Estructuras | ¿Cómo hacerlo?| Perfiles | Obtención de elementos constructivos| Vocabulario relacionado con el tema | Actividades

ESTRUCTURAS

En la unidad anterior referida a la cometa, se ha tenido la oportunidad de ver de una manera patente la utilidad práctica de las estructuras (soporte del cuerpo de la cometa) y de algún modo establecer de forma básica e intuitiva cuál es el desempeño de su función. De todo ello se deduce que las estructuras sirven para mantener formas predeterminadas y para soportar en posición objetos y elementos que han de realizar una serie de acciones concretas.

Con su montaje y diseño se lucha contra la fuerza de la gravedad, contra la presión del viento y ante otros tipos de fuerzas que actúan sobre ella, teniendo en cuenta que su capacidad de resistencia está en función de los materiales que se empleen en su construcción, de las formas que reciben estos materiales procesados en unidades constructivas y del diseño que adopte la propia estructura en su conjunto.

El catálogo de la relación de fuerzas que actúan en una estructura está constituido por aquellas que se ven relacionadas con fenómenos de tracción, de compresión, de cizallamiento, de torsión, centrífugas, de flexión. Estas fuerzas con sus acciones pueden originar alteraciones y cambios sustancias en la propia morfología de la estructura, produciendo distorsiones y originando situaciones de derrumbe. Todo ello tiene como consecuencia que en operaciones de diseño y construcción se tenga que realizar un minucioso estudio de las fuerzas que habrán de actuar en el montaje, para que de esa manera se pueda lograr su pervivencia y el correcto desempeño de su función.

La necesidad y la experimentación han llevado al diseño de diversos tipos de vigas con morfologías diferenciadas, en algunos casos estas vigas reciben el nombre de perfiles, existiendo para ellos una serie de condiciones de normalización. Con las diferentes formas que adoptan los perfiles se consigue que con igual cantidad de material se logre un sustancial incremento en la resistencia. Esta variedad en la forma de los perfiles se debe a la aplicación específica que se hace de ellos en relación con el esfuerzo que han de soportar.

¿CÓMO HACERLO?

Se describe un paisaje y se presenta una situación. A continuación se comentan que podríamos ser una tribu de hombres y mujeres prehistóricos que ocupamos un gran territorio y que este territorio está dividido por un rápido y caudaloso río, poblado de peligrosas criaturas que añaden nuevos motivos a la imposibilidad de vadearlo. Como quiera que nos alimentamos de los frutos que espontáneamente crecen en la porción de territorio que ocupamos y éstos paulatinamente se van acabando, hacen que la situación actual de la tribu esté al borde de la desesperación, sobretodo al contemplar que la otra margen del río está repleta de frutos de todo tipo y de pequeños animales fácilmente atrapables. El hambre y la desesperación hacen que la tribu recorra incesantemente el margen del río, tratando de lograr alguna forma que posibilite acceder a la margen opuesta.
La puesta en escena se realiza con dos tacos de madera que simbolizan los territorios y lógicamente el espacio entre ambos territorios es el río. Utilizando una regla de plástico o de cualquier otro material como base, cortamos una banda de cartulina que se ajusta al ancho de la regla utilizada para la operación de corte y teniendo esta banda la longitud que creamos conveniente; estas tiras de cartulina conforman las unidades constructivas básicas que se asimilan a perfiles laminares o en I (en i).

Retomamos la historia y nos volvemos a encontrar con la tribu que está recorriendo el margen del río. En ese momento, apoyando uno de los extremos del perfil laminar construido ( en i ) en uno de los tacos, hacemos que descanse el otro extremo del perfil en el otro taco. Se les dice que esa tira de cartulina o perfil que hemos colocado sobre los tacos es un árbol y que al caer ha unido ambas márgenes del río; con ello, ya tenemos el más primitivo de los puentes.

Tomamos una caja de pesas y vamos a tratar de demostrarles que ese puente natural no soluciona todos sus problemas, para ello tomamos una pesa de 1 gramo y la colocamos en el centro del perfil laminar (en i), el resultado es una acusada flexión del mismo (que en este caso se asimila al tronco de un árbol) y que según a la distancia en que se encuentren los soportes o pilares, hará que este perfil se descabalgue y termine cayendo al hipotético río. La solución vino dada por el supuesto cerebro del grupo, que dijo: ¡si un árbol no es suficiente, vamos a superponer dos!. Dicho y hecho, con dos perfiles laminares, uno sobre otro se volvió a montar la experiencia. Se repite la operación anterior, volvemos a colocar sobre los dos perfiles laminares superpuestos una pesa de un gramo y se observa que el invento puede funcionar, pero únicamente para los niños-as de la tribu (por su peso), no para los adultos. Como quiera que no tiene interés el estar superponiendo perfiles continuamente, la respuesta habrá de venir de articular o combinar dos perfiles de los más simples. De esa manera surgieron los perfiles en L (en ele) y los perfiles en T (en te), que tal y como se observa son distintas formas de combinar dos perfiles laminares.

PERFIL EN L

PERFIL EN T

Para asombro del alumnado, al someter a prueba a estos dos nuevos perfiles observamos un sorprendente aumento de su capacidad de resistencia, llegando a soportar el esfuerzo originado por pesas que en su conjunto sobrepasaban los 20 gramos. Nos cuidaremos de ir añadiendo las pesas poco a poco, tratando de teatralizar la operación, de forma que valoren el incremento de resistencia a la flexión que se experimenta en la configuración de estos perfiles.

PERFIL EN U

Se sigue progresando en la explicación, realizando nuevos montajes con tres perfiles laminares, lo que dará origen a perfiles en |_| (en u), perfiles en (doble t), perfiles en (en z); que como es lógico, también someteremos a prueba. Se puede completar la explicación con la preparación de una serie de perfiles prismáticos ( cuadrangulares, triangulares, ... ), una variable más viene originada por la serie de perfiles tubulares de diferentes diámetros .

PERFILES TUBULARES

PERFILES

Realizada esta experiencia, se invita al alumnado a desarrollar las actividades que se proponen en la parte superior.

Para la constatación de la resistencia de los perfiles construidos, se someten éstos a prueba; los resultados de la experiencia conviene que sean recogidos en algún tipo de plantilla diseñada al efecto, que se acomodará a las pretensiones del estudio a realizar y en ella serán debidamente registradas las observaciones e incidencias que surjan en el proceso de experimentación.

Los perfiles realizados en cartulina, también podrán ser realizados en papel, cartón, madera contrachapada, etc. Una vez construidos, también deberán ser sometidos a prueba, para verificar su resistencia ante los esfuerzos que habrán de soportar.

Precisamente uno de los elementos constructivos más versátiles, proviene del arrollamiento sobre sí mismo de una hoja de papel (hoja que podría ser reutilizada como material de construcción una vez perdida la vigencia de lo escrito en su superficie). En un principio, el alumnado suele ser bastante escéptico ante las posibilidades constructivas que pueda tener una simple hoja de papel; pero por medio de un sencillo montaje, demostraremos ante la clase lo equivocado de su opinión.

- Necesitaremos:

Hojas de papel tamaño folio o DIN A-4.

Un pegamento tipo barra o de cualquier otro tipo.

Hilobala.

Una tabla con un grosor cercano a 1 cm.

UNIDADES CONSTRUCTIVAS
DISPUESTAS PARA SER UTILIZADAS

En el orificio practicado en la tabla base introducimos uno de los extremos del canuto realizado con anterioridad y en el otro extremo anudamos cuatro trozos de hilobala a modo de tirantes, la función de estos tirantes será la de mantener la verticalidad del elemento de papel y así poder realizar la experimentación con el mismo. En este caso se va actuar sobre él con fuerzas de comprensión.

Para facilitarnos la labor, construimos un pequeño elemento auxiliar compuesto por un círculo recortado en madera de okumen y una porción del tubo de un bolígrafo o rotulador en desuso, algo similar a lo que se muestra en el dibujo.

La finalidad del elemento mencionado es el logro de una más amplia superficie de apoyo que permita colocar sobre ella las pesas que se han de emplear en la experimentación.

En la imagen inferior se nos muestra el canuto de papel alojado en la perforación practicada en la madera que hace la función de base. Se puede observar cómo en el extremo superior han sido anudados los cuatro trozos de hilobala que harán la función de tirantes.

 

FASES DEL MONTAJE
DE LA EXPERIENCIA

Con una grapadora realizamos el anclaje de los tirantes en la tabla base; pero, también podríamos valernos de cuatro pequeños clavos o chinchetas, que en definitiva harían la misma función.

Concluidos los montajes previos, se procede a ir colocando pesas y proseguir observando los efectos que sobre la unidad constructiva se van originando. Este tipo de experimento resulta sorprendente para el alumnado, ya que comprueban con asombro, como un simple folio es capaz de soportar esfuerzos superiores al kilo y medio.

Con interés y un poco de ingenio, podremos servirnos de una gran cantidad de materiales para hacer realidad las ideas que previamente hayamos representado en el papel. Tiene un interés especial el empleo de materiales de desecho:

Plásticos de envases, cajas, varillas, etc.
Restos o recortes de madera.
Diversos tipos de metales.
...
Y cómo no, materiales comerciales:

Varillas de madera de diferentes calibres.
Contrachapado.
Madera de okumen.
palillos y palos de helado.
...
Un ejemplo del empleo de materiales comerciales, de madera de okumen y varillas se aprecia en las siguientes fotografías.

Generalmente, cuando se explica el concepto de estructura, normalmente se suele dirigir la atención del alumnado hacia construcciones muy aparentes, con una gran presencia física ( puentes, torres de tendido eléctrico, antenas, grandes grúas, etc.) soslayando las estructuras internas o estructuras no tan visibles y que se encuentran en la inmensa mayoría de objetos que nos circundan.

Un ejercicio que trata de compensar de algún modo esa carencia, parte de la propuesta de trabajo, que tiene como objeto el desproveer (de forma figurada) de la carrocería o estructura externa a vehículos de todo tipo y tratar de adivinar cuáles son los principios constructivos o estructuras base que mantienen y conforman la apariencia externa de los mismos. Con ese sentir el alumnado ha realizado una serie de desarrollos que le han llevado a la comprensión de la función que realiza ese armazón interno (llamémosle estructura) como soporte del mantenimiento de las formas y como elemento sustentante de los diferentes órganos u operadores (motores, sistemas de dirección, amortiguación, cargas en general,...). Uno de los proyectos que se muestran es la materialización de la estructura interna de un móvil; como se aprecia, el desarrollo corresponde a un automóvil y en su resolución se ha empleado como material constructivo palillos de helado.

	Armazón Interno
Proyecto realizado con palos de helado

Como se aprecia en las imágenes, el grupo de trabajo está en vías de resolver favorablemente la propuesta.

Siguiendo en esta línea y utilizando papel DIN A-4; es decir, canutos de papel arrollados como material constructivo, se presenta a continuación la fase de desarrollo de un proyecto en el que el equipo trata de construir o reproducir la estructura interna de un avión.

Otro de los grupos, utilizando como material constructivo los arrollamientos de papel mostrados con anterioridad, ha diseñado y construido la estructura interna de un helicóptero. La imagen muestra el alto nivel alcanzado en la realización del proyecto.

Este rápido muestrario de ideas referidas al mundo de las estructuras, puede ser objeto de interesantes ampliaciones, que podrían recoger propuestas del mundo del diseño y carrozar (siempre utilizando materiales susceptibles de ser mecanizados con los limitados recursos del aula) los prototipos presentados o bien otros muchos que se les pudieran ocurrir a nuestros alumnos y alumnas. También se podría dotar a los mismos de diversos sistemas de propulsión, transmisión, dirección, control,...; logrando que propuestas que originariamente pretendían la materialización de algo estático, como puede ser un puente o una torre de conducción eléctrica, pueda derivar hacia algo más complejo en los que se organicen y armonicen diferentes tipos de operadores, tanto mecánicos como eléctricos y hasta electrónicos. De todo ello resultarán propuestas más ricas y aplicables a ambos ciclos de la E.S.O. según su grado de complejidad.

VOCABULARIO RELACIONADO CON EL TEMA

ESFUERZOS

TRACCIÓN: Tendencia al alargamiento o estiramiento que sufren los elementos constructivos sometidos a este tipo de esfuerzos.

COMPRESIÓN: Fuerzas que tienden al aplastamiento del soporte que las recibe.

TORSIÓN: Carga o fuerza que origina el retorcimiento del elemento que las soporta.

CIZALLAMIENTO: Desplazamiento de planos paralelos, estos planos permanecen paralelos pero varía la forma.

FLEXIÓN: Fuerzas que tienden a doblar o curvar una unidad constructiva o estructura.

SOPORTES

PERFILES: Elementos de hierro o acero laminado con secciones diferenciadas. Son elementos sujetos a una serie de medidas normalizadas.

PILARES: Elemento soportante o especie de columna.

VIGA: Elemento constructivo que soporta cargas transversalmente.

ACTIVIDADES

1ª. - Localiza imágenes referidas al mundo de las estructuras y selecciona tres de ellas en las que quede claramente diferenciado el tipo de material empleado en la construcción de las mismas.
Pégalas en tu cuaderno de trabajo y escribe junto a ellas comentarios u opiniones que hagan referencia a la idoneidad del material empleado en su construcción.

2ª. - Dibuja en tu cuaderno una estructura simple y señala sobre ella la ubicación de vigas y soportes.

3ª. - Dibuja tres desarrollos o estructuras en los que se empleen tirantes y tensores como elementos constructivos.

4ª. - Construye con unidades de papel arrollado una estructura en voladizo de 20 cm. de longitud y que sea capaz de soportar un esfuerzo de un kilo.

5ª. - Utilizando un máximo de siete hojas de papel DIN A-4; pon en práctica tus conocimientos sobre perfiles. Diseñando y construyendo una estructura que sea capaz de soportar sobre ella el peso de dos alicates.

6ª. - Diseña y construye una torre de 30 cm. de altura, utilizando papel como material constructivo, esta torre estará rematada por una plataforma en la que podremos apoyar un peso de dos kilos sin apreciar la más mínima deformación en sus unidades constructivas.

7ª. - Diseña y construye un sistema de rampas que temporice la caída de una canica, desde su caída libre hasta el suelo han de transcurrir siete segundos.

8ª. - Dibuja en tu cuaderno diversas situaciones en las que utilizarías escuadras triangulares o elementos de apuntalamiento para reforzar una estructura.

9ª. - Utilizando perfiles, construye un módulo (prismático, piramidal, ...). Realiza estructuras de diferentes tipos utilizando como base los módulos construidos.

10ª. - Elabora un cartel en el que se recoja una somera explicación textual referida a los esfuerzos que han de soportar las estructuras y complementa el texto con dibujos que hagan más comprensible la explicación.

11ª. - Describe y dibuja en tu cuaderno una estructura que se encuentre en tu entorno. Podría ser: un puente, una pasarela, una grúa de obra, antenas, torres de conducción eléctrica, etc. Fíjate cómo se articulan cada una de las unidades constructivas y construye con el material que consideres más oportuno, las partes más significativas de las mismas.