Maquetería: estructuras (conceptos básicos)

Conceptos Estructurales básicos

Dentro del proceso de diseño de algún artefacto, construcción o incluso en el caso de la realización de una maqueta o prototipo la estructura juega un papel fundamental: sin ella no podríamos concebir un objeto funcional o darle orden a un trabajo en particular.

¿Qué es una estructura?

La estructura (del latín structura) se define como la disposición y orden de las partes dentro de un todo. Podemos tomar esta definición general y aplicarla a nuestra vida cotidiana, ya que podemos definir una estructura en sí como el modo de organización de una empresa, de un proyecto o institución. También podemos encontrar estructuras en la naturaleza como por ejemplo en la forma ramificada de un árbol, el esqueleto humano (el cual es una estructura interna y por ello no visible desde el exterior) o el cuerpo de un insecto que es una estructura de tipo externa o exoesqueleto.

Si miramos un puente por ejemplo, notaremos claramente su estructura o esqueleto ya que en este caso este es la esencia de todo el puente, puesto que este está diseñado para soportar los vehículos y/o personas que circulan a través de él, además claro del aspecto estético.

Para el caso del diseño o una construcción definiremos la estructura como la pieza o el conjunto de piezas o elementos pensados o diseñados para soportar una o más cargas y además mantener una forma determinada. Las piezas que la componen se conocen como elementos estructurales.

Función de las estructuras

Las estructuras tienen una finalidad o función determinada. En el caso de las estructuras naturales como por ejemplo el árbol o un insecto, la función primaria es protegerlos de los elementos adversos de la naturaleza como el viento o la humedad y en el caso del árbol, evitar que este se desplome. En el caso del insecto este esqueleto externo evita que su interior se desparrame y por ende el animal muera, o si es un coleóptero este esqueleto le da una resistencia extra a los ataques de depredadores.

En el caso de las estructuras artificiales estas tienen una finalidad determinada para la que ha sido primeramente pensada, diseñada y finalmente construida. Para comprender mejor esto, podemos enumerar las funciones de una estructura según la función y/o la necesidad que satisface:

• Soportar pesos y/o cargas: se engloban en este apartado aquellas estructuras cuyo fin principal es el de sostener su propio peso y cualquier otro elemento o fuerza como por ejemplo son los pilares, las vigas, estanterías, torres, las patas de una mesa, etc.

Torre Eiffel en París.

Mesa con cuatro patas que soportan el tablero.

Pilares que soportan la estructura de un edificio.

• Salvar distancias: su principal función es la de esquivar un objeto, permitir el paso por una zona peligrosa o difícil. En este caso tenemos a los puentes, las grúas, teleféricos, etc.

Puente que salva la distancia dada por el lecho del río.

Teleféricos que permiten salvar distancias de cerros.

Grúa puente.

• Proteger objetos cuando son almacenados o transportados, o a las personas para ciertos fines como por ejemplo las cajas de embalajes, los cartones de huevos, cascos, armaduras medievales, etc.

Armadura medieval.

Caja de huevos.

Cajas de cartón corrugado u ondulado.

• Para dar rigidez a un elemento: son aquellos en que lo que se pretende proteger es al propio objeto y no otro al que envuelve, por ejemplo en las puertas no macizas, el enrejado interior, los cartones corrugados, etc.

Reja interior para escalera.

Planchas de cartón corrugado.

• Otros usos.

Tipos de Estructuras

Se pueden realizar muchas clasificaciones de las estructuras atendiendo a diferentes parámetros. Entre estos tenemos:

a) En función de su origen:

• Naturales: son las estructuras propias del entorno natural como el esqueleto, el tronco de un árbol, los corales marinos, las estalagmitas y estalactitas, etc.

Esqueleto humano.

Coral marino.

Estalagmitas y estalactitas en una caverna.

• Artificiales: son todas aquellas estructuras que ha construido el hombre para diversos fines.

b) En función de su movilidad:

• Móviles: serían todas aquellas que se pueden desplazar o realizar movimiento ya que poseen un sistema de articulaciones. Ejemplos de esto son el esqueleto, un puente levadizo, una bisagra, una biela de locomotora, una rueda, la estructura que sustenta un coche de caballos, un motor de combustión interna, etc.

Puente de Londres, ejemplo de puente levadizo o basculante.

Bielas de una locomotora.

Coche de caballos tipo Victoria.

• Fijas: aquellas que por el contrario no pueden sufrir desplazamientos, o estos son mínimos. En este caso tenemos por ejemplo los pilares, torretas, vigas, puentes.

Tanque Abrams con su torreta giratoria.

Vigas y pilares en un paso sobre nivel.

c) En función de su utilidad o situación:

• Pilares: es una barra apoyada verticalmente, cuya función es la de soportar cargas o transferir el peso de otras partes de la estructura. Los principales esfuerzos que soporta son de compresión y pandeo. También se le denomina poste o columna. Los materiales de los que está construido pueden ser muy diversos, desde la madera al hormigón armado, pasando por el acero, ladrillos, mármol, etc. Los pilares suelen ser de forma geométrica regular (cuadrada, rectangular, octogonal, etc.) y las columnas suelen ser de sección circular.

• Vigas: es una pieza o barra horizontal, con una determinada forma en función del esfuerzo que soporta. El principal uso de la Viga es soportar los forjados o losas de las construcciones. Las vigas están sometidas a esfuerzos de flexión, y suele construirse en hormigón armado y acero.

• Muros: elementos verticales y continuos que tienen por función limitar la construcción y soportar los esfuerzos en toda su longitud, de forma que las cargas se reparten en toda su extensión. Los materiales de los que están construidos son muy variados: piedra, ladrillos, hormigón, metal, etc.

• Arco: Estructura consistente en una directriz de forma curva o redondeada que permite salvar distancias entre dos pilares o muros, y suelen trabajar a la compresión.

• Tirantes: es un elemento constructivo que está sometido principalmente a esfuerzos  de tracción. Otras denominaciones que recibe según las aplicaciones son: riostra, cable, tornapunta y tensor. Algunos materiales que se usan para fabricarlos son cuerdas, cables de acero, cadenas o listones de madera.

d) En función del material del que estén construidas:

• Madera.
• Metálicas.
• Hormigón.
• Piedra.
• Etc.

Esfuerzos a soportar por las estructuras

Para construir una estructura se necesita tanto un diseño adecuado como elementos que sean capaces de soportar las fuerzas, cargas y acciones a las que va a estar sometida ya que esta se enfrentará a los esfuerzos propios de la naturaleza (vientos, sismos, etc.) y además deberá resistir varios tipos de pesos: el peso propio el cual es el peso de la misma estructura, y el peso por sobrecarga de uso el cual es el peso de los usuarios u objetos que la utilizan, además de las fuerzas propias de la naturaleza ya descritas antes.

En relación a todo lo dicho podemos inferir que los tipos de esfuerzos que deben soportar los diferentes elementos de las estructuras son:

• Compresión: es una fuerza que hace que se aproximen las diferentes partículas de un material, tendiendo a producir acortamientos o aplastamientos. Cuando nos sentamos en una silla, sometemos a las patas a un esfuerzo de compresión, con lo que tiende a disminuir su altura.

Ejemplos de elementos sometidos a esta fuerza son: Las columnas de un edificio que soportan el peso del techo y de los pisos superiores, ya que estos elementos están sometidos a una fuerza que tiende a aplastarlos. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de compresión se llaman soportes o pilares. Otros ejemplos de elementos sometidos a la compresión son los pilares de una casa y las patas de una silla o una mesa.

• Tracción: es una fuerza que tiende a hacer que se separen o estiren entre sí las distintas partículas que componen una pieza, tendiendo a alargarla. Por ejemplo, cuando se cuelga de una cadena una lámpara, la cadena queda sometida a un esfuerzo de tracción, tendiendo a aumentar su longitud. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de tracción se llaman tensores o tirantes. Los cables de un puente colgante y el cable de una grúa son ejemplos de tensores.

• Flexión: Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que las fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de flexión se alargan, las inferiores se acortan, o viceversa. Al saltar en la tabla del trampolín de una piscina, la tabla se flexiona. También se flexiona un panel de una estantería cuando se carga de libros en su parte central o la barra donde se cuelgan las perchas en los armarios. Los elementos estructurales que soportan fuerzas de flexión se disponen horizontalmente y se llaman vigas o barras. El efecto de esta fuerza es mayor si la viga que soporta el esfuerzo es más larga. Así, cuanto más larga sea la viga, más fácil será que se curve. La distancia en vertical entre la línea de los apoyos y el punto de máxima deformación se denomina flecha. Esta es mayor cuanto más larga sea la viga.

• Torsión: Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje central. Están sometidos a esfuerzos de torsión los ejes, las manivelas y los cigüeñales. La fuerza de torsión actúa en elementos que pivotan o giran. El mejor ejemplo de este tipo de fuerza es la punta de un destornillador el cual puede deformarse debido a la aplicación de esta fuerza.

• Cizallamiento o cortadura: Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a la pieza, haciendo que las partículas del material tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Un buen ejemplo de este tipo de esfuerzo es el cortar con unas tijeras un papel, ya que con ello estamos provocando que las partículas tiendan a deslizarse sobre otras. Otro ejemplo son los puntos sobre los que apoyan las vigas, que también  están sometidos a cizallamiento.

• Pandeo: es una fuerza que tiende a actuar sobre elementos comprimidos esbeltos, los cuales tienden a deformarse de forma transversal al eje de compresión de estos.

Criterios base para el diseño de estructuras

En apariencia, para crear una estructura resistente tenemos que conocer y utilizar materiales que tengan propiedades de resistencia, y cuanto más resistentes sean estos es mejor para la estructura aunque dependerá de la función para la cual construyamos esta. Una barra de hierro hueca, cilíndrica o de sección cuadrada es un ejemplo de forma resistente que será más efectivo que el vidrio si queremos construir una edificación, pero en el caso de un mueble se puede construir con ambos materiales pues el peso que deberá soportar este mueble es menor que el edificio y un vidrio especialmente tratado nos servirá para ello. Si fabricamos los elementos estructurales con una forma determinada, conseguiremos que resistan mucho más.

La clave del éxito de las formas resistentes es simplemente “repartir la carga”. Si observamos edificaciones o mobiliario podemos descubrir formas resistentes que han sido utilizadas desde la antigüedad. En el caso de las mesas por ejemplo, tenemos una estructura base que consiste en sus tres o cuatro patas y la tabla. Las patas ayudan a sostener la mesa de horma horizontal y ayudan a repartir las cargas de compresión al suelo. En el caso de un edificio, la clave es repartirla mediante muros, pilares y machones.

En el siglo XIX, los arquitectos conseguían mejorar la resistencia de la estructura de una forma muy sencilla: suponiendo las vigas (todas o una parte) formando triángulos, ya que esta figura por definición geométrica es “indeformable”. Esta técnica se conoce como triangulación, la cual vemos aplicada en el domo de arriba.

Podemos encontrar ejemplos de estructuras trianguladas por todas partes. Se pueden encontrar en puentes de hierro, algunas estructuras modernas, etc. La técnica de triangulación permite ahorrar material además de aligerar el peso de la estructura.

Ejercicios propuestos

Construir en cartón corrugado un puente que cumpla con los siguientes requisitos:

• Salvar una distancia de 60 cms.
• Resistir el peso de una persona promedio.

El puente debe realizarse mediante el ensamble de piezas, sin pegado.

Solución: hay varias dependiendo de la correcta aplicación de los conceptos estructurales. La técnica del ensamble es la siguiente:

En base a las fuerzas estudiadas, podemos decir que la solución dependerá de la cantidad de material que coloquemos y, fundamentalmente, de la posición de las ondas del cartón corrugado: si las ondas son verticales, el material trabajara mejor que si estas son horizontales. Otro criterio que podemos utilizar es el grosor de la “viga” y la cuadratura que apliquemos al modelo, o también si agregamos doble material a la maqueta ya que este trabajará mejor que el simple cartón.

Aquí se muestra un resultado del ejercicio: