ESTRUCTURAS Y MECANISMOS

Unidad 5

índice

1. ¿Qué es una estructura?

2. Tipos de esfuerzos.

3. Elementos de una

estructura.

4. Condiciones de una

estructura.

5. Tipos de estructuras

artificiales.

6. Mecanismos de

transmisión y

transformación del

movimiento.

1. ¿Qué es una estructura?.Estructura: conjunto de elementos capaces de soportar fuerzas

(cargas) y transmitirlas a los puntos donde se apoya con el fin de ser

resistente, estable y rígida.

Distinguimos estructuras naturales y artificiales. Las primeras son

estructuras creadas sin la intervención humana (un nido de un ave, un

tronco de un árbol, esqueleto humano…) y las artificiales son las que

creó el hombre.

Materiales y estructuras:

❑ Maderas y piedras.

❑ Argamasa (cal/cemento+ arena + agua)

❑ Ladrillo.

❑ Acero.

❑ Hormigón.

2. Tipos de esfuerzosEsfuerzo: Tensión interna que experimenta un

cuerpo debido a la acción externa de

fuerzas.

Tipos de esfuerzos.

2.1. TRACCIÓN. Una estructura está sometida

a tracción cuando sobre ella actúan fuerzas

que tienden a aumentar su longitud.

2.2. COMPRESIÓN. Una estructura está

sometida a compresión cuando sobre ella

actúan fuerzas que tienden a disminuir su

longitud.

2.3. FLEXIÓN. Una estructura está sometida a

flexión cuando las fuerzas o cargas tienden a

flexionar al cuerpo frente a un eje.

2.4. CIZALLA/ CORTADURA. Una estructura está

sometida a cizalla cuando las fuerzas que actúan

sobre ella tienden a cortarlo.

2.5. TORSIÓN. Una estructura está sometida a torsión

cuando existen fuerzas sobre él que tienden a hacer

girar una sección con respecto a la otra, es decir,

tienden a retorcerlo.

Ejemplos de elementos estructurales sometidos a distintos esfuerzos.

3. Elementos de una estructuraElementos usados en las estructuras:

3.1. CIMIENTOS. Base resistente sobre la que

se apoyan las estructuras.

3.2. COLUMNAS y PILARES. Son barras

verticales especialmente diseñadas para

soportar esfuerzos de compresión.

3.3. VIGAS. Barras horizontales que soportan

esfuerzos de flexión.

3.4. ARCOS. Elemento con forma curva que

sirve para cubrir un hueco entre dos pilares.

3.5. TIRANTES. Cables o barras que soportan

esfuerzos de tracción.

4. Condiciones de las estructurasPara que una estructura funcione bien debe reunir tres condiciones: resistencia, rigidez y estabilidad.

4.1. ESTRUCTURA RESISTENTE. Cuando soporta fuerzas sin romper.

La resistencia depende:

❑ Tipo de material (madera, piedra, hormigón ,acero…)

❑ Cantidad de material empleado.

❑ Forma que tenga la estructura. Los perfiles (barras de diferentes secciones: V, U, T, L, H, X,

circulares, cuadrados, triangulares) nos permiten hacer estructuras resistentes , ligeras y

baratas.

4.2. ESTRUCTURA RÍGIDA. Cuando soporta fuerzas sin deformarse excesivamente

Para aumentar la rigidez :

❑ Empleamos la triangulación, que consiste en construir las estructuras de forma que estén

formadas únicamente por triángulos. Un tipo especial de triangulación es o arriostramiento que

está formado por las dos diagonales de un cuadrado

❑ Otra manera de aumentar la rigidez es utilizar las escuadras: piezas triangulares que se

colocan en los ángulos rectos de una estructura reforzando la unión de piezas.

4.3. ESTRUCTURA ESTABLE. Cuando conserva su posición al aplicarle fuerzas sobre ella.

Formas de aumentar la estabilidad:

❑ Aumentar base.

❑ Utilizar cables (tirantes) para sujetar, encajar la parte inferior en el suelo.

5. Tipos de estructuras artificiales.

Tipos de estructuras: masivas, abovedadas, entramadas,

trianguladas, colgantes, neumáticas, laminares y geodésicas.

5.1. ESTRUCTURAS MASIVAS.

Son estructuras formadas por grandes cantidades de material, sin

dejar apenas huecos en la construcción. Fueron las primeras

estructuras construidas por el.

5.2. ESTRUCTURAS ABOVEDADAS.

Son estructuras formadas por arcos y bóvedas que

permitieron cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en

las estructuras.

Arco: Elemento constructivo formado por diferentes elementos

que le dan una forma curvada y que nos permite salvar la

distancia entre dos pilares o muros.

Tipos de arcos:

1. De medio punto

2. Apuntado o ojival

3. De herradura

4. Lobulado

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3

4

5.3. ESTRUCTURAS ENTRAMADAS.

Son las estructuras más usadas en los edificios actuales. Están

constituidas por barras de hormigón y acero unidas formando un

emparrillado.

Los elementos de estas estructuras son:

❑ Forjado: Es el suelo que pisamos o el techo que tenemos por encima.

Está formado por viguetas (vigas pequeñas), bovedillas y hormigón

❑ Vigas: Son los elementos horizontales que soportan el peso de los

forjados y que lo transmiten a los pilares. Se construyen con hormigón

y acero y soportan esfuerzos de flexión.

❑ Pilares: Son los elementos verticales que soportan las vigas y le

transmiten el peso a la cimentación. Soportan esfuerzos de

compresión. Las circulares se llaman columnas.

❑ Cimentación: Parte de la estructura enterrada en el suelo que se

encarga de transmitirle el esfuerzo al suelo. Tipos:

Zapata: Cubos de hormigón que aumentan la superficie de apoyo

del pilar sobre el suelo.

Losa: Se usa en los suelos blandos y consiste en formar bases de

gran tamaño para que no se hundan.

Chantas o pilotes: Son como pilares enterrados en la tierra

hasta que se encuentra la superficie más dura en la que se

apoyan.

5.4. ESTRUCTURAS TRIANGULADAS.

Son estructuras formadas por barras metálicas (a veces también de

madera) que forman figuras triangulares que les dan rigidez. Un

tipo especial son las cerchas, que son estructuras trianguladas

utilizadas en los tejados.

5.5. ESTRUCTURAS COLGANTES.

Son estructuras en las cuales el peso es soportado por cables de

grandes dimensiones llamados tirantes.

5.6. ESTUCTURAS NEUMÁTICAS.

Son estructuras llenas de aire a presión que se caracterizan por

ser ligeras y desmontables.

5.7. ESTRUCTURAS LAMINARES.

Están formadas por láminas finas de metal o plástico que

ofrecen resistencia debido a su curvatura. El mejor ejemplo es

un vaso de plástico.

5.8. ESTRUCTURAS GEODÉSICAS

Son estructuras trianguladas pero tridimensionales y nos

permiten cubrir grandes espacios.

6. Mecanismos.Son elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y movimientos

desde un elemento motriz (motor) a un elemento receptor. Le permiten al

ser humano realizar las tareas con menos esfuerzo y mayor comodidad.

Distinguimos varios tipos de mecanismos:

❑ Mecanismos de transmisión: Llevan el movimiento de un lugar a otro sin

modificarlo. En función del tipo de movimiento que transmitan (lineal o

circular) distinguimos:

Mecanismos de transmisión lineal: Palancas y poleas

Mecanismos de transmisión circular: Ruedas de fricción, poleas con

correa, engranajes y mecanismos con cadena.

❑ Mecanismos de transformación: No sólo llevan el movimiento de un lugar

a otro, sino que también lo convierten de rectilíneo a circular o viceversa.

Son la manivela-torno, piñón-cremallera y biela-manivela.

6.1 POLEA.

Una polea es una rueda con una ranura que gira

alrededor de un eje. Por la ranura se hace pasar

una cuerda o cadena que nos permite levantar

pesos (resistencias) al aplicar una fuerza.

Distinguimos:

Polea fija: Una sola polea que nos permite

elevar cargas haciendo la misma fuerza pero con

mayor comodidad.

F=R

Polea móvil: Conjunto de dos poleas, una fija y

otra que se desplaza. Se cumple que

F= R/2

6.2. PALANCA

Una palanca es una barra rígida que gira en torno a un punto de

apoyo. En un punto de la barra aplicamos una fuerza (F) com el fin

de vencer una resistencia (R).

La ley de la palanca dice :

F x d = R x r

Hay tres tipos de palancas:

1º Grado/ Género.

2º Grado/ Género.

3º Grado/ Género.

❑ Palancas de primer grado:

Son aquellas en las que el punto de apoyo se sitúa entre las dos

fuerzas, F y R.

❑ Palancas de segundo grado:

Son aquellas en las que la resistencia se sitúa entre el punto de

apoyo y la fuerza aplicada.

❑ Palancas de tercer grado:

Son aquellas en las que la fuerza se sitúa entre el punto de apoyo y

la resistencia.

6.3. RUEDAS DE FRICCIÓN.

Son sistemas de dos o más ruedas que se encuentran en contacto

directo. Una de las ruedas se llama motriz o de entrada, pues al

moverse provoca el giro de la rueda de salida o conducida. Las dos

ruedas giran siempre en sentidos contrarios.

6.4. MECANISMO DE POLEAS CON CORREA.

Sistema formado por dos o más ruedas llamadas poleas que están

unidas mediante un elemento de plástico o cuero llamado correa.

Cuando la polea motriz gira la correa hace que la conducida gire em

el mismo sentido.

6.5. ENGRANAJES.

Son ruedas que poseen salientes llamados dientes, que encajan

entre sí, de manera que si una rueda gira, arrastra a la otra que

girará en el sentido contrario.

6.6. MECANISMO DE ENGRANAJES CON CADENA.

Mecanismo que consiste en dos ruedas dentadas situadas a una

cierta distancia y que giran en el mismo sentido por efecto de una

cadena o de una correa dentada.

Ejercicios y fórmulas.

Tendremos que calcular tres parámetros:

❑ El tamaño de las ruedas o engranajes: Se usa el Diámetro (Ø)

en el caso de ruedas de fricción y poleas y, para engranajes, el

Número de dientes (Z)

❑ La velocidad de giro (N) que expresaremos en revoluciones por

minuto (rpm)

❑ La relación de transmisión (i) que se define como la relación

entre las vueltas que da la rueda conducida y la motriz. No tiene

unidades.

Para calcular la relación de transmisión :

i=D1/D2 i=Z1/Z2 i=N2/N1

Las velocidades y tamaños :

D1 N1 = D2 N2 o Z1 N1 = Z2 N2

En el caso de trenes de mecanismos ( cuando hay cuatro o más)

aparecen varias relaciones de transmisión y una relación total que

se calcula:

it = i1 i2 i3 o it = Núltima / Nprimera

6.2. Mecanismos de transformación del movimiento.

Son aquellos que transforman un movimiento circular en rectilíneo o

viceversa.

❑ Conjunto manivela-torno:

Una manivela es una barra unida a un eje al que hace girar. Con ella

gira un tambor que arrastra a un objeto.

❑ Piñón-cremallera:

Un piñón es una rueda con dientes unida a una barra horizontal, la

cremallera, también con dientes que encajan en el piñón. Si gira el

piñón la cremallera se mueve linealmente. También funciona al

revés, se movemos la cremallera, gira el piñón.

❑ Biela-manivela:

Conjunto formado por una manivela que xira 360 grados y que está

unida a una barra llamada biela que describe un movimiento de

vaivén. También es reversible.