UNIDAD DIDÁCTICA Estructuras
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<strong>UNIDAD</strong> <strong>DIDÁCTICA</strong><br />
Autor: Rafael Hidalgo García<br />
Profesor de ESO Tecnología<br />
IES”La Torreta” Elda<br />
<strong>Estructuras</strong>
<strong>UNIDAD</strong> <strong>DIDÁCTICA</strong><br />
<strong>Estructuras</strong><br />
Material del Profesor
1. Alumnos a los que se dirige:<br />
A todos los alumnos de 3º curso de ESO como apoyo, ayuda y guía para la adecuada<br />
realización del proyecto tecnológico propuesto al inicio del trimestre (Diseño y<br />
realización de una maqueta de una discoteca).<br />
2.Objetivos :<br />
- Comprender la importancia, tanto desde el punto de vista histórico como desde<br />
el punto de vista funcional, que han tenido y tienen las estructura para la<br />
realización de proyectos tecnológicos que resuelven necesidades humanas<br />
concretas.<br />
- Abordar individualmente y en grupo la solución a problemas que requieran el<br />
uso de estructuras, diseñando y analizando las distintas soluciones de forma<br />
creativa y evaluando su idoneidad desde distintos puntos de vista.<br />
- Construir estructuras empleando para ello materiales del ámbito escolar y de<br />
reciclado, que posteriormente formarán parte funcional de un proyecto más<br />
complejo, atendiendo al correcto uso de herramientas y a las tareas de<br />
organización, todo esto dentro de un método de proyectos.<br />
3. Contenidos:<br />
3.1. Conceptos:<br />
• Finalidad de las estructuras.<br />
• Evolución histórica de las estructuras.<br />
• Tipos de estructuras.<br />
• Elementos que componen las estructuras.<br />
• Materiales empleados en la realización de estructuras.<br />
• Estabilidad y resistencia de las estructuras.<br />
• Concepto de acción-reacción.<br />
• Esfuerzos a los que se ven sometidos los elementos estructurales: Tracción,<br />
compresión, cortadura, flexión y torsión.<br />
• Configuración y comportamiento resistente de los diferentes tipos de estructuras.<br />
• Tipos de uniones empleadas en los elementos resistentes de una estructura.
3.2.Procedimientos:<br />
• Identificación y descripción de diferentes tipos de estructuras y los elementos<br />
que las forman.<br />
• Análisis de los esfuerzos a los que están sometidos los elementos de una<br />
estructura en supuestos de carga sencillos.<br />
• Realización de experiencias para comprobar el comportamiento resistente de las<br />
estructuras y sus elementos.<br />
• Realización de perfiles para la construcción elementos resistentes de estructuras<br />
con papel, cartulina, tubitos de plástico, mondadientes, etc.<br />
• Construcción de estructuras y comprobación de la estabilidad y resistencia<br />
obtenida con ellas.<br />
• Confección, individualmente, de una memoria donde se explique el proceso<br />
seguido en el diseño y construcción de la estructura.<br />
• Exposición pública del trabajo realizado y debate sobre las bondades de los<br />
diferentes diseños.<br />
3.3. Actitudes:<br />
• Valoración de la importancia de las estructuras en el mundo real y en el aulataller<br />
para la realización de proyectos tecnológicos más complejos.<br />
• Interés por aprovechar las actividades y experiencias realizadas en el aulataller<br />
relacionadas con las estructuras.<br />
• Valoración de la meticulosidad y precisión a la hora realizar mediciones,<br />
trazados, cortes y construcciones de estructuras y sus elementos.<br />
• Disposición a no abandonar la resolución de un problema, a pesar de las<br />
dificultades iniciales, sin haber agotado todos los recursos.<br />
• Autonomía a la hora de la realización de trabajos prácticos.<br />
• Organización y limpieza.<br />
• Presentación pulida y correcta del trabajo individual y de grupo.<br />
• Uso adecuado de los medios de protección y respeto de las normas de<br />
seguridad e higiene.<br />
• Hábito en el uso preciso de términos tecnológicos y científicos.<br />
• Curiosidad e interés por conocer el funcionamiento de las estructuras así<br />
como sus posibles aplicaciones prácticas.
4. Criterios de evaluación.<br />
Se tendrá en cuenta los objetivos generales de la unidad didáctica, así como el grado de<br />
asimilación de los contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales prestando<br />
especial importancia, a que el diseño y la construcción de la estructura satisfaga la<br />
necesidad inicial planteada. Para la evaluación de estos contenidos puede ser de gran<br />
ayuda la siguientes tabla que se propone:<br />
Contenidos a evaluar Alumno/a 1 Alumno/a 2 Alumno/a 3 ...<br />
Reconoce la importancia que tiene las<br />
estructuras en nuestra vida cotidiana, así<br />
como la evolución que han experimentado a<br />
lo largo del tiempo.<br />
Reconoce las estructuras que identifican a un<br />
país o una ciudad.<br />
Identifica los distintos tipos de estructuras.<br />
Identifica los distintos elementos resistentes<br />
que integran las estructuras, así como los<br />
materiales empleados por ellas.<br />
Conoce el concepto de acción-reacción.<br />
Puede clasificar las cargas según su tipo.<br />
Distingue los diferentes esfuerzos que<br />
intervienen en una estructura.<br />
Conoce los criterios de estabilidad de una<br />
estructura, así como métodos para aumentar<br />
la estabilidad de está.<br />
Sabe aplicar el método de triangularización<br />
para diseñar estructuras más resistentes.<br />
Conoce los métodos para reducir la luz en<br />
una deformación por flexión.<br />
Conoce los distintos elementos de unión<br />
empleados en la construcción de estructuras.<br />
Realiza de forma correcta y con precisión<br />
perfiles con diferentes materiales (papel,<br />
tubitos de plástico, mondadientes, pajitas de<br />
refresco, etc) .<br />
Es capaz de construir estructuras resistentes<br />
y estables.<br />
Elabora de forma pulida y ordenada la<br />
información escrita y trabajos que se le<br />
propone.<br />
Entrega en el plazo previsto los trabajos<br />
propuestos.<br />
Aprovecha adecuadamente las experiencias y<br />
actividades realizadas en el aula-taller.<br />
Es ordenado y limpio con su trabajo. Se<br />
organiza y colabora en el trabajo de grupo.<br />
Trabaja de forma autónoma asumiendo<br />
decisiones durante el desarrollo del proyecto.<br />
Utiliza adecuadamente la terminología<br />
científico-técnica.<br />
Usa los medios de protección y respeta las<br />
normas de seguridad e higiene.<br />
Manifiesta una actitud de curiosidad e<br />
indagación.
Esta tabla se rellenará con un SÍ/NO recogiendo datos a través de pruebas escritas,<br />
observación directa, producciones escritas de los alumnos, exposiciones orales, de las<br />
construcciones de las estructuras, etc.<br />
5. Atención a la diversidad.<br />
Como primera medida de atención a la diversidad será la de formar grupos de trabajo en<br />
el aula-taller lo más hetereogéneos posibles, para evitar que se formen grupos con<br />
concentración de alumnos con muchas capacidades y otros grupos con alumnos con<br />
menores capacidades, así como grupos formados por alumnos de un solo sexo. Lo que<br />
se buscará es que todos los grupos del aula lleven el mismo ritmo de trabajo y que no<br />
queden grupos rezagados en sus tareas. Se deberá prestar especial atención ha estos<br />
grupos en los que las dificultades hacen que se desmotiven sus componentes y<br />
abandonen sus tareas.<br />
En grupos en los se producen grandes diferencias de capacidades y motivaciones en el<br />
alumnado será conveniente hacer una adaptación de los contenidos de la unidad en<br />
función de cada alumno en particular. Concretamente en el caso de la realización de la<br />
estructura se pueden modificar las condiciones de diseño para ajustarla a las<br />
características particulares de cada alumno. Se pueden poner las siguientes propuestas<br />
de diseño:<br />
Propuesta 1: Diseño y construcción de una estructura, realizada íntegramente en papel,<br />
capaz de soportar una carga de 5 kg a una altura de 50 cm de forma permanente.<br />
Propuesta 2: Diseño y construcción de una estructura, realizada íntegramente en papel,<br />
capaz de soportar una carga de 1 kg a una altura de 25 cm de forma permanente.<br />
Propuesta 3: Diseño y construcción de una estructura, realizada con materiales diversos,<br />
capaz de soportar una carga de 0.5 kg a una altura de 20 cm de forma permanente.<br />
La asignación de la propuesta a construir la realizará el profesor dependiendo de las<br />
capacidades que tengan los alumnos y detectas previamente en la evaluación inicial y<br />
mediante la observación directa. Otra fórmula puede ser que cada alumno elija en<br />
función de sus propias capacidades y motivaciones la propuesta que quiere realizar<br />
haciéndolo responsable de sus proceso de aprendizaje.<br />
Para los alumnos o grupos más aventajados una vez realizado la construcción de la<br />
estructura podrán hacer alguna tarea extra como, por ejemplo, pintarla, decorarla o<br />
incluso hacer más severas las condiciones iniciales del diseño.
Todos estos ajustes en las condiciones de diseño de la estructura y en los contenidos de<br />
la unidad habrá que realizarlos teniendo en cuenta las características particulares de<br />
cada grupo o alumno y no hacerlas de forma general y arbitraria.<br />
6. Temas transversales.<br />
En esta unidad se trabajarán temas de Educación Ambiental y del Consumidor donde se<br />
tratará cuestiones relativas al uso de materiales de desecho para la realización de las<br />
estructuras en el aula-taller así como la idea de intentar generar un residuo mínimo de<br />
materiales y la utilización mínima de materiales para la construcción de estructuras ya<br />
sea en el ámbito escolar como en la vida cotidiana. También se tratará el impacto medio<br />
ambiental y visual que producen las estructuras en su entorno y como modifican los<br />
paisajes naturales. En esta línea, se podrá debatir la influencia perjudicial que un mal<br />
plan urbanístico tiene sobre una ciudad, pueblo, zona, etc (teniendo en cuenta que las<br />
estructuras forman parte de la mayoría de edificaciones y construcciones), pudiendo<br />
cuestionar también los beneficios que nos aportan en función de los costes económicos,<br />
técnicos, culturales, etc.<br />
Sobre la Educación para la Paz, durante el desarrollo de la unidad y sobre todo en la<br />
fase de construcción de la estructura se producirán debates entre alumnos y alumnas<br />
donde aporten sus ideas y opiniones. Estos debates les da al profesor una oportunidad<br />
para hacer hincapié sobre la importancia de ser tolerantes, solidarios y respetar la<br />
diferencia de criterios de cada individuo. También dentro de la educación moral y cívica<br />
se podrán realizar actividades que tengan como fin la de comparar una misma estructura<br />
en diferentes sociedades y comprobar como la situación geográfica y las materias<br />
primas que tiene en su entorno condicionan estas estructuras.<br />
En cuanto a la Igualdad de Oportunidades de ambos sexos se deberá prestar especial<br />
atención a la división de tareas para evitar encasillar a chicos y chicas en tareas, que<br />
tradicionalmente se asignaban a un sexo u otro. Tareas como la limpieza, la decoración<br />
de las estructuras, el uso de pequeñas máquinas herramientas tiene que ser tareas<br />
habituales y realizadas de forma natural por todos los alumnos.<br />
Por último, en la Educación para la Salud destacar el papel relevante de las estructuras<br />
respecto a la seguridad en el uso de edificaciones y construcciones, así como la<br />
necesidad de un buen diseño de éstas, que aseguren la integridad de las personas que las<br />
utilizan. En cuento a la seguridad dentro de aula-taller se recalcará la importancia del<br />
respetos a las normas de seguridad e higiene durante el desarrollo de las diferentes<br />
actividades.
7. Sugerencias didácticas.<br />
• Presentar objetos cotidianos y que el alumno busque los elementos estructurales<br />
más importantes.<br />
• Presentar construcciones de estructuras realizadas por alumnos de cursos<br />
anteriores y que los alumnos analicen algún elemento en concreto.<br />
• Realizar murales ilustrados de clasificación de tipos de estructuras, elementos<br />
resistentes, esfuerzos, etc.<br />
• Realizar murales con fotografías de estructuras o construcciones de todo el<br />
mundo y que identifiquen un país, una ciudad, etc.<br />
• Visitar algunas obras de construcción donde se estén levantando estructuras en<br />
diferentes fases: cimentaciones, entramados principales, forjados o montajes de<br />
estructuras triangulares.<br />
• Realizar ensayos de carga para analizar el comportamiento resistente de<br />
diferentes elementos estructurales variando el material y la forma o perfil de los<br />
mismos.<br />
8. Material didáctico.<br />
• Para la identificación de estructuras, detalles de sus elementos, esfuerzos a las<br />
que se ven sometidas, etc : catálogos técnicos, diapositivas, transparencias,<br />
fotografías, vídeos, etc.<br />
• Para realizar experiencias sencillas de funcionamiento de estructuras: juegos de<br />
construcción, juegos de mecánica tipo “mecano”, materiales de fácil<br />
manipulación con los que simular el comportamiento de una estructura (<br />
mondadientes, pajitas de refresco, palitos de brochetas, tubitos de plástico de<br />
caramelos, etc).<br />
• <strong>Estructuras</strong> realizadas por alumnos de cursos anteriores.<br />
• Noticias o reportajes periodísticos sobre catástrofes o ruinas de edificios para<br />
analizar el fallo de estructuras y sus consecuencias.
<strong>UNIDAD</strong> <strong>DIDÁCTICA</strong><br />
<strong>Estructuras</strong><br />
Material del Alumno
<strong>Estructuras</strong><br />
Una estructura la podemos definir como un conjunto de elementos simples dispuestos<br />
de forma que den rigidez y permitan soportar, sin romperse, las cargas o esfuerzos a las<br />
se ven sometidos.<br />
El ser humano ha diseñado y utilizado desde tiempos remotos estos elementos para la<br />
realización de sus propias construcciones. Podemos encontrar en la naturaleza otros<br />
seres vivos que también realizan construcciones (abejas, hormigas, pájaros...) pero lo<br />
que diferencian unas estructuras de otras es la capacidad del ser humano para<br />
analizarlas, diseñarlas y dar solución a las distintas necesidades que se le presenten.<br />
Podemos hacer pues, una primera clasificación de las estructuras en: estructuras<br />
naturales y estructuras artificiales. A continuación se ponen algunos ejemplos de éstas:<br />
<strong>Estructuras</strong> naturales: El esqueleto de un animal vertebrado se puede considerar como<br />
su estructura, capaz de dar rigidez y soporte a los distintos órganos<br />
y tejidos. En las aves los huesos son huecos lo que hace que sean<br />
ligeros y resistentes. En el caso de los animales invertebrados son<br />
las conchas o caracolas las que hacen de estructuras simples.<br />
<strong>Estructuras</strong> artificiales: Hay numerosos ejemplo de estructuras artificiales entre las que<br />
podemos destacar las construcciones de edificios, estatuas, torres,<br />
etc., pero también las encontramos en vehículos de transporte,<br />
electrodomésticos, mobiliario ,etc.<br />
1. Condiciones que debe de cumplir una estructura.<br />
Las condiciones que debe de cumplir una buena estructura son las siguientes:<br />
- ser resistente<br />
- ser estable<br />
- ser ligereza<br />
se pueden tener en cuenta otros factores como el económico (utilización mínima de<br />
material) o el estético según la necesidad o finalidad a cubrir por la estructura.<br />
2. Tipos de estructuras.<br />
A grandes rasgos las estructuras artificiales las podemos dividirlas en:<br />
• <strong>Estructuras</strong> de armazón o armadura.<br />
Están formadas por perfiles o barras resistentes unidos entre sí, constituyendo el<br />
esqueleto de diferentes tipos de objetos. La estructura de los edificios, las sillas,<br />
las torres de la luz o los andamios son algunos ejemplos de armaduras. Por la<br />
importancia que tienen, tanto para la realización de proyectos escolares como<br />
reales, nos centraremos en esta unidad en su estudio.
• <strong>Estructuras</strong> laminares o de carcasa.<br />
Están constituidas por láminas o paneles resistentes que envuelven el objeto. La<br />
carcasa proporciona el lugar adecuado para proteger y mantener en su posición<br />
las diferentes piezas. Los walkman, el ordenador, la lavadora y diferentes tipos<br />
de contenedores tienen estas estructuras.<br />
3. Concepto de acción y reacción. Cargas.<br />
Se define a la acción como la fuerza o el conjunto de fuerzas que se ejercen sobre un<br />
cuerpo o elemento resistente. Toda acción lleva asociada otra fuerza en sentido<br />
contrario que se opone a ésta y trata de equilibrarla, a la que se denomina reacción. Este<br />
principio también es aplicable a las estructuras. Por ejemplo, cuando un pilar hace<br />
fuerza contra el suelo, éste hace otra fuerza igual pero en sentido contrario que impide<br />
que el pilar se hunda en el suelo.<br />
El conjunto de fuerzas o acciones ejercidas sobre una estructura, se conoce<br />
genéricamente con el nombre de cargas. Podemos hacer una clasificación de éstas según<br />
su naturaleza:<br />
Peso propio (cargas debido al peso de los perfiles de las construcciones)<br />
Cargas Según su movilidad<br />
Sobrecargas Según su duración<br />
4. Elementos de una estructura<br />
Estáticas<br />
Dinámicas<br />
Permanentes<br />
Intermitentes<br />
Puntuales<br />
Según el punto de aplicación<br />
Distribuidas<br />
Ya hemos comentado que una estructura esta formada por un conjunto de elementos<br />
simples que dependiendo de su geometría y la disposición dentro de la estructura<br />
tendrán unas características u otras.<br />
Analizaremos a continuación algunos de estos de elementos:<br />
Perfiles: Son todas aquellas formas comerciales en las que se suministran los aceros u<br />
otros materiales utilizados para la realización de estructuras. El nombre del perfil viene<br />
dado 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 soportar<br />
esfuerzos y cargas. Normalmente adoptan una posición horizontal. Junto con las<br />
viguetas forman la base del suelo de cada uno de los pisos de una construcción<br />
formando retículas de gran resistencia.<br />
Pilares: Son elementos resistentes, formados por uno o más perfiles dispuestos en<br />
posición vertical, y que normalmente soportan las vigas, cerchas u otros elementos<br />
apoyados sobre él, transmitiendo las cargas a las zapatas de cimentación. Junto con las<br />
vigas forman estructura entramadas de gran resistencia y con grandes espacios vacíos<br />
por lo que se utilizan para la construcción de edificios.<br />
Los pilares suelen ser más gruesos en las partes bajas de las construcciones ya que es<br />
donde deben de soportar mayores cargas. A medida que la construcción aumenta en<br />
altura los pilares van siendo más delgados.<br />
Tirantes: Son elemento simples de las estructuras que suelen trabajar a esfuerzos de<br />
tracción. Un ejemplo típico es las tijeras de los andamios.<br />
Tensores: Tienen una misión similar a los tirantes pero a diferencia de éstos, los<br />
tensores están realizados por cables, que mediante unos estribos se pueden tensar.<br />
Ejemplos los tenemos en los vientos de las antenas de telecomunicación, o los de una<br />
tienda de campaña.
5. Formas de aumentar la estabilidad en las estructuras.<br />
Podemos definir el centro de gravedad de un objeto como el punto de aplicación del<br />
peso de éste. Siempre será el mismo sea cual sea su posición. Saber dónde está situado<br />
en una estructura es muy importante porque hará que la estructura sea estable o<br />
inestable.<br />
Cuanto más cerca del suelo se sitúe el centro de gravedad más estable será la estructura.<br />
Un ejemplo lo tenemos en los automóviles deportivos y de formula 1 que en sus diseños<br />
se hacen muy bajos prácticamente tocando el suelo para conferirles mayores<br />
estabilidades. Otro ejemplo lo podemos encontrar en las pirámides, construcciones de<br />
enorme estabilidad ya que su centro de gravedad esta situado a poca altura de su base.<br />
Estructura<br />
Esta b le<br />
Estructura<br />
Inestable<br />
Si nos fijamos en las torres anteriores las dos tiene el centro de gravedad a la misma<br />
altura pero la línea de acción del centro de gravedad de la primera de ellas cae dentro de<br />
la base de la torre siendo estable. Si la torre continua inclinándose, llegaría un momento<br />
en que la línea de acción del centro de gravedad saldría de la base y sería inestable y por<br />
tanto caería. Un ejemplo parecido es lo que ocurre con la torre de Pisa.<br />
Es pues necesario para diseñar estructuras tener localizado el centro de gravedad, ya que<br />
nos determinará si es una estructura estable (los ejes de simetría nos ayudaran a<br />
localizar el centro de gravedad).<br />
No obstante en muchas ocasiones no es posible variar la forma de la estructura por<br />
razones funcionales, estéticas, etc. por lo que se hace necesario métodos para evitar que<br />
la estructura caiga al suelo. Los más utilizados son:
• Construir una cimentación para que parte de la estructura quede empotrada o<br />
enterrada en el suelo. Es el caso de las edificaciones o de las sombrillas en la<br />
playa.<br />
• Utilizar anclajes (cables o barras) que impidan el vuelvo. Es el caso típico de las<br />
antenas de telecomunicaciones o las tiendas de campaña de los camping.<br />
• Ampliar la superficie de apoyo y cargar de lastre dicha base. Es el caso de una<br />
canasta de baloncesto, el de un monitor de ordenador o el de una grúa de<br />
construcción.<br />
6. Esfuerzos en las estructuras.<br />
No todos los materiales soportan de la misma forma los distintos esfuerzos a los que se<br />
encuentran sometidos. Pongamos por ejemplo una tiza de pizarra. Si intentamos<br />
romperla utilizando las dos manos y flexionarla no nos costará casi esfuerzo partirla.<br />
Ahora bien, si lo intentamos comprimiéndola, por ejemplo contra la mesa,<br />
comprobaremos que tendremos que hacer mucha más fuerza para romperla. Este es un<br />
ejemplo de cómo los materiales soportan mejor un tipo de esfuerzos que otros. Por lo<br />
tanto es muy importante antes de diseñar una estructura saber identificar los esfuerzos<br />
que se producen con el fin de poder elegir el material y dimensiones más adecuados<br />
para los elementos resistentes.<br />
La parte de la mecánica que estudia las dimensiones que han de tener los perfiles para<br />
que resistan las diferentes cargas y esfuerzos se denomina resistencia de materiales.<br />
A continuación estudiaremos los principales esfuerzos que intervienen en una<br />
estructura:<br />
Tracción: Se presenta cuando las cargas que actúan sobre una pieza tienden a estirarla,<br />
cimo ocurre en los cables de un puente colgante, una goma, etc.<br />
En este caso las fuerzas que actúan son iguales y de sentido contrario. Las caras<br />
perpendiculares de un cuerpo tienden a separarse y las paralelas a juntarse.
Compresión: La soportan aquellos elementos que tienden a ser aplastados como por<br />
ejemplo, las zapatas de las construcciones.<br />
En este caso las fuerzas que actúan son iguales y en el mismo sentido. Las caras<br />
perpendiculares del cuerpo tienen a juntarse mientras que la paralelas a separarse, lo que<br />
produce un acortamiento en su longitud.<br />
Cortadura o Cizalladura: Tiene lugar cuando las cargas que actúan sobre un elemento<br />
tienden a rasgarlo o cortarlo.<br />
El cuerpo esta sometido a dos fuerzas iguales, en sentido contrario, en planos paralelos<br />
y con muy poca separación. El sólido tiende a desunirse por desgarramiento en la<br />
separación de los planos en donde actúa la fuerza. Ejemplo típico es el caso de las<br />
tijeras, en el punto de apoyo de una viga o en uniones con tornillos y remaches.<br />
Flexión: Es un esfuerzo que se produce cuando los pesos o las cargas que actúan sobre<br />
una pieza tienden a doblarla.
En este caso actúan dos fuerzas iguales paralelas y otra en sentido contrario en medio de<br />
las dos anteriores igual a la suma de éstas. Cuando se somete una barra a flexión se<br />
producen en ella los dos esfuerzos anteriores de tracción y compresión.(También se<br />
producen esfuerzos de cortadura).<br />
Un ejemplo típico lo tenemos en una pasarela o tablón, en el cual vemos que la mitad<br />
superior se comprime, mientras que la inferior se tracciona, quedan en el centro una<br />
fibra que no sufre alteración, denominada fibra neutra.<br />
Torsión: Un elemento está sometido a este esfuerzo si las cargas producen un<br />
retorcimiento del mismo.<br />
Actúan dos pares de fuerzas contrarias en sentido opuesto, es decir, que normalmente<br />
sus secciones tienden a tomar un movimiento de rotación unas en contrario de las otras.<br />
Un ejemplo lo tenemos cuando un gimnasta gira alrededor de una barra fija, el<br />
rozamiento de sus manos con la barra torsiona ligeramente a ésta, también un tornillo<br />
cuando se aprieta con una llave.<br />
Pandeo o combadura: Es cuando se somete a compresión un elemento de longitud muy<br />
grande y de sección transversal pequeña. El estudio del paneo es especialmente<br />
importante de el caso de los pilares.<br />
Un ejemplo lo podremos observar fácilmente cuando comprimimos un palo delgado,<br />
éste se flexiona y se deforma, por lo que si seguimos aplicando esta fuerza se rompe.<br />
7. Identificación de esfuerzos en una estructura.<br />
Ya hemos comentado que en una estructura no solo se dan un tipo de esfuerzo aislado<br />
sino que aparecen generalmente los esfuerzos anteriormente indicados de forma
conjunta. En este apartado estudiaremos la forma de identificar los elementos que están<br />
sometidos a esfuerzos de tracción o a flexión. Para ello vamos a imaginar que las<br />
uniones entre los elementos resistentes son uniones articuladas en vez de uniones<br />
rígidas. Pongamos como ejemplo el siguiente puente:<br />
1<br />
El método para averiguar el tipo de esfuerzo que se encuentra sometido el elemento<br />
resistente 1 es sustituirlo mentalmente por un goma elástica. Si esta goma queda tensada<br />
y la estructura no se rompe podremos asegurar que el elemento esta sometido a un<br />
esfuerzo de tracción. Si por el contrario la goma no se estira y la estructura se derrumba<br />
este elemento estará sometido a un esfuerzo de compresión, tal y como ilustran las<br />
figuras.<br />
Elem ento 1 som etido<br />
a esfuerzo de com presión<br />
(la estructura se rom pe)<br />
Ele m e n to 2 so m e tido<br />
a esfuerzo de tracción<br />
(la estructura no se rom pe)<br />
2<br />
3
Ele m e n to 3 so m e tido<br />
a esfuerzo de com presión<br />
(la estructura no se rom pe)<br />
8. Aumento de la resistencia en estructuras.<br />
El triángulo es el único polígono que no se deforma. Por este motivo, se puede evitar la<br />
deformación de los polígonos articulados colocando barras diagonales que delimitan<br />
triángulos. Este procedimiento se llama triangularización y se puede ver en las figuras<br />
siguientes:<br />
El triangulo no de deform a cuando<br />
se le se so m e te a c a rgas
El cuadra d o se d e fo rm a cuando<br />
se le som ete a cargas intesas<br />
La triangulariza c ión es m étodo usado para<br />
aum entar la resiste n c ia de los polígonos.<br />
Para comprender todo esto mejor estudiaremos los esfuerzos que se producen en los<br />
triángulos. Para ello nos imaginaremos una triángulo realizado dos tres amortiguadores<br />
de forma que sus lados no sean rígidos sino extensibles. Si actúa una carga en el vértice<br />
superior producirá una compresión en las barras inclinadas y un estiramiento (tracción)<br />
en la barra horizontal.<br />
Como los elementos estructurales soportan generalmente bien los esfuerzos de<br />
compresión y de tracción y peor los esfuerzos de flexión en el diseños de nuestras<br />
estructuras intentaremos en la medida que sea posible la realización de triángulos en el<br />
entramado de ésta.<br />
Con este tipo de estructuras se cubren grandes distancias, a la vez que se aliga el peso de<br />
la construcción.<br />
9. Formas de reducir la flecha en una deformación por flexión.<br />
Como hemos visto en elementos sometidos a esfuerzos de flexión se produce una<br />
deformación que aunque no rompa el elementos resistente si que puede ser tan grande<br />
que impida su utilización con seguridad. A esta deformación máxima, que normalmente<br />
se produce en medio de los apoyos, se le denomina flecha.<br />
La flecha está normalizada en las construcciones y no puede sobrepasar de unos limites,<br />
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 más<br />
usados son:<br />
Aumentar el canto: Generalmente la vigas tienen perfiles rectangulares y su disposición<br />
en la estructura es colocada de forma que la dimensión más grande del perfil se<br />
encuentre en posición vertical. Esto hace que el elemento se deforme menos y por tanto<br />
reduzca la flecha.<br />
A veces es imposible aumentar más el canto ya que este aumento comportaría un uso<br />
excesivo de material y de peso. Una solución es la sustitución de las vigas por<br />
elementos rectangulares triangularizados. En otras ocasiones cuando se han de cubrir<br />
grandes luces se utilizan cerchas (vigas formadas por un entramado de perfiles simples<br />
o compuestos, agrupados geométricamente formando triángulos).<br />
Usar tirantes: Es un método utilizado típicamente en puentes. Porte de los esfuerzos que<br />
actúan sobre la construcción son soportados por los tirantes (tracción) reduciendo los<br />
esfuerzos de flexión y por lo tanto disminuyendo la flecha.<br />
Reducir la luz: Evidentemente si se reduce la distancia entre los apoyos mediante pilares<br />
intermedios se reducirá la flecha ya que parte de los esfuerzos son soportados por estos<br />
(compresión).
ACTIVIDADES<br />
1) Define brevemente lo que entiendes por estructura y cita algún ejemplo que<br />
conozcas de tu ciudad, o próximo a ella, cuyo diseño se base principalmente en<br />
elementos estructurales.<br />
2) ¿ En que diferencia la estructura de una bicicleta y la de un frigorífico?<br />
3) ¿Por qué se utiliza aluminio en vez de acero en la construcción de aviones?<br />
3) Muchas estructuras de acero utilizan piezas huecas en vez de macizas. ¿A qué<br />
crees que es debido?<br />
4) Cita en tu cuaderno distintos ejemplos que a tu juicio puedan considerarse como<br />
estructuras naturales y artificiales. Finalmente, clasifica y justifica de forma<br />
razonada los diferentes casos propuestos.<br />
5) Define tracción y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o<br />
hagas trabajar a tracción.<br />
6) Define compresión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que<br />
trabaje o hagas trabajar a compresión.<br />
7) Define flexión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o<br />
hagas trabajar a flexión.<br />
8) Define cizalladura y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que<br />
trabaje o hagas trabajar a cizalladura.<br />
9) Define torsión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o<br />
hagas trabajar a torsión.<br />
10) Define pandeo y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o<br />
hagas trabajar a pandeo.<br />
11) Para disminuir la fecha existe el procedimiento de aumentar el canto. ¿Conoces<br />
algún ejemplo donde se utilice este método?<br />
12) En el hormigón armado tenemos acero y hormigón. ¿Sabrías decir quién trabaja<br />
a tracción y quién a compresión? ¿Por qué?<br />
13) ¿ De qué depende que una viga tenga más o menos resistencia? Explica tu<br />
repuesta con algunos ejemplos.<br />
14) Describe la función de los siguientes elementos estructurales: tirante, viga, cable<br />
de sustentación, pilar, cimiento.
15) En un tobogán, identifica los esfuerzos a que están sometidos los elementos de<br />
su estructura.<br />
16) Razona que bicicleta está mejor diseñada.<br />
A B<br />
17) Haz que las siguientes estructuras sean más resistentes. Constrúyelas con<br />
palitos de refrescos perforados y comprueba el aumento de carga soportada por<br />
ellas.<br />
18) En un columpio, identifica los esfuerzos a que están sometidos los elementos de<br />
su estructura.<br />
19) Localiza y representa, con dibujos detallados, distintos tipos de canastas de<br />
baloncesto. Señala las diferencias más importantes entre ellas.<br />
20) ¿Qué tipo de esfuerzos han de soportar los siguientes elementos?<br />
La punta de un bolígrafo.<br />
Las vigas del suelo de un puente.<br />
La cuerda que hay entre la lancha y un esquiador nautico
El cuello de una botella con tapón a rosca.<br />
La suela de un zapato.<br />
El cable que sujeta una lámpara colgante.<br />
Una viga voladiza.<br />
Un tornillo.<br />
El remache de unas tijeras.<br />
El asiento de un taburete.<br />
Un tablón por el pasa una carretilla.<br />
El tapón de rosca de un bolígrafo.<br />
Un gancho colgado en el techo.<br />
Los soportes de la baca de un coche.<br />
En perchero colgado en la pared.<br />
La cuerda de un niño que tira de un juguete.<br />
El pomo de una puerta.<br />
Una columna.<br />
21) ¿Por qué decimos que al utilizar cables en una estructura ahorramos material?<br />
22) Apoya contra la pared el hombro y el pie izquierdo. Intenta levantar el pie<br />
derecho. ¿Puedes hacerlo? Averigua por qué.<br />
23) ¿Por qué al subir una pendiente muy inclinada echamos el cuerpo hacia delante?<br />
ACTIVIDADES DE REFUERZO<br />
1) Indica tres objetos con estructuras de aluminio, tres con estructura de madera y<br />
tres con estructura de acero.<br />
2) En una deformación si las fibras de un cuerpo se estiran como consecuencia de<br />
una fuerza externa diremos que está sometido a un esfuerzo de<br />
......................................<br />
En una deformación si las fibras de un cuerpo se contraen como consecuencia de<br />
una fuerza externa diremos que está sometido a un esfuerzo de<br />
.....................................<br />
3) Las estructura trianguladas se caracterizan por sus barras unidas formando<br />
triángulos. ¿Por qué se emplea este tipo de figura?<br />
4) Propón alguna idea para evitar el vuelco de los siguientes objetos: una torre, una<br />
sombrilla, una bicicleta.<br />
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:<br />
bolígrafo<br />
paraguas<br />
lata de conserva<br />
televisión<br />
silla metálica<br />
armazón<br />
laminar<br />
7) A veces, los partidos de baloncesto se tienen que interrumpir porque se rompe el<br />
tablero que hay detrás del aro. ¿Significa que ha fallado la estructura de la<br />
canasta? Razona tu respuesta.<br />
8) Relaciona los elementos de estas dos columnas:<br />
tirantes<br />
soportes<br />
barras horizontales<br />
flexión<br />
tracción<br />
compresión<br />
9) ¿Qué pasaría si se rompiesen los tirantes de una barra fija?<br />
a) No pasaría nada<br />
b) Se rompería el resto de estructura<br />
c) Se caería el resto de estructura<br />
10) Localiza y representa en tu localidad tres ejemplos de construcciones para cada<br />
una de las estructuras siguientes: trianguladas, entramadas, con cables y tirantes.<br />
Dibújalas y haz un esquema de sus elementos estructurales.<br />
ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN<br />
1) Construir un cronograma que os permita recoger los distintos descubrimientos,<br />
aplicaciones y avances realizados por la humanidad en materia de estructuras.<br />
Situad en el cronograma anterior, aquellos diseños y construcciones más<br />
representativas de la región o comarca en donde se encuentre ubicado vuestro<br />
instituto.
2) Buscar información y localizad las estructuras más significativas que posea<br />
vuestra ciudad o comarca y realizad un trabajo de investigación sobre las<br />
mismas. Indicad en cada una de ellas para qué se utilizan, las partes de que<br />
constan, los esfuerzos que soportan, el material del que están hechas, la fecha de<br />
construcción y cuantos datos podáis aportar y contribuyan a la mejora del<br />
trabajo.<br />
3) Localiza una obra de construcción en la que se esté realizando la estructura.<br />
Observa, desde una distancia prudencial, cómo se construyen los pilares y las<br />
vigas, anota las operaciones y dibuja los detalles constructivos de mayor interés.<br />
4) Observa cómo se monta un andamio. Anota en tu cuaderno el proceso seguido,<br />
así como la forma del andamio, el tipo de piezas que emplea y el modo en que<br />
éstas se unen entre sí.<br />
5) Identifica los esfuerzos que se producen en las diferentes partes de una bicicleta.<br />
Dibújala con todos sus detalles.<br />
PROYECTOS DE AMPLIACIÓN<br />
1) Construcción de la estructura metálica de una pequeña nave industrial.<br />
Se trata de construir a escala una maqueta de una nave industrial. Deberás<br />
construir los perfiles de la estructura partiendo de latas como las que tienes en<br />
casa. Construye las zapatas, los pilares, la armadura, las vigas principales<br />
(cerchas) y la cubierta. Las uniones de las distintas partes de la estructura<br />
deberás hacerlas con soldadura de estaño.<br />
2) Construcción de la estructura de planta de una casa<br />
Construir con hormigón armado una maqueta de la estructura de una casa. La<br />
finalidad será la de conocer todo lo referente a la construcción de este tipo de<br />
estructuras. Construir las base, los cimientos, los pilares, las vigas, las bovedillas<br />
y por último el suelo del primer piso.<br />
Para realizar el encofrado puedes utilizar cartulina forrada de papel de aluminio<br />
o el cartón de una paqueta de tetrabick.<br />
3) Unión de una farola al suelo mediante una zapata.
Construir una maqueta que sirva para conocer el proceso de trabajo que resulta<br />
necesario para unir una farola al suelo. Utilizando como medio de unión una<br />
zapata de hormigón y tornillos.<br />
4) Reproducción de una estructura metálica.<br />
Construcción de una maqueta de una estructura metálica o de parte de ella. La<br />
elección de la maqueta será libre, pero será necesario tener en cuenta su<br />
viabilidad (ejemplos: una torre de la red eléctrica, parque infantil, los palos de<br />
sujeción de una catenaria, puente, grúa, torre de sujeción de un telesférico, etc).
EXPERIENCIA I<br />
Coge tres folios y pliégalos para conseguir figuras diferentes. Comprueba cuál<br />
de ellas soporta más peso.<br />
Anota aquí tus conclusiones:
EXPERIENCIA II<br />
¿Una hoja de cartulina puede soportar el peso de un libro?<br />
Haz dos columnas con libros y coloca una hoja de cartulina sobre estos. Pon<br />
encima de la cartulina otro libro. ¿Qué sucede?.<br />
Lo más probable es que el libro caiga ya que la cartulina no es capaz de soportar<br />
el peso del libro.<br />
Si ahora doblamos la cartulina el peso del libro pequeño no la deformará y<br />
aguantará su peso.<br />
Si ahora formamos una pieza cerrada pegando otra cartulina en la base, aún<br />
podrá soportar mayor peso.<br />
Relacionar esta experiencia con las estructuras triangulares y con el caso de los<br />
cartones ondulados. Apunta aquí tus conclusiones.
EXPERIENCIA III<br />
Coloca un listón de perfil rectangular, largo y delgado, sobre dos mesas. Sitúa en<br />
medio del listón un peso considerable, por ejemplo una botella de plástico llena<br />
de agua y observa lo que sucede.<br />
Ahora clava en medio del listón un trozo de madera y coloca un hilo resistente<br />
tal y como nuestra la figura.<br />
Hilo<br />
resiste n te<br />
Repite la experiencia con este listón modificado. ¿ Qué sucede ahora?<br />
Hilo<br />
resiste n te<br />
¿A que esfuerzo están sometidos los hilos que hemos colocado?<br />
Relaciona la experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en una<br />
deformación por flexión. Anota tus conclusiones aquí.
EXPERIENCIA IV<br />
Intenta romper una palito de refresco de dos maneras diferentes.<br />
¿En que caso nos costara más esfuerzo?<br />
Ahora doblamos tres hojas de cartulina. Una por la mitad ,figura A, y las otras<br />
dos tal y como se indica en la figura B.<br />
A B<br />
Apoyar las tres piezas y colocar pequeños pesos sobre cada una de ellas hasta<br />
que se caigan.<br />
¿Cuál es la que más resiste? ¿Cuántas veces más?<br />
Relaciona esta experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en una<br />
deformación por flexión.