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MAQUETERÍA 03: CONCEPTOS
ESTRUCTURALES BÁSICOS
Conceptos Estructurales básicos
Dentro del proceso de diseño de algún artefacto, construcción o incluso en el caso de la realización de una maqueta o prototipo la estructura juega un papel fundamental: sin ella no podríamos concebir un objeto funcional o darle orden a un trabajo en particular.
¿Qué es una estructura?
La estructura (del latín structura) se
define como la disposición y orden de las
partes dentro de un todo. Podemos tomar
esta definición general y aplicarla a
nuestra vida cotidiana, ya que podemos
definir una estructura en sí como el modo
de organización de una empresa, de un
proyecto o institución. También podemos
encontrar estructuras en la naturaleza como por ejemplo en la forma ramificada de
un árbol, el esqueleto humano (el cual es una estructura interna y por
ello no visible desde el exterior) o el cuerpo de un insecto que es
una estructura de tipo externa o exoesqueleto.
Si miramos un puente por ejemplo, notaremos claramente su estructura o
esqueleto ya que en este caso este es la esencia de todo el puente,
puesto que este está diseñado para soportar los vehículos y/o personas
que circulan a través de él, además claro del aspecto estético.
Para el caso del diseño o una construcción definiremos la estructura
como la pieza o el conjunto de piezas o elementos pensados o diseñados
para soportar una o más cargas y además mantener una forma determinada. Las piezas que la componen se conocen como elementos
estructurales.
Función de las estructuras
Las estructuras tienen una finalidad o función determinada. En el caso
de las estructuras naturales como por ejemplo el árbol o un insecto,
la función primaria es protegerlos de los elementos adversos de la naturaleza como el viento o la humedad y en el caso del árbol, evitar que
este se desplome. En el caso del insecto este esqueleto externo evita
que su interior se desparrame y por ende el animal muera, o si es un
coleóptero este esqueleto le da una resistencia extra a los ataques de
depredadores.
En el caso de las estructuras artificiales estas tienen una finalidad
determinada para la que ha sido primeramente pensada, diseñada y finalmente construida. Para comprender mejor esto, podemos enumerar las funciones de una estructura según la función y/o la necesidad que satisface:
– Soportar pesos y/o cargas: se engloban en este apartado aquellas estructuras cuyo fin principal es el de sostener su propio peso y
cualquier otro elemento o fuerza como por ejemplo son los pilares, las
vigas, estanterías, torres, las patas de una mesa, etc.
– Salvar distancias: su principal función es la de esquivar un objeto,
permitir el paso por una zona peligrosa o difícil. En este caso tenemos a los puentes, las grúas, teleféricos, etc.
– Proteger objetos cuando son almacenados o transportados, o a las personas para ciertos fines como por ejemplo las cajas de embalajes, los
cartones de huevos, cascos, armaduras medievales, etc.
– Para dar rigidez a un elemento: son aquellos en que lo que se pretende proteger es al propio objeto, y no otro al que envuelve, por
ejemplo en las puertas no macizas, el enrejado interior, los cartones
corrugados, etc.
– Otros usos.
Tipos de Estructuras
Se pueden realizar muchas clasificaciones de las estructuras, atendiendo a diferentes parámetros. Entre estos tenemos:
a) En función de su origen:
Naturales: las estructuras propias del entorno natural como el esqueleto, el tronco de un árbol, los corales marinos, las estalagmitas y estalactitas, etc.
Artificiales: son todas aquellas estructuras que ha construido el hombre para diversos fines.
b) En función de su movilidad:
Móviles: serían todas aquellas que se pueden desplazar o realizar
movimiento ya que poseen un sistema de articulaciones. Ejemplos de esto son el esqueleto, un puente levadizo, una bisagra, una biela de locomotora (abajo), una rueda, la estructura que sustenta un coche de caballos, un motor de combustión interna, etc.
Fijas: aquellas que por el contrario no pueden sufrir desplazamientos,
o estos son mínimos. En este caso tenemos por ejemplo los pilares, torretas, vigas, puentes.
c) En función de su utilidad o situación:
Pilares: es una barra apoyada verticalmente, cuya función es la de soportar cargas o transferir el peso de otras partes de la estructura.
Los principales esfuerzos que soporta son de compresión y pandeo. También se le denomina poste o columna. Los materiales de los que está
construido pueden ser muy diversos, desde la madera al hormigón armado, pasando por el acero, ladrillos, mármol, etc. Los pilares suelen
ser de forma geométrica regular (cuadrada, rectangular, octogonal,
etc.) y las columnas suelen ser de sección circular.
Vigas: es una pieza o barra horizontal, con una determinada forma en
función del esfuerzo que soporta. El principal uso de la Viga es soportar los forjados o losas de las construcciones. Las vigas están sometidas a esfuerzos de flexión, y suele construirse en hormigón armado y
acero.
Muros: elementos verticales y continuos que tienen por función limitar
la construcción y soportar los esfuerzos en toda su longitud, de forma
que las cargas se reparten en toda su extensión. Los materiales de los
que están construidos son muy variados: la piedra, ladrillos, hormigón, metal, etc.
Arco: Estructura consistente en una directriz de forma curva o redondeada que permite salvar distancias entre dos pilares o muros, y
suelen trabajar a la compresión.
Tirantes: es un elemento constructivo que está sometido principalmente
a esfuerzos de tracción. Otras denominaciones que recibe según las
aplicaciones son: riostra, cable, tornapunta y tensor. Algunos materiales que se usan para fabricarlos son cuerdas, cables de acero, cadenas o listones de madera.
d) En función del material del que estén construidas:
–
–
–
–
–
Madera.
Metálicas.
Hormigón.
Piedra.
Etc.
Esfuerzos a soportar por las estructuras
Para construir una estructura se necesita tanto un diseño adecuado co-
mo elementos que sean capaces de soportar las fuerzas, cargas y acciones a las que va a estar sometida ya que esta se enfrentará a los
esfuerzos propios de la naturaleza (vientos, sismos, etc.) y además deberá resistir varios tipos de pesos: el peso propio el cual es el peso
de la misma estructura, y el peso por sobrecarga de uso el cual es el
peso de los usuarios u objetos que la utilizan, además de las fuerzas
propias de la naturaleza ya descritas antes.
En relación a todo lo dicho podemos inferir que los tipos de esfuerzos
que deben soportar los diferentes elementos de las estructuras son:
Compresión: es una fuerza que hace que se aproximen las diferentes
partículas de un material, tendiendo a producir acortamientos o aplastamientos. Cuando nos sentamos en una silla, sometemos a las patas a
un esfuerzo de compresión, con lo que tiende a disminuir su altura.
Ejemplos de elementos sometidos a esta fuerza son: Las columnas de un
edificio que soportan el peso del techo y de los pisos superiores, ya
que estos elementos están sometidos a una fuerza que tiende a aplastarlos. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de compresión se
llaman soportes o pilares. Otros ejemplos de elementos sometidos a la
compresión son los pilares de una casa y las patas de una silla o una
mesa.
Tracción: es una fuerza que tiende a hacer que se separen o estiren entre sí las distintas partículas que componen una pieza, tendiendo a
alargarla. Por ejemplo, cuando se cuelga de una cadena una lámpara, la
cadena queda sometida a un esfuerzo de tracción, tendiendo a aumentar
su longitud. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de tracción se llaman tensores o tirantes. Los cables de un puente colgante y
el cable de una grúa son ejemplos de tensores.
Flexión: Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que
las fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de flexión se
alargan, las inferiores se acortan, o viceversa. Al saltar en la tabla
del trampolín de una piscina, la tabla se flexiona. También se flexiona un panel de una estantería cuando se carga de libros en su parte
central o la barra donde se cuelgan las perchas en los armarios. Los
elementos estructurales que soportan fuerzas de flexión se disponen
horizontalmente y se llaman vigas o barras. El efecto de esta fuerza
es mayor si la viga que soporta el esfuerzo es más larga. Así, cuanto
más larga sea la viga, más fácil será que se curve. La distancia en
vertical entre la línea de los apoyos y el punto de máxima deformación
se denomina flecha. Esta es mayor cuanto más larga sea la viga.
Torsión: Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda
a retorcerse sobre su eje central. Están sometidos a esfuerzos de torsión los ejes, las manivelas y los cigüeñales. La fuerza de torsión actúa en elementos que pivotan o giran. El mejor ejemplo de este tipo de
fuerza es la punta de un destornillador el cual puede deformarse debido a la aplicación de esta fuerza.
Cizallamiento o cortadura: Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a la pieza, haciendo que las partículas del material tiendan
a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Un buen ejemplo de
este tipo de esfuerzo es el cortar con unas tijeras un papel, ya que
con ello estamos provocando que las partículas tiendan a deslizarse sobre otras. Otro ejemplo son los puntos sobre los que apoyan las vigas,
que también están sometidos a cizallamiento.
Pandeo: es una fuerza que tiende a actuar sobre elementos comprimidos
esbeltos, los cuales tienden a deformarse de forma transversal al eje
de compresión de estos.
Criterios base para el diseño de estructuras
En apariencia, para crear una estructura resistente tenemos que conocer y utilizar materiales que tengan propiedades de resistencia, y
cuanto más resistentes sean estos es mejor para la estructura aunque
dependerá de la función para la cual construyamos esta. Una barra de
hierro hueca, cilíndrica o de sección cuadrada es un ejemplo de forma
resistente que será más efectivo que el vidrio si queremos construir
una edificación, pero en el caso de un mueble se puede construir con
ambos materiales pues el peso que deberá soportar este mueble es menor
que el edificio y un vidrio especialmente tratado nos servirá para ello. Si fabricamos los elementos estructurales con una forma determinada, conseguiremos que resistan mucho más.
La clave del éxito de las formas resistentes es simplemente “repartir
la carga”. Si observamos edificaciones o mobiliario podemos descubrir formas resistentes que han sido utilizadas desde la antigüedad.
En el caso de las mesas por ejemplo,
tenemos una estructura base que consiste en sus tres o cuatro patas y
la tabla. Las patas ayudan a sostener la mesa de horma horizontal y ayudan a repartir las cargas de compresión al suelo.
En el caso de un edificio la clave es repartirla mediante muros, pi-
lares y machones.
En el siglo XIX los arquitectos conseguían
mejorar la resistencia de la estructura de
una forma muy sencilla: suponiendo las vigas
(todas o una parte) formando triángulos, ya
que esta figura por definición geométrica es
indeformable. Esta técnica se conoce como
triangulación la cual vemos aplicada en la
imagen de la derecha.
Podemos encontrar ejemplos de estructuras trianguladas por todas
partes. Se pueden encontrar en puentes de hierro, algunas estructuras
modernas, etc. La técnica de triangulación permite ahorrar material
además de aligerar el peso de la estructura.
Ejercicios propuestos
Construir en cartón corrugado un puente que cumpla con los siguientes
requisitos:
– Salvar una distancia de 60 cms.
– Resistir el peso de una persona promedio.
El puente debe realizarse mediante el ensamble de piezas, sin pegado.
Solución: hay varias dependiendo de la correcta aplicación de los conceptos estructurales. La técnica del ensamble es la siguiente:
En base a las fuerzas estudiadas podemos decir que la solución dependerá de la cantidad de material que coloquemos y fundamentalmente de
la posición de las ondas del cartón corrugado: si las ondas son verticales el material trabajara mejor que si estas son horizontales. Otro
criterio que podemos utilizar es el grosor de la “viga” y la cuadratura que apliquemos al modelo, o también si agregamos doble material a
la maqueta ya que este trabajará mejor que el simple cartón.
Aquí se muestra un resultado del ejercicio: