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UNIDAD DIDÁCTICA Estructuras Autor: Rafael Hidalgo García Profesor de ESO Tecnología IES”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 adecuada realización del proyecto tecnológico propuesto al inicio del trimestre (Diseño y realización de una maqueta de una discoteca). 2.Objetivos : - Comprender la importancia, tanto desde el punto de vista histórico como desde el punto de vista funcional, que han tenido y tienen las estructura para la realización de proyectos tecnológicos que resuelven necesidades humanas concretas. - Abordar individualmente y en grupo la solución a problemas que requieran el uso de estructuras, diseñando y analizando las distintas soluciones de forma creativa y evaluando su idoneidad desde distintos puntos de vista. - Construir estructuras empleando para ello materiales del ámbito escolar y de reciclado, que posteriormente formarán parte funcional de un proyecto más complejo, atendiendo al correcto uso de herramientas y a las tareas de organización, 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 elementos que las forman. Análisis de los esfuerzos a los que están sometidos los elementos de una estructura en supuestos de carga sencillos. Realización de experiencias para comprobar el comportamiento resistente de las estructuras y sus elementos. Realización de perfiles para la construcción elementos resistentes de estructuras con papel, cartulina, tubitos de plástico, mondadientes, etc. Construcción de estructuras y comprobación de la estabilidad y resistencia obtenida con ellas. Confección, individualmente, de una memoria donde se explique el proceso seguido en el diseño y construcción de la estructura. Exposición pública del trabajo realizado y debate sobre las bondades de los diferentes diseños. 3.3. Actitudes: • • • • • • • • • • Valoración de la importancia de las estructuras en el mundo real y en el aulataller para la realización de proyectos tecnológicos más complejos. Interés por aprovechar las actividades y experiencias realizadas en el aulataller 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 las dificultades 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 de asimilación de los contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales prestando especial importancia, a que el diseño y la construcción de la estructura satisfaga la necesidad inicial planteada. Para la evaluación de estos contenidos puede ser de gran ayuda la siguientes tabla que se propone: Contenidos a evaluar Reconoce la importancia que tiene las estructuras en nuestra vida cotidiana, así como la evolución que han experimentado a lo largo del tiempo. Reconoce las estructuras que identifican a un país o una ciudad. Identifica los distintos tipos de estructuras. Identifica los distintos elementos resistentes que integran las estructuras, así como los materiales empleados por ellas. Conoce el concepto de acción-reacción. Puede clasificar las cargas según su tipo. Distingue los diferentes esfuerzos que intervienen en una estructura. Conoce los criterios de estabilidad de una estructura, así como métodos para aumentar la estabilidad de está. Sabe aplicar el método de triangularización para diseñar estructuras más resistentes. Conoce los métodos para reducir la luz en una deformación por flexión. Conoce los distintos elementos de unión empleados en la construcción de estructuras. Realiza de forma correcta y con precisión perfiles con diferentes materiales (papel, tubitos de plástico, mondadientes, pajitas de refresco, etc) . Es capaz de construir estructuras resistentes y estables. Elabora de forma pulida y ordenada la información escrita y trabajos que se le propone. Entrega en el plazo previsto los trabajos propuestos. Aprovecha adecuadamente las experiencias y actividades realizadas en el aula-taller. Es ordenado y limpio con su trabajo. Se organiza y colabora en el trabajo de grupo. Trabaja de forma autónoma asumiendo decisiones durante el desarrollo del proyecto. Utiliza adecuadamente la terminología científico-técnica. Usa los medios de protección y respeta las normas de seguridad e higiene. Manifiesta una actitud de curiosidad e indagación. Alumno/a 1 Alumno/a 2 Alumno/a 3 ... 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 las construcciones de las estructuras, etc. 5. Atención a la diversidad. Como primera medida de atención a la diversidad será la de formar grupos de trabajo en el aula-taller lo más hetereogéneos posibles, para evitar que se formen grupos con concentración de alumnos con muchas capacidades y otros grupos con alumnos con menores capacidades, así como grupos formados por alumnos de un solo sexo. Lo que se buscará es que todos los grupos del aula lleven el mismo ritmo de trabajo y que no queden grupos rezagados en sus tareas. Se deberá prestar especial atención ha estos grupos en los que las dificultades hacen que se desmotiven sus componentes y abandonen sus tareas. En grupos en los se producen grandes diferencias de capacidades y motivaciones en el alumnado será conveniente hacer una adaptación de los contenidos de la unidad en función de cada alumno en particular. Concretamente en el caso de la realización de la estructura se pueden modificar las condiciones de diseño para ajustarla a las características particulares de cada alumno. Se pueden poner las siguientes propuestas de 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 las capacidades que tengan los alumnos y detectas previamente en la evaluación inicial y mediante la observación directa. Otra fórmula puede ser que cada alumno elija en función de sus propias capacidades y motivaciones la propuesta que quiere realizar haciéndolo responsable de sus proceso de aprendizaje. Para los alumnos o grupos más aventajados una vez realizado la construcción de la estructura podrán hacer alguna tarea extra como, por ejemplo, pintarla, decorarla o 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 la unidad habrá que realizarlos teniendo en cuenta las características particulares de cada 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 se tratará cuestiones relativas al uso de materiales de desecho para la realización de las estructuras en el aula-taller así como la idea de intentar generar un residuo mínimo de materiales y la utilización mínima de materiales para la construcción de estructuras ya sea en el ámbito escolar como en la vida cotidiana. También se tratará el impacto medio ambiental y visual que producen las estructuras en su entorno y como modifican los paisajes naturales. En esta línea, se podrá debatir la influencia perjudicial que un mal plan urbanístico tiene sobre una ciudad, pueblo, zona, etc (teniendo en cuenta que las estructuras forman parte de la mayoría de edificaciones y construcciones), pudiendo cuestionar 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 la fase de construcción de la estructura se producirán debates entre alumnos y alumnas donde aporten sus ideas y opiniones. Estos debates les da al profesor una oportunidad para hacer hincapié sobre la importancia de ser tolerantes, solidarios y respetar la diferencia de criterios de cada individuo. También dentro de la educación moral y cívica se podrán realizar actividades que tengan como fin la de comparar una misma estructura en diferentes sociedades y comprobar como la situación geográfica y las materias primas que tiene en su entorno condicionan estas estructuras. En cuanto a la Igualdad de Oportunidades de ambos sexos se deberá prestar especial atención a la división de tareas para evitar encasillar a chicos y chicas en tareas, que tradicionalmente se asignaban a un sexo u otro. Tareas como la limpieza, la decoración de las estructuras, el uso de pequeñas máquinas herramientas tiene que ser tareas habituales y realizadas de forma natural por todos los alumnos. Por último, en la Educación para la Salud destacar el papel relevante de las estructuras respecto a la seguridad en el uso de edificaciones y construcciones, así como la necesidad de un buen diseño de éstas, que aseguren la integridad de las personas que las utilizan. En cuento a la seguridad dentro de aula-taller se recalcará la importancia del respetos a las normas de seguridad e higiene durante el desarrollo de las diferentes actividades. 7. Sugerencias didácticas. • • • • • • Presentar objetos cotidianos y que el alumno busque los elementos estructurales más importantes. Presentar construcciones de estructuras realizadas por alumnos de cursos anteriores y que los alumnos analicen algún elemento en concreto. Realizar murales ilustrados de clasificación de tipos de estructuras, elementos resistentes, esfuerzos, etc. Realizar murales con fotografías de estructuras o construcciones de todo el mundo y que identifiquen un país, una ciudad, etc. Visitar algunas obras de construcción donde se estén levantando estructuras en diferentes fases: cimentaciones, entramados principales, forjados o montajes de estructuras triangulares. Realizar ensayos de carga para analizar el comportamiento resistente de diferentes elementos estructurales variando el material y la forma o perfil de los mismos. 8. Material didáctico. • • • • Para la identificación de estructuras, detalles de sus elementos, esfuerzos a las que se ven sometidas, etc : catálogos técnicos, diapositivas, transparencias, fotografías, vídeos, etc. Para realizar experiencias sencillas de funcionamiento de estructuras: juegos de construcción, juegos de mecánica tipo “mecano”, materiales de fácil manipulación con los que simular el comportamiento de una estructura ( mondadientes, pajitas de refresco, palitos de brochetas, tubitos de plástico de caramelos, 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. UNIDAD DIDÁCTICA Estructuras Material del Alumno Estructuras Una estructura la podemos definir como un conjunto de elementos simples dispuestos de forma que den rigidez y permitan soportar, sin romperse, las cargas o esfuerzos a las se ven sometidos. El ser humano ha diseñado y utilizado desde tiempos remotos estos elementos para la realización de sus propias construcciones. Podemos encontrar en la naturaleza otros seres vivos que también realizan construcciones (abejas, hormigas, pájaros...) pero lo que diferencian unas estructuras de otras es la capacidad del ser humano para analizarlas, diseñarlas y dar solución a las distintas necesidades que se le presenten. Podemos hacer pues, una primera clasificación de las estructuras en: estructuras naturales y estructuras artificiales. A continuación se ponen algunos ejemplos de éstas: Estructuras naturales: El esqueleto de un animal vertebrado se puede considerar como su estructura, capaz de dar rigidez y soporte a los distintos órganos y tejidos. En las aves los huesos son huecos lo que hace que sean ligeros y resistentes. En el caso de los animales invertebrados son las conchas o caracolas las que hacen de estructuras simples. Estructuras artificiales: Hay numerosos ejemplo de estructuras artificiales entre las que podemos 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 de material) 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 el esqueleto 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 la importancia que tienen, tanto para la realización de proyectos escolares como reales, nos centraremos en esta unidad en su estudio. • Estructuras laminares o de carcasa. Están constituidas por láminas o paneles resistentes que envuelven el objeto. La carcasa proporciona el lugar adecuado para proteger y mantener en su posición las diferentes piezas. Los walkman, el ordenador, la lavadora y diferentes tipos de 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 un cuerpo o elemento resistente. Toda acción lleva asociada otra fuerza en sentido contrario que se opone a ésta y trata de equilibrarla, a la que se denomina reacción. Este principio también es aplicable a las estructuras. Por ejemplo, cuando un pilar hace fuerza contra el suelo, éste hace otra fuerza igual pero en sentido contrario que impide que el pilar se hunda en el suelo. El conjunto de fuerzas o acciones ejercidas sobre una estructura, se conoce genéricamente con el nombre de cargas. Podemos hacer una clasificación de éstas según su naturaleza: Peso propio (cargas debido al peso de los perfiles de las construcciones) Estáticas Cargas 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 elementos simples que dependiendo de su geometría y la disposición dentro de la estructura tendrán 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 u otros materiales utilizados para la realización de estructuras. El nombre del perfil viene 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 esfuerzos y cargas. Normalmente adoptan una posición horizontal. Junto con las viguetas forman la base del suelo de cada uno de los pisos de una construcción formando retículas de gran resistencia. Pilares: Son elementos resistentes, formados por uno o más perfiles dispuestos en posición vertical, y que normalmente soportan las vigas, cerchas u otros elementos apoyados sobre él, transmitiendo las cargas a las zapatas de cimentación. Junto con las vigas forman estructura entramadas de gran resistencia y con grandes espacios vacíos por lo que se utilizan para la construcción de edificios. Los pilares suelen ser más gruesos en las partes bajas de las construcciones ya que es donde deben de soportar mayores cargas. A medida que la construcción aumenta en altura los pilares van siendo más delgados. Tirantes: Son elemento simples de las estructuras que suelen trabajar a esfuerzos de tracción. Un ejemplo típico es las tijeras de los andamios. Tensores: Tienen una misión similar a los tirantes pero a diferencia de éstos, los tensores 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 una tienda 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 del peso de éste. Siempre será el mismo sea cual sea su posición. Saber dónde está situado en una estructura es muy importante porque hará que la estructura sea estable o inestable. 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 diseños se hacen muy bajos prácticamente tocando el suelo para conferirles mayores estabilidades. Otro ejemplo lo podemos encontrar en las pirámides, construcciones de enorme estabilidad ya que su centro de gravedad esta situado a poca altura de su base. Estru c tu ra Esta b le Estru c tu ra In e sta b le Si nos fijamos en las torres anteriores las dos tiene el centro de gravedad a la misma altura pero la línea de acción del centro de gravedad de la primera de ellas cae dentro de la base de la torre siendo estable. Si la torre continua inclinándose, llegaría un momento en que la línea de acción del centro de gravedad saldría de la base y sería inestable y por tanto 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 que nos determinará si es una estructura estable (los ejes de simetría nos ayudaran a localizar el centro de gravedad). No obstante en muchas ocasiones no es posible variar la forma de la estructura por razones funcionales, estéticas, etc. por lo que se hace necesario métodos para evitar que la estructura caiga al suelo. Los más utilizados son: • • • Construir una cimentación para que parte de la estructura quede empotrada o enterrada en el suelo. Es el caso de las edificaciones o de las sombrillas en la playa. Utilizar anclajes (cables o barras) que impidan el vuelvo. Es el caso típico de las antenas 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 una canasta de baloncesto, el de un monitor de ordenador o el de una grúa de construcción. 6. Esfuerzos en las estructuras. No todos los materiales soportan de la misma forma los distintos esfuerzos a los que se encuentran sometidos. Pongamos por ejemplo una tiza de pizarra. Si intentamos romperla 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 un ejemplo de cómo los materiales soportan mejor un tipo de esfuerzos que otros. Por lo tanto es muy importante antes de diseñar una estructura saber identificar los esfuerzos que se producen con el fin de poder elegir el material y dimensiones más adecuados para los elementos resistentes. La parte de la mecánica que estudia las dimensiones que han de tener los perfiles para que resistan las diferentes cargas y esfuerzos se denomina resistencia de materiales. A continuación estudiaremos los principales esfuerzos que intervienen en una estructura: 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 caras perpendiculares de un cuerpo tienden a separarse y las paralelas a juntarse. Compresión: La soportan aquellos elementos que tienden a ser aplastados como por ejemplo, las zapatas de las construcciones. En este caso las fuerzas que actúan son iguales y en el mismo sentido. Las caras perpendiculares del cuerpo tienen a juntarse mientras que la paralelas a separarse, lo que produce un acortamiento en su longitud. Cortadura o Cizalladura: Tiene lugar cuando las cargas que actúan sobre un elemento tienden a rasgarlo o cortarlo. El cuerpo esta sometido a dos fuerzas iguales, en sentido contrario, en planos paralelos y con muy poca separación. El sólido tiende a desunirse por desgarramiento en la separación de los planos en donde actúa la fuerza. Ejemplo típico es el caso de las tijeras, 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 sobre una pieza tienden a doblarla. En este caso actúan dos fuerzas iguales paralelas y otra en sentido contrario en medio de las dos anteriores igual a la suma de éstas. Cuando se somete una barra a flexión se producen en ella los dos esfuerzos anteriores de tracción y compresión.(También se producen esfuerzos de cortadura). Un ejemplo típico lo tenemos en una pasarela o tablón, en el cual vemos que la mitad superior se comprime, mientras que la inferior se tracciona, quedan en el centro una fibra que no sufre alteración, denominada fibra neutra. Torsión: Un elemento está sometido a este esfuerzo si las cargas producen un retorcimiento del mismo. Actúan dos pares de fuerzas contrarias en sentido opuesto, es decir, que normalmente sus 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, el rozamiento de sus manos con la barra torsiona ligeramente a ésta, también un tornillo cuando se aprieta con una llave. Pandeo o combadura: Es cuando se somete a compresión un elemento de longitud muy grande y de sección transversal pequeña. El estudio del paneo es especialmente importante 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 aislado sino que aparecen generalmente los esfuerzos anteriormente indicados de forma conjunta. En este apartado estudiaremos la forma de identificar los elementos que están sometidos a esfuerzos de tracción o a flexión. Para ello vamos a imaginar que las uniones entre los elementos resistentes son uniones articuladas en vez de uniones rígidas. Pongamos como ejemplo el siguiente puente: 1 3 2 El método para averiguar el tipo de esfuerzo que se encuentra sometido el elemento resistente 1 es sustituirlo mentalmente por un goma elástica. Si esta goma queda tensada y la estructura no se rompe podremos asegurar que el elemento esta sometido a un esfuerzo de tracción. Si por el contrario la goma no se estira y la estructura se derrumba este elemento estará sometido a un esfuerzo de compresión, tal y como ilustran las figuras. Ele m e n to 1 so m e tid o a e sfu e rzo d e c o m p re sió n (la e stru c tu ra se ro m p e ) Ele m e n to 2 so m e tid o a e sfu e rzo d e tra c c ió n (la e stru c tura n o se ro m p e ) Ele m e n to 3 so m e tid o a e sfu e rzo d e c o m p re sió n (la e stru c tu ra n o 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 la deformación de los polígonos articulados colocando barras diagonales que delimitan triángulos. Este procedimiento se llama triangularización y se puede ver en las figuras siguientes: El tria n g u lo n o d e d e fo rm a c u a n d o se le se so m e te a c a rg a s Elc u a d ra d o se d e fo rm a c u a n d o se le so m e te a c a rg a s in te sa s La tria n g u la riza c ió n e s m é to d o usa d o p a ra a u m e nta r la re siste n c ia d e lo s p o líg o no s. Para comprender todo esto mejor estudiaremos los esfuerzos que se producen en los triángulos. Para ello nos imaginaremos una triángulo realizado dos tres amortiguadores de forma que sus lados no sean rígidos sino extensibles. Si actúa una carga en el vértice superior producirá una compresión en las barras inclinadas y un estiramiento (tracción) en la barra horizontal. Como los elementos estructurales soportan generalmente bien los esfuerzos de compresión y de tracción y peor los esfuerzos de flexión en el diseños de nuestras estructuras intentaremos en la medida que sea posible la realización de triángulos en el entramado de ésta. Con este tipo de estructuras se cubren grandes distancias, a la vez que se aliga el peso de la construcción. 9. Formas de reducir la flecha en una deformación por flexión. Como hemos visto en elementos sometidos a esfuerzos de flexión se produce una deformación que aunque no rompa el elementos resistente si que puede ser tan grande que impida su utilización con seguridad. A esta deformación máxima, que normalmente se 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 más usados son: Aumentar el canto: Generalmente la vigas tienen perfiles rectangulares y su disposición en la estructura es colocada de forma que la dimensión más grande del perfil se encuentre en posición vertical. Esto hace que el elemento se deforme menos y por tanto reduzca la flecha. A veces es imposible aumentar más el canto ya que este aumento comportaría un uso excesivo de material y de peso. Una solución es la sustitución de las vigas por elementos rectangulares triangularizados. En otras ocasiones cuando se han de cubrir grandes luces se utilizan cerchas (vigas formadas por un entramado de perfiles simples o compuestos, agrupados geométricamente formando triángulos). Usar tirantes: Es un método utilizado típicamente en puentes. Porte de los esfuerzos que actúan sobre la construcción son soportados por los tirantes (tracción) reduciendo los esfuerzos de flexión y por lo tanto disminuyendo la flecha. Reducir la luz: Evidentemente si se reduce la distancia entre los apoyos mediante pilares intermedios 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 que conozcas de tu ciudad, o próximo a ella, cuyo diseño se base principalmente en elementos 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 qué crees que es debido? 4) Cita en tu cuaderno distintos ejemplos que a tu juicio puedan considerarse como estructuras naturales y artificiales. Finalmente, clasifica y justifica de forma razonada los diferentes casos propuestos. 5) Define tracción y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o hagas trabajar a tracción. 6) Define compresión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o hagas trabajar a compresión. 7) Define flexión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o hagas trabajar a flexión. 8) Define cizalladura y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o hagas trabajar a cizalladura. 9) Define torsión y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o hagas trabajar a torsión. 10) Define pandeo y cita un ejemplo de algún elemento que conozcas que trabaje o hagas trabajar a pandeo. 11) Para disminuir la fecha existe el procedimiento de aumentar el canto. ¿Conoces algún ejemplo donde se utilice este método? 12) En el hormigón armado tenemos acero y hormigón. ¿Sabrías decir quién trabaja a tracción y quién a compresión? ¿Por qué? 13) ¿ De qué depende que una viga tenga más o menos resistencia? Explica tu repuesta con algunos ejemplos. 14) Describe la función de los siguientes elementos estructurales: tirante, viga, cable de sustentación, pilar, cimiento. 15) En un tobogán, identifica los esfuerzos a que están sometidos los elementos de su estructura. 16) Razona que bicicleta está mejor diseñada. A B 17) Haz que las siguientes estructuras sean más resistentes. Constrúyelas con palitos de refrescos perforados y comprueba el aumento de carga soportada por ellas. 18) En un columpio, identifica los esfuerzos a que están sometidos los elementos de su estructura. 19) Localiza y representa, con dibujos detallados, distintos tipos de canastas de baloncesto. 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 pie derecho. ¿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 y tres con estructura de acero. 2) En una deformación si las fibras de un cuerpo se estiran como consecuencia de una fuerza externa diremos que está sometido a un esfuerzo de ...................................... En una deformación si las fibras de un cuerpo se contraen como consecuencia de una fuerza externa diremos que está sometido a un esfuerzo de ..................................... 3) Las estructura trianguladas se caracterizan por sus barras unidas formando triángulos. ¿Por qué se emplea este tipo de figura? 4) Propón alguna idea para evitar el vuelco de los siguientes objetos: una torre, una sombrilla, 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: bolígrafo paraguas lata de conserva televisión silla metálica armazón laminar 7) A veces, los partidos de baloncesto se tienen que interrumpir porque se rompe el tablero que hay detrás del aro. ¿Significa que ha fallado la estructura de la canasta? Razona tu respuesta. 8) Relaciona los elementos de estas dos columnas: tirantes soportes barras horizontales flexión tracción compresión 9) ¿Qué pasaría si se rompiesen los tirantes de una barra fija? a) No pasaría nada b) Se rompería el resto de estructura c) Se caería el resto de estructura 10) Localiza y representa en tu localidad tres ejemplos de construcciones para cada una 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 más representativas de la región o comarca en donde se encuentre ubicado vuestro instituto. 2) Buscar información y localizad las estructuras más significativas que posea vuestra ciudad o comarca y realizad un trabajo de investigación sobre las mismas. Indicad en cada una de ellas para qué se utilizan, las partes de que constan, los esfuerzos que soportan, el material del que están hechas, la fecha de construcción y cuantos datos podáis aportar y contribuyan a la mejora del trabajo. 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 las vigas, 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 que éstas 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. Deberás construir los perfiles de la estructura partiendo de latas como las que tienes en casa. Construye las zapatas, los pilares, la armadura, las vigas principales (cerchas) y la cubierta. Las uniones de las distintas partes de la estructura deberás 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. La finalidad será la de conocer todo lo referente a la construcción de este tipo de estructuras. Construir las base, los cimientos, los pilares, las vigas, las bovedillas y por último el suelo del primer piso. Para realizar el encofrado puedes utilizar cartulina forrada de papel de aluminio o 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 resulta necesario para unir una farola al suelo. Utilizando como medio de unión una zapata de hormigón y tornillos. 4) Reproducción de una estructura metálica. Construcción de una maqueta de una estructura metálica o de parte de ella. La elección de la maqueta será libre, pero será necesario tener en cuenta su viabilidad (ejemplos: una torre de la red eléctrica, parque infantil, los palos de sujeción de una catenaria, puente, grúa, torre de sujeción de un telesférico, etc). EXPERIENCIA I Coge tres folios y pliégalos para conseguir figuras diferentes. Comprueba cuál de 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. Pon encima de la cartulina otro libro. ¿Qué sucede?. Lo más probable es que el libro caiga ya que la cartulina no es capaz de soportar el peso del libro. Si ahora doblamos la cartulina el peso del libro pequeño no la deformará y aguantará su peso. Si ahora formamos una pieza cerrada pegando otra cartulina en la base, aún podrá soportar mayor peso. Relacionar esta experiencia con las estructuras triangulares y con el caso de los cartones ondulados. Apunta aquí tus conclusiones. EXPERIENCIA III Coloca un listón de perfil rectangular, largo y delgado, sobre dos mesas. Sitúa en medio del listón un peso considerable, por ejemplo una botella de plástico llena de agua y observa lo que sucede. Ahora clava en medio del listón un trozo de madera y coloca un hilo resistente tal y como nuestra la figura. H ilo re siste n te Repite la experiencia con este listón modificado. ¿ Qué sucede ahora? H ilo re siste n te ¿A que esfuerzo están sometidos los hilos que hemos colocado? Relaciona la experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en una deformación 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 otras dos tal y como se indica en la figura B. A B Apoyar las tres piezas y colocar pequeños pesos sobre cada una de ellas hasta que se caigan. ¿Cuál es la que más resiste? ¿Cuántas veces más? Relaciona esta experiencia con alguno de los métodos para reducir la flecha en una deformación por flexión.
