UNIDAD DIDÁCTICA

Estructuras

Autor: Rafael Hidalgo GarcíaProfesor de ESO TecnologíaIES”La Torreta” Elda

UNIDAD DIDÁCTICA

Estructuras

Material del Profesor

1. Alumnos a los que se dirige:

A todos los alumnos de 3º curso de ESO como apoyo, ayuda y guía para la adecuadarealización del proyecto tecnológico propuesto al inicio del trimestre (Diseño yrealización de una maqueta de una discoteca).

2.Objetivos :

- Comprender la importancia, tanto desde el punto de vista histórico como desdeel punto de vista funcional, que han tenido y tienen las estructura para larealización de proyectos tecnológicos que resuelven necesidades humanasconcretas.

- Abordar individualmente y en grupo la solución a problemas que requieran eluso de estructuras, diseñando y analizando las distintas soluciones de formacreativa y evaluando su idoneidad desde distintos puntos de vista.

- Construir estructuras empleando para ello materiales del ámbito escolar y dereciclado, que posteriormente formarán parte funcional de un proyecto máscomplejo, atendiendo al correcto uso de herramientas y a las tareas deorganización, todo esto dentro de un método de proyectos.

3. Contenidos:

3.1. Conceptos:

• Finalidad de las estructuras.• Evolución histórica de las estructuras.• Tipos de estructuras.• Elementos que componen las estructuras.• Materiales empleados en la realización de estructuras.• Estabilidad y resistencia de las estructuras.• Concepto de acción-reacción.• Esfuerzos a los que se ven sometidos los elementos estructurales: Tracción,

compresión, cortadura, flexión y torsión.• Configuración y comportamiento resistente de los diferentes tipos de estructuras.• Tipos de uniones empleadas en los elementos resistentes de una estructura.

3.2.Procedimientos:

• Identificación y descripción de diferentes tipos de estructuras y los elementosque las forman.

• Análisis de los esfuerzos a los que están sometidos los elementos de unaestructura en supuestos de carga sencillos.

• Realización de experiencias para comprobar el comportamiento resistente de lasestructuras y sus elementos.

• Realización de perfiles para la construcción elementos resistentes de estructurascon papel, cartulina, tubitos de plástico, mondadientes, etc.

• Construcción de estructuras y comprobación de la estabilidad y resistenciaobtenida con ellas.

• Confección, individualmente, de una memoria donde se explique el procesoseguido en el diseño y construcción de la estructura.

• Exposición pública del trabajo realizado y debate sobre las bondades de losdiferentes diseños.

3.3. Actitudes:

• Valoración de la importancia de las estructuras en el mundo real y en el aula-taller para la realización de proyectos tecnológicos más complejos.

• Interés por aprovechar las actividades y experiencias realizadas en el aula-taller relacionadas con las estructuras.

• Valoración de la meticulosidad y precisión a la hora realizar mediciones,trazados, cortes y construcciones de estructuras y sus elementos.

• Disposición a no abandonar la resolución de un problema, a pesar de lasdificultades iniciales, sin haber agotado todos los recursos.

• Autonomía a la hora de la realización de trabajos prácticos.• Organización y limpieza.• Presentación pulida y correcta del trabajo individual y de grupo.• Uso adecuado de los medios de protección y respeto de las normas de

seguridad e higiene.• Hábito en el uso preciso de términos tecnológicos y científicos.• Curiosidad e interés por conocer el funcionamiento de las estructuras así

como sus posibles aplicaciones prácticas.

4. Criterios de evaluación.

Se tendrá en cuenta los objetivos generales de la unidad didáctica, así como el grado deasimilación de los contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales prestandoespecial importancia, a que el diseño y la construcción de la estructura satisfaga lanecesidad inicial planteada. Para la evaluación de estos contenidos puede ser de granayuda la siguientes tabla que se propone:

Contenidos a evaluar Alumno/a 1 Alumno/a 2 Alumno/a 3 ...Reconoce la importancia que tiene lasestructuras en nuestra vida cotidiana, asícomo la evolución que han experimentado alo largo del tiempo.Reconoce las estructuras que identifican a unpaís o una ciudad.Identifica los distintos tipos de estructuras.Identifica los distintos elementos resistentesque integran las estructuras, así como losmateriales empleados por ellas.Conoce el concepto de acción-reacción.Puede clasificar las cargas según su tipo.Distingue los diferentes esfuerzos queintervienen en una estructura.Conoce los criterios de estabilidad de unaestructura, así como métodos para aumentarla estabilidad de está.Sabe aplicar el método de triangularizaciónpara diseñar estructuras más resistentes.Conoce los métodos para reducir la luz enuna deformación por flexión.Conoce los distintos elementos de uniónempleados en la construcción de estructuras.Realiza de forma correcta y con precisiónperfiles con diferentes materiales (papel,tubitos de plástico, mondadientes, pajitas derefresco, etc) .Es capaz de construir estructuras resistentesy estables.Elabora de forma pulida y ordenada lainformación escrita y trabajos que se lepropone.Entrega en el plazo previsto los trabajospropuestos.Aprovecha adecuadamente las experiencias yactividades realizadas en el aula-taller.Es ordenado y limpio con su trabajo. Seorganiza y colabora en el trabajo de grupo.Trabaja de forma autónoma asumiendodecisiones durante el desarrollo del proyecto.Utiliza adecuadamente la terminologíacientífico-técnica.Usa los medios de protección y respeta lasnormas de seguridad e higiene.Manifiesta una actitud de curiosidad eindagación.

Esta tabla se rellenará con un SÍ/NO recogiendo datos a través de pruebas escritas,observación directa, producciones escritas de los alumnos, exposiciones orales, de lasconstrucciones de las estructuras, etc.

5. Atención a la diversidad.

Como primera medida de atención a la diversidad será la de formar grupos de trabajo enel aula-taller lo más hetereogéneos posibles, para evitar que se formen grupos conconcentración de alumnos con muchas capacidades y otros grupos con alumnos conmenores capacidades, así como grupos formados por alumnos de un solo sexo. Lo quese buscará es que todos los grupos del aula lleven el mismo ritmo de trabajo y que noqueden grupos rezagados en sus tareas. Se deberá prestar especial atención ha estosgrupos en los que las dificultades hacen que se desmotiven sus componentes yabandonen sus tareas.

En grupos en los se producen grandes diferencias de capacidades y motivaciones en elalumnado será conveniente hacer una adaptación de los contenidos de la unidad enfunción de cada alumno en particular. Concretamente en el caso de la realización de laestructura se pueden modificar las condiciones de diseño para ajustarla a lascaracterísticas particulares de cada alumno. Se pueden poner las siguientes propuestasde diseño:

Propuesta 1: Diseño y construcción de una estructura, realizada íntegramente en papel,capaz de soportar una carga de 5 kg a una altura de 50 cm de forma permanente.

Propuesta 2: Diseño y construcción de una estructura, realizada íntegramente en papel,capaz de soportar una carga de 1 kg a una altura de 25 cm de forma permanente.

Propuesta 3: Diseño y construcción de una estructura, realizada con materiales diversos,capaz de soportar una carga de 0.5 kg a una altura de 20 cm de forma permanente.

La asignación de la propuesta a construir la realizará el profesor dependiendo de lascapacidades que tengan los alumnos y detectas previamente en la evaluación inicial ymediante la observación directa. Otra fórmula puede ser que cada alumno elija enfunción de sus propias capacidades y motivaciones la propuesta que quiere realizarhaciéndolo responsable de sus proceso de aprendizaje.

Para los alumnos o grupos más aventajados una vez realizado la construcción de laestructura podrán hacer alguna tarea extra como, por ejemplo, pintarla, decorarla oincluso hacer más severas las condiciones iniciales del diseño.

Todos estos ajustes en las condiciones de diseño de la estructura y en los contenidos dela unidad habrá que realizarlos teniendo en cuenta las características particulares decada grupo o alumno y no hacerlas de forma general y arbitraria.

6. Temas transversales.

En esta unidad se trabajarán temas de Educación Ambiental y del Consumidor donde setratará cuestiones relativas al uso de materiales de desecho para la realización de lasestructuras en el aula-taller así como la idea de intentar generar un residuo mínimo demateriales y la utilización mínima de materiales para la construcción de estructuras yasea en el ámbito escolar como en la vida cotidiana. También se tratará el impacto medioambiental y visual que producen las estructuras en su entorno y como modifican lospaisajes naturales. En esta línea, se podrá debatir la influencia perjudicial que un malplan urbanístico tiene sobre una ciudad, pueblo, zona, etc (teniendo en cuenta que lasestructuras forman parte de la mayoría de edificaciones y construcciones), pudiendocuestionar también los beneficios que nos aportan en función de los costes económicos,técnicos, culturales, etc.

Sobre la Educación para la Paz, durante el desarrollo de la unidad y sobre todo en lafase de construcción de la estructura se producirán debates entre alumnos y alumnasdonde aporten sus ideas y opiniones. Estos debates les da al profesor una oportunidadpara hacer hincapié sobre la importancia de ser tolerantes, solidarios y respetar ladiferencia de criterios de cada individuo. También dentro de la educación moral y cívicase podrán realizar actividades que tengan como fin la de comparar una misma estructuraen diferentes sociedades y comprobar como la situación geográfica y las materiasprimas que tiene en su entorno condicionan estas estructuras.

En cuanto a la Igualdad de Oportunidades de ambos sexos se deberá prestar especialatención a la división de tareas para evitar encasillar a chicos y chicas en tareas, quetradicionalmente se asignaban a un sexo u otro. Tareas como la limpieza, la decoraciónde las estructuras, el uso de pequeñas máquinas herramientas tiene que ser tareashabituales y realizadas de forma natural por todos los alumnos.

Por último, en la Educación para la Salud destacar el papel relevante de las estructurasrespecto a la seguridad en el uso de edificaciones y construcciones, así como lanecesidad de un buen diseño de éstas, que aseguren la integridad de las personas que lasutilizan. En cuento a la seguridad dentro de aula-taller se recalcará la importancia delrespetos a las normas de seguridad e higiene durante el desarrollo de las diferentesactividades.

7. Sugerencias didácticas.

• Presentar objetos cotidianos y que el alumno busque los elementos estructuralesmás importantes.

• Presentar construcciones de estructuras realizadas por alumnos de cursosanteriores y que los alumnos analicen algún elemento en concreto.

• Realizar murales ilustrados de clasificación de tipos de estructuras, elementosresistentes, esfuerzos, etc.

• Realizar murales con fotografías de estructuras o construcciones de todo elmundo y que identifiquen un país, una ciudad, etc.

• Visitar algunas obras de construcción donde se estén levantando estructuras endiferentes fases: cimentaciones, entramados principales, forjados o montajes deestructuras triangulares.

• Realizar ensayos de carga para analizar el comportamiento resistente dediferentes elementos estructurales variando el material y la forma o perfil de losmismos.

8. Material didáctico.

• Para la identificación de estructuras, detalles de sus elementos, esfuerzos a lasque se ven sometidas, etc : catálogos técnicos, diapositivas, transparencias,fotografías, vídeos, etc.

• Para realizar experiencias sencillas de funcionamiento de estructuras: juegos deconstrucción, juegos de mecánica tipo “mecano”, materiales de fácilmanipulación con los que simular el comportamiento de una estructura (mondadientes, pajitas de refresco, palitos de brochetas, tubitos de plástico decaramelos, etc).

• Estructuras realizadas por alumnos de cursos anteriores.• Noticias o reportajes periodísticos sobre catástrofes o ruinas de edificios para

analizar el fallo de estructuras y sus consecuencias.

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Estructuras

Material del Alumno

Estructuras

Una estructura la podemos definir como un conjunto de elementos simples dispuestosde forma que den rigidez y permitan soportar, sin romperse, las cargas o esfuerzos a lasse ven sometidos.

El ser humano ha diseñado y utilizado desde tiempos remotos estos elementos para larealización de sus propias construcciones. Podemos encontrar en la naturaleza otrosseres vivos que también realizan construcciones (abejas, hormigas, pájaros...) pero loque diferencian unas estructuras de otras es la capacidad del ser humano paraanalizarlas, diseñarlas y dar solución a las distintas necesidades que se le presenten.

Podemos hacer pues, una primera clasificación de las estructuras en: estructurasnaturales y estructuras artificiales. A continuación se ponen algunos ejemplos de éstas:

Estructuras naturales: El esqueleto de un animal vertebrado se puede considerar comosu estructura, capaz de dar rigidez y soporte a los distintos órganosy tejidos. En las aves los huesos son huecos lo que hace que seanligeros y resistentes. En el caso de los animales invertebrados sonlas conchas o caracolas las que hacen de estructuras simples.

Estructuras artificiales: Hay numerosos ejemplo de estructuras artificiales entre las quepodemos destacar las construcciones de edificios, estatuas, torres,etc., pero también las encontramos en vehículos de transporte,electrodomésticos, mobiliario ,etc.

1. Condiciones que debe de cumplir una estructura.

Las condiciones que debe de cumplir una buena estructura son las siguientes:

- ser resistente- ser estable- ser ligereza

se pueden tener en cuenta otros factores como el económico (utilización mínima dematerial) o el estético según la necesidad o finalidad a cubrir por la estructura.

2. Tipos de estructuras.

A grandes rasgos las estructuras artificiales las podemos dividirlas en:

• Estructuras de armazón o armadura.

Están formadas por perfiles o barras resistentes unidos entre sí, constituyendo elesqueleto de diferentes tipos de objetos. La estructura de los edificios, las sillas,las torres de la luz o los andamios son algunos ejemplos de armaduras. Por laimportancia que tienen, tanto para la realización de proyectos escolares comoreales, nos centraremos en esta unidad en su estudio.

• Estructuras laminares o de carcasa.

Están constituidas por láminas o paneles resistentes que envuelven el objeto. Lacarcasa proporciona el lugar adecuado para proteger y mantener en su posiciónlas diferentes piezas. Los walkman, el ordenador, la lavadora y diferentes tiposde contenedores tienen estas estructuras.

3. Concepto de acción y reacción. Cargas.

Se define a la acción como la fuerza o el conjunto de fuerzas que se ejercen sobre uncuerpo o elemento resistente. Toda acción lleva asociada otra fuerza en sentidocontrario que se opone a ésta y trata de equilibrarla, a la que se denomina reacción. Esteprincipio también es aplicable a las estructuras. Por ejemplo, cuando un pilar hacefuerza contra el suelo, éste hace otra fuerza igual pero en sentido contrario que impideque el pilar se hunda en el suelo.

El conjunto de fuerzas o acciones ejercidas sobre una estructura, se conocegenéricamente con el nombre de cargas. Podemos hacer una clasificación de éstas segúnsu naturaleza:

Peso propio (cargas debido al peso de los perfiles de las construcciones)

EstáticasCargas Según su movilidad

Dinámicas Permanentes

Sobrecargas Según su duración Intermitentes

Puntuales Según el punto de aplicación

Distribuidas

4. Elementos de una estructura

Ya hemos comentado que una estructura esta formada por un conjunto de elementossimples que dependiendo de su geometría y la disposición dentro de la estructuratendrán unas características u otras.

Analizaremos a continuación algunos de estos de elementos:

Perfiles: Son todas aquellas formas comerciales en las que se suministran los aceros uotros materiales utilizados para la realización de estructuras. El nombre del perfil vienedado por la forma de la sección del mismo (I, U, T, L, etc).

Vigas: Son elementos resistentes, formados por uno o más perfiles destinados a soportaresfuerzos y cargas. Normalmente adoptan una posición horizontal. Junto con lasviguetas forman la base del suelo de cada uno de los pisos de una construcciónformando retículas de gran resistencia.

Pilares: Son elementos resistentes, formados por uno o más perfiles dispuestos enposición vertical, y que normalmente soportan las vigas, cerchas u otros elementosapoyados sobre él, transmitiendo las cargas a las zapatas de cimentación. Junto con lasvigas forman estructura entramadas de gran resistencia y con grandes espacios vacíospor lo que se utilizan para la construcción de edificios.

Los pilares suelen ser más gruesos en las partes bajas de las construcciones ya que esdonde deben de soportar mayores cargas. A medida que la construcción aumenta enaltura los pilares van siendo más delgados.

Tirantes: Son elemento simples de las estructuras que suelen trabajar a esfuerzos detracción. Un ejemplo típico es las tijeras de los andamios.

Tensores: Tienen una misión similar a los tirantes pero a diferencia de éstos, lostensores están realizados por cables, que mediante unos estribos se pueden tensar.Ejemplos los tenemos en los vientos de las antenas de telecomunicación, o los de unatienda de campaña.

5. Formas de aumentar la estabilidad en las estructuras.

Podemos definir el centro de gravedad de un objeto como el punto de aplicación delpeso de éste. Siempre será el mismo sea cual sea su posición. Saber dónde está situadoen una estructura es muy importante porque hará que la estructura sea estable oinestable.

Cuanto más cerca del suelo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura.Un ejemplo lo tenemos en los automóviles deportivos y de formula 1 que en sus diseñosse hacen muy bajos prácticamente tocando el suelo para conferirles mayoresestabilidades. Otro ejemplo lo podemos encontrar en las pirámides, construcciones deenorme estabilidad ya que su centro de gravedad esta situado a poca altura de su base.

Estruc tura Esta b le

Estruc tura Ine sta b le

Si nos fijamos en las torres anteriores las dos tiene el centro de gravedad a la mismaaltura pero la línea de acción del centro de gravedad de la primera de ellas cae dentro dela base de la torre siendo estable. Si la torre continua inclinándose, llegaría un momentoen que la línea de acción del centro de gravedad saldría de la base y sería inestable y portanto caería. Un ejemplo parecido es lo que ocurre con la torre de Pisa.

Es pues necesario para diseñar estructuras tener localizado el centro de gravedad, ya quenos determinará si es una estructura estable (los ejes de simetría nos ayudaran alocalizar el centro de gravedad).

No obstante en muchas ocasiones no es posible variar la forma de la estructura porrazones funcionales, estéticas, etc. por lo que se hace necesario métodos para evitar quela estructura caiga al suelo. Los más utilizados son:

• Construir una cimentación para que parte de la estructura quede empotrada oenterrada en el suelo. Es el caso de las edificaciones o de las sombrillas en laplaya.

• Utilizar anclajes (cables o barras) que impidan el vuelvo. Es el caso típico de lasantenas de telecomunicaciones o las tiendas de campaña de los camping.

• Ampliar la superficie de apoyo y cargar de lastre dicha base. Es el caso de unacanasta de baloncesto, el de un monitor de ordenador o el de una grúa deconstrucción.

6. Esfuerzos en las estructuras.

No todos los materiales soportan de la misma forma los distintos esfuerzos a los que seencuentran sometidos. Pongamos por ejemplo una tiza de pizarra. Si intentamosromperla utilizando las dos manos y flexionarla no nos costará casi esfuerzo partirla.Ahora bien, si lo intentamos comprimiéndola, por ejemplo contra la mesa,comprobaremos que tendremos que hacer mucha más fuerza para romperla. Este es unejemplo de cómo los materiales soportan mejor un tipo de esfuerzos que otros. Por lotanto es muy importante antes de diseñar una estructura saber identificar los esfuerzosque se producen con el fin de poder elegir el material y dimensiones más adecuadospara los elementos resistentes.

La parte de la mecánica que estudia las dimensiones que han de tener los perfiles paraque resistan las diferentes cargas y esfuerzos se denomina resistencia de materiales.

A continuación estudiaremos los principales esfuerzos que intervienen en unaestructura:

Tracción: Se presenta cuando las cargas que actúan sobre una pieza tienden a estirarla,cimo ocurre en los cables de un puente colgante, una goma, etc.

En este caso las fuerzas que actúan son iguales y de sentido contrario. Las carasperpendiculares de un cuerpo tienden a separarse y las paralelas a juntarse.

Compresión: La soportan aquellos elementos que tienden a ser aplastados como porejemplo, las zapatas de las construcciones.

En este caso las fuerzas que actúan son iguales y en el mismo sentido. Las carasperpendiculares del cuerpo tienen a juntarse mientras que la paralelas a separarse, lo queproduce un acortamiento en su longitud.

Cortadura o Cizalladura: Tiene lugar cuando las cargas que actúan sobre un elementotienden a rasgarlo o cortarlo.

El cuerpo esta sometido a dos fuerzas iguales, en sentido contrario, en planos paralelosy con muy poca separación. El sólido tiende a desunirse por desgarramiento en laseparación de los planos en donde actúa la fuerza. Ejemplo típico es el caso de lastijeras, en el punto de apoyo de una viga o en uniones con tornillos y remaches.

Flexión: Es un esfuerzo que se produce cuando los pesos o las cargas que actúan sobreuna pieza tienden a doblarla.

En este caso actúan dos fuerzas iguales paralelas y otra en sentido contrario en medio delas dos anteriores igual a la suma de éstas. Cuando se somete una barra a flexión seproducen en ella los dos esfuerzos anteriores de tracción y compresión.(También seproducen esfuerzos de cortadura).

Un ejemplo típico lo tenemos en una pasarela o tablón, en el cual vemos que la mitadsuperior se comprime, mientras que la inferior se tracciona, quedan en el centro unafibra que no sufre alteración, denominada fibra neutra.

Torsión: Un elemento está sometido a este esfuerzo si las cargas producen unretorcimiento del mismo.

Actúan dos pares de fuerzas contrarias en sentido opuesto, es decir, que normalmentesus secciones tienden a tomar un movimiento de rotación unas en contrario de las otras.Un ejemplo lo tenemos cuando un gimnasta gira alrededor de una barra fija, elrozamiento de sus manos con la barra torsiona ligeramente a ésta, también un tornillocuando se aprieta con una llave.

Pandeo o combadura: Es cuando se somete a compresión un elemento de longitud muygrande y de sección transversal pequeña. El estudio del paneo es especialmenteimportante de el caso de los pilares.

Un ejemplo lo podremos observar fácilmente cuando comprimimos un palo delgado,éste se flexiona y se deforma, por lo que si seguimos aplicando esta fuerza se rompe.

7. Identificación de esfuerzos en una estructura.

Ya hemos comentado que en una estructura no solo se dan un tipo de esfuerzo aisladosino que aparecen generalmente los esfuerzos anteriormente indicados de forma

conjunta. En este apartado estudiaremos la forma de identificar los elementos que estánsometidos a esfuerzos de tracción o a flexión. Para ello vamos a imaginar que lasuniones entre los elementos resistentes son uniones articuladas en vez de unionesrígidas. Pongamos como ejemplo el siguiente puente:

3

2

1

El método para averiguar el tipo de esfuerzo que se encuentra sometido el elementoresistente 1 es sustituirlo mentalmente por un goma elástica. Si esta goma queda tensaday la estructura no se rompe podremos asegurar que el elemento esta sometido a unesfuerzo de tracción. Si por el contrario la goma no se estira y la estructura se derrumbaeste elemento estará sometido a un esfuerzo de compresión, tal y como ilustran lasfiguras.

Ele m e nto 1 so m e tid oa e sfue rzo d e c o m p re sió n(la e struc tura se ro m p e )

Ele m e nto 2 so m e tid oa e sfue rzo d e tra c c ió n(la e struc tura no se ro m p e )

Ele m e nto 3 so m e tid oa e sfue rzo d e c o m p re sió n(la e struc tura no se ro m p e )

8. Aumento de la resistencia en estructuras.

El triángulo es el único polígono que no se deforma. Por este motivo, se puede evitar ladeformación de los polígonos articulados colocando barras diagonales que delimitantriángulos. Este procedimiento se llama triangularización y se puede ver en las figurassiguientes:

El tria ng ulo no d e d e fo rm a c ua nd ose le se so m e te a c a rg a s

El c ua d ra d o se d e fo rm a c ua nd o se le so m e te a c a rg a s inte sa s

La tria ng ula riza c ió n e s m é to d o usa d o p a raa um e nta r la re siste nc ia d e lo s p o líg o no s.

Para comprender todo esto mejor estudiaremos los esfuerzos que se producen en lostriángulos. Para ello nos imaginaremos una triángulo realizado dos tres amortiguadoresde forma que sus lados no sean rígidos sino extensibles. Si actúa una carga en el vérticesuperior producirá una compresión en las barras inclinadas y un estiramiento (tracción)en la barra horizontal.

Como los elementos estructurales soportan generalmente bien los esfuerzos decompresión y de tracción y peor los esfuerzos de flexión en el diseños de nuestrasestructuras intentaremos en la medida que sea posible la realización de triángulos en elentramado de ésta.

Con este tipo de estructuras se cubren grandes distancias, a la vez que se aliga el peso dela construcción.

9. Formas de reducir la flecha en una deformación por flexión.

Como hemos visto en elementos sometidos a esfuerzos de flexión se produce unadeformación que aunque no rompa el elementos resistente si que puede ser tan grandeque impida su utilización con seguridad. A esta deformación máxima, que normalmentese produce en medio de los apoyos, se le denomina flecha.

La flecha está normalizada en las construcciones y no puede sobrepasar de unos limites,generalmente ha de ser menor de 1/200 de la luz (distancia entre apoyos).

Existen diferentes métodos para reducir la flecha en un elemento flexión, los másusados son:

Aumentar el canto: Generalmente la vigas tienen perfiles rectangulares y su disposiciónen la estructura es colocada de forma que la dimensión más grande del perfil seencuentre en posición vertical. Esto hace que el elemento se deforme menos y por tantoreduzca la flecha.

A veces es imposible aumentar más el canto ya que este aumento comportaría un usoexcesivo de material y de peso. Una solución es la sustitución de las vigas porelementos rectangulares triangularizados. En otras ocasiones cuando se han de cubrirgrandes luces se utilizan cerchas (vigas formadas por un entramado de perfiles simpleso compuestos, agrupados geométricamente formando triángulos).

Usar tirantes: Es un método utilizado típicamente en puentes. Porte de los esfuerzos queactúan sobre la construcción son soportados por los tirantes (tracción) reduciendo losesfuerzos de flexión y por lo tanto disminuyendo la flecha.

Reducir la luz: Evidentemente si se reduce la distancia entre los apoyos mediante pilaresintermedios se reducirá la flecha ya que parte de los esfuerzos son soportados por estos(compresión).

ACTIVIDADES

1) Define brevemente lo que entiendes por estructura y cita algún ejemplo queconozcas de tu ciudad, o próximo a ella, cuyo diseño se base principalmente enelementos estructurales.

2) ¿ En que diferencia la estructura de una bicicleta y la de un frigorífico?

3) ¿Por qué se utiliza aluminio en vez de acero en la construcción de aviones?

3) Muchas estructuras de acero utilizan piezas huecas en vez de macizas. ¿A quécrees que es debido?

4) Cita en tu cuaderno distintos ejemplos que a tu juicio puedan considerarse comoestructuras naturales y artificiales. Finalmente, clasifica y justifica de formarazonada los diferentes casos propuestos.

5) Define tracción y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje ohagas trabajar a tracción.

6) Define compresión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas quetrabaje o hagas trabajar a compresión.

7) Define flexión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje ohagas trabajar a flexión.

8) Define cizalladura y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas quetrabaje o hagas trabajar a cizalladura.

9) Define torsión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje ohagas trabajar a torsión.

10) Define pandeo y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje ohagas trabajar a pandeo.

11) Para disminuir la fecha existe el procedimiento de aumentar el canto. ¿Conocesalgún ejemplo donde se utilice este método?

12) En el hormigón armado tenemos acero y hormigón. ¿Sabrías decir quién trabajaa tracción y quién a compresión? ¿Por qué?

13) ¿ De qué depende que una viga tenga más o menos resistencia? Explica turepuesta con algunos ejemplos.

14) Describe la función de los siguientes elementos estructurales: tirante, viga, cablede sustentación, pilar, cimiento.

15) En un tobogán, identifica los esfuerzos a que están sometidos los elementos desu estructura.

16) Razona que bicicleta está mejor diseñada.

A B17) Haz que las siguientes estructuras sean más resistentes. Constrúyelas con

palitos de refrescos perforados y comprueba el aumento de carga soportada porellas.

18) En un columpio, identifica los esfuerzos a que están sometidos los elementos desu estructura.

19) Localiza y representa, con dibujos detallados, distintos tipos de canastas debaloncesto. Señala las diferencias más importantes entre ellas.

20) ¿Qué tipo de esfuerzos han de soportar los siguientes elementos?

La punta de un bolígrafo.Las vigas del suelo de un puente.La cuerda que hay entre la lancha y un esquiador nautico

El cuello de una botella con tapón a rosca.La suela de un zapato.El cable que sujeta una lámpara colgante.Una viga voladiza.Un tornillo.El remache de unas tijeras.El asiento de un taburete.Un tablón por el pasa una carretilla.El tapón de rosca de un bolígrafo.Un gancho colgado en el techo.Los soportes de la baca de un coche.En perchero colgado en la pared.La cuerda de un niño que tira de un juguete.El pomo de una puerta.Una columna.

21) ¿Por qué decimos que al utilizar cables en una estructura ahorramos material?

22) Apoya contra la pared el hombro y el pie izquierdo. Intenta levantar el piederecho. ¿Puedes hacerlo? Averigua por qué.

23) ¿Por qué al subir una pendiente muy inclinada echamos el cuerpo hacia delante?

ACTIVIDADES DE REFUERZO

1) Indica tres objetos con estructuras de aluminio, tres con estructura de madera ytres con estructura de acero.

2) En una deformación si las fibras de un cuerpo se estiran como consecuencia deuna fuerza externa diremos que está sometido a un esfuerzo de......................................

En una deformación si las fibras de un cuerpo se contraen como consecuencia deuna fuerza externa diremos que está sometido a un esfuerzo de.....................................

3) Las estructura trianguladas se caracterizan por sus barras unidas formandotriángulos. ¿Por qué se emplea este tipo de figura?

4) Propón alguna idea para evitar el vuelco de los siguientes objetos: una torre, unasombrilla, una bicicleta.

5) ¿Por qué es más difícil que vuelque un triciclo que una bicicleta?

6) Relaciona mediante flechas los siguientes objetos y su tipo de estructura:

bolígrafoparaguaslata de conservatelevisiónsilla metálica

armazón

laminar

7) A veces, los partidos de baloncesto se tienen que interrumpir porque se rompe eltablero que hay detrás del aro. ¿Significa que ha fallado la estructura de lacanasta? Razona tu respuesta.

8) Relaciona los elementos de estas dos columnas:

tirantessoportes

barras horizontales

flexióntraccióncompresión

9) ¿Qué pasaría si se rompiesen los tirantes de una barra fija?

a) No pasaría nadab) Se rompería el resto de estructurac) Se caería el resto de estructura

10) Localiza y representa en tu localidad tres ejemplos de construcciones para cadauna de las estructuras siguientes: trianguladas, entramadas, con cables y tirantes.Dibújalas y haz un esquema de sus elementos estructurales.

ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN

1) Construir un cronograma que os permita recoger los distintos descubrimientos,aplicaciones y avances realizados por la humanidad en materia de estructuras.Situad en el cronograma anterior, aquellos diseños y construcciones másrepresentativas de la región o comarca en donde se encuentre ubicado vuestroinstituto.

2) Buscar información y localizad las estructuras más significativas que poseavuestra ciudad o comarca y realizad un trabajo de investigación sobre lasmismas. Indicad en cada una de ellas para qué se utilizan, las partes de queconstan, los esfuerzos que soportan, el material del que están hechas, la fecha deconstrucción y cuantos datos podáis aportar y contribuyan a la mejora deltrabajo.

3) Localiza una obra de construcción en la que se esté realizando la estructura.Observa, desde una distancia prudencial, cómo se construyen los pilares y lasvigas, anota las operaciones y dibuja los detalles constructivos de mayor interés.

4) Observa cómo se monta un andamio. Anota en tu cuaderno el proceso seguido,así como la forma del andamio, el tipo de piezas que emplea y el modo en queéstas se unen entre sí.

5) Identifica los esfuerzos que se producen en las diferentes partes de una bicicleta.Dibújala con todos sus detalles.

PROYECTOS DE AMPLIACIÓN

1) Construcción de la estructura metálica de una pequeña nave industrial.

Se trata de construir a escala una maqueta de una nave industrial. Deberásconstruir los perfiles de la estructura partiendo de latas como las que tienes encasa. Construye las zapatas, los pilares, la armadura, las vigas principales(cerchas) y la cubierta. Las uniones de las distintas partes de la estructuradeberás hacerlas con soldadura de estaño.

2) Construcción de la estructura de planta de una casa

Construir con hormigón armado una maqueta de la estructura de una casa. Lafinalidad será la de conocer todo lo referente a la construcción de este tipo deestructuras. Construir las base, los cimientos, los pilares, las vigas, las bovedillasy por último el suelo del primer piso.

Para realizar el encofrado puedes utilizar cartulina forrada de papel de aluminioo el cartón de una paqueta de tetrabick.

3) Unión de una farola al suelo mediante una zapata.

Construir una maqueta que sirva para conocer el proceso de trabajo que resultanecesario para unir una farola al suelo. Utilizando como medio de unión unazapata de hormigón y tornillos.

4) Reproducción de una estructura metálica.

Construcción de una maqueta de una estructura metálica o de parte de ella. Laelección de la maqueta será libre, pero será necesario tener en cuenta suviabilidad (ejemplos: una torre de la red eléctrica, parque infantil, los palos desujeción de una catenaria, puente, grúa, torre de sujeción de un telesférico, etc).

EXPERIENCIA I

Coge tres folios y pliégalos para conseguir figuras diferentes. Comprueba cuálde ellas soporta más peso.

Anota aquí tus conclusiones:

EXPERIENCIA II

¿Una hoja de cartulina puede soportar el peso de un libro?

Haz dos columnas con libros y coloca una hoja de cartulina sobre estos. Ponencima de la cartulina otro libro. ¿Qué sucede?.

Lo más probable es que el libro caiga ya que la cartulina no es capaz de soportarel peso del libro.

Si ahora doblamos la cartulina el peso del libro pequeño no la deformará yaguantará su peso.

Si ahora formamos una pieza cerrada pegando otra cartulina en la base, aúnpodrá soportar mayor peso.

Relacionar esta experiencia con las estructuras triangulares y con el caso de loscartones ondulados. Apunta aquí tus conclusiones.

EXPERIENCIA III

Coloca un listón de perfil rectangular, largo y delgado, sobre dos mesas. Sitúa enmedio del listón un peso considerable, por ejemplo una botella de plástico llenade agua y observa lo que sucede.

Ahora clava en medio del listón un trozo de madera y coloca un hilo resistentetal y como nuestra la figura.

H ilore siste nte

Repite la experiencia con este listón modificado. ¿ Qué sucede ahora?

H ilore siste nte

¿A que esfuerzo están sometidos los hilos que hemos colocado?

Relaciona la experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en unadeformación por flexión. Anota tus conclusiones aquí.

EXPERIENCIA IV

Intenta romper una palito de refresco de dos maneras diferentes.

¿En que caso nos costara más esfuerzo?

Ahora doblamos tres hojas de cartulina. Una por la mitad ,figura A, y las otrasdos tal y como se indica en la figura B.

A BApoyar las tres piezas y colocar pequeños pesos sobre cada una de ellas hastaque se caigan.

¿Cuál es la que más resiste? ¿Cuántas veces más?

Relaciona esta experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en unadeformación por flexión.