sobre la estructura la que actúa la fuerza no cambia o cambia muy cambian bruscamente de valor, de lugar de poco en periodos cortos de tiempo. Por ejemplo: el aplicación o de dirección. Por ejemplo: peso de un edificio, nieve. terremotos, impactos bruscos, fases en el trabajo de las máquinas,… Marcas de flotación en el casco del buque. De Fuerzas dinámicas presentes en el trabajo de una Wikisearcher en W ikimedia Commons. Licencia máquina excavadora. Elaboración propia a partir de: dominio público. John Deere loader. De ike4014 en Wikimedia Commons. Licencia CC-BY-SA Las marcas de flotación de un barco nos indican el Las máquinas suelen estar sometidas a acciones tonelaje del mismo. Según su nivel de carga, las de tipo dinámico. Esta máquina, además de tener marcas variarán. El tonelaje del barco es una carga que soportar su propio peso, recibe los efectos de estática, al igual que el peso propio de los edificios. fuerzas dinámicas al realizar su ciclo de trabajo. 10
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I En función de su distribución sobre la estructura Fuerzas de volumen Fuerzas de superficie Aquellas que actúan en todas las partículas Las que actúan en la periferia del cuerpo como de un cuerpo. Por ejemplo las fuerzas consecuencia del contacto con otros cuerpos. A su vez las gravitatorias y las magnéticas. fuerzas de superficie, según su distribución, pueden ser: Distribuídas: Aquellas que actúan en un área del cuerpo o de la estructura. Por ejemplo el peso propio de una viga. Representación de las líneas de fuerza magnética. Puntuales: Cuando sólo actúan en un determinado punto. Por ejemplo la carga que colgamos en una polea. Archivo: Magnet0873. De Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) en W ikimedia Commons. Licencia dominio público. Las fuerzas de volumen actúan sobre todas Las fuerzas de superficie actúan sobre la periferia del las partículas de los cuerpos. En la imagen sólido y pueden ser de multitud de tipos. Genéricamente superior vemos las denominadas \"líneas de podemos hablar de fuerzas distribuidas cuando actúan en fuerza\" que actúan cuando se genera un todo un área o a lo largo de una dirección; y fuerzas campo magnético, más intensas cuanto puntuales cuando son fuerzas individuales aplicadas en más cerca del foco del campo (el imán). La un punto en concreto de la viga. Los sistemas de fuerzas segunda imagen representa un sólido y las distribuidas, que tienen cierta complejidad para analizar, fuerzas infinitesimales que actúan en todas equivalen a sistemas de fuerzas puntuales donde la fuerza las partículas interiores del mismo por su o fuerzas puntuales sobre las resultantes de las propio peso. Vemos también como la distribuídas aplicadas en el centro de gravedad del área actuación de esas minúsculas fuerzas de aplicación. Las imágenes muestran dos vigas equivale a la actuación de una sola fuerza empotradas. Una está sometida a la acción de fuerzas resultante P aplicada en el c entro de distribuidas a lo largo de su directriz; y la segunda tiene gravedad del sólido. una fuerza puntual en la punta. 11
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I En función de la naturaleza de la fuerza respecto a la estructura Fuerzas de reacción Fuerzas de acción, acciones o solicitaciones Son el conjunto de fuerzas externas que actúan sobre Son las fuerzas con las que la estructura del el cuerpo, y por ello sobre su estructura, y que cuerpo responde a las acciones para mantener intentan desplazarlo y/o deformarlo. el equilibrio. Ver 3ª ley Newton. Sistema de fuerzas de acción y reacción en un trineo. Archivo: Fuerzas de acción y de reacción cuando empujamos un elemento. En “Vectors lliscants” del open course ware “Fonaments físics de les estructures”, U niversitat d´Alacant. Licencia CC-BY-NC-SA. El tonelaje de peso muerto, TPM, tonelaje de porte bruto o DWT (acrónimo del término en inglés Deadweight tonnage), es la medida para determinar la capacidad de carga sin riesgo de una embarcación, cuyo valor se expresa en toneladas métricas. Consiste en la suma de las masas (en lenguaje cotidiano pesos) que transporta un buque, e incluye el cargamento, el combustible propio del buque, las provisiones, el agua dulce para consumo humano, el agua de lastre, la tripulación, los pasajeros y sus equipajes. Las marcas de flotación son una indicación gráfica de estos valores Ampliación Tercera ley de Newton o principio de acción y reacción. Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto. Al interaccionar dos partículas, la fuerza F que la primera ejerce sobre la segunda es igual y opuesta a la fuerza F que la segunda ejerce sobre la primera, estando ambas sobre la recta que las une. Sir Isaac Newton (1642-1727). En Wikimedia Commons. Licencia dominio público 12
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Se escribe F1/2 para indicar la fuerza que el cuerpo 1 ejerce sobre el cuerpo 2 y F 2 /1 para indica la fuerza que el cuerpo 2 ejerce sobre el 1 . Características de las fuerzas de Acción - Reacción ● Surgen de una interacción. ● Nunca aparece una sola: son dos y simultáneas. ● Actúan sobre cuerpos diferentes: una en cada cuerpo. ● Nunca forman un par de fuerzas: tienen la misma línea de acción. ● Un cuerpo que experimenta una única interacción no está en equilibrio (S F #0), pues sobre él aparece una fuerza única que lo acelera. Para estar en equilibrio se requieren por lo menos dos interacciones. Ejemplo: papá e hijita se empujan en direcciones opuestas en una pista de hielo Ciecad. Física y Química 4º ESO. Licencia CC-BY-NC-SA Momento En general, tal como decíamos, una fuerza intenta provocar un desplazamiento o deformación en el cuerpo sobre el que se aplica. La estructura tratará de impedir el movimiento o la deformación, contraponiéndole una fuerza del mismo valor (módulo), misma dirección y de sentido contrario. (Es lo que nos dice la tercera ley de Newton). Sin embargo en muchas ocasiones el punto de aplicación de la fuerza no coincide con el punto de aplicación en el cuerpo. En este caso la fuerza actúa sobre el objeto y su estructura a cierta distancia, mediante un elemento que traslada esa acción de esta fuerza hasta el objeto. A esa combinación de fuerza aplicada por la distancia al punto de la estructura donde se aplica se le denomina m omento de la fuerza F respecto al punto. El momento va a intentar un desplazamiento de giro o rotación del objeto. A la distancia de la fuerza al punto de aplicación se le denomina b razo. Matemáticamente se calcula mediante la expresión 13
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I M = F · d Siendo F la f uerza en Newton (N), d la distancia en metros (m) y M el m omento, que se mide en Newton por metro (Nm). Existen muchos casos en los que aparecen momentos que producen o intentan producir movimientos de rotación, como en el caso de abrir una puerta, girar un volante, etc.… Cuando las fuerzas que provocan el momento son acciones, el momento es también una a cción o solicitación. Siguiendo la misma condición e equilibrio, para que una estructura de un objeto esté en equilibrio, tiene que responder a la acción de un momento con otro del mismo valor y de sentido contrario. En este caso, si el momento que actúa busca la rotación hacia la derecha, la reacción será un momento que busque la rotación hacia la izquierda, y viceversa. El lugar de aplicación de la fuerza, por extraño que parezca, en ocasiones es incluso más importante que el tamaño de la fuerza. Para comprobarlo podemos hacer el siguiente experimento: Se trata de intentar sujetar, con un solo brazo, durante el mayor tiempo posible una silla de la clase. Primero con el brazo totalmente extendido y después con el brazo pegado al cuerpo. El peso de la silla y por tanto la fuerza (permanente) de la silla (debida a la gravedad de la tierra que la atrae hacia su centro) es la misma en los dos casos. Pero su efecto sobre la estructura, que en este caso es nuestro cuerpo, es muy diferente. Lo que acabas de experimentar se denomina en cálculo de estructuras: momento de una fuerza, y es la magnitud física que se utiliza para calcular el efecto de una fuerza teniendo en cuenta el lugar donde se está aplicando. Ejemplo e imagen en: tecnologías, textos Marea Verde. Licencia CC-BY-NC-SA. El momento de una fuerza respecto a un punto o respecto a un eje es una medida de la tendencia de la fuerza a hacer girar el cuerpo alrededor del punto o del eje. 14
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I La forma más sencilla de aplicar a nuestro favor la característica del momento de las fuerzas es mediante una palanca. En el ejemplo de la imagen puedes comprobar como una masa de 2kg puede estar en equilibrio con otra de 10k. ¿Cómo? Ejemplos de aplicación de los momentos: Cuando giramos la manilla de una puerta estamos Una grúa-torre sirve para elevar cargas y aplicando un momento: una fuerza F aplicada en el transportarlas a otros lugares dentro de su radio extremo de la manilla que la hace girar. de alcance y su altura. Podrá elevar mayores cargas cuanto más cerca de la torre se encuentren. Por el contrario, cuánto más lejos de la torre, las cargas que puede elevar son menores, ya que al multiplicarlas por la distancia nos da momentos muy elevados. En las propias grúas existen carteles que nos indican las distancias, y los momentos admisibles. 15
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Ampliación En física, un momento M es el producto vectorial de un vector fuerza F por un vector brazo, en este caso radio, r . Según la dirección de la fuerza el momento resultante, que también será un vector, tendrá un sentido u otro. Para conocer el sentido del vector momento se aplica la denominada \"r egla del sacacorchos\". Observa la animación. Relación entre los vectores de fuerza, momento de fuerza y vector de posición en un sistema rotatorio. . De Yawe en W ikimedia Commons. Dominio público. Tipos de esfuerzos a que están sometidas las estructuras Hemos hablado de acciones (cargas o solicitaciones), y de reacciones. Pero este sistema de fuerzas es una simplificación de lo que realmente ocurre en los cuerpos y en las estructuras. Cuando una fuerza (o un momento) actúa sobre un elemento de un cuerpo o de una estructura, se ven afectadas en mayor o menor medida todas las partículas del mismo. A estas partículas llega el resultado de esa acción que intenta deshacer el equilibrio que existía antes de que esta fuerza existiese. Las partículas para mantener el equilibrio, para mantener su unión y la propia cohesión del cuerpo, reaccionarán con un conjunto de fuerzas internas q ue intentan mantener unido el cuerpo.Estas fuerzas internas son los esfuerzos o tensiones. Dependiendo de cómo sean las fuerzas de acción, y de las características del propio elemento tendremos varios tipos. Los esfuerzos son el conjunto de fuerzas internas a las que está sometido un cuerpo a consecuencia de las solicitaciones o acciones que actúan sobre él. Estas fuerzas internas son el resultado de la interacción de unas partículas del cuerpo sobre las otras. Tenemos esfuerzos de t racción, compresión, flexión, torsión, c izalla y p andeo. Los elementos de las estructuras están pensados para resistir adecuadamente estos esfuerzos, es decir: para trabajar a tracción, compresión, flexión, torsión, cizalla y pandeo. Observa en la imagen cómo actúan los distintos esfuerzos: 16
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I A partir de imagen existente en \"Estructuras 1º ESO\". https://tecnologia-alarcos.wikispaces.com/. Licencia CC-BY-SA Tracción Un elemento trabaja a tracción, o está sometido a un esfuerzo de tracción cuando fuerzas con la misma dirección y de sentidos contrarios tienden a estirarlo. Ejemplos de elementos a tracción son los cables, cuerdas y lonas tensadas. Anzac Bridge, Sydney. De Adam.J.W.C. en Tensile structure. De Mark Kirchner en flickr. Licencia Wikimedia Commons. Licencia C C-BY-SA CC-BY-NC-SA 17
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Big Brutus, West Mineral, Kansas. De courtney johnston Riverside Stadium, 2010. D e C hemical Engineer en Wikimedia Commons. en f lickr. Licencia CC-BY-NC-SA. Licencia dominio público. Compresión Se produce compresión cuando sobre el elemento actúan fuerzas de la misma dirección y sentido contrario que intentan a contraerlo. Trabajan fundamentalmente a compresión los soportes o pilares, las patas de los muebles, los cimientos,… Bajo el Puente de Rande. De C ontando Estrelas en flickr. Licencia CC BY-SA Tall CN Tower. De James Wheeler en f lickr. Licencia CC-BY-NC-SA Flexión Es el esfuerzo resultante de aplicar fuerzas perpendicularmente al eje principal del elemento que tienden a doblarlo. La flexión produce compresión en la parte cóncava del elemento y tracción en la opuesta, la convexa. Funcionan fundamentalmente a flexión las vigas, las baldas de una estantería, … 18
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Beams. De greycap en flickr. Licencia Hunslet Viaduct under construction. De Top Shelf. De Andy Ihnatko en f lickr. CC-BY-NC Richard Kay en geograph. Licencia CC BY-SA Licencia CC BY-NC-ND Torsión Las fuerzas que actúan sobre un objeto sometido a torsión tratan de retorcerlo, de girarlo en dos direcciones contrarias. Son ejemplos de torsión los ejes, las herramientas de apriete, … Universal joints shaft. De P anoha en Intentionally twisted (by 90°) steel (equal Elementos estructurales sometidos a torsión. angle steel) showing permanent deformation. De Luis Bañón Blázquez en “ ELU de torsión” Wikimedia Commons. Licencia CC-BY-SA De S unspeanzler en Wikimedia Commons. del open course ware “ Estructuras de hormigón armado y pretensado (2011)”, Licencia CC-BY-SA Universidad de Alicante. Licencia CC-BY-NC-SA Cizalla, corte o cortadura Es un esfuerzo que provocan fuerzas perpendiculares al eje longitudinal del elemento; aplicadas en sentidos contrarios casi en la misma vertical que tienden a cortarlo. Como ejemplos de cizalla tenemos las tijeras y la cizalla o cuchilla de corte. Tijeras. En p ixabay. Licencia dominio público Fallo roblones. De Victor456 en Wikimedia Commons. Licencia CC-BY-SA 19
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Knuckle joint. De S achin ghode en W ikimedia Commons. Licencia Acción del esfuerzo cortante en una viga. De Luis Bañón Blázquez en CC-BY-SA “E sfuerzo Cortante” del open course ware “E structuras de hormigón armado y pretensado (2011)” , Universidad de Alicante. Licencia CC-BY-NC-SA Pandeo Es un tipo particular de esfuerzo relacionado con la compresión en elementos muy largos en relación con su sección transversal. Al deformarse la estructura su centro de gravedad se aleja del eje central, aumentando el momento de la fuerza y disminuyendo su resistencia. Son ejemplos de elementos sometidos a pandeo los pilares metálicos, los barrotes, … A demonstration model illustrating the different \"Euler\" buckling modes. Imperial College Colonnade. De R ob Deutscher en flickr. Licencia C C- De Grahams Child en Wikipedia. Licencia CC-BY-SA BY 20
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Estructuras de barras. Triangulación. Elementos de soporte más adecuados en la construcción de estructuras: perfiles Condiciones de las estructuras Mapa conceptual: condiciones de las estructuras. (Pincha encima de la imagen para acceder al archivo original.) En I HMC Public Cmaps. C map Tools. Resistencia La resistencia es la capacidad que tienen los elementos estructurales de aguantar los esfuerzos a los que están sometidos sin romper. Depende de muchos factores entre los que destacan el material empleado, su geometría y el tipo de unión entre los elementos. Para cada tipo de estructura, según su función, se debe escoger el mejor material. La ingeniería de materiales es la disciplina que se encarga de estudiarlos y determinar su aptitud para resistir mejor unos esfuerzos u otros. En cuanto a la geometría, el diseño del elemento y del conjunto obedece a las características del esfuerzo o del conjunto de esfuerzos que se tienen que resistir. Tenemos por ejemplo el diseño de los perfiles, con una forma específica que permite una resistencia adecuada a los esfuerzos, economizando al máximo la cantidad de material empleado. 21
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Nombre Tipos básicos de perfiles Descripción Imagen Perfil 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 Es un perfil cuya sección es un ángulo recto. Se utiliza mucho en o angular la construcción de estructuras metálicas, en la parte de cubiertas Perfil en Es el que se coloca encima de pilares. Trabaja muy bien con doble T o I esfuerzos de flexión Redondo Hierro, acero, cobre, de unas determinadas propiedades. Se utiliza en múltiples áreas de la construcción. En estructuras, ejes, etc. La geometría de la estructura en su conjunto, además de la de sus elementos aislados, determina también la c apacidad de resistir mejor los esfuerzos. Así surgen estructuras de masa con volúmenes grandes, superficiales, de barras,… Por último escoger un s istema de unión y ejecutarlo convenientemente va a ser determinante de la resistencia del conjunto estructural. Tenemos así uniones soladas, atornilladas, pegadas,… A la derecha puede observarse un modelado estructural de un edificio: El programa de modelado nos indica cómo se comportan las zonas del edificio en función del color que tienen en la imagen Modelado estructural. En OCW E structuras de la edificación I, U niversidad Politécnica de Cartagena. Licencia CC-BY-NC-SA 22
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Rigidez Rigidez es la capacidad que tienen los elementos de las estructuras de aguantar los esfuerzos sin perder su forma (deformarse) manteniendo sus uniones. Las estructuras rígidas se dice que son indeformables. Las estructuras no rígidas pueden perder su forma tras un esfuerzo, se dice que son deformables. Cuando una estructura pierde rigidez los ángulos que forman los elementos resistentes cambian respeto a los ángulos originales. Por ejemplo una estantería metálica unida con tornillos tiende a deformarse al perder rigidez las uniones y se pierden los ángulos de 90º. Las estructuras con uniones no rígidas se dice que son articuladas. Como por ejemplo las uniones con bisagras, los m ecanos. Las grandes estructuras (edificios, puentes,…) necesitan rigidez, pero no total, ya que las cargas pueden provocar roturas ● Ante los movimientos sísmicos (terremotos) las estructuras requieren cierta flexibilidad. ● Ante los cambios de temperatura que provocan dilatación hace falta que haya algo de elasticidad en la estructura. ¿Sabes que la Torre Eiffel “crece” en verano por dilatación térmica hasta 18 cm y puede oscilar lateralmente hasta 7 cm?. Eiffel Tower from north Avenue de New York, Aug 2010. De Julie Anne Workman en W ikimedia Commons. Licencia C C-BY-SA. Son materiales rígidos y uniones rígidas: ● Los metales son materiales más rígidos que las maderas y derivados. ● Una soldadura no debe quedar quebradiza. ● Una unión con cola queda fija al esperar el tiempo idóneo. ● Un tirafondo no debe quedar suelto o pasado de rosca. ● Una tuerza debe quedar bien apretada con una llave fija. ● Con escuadras reforzando las uniones, que no es más que un tipo de triangulación. 23
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Apuntalamiento de una fachada mediante una Refuerzo de una cercha metálica mediante estructura metálica auxiliar. soldadura. Archivo: Apuntalamiento de fachada. Manuel Torres Búa. Licencia Archivo: R efuerzo de cercha metálica. De Pablo Oubiña en f lickr. CC-BY-SA Licencia C C-BY-NC-SA La triangulación La triangulación de las estructuras consiste en buscar que su diseño geométrico esté basado en la unión de triángulos, formando así una estructura geométricamente indeformable. El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando se le aplica una fuerza. El resto de formas poligonales que pueden tener las estructuras no son rígidas por definición hasta que se triangulan o se asegura la rigidez con los materiales escogidos y las uniones correctas. La triangulación permite la indeformabilidad geométrica; no necesariamente la mecánica. Para que resista mecánicamente la estructura de este tipo, además de triangular debemos asegurarnos que el material que forma los lados o barras de los triángulos, así como su sección transversal sean los adecuados. Las estructuras de armazón trianguladas (puentes, grúas o cubiertas de edificios cerchas), basan su rigidez antes las cargas gracias a la triangulación de sus elementos. Para conseguir la rigidez de una estructura (que no se deforme), los perfiles deben disponerse formando celdillas triangulares. Para ello se pueden emplear cables, tensores y e scuadras. Una estructura, como la de la figura de la derecha, compuesta por 4 barras es una estructura fácilmente deformable. Sin embargo una estructura compuesta por 3 barras no puede deformarse y es por eso que la mayoría de las estructuras metálicas están compuestas por estructuras trianguladas. Como puedes ver en la imagen del triángulo de la derecha la triangulación impide que la estructura pueda deformarse. La barra central impide que la estructura cuadrada de la primera imagen se deforme. La triangulación permite, mediante barras rígidas con uniones articuladas, diseñar elementos estructurales complejos que con otro sistema sería muy difícil realizar. Son las cerchas, grandes vigas ligeras, apuntalamientos. La triangulación en las tres dimensiones del espacio permite cubrir grandes 24
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I superficies como la de los pabellones mediante unidades básicas trianguladas como, por ejemplo, el tetraedro. En la siguiente galería puedes ver algunas fotos de estructuras trianguladas. Estructuras trianguladas Ampliación Ley de barras Es una comprobación matemática de la rigidez de una estructura de barras. Una estructura de barras es rígida cuando cumple: B ≥ 2·n − 3 Siendo B el número de barras de la estructura y n el número de uniones. Por ejemplo; un rectángulo tiene B=4; n=4 ; Para ser rígido debe cumplir 4 mayor o igual (2x4)-3=5. No lo cumple, el rectángulo es una estructura deformable. Falta añadir 1 barra. En la siguiente sección veremos la última de las condiciones que debe cumplir una estructura: la estabilidad o resistencia al vuelco. Estabilidad y vuelco. Formas de mejorar la estabilidad estructural La estabilidad es la capacidad que tienen los elementos de las estructuras de aguantar las acciones sin volcar o caer. Las estructuras que, al aplicar una pequeña carga o por sí solas, pierden el equilibrio se dice que son inestables. La estabilidad dependerá de la forma de la estructura, de los apoyos y de la distribución de los pesos. 25
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Condiciones de estabilidad Las estructuras bajas y anchas son más estables que las altas y delgadas. Con una base ancha aumenta la estabilidad. Si la base tiene más peso es más estable. El uso de contrapesos permite reequilibrar la estructura. Si la estructura tiene un buen anclaje o una buena cimentación. Se mejora la estabilidad con tensores, tirantes o escuadras de apoyo. El centro de gravedad. (c.d.g.) El centro de gravedad es el punto de equilibrio del cuerpo o estructura. Está relacionado directamente con la estabilidad de las estructuras. Puedes comprender de forma fácil qué es y dónde está el centro de gravedad mediante la siguiente presentación de de Vicente, profesor IES El Parador. Estabilidad y Centro de Gravedad from Miguel de Vicente El centro de gravedad está muy relacionado con lo que hemos llamado momento de las fuerzas. Cuanto menor es la distancia del centro de gravedad al centro de la estructura mucho más fácil será resistir la fuerza. Algo que puedes aplicar incluso en tu vida diaria, como en el ejemplo siguiente: Posición del centro de gravedad en una mochila. Características de la mochila en función del tipo de ruta prevista. 26
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Archivo: Centro de gravedad en las mochilas. De Anayet en Wikineos. Licencia C C-BY-NC-SA. Ampliación Para saber un poco más sobre el centro de gravedad, puedes ver este video del proyecto G, canal educativo de Argentina Programa c.d.g. Proyecto G canal Encuentro Argentina. Equilibrio El equilibrio es el estado en el que el total de fuerzas que actúan sobre un cuerpo o estructura suma cero. Hay tres tipos de equilibrio: estable, inestable e indiferente Equilibrio estable Equilibrio inestable Equilibrio indiferente Si el cuerpo, siendo apartado de su Es aquel en el que el cuerpo al ser Es aquel en el que el cuerpo cuando posición de equilibrio, vuelve a su apartado de su posición de se mueve de su posición de lugar por efecto de la gravedad. El equilibrio se aleja del lugar inicial equilibrio, queda en equilibrio en c.d.g. siempre está debajo del por efecto de la gravedad. Por cualquier posición. Ocurre esto con punto de suspensión. Por ejemplo ejemplo un bastón, un bolígrafo una canica en suelo horizontal, una el péndulo, la plomada, una sobre su punta. rueda en su eje,… campana. Plomada Lápiz en equilibrio Canicas Hang plumb. De D ayna Bateman en f lickr. De Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. Balls of glass. De H aragayato en Wikimedia Licencia CC-BY-NC-SA. Commons. Licencia C C-BY-SA. 27
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I En las estructuras para conseguir estabilidad buscamos centrar las masas y acercarlas al suelo. Grúa de obra. De equipo de textos Marea Verde, en U.D. Ejemplo de sistema en equilibrio. En el open course ware 4: Estructuras, de Textos Marea Verde. Licencia “Fonaments físics de les estructures”, U niversitat d´Alacant. Licencia C C-BY-NC-SA. CC-BY-NC-SA. Diseño, elección y colocación de elementos necesarios para construcción de estructuras con materiales sencillos Tipos de estructuras En este apartado vas a descubrir los distintos tipos de estructuras, clasificadas atendiendo a la forma en la que resisten los esfuerzos. Ten en cuenta que la realidad es más compleja que los ejemplos que vas a ver. Así habrá estructuras que podríamos incluir en más de un grupo, o que tienen elementos de uno y otro tipo. De todas formas es una buena manera de comprender esta realidad, y de analizar por tu cuenta las estructuras que te rodean por todas partes. La clasificación que adoptamos de las estructuras es la siguiente: Estructuras masivas. Estructuras superficiales. Tipos de estructuras Estructuras abovedadas. Estructuras de armazón. Estructuras trianguladas. Estructuras colgantes. 28
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Estructuras masivas Son estructuras sólidas macizas que se construyen colocando material en grandes piezas (bloques) o mediante material continuo (como hormigón). Existe una continuidad en este tipo de elementos estructurales de forma que, forman un todo que opone su pesadez y masa material a las solicitaciones que actúan sobre ella. Normalmente son idóneas cuando hay que esperar esfuerzos de compresión. Son estructuras masivas las c imentaciones y las grandes construcciones macizas en piedra como las pirámides. Gran pirámide de Guiza. De Alex lbh en Wikimedia Commons. Embalse de As Portas. De M ario Sánchez en flickr. Licencia C C-BY-SA. Licencia CC-BY-SA. Estructurales superficiales Son estructuras, también denominadas laminares o de cáscara, que presentan una gran superficie en contraposición con un espesor o una sección muy pequeño. Mantienen su estabilidad y resisten las acciones distribuyendo las cargas por toda su superficie. Son ejemplos de este tipos d estructura las carcasas de máquinas y objetos, las carrocerías de los coches, o cubiertas planas o abovedadas de hormigón armado de pequeño espesor. Estación de autobuses del pueblo de Casar de Spyker C8 bodywork. De K armann en Torres de refrigeración de la central térmica de Cáceres. De Jose Antonio Cotallo López en Wikimedia Commons. Licencia CC-BY-SA. As Pontes. Carmen Boado Agunaga. Licencia flickr. Licencia C C BY-ND. CC-BY-SA. 29
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Estructuras abovedadas Son estructuras formadas por arcos y bóvedas que permiten cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en las estructuras. Los arcos y las bóvedas están formados por piezas denominadas dovelas que trabajan resistiendo las fuerzas que reciben y transmiten, llamadas empujes, mediante esfuerzos de compresión. Mezquita de Toledo. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. Estructura abovedada de la zona del cimborrio Arco de entrada al castillo de Castro Leboreiro. de la Catedral de Burgos. Manuel Torres Búa. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA Licencia CC-BY-SA. Estructuras de armazón Son estructuras constituidas por una sucesión de elementos horizontales (vigas) y verticales (soportes y pilares) que forman una trama plana, denominada pórtico. Los pórticos son entramados planos o superficiales que forman las estructuras volumétricas mediante elementos de unión con otros pórticos planos. Puede ocurrir que desde un principio de diseñe el entramado no como pórticos planos, sino ya como pórticos en tres dimensiones. Son las estructuras más habituales en la edificación, a base de pilares y vigas de hormigón armado normalmente, o de acero, que forman pórticos planos que se unen a otros pórticos planos mediante otros elementos, formando así un armazón estructural que sirve de esqueleto del edificio. Estructura de hormigón. De Daniel Lobo en Vigas de madera. De a _marga en W ikimedia Estructura de armazón de la capilla de la Rectoral de Cobres. Manuel Torres Búa. flickr. Licencia CC-BY. Commons. Licencia CC-BY-SA. Licencia CC-BY-SA. 30
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Estructuras trianguladas Son estructuras formadas por elementos lineales de poca sección denominadas barras que crean superficies estructurales planas o tridimensionales mediante la repetición de formas triangulares. Las uniones entre barras normalmente no son rígidas para evitar rigideces perjudiciales, sin embargo, sin que exista la posibilidad de que las barras se deformen, los triángulos que forman la pieza base de las estructuras son indeformables. Pabellón multiusos Navalmoral. De Vicente Alfonso en flickr. Licencia Grua Carola del Museo Marítimo de Bilbao. De Fernando Jiménez en CC BY-NC-SA. flickr. Licencia C C-BY-NC. Estructuras colgantes Se basan en empleo de elementos tipo cable o cuerda, denominados tirantes; que funcionan únicamente a tracción y sirven para sustentar otros elementos. Es la estructura típica de los puentes colgantes. Puente colgante de madera en Cangas de Onís. Puente peatonal en Valadares, Vigo. Carmen Puente peatonal colgante en Leiro. Manuel Manuel Torres Búa. Licencia C C-BY-SA Boado Aguinaga. Licencia CC-BY-SA. Torres Búa. Licencia C C-BY-SA. Elementos resistentes Constructivamente, existen una serie de elementos que van a aparecer en muchas de las estructuras que podemos estudiar. Vamos a detenernos en los que aparecen en la siguiente tabla: 31
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Elementos resistentes Cimientos Soportes: columnas o pilares Muros Vigas Cerchas Forjados Arcos Bóvedas Cúpulas Dinteles Cimientos Se denominan cimientos o cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados en este al suelo, distribuyéndolas de forma que no superen una serie de valores máximos del terreno de apoyo. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será mucho más grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes). La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura. Hay que prestar especial atención ya que la estabilidad de la construcción depende en gran medida del tipo de terreno. Podemos tener diversos tipos de cimiento o cimentación. En general podemos clasificar las cimentaciones en superficiales o directas y profundas. Podemos establecer un tipo particular intermedio: la cimentación semiprofunda. Dentro de cada tipo de cimentación existen diversos elementos, aunque la gran mayoría de las estructuras empleen casi siempre los mismos. La siguiente tabla resume los elementos de cimentación más habituales: 32
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Tipos de cimiento. En T 4. Haciendo obra, Unidad 6 Elaboración de un proyecto técnico sobre la vivienda. Orientación profesional, Ámbito Científico Tecnológico NII de los Recursos Ieda, Junta de Andalucía | Consejería de Educación, Cultura y Deporte. Licencia CC-BY-NC-SA. Cimentación superficial o directa Son aquellos cimientos que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste suficiente capacidad de aguante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y relativamente livianas. En este tipo de cimentación, la carga se reparte en un plano de apoyo horizontal. En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las superficiales, se apoyan a suficiente profundidad como para garantizar que no se produzcan deterioros. Los elementos de apoyo que unen los soportes con el terreno e denominan z apatas. Cuando en el diseño de la cimentación se prevén muchas zapatas y próximas unas a otras se sustituyen por un elemento continuo denominado losa de cimentación. 33
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Cimentaciones superficiales Montaje realizado a partir de material de: OCW Dibujo de la construcción (ANTONIO MARÍA CARRETERO DIAZ Mª LUISA MARTÍNEZ MUNETA), Universidad Politécnica de Madrid. Licencia CC-BY-NC-SA. http://ocw.upm.es/expresion-grafica-en-la-ingenieria/dibujo-de-construccion. 34
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Cimentaciones semiprofundas. Cuando el terreno donde vamos a apoyar la estructura no es muy resistente, y se prevén fuerzas importantes, es necesario profundizar más hasta encontrar un estrato de suelo con suficientes garantías de estabilidad. Se ejecutan entonces las denominadas c imentaciones semiprofundas. Son los pozos de cimentación; soluciones intermedias entre los cimientos superficiales y profundos. Habitualmente son de hormigón, pero existen sistemas que podemos encontrar, fundamentalmente en edificios no contemporáneos como son los arcos de ladrillo. Cimentaciones profundas. Cuando la escasa calidad del terreno nos obliga, es necesario acudir a cimentaciones profundas. Como el apoyo simple por compresión no vale, se basan en el esfuerzo en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno para soportar las cargas, por lo que necesitan ubicarse más profundamente, para poder distribuir sobre una gran área, un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas son los p ilotes y las pantallas. Cimentaciones profundas. Montaje realizado a partir de material de: OCW Dibujo de la construcción (Antonio María Carretero Diaz Mª Luisa Martínez Muneta), Universidad Politécnica de Madrid. Licencia CC-BY-NC-SA. http://ocw.upm.es/expresion-grafica-en-la-ingenieria/dibujo-de-construccion Foto pilotes de: Asmodai en Wikimedia Commons. Licencia CC-BY-SA. 35
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I La construcción de los cimientos. En las siguientes fotos puedes observar cómo se ejecutan \"in situ\" una zapata aislada, una zapata continua bajo muro y una cimentación pétrea. A continuación puedes ver el vídeo \" construcción de una cimentación por zapata aislada\" Zapata aislada Zapata continua Cimentación con muros de piedra Fotos de Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. Puedes ver la construcción de una cimentación por zapata aislada en e ste video Soportes Son elementos verticales que soportan fundamentalmente esfuerzos de compresión, aunque también parte de cortante y, sobre todo en los elementos más esbeltos, pandeo. Los pilares son habitualmente de hormigón armado, normalmente ejecutados “in situ”. Cuando el soporte es de madera se denomina “pie derecho”. Columna es aquel soporte de sección circular. 36
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Muros Se denomina muro de carga o muro portante a las paredes de una edificación que poseen función estructural; es decir, aquellas que soportan otros elementos estructurales del edificio, como arcos, bóvedas, vigas o viguetas de forjados o de la cubierta. Cuando los muros soportan cargas horizontales, como las presiones del terreno contiguo, se denominan muros de contención. Muro portante de hormigón armado. Manuel Torres Búa. Licencia Muro de contención de hormigón armado. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. CC-BY-SA. Los muros de contención de tierras pueden tener diferentes formas en función del sistema que utilicen para realizar su labor estructural de contención. En la siguiente imagen puedes ver algunos ejemplos: 37
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Tipos de muros de contención. De A lfredobi e n W ikimedia Commons. Licencia: dominio público. También puedes comprobar en la imagen siguiente cuáles son las fuerzas actuantes y reacciones presentes en un muro de contención: Muro de contención. De Alfredobi en W ikimedia Commons. Licencia: dominio público. 38
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Vigas Una viga es un elemento estructurales que normalmente se colocan en posición horizontal, (aunque pueden ser también inclinadas) que se apoyan sobre los pilares, destinados a soportar cargas. Ejemplos de vigas son, los rieles de las cortinas, los travesaños horizontales de debajo del tablero en el pupitre o en la silla, el marco de la ventana o de la puerta, etc. Cuando forman parte de la superficie de un forjado se denominan viguetas. El conjunto vigas-pilares forman los pórticos. Diferentes tipos de vigas. Diferentes tipos de vigas. En “Bigues Isostàtiques” del open course ware “F onaments físics de les estructures”, Universitat d´Alacant. Licencia CC-BY-NC-SA. Ejemplos de vigas Algunos ejemplos de vigas. En “Bigues Isostàtiques” del open course ware “Fonaments físics de les estructures” , Universitat d´Alacant. Licencia CC-BY-NC-SA. 39
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Cerchas Una cercha es una celosía; una estructura reticular de barras rectas interconectadas en nodos formando triángulos planos (en celosías planas) o pirámides tridimensionales (en celosías espaciales). También se les conoce como armaduras. El interés de este tipo de estructuras es que las barras trabajan predominantemente a compresión y tracción presentando comparativamente flexiones pequeñas. Pueden ser construidas con materiales diversos: acero, madera, aluminio, etc. Las uniones pueden ser articuladas o rígidas. En las celosías de nudos articulados la flexión es despreciable siempre y cuando las cargas que debe soportar la celosía estén aplicadas en los nudos de unión de las barras. Cercha de madera. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. Estructura reticular de barras de acero, plaza de toros de Vitoria. De Jtspotau en Wikimedia Commons. Licencia: dominio público. En las siguientes imágenes puedes ver la terminología que se emplea habitualmente para los elementos de las cerchas, así como la \"idealización\" geométrica que se realiza para su cálculo estructural: Terminología en estructuras articuladas. Carlos Navarro en “E structuras Articuladas” de OCW Ingeniería Estructural, Idealización estructural de las cerchas. Carlos Navarro en “E structuras Universidad Carlos III. Licencia C C-BY-NC-SA. Articuladas” de O CW Ingeniería Estructural, U niversidad Carlos III. Licencia CC-BY-NC-SA. 40
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Forjados Se denomina forjado al elemento estructural, horizontal (o inclinado, en cubiertas), que soporta su propio peso y las sobrecargas de uso, tabiquería, dinámicas, etc. Dichas cargas se transmiten al terreno mediante otros elementos de la estructura, como vigas, pilares, muros y cimentación. Forma parte de la estructura horizontal de las diferentes plantas de un edificio, siendo capaz de solidarizar horizontalmente los diversos elementos estructurales, permitiendo no solo transmitir cargas verticales sino también horizontales. Ello contribuye a aportar rigidez en ese plano horizontal. Elementos de un forjado de hormigón armado. En T4. Haciendo obra, Unidad 6 Elaboración de un proyecto técnico sobre la vivienda. Orientación profesional, Ámbito Científico Tecnológico NII de los Recursos Ieda, Junta de Andalucía | Consejería de Educación, Cultura y Deporte. Licencia CC-BY-NC-SA. Arcos Es un elemento estructural de directriz en forma curvada, que salva el espacio abierto entre dos pilares o muros transmitiendo toda la carga que soporta a los apoyos, mediante una fuerza oblicua que se denomina empuje. Normalmente está formado por piezas denominadas dovelas. Un arco con dovelas funciona como un conjunto de elementos que transmiten las cargas, hasta los muros o pilares que lo soportan. De esta forma el arco es un sistema en equilibrio. Las d ovelas están sometidas a esfuerzos de compresión, fundamentalmente, pero transmiten empujes horizontales en los puntos de apoyo, hacia el exterior, de forma que tiende a provocar la separación de éstos. Para contrarrestar estas acciones se suelen adosar otros arcos, para equilibrarlos, muros de suficiente masa en los extremos, o un sistema de compensación mediante c ontrafuertes o a rbotantes (dando lugar a los arcos apuntados y a la bóvedas de crucería). Algunas veces se utilizan tirantes metálicos, o en algunas ocasiones de madera, para sujetar las dovelas inferiores. 41
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Elementos de un arco. A partir de: Esquema de un arco. De MesserWoland en W ikimedia Commons. Licencia C C-BY-SA. Son innumerables los tipos de arcos que existen y que puedes ver en construcciones, tanto antiguas como actuales. Vienen definidos fundamentalmente por sus características geométricas. Puedes ver a continuación un catálogo de arcos definidos por sus directrices. Arco triunfal de la iglesia de Santa María de Castrelos en Vigo. Manuel Arcos del puente de Cangas de Onís. Manuel Torres Búa. Licencia Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. CC-BY-SA. 42
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Bóvedas Una bóveda es un elemento estructural superficial, generalmente elaborado en mampostería o fábrica, en el que sus piezas y componentes trabajan a compresión. Las bóvedas poseen una forma geométrica generada por el movimiento de un arco a lo largo de un eje. Por regla general este elemento constructivo sirve para cubrir el espacio comprendido entre dos muros o una serie de pilares alineados. Son estructuras apropiadas para cubrir espacios arquitectónicos amplios mediante el empleo de piezas pequeñas. Su geometría puede ser de simple o doble curvatura, un ejemplo de geometría simple se encuentra entre las b óvedas de cañón, y en las de curvatura más compleja las de a rista (cruce de dos bóvedas de cañón). En muchos casos la bóveda posee una planta entre cuadrada o rectangular. Elementos de una bóveda. Manuel Torres Búa. Licencia C C-BY-SA. 43
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Elementos de una bóveda de crucería. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. Cúpulas La cúpula es un elemento estructural que se utiliza para cubrir un espacio de planta circular, cuadrada, poligonal o elíptica, mediante arcos de perfil semicircular, parabólico u ovoidal, rotados respecto de un punto central de simetría. Desde el punto de vista estructural una cúpula delgada puede considerarse un elemento bidimensional de doble curvatura con simetría radial (respecto al centro de la esfera inscripta). Los esfuerzos predominantes son de tracción en el sentido de los paralelos y de compresión en el sentido de los meridianos. Estructuralmente funcionan como una lámina de revolución. 44
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Elementos de la cúpula. A partir de: Sección transversal de la Iglesia de los Santos Apóstoles en Colonia. De Max Hasak (1856-1934) en Wikimedia Commons. Licencia: dominio público. Comparación entre cúpulas sobre trompas y sobre pechinas. Archivos: [1]“Mave_-_Monasterio_de_Santa_Maria_la_Real_07.jpg (Imaxe JPEG, 2048 × 1536 píxeles) - Escalada (42%).” [Online]. Available at: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Mave_-_Monasterio_de_Santa_Maria_la_Real_07.jpg. [Accessed: 14-Mar-2015]. [2]“CupolaSantaTeresa2.JPG (Imaxe JPEG, 1600 × 1200 píxeles) - Escalada (54%).” [Online]. Available at: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/CupolaSantaTeresa2.JPG. [Accessed: 14-Mar-2015]. 45
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Dinteles Es el elemento superior que permite crear vanos en los muros para conformar puertas, ventanas o pórticos. Por extensión, el tipo de construcción que utiliza dinteles para cubrir los espacios en los edificios se llama arquitectura adintelada o construcción adintelada. Es un tipo de estructura masiva. En los p órticos, conjuntos entramados viga-pilar; se suele denominar a la viga dintel cuando sirve para delimitar vanos. Sin embargo es más apropiado emplear este término para elementos apoyados directamente en muros o soportes, sin unión con estos. Esquema de estructura adintelada. De L ocutus Borg en W ikimedia Dinteles y columnas en el Templo de Karnak (Egipto). Karnak Temple. De S cott D. Haddow en f lickr. Licencia Commons. Licencia: dominio público. CC-BY-NC-SA. 46
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Apoyos y enlaces entre elementos estructurales Los enlaces, ligaduras o apoyos son dispositivos que restringen de alguna manera los movimientos del sistema estructural y permiten la transmisión de los esfuerzos. El ejemplo más claro es el de los c imientos que unen la estructura con el terreno que le sirve de sustento. Pero hay apoyos y enlaces, no solo para el global de la estructura, sino también en las uniones entre diversos elementos estructurales (entre viga y pilar, entre pilar y cimiento, entre barras de una celosía, entre los elementos mecánicos de una máquina…). Las restricciones al movimiento están asociadas a fuerzas de reacción o reacciones de los enlaces, que son las acciones necesarias para impedir o coaccionar los movimientos que los enlaces restringen. Estas fuerzas se denominan de reacción porque sólo se producen como reacción o respuesta a un intento de realizar el movimiento que el enlace prohíbe. Apoyo simple o apoyo articulado móvil La reacción corresponde a la que se produce entre dos superficies tangentes que se tocan en un punto, permitiendo el deslizamiento relativo entre ambas. Es libre el movimiento en la dirección del eje x, así como el giro en el plano xy. La reacción es una fuerza perpendicular al plano x. Apoyo articulado móvil. En \"Tipos de apoyos y reacciones en las Apoyo de las vigas de un viaducto. Manuel Torres Búa. Licencia estructuras\". De Alberto Villarino Otero en “T eoría y cálculo de estructuras” del OCW ingeniería civil, 2010-11 de la Universidad de CC-BY-SA. Salamanca. Licencia C C-BY-NC-SA. 47
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I Apoyo doble, o apoyo articulado fijo El desplazamiento está impedido en el eje x y en el eje y. Las reacciones son en las direcciones de estos dos ejes. Sólo se permite el giro. Apoyo articulado fijo. En \"Tipos de apoyos y reacciones en las estructuras\". De Alberto Villarino Otero en “T eoría y cálculo de estructuras” del O CW ingeniería civil, 2010-11 de la Universidad de Ejemplo de apoyo articulado f ijo. Manuel Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. Salamanca. Licencia C C-BY-NC-SA. Empotramiento En este caso no se permiten movimientos en las direcciones x e y, así como tampoco el giro. Las reacciones son fuerzas en la dirección de x y de y, así como un momento que impide el giro en ese punto. Empotramiento. En \"Tipos de apoyos y reacciones en las estructuras\". Empotramiento en una estructura de hormigón armado. Manuel De Alberto Villarino Otero en “Teoría y cálculo de estructuras” del Torres Búa. Licencia CC-BY-SA. OCW ingeniería civil, 2010-11 de la Universidad de Salamanca. Licencia CC-BY-NC-SA. 48
Profesor: Fernando Torrecilla Pinero Bloque IV: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas 2º ESO Tecnología I ANEXO. Contenidos, criterios de evaluación y estándares de aprendizaje evaluables 2.º ESO: Tecnología Contenidos Criterios de evaluación Estándares de aprendizaje evaluables Bloque 4: Estructuras y mecanismos: máquinas y sistemas Estructuras: Definición, elementos 1. Analizar y describir los 1.1. Describe apoyándote en resistentes más comunes en las información escrita, audiovisual o estructuras: pilar, viga, arco, etc. esfuerzos a los que están digital, las características propias que sometidas las estructuras configuran las tipologías de estructura. experimentando en prototipos. 1.2. I dentifica los esfuerzos Tipos de esfuerzos a que están 2. Relacionar los efectos de la característicos y la transmisión de los sometidas las estructuras. mismos en los elementos que energía eléctrica y su capacidad configuran la estructura. de conversión en otras manifestaciones energéticas. Estructuras de barras. 2.1. Explica los principales efectos de la corriente eléctrica y su conversión. Triangulación. Elementos de 3. Experimentar con soporte más adecuados en la construcción de estructuras: perfiles. 2.2. Utiliza las magnitudes eléctricas instrumentos de medida y básicas. obtener las magnitudes eléctricas básicas. 2.3. Diseña utilizando software específico y simbología adecuada Estabilidad y vuelco. Formas de circuitos eléctricos básicos y mejorar la estabilidad estructural. experimenta con los elementos que lo 4. Diseñar y simular circuitos configuran. con simbología adecuada y montar circuitos con 3.1. Manipula los instrumentos de medida para conocer las magnitudes Diseño, elección y colocación de operadores elementales. eléctricas de circuitos básicos. elementos necesarios para construcción de estructuras con 4.1. Diseña y monta circuitos eléctricos básicos empleando bombillas, materiales sencillos. zumbadores, diodos led, motores, baterías y conectores. Electricidad: magnitudes básicas: tensión, intensidad, resistencia, potencia y energía. Ley de Ohm y su aplicación en el cálculo de las magnitudes básicas. Uso de los instrumentos de medida: polímetro. Efectos de la corriente eléctrica: luz y calor. Efectos sobre el cuerpo humano. 49
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