ESFORÇOS I ESTRUCTURES.

1. Esforços.

1.1. Esforç i resistència.

Quan apliquem una força a un cos diem que aquest està sotmès o que suporta un esforç.

De la mateixa manera, quan un cos suporta bé un esforç sense trencar-se o deformar-se excessivament, diem que és resistent o que té resistència a un tipus d'esforç.

La resistència d'un cos a un esforç depèn bàsicament de tres factors:

•  del tipus de material

•  de la seva forma i dimensions

•  del tipus d'esforç a què està sotmès

 

1.2. Tipus d'esforços.

Observa les bicicletes i la seva estructura (quadre). Les dues són una mica especials, però “la pregunta és: quina és més resistent???”.

Oi que és la de la dreta? Això és perquè a l'hora de fer-ne el disseny, els fabricants han estudiat com aniran repartides les diferents forces.

Quan es construeix una estructura cal preveure quins tipus d'esforços haurà de resistir cadascuna de les parts. També cal tenir present que les tipus d'esforç dependrà de com s'apliqui la força.

Podem distingir 5 tipus d'esforços:

  • Esforç de tracció
  • Esforç de compressió
  • Esforç de flexió
  • Esforç de cisallament
  • Esforç de torsió

Els esforços fonamentals són: el de tracció i el de compressió els altres no deixen de ser una combinació més o menys complexa d'aquests dos, però tots depenen de la manera d'aplicar les forces.

   

1.2.1. Esforç
de tracció.

Diem que un cos està sotmès a un esforç de tracció quan està sotmès a dues forces oposades que tendeixen a allargar-lo.

Els cossos que han de ser sotmesos a tracció han de ser flexibles, però no han de ser gaire elàstics. Els fils, les cordes i els cables són elements resistents a la tracció.

A continuació podem veure alguns exemples de cossos sotmesos a un esforç de tracció.

   

1.2.2. Esforç de compressió.

Diem que un cos està sotmès a un esforç de compressió quan està sotmès a dues forces iguals i de sentit oposat, que tendeixen a escurçar-lo o aixafar-lo.

Aquí pots observar alguns exemples de cossos sotmesos a esforç de compressió

Per suportar bé l'esforç de compressió, el cos ha de ser rígid i no flexible. Pel que fa a la forma, per exemple, una columna que hagi de suportar un esforç de compressió ha de se ampla i no gaire alta. Si aquesta columna la construim llarga i prima, patirà vinclament.

 

Vinclament

El vinclament és una deformació d'un element llarg i estret que està sotmès a compressió i que, en lloc d'eixamplar-se, es deforma lateralment.

En les estructures metàl·liques hi ha moltes columnes verticals i per això té importància l'estudi del vinclament a l'hora de dissenyar estructures.

 
En aquests exemples es pot observar el vinclament que es produeix sobre qualsevol barra o columna quan, a causa de l'acció de forces de compressió, pateix una deformació en forma de curvatura o de flexió lateral.

 

1.2.3. Esforç de flexió.

 

L'esforç de flexió és una combinació dels esforços de compressió i de tracció. Mentre que les fibres superiors de la peça sotmesa a un esforç de flexió s'allarguen, les inferiors s'escurcen, o viceversa.

 

Quan una o més forces s'apliquen sobre l'eix longitudinal d'un cos i tendeixen a corbar-lo o doblegar-lo, diem que està sotmès a un esforç de flexió.

En saltar a la planxa del trampolí d'una piscina, aquesta es flexiona. També es flexiona un plafó d'una prestatgeria quan es carrega de llibres o la barra on es pengen els penjadors|perxes als armaris.

 

Com més curta és una barra i més gran és el seu cantell, la seva resistència a la flexió serà major.

 

Com més llarg és un cos i més petit el seu cantell, menys resistència té a la flexió.

Per qüestions de seguretat la curvatura d'una biga sotmesa a flexió no ha de sobrepassar un valor determinat.

Aquest valor té el nom de fletxa màxima i és la distància màxima que hi ha entre la biga sense flexionar i en produir-se la flexió

 

1.2.4. Esforç de torsió.

Les Forces de torsió són les que fan qeu una peça tingui tendència a girar respecte al seu eix central. Estan sotmesos a esforços de tracció: eixos, manetes, cigonyals.

És l'esforç que provoquen les forces que tendeixen a que un cos giri o es torci.

Per veure l'efecte posa el ratolí sobre el dibuix

 

 

Com més gruixut és el cos, més resistent és a la torsió.

 

 

 

1.2.5. Esforç de cisallament o tallant.

Es tracta de concentrar dues forces oposades en una mateixa part d'un material. Si les forces són prou grans i vencen la resistència que ofereix el material diem que ha estat sotmès a un esforç de cisallament o tallant

 

Resistència al cisallament

Observa un cargol per subjectar dues peces metàl·liques d'una estructura. Aquestes tendeixen a tallar el cargol com si fessin de tisores, es a dir, estan fent un esforç tallant o de cisallament. El cargol ha de tenir resistència al cisallament.

A quin esforç treballen els elements assenyalts amb els gomets de colors ?

Vídeo on es mostren els conceptes explicats anteriorment

 

EXERCICIS:

Identifica tots els esforços que puguis en la imatge.

 

2. Estructures.

2.1. Tipus d'estructures.

Quan volem construir per exemple un edifici, no ho podem fer utilitzant un sol element sinó que ho farem unint diferents elements entre ells, per formar una estructura.

Anomenem extructura a un conjunt d'elements units entre sí, i que tenen la funció de suportar forces sense trencar-se i sense quasi deformar-se.

 

Les estructures poden ser:

        • Naturals: Són estructures creades per la natura.

        • Artificials: Són estructures que han estat dissenyades i creades per l'home per tal de satisfer les seves necessitats en el procés tecnològic.
milenium bridge

Les funcions bàsiques d'una estructura són:

  • Suportar l'acció de forces exteriors i interiors.
  • Aguantar el propi pes i el de les càrregues que suporta.
  • Mantenir l aforma i l'estabilitat.

2.2. Disseny d'estructures.

A l'hora de dissenyar una estructura, aquesta haurà de tenir tres propietats bàsiques:

  • RESISTÈNCIA: Haurà de suportar les forces a què està sotmesa sense trencar-se.
  • RIGIDESA: Haurà de suportar les forces sense deformar-se.
  • ESTABILITAT: Haurà de mantenir l'equilibri sense caure.

Els factors més importants que es tenen en compte al dissenyar una estructura són: el material utilitzat i la forma.

Pel que fa al material, la característica més important és que sigui resistent, per tal de suportar esforços sense trencar-se o deformar-se. Normalment les estructures es construeixen amb acer, alumini, formigó, fusta, etc. altres propietats a estudiar del material són: si és lleuger, el seu preu, que no es rovetlli, la disponibilitat, etc.

A l'hora de dissenyar una estructura també s'ha de tenir present la funció que ha de realitzar, i a partir d'aquí decidir la seva forma. L'estructura s'haurà de dissenyar de forma que tingui estabilitat.

 

2.3. Elements estructurals.

  • Pilar o columna: és una barra en posició vertical, que té la funció de suportar la càrrega o pes d'altres parts de l'estructura. Suporta esforços de compressió, i quan el pilar és llarg i prim pot patir vinclament. El pilar sol tenir forma prismàtica i la columna sol tenir secció circular.
  • Biga o bigueta: Peça normalment de forma prismàtica, que es situa en posició horitzontal. Sol ser més llarga que ampla. Normalment està sotmesa a esforç de flexió. La vigueta forma part del forjat en les construccions.
viga
  • Forjat: Element que forma part de l'estructura horitzontal, està fomat per vigues, biguetes, revoltons ceràmics i capa de compressió. Té la funció de separar un pis de l'altre, o fer de sostre en en cas que no hi hagi pis al damunt.
  • Fonaments: és l'element encarregat de suportar i repartir cap al terra tot el pes de l'estructura, impedint que hi hagi moviments importants. Normalment pateix esforços de compressió. Està format per formigó armat, acer, etc.
  • Tirant: Element constructiu que està sotmès principalment a esforços de tracció. La seva funció és suportar bigues, columnes o altres elements de l'estructura per tal de fer-los consistents. El material que s'utilitza per fer-los és: cordes, cables d'acer, cadenes, llistons de fusta, etc
  • Arc: Element que s'utilitza molt en estructures per donar solidesa i salvar distàncies.

2.4. Estructures metàl·liques.

A partir de la revolució industrial del segle XIX va tenir lloc el desenvolupament de les estructures metàl·liques. Les estructures metàl·liques van substituir a la pedra i la fusta, ja que eren més lleugeres i també erenn resistents.

Les estructures metàl·liques estan formades per diferents peces, que s'uneixen entre sí formant triangles. La forma trianagular és la forma més simple que proporciona rigidesa i més resistència a l'estructrua.

ESTRUCTURES ARTICULADES
ESTRUCTURES RÍGIDES

Gairebé totes les estructures metàl·liques com ara ponts, torres d'alta tensió, cobertes de naus, grues, etc, adopten la forma trianagular.

Les unions de les diferents peces que formen l'estructura poden ser:

                • Rígides: unions que no permeten el moviment dels elements que s'ha unit.
                • Articulades: unions que si pemeten el moviment dels elements que s'han unit.

El elements que formen part de l'estructura s'anomenen barres, i el punt on s'uneixen diferents barres s'anomena nus.

 

Avantatges i inconvenients de les estructures metàl·liques:

Avantatges:

  • Són estructures molt resistents i molt lleugeres.

Invonvenients:

  • La conservació de les estructures metèl·liques ja que es rovellen ab molta facilitat, i cal pintar-les sovint.
  • En cas d'incendi l'acer es deforma molt degut a la calor i pot arribar a caure l'estructura.