ESTRUCTURAS

 ESTRUCTURAS

 

Presentado por:

Maria Camila Cerón Rojas.

Juan José Rojas.

Samuel Torres. 

Grado:

10 - 01

INTRODUCCION

Cuando aplicamos una fuerza sobre un objeto, como aplastar una goma de borrar o empujar un lápiz, estamos ejerciendo una fuerza que puede deformar o mover el objeto. La fuerza de la gravedad también es un ejemplo de fuerza, ya que atrae los objetos hacia la Tierra en proporción a su masa. Sin embargo, a pesar de que hay muchos ejemplos de fuerza en el mundo, puede ser difícil definir qué es exactamente una fuerza.

La fuerza es cualquier cosa que pueda cambiar la forma de un objeto o su movimiento. Incluso los productos tecnológicos más simples deben tener una estructura o armazón que los sostenga, los proteja de las fuerzas externas y mantenga todos sus componentes unidos. En otras palabras, cualquier objeto debe tener una estructura que pueda resistir las fuerzas a las que está expuesto, ahora la pregunta es ¿Qué es una estructura?.

Una estructura es un conjunto de elementos que están unidos entre sí, lo que le permite mantener su tamaño y forma sin deformarse excesivamente cuando se le aplican fuerzas externas. Por lo tanto, las funciones de una estructura pueden ser muchas y variadas. Algunos ejemplos de estas funciones incluyen soportar el peso de los elementos y la propia estructura, resistir las fuerzas externas, como en el caso de la pared de una presa o dique que soporta la fuerza del agua contenida, o salvar obstáculos, como los puentes, las carreteras o los túneles.

Existen dos tipos diferentes de estructuras, que son las estructuras naturales y las estructuras artificiales.

Las estructuras naturales son aquellas que se encuentran en la naturaleza y pueden ser de origen animal, vegetal o geológico. Algunos ejemplos de estructuras naturales de origen animal incluyen los nidos de aves, las presas de castores, las colonias de corales, los túneles de topos y ratones, los huevos de aves, los panales de abejas y los caparazones. Las estructuras naturales de origen vegetal pueden incluir los troncos, las ramas de árboles y arbustos, y los tallos de las plantas. Por último, las estructuras naturales de origen geológico pueden incluir las cuevas, los arcos naturales, las montañas y otros accidentes geográficos formados por la actividad geológica de la Tierra.

Las estructuras artificiales son aquellas que son creadas por el ser humano. Algunos ejemplos de estructuras artificiales pueden incluir puentes, barcos, edificios, torres, carcasas y muchos otros objetos que han sido diseñados y construidos por las personas para un propósito específico.

Ya que vimos un poco sobre las estructuras, ahora vamos a hablara sobre las cargas y los esfuerzos, pero para empezar ¿Qué tienen que ver las estructuras con esto?

Las estructuras están expuestas a diferentes tipos de fuerzas externas, como el peso de los objetos que están sobre ellas, su propio peso, la fuerza del viento, del oleaje, entre otros. Por ejemplo, en un edificio, la estructura debe soportar el peso de todos los elementos que lo componen, como vigas, pilares, ladrillos, así como el peso de las personas, muebles y la fuerza del viento. A estas fuerzas externas, que pueden ser fijas (como el peso de un objeto) o variables (como la fuerza del viento o del oleaje), se les llama cargas.

Las cargas son fuerzas externas que actúan sobre una estructura, como el peso de los objetos o la fuerza del viento. Estas cargas generan fuerzas internas en la estructura, conocidas como tensiones, que pueden deformarla o incluso romperla. A estas fuerzas internas producidas por las cargas se les llama esfuerzos. En resumen, las cargas son las fuerzas externas y las tensiones o esfuerzos son las fuerzas internas que se generan en una estructura como resultado de las cargas externas.

El esfuerzo se refiere a la tensión interna que experimentan los cuerpos cuando son sometidos a una o varias fuerzas. Por ejemplo, si alguien te jala un dedo de la mano, los huesos de tu mano conforman la estructura, mientras que la fuerza externa ejercida por la otra persona es la carga. El esfuerzo sería la tensión que sientes en el dedo, la cual puede causar cierta incomodidad o dolor. Si la fuerza aplicada es muy fuerte, el esfuerzo podría ser suficiente para doblar, dislocar o incluso fracturar el dedo. En resumen, el esfuerzo es la respuesta interna que experimenta un objeto o cuerpo a las fuerzas externas que actúan sobre él.

Ahora vamos a ver los tipos de esfuerzos tracción, compresión, flexión, torsión, cizalla y pandeo.

La tracción es el esfuerzo que se produce cuando una fuerza tira de un objeto, lo que provoca que éste se alargue. Esta fuerza actúa en una dirección específica y en sentido contrario al exterior del objeto. Por ejemplo, cuando se cuelga un peso de un cable, se genera una tracción en el cable. Los tirantes y tensores de un puente también están sometidos a tracción, al igual que las cadenas de un columpio o el cable de una tirolina.

La compresión es el esfuerzo que aparece cuando las cargas actúan en la misma dirección y sentido opuesto hacia el interior de un cuerpo, lo que provoca que el objeto se acorte. Algunos ejemplos comunes de compresión incluyen las piernas cuando estamos de pie, las patas de una mesa o silla, las dovelas de un arco, los contrafuertes y los arbotantes.

La flexión es el esfuerzo que ocurre cuando una estructura se dobla o curva debido a la acción de dos fuerzas en direcciones opuestas y una tercera fuerza en medio de ellas. Este tipo de esfuerzo es una combinación de compresión y tracción, ya que diferentes partes de la estructura experimentan ambas fuerzas mientras se dobla. Un ejemplo de flexión es cuando colocas libros en un estante, lo que hace que se doble. Otro ejemplo es el tablero de un puente que se dobla bajo el peso de los vehículos que pasan sobre él. Las vigas y dinteles en un edificio también experimentan flexión.

Torsión es un esfuerzo que ocurre cuando una fuerza hace girar un objeto alrededor de su eje longitudinal. Esto causa que las secciones del objeto se deslicen unas sobre otras, generando un efecto de retorcimiento. Algunos ejemplos comunes de torsión incluyen el eje de una rueda, un taladro, una llave al girar la cerradura, una manivela y cualquier otro objeto que gire alrededor de su eje longitudinal.

La cizalla o cortadura es un tipo de esfuerzo que ocurre cuando se aplican fuerzas opuestas y perpendiculares a un objeto, lo que hace que una parte de la estructura se deslice sobre la otra y las partículas del material se desplacen. Algunos ejemplos de cizalla incluyen las tijeras al cortar papel, los puntos de unión entre vigas y pilares en una estructura, la mina del lápiz al escribir o los dientes de una sierra al cortar madera.

El pandeo es un tipo de esfuerzo que ocurre en elementos alargados y delgados cuando se someten a compresión, y se caracteriza por la aparición de desplazamientos laterales o transversales en la dirección de la carga. Se puede entender como una combinación de esfuerzos de compresión y flexión. Si tomas una regla, un espagueti o una pajita y los comprimes por los extremos, podrás observar el efecto de pandeo en su forma de deformación. Algunos ejemplos de elementos sometidos a pandeo son columnas, pilares, barras y muelles alargados y delgados.

Propiedades básicas de las estructuras.

Para que una estructura logre realizar de manera correcta sus funciones tiene que ser Resistente, rígida y estable., Vamos a ver algunos términos relacionado con esto.

¿Qué es la resistencia?

La resistencia mecánica de una estructura es su capacidad para soportar las fuerzas que actúan sobre ella sin sufrir deformaciones excesivas o fracturas. Esta capacidad depende de factores como el tipo de material utilizado para construir la estructura, la cantidad de material presente y la forma de la estructura en sí misma. Por ejemplo, el acero y el hormigón son materiales comunes para la construcción de estructuras resistentes, y la forma de la estructura puede ayudar a distribuir mejor las cargas y aumentar su resistencia.

¿Qué es la rigidez?

La rigidez de una estructura es su capacidad de resistir las cargas sin cambiar su forma. Se refiere a la capacidad de una estructura para mantener su forma original y no deformarse cuando se le aplican cargas. La rigidez depende en gran medida de la forma de la estructura, por lo que una estructura con mayor altura o mayor sección transversal tendrá mayor rigidez.

¿Qué es la estabilidad?

La estabilidad de una estructura se refiere a su capacidad para mantenerse en su posición original y no colapsar cuando se somete a cargas. Hay diferentes formas de asegurar la estabilidad de una estructura, como anclarla a un elemento sólido como el suelo o una pared, o agregar tirantes para fortalecer la estructura.

La estabilidad de una estructura también está relacionada con la posición del centro de gravedad de la estructura y su base de apoyo... Y ¿Qué es el centro de gravedad?

El centro de gravedad de un objeto es un punto teórico donde podemos considerar que se concentra toda la masa del objeto. Es el punto donde la fuerza de gravedad se puede considerar que actúa, como resultado de la suma de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las diferentes partículas del objeto. Por ejemplo, cuando tratamos de mantener un objeto en equilibrio, como una escoba, una carpeta, una hoja, etc., debemos asegurarnos de que el centro de gravedad esté en la posición correcta para evitar que el objeto se caiga.

Existen algunas normas generales para conseguir una estructura estable:

1. Aumentar la base de apoyo mejora la estabilidad de la estructura.

2. Situar el centro de gravedad lo más bajo posible ayuda a que la estructura sea más estable, ya que de esta forma, la mayor parte de la masa de la estructura se concentra cerca de la base.

3. El centro de gravedad debe encontrarse dentro de la base de la estructura para asegurar su estabilidad. Si no se cumple esta condición, la estructura será inestable y se volcará.

En resumen, hay varias formas de aumentar la estabilidad de los objetos, incluyendo anclarlos a un elemento fijo, colocar tirantes, bajar el centro de gravedad y ampliar la base.

ELEMENTOS ARQUITECTONICOS

En resumen, cualquier estructura tiene como objetivo principal soportar las cargas que se le aplican sin sufrir daños como roturas, deformaciones excesivas o vuelcos. Para lograr esto, se utilizan diferentes componentes que están diseñados para proporcionar la resistencia, rigidez y estabilidad necesarias a la estructura., Los principales son:

La cimentación: Es el conjunto de elementos que se encargan de sostener y distribuir el peso de la estructura en el suelo, evitando que se produzcan movimientos significativos en la misma. Los cimientos actúan como una base sólida a la que se fijan el resto de elementos que conforman la estructura de un edificio. La elección del tipo de cimentación dependerá del terreno en el que se va a construir la estructura, así como del peso y tipo de obra que se va a realizar.

Una zapata: Es un bloque de hormigón que se utiliza para aumentar la superficie de apoyo de un pilar. Se coloca en la cimentación de la estructura, cerca de la superficie del suelo, cuando el terreno es lo suficientemente resistente para soportar cargas pesadas. La zapata se utiliza para distribuir el peso de la estructura sobre una superficie mayor del suelo, lo que ayuda a prevenir la aparición de asentamientos y hundimientos en la estructura.

Un pilote: Es un elemento estructural largo y generalmente circular, hecho de hormigón armado, que se introduce en el suelo para transmitir las cargas de un edificio. Los pilotes se utilizan cuando no es posible utilizar una cimentación superficial, especialmente en terrenos blandos, para transmitir las cargas de la estructura a través de suelos poco firmes hasta estratos más profundos y resistentes, o para distribuir las cargas y asegurar la estabilidad de la estructura. Los pilotes son capaces de soportar cargas pesadas y se utilizan en construcciones de gran tamaño, como puentes y rascacielos.

Un pilar: Es un elemento de construcción en forma de barra vertical que tiene la función de soportar el peso de otras partes de la estructura y transmitirlo a la cimentación. Los pilares se caracterizan por tener una sección transversal poligonal, como cuadrada o rectangular. Si la sección transversal es más o menos circular, se le llama columna. En general, los pilares son componentes esenciales en la construcción de edificios y otras estructuras, ya que proporcionan resistencia y estabilidad a la estructura en su conjunto.

Una viga: Es un elemento estructural con forma de barra horizontal que se apoya en columnas y pilares. Las vigas se utilizan para soportar el peso de otras partes de la estructura, como techos y pisos, y para distribuir las cargas a los pilares y columnas. Al igual que los dinteles y las viguetas, los esfuerzos principales en las vigas se dan en la parte central, debido a la flexión que se produce por las cargas que soportan. Las vigas se pueden fabricar con diferentes materiales, como madera, acero y hormigón armado, dependiendo de las necesidades estructurales y estéticas de la construcción.

Una vigueta: Es un elemento de construcción en forma de barra horizontal que se apoya en las vigas y se utiliza para distribuir las cargas a través de la estructura. Las viguetas se utilizan comúnmente en la construcción de techos y pisos, y suelen estar hechas de materiales como madera, acero o hormigón. Al igual que las vigas, las viguetas son elementos estructurales importantes que ayudan a garantizar la estabilidad y resistencia de la estructura en su conjunto.

Un dintel: Es un elemento estructural horizontal, similar a una viga maciza, que se coloca sobre dos soportes verticales, llamados jambas. Los dinteles se utilizan para cerrar huecos, como ventanas y puertas, y soportar el peso de las estructuras que se encuentran encima de ellos. Los dinteles pueden estar hechos de diferentes materiales, como madera, piedra, hormigón y acero, y se diseñan en función de la carga que deben soportar y la longitud del hueco que deben cerrar. En resumen, los dinteles son elementos esenciales en la construcción de edificios y proporcionan resistencia y estabilidad a la estructura en su conjunto.

Un forjado: Es un elemento horizontal, que forma parte de la estructura de las diferentes plantas de un edificio, y tiene la función de transmitir las cargas verticales y horizontales a otros elementos estructurales como vigas, viguetas y pilares, que a su vez las transmiten al suelo. Los forjados suelen estar compuestos por vigas y viguetas de hormigón armado, bovedillas y una capa de compresión de hormigón ligeramente armada. Los forjados se utilizan para crear pisos y techos en edificios y proporcionan resistencia y estabilidad a la estructura en su conjunto. Los materiales utilizados en la construcción de un forjado pueden variar según las necesidades y características de cada edificio.

Un tirante: Es un elemento constructivo que se utiliza para soportar cargas y que está sometido principalmente a esfuerzos de tracción. Es decir, se utiliza para resistir fuerzas que tiran o estiran del elemento. Los tirantes pueden ser utilizados en diferentes tipos de estructuras, como puentes, techos y torres, y se fabrican a partir de diversos materiales, como acero, madera o cables de alta resistencia. En general, los tirantes se diseñan y colocan de manera que puedan soportar las cargas a las que están expuestos de manera segura y efectiva, contribuyendo a la estabilidad y resistencia de la estructura en la que se utilizan.

Los perfiles: Son barras que se utilizan en la construcción, y suelen estar hechos de metal. Tienen diferentes formas y tamaños, y se utilizan para crear estructuras más ligeras que pueden soportar grandes pesos con poco material. Esto se logra gracias a su diseño, que les permite distribuir de manera eficiente las cargas a lo largo de su longitud, en lugar de concentrarlas en un solo punto. Los perfiles se utilizan en una gran variedad de construcciones, desde puentes y edificios hasta maquinaria y vehículos, y su elección y diseño depende de las necesidades específicas de cada proyecto.

Las cerchas: Son estructuras compuestas por barras rectas que se conectan en sus extremos formando triángulos planos o pirámides tridimensionales. Están diseñadas para soportar cargas en las uniones, o nodos, y todos los elementos trabajan en tensión o compresión sin la presencia de flexión y cizalla. Debido a su rigidez y peso ligero, las cerchas son una de las estructuras más utilizadas en ingeniería.

Un arco: Es un elemento estructural curvo que se utiliza para cubrir grandes espacios entre dos pilares o muros. Está formado por numerosas piezas pequeñas en forma de cuña llamadas dovelas, que se colocan una al lado de la otra y se apoyan sobre molduras llamadas impostas. Los arcos son muy útiles porque pueden soportar grandes cargas sin necesidad de utilizar muchos materiales.

El arco es un elemento estructural que trabaja exclusivamente a compresión, transmitiendo las cargas recibidas en los puntos de apoyo perpendicularmente y hacia el exterior. Puede presentar distintas formas curvas y dar lugar a diferentes tipos de arcos según su diseño y propósito., Estos son algunos tipos de arcos:

Una bóveda: Es un elemento arquitectónico que tiene forma curva y se utiliza para cubrir el espacio entre dos muros o una serie de pilares alineados. Se puede crear por la rotación de un arco (cúpula), por el desplazamiento a lo largo de un eje o por la intersección de varios arcos o bóvedas. La bóveda trabaja a compresión y transmite las cargas que recibe perpendicularmente y hacia los puntos de apoyo exteriores.

Una cúpula o bóveda esférica: Es un elemento arquitectónico que se usa para cubrir un espacio de forma circular, cuadrada, poligonal o elíptica. Es una estructura curva que se asemeja a la forma de una esfera y se construye mediante la superposición de arcos o secciones curvas.

Un contrafuerte: Es un elemento vertical que se utiliza para transmitir las cargas transversales de las bóvedas y arcos a la cimentación. Se utiliza para reforzar y estabilizar una estructura, ya sea adosado a un muro o separado de él. Su función es evitar que el muro se desplace hacia afuera bajo la carga de la bóveda o el arco, y para esto se apoya en un zócalo o en una base, y a su vez soporta la carga a través de un estribo o un botarel.

Un arbotante: Es un elemento estructural en forma de medio arco que se utiliza en la arquitectura gótica para recoger la presión en el arranque de la bóveda y transmitirla a un contrafuerte. Su función principal es aliviar la carga que soporta el muro de la nave de una iglesia o catedral. Además, en muchos casos, tienen un canal que permite evacuar el agua de lluvia de la cubierta a través de las gárgolas.

Un pináculo: Es un elemento arquitectónico en forma de cono o pirámide ubicado en la parte superior de un contrafuerte, que funciona como contrapeso para contrarrestar el empuje del arbotante y transmitir el peso de las bóvedas al suelo. En la arquitectura gótica, los pináculos son a menudo ornamentados y sirven para aumentar la sensación de altura y verticalidad de las edificaciones.

TIPOS DE ESTRUCTURAS ARTIFICIALES

Durante la historia de la construcción, se han utilizado diversas estructuras para las edificaciones, desde las más sencillas como las chozas de materiales como piel, madera y piedra, hasta estructuras más complejas como los castillos, acueductos, grandes catedrales y puentes colgantes. Incluso en la actualidad, se siguen desarrollando nuevas estructuras, como las cúpulas geodésicas y los castillos hinchables.

HISTORIA DE LAS ESTRUCTURAS ARTIFICIALES

La historia de las estructuras artificiales se remonta a la prehistoria, con las primeras construcciones humanas de chozas hechas de pieles, madera y piedras. A medida que las civilizaciones evolucionaron, también lo hicieron las técnicas y materiales utilizados para construir edificios, puentes y otras estructuras.

En la antigüedad, los egipcios construyeron enormes estructuras como las pirámides, mientras que los griegos y romanos desarrollaron sofisticadas técnicas de construcción, incluyendo el uso de arcos, bóvedas y columnas. La tecnología de construcción de estas culturas fue pasada a través de los siglos y todavía se puede ver en edificios y monumentos que existen hoy en día.

Durante la Edad Media, la arquitectura gótica se caracterizó por la creación de grandes catedrales con arbotantes, contrafuertes y pináculos, que permitieron la construcción de edificios más altos y con ventanas más grandes. La invención de la imprenta en el siglo XV permitió la distribución de los planos arquitectónicos a gran escala, lo que aceleró el proceso de construcción de estructuras.

En la Revolución Industrial, la invención del acero y el hierro permitió la construcción de puentes colgantes, torres y otros edificios de gran altura. También se desarrollaron técnicas de construcción de hormigón reforzado, que permitieron la construcción de estructuras aún más grandes y fuertes.

En la actualidad, la tecnología de la construcción sigue evolucionando, y se utilizan cada vez más materiales como el vidrio, el plástico y la fibra de carbono en la creación de estructuras más ligeras y resistentes. La ingeniería y la arquitectura continúan explorando nuevas formas y técnicas para crear estructuras más eficientes, duraderas y estéticamente atractivas.

Estructuras masivas y adinteladas

Las estructuras masivas son construcciones pesadas y sólidas, realizadas con elementos gruesos y resistentes. En la antigüedad, las primeras construcciones humanas se hacían excavando en la roca o acumulando materiales sin dejar apenas huecos. Para las ventanas o pasos libres se empleaban dinteles de piedra o madera. Ejemplos de estas construcciones son las pirámides mayas y egipcias, los dólmenes, los templos griegos, las iglesias excavadas en la roca y las presas.

Estructuras abovedadas

La invención del arco y la bóveda permitió a los constructores cubrir espacios más grandes y altos, lo que dio lugar a estructuras con huecos cada vez más grandes. Esto permitió la construcción de una gran variedad de edificios, como iglesias, acueductos, túneles, anfiteatros romanos, panteones y mezquitas.

Estructuras entramadas

Las estructuras entramadas se componen de barras conectadas de manera rígida formando una especie de rejilla, en la que cada elemento cumple una función específica. Se utilizan pilares, vigas, viguetas, entre otros elementos de soporte, lo que permite una disminución significativa en el peso de la estructura en comparación con las estructuras macizas o abovedadas. Esto a su vez permite aumentar la altura de los edificios. Actualmente, este tipo de estructuras se utilizan ampliamente en la construcción de edificios de apartamentos y viviendas de múltiples pisos.

Estructuras trianguladas 

Las estructuras trianguladas son sistemas estructurales que consisten en la repetición de formas triangulares para formar una estructura plana o reticulada. Estas estructuras son conocidas por su gran rigidez y ligereza, y están construidas con perfiles de acero, lo que les permite resistir tanto la compresión como la tracción. Ejemplos de estructuras trianguladas son las cerchas, las vigas trianguladas, las grúas, los andamios, las norias, ciertos puentes, las torretas de alta tensión y las torres de telefonía.

Estructuras colgantes

Las estructuras con cables, también conocidas como estructuras tensadas, utilizan cables o tirantes para sostener la mayor parte de la estructura. En algunos casos, los tirantes pueden ser regulados para estirar o acortar, lo que se conoce como tensores. Ejemplos comunes de estructuras con cables incluyen carpas, puentes colgantes o atirantados, cubiertas de pabellones, torres y otros tipos de edificios que se sostienen principalmente mediante cables o tirantes.

Estructuras laminares

Las estructuras laminadas se componen de capas delgadas y planas de diferentes materiales, como metales, plásticos o compuestos, que se utilizan para crear carcasas y cubiertas curvas que ofrecen una gran resistencia. A pesar de su grosor reducido, pueden soportar cargas debido a su forma curvada, lo que las hace útiles en una variedad de aplicaciones, desde la fabricación de automóviles y electrónicos hasta la construcción de edificios y embarcaciones.

Estructuras neumáticas

Las estructuras neumáticas están hechas de un material compuesto llamado membrana, la cual está inflada con aire para mantener la estructura y resistir a la tracción. Estas estructuras son muy ligeras y fáciles de montar y desmontar, lo que las hace ideales para ser trasladadas y almacenadas después de su uso. Se utilizan en una variedad de aplicaciones, como en embarcaciones neumáticas, colchones de aire, carpas, cubiertas de escenarios y ruedas de vehículos.

Estructuras Geodésicas

Las cúpulas geodésicas son estructuras tridimensionales formadas por triángulos que se organizan en elementos hexagonales y pentagonales, y se combinan las propiedades de las bóvedas y las estructuras de barra. En estas estructuras, los vértices de los triángulos deben coincidir con la superficie de una esfera, lo que les confiere una gran resistencia. Cuanto más grande es la cúpula geodésica, más fuerte se vuelve, y es la única estructura que puede cubrir grandes extensiones sin necesidad de pilares interiores. Ejemplos de cúpulas geodésicas incluyen domos geodésicos, planetarios, y algunas estructuras de invernaderos.

Conclusión

En conclusión, las estructuras son elementos fundamentales en la vida cotidiana y en la construcción de edificios, puentes, carreteras, entre otros. Existen diferentes tipos de estructuras, desde las antiguas abovedadas y entramadas hasta las modernas de membrana y geodésicas, cada una con sus propias características y ventajas. La elección de la estructura adecuada depende de varios factores, como la función del edificio o la estructura, las cargas a las que estará sometida, la estética y el presupuesto. Además, las estructuras también pueden ser diseñadas para ser más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. En resumen, las estructuras son esenciales en la vida cotidiana y su estudio y desarrollo continuo son fundamentales para mejorar la calidad de vida de las personas.