Estructuras

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¿Que es una estructura?
Estamos rodeados de estructuras naturales y artificiales. Las personas, los animales y las plantas son estructuras: nuestro cuerpo dispone de una estructura formada por huesos, los animales tienen huesos o caparazones, y las plantas tienen troncos y ramas que soportan las hojas. Nosotros construimos estructuras tales como casas y puentes, al igual que muchos animales construyen estructuras, por ejemplo, los nidos de pájaro a las telas de araña.

Estructuras animales y vegetales

Estructuras artificiales

Definición de estructura
Una estructura es un conjunto de elementos capaces de soportar fuerzas y transmitirlas a los puntos donde se apoya con el fin de ser resistente y estable.
Estas fuerzas que actúan sobre una estructura se llaman cargas.
Las cargas pueden ser: el propio peso de la estructura, el peso de los elementos que se colocan sobre ella, el viento que la empuja, la nieve que se posa sobre ella...

Materiales y estructuras
Se pueden elaborar estructuras con muchos materiales, pero los mas usados a lo largo de la historia han sido los siguientes:

Tipos de esfuerzos
Cuando una estructura esta sometida a fuerzas, llamadas también cargas, cada uno de sus elementos esta sometido a esfuerzos.
Llamamos esfuerzos a las fuerzas que aparecen en los elementos de una estructura cuando esta sometida a otras fuerzas a cargas.
Cada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos diferentes, que pueden ser de tracción, compresión, flexión, cortadura 0 cizalla y torsión.

Una estructura 0 un elemento esta sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre el actúan fuerzas que tienden a aumentar su longitud. Es decir, a estirarlo.

Una estructura 0 un elemento esta sometido a un esfuerzo de compresión cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a disminuir su longitud; es decir, a comprimirlo.

Un elemento 0 una estructura esta sometido aun esfuerzo de flexión cuando las fuerzas 0 las cargas tienden a doblarlo.

Un elemento esta sometido a un esfuerzo de cortadura 0 cizalla cuando las fuerzas que actúan paralelamente a su sección tienden a cortarlo. Es decir, tienden a desplazar una sección con respecto a otra.

Un elemento esta sometido a un esfuerzo de torsión cuando existen fuerzas sobre el que tienden a hacer girar una sección con respecto a la otra; es decir, tienden a retorcerlo.

Actividades
Las columnas de un edificio, ¿deben estar hechas de un material resistente a tracción 0 a compresión? ¿Por que?
Unas llaves para abrir una puerta deben estar hechas de un material resistente. ¿A que tipo de esfuerzo?
Indica que esfuerzos soportan los muelles de la ilustración.

Elementos de una estructura
La mayoría de las estructuras están formadas por la unión de varios elementos. Cada uno de estos elementos esta diseñado para soportar distintos tipos de esfuerzos, así el resultado final será una estructura resistente y estable. Podemos distinguir:
cimientos, columnas 0 pilares, vigas, arcos y tirantes.

Cimientos
Todas las estructuras necesitan apoyarse sobre una base resistente. Esta base la constituyen los cimientos, que suelen estar por debajo del nivel del suelo. La mayoría se construyen sobre cimientos de hormigón para evitar que se hundan debido a su peso.

Columnas o pilares
Son barras verticales especialmente diseñadas para soportar esfuerzos de compresión.

Vigas
Son barras horizontales que soportan esfuerzos de flexión. Las diversas plantas de un edificio se soportan con vigas.

Arco
Es un elemento con forma curva que sirve para cubrir un hueco entre dos pilares y que soporta una parte de la estructura descargando el peso en los extremos.

Tirantes
Son cables 0 barras que soportan esfuerzos de tracción. Pueden ser de acero, y sirven para aumentar la resistencia y la estabilidad de una estructura.

Estructuras resistentes
Lo fundamental es que la estructura aguante las cargas(sea resistente) y que no se caiga (sea estable).
Una estructura esresistente cuando conserva su forma al aplicarle cargas.
Todos los materiales sufren una pequeña deformación cuando se les aplica una fuerza. Cuando la fuerza es grande se produce una deformación permanente 0 se rompe.
Vamos a estudiar elementos y recursos que proporcionan resistencia y estabilidad a las estructuras.

Triángulos
La única figura geométricas que no se puede deformar aplicándole fuerzas en sus lados es el triangulo. Esto ha servido de base para fabricar las estructuras triangulares.

Arcos
Otro elemento que también aporta resistencia a una estructura es el arco. Trabaja sometido a compresión.
Los arcos romanos se mantienen gracias al apoyo de un ladrillo sobre otro y no se utiliza ningún adhesivo entre las piezas. Estas suelen tener forma de cuña y encajar perfectamente. El ladrillo central se llama piedra angular 0 clave; es el que sujeta el arco, y suele ser mas grande que el resto.

Actividades
Analiza las siguientes estructuras e indica si se pueden deformar.
¿Qué quiere decir que una estructura debe ser indeformable?

Estructuras estables
Son aquellas que, al aplicar una fuerza sobre ellas, conservan su posición. Son inestables las estructuras que, al aplicar un pequeño empuje, pierden el equilibrio.
En la siguiente ilustración se describen algunos recursos para mejorar la estabilidad de una estructura;

Perfiles
Muy utilizado a la hora de realizar estructuras, son barras de diferentes secciones.
Los perfiles nos permiten hacer las estructuras resistentes, ligeras y baratas al mismo tiempo.

Nos podemos encontrar los siguientes perfiles:
Abiertos, con forma de V, T, U, L, X, H.
Cerrados, can forma de

Tipos de estructuras artificiales
Hay muchos tipos de estructuras. Una manera de clasificarlas es por su forma, o la de los elementos que predominan en ellas. Así nos encontramos con estructuras masivas, entramadas, abovedadas, trianguladas y colgantes.

Masivas
Son aquellas en las que predomina una gran concentración de material.
Se caracterizan par ser macizas, estables y muy pesadas.
Emplean en su construcción materiales muy resistentes a esfuerzos de compresión, como el granito, el mármol 0 el hormigón. Ejemplos de estructuras masivas son las pirámides egipcias y las piramides mayas, los temples griegos, las presas de los embalses, las murallas y los diques.

Abovedadas
Predominan los arcos, las bóvedas o las cúpulas como elementos de sujeción y soporte.
Una bóveda es una sucesión de varios arcos, mientras que la cúpula es una bóveda con forma semiesférica. Estos elementos son capaces de soportar fuertes esfuerzos de compresión.
Son estructuras abovedadas los teatros , los circos y los acueductos romanos, las iglesias y catedrales, algunas mezquitas y determinadas construcciones actuales, como los túneles.

Entramadas
Son estructuras formadas por un conjunto de perfiles de madera, acero u hormigón que se entrecruzan entre sí. Los elementos estructurales son las vigas, los pilares a columnas y la cimentación.
Estructuras entramadas son los edificios.

Trianguladas
Se forman con la unión de muchos triángulos, construyendo redes planas 0 espaciales.
Cada triangulo esta sometido a sus propios esfuerzos de tracción y compresión, equilibrándose la estructura y permitiendo que esta pueda crecer todo l0 que se desee.

Los materiales que se emplean para construir estas estructuras son la madera 0 el acero. Los triángulos hechos con madera se llaman cuchill0s, y los elaborados con acero, cerchas.
Son estructuras trianguladas las torres de alta tensión, las grúas, las plataformas petrolíferas, los estadios deportivos y algunos puentes. Estas estructuras son muy resistentes y ligeras, ya que están huecas.

Colgantes
Son estructuras colgantes las que están sustentadas por cables o perfiles sujetos a elementos de soporte.
En ellas predominan los tirantes, que están sometidos a esfuerzos de tracción.
Los puentes colgantes tienen un tablero para el paso de vehículos que normalmente es metálico y unos pilares de hormigón. Los tirantes sujetan el tablero apoyándose en los pilares y están firmemente amarrados desde la orilla. El puente esta literalmente colgado de los cables.

Otras estructuras
Otras estructuras son las neumáticas, las laminares y las geodésicas,

ACTIVIDADES
¿Que diferencia existe entre las estructuras masivas y las trianguladas?
¿Por que la distancia entre pilares puede ser mayor en los puentes colgantes que en los puentes entramados?
¿Por que son mas ligeros los edificios actuales que los antiguos?

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