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ESTRUCTURAS
ESTRUCTURAS
E
n la actualidad, si observamos a nuestro alrededor, vemos que estamos rodeados de
estructuras. Las estructuras son fundamentales tanto para las construcciones como para la
sustentación de las máquinas. En esta unidad estudiaremos qué es una estructura, qué tipos de
estructuras existen, cuáles son las condiciones que deben cumplir y qué elementos se le
pueden añadir para hacerlas más resistentes.
1. ESTRUCTURAS: definición y tipos
1.1. Definición
1.2. Tipos de estructuras artificiales
2. CARGAS Y ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS
3. ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS
4. ESTRUCTURAS RESISTENTES, ESTABLES Y RÍGIDAS
4.1. Elementos para aumentar la estabilidad
4.2. Elementos para aumentar la rigidez. Triangulación
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1. ESTRUCTURAS: definición y tipos
1.1. Definición
Si aplastamos la goma de borrar con los dedos estamos aplicando una fuerza capaz de deformarla. Si
empujamos el lápiz con un dedo, la fuerza provoca el desplazamiento del lápiz. La Tierra nos atrae con
una fuerza (la de la gravedad) proporcional a la cantidad de materia (masa) de nuestro cuerpo... En el
mundo existen innumerables ejemplos de lo que llamamos fuerza, pero ¿qué es realmente una fuerza?
Una fuerza es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de movimiento o
reposo.
Los productos tecnológicos por sencillos que sean, han de disponer de un esqueleto o armazón que
soporte su propio peso, la proteja frente a fuerzas externas y, además, mantenga unidos todos sus
elementos. Dicho de otro modo, todo objeto debe poseer una estructura que soporte las fuerzas a las que
se ve sometido.
La estructura de un objeto es el conjunto de de elementos que permiten mantener su tamaño y
forma (sin deformarse en exceso) cuando sobre él actúan fuerzas externas.
Por tanto, las funciones de una estructura son:
 Soportar pesos: el peso de los elementos sobre la estructura, y el peso mismo del objeto y de la
propia estructura. Ejemplos: los pilares de un puente, la estructura de un edificio...
 Resistir fuerzas externas. Ejemplo: la pared de una presa o dique soporta la fuerza del agua
contenida.
 Mantener la forma: evitar las deformaciones en exceso, que pueden llevar a la rotura. Las
estructuras deben ser capaces de soportar pesos y resistir fuerzas sin llegar a deformarse.
Ejemplo: los tirantes de un puente.
 Servir de protección. Ejemplos: el chasis de un automóvil protege a los pasajeros, la carcasa de un
teléfono móvil protege los elementos electrónicos de su interior...
Las estructuras están presentes en todo lo que nos rodea pudiéndolas encontrar tanto en los seres vivos
como en los objetos (caparazón de un caracol, tronco de un árbol, máquinas, muebles, edificios, etc). De
ahí que las estructuras suelen clasificarse atendiendo a su origen en:
 Estructuras naturales: tanto de origen animal (nidos de aves, colmenas y avisperos,
caparazones...); vegetal (troncos, ramas de árboles y arbustos, tallos de plantas...); y geológico
(cuevas, montañas...).
 Estructuras artificiales: creadas por el hombre: puentes, barcos, edificios, torres, carcasas de
aparatos... Estas serán las que estudiaremos a lo largo de todo el tema.
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1.2. Tipos de estructuras artificiales
A lo largo de la historia se han empleado diferentes tipos de estructuras para las edificaciones: desde las
chozas, hasta los castillos hinchables, pasando por los acueductos, castillos, catedrales, puentes
colgantes...
 ESTRUCTURAS MASIVAS: son estructuras muy pesadas y macizas, construidas con elementos muy
gruesos, anchos y resistentes, y con gran cantidad de material. Ejemplos de estructuras masivas son las
pirámides egipcias y las pirámides mayas, los templos griegos, las presas de los embalses, las murallas
y los diques.
Pirámide maya
Muralla romana de Lugo
 ESTRUCTURAS ABOVEDADAS: son estructuras en las que predominan los arcos, las bóvedas o las
cúpulas como elementos de sujeción y soporte.
Son estructuras abovedadas los teatros, los circos y los acueductos romanos, las iglesias y
catedrales, algunas mezquitas y determinadas construcciones actuales, como los túneles.
Los arcos sujetan la cubierta de la mezquita de Córdoba y se
apoyan en finas columnas que aportan ligereza al conjunto.
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 ESTRUCTURAS ENTRAMADAS: son estructuras formadas por un conjunto de perfiles de madera,
acero u hormigón. Los elementos estructurales son las vigas, los pilares o columnas y la
cimentación.
Estructuras entramadas son los edificios, por ejemplo, que se cubren con ladrillos o cristal después de
colocar los pilares y las vigas. Esto supone una disminución de peso respecto de las estructuras
masivas o abovedadas antiguas, que se traduce en la posibilidad de aumentar la altura de las
construcciones actuales.
Ejemplo de estructura entramada.
 ESTRUCTURAS TRIANGULADAS: son estructuras formadas por barras que forman triángulos. Se
caracterizan por ser ligeras a la vez que resistentes.
Cada triángulo está sometido a sus propios esfuerzos de tracción y compresión, equilibrándose la
estructura permitiendo que esta pueda crecer todo lo que se desee.
Los materiales que se suelen emplear para construir estas estructuras son la madera o el acero.
Son estructuras trianguladas las torres de alta tensión, las grúas, las plataformas petrolíferas,
los estadios deportivos y algunos puentes.
Torre Eiffel (París)
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Torres de alta tensión
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 ESTRUCTURAS COLGANTES: son estructuras colgantes las que están sustentadas por cables o
tirantes sujetos a elementos de soporte resistentes.
Son estructuras de este tipo los puentes colgantes, las tiendas de
campaña, las carpas de circo...
Los puentes colgantes tienen un tablero o base para el paso de
vehículos que suele ser metálico y nos pilares de hormigón con
cimientos muy profundos. Los tirantes sujetan el tablero apoyándose
en los pilares y están firmemente amarrados desde la orilla. El puente
está literalmente colgado de los cables. Si los cables se rompieran, el
puente se hundiría. Esta técnica permite construir puentes más largos
con menos piares intermedios de sujeción, lo que resulta de especial
interés para atravesar ríos anchos, bahías, etc.
Puente Golden Gate (San Francisco, California)
 ESTRUCTURAS LAMINARES: son estructuras constituidas por
láminas finas de metal, plástico o materiales compuestos que se
emplean como carcasas en todo tipo de objetos y en cubiertas
onduladas que envuelven y protegen. A pesar de su poco espesor
ofrecen una gran resistencia debido a su curvatura.
Ejemplos: chasis del coche, carcasa del ordenador, de un teléfono
móvil, etc.
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2. CARGAS Y ESFUERZOS EN LAS ESTRUCTURAS
Las estructuras se ven sometidas a fuerzas externas, tales como pesos de objetos situados sobre ellas, su
propio peso, la fuerza del viento, del oleaje, etc. Así, la estructura de un edificio habrá de soportar el peso
de todos los elementos del edificio (vigas, pilares, ladrillos...), el peso de las personas, los muebles, la
fuerza del viento...
A estas fuerzas externas aplicadas sobre las estructuras se les denominan CARGAS.
El peso de la calzada, la fuerza del viento y el peso de
los coches actúan como cargas para la estructura del
puente.
La presión del agua embalsada supone una
importante carga sobre la estructura de la presa.
Las cargas que soportan las estructuras generan fuerzas internas en la propia estructura (tensiones), que
tienden a deformarlas y/o romperlas.
A estas fuerzas deformantes producidas por las cargas se las llaman ESFUERZOS.
Ejemplo: Imagínate que tu compañero te tira de un dedo de la mano. Tu mano sería la estructura, mientras
que la fuerza externa(carga) que hace tu compañero para estirar de ti sería la carga. El esfuerzo sería la
tensión que notas en el dedo, que te causa cierta molestia. Si tu compañero hiciese mucha fuerza, el esfuerzo
que sufrirías podría llegar a doblarte o romperte el dedo.
Dependiendo de la carga aplicada a la estructura, ésta debe soportar esfuerzos diferentes que pueden ser
de los siguientes tipos: tracción, compresión, flexión, torsión y cortadura o cizalladura.
 Tracción: una estructura o elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan
fuerzas que tienden a estirarlo.
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Puente Vasco de Gama (Lisboa)
 Compresión: una estructura o elemento está sometido a un esfuerzo de compresión cuando sobre el
actúa fuerzas que tienden a reducir su longitud, es decir, a comprimirlo.
 Flexión: un elemento o estructura está sometido a un esfuerzo de flexión cuando las fuerzas o las
cargas tienden a doblarlo.
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 Torsión: un elemento está sometido a un esfuerzo de torsión cuando existen fuerzas sobre él que
tienden a retorcerlo.
La mayoría de los ejes de máquinas están sometidos a torsión.
 Cortadura o cizalladura: un elemento está sometido a un esfuerzo de cortadura o cizalladura cuando
existen dos fuerzas iguales y de sentido contrario que actúan paralelamente muy próximas y, por ello,
tienden a cortar el material. Es decir, tienden a desplazar una sección con respecto a otra.
Las herramientas de corte manual que funcionan por la acción de dos hojas de metal afilado: tijeras,
guillotinas para papel, cizallas para metal, etc, someten al material que se corta a un esfuerzo de
cizalladura que no puede soportar, por lo que se produce el corte.
Los extremos de las vigas están sometidos a cizalladura
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Vistas en 3 dimensiones.
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3. ELEMENTOS DE LAS ESTRUCTURAS
Como ya hemos visto, la misión que ha de cumplir cualquier estructura es la de soportar los esfuerzos a
que se la somete, sin romperse ni deformarse exceso. Para ello existen una serie de elementos que forman
para de la mayoría de las estructuras y que son los encargados de darle la suficiente resistencia.
Por ejemplo, observa cómo trabajan los distintos elementos de la estructura de una barra fija cuando una
gimnasta se balancea sobre ella:
A continuación se explican una serie de elementos resistentes que se utilizan con frecuencia en
estructuras:
 Cimientos. Todas las estructuras necesitan apoyarse sobre una base resistente. Esta base la
constituyen los cimientos, que suelen estar por debajo del nivel del suelo. Es el equivalente a las raíces
de los árboles. La mayoría de los edificios se construyen sobre cimientos de hormigón para evitar que
se hundan debido a su peso.
Distintos tipos de cimentación
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 Pilares. Son elementos estructurales con forma de barra, que se apoyan verticalmente y que
tienen como función soportar el peso de otras partes
de la estructura como las vigas y transmitirla a la
cimentación. Soportan esfuerzos de compresión.
Cuando tienen
sección circular se denominan
columnas.
 Vigas. Son elementos estructurales con forma de barra
que se colocan horizontalmente y se apoya sobre las
columnas y los pilares. Soportan esfuerzos de flexión
y son los elementos que soportan, por ejemplo, las
diversas plantas de un edificio.
 Viguetas. Son elementos estructurales con forma de
barra que se colocan horizontalmente y se apoyan
sobre las vigas.
 Tirantes. Son cables de sustentación que
ayudan a soportar los esfuerzos de tracción
en otros componentes de una estructura,
repartiendo el peso hacia los soportes o
hacia el terreno donde van anclados. Pueden
ser de acero, y sirven para aumentar la
resistencia y la estabilidad de una estructura.
Se utilizan como elemento estructural en las
estructuras colgantes.
Puente de Rande sobre la ría de Vigo
 Arco. Es un elemento con forma curva que sirve para cubrir el espacio entre dos pilares o muros.
y que soporta una parte de la estructura descargando el peso en los extremos.
Acueducto de Segovia
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 Bóveda. Es una sucesión de varios arcos que se apoya en muros, pilares o columnas.
 Cúpula. Es una bóveda de forma semiesférica que se utiliza como cubierta y ejerce el mismo
empuje en todas las direcciones.
Bóveda de la Catedral de Santiago de Compostela
Cúpula de la Basílica de San Pedro, el Vaticano
 Contrafuertes. Tanto las bóvedas como las cúpulas son capaces de soportar fuertes esfuerzos
de compresión, por lo que permiten cubrir grandes espacios con materiales pétreos, como la
piedra o el hormigón. El peso de los elementos recae sobre los muros laterales, por lo que es
necesario reforzarlos con contrafuertes, que son unos piares que se colocan adosados a los
muros para reforzarlos y aguantar su empuje.
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4. ESTRUCTURAS RESISTENTES, ESTABLES Y RÍGIDAS
Para que una estructura realice correctamente sus funciones ha de ser resistente (soportar las tensiones
a las que se ve sometida sin romperse), estable (mantenerse en su posición original sin desmoronarse o
caerse al verse sometida a esfuerzos...) y rígida (no se deforme ante los esfuerzos a los que se ve
sometida).
La resistencia de una estructura depende de:


El tipo de fuerzas y el punto donde éstas se apliquen.
La forma de la estructura y los elementos que la componen, así como el tipo de material de que
están hechos.
Entonces, ¿cómo podemos conseguir estructuras resistentes?


Aumentando su estabilidad.
Aumentando su rigidez.
4.1. Elementos para aumentar la estabilidad
Decimos que una estructura es estable cuando al aplicarle una fuerza se mantiene en equilibrio.
La estabilidad es una condición fundamental de las estructuras, ya que, cuando una fuerza actúa sobre
ellas, no deben caerse, ni volcar ni hundirse.
La estabilidad está relacionada con el centro de gravedad que es un punto imaginario donde estaría toda
la masa del objeto si se pudiera comprimir. Cuando este punto se sitúa fuera de la base del objeto,
entonces este se convierte en inestable y se vuelca.
Fíjate en estas figuras: la primera es estable y la segunda no.
La posición del centro de gravedad de la segunda fuera de la base hace que tienda a caer.
Existen varias formas de aumentar la estabilidad de una estructura, entre otras están las siguientes:
 Ensanchando o aumentando la base (la superficie de apoyo) de la estructura.
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 Situando el centro de gravedad de la estructura en un punto bajo. Cuanto más abajo se sitúe el
centro de gravedad más estable será la estructura. De ese modo se concentra casi toda la masa de la
estructura cerca de la base.
 Realizando una buena cimentación de la estructura.
 Sujetando la estructura con anclajes o tirantes.
 Aumentando la distancia entre apoyos.
 Utilizando escuadras en la base.
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4.2. Elementos para aumentar la rigidez. Triangulación
Para proporcionar una mayor rigidez a una estructura podemos colocar en ella elementos resistentes,
como barras diagonales, escuadras o tirantes.
 Triangulación
Imagina una estructura formada por cuatro barras unidas entre sí por tornillos en sus extremos
formando un cuadrado.
¿Qué ocurrirá al aplicar la fuerza indicada?
La estructura se deforma.
¿Qué ocurrirá si la estructura es un pentágono y aplicamos una fuerza sobre uno de sus vértices?
La estructura también se deforma
Lo mismo ocurre si creo estructuras más complejas basadas en estas formas sencillas.
Considera ahora una estructura con forma de triángulo. ¿Qué ocurrirá al aplicar la fuerza indicada?
La estructura no puede girar en torno a los tornillos, mantiene la forma.
El triángulo es el único polígono indeformable.
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La triangulación es una técnica de construcción para hacer rígidas algunas estructuras que no lo
son, añadiendo barras para conseguir estructuras formadas por triángulos que serán
indeformables.
Si partimos de una estructura inestable y le añadimos cuatro barras diagonales, conseguimos
estabilizar el sistema y que la estructura sea rígida, tal y como se puede ver en la siguiente figura.
 Escuadras o cartelas
Colocando cartelas o escuadras de unión se refuerzan y ensamblan los elementos de una estructura.
Las escuadras son elementos triangulares de refuerzo que se colocan en los puntos de unión de las
piezas de las estructuras y sirven para unir dos barras que forman un ángulo recto. Están sometidas a
esfuerzos de compresión.
 Perfiles
Otro de los recursos más utilizados a la hora de realizar estructuras son los perfiles, que consisten en
barras de distintas secciones que se pueden utilizar como vigas o pilares en las estructuras
entramadas o como barras en las estructuras trianguladas. Los perfiles son igual de resistentes que
los elementos macizos, pero con la ventaja de que son más ligeros y más baratos porque se utiliza
menos material en su fabricación.
Perfiles abiertos
Perfiles cerrados
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