1. ESTRUCTURASARQ. PEDRO URZA RAMREZ

2. Definicin Se define como estructura a los cuerpos capaces de resistir cargas sin que exista una deformacin excesiva de una de las partes con respecto a otra. Por ello la funcin de una estructura consiste en trasmitir las fuerzas de un punto a otro en el espacio, resistiendo su aplicacin sin perder la estabilidad. 3. Tipos de estructuras 4. Tipos de estructuras Estructuras Geodsicas Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bvedas y de las estructuras de barras Estructuras Laminares Constan de lminas finas que tienen gran resistencia debido a su curvatura Estructuras Colgantes Soportan el peso de la construccin mediante cables o barras que van unidos a soportes muy resistentes Estructuras Entramadas Estn formadas por una malla de piezas verticales y horizontales, de manera rgida, formando un emparrillado 5. Tipos de estructuras Estructuras Abovedadas Son estructuras muy pesadas y macizas formadas por superficies anchas y resistentes, para construirlas se emplea gran cantidad de material Estructuras Masivas Utilizan gran cantidad de material y apenas tiene huecos Estructuras Trianguladas Se caracterizan por la disposicin de barras formando tringulos, resultan muy resistentes y ligeras a la vez Estructuras Neumticas Son construcciones de material ultraligero sin apoyos centrales, sostenidos por una presin diferencial de aire que provee de una circulacin continua de aire fresco 6. Esfuerzos de una estructura Existen 5 tipos de esfuerzos mecnicos: traccin, compresin, flexin, cortante y torsin. 7. Cuando se aplica una o varias fuerzas o una estructura (un puente, un edificio, el cuerpo de una maquina, etc.) se dice que est sometido a un esfuerzo. Si la soporta sin deformaciones excesivamente o sin romperse, decimos que es una estructura resistente a este esfuerzo. El cuerpo est sometido a un esfuerzo de traccin cuando se le aplican dos fuerzas de sentido opuesto que tienen tendencia a alargarse. Un cuerpo est sometido a traccin cuando dos fuerzas de sentido opuesto tienden a alargarla. Cuanto mayor sea el valor de las fuerzas, mayor ser el alargamiento que finalmente se produzca. ESFUERZOS 1. Traccin estructuras-120623190325-phpapp01 8. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE TRACCIN Un puente de tirantes Muchos puentes modernos, como los puentes de tirantes y los puentes colgantes, utilizan gruesos cables de acero para sostener el tablero por donde circulan los vehculos. Estos cables se denominan tirantes y estn sometidos a traccin. En la foto de debajo podis ver el puente atirantado Vasco de Goma, en Portugal. La lanza de un remolque La lanza es la barra que une un remolque con el vehculo que la arrastra. Esta barra est sometida a un esfuerzo de traccin. La fuerza que ejerce el vehculo tiende a estirarla hacia delante. Al desplazarse, el rozamiento de las ruedas del remolque con la carretera y la resistencia aerodinmica de este generan una fuerza de reaccin que tiende a estirar la lanza hacia atrs. estructuras-120623190325-phpapp01 9. El cable de una gra El cable de una gra sometido a traccin. El peso de la carga tiende a estirarlo hacia abajo. Para contrarrestar esta fuerza, la estructura de la gra ejerce una fuerza igual hacia arriba. estructuras-120623190325-phpapp01 10. Un cuerpo est sometido a un esfuerzo de compresin cuando se le aplican dos fuerzas de sentido opuesto que tienen tendencia a aplastarlo. Fijaos en la siguiente ilustracin. Un cuerpo est sometido a compresin cuando dos fuerzas de sentido opuesto tienden a aplastarla. Cuanto mayor sea el valor de las fuerzas, mayor ser el achatamiento que finalmente se produzca. ESFUERZOS 2. Compresin. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE COMPRESIN Columnas, pilares y muros de carga Uno de los ejemplos ms comunes de esfuerzo de compresin es el que resisten las columnas, pilares y muros de carga de los edificios, como las columnas del templo griego de la ilustracin. Estos componentes estructurales deben sostener el peso de la parte del edificio que est situado encima de ellos. Como consecuencia de la fuerza ejercida por el peso aparece una fuerza de reaccin con sentido hacia arriba que proviene de los cimientos. Las columnas de este antiguo templo griego estn sometida a fuerzas de compresin estructuras-120623190325-phpapp01 11. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE COMPRESIN Montantes de una litera Los montantes de una litera, como los de una estantera o los de una escalera de mano, estn sometidos a compresin. Deben sostener el peso de la cama superior y de la persona que duerme en ella, de la misma manera que las columnas del ejemplo anterior sostienen el peso del edificio. Las patas de sillas y mesas Las patas de sillas y mesas estn sometidas a compresin. Deben resistir el peso de la persona que sienta o de las cosas que se han colocado encima, adems de su propio peso. Una fuerza de reaccin que proviene del suelo, y que tiene sentido ascendente, contrarresta la fuerza ejercida por el peso. Los montantes de una litera estn sometidos a compresin Las patas de sillas y mesas, estn sometidas a compresinestructuras-120623190325-phpapp01 12. Una carga est sometida a un esfuerzo de flexin cuando recibe una o ms fuerzas que tienden a doblarla. Un cuerpo sometido a flexin tiene tendencia a doblarse. ESFUERZOS 3. Flexin. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE FLEXIN Plataforma de un puente. Aunque no se puede apreciar a simple vista, la plataforma de un puente se comba cuando debe soportar el peso de un vehculo. La flexin de un puente es muy pequea, ya que estn diseados para que sean rgidos. Un caso similar de esfuerzo de flexin es el de una viga en un edificio. La plataforma de un puente se comba cuando tiene que soportar una carga. En el dibujo se ha exagerado para facilitar la comprensinestructuras-120623190325-phpapp01 13. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE FLEXIN Estantera Si ponemos mucho peso en la balda de una estantera, se combar debido al esfuerzo de flexin. Cuanto ms peso, ms combada estar. Un ejemplo similar es el de la barra que sostiene las perchas en un armario. Alas de un avin Igual que el trampoln de una piscina, las alas de un avin estn sometidas a esfuerzos de flexin. Deben estar muy bien diseados para soportar estos esfuerzos sin romperse y, a la vez, ser ligeros. Las baldas de una estantera estn sometidas a flexin Las alas de un avin estn sometidas a esfuerzos de flexin que van cambiando al despegar, al aterrizar, cuando hay turbulencias o rachas de viento, etc.estructuras-120623190325-phpapp01 14. Un cuerpo est sometido a un esfuerzo de cortante cuando se le aplican dos fuerzas de sentido opuesto que tienen tendencia a cortarlo. Fjate en la ilustracin que viene a continuacin. Un cuerpo est sometido a cizalladura cuando dos fuerzas de sentido opuesto tienden a cortarlo. ESFUERZOS 4. Cortante EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE CIZALLADURA Tijeras, guillotina, cizallas Las herramientas de corte manual que funcionen por la accin de dos hojas de metal afilado: tijeras, guillotinas para papel, cizallas para metal, etc. El material (tela papel, meta) recibe un esfuerzo de cizalladura que no puede soportar, por lo que se produce el corte. Esfuerzo de cizalladura creada por unas tijeras. estructuras-120623190325-phpapp01 15. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE CORTANTE Troquelado El troquelado se usa para recortar piezas de una lmina de material delgado, normalmente metal, plstico, cartn o cuero. El corte se hace de golpe, presionando fuertemente el material a cortar entre dos herramientas, el punzn y la matriz, que tienen la forma que se desea obtener. El contorno de la pieza cortada experimenta un esfuerzo de cizalladura. Extremos de las vigas Los extremos de las vigas de un edificio estn sometidos a un esfuerzo de cizalladura. Hoy dos fuerzas iguales u de sentido contrario, aplicadas a la derecha y a la izquierda de los puntos de apoyo, que tienen tendencia a cortar la viga. Por una parte, la fuerza del peso que sostiene la viga y, por la otra, la fuerza de reaccin que ejerce el pilar o muro para sostener dicho peso. Ejemplo de troquelado: fabricacin de arandelas Ejemplo de cizalladura en el troquelado Los extremos de las vigas estn sometidos a cizalladura Vista en 3 dimensiones estructuras-120623190325-phpapp01 16. Un cuerpo est sometido a un esfuerzo de torsin cuando se le aplican dos fuerzas de sentido opuesto que tienen tendencia a retorcerlo. Experimenta con la animacin de debajo. Un cuerpo est sometido a torsin cuando dos fuerzas de sentido opuesto tienden a retorcerlo.. ESFUERZOS 5. Torsin. EJEMPLOS DE ESFUERZOS DE TORSIN Tornillo Cuando colocamos un tornillo, lo estamos sometiendo a un esfuerzo de torsin. Por una parte experimenta la fuerza del destornillador que la gira en sentido horario. Por la otra, el material donde estamos introduciendo ejerce una fuerza de resistencia de sentido antihorario. El resultado es que el tornillo tiende a retorcerse. Ejes de maquinas La mayora de los ejes de maquinas estn sometidos a torsin, como los del aerogenerador del dibujo. En este caso, la fuerza del viento hace girar los ejes en un sentido mientras que el generador, que se resiste a girar, ejerce una fuerza de sentido contrario. estructuras-120623190325-phpapp01 17. Clasificacin de sistemas estructurales 1. Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a traccin o compresin simples, tales como los cables y arcos. 2. Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultneos de esfuerzos de traccin y compresin, tales como las cerchas planas y espaciales. 3. Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexin, tales como las vigas, dinteles, pilares y prticos. 4. Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensin superficial, tales como las placas, membranas y cscaras. 5. Sistemas de Altura Activa: Estructuras verticales que emplean para la direccin y transmisin de los sistemas de fuerzas un mecanismo de vector, masa o superficie activos 18. Sistema de forma activa Los cables son estructuras flexibles debido a la pequea seccin transversal en relacin con la longitud. Esta flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexin, por lo que la carga se transforma en traccin y tambin hace que el cable cambie su forma segn la carga que se aplique. Las formas que puede adoptar el cable son: 1. Polgono funicular, es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales. 2. Parbola, es la curva que adquiere el cable ante una carga horizontal uniformemente repartida. 3. Catenaria, es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo. 19. Un cable no constituye una estructura auto portante a menos que cuente con medios y procedimientos para absorber su empuje. Esto se logra canalizando sobre las torres la traccin del cable y anclando en tierra. 20. Si se invierte la forma parablica que toma un cable, sobre el cual actan cargas uniformemente distribuidas segn una horizontal, se obtiene la forma ideal de un arco que sometido a ese tipo de carga desarrolla slo fuerzas de compresin. El arco es en esencia una estructura de compresin utilizado para cubrir grandes luces. 21. Sistemas de vector activo Los sistemas estructurales de vector activo son sistemas portantes formados por elementos lineales (barras), en los que la trasmisin de las fuerzas se realizan por descomposicin vectorial, es decir, a travs de una subdivisin multidireccional de las fuerzas. Sus elementos (cordones, barras) trabajan en un sistema mixto de compresin y traccin. Las caractersticas principales son : Triangulacin y unin mediante nudos 22. Las estructuras de vector activo, presentan grandes ventajas como estructuras verticales para edificios de gran altura. Proyectados adecuadamente, pueden combinar las funciones estticas de agrupamiento de cargas lineal, trasmisin directa de las cargas y rigidizacin lateral frente al viento. En este sistema se cambia la direccin de las fuerzas dividiendo las cargas en diferentes direcciones a travs de dos o mas barras y las equilibran mediante las correspondientes reacciones vectoriales. 23. Cordn inferior Barras Cimentacin Columna Compresin Tensin Luz Las barras de una armadura no van ms all de los puntos de unin. Esta se realiza por medio de remaches, pernos o soldadura a una cartela dispuesta en la interseccin de las barras. 24. Sistema de masa activa Las vigas figuran entre los elementos estructurales ms comunes, dado que la mayor parte de las cargas son verticales y la mayora de las superficies utilizables son horizontales. Por consiguiente las vigas transmiten en direccin horizontal las cargas verticales, lo que implica una accin de flexin y corte. En una viga simplemente apoyada, una carga aplicada en el punto medio se transmite por mitades a ambos apoyos. En las vigas de volado esta se trasmite al extremo apoyado. 25. Dinteles y Pilares El sistema de pilar y dintel pueden construirse uno sobre otro para levantar edificios de muchos pisos. En este caso, los dinteles apoyan en pilares o en paredes de altura igual a la del edificio. Si bien la construccin de este tipo puede resistir cargas verticales, horizontales, as los vientos huracanados y terremotos daan con facilidad este sistema, pues la mampostera y los elementos de piedra poseen escasa resistencia a la flexin y no se establece una conexin fuerte entre los dinteles y pilares. 26. Prticos La accin del sistema de pilar y dintel se modifica en grado sustancial si se desarrolla una unin rgida entre el dintel y el pilar llamndose ahora viga y columna. Esta nueva estructura, denominada el prtico rgido simple o de una nave, se comporta de manera monoltica y es ms resistente tanto a las cargas verticales como a las horizontales. A medida que aumentan el ancho y la altura del edificio, resulta prctico aumentar el nmero de naves, reduciendo as la luz de las vigas y absorbiendo las cargas horizontales de manera ms econmica. La estructura resistente del edificio se convierte de este modo en un prtico con una serie de mallas rectangulares que permiten la libre circulacin en el interior, y es capaz de resistir tanto cargas horizontales como verticales. Una serie de estos prticos, paralelos entre s y unidos por vigas horizontales, constituye la estructura tipo-jaula que encontramos hoy en la mayora de los edificios de acero o de concreto armado. Estos prticos tridimensionales actan integralmente contra cargas horizontales de cualquier direccin, pues sus columnas pueden considerarse como parte de uno u otro de dos sistemas de prticos perpendiculares entre s. Bajo la accin de cargas verticales, los tres elementos de un prtico simple se hallan sometidos a esfuerzos de compresin y flexin. Con las proporciones usuales de vigas y columnas, la compresin predomina en las ltimas y la flexin en las primeras. Las columnas son relativamente esbeltas y la viga relativamente alta. 27. Sistemas de superficie activa Placas Los sistemas de entramado son particularmente eficientes para transferir cargas concentradas y para lograr que toda la estructura participe en la accin portante. Esta eficiencia se refleja no slo en la mejor distribucin de las cargas sobre los apoyos, sino en la menor relacin espesor a luz de los entramados rectangulares. La relacin espesor a luz en los sistemas de vigas paralelas empleados en la construccin corriente vara entre [1/10, 1/24], segn el material de las vigas. En el proyecto moderno de edificios de oficinas, es comn apoyar las placas de piso sobre una pared exterior o sobre una serie de columnas y en el ncleo interno, dentro del cual se disponen los ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del sistema mecnico, elctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una zona de piso totalmente libre. La unin entre columnas y placas debe proyectarse para absorber el llamado punzonamiento de las columnas y requiere a menudo el uso de capiteles o placas intermedias de distribucin. A fin de evitar capiteles, se emplean conectores de corte de acero, para garantizar la transferencia de la carga desde la columna a la placa en el proyecto de hormign armado. La eficiencia estructural de las placas puede aumentarse reforzndolas con nervaduras, eliminando as parte del material de la zona prxima al plano neutro sin tensiones. Las placas plegadas pueden hacerse de madera, acero, aluminio o concreto armado. Las de este ltimo material son particularmente econmicas, pues es posible preparar su encofrado con tablones rectos, o bien prefabricar las losas de concreto en tierra, izarlas hasta su lugar y conectarlas soldando las barras transversales en el pliegue, con lo que se evita la mayor parte del encofrado. 28. Membranas Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin prctico, puede desarrollar solamente traccin. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensin producido por fuerzas externas o presin interna. El pretensado permite que una membrana cargada desarrolle tensiones de compresin hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de traccin incorporadas a ellas No obstante la inconsistencia de las membranas respecto a la mayor parte de los estados de tensin, el ingenio humano ha hallado maneras de utilizar membranas para fines estructurales, sobre todo debido a su bajo peso. La carpa del circo es una membrana capaz de cubrir decenas de metros, siempre que la tela cuente con adecuado sostn en parantes de compresin, estabilizados por riendas de traccin. Las carpas son tiles como cubiertas temporarias y aceptables como techos permanentes si son altamente pretensadas. 29. Cscaras Se denominan estructuras resistentes por la forma a aqullas cuya resistencia se obtiene dando forma al material segn las cargas que deben soportar. Una membrana invertida y sometida a las mismas cargas para las cuales se le dio forma originariamente, sera una estructura de este tipo y desarrollara slo compresin, es decir, constituira el antfunicular bidimensional de esas cargas. Su movilidad e incapacidad para resistir tensiones de corte o de compresin, restringen el uso de las membranas. Todas las desventajas de la accin de membrana se evitan conservando al mismo tiempo la mayor parte de sus ventajas en las cscaras delgadas. Las cscaras delgadas son estructuras resistentes por la forma, suficientemente delgadas para no desarrollar tensiones apreciables de flexin, pero tambin suficientemente gruesas para resistir cargas por compresin, corte y traccin. Aunque se las ha construido de madera, acero y materiales plsticos, son ideales para construirlas en concreto armado. Las cscaras delgadas permiten la construccin econmica de cpulas y otros techos curvos de formas diversas, gran belleza y excepcional resistencia, este tipo de estructura figura entre las expresiones ms refinadas del diseo estructural. 30. Sistema de altura activa En edificios de altura, los sistemas de recoleccin de cargas estn ntimamente relacionados con la configuracin y la organizacin de la planta. La interdependencia es tal que los distintos sistemas de recoleccin de cargas dan origen a sus correspondientes sistemas de organizacin de plantas para edificios de altura. Los sistemas estructurales verticales, a pesar de la lgica verticalidad de los elementos transmisores de las cargas, pueden ser proyectados tambin en forma econmica con elementos no verticales. Ello significa que la monotona de las lneas rectas verticales del alzado del contorno no es cualidad intrnseca de los sistemas estructurales verticales. Los sistemas estructurales verticales requieren para la transmisin de las cargas verticales una considerable masa en la seccin de los soportes, que reduce la superficie til en planta. Colgando las plantas, en vez de apoyarlas sobre elementos inferiores, puede conseguirse una reduccin en la seccin de los elementos verticales transmisores de las cargas. Sin embargo, esta forma de transmisin de carga necesita de un sistema estructural superpuesto para el transporte final de las cargas hasta el suelo.