Embed Size (px)
Citation preview
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 1 -
ESTRUCTURES
1. Introducció:
L’estructura la podem definir com el conjunt d’elements simples disposats de manera que donen rigidesa i permeten suportar sense trecar-se les càrregues o esforços a què es veu sotmés.
Una primera classificació de les estructures ens permet distingir entre naturals i artificials, segons si és la naturalesa o l’ésser humà qui les crea.
L’exemple més conegut d’estructures naturals el trobem als ossos. Estos donen consistència, rigidesa i suporten els diferents òrgans i teixits musculars en la seua activitat quotidiana. Sense la nostra estructura òssia ni tan sols seríem capaços de posar-nos drets.
Pel contrari, les estructures artificials les dissenya i construeix l’ésser humà amb l’objecte de resoldre els problemes que se li presenten mentre tracta d’adaptar el mitjà a les seues necessitats.
2. Els esforços:
Els elements estructurals es veuen sotmesos a diversos esforços i deformacions com són la resistència de tracció, de compressió, de tall, de flexió, a les tensions transversals i de vinclament.
Analitzem a continuació cadascun d’estos casos.
Tracció:
Un cos està sotmés a tracció quan actuen sobre ell dues forces iguals cap a fora i de sentit contrari, tendint a augmentar la seua longitud.
Les cares del cos perpendiculars a les forces tendeixen a separar-se i les paral.leles a juntar-se, amb el que es produeix el seu allargament si les forces tenen un valor suficient. Este és el cas típic d’una goma elàstica. Un altre exemple és el cas d’un cable d’acer d’una grua que suporta un determinat pes. Aquest cable queda sotmés a un esforç de tracció, tendint a augmentar la seua longitud.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 2 -
Compressió:
Un cos està sotmés a compressió quan actuen sobre ell dues forces iguals cap a l’interior i de sentit contrari.
Les cares del cos perpendiculars a les forces tendeixen a unir-se, mentre que les paral.leles tendeixen a separar-se, el que produeix un acurtament en la seua longitud si les forces tenen un valor suficient.
Tall:
Es produïx quan s’apliquen forces perpendiculars a una peça, fent que les partícules del material tendixquen a deslliçar les unes sobre les altres.
Al tallar amb unes tisores una planxa de cartró estem provocant este tipus d’esforços.
Flexió:
Un cos està sotmés a flexió quan actua sobre ell una força en sentit perpendicular al seu eix, que tendeix a curvar-la.
Quan se sotmet a flexió una barra, en una secció central de la peça podem
observar que la part de dalt tendix a comprimir-se, mentre que la part inferior tendix a allargar-se. Traduint a esforços, podem dir que la part superior treballa a compressió i la inferior a tracció, de manera que entre una i l’altra hi ha un punt que no està sotmés a cap d’aquests esforços, i a aquest punt l’anomenem punt neutre. Si comprovem aquest fenomen al llarg de tota la viga, tindrem una successió d’aquests punts que definixen la línia neutra i delimita les zones que treballen a tracció i compressió.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 3 -
Quan més ens allunyem d’un punt de la línia neutra, major resistència oferix la biga als esforços de flexió. Aquesta afirmació de segur que l’has pogut comprovar en alguna ocasió: un tauló recolzat de canto resistix millor la flexió que si el poses gitat, i açò és perquè quan el poses de canto, la distància desde la seua línia neutra a la part més allunyada d’ell és major quan està vertical que quan està gitat.
Un exemple de esforç de flexió el tenim a un estant d’una prestatgeria quan el carreguem de llibres.
Torsió:
Un cos està sotmés a torsió quan sobre ell actuen dos parells de forces contràries en sentit oposat, és a dir, que normalment les seues seccions tendeixen a prendre un moviment de rotació unes en sentit contrari de les altres.
Així, les forces de torsió són aquelles que fan que una peça tendixca a retorcer-se sobre el seu eix central.
Estan sotmesos a esforços de torsió els eixos, les maniveles i els cigüeñals.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 4 -
Vinclament:
Diguem que un cos està sotmés a vinclament, qual se’l sotmet a compressió sent la seua longitud molt gran i la seua secció transversal menuda. Este és el cas dels pilars.
Un exemple que podem observar fàcilment és que quan comprimim un pal prim, este es flexiona i es deforma, per la qual cosa si continuem aplicant esta força es trenca.
ACTIVITATS:
1. Definix què és un esforç de tracció, de compressió, de torsió, de flexió i de cisalla i posa un exemple de cadascun d’ells.
2. En els següents dibuixos s’han representat molts objectes quotidians, senyalant mitjançant nombres els elements en els quals es desitja conéixer el tipus d’esforç que previsiblement es produïx en ells. Segons vages identificant-los, ves completant la taula.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 5 -
Element Esforç
1
2
3
4 5
6
7
8
9 10
11
12
13
14 15
16
17
18
19 20
21
22
23
24
25
3. Digues quin tipus d’esforç suporten els següents elements :
les bieles d’una bicicleta
els radis de la roda d’una bicicleta
un metall quan es talla amb unes estenalles
la passarle.la d’un pont quan és carregada
un tornavís
4. Quina importància té el coneixement del concepte de linia neutra i on creus que s’utilitza per resoldre problemas constructius?.
5. Saps què és el formigó armat ?. Quina funció tenen les barres d’acer?.
6. Posa 5 materials que treballen bé quan suporten esforços de tracció, de compressió, de flexió, de cisalla i de torsió i raona la resposta.
7. Fes un treball sobre un material que trobes interessant. Cal indicar la forma de producció, quines utilitats té, i les seues possibles aplicacions tecnològiques.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 6 -
8. Quin tipus d’esforç han de suportar aquests elements ?
Una columna d’un pont
La reblada d’unes tisores
El pom d’una porta
Un caragol
La corda d’un xiquet que tira d’un joguet
Una biga en volada
Un penjador penjat de la
paret
El cable que subjecta una
llum
Els suports de la baca d’un cotxe
La sola d’una sabata
Un ganxo penjat del
sostre
El coll d’una botella amb tap de rosca
El tap de rosca d’un bolígraf
La corda que hi ha entre la
llanxa i l’esquiador
Un tauler per on passa un
carretó
Les bigues del sòl d’un
pont
El seient d’un tamboret
La punta d’un bolígraf
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 7 -
3. Estructures rígides:
Ací podeu observar alguns dibuixos d’estructures familiars.
Quina semblança observeu en elles?.
En la il.lustració, Anna ha notat una semblança important.
Andreu té raó. Una estructura entrecreuada fa rígida a una estructura.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 8 -
Quan s’apliquen forces a una estructura senzilla de quatre costats com la del dibuix, es pot deformar. Es diu que una estructura que es comporta així és no rígida o deformable.
Però si afegim una barra (o element) extra, s’evita que els angles A i B canvien el seu valor. Per tant, l’estructura ja no pot ser deformada, i es diu que és rígida.
Observeu que l’element adicional ha format triangles dins l’estructura. Açò s’anomena triangulació. Així afirmem que el triangle és l’estructura més rígida.
Per una altra part, una estructura armada pot tornar-se rígida per l’ús de cartabons d’unió. Un cartabó és simplement un element utilitzat per reforçar i engalzar les estructures. En les figures
anteriors s’han usat cartabons d’unió triangulars.
3.1. Estabilitat:
Es diu que una estructura és estable quan, al sotmetre-la a determinats esforços, no bolca.
Anna ha aplicat una força a la maqueta de la seua torre tirant d’ella amb un troç de fil. Quan s’elimine la força, la torre retrocedix a la seua posició original. Aquest és el comportament d’una estructura estable.
Però, quan s’aplica una força similar a l’estructura d’aquesta altra il.lustració, s’inclina i bolca. Aquest és el comportament d’una estructura inestable.
Per entendre millor l’estabilitat, explicarem el que és el centre de gravetat.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 9 -
3.2. Estabilitat i centre de gravetat
Si intenteu mantenir en equilibri un regle en el dit, com veieu a la il.lustració, el regle es balanceja i cau.
Açò és perquè l’atracció de la gravetat sobre el material a la dreta i a l’esquerra del vostre dit no és igual.
Si voleu mantenir el regle en equilibri, cal que trobeu el punt en el qual l’atracció de la gravetat que actua a la dreta i a l’esquerra del vostre dit siga igual.
Quan feu açò, haureu trobat el centre de gravetat.
Podeu obtenir el centre de gravetat de qualsevol figura fent el següent experiment:
Amb un cartró gros, recorteu la figura en la qual voleu trobar el centre de gravetat. Penja la figura i un fil de plomada d’un clau o d’una agulla gran. Després dibuixa una ratlla amb el llapis directament baix del fil de plomada.
Nota: Plomada és una peça de plom unida a un cordell per a assenyalar la vertical.
Ara penjeu la figura i la plomada des d’una posició distinta. Torneu a dibuixar una ratlla a llapis baix del fil de la plomada. On es creuen les dos ratlles està el centre de gravetat de la figura.
Podeu fer aquest experiment amb qualsevol figura.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 10 -
3.3. Estructures estables i inestables:
La posició del centre de gravetat d’una estructura té molt a veure amb la seua estabilitat.
Quan una estructura estable s’inclina, el seu centre de gravetat es desplaça. Açò és important perquè quan s’elimina la força basculant, la gravetat tira l’estructura cap arrere a la seua posició original.
Si la projecció (línia recta vertical que passa pel centre de gravetat) del centre de gravetat se n’ix de la zona de la base, la gravetat farà que l’estructura bolque.
En la figura següent podeu veure un cotxe 4x4 que va inclinant-se i com la projecció del seu c.d.g. va desplaçant-se fins caure fora de la seua base i bolca.
3.4. Algunes regles generals sobre estabilitat estructural:
Quan més baix estiga el centre de gravetat d’una estructura, més difícil és fer que bolque. Per tant, quan més baix estiga el centre de gravetat, més estable és l’estructura.
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 11 -
Es més difícil fer que una estructura amb una base ampla bolque. Així, quan més ampla siga la base, més estable és l’estructura.
4. Anàlisis estructural:
Quan esteu dissenyant una estructura pot ser no esteu segurs dels tipus de forces que actuen en cada barra.
Una estructura pot canviar de forma quan li s’aplica una força. En aquest cas, les barres poden estar estirades, comprimides, flectides, etc...
En una estructura senzilla és fàcil trobar quines classes de forces estan actuant.
En aquesta estructura, per exemple, la barra AB està sent estirada per la càrrega, i per tant experimenta una força de
tracció.
Açò ho podem comprovar, considerant que si AB es trencara, els punts xx es separarien. Açò sols podria ocorrer si la barra estigués baix tracció. Una barra baix tracció s’anomena enllaç.
Però, per exemple la barra CB està sent comprimida. Per tant, sofrix una força de compressió. Si es trencara pels punts xx es creuarien l’un amb l’altre. Açò només podria succeir si la barra estigués baix compressió. Una barra d’aquestes característiques s’anomena puntal.
Per tant, quan esteu dissenyant una estructura armada, podeu comprovar la tracció o compressió simplement fent-vos la següent pregunta: Què ocorreria a la barra si es trencara?, es separarien els dos extrems?. o es creuarien l’un amb l’altre?.
Si les barres estan sotmeses a tracció, les podem substituir per un cable (tensor), però si estan sotmeses a compressió, serà necessari emprar diferents tipus de perfils metàl.lics. N’hi ha de molts tipus: en forma de L, de T, rodons, …..
Departament de Tecnologia. ESTRUCTURES. 3er ESO
- 12 -
ACTIVITATS:
1. Per quina raó creus que s’utilitzen estructures resistents en forma triangular?. Raona la teua resposta.
2. De les següents estructures, quines són rígides i quines no ho són ?. En el cas que no ho siguen, digues com les podries fer rígides.
3. Què és el centre de gravetat d’un cos?. Indica algunes aplicacions del seu
coneixement.
4. Indica de les següents estructures, quin tipus d’esforç estan suportant cadascuna de les barres. Utilitza T per a tracció, C per a compressió i F per a flexió.
5. En l’estructura següent, indica quins esforços estan suportant cadascuna
de les barres I indica quines d’elles les podries substituir per un cable d’acer.
6. Dissenya una estructura triangular que puga servir de sostre en una nau
industrial, que siga original i a més fàcil de construir.
7. Fes una biografia sobre algun arquitecte o enginyer famós per les seues estructures, indicant quines han sigut les seues obres més famoses.
8. Busca informació sobre els distints tipus de perfil dels acers que s’empren en la fabricació d’estructures i dibuixa-los.
