Estructures 3

FORCES

A la natura hi ha moltes forces: la de la gravetat, que ens atreu cap a la terra i origina el pes; la del vent; les mecàniques, que mouen les màquines; les pressions dels gasos tancats; la que desenvolupen els nostres muscles; les originades per l’efecte del calor ...

Una força és tot allò capaç de deformar un cos (efecte estàtic1) o alterar el seu estat de moviment o repòs (efecte dinàmic2)

1Deformació: canvi de forma d’un cos.

2Dinàmic: que produeix o experimenta moviment.

ESTRUCTURES

Una estructura és el conjunt d’elements d’un cos destinat a suportar els efectes de les forces que actuen damunt ell, amb objecte de mantenir la seva forma.

Les forces que actuen damunt un cos es denominen carregues i poden ser de dos tipus:

Càrregues fixes o permanents. No varien amb el pas del temps. Són, per exemple, el pes del nostre cos, el de les coses que aquest té damunt, etc.

Càrregues variables. Unes vegades afecten al cos i altres no. Alguns exemples són el pes de la neu damunt un sòtil, la força del vent, el pes de la gent que es troba a un edifici, ...

Quines condicions ha de complir una estructura per funcionar bé?

• Estabilitat. Ha de fer que l’objecte sigui estable, es a dir, que no tombi amb facilitat. Per això, el seu centre de gravetat ha de estar centrat sobre la seva base.

• Resistència. Ha de suportar els esforços als que està sotmès sense trencar-se.

• Deformació controlada. Ha de deformar-se sempre dins dels límits que permeten a l’objecte seguir complint la seva funció.

Aquesta tensió canvia amb la intensitat de la força i la seva direcció i amb la forma de l’objecte que la suporta.

Podem classificar els esforços segons la direcció i el sentit en que actuen les forces que els originen.

ESFORÇOS

Un esforç és la tensió interna que experimenten tots els cossos sotmesos a l’acció d’una o vàries forces.

Representació de forces.

Direcció horitzontal i sentit cap a l’esquerra.

Direcció vertical i sentit cap a dalt.

Direcció horitzontal i sentit cap a la dreta.

Direcció vertical i sentit cap a baix.

Tipus d’esforços

Tracció

Es produeix quan les forces tracten d’estirar el cos sobre el que actuen. Aquestes forces són oposades i actuen cap a l’exterior del cos en la mateixa direcció i sentit contrari.

CompressióAquests tipus d’esforços apareixen quan les forces tracten d’aixafar o comprimir un cos. Aquestes forces són oposades i actuen cap a l’interior del cos en la mateixa direcció i sentit contrari.

Flexió

Les forces intenten doblegar l’element sobre el que estan aplicades.

Torsió

Les forces tracten de retorçar l’element sobre el que actuen.

Cisallament o tallant.

Les forces actuen com els dos talls d’una tisora: molt juntes, una cap a dalt i l’altra cap a baix, intentant tallar l’objecte.

En el gronxador s’han senyalat els esforços que suporta cada un dels elements

ESTRUCTURES ARTIFICIALSEs tracta d’elements que estan presents en tots els objectes tecnològics, des de els més petits i simples ( una llauna, una cadira o un portamines) fins els més grossos i complexes (un pont, una pressa, un gratacels, o un satèl·lit artificial). No importa el grau de simplicitat o complexitat dels objectes creats per l’home; sempre tindran una estructura que normalment serà la més adequada i, a ser possible, la mínima per a que es sostingui i resulti econòmica.

Amb l’evolució de les estructures s’han aconseguit dimensions majors amb menys material i més simples de construir.

TIPUS D’ESTRUCTURES ARTIFICIALSEstructures massives.

Les primeres estructures es confeccionaven mitjançant l’acumulació de material, sense deixar forats entre ell, col·locant blocs de pedra o fang uns sobre els altres (com a les piràmides) o excavant en la roca. S’utilitzaven llindes1 de pedra o fusta de poca longitud per a les finestres i els passos lliures.

1Llinda: Barra horitzontal que es col·loca sobre dos suports verticals, normalment amb la finalitat de deixar un forat (porta o finestra) baix d’ella. També es denomina viga.

Estructures bovejades.

Més tard, el descobriment de l’arc i de la volta va permetre cobrir espais majors i augmentar els forats en l’estructura. Els arcs i les voltes estan comprimits.

Amb aquest tipus d’estructures es van construir edificis realment grans: Basíliques, panteons, i catedrals, entre d’altres. Voltes i cúpules es segueixen emprant a l’actualitat en construccions emblemàtiques.

Estructures enllaçades.

Son les estructures que s’utilitzen en els nostres edificis de blocs de vivendes. Estan construïts per barres de formigó o acer unides de forma rígida formant un engraellat. Cada part de l’estructura té una funció diferent.

Anem a analitzar com es comporten les càrregues des de el punt en que estan aplicades fins a arribar a la base:

En primer lloc està el terra que trepitgem. Encara que només vegem rajoles, davall d’elles hi ha una estructura anomenada forjat que està formada per barres i farcit.

El forjat transmet el nostre pes fins a les bigues, que són elements horitzontals amb forma de prisma rectangular i estan sotmeses a un esforç de flexió.

Les barres del forjat reben el nom de biguetes, això és, bigues petites.

Les bigues es recolzen sobre els pilars i lis transmeten el pes. Els pilars son verticals i s’encarreguen de dur aquest pes fins a la cimentació. Estan sotmesos a esforços de compressió, es a dir, estan aixafats entre bigues i els fonaments.

Els pilars circulars es denominen columnes, i si estan aferrats a la paret, pilastres.

El pes total de l’estructura no va directament cap al terra (si fos així, s’enfonsaria com una estructura de escuradents aixecada sobre mantega). Per evitar que els pilars es clavin en el terreny, es recolzen en la fonamentació, un element intermedi que funciona com a sabates de l’edifici.

La fonamentació pot fer-se amb sabates, lloses i pilotis. Les lloses i els pilotis s’utilitzen quan l’edifici s’assenta sobre un terreny molt blan.

Tots aquests elements es poden fabricar de distints materials. Els més utilitzats són l’acer i el formigó armat, degut a la seva gran resistència. La fusta s’utilitza en estructures decoratives.

Els perfils

Els perfils s’utilitzen en nombroses estructures, sobre tot metàl·liques.

Són barres que tenen distintes seccions, depenent dels esforços que hagin de suportar.

Amb els perfils s’aconsegueixen estructures més lleugeres que suporten grans pesos amb menys quantitat de material.

Els perfils foradats s’adapten a l’esforç de compressió.

Estructures triangulades

Es tracta d’estructures de barres, normalment metàl·liques o de fusta. La triangulació fa que l’estructura sigui indeformable i és una bona solució per a cobertes de grans llums1 (bigues triangulades i cintres2), encara que també poden utilitzar-se en estructures verticals (en torres, per exemple).

1Llum: espai lliure que queda entre els suports d’una biga o cintra.2Cintra: Estructura triangular formada per barres d’acer o fusta que s’utilitza en teulades o cobertes.

Una estructura de barres de polígons de quatre o més costats es deforma al aplicar-li una força.El triangle és l’únic polígon indeformable, pel que s'empra amb molta freqüència en la construcció d’estructures.

Estructuras colgantes.

Aquest tipus d’estructures basa el seu funcionament en la utilització de cables dels que penja l’estructura. Aquests cables reben el nom de tirants. Quan aquests es poden regular estirant-los més o menys, s’anomenen tensors. Els cables només resisteixen esforços de tracció, però tenen l'avantatja de poder adaptar la seva forma a les càrregues que reben en cada moment.

Els tirants s’utilitzen per subjectar carpes, ponts, antenes, torres, etc.