ESTRUCTURAS o porque las cosas no se caen Hugo Vázquez Aldao. 2ºB. D. Interiores. MATERIALES
J.E. Gordon
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PRIMERA PARTE. EL DIFICIL NACIMIENTO DE LA CIENCIA DE LA ELASTICIDAD. CAPÍTULO 2: Por qué las estructuras soporta n cargas o la elasticidad de los sólidos. CAPÍTULO 3: La invención de la tensión y la deformación unitaria. CAPÍTULO 4: Como proyectar con seguridad. CAPÍTULO 5: La energía de deformación y la mecánica de fractura.
SEGUNDA PARTE. ESTRUCTURAS A TRACCIÓN. CAPÍTULO 6: Estructuras a tracción y depósitos de presión. CAPÍTULO 7: Las uniones, los atados y la gente. CAPÍTULO 8: Los materiales blandos y las estructuras vivas.
TERCERA PARTE. ESTRUCTURAS COMPRIMIDAS Y FLECTADAS CAPÍTULO 9: Muros, arcos y presas. CAPÍTULO 10: Puentes. CAPÍTULO 11: Las ventajas de ser una viga. CAPÍTULO 12: Los misterios de la cortante y la torsión. CAPÍTULO 13: Las distintas formas de romper a compresión.
CUARTA PARTE. Y LA C ONSECUENCIA FUE… CAPÍTULO 14: La filosofía del proyecto. CAPÍTULO 15: Accidentes. CAPÍTULO 16: Eficacia y estética.
Lo que más me ha gustado de las explicaciones de Gordon, es que explica perfecta y sencillamente como funcionan los materiales. Gracias a los ejemplos que ha dado me ha permitido la visualización de todos estos materiales y las fuerzas que ejercen en ellos. En particular me ha sorprendido como se relaciona todo el libro con las fuerzas de la naturaleza, los vegetales y los animales como si fuesen estructuras, que de hecho lo son. 1
PRIMERA PARTE . El
difícil nacimiento de la ciencia de la elasticidad.
Robert Hooke se dio cuenta que, que, si un material o una estructura resiste una carga, carga, sólo puede hacerlo empujando contra ella con una fuerza igual y de sentido contrario. Esto está introducido en la tercera ley de Newton, que trata de acciones y reacciones que son iguales y opuestas. Hooke se dio cuenta de que no solo los solidos resisten el peso y otras cargas empujando contra ellas, sino que también: cualquier solido cambia su forma cuando se le aplica una fuerza mecánica; y que este cambio de forma se produce cuando el solido contrarresta la carga. Todos los materiales y estructuras se deforman cuando se les somete a una carga, esto indica que las estructuras trabajan. La teoría de la elasticidad trata de las relaciones entre fuerzas y desplazamientos en materiales y estructuras. Cuando aplicamos cargas normales en sustancias duras las deformaciones son muy pequeñas como para percibirlas a simple vista, para eso se necesitan aparatos especiales para medirlas. Hooke se dio cuenta de que cuando una estructura se deforma, los átomos del material del que esta hecho se alejan o se aprietan entre si. La mayoría de estos sólidos recobran su forma original cuando la carga que produce la deformación se retira, a este comportamiento se le llama ‘elasticidad’. Sin embargo, cierto número de sólidos no recobran completamente su forma y se mantienen deformados cuando se retira la carga. Esta clase de comportamiento se describe como ‘plasticidad’ ‘plasticidad’.
Si aplicamos los conceptos de la elasticidad un punto cualquiera dentro del material, obtenemos lo que conocemos como tensión y deformación unitaria. Estos conceptos fueron descritos por Austin Cauchy, el trabajo más importante importante de la historia de la elasticidad desde Hooke. Galileo estuvo a punto de descubrir el concepto de tensión. En sus ‘Dos Ciencias Nuevas’ enuncia que una barra que trabaja a tracción tiene una resistencia que es proporcional al área de su sección. Cauchy se dio cuenta de que este concepto de tensión puede usarse para predecir cuando se va a romper un material y para describir el estado en el que se encuentra cualquier punto dentro del solido de una forma más generalizada. Los conceptos de presión y tensión son muy fácilmente comparables; aunque sabemos que la presión actúa en tres direcciones dentro de un fluido o gas, mientras que la tensión dentro de un sólido es un tema de una dirección o de una dimensión. En cuanto a las unidades de tensión, la más común en Europa es el kg/cm 2. La tensión nos dice con qué intensidad los átomos de cualquier punto de un solido son apartados entre si, la deformación unitaria nos dice cuan lejos han sido apartados. Las deformaciones unitarias de las estructuras son normalmente muy pequeñas, por lo que se expresan en porcentajes. 2
Refiriéndonos a la relación entre la tensión y la deformación unitaria aparece el Módulo de Young, al que también se le denomina a veces como módulo de elasticidad. Cuando queremos ensayar un material fabricamos una ‘probeta’, que normalmente tienen un tronco recto sobre el
que se pueden hacer medidas, al que se añaden dos extremos más gruesos de forma que puedan ser fijados a la maquina de ensayos. Estas maquinas de ensayo son instrumentos mecánicos para aplicar una carga medible a tracción o compresión. La relación entre tensión y deformación unitaria del material viene dada por un grafico en el que se colocan en las ordenadas las tensiones y en abscisas las deformaciones unitarias. Cuando dibujamos este diagrama solemos obtener una línea recta. La pendiente de esta recta varia mucho dependiendo del material. Mide la rigidez o la resistencia a deformarse de un solido. En cuanto a la resistencia de una estructura, es la carga que rompería esa estructura. La resistencia de un material es la tensión que se necesita para romper una pieza de ese material. Se suele obtener rompiendo probetas en una maquina de ensayos. Se suele utilizar para predecir la resistencia de una estructura dependiendo de la resistencia de los materiales que la componen.
El gran logro de los matemáticos del siglo XIX fue encontrar métodos para calcular la distribución y la magnitud de las tensiones en casi todos los tipos estructurales, de una manera bastante amplia y generalizada. Los ingenieros británicos y americanos empezaron a calcular calcular la resistencia de estructuras importantes. Calculaban la tensión de tracción probablemente mas alta, y comprobaban que estas tensiones eran menores que la ‘tensión admisible a tracción’ oficial del material. Para estar
seguros, hacían que la tensión más alta que aparecía en los cálculos fuese mucho menor que la tensión del material obtenida. A esto se le denominó ‘coeficiente de seguridad’. Los ingenieros del s. XIX cuando aplicaban este coeficiente de seguridad grande a los cálculos de estructuras, éstas podían comportarse de manera bastante satisfactoria, aunque de hecho los accidentes continuaron ocurriendo con bastante frecuencia. Durante cerca de un siglo los teóricos de la elasticidad se habían contentado con trazar la distribución de tensiones en términos amplios. Fue C.E. Inglis, profesor de ingeniería en Cambridge el que demostró que esto solo solo da resultados reales cuando cuando el material y la estructura tienen superficies lisas y no tienen t ienen cambios bruscos de forma. Las irregularidades geométricas podían hacer crecer las tensiones locales de forma realmente dramática. En un material uniforme, sometido a una tensión uniforme, las trayectorias de tensiones son líneas rectas y paralelas, separadas entre si uniformemente. Si interrumpimos una serie de esas trayectorias de tensiones haciendo un corte, las fuerzas que pasan por esas trayectorias deben das la vuelta al corte, y al hacerlo esas trayectorias de tensiones se aprietan entre si. Inglis fue capaz de calcular el incremento de tensión que aparece en los extremos de un orificio elíptico, por lo que así se pueden aplicar a los ojos de buey, escotillas de barcos, grietas, rasgaduras y orificios de toda clase.
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Cuando las implicaciones de los cálculos de Inglis empezaron a ser conocidas, los ingenieros minimizaron la totalidad del problema invocando la ‘ductilidad’ de los metales que solían usar. En
muchos casos, la ductilidad del metal no elimina totalmente la concentración de tensiones, y las tensiones locales se mantienen con bastante frecuencia por encima del valor aceptado de ‘tensión de rotura’ del material. Aunque la visión de las cosas que nos da la elasticidad que
desarrollaron Hooke, Young, Navier y los matemáticos del s. XIX es bastante útil, no es suficiente para predecir el colapso de estructuras con certeza. El análisis de estructuras se debe de estudiar a partir del concepto de energía. La energía se define como la ‘capacidad de realizar el trabajo’, y este tiene las dimensiones de ‘fuerza multiplicada por distancia’. La energía no se crea ni se destruye, por lo tanto la cantidad total de
energía que existe antes y después de cualquier transacción física siempre es la misma. A este principio se llama de la ‘conservación de la energía’ . La energía se puede almacenar, pero cualquier material elástico que esté tensionado contiene energía de deformación, y no existe mucha diferencia en que las tensiones sean de tracción tr acción o de compresión. En general se puede ver como muchos m uchos de los problemas de ingeniería la naturaleza los soluciona por si misma. Gordon lo compara con ejemplos, como puede ser el caso de los amortiguadores de los coches y la energía que absorbe la suspensión comparados con la energía que almacenan los tendones de los animales, la cual es todavía mayor. Otra aplicación de la energía de deformación es la que se encuentra en armas como los arcos y las catapultas. La energía que puede transmitir una persona al arco, está limitada por las características del cuerpo humano. En el ejemplo de las catapultas, la energía de deformación se almacenaba en las cuerdas trenzadas de tendones, las cuales se alargan a tracción a medida que se aprietan entre sí al estirar la cuerda. En un arco o una catapulta, cuando se suelta la cuerda, parte de la energía almacenada se transmite directamente al proyectil como energía cinética. Mucha de la energía disponible se utiliza para acelerar los brazos del arco o catapulta donde se almacena energía potencial. Esto nos ha mostrado que el proceso de transferencia de energía tiene en teoría una eficacia del cien por cien, pues toda la energía de deformación que se había almacenado en el instrumento se ha transformado en energía cinética. A la capacidad de almacenar almacenar energía de deformación y deformarse deformarse elásticamente bajo una una carga sin romperse se le llama ‘resilencia’ y es una característica muy apreciable para una estructura. Se define como ‘la cantidad de energía de deformación que puede almacenar una estructura sin sufrir daños permanentes’. Para conseguir resilencia es conveniente utilizar piezas más cortas,
bloques de material blando o materiales con módulo de Young bajo, como las gomas acolchadas o los plásticos. La excelencia de las suspensiones de los esquiadores y los animales se debe al bajo modulo de elasticidad y a los grandes alargamientos que pueden realizar los tendones y otros tejidos. La mayoría de las estructuras tienen que ser un compromiso entre rigidez, resistencia y resilencia.
La energía a tracción y la causa de la rotura a tracción t racción. Para que un material se rompa a tracción es necesario que se propague una grieta a través de él. Todas las sustancias elásticas que soportan una carga contienen energía de deformación disponible para la fractura. La mecánica de fractura se ocupa de como, por que y donde se puede transformar la energía de deformación en energía de fractura. La fractura por tradición depende de: el precio en términos de energía que debe pagarse para producir una grieta nueva, la cantidad de energía de 4
deformación de la que se dispone para pagar este precio y el tamaño y la forma del pero hueco, grieta o defecto que tenga la estructura. La cantidad de energía que se necesita para romper la sección de cualquier material se le llama ductilidad. A. A. Griffith publicó, en 1920, un análisis de todo el problema de la fractura basándose basándose en la energía, no en fuerzas y tensiones. El principio de Griffith es que, mientras la necesidad de energía de la grieta crece con la longitud, la provisión de energía que el material da a la grieta crece con la longitud al cuadrado. Por lo tanto, la longitud de una grieta es inversamente proporcional a la ‘resilencia’, cuanto mayor es esta, mas corta es la grieta que puede permitirse. En lugar de complicarse la vida con coeficientes de seguridad ficticios, se puede intentar proyectar una estructura que admita una grita de una determinada longitud sin romperse.
SEGUNDA PARTE.
Estructuras a tracción
Aunque los músculos son instrumentos mas eficaces eficaces que cualquier maquina artificial para transformar la energía química en trabajo mecánico, no son muy fuertes. Por tanto, para producir o soportar cualquier tracción mecánica, los músculos m úsculos están fijados a los huesos por los tendones. El cual es varias veces mas fuerte que un musculo, y por tanto solo necesita una pequeña fracción de su sección transversal para soportar una tensión t ensión dada. La obtención tecnológica de depósitos de presión seguros es un log ro bastante moderno y pocas veces nos paramos a pensar como nos las arreglaríamos sin usar tuberías. Si empezamos a estudiar cualquier tipo de deposito a presión pr esión tenemos que trabajar con tensiones de tracción que actúan en una o dos direcciones a la vez. La piel de cualquier depósito a presión cumple dos funciones: contener un líquido siendo estanco al agua o al gas y soportar las tensiones producidas por la presión interna. La teoría de los depósitos a presión también se aplica a objetos diferentes de los contenedores cerrados, como membranas y tejidos abiertos que deben soportar la pr esión del flujo del viento o del agua. Es el caso de la vela de los l os barcos; los chinos consiguieron una vela con un aparejo como el de un junco chino tradicional, muy semejante a las alas de los murciélagos. También aparece el ejemplo de porque los pájaros tienen t ienen plumas, y es porque existen ventajas aerodinámicas y de tipo estructural, tanto para conseguir un vuelo rápido como para la frenada; además de la protección del cuerpo del pájaro de posibles arañazos o abrasiones.
El proyecto de una estructura depende mas de la rigidez que de la resistencia. El buen funcionamiento de las uniones entre las partes que componen una estructura ha sido históricamente el principal problema en la construcción de barcos y molinos. Durante las dos guerras mundiales las uniones en barcos y aviones fue un problema, pues rompían con mucha frecuencia. En cuanto a los distintos di stintos tipos de uniones hablaremos de las uniones roblonadas , que aunque estén pasadas de moda por el hecho de ser más pesadas y caras, son mas seguras y fáciles de inspeccionar. Si una grieta grande y sana empieza a propagarse puede ser parada en 5
el foso de una unión roblonada. Estas pueden deslizarse un poco y así distribuir la carga, evadiéndose de las consecuencias de las concentraciones de tensiones. En cuanto a las uniones soldadas, son más habituales hoy en día en estructuras metálicas, porque es mas barata y se consigue un cierto aumento de resistencia y un ahorro en peso. La unión soldada produce una barrera pequeña o nula a la propagación de las grietas, por la que tantas estructuras metálicas rompieron de forma catastrófica en estos últimos años. Los carros que se hacían en la antigüedad tenían ruedas muy ligeras y flexibles, normalmente de cuatro radiales. Debido al peso que aportaban, tenían que quitar las ruedas cada cierto tiempo, pues sufrían deformaciones. Este fenómeno es cono cido como ‘plastificación’ o ‘fluencia’.
La creación de una nueva superficie exige energía, la superficie contiene una tensión que es una fuerza real, la tensión en la superficie tira en contra de la fuerza de la gravedad. A esto se le llama ‘tensión superficial’. Aunque la tensión en un liquido es tan real como a la de cualquier solido, difiere de la de un solido elástico en tres importantes aspectos: 1. La tensión es constante sea cual sea la dilatación que se produzca en la superficie. 2. A diferencia de un sólido, la superficie de un líquido puede alargarse indefinidamente con deformación unitaria tan grande como se quiera, sin romperse. 3. La resistencia depende únicamente del contorno de la superficie. La tensión superficial es igual en un líquido espeso que en uno fino. Las gomas y las membranas animales poseen comportamientos elásticos y trabajos de fractura muy diferentes. Como ejemplo de estructuras vivas, Gordon habla del corazón y las arterias. El comportamiento elástico de las arterias cumple la misma f unción que los vasos de expansión que los ingenieros añaden a los circuitos de las bombas.
TERCERA PARTE.
ESTRUCTURAS COMPRIMIDAS Y FLECTADAS
Al hacer una estructura de más más de una pieza de material nos enfrentamos con el problema problema de impedir que se separe por las uniones. Nuestros antepasados antepasados evitaron en general las estructuras traccionadas, e intentaron usar construcciones a compresión. La forma más satisfactoria y más antigua de conseguirlo es con el uso de la fábrica. Para conseguir una compresión científica del comportamiento de la fábrica es necesario tratarla como un material elástico. El análisis de las estructuras de fábrica se basa en la elasticidad hookeana y en cuatro hipótesis: 1. Que las tensiones de compresión son tan bajas que el material no se romperá por aplastamiento. 2. Que, debido al uso de morteros, el engarce entre las juntas es tan bueno que los esfuerzos de compresión se transmiten a través de toda la superficie de la unión. 3. Que la f ricción entre las juntas es tan alta que no puede ocurrir ocurrir una rotura debida a que los bloques bloques de piedra se deslicen deslicen entre si. 4. Que las juntas son incapaces de proporcionar ninguna clase de resistencia a tracción. Por tanto, la función del mortero no es ‘pegar’ los ladrillos entre si, sino simplemente transmitir la carga de compresión mas fácilmente. 6
En 1802, Young da una serie de conferencias sobre el comportamiento elástico de varios tipos de estructuras, con muchas observaciones sobre el comportamiento de los muros y de los arcos. En un muro simétrico, la línea de previsiones pasa por el centro. Sin embargo un edificio debe soportar al menos alguna fuerza oblicua de cualquier tipo de construcción asimétrica. En este caso la línea de presiones pr esiones recorre un camino curvo, para solucionar eso lo qu e se hace es poner un peso mayor en la parte superior de ese muro. Y esa es la explicación de la aparición de los pináculos y las estatuas góticas de las catedrales. Al igual que los muros, las presas también se vienen abajo por por la falta de estabilidad. estabilidad. El empuje horizontal debido a la presión del agua embalsada es del mismo orden que el peso de la fábrica utilizada en su construcción. Por eso mismo no puede existir mucha diferencia en la posición de la línea de presiones cuando la presa este llena o vacía. Aunque el arco no es tan antiguo antiguo como la fábrica, es antiquísimo antiquísimo igualmente. Son piezas horizontales voladas escalonadamente escalonadamente a cada lado hasta que se unan en la clave. Formado por piezas trapezoidales llamadas dovelas. La función estructural de un arco e s transformar las cargas verticales que actúan hacia abajo, en cargas oblicuas que actúan en di rección de su trazado. Los arcos son extraordinariamente extraordinariamente estables y muy poco poco sensibles a los movimientos movimientos de las cimentaciones.
El objetivo de un puente es permitir cruzar a objetos pesados por encima de algún tipo de obstáculo o barranco, se pueden utilizar una gran variedad de principios estructurales. Tipos de puentes:
Puentes en arco: un sencillo arco de fabrica puede construirse hasta con una luz bastante por encima de los 60 metros. Cuando hacemos más tendida la forma de un arco, de forma que reducimos la altura en relación a la luz, la compresión entre las dovelas aumenta considerablemente. fr ágil. Es resistente a compresión y Puentes de fundición: el hierro fundido es un material muy frágil. débil a tracción. Una ventaja es que puede reducir enormemente el peso en comparación con la fábrica tradicional. Además, es mas barato fundir hierro en moldes que tallar la piedra. También había un ahorro de costos de mano de obra y transporte; pero sobre todo la reducción de peso en los arcos disminuía el valor de empuje que soportaban los contrafuertes y de esta forma permitía a los ingenieros construir arcos más tendidos sobre cimentaciones más baratas.
Puente en arco con tablero suspendido: si dividimos un arco en dos elementos paralelos separados podemos colgar el tablero de los dos arcos ar cos de una forma muy parecida a lo que se hace en los puentes colgantes, pero este sistema necesita una buena cimentación sólida. Puentes colgantes: Añadir a la posibilidad de colocar un tablero suspendido a nivel, la de disponer de cadenas de hierro colado a un precio razonable, hizo del puente colgante una propuesta atractiva. Hacer puentes colgantes de carreteras de gran longitud ha sido posible gracias a que disponemos de filamentos de acero de alta resistencia (material mas fuerte que el hierro colado). 7
A comienzos del s. XIX, con la llegada llegada del ferrocarril, se hizo necesaria necesaria la existencia de puentes ligeros, baratos, rígidos y capaces de cubrir grandes luces. Esto produjo el desarrollo de lo que se podría llamar ‘celosía en arco’. Esta se parece superficialmente superficialmente a un arco normal con el tablero tablero
suspendido, pero su forma de trabajar es diferente, porque no existen empujes horizontales en los cimientos, solo tienen que soportar una carga vertical hacia abajo debida al peso propio de la celosía.
Tener un techo solido encima de la l a cabeza es uno de los principales pr incipales requisitos de una existencia civilizada. Desde las cubiertas abovedadas romanas con necesidad de grandes y gruesos muros, pasando por los grandes ventanales góticos gracias a los contrafuertes llegamos a encontrar una forma mas sencilla y barata de construir cubiertas; gracias al uso de las ‘vigas’. En nuestros días se hacen habitualmente de hormigón armado o acero, aunque durante muchísimos años significaba una pieza estructural de madera maciza. El método mas adecuado de cubrir una gran luz utilizando piezas cortas de madera es unir estas piezas entre si, formando una estructura triangulada t riangulada llamada celosía. La forma más sencilla de armadura es la que tiene forma de ‘A’, fue desarrollada en la edad media. La barra horizontal
traccionada que cruza por debajo de la armadura es conocida como tirante. Si ese tirante se coloca muy arriba, los cordones inclinados de la cercha tienen tendencia a flexionarse y desplazarse hacia afuera bajo el peso de la cubierta. Las celosías también han sido utilizadas para la construcción de barcos. En general los constructores de barcos atenienses estaban familiarizados con los principios del comportamiento de las celosías, sin embargo, los arquitectos no captaron este concepto para utilizarlo en las cubiertas de los templos. Los barcos romanos más m ás grandes no pasaron nunca de tener un solo mástil, que soportaba una sola vela cuadrada. No fue hasta el renacimiento que el aparejo de los grandes barcos empezó a multiplicar su número de mástiles y velas. Todas las vigas hacen el mismo trabajo, tr abajo, sin embargo, las vigas en conjunto pueden dividirse en dos categorías: ‘voladizos’ y vigas ‘apoyadas’. Un voladizo es una viga en la que uno de sus extremos puede suponerse empotrado a algún soporte rígido. El otro extremo del voladizo se mantiene aunque se aplique una carga. Sin embargo, una viga apoyada es la que descansa libremente sobre dos soportes colocados en sus extremos. Las vigas trianguladas y las macizas se pueden usar indistintamente, el sistema tensional de una celosía no es muy diferente al de una viga maciza. Si hacemos una celosía de varios módulos el comportamiento general continúa siendo el mismo, podemos observar que todas las barras en diagonal soportan el mismo esfuerzo. Esto continua siendo cierto sea cual sea el número de módulos que tenga el voladizo y su longitud. Esto no es cierto para las fuerzas horizontales, ya que si hacemos un voladizo muy largo puede llegar a romper cerca de su apoyo.
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El vocabulario de la cortante.
Tensión de cortadura: mide la tendencia que tiene una parte de un cuerpo a deslizarse sobre la parte contigua. Es igual que la tensión de tracción y usa sus mismas unidades. Es una tracción combinada con una compresión actuando a 45º. Los cuerpos sólidos se rompen con mucha frecuencia a tracción cuando se le somete a una tensión de cortadura a 45º. Esto es lo que conduce a la estricción de los redondos r edondos y de las chapas metálicas cuando trabajan a tracción y es la base de la ductilidad de los metales. Deformación unitaria a cortante: en caso del cortante la deformación unitaria es un movimiento angular, se mide en grados o radianes. Módulo transversal o módulo de rigidez: Con tensiones pequeñas y moderadas, la mayoría de los cuerpos sólidos obedecen a la Ley de Hooke a cortante Los materiales isótropos son aquellos que poseen las mismas propiedades en cualquier dirección (es el caso de los metales). En contrario con los isótropos tenemos los materiales anisótropos, sus propiedades pueden tener direcciones diferentes (es el caso de la madera, la tela y casi todos los materiales biológicos.
Las distintas formas de romper a compresión que tienen las estructuras son bastante diferentes de las de rotura a tracción. Cuando introducimos tensiones de tracción en un cuerpo solido estamos intentando separar sus moléculas entre sí. A partir de un 20 por ciento de deformación unitaria a tracción, los enlaces químicos se debilitan y se pueden quedar deshechos. Cuando un numero suficiente de enlaces interatómicos se alargan más alla de su punto de rotura, el material rompe cortante a cortante. Cuando se comprime un cuerpo sólido, se presionan sus moléculas de forma que las acercamos entre si, y sin embargo, muchas de las estructuras que conocemos rompen con ‘compresión’. En las roturas de este tipo el material o la estructura encuentra una forma de evadir las excesivamente altas tensiones de compresión, moviéndose ‘por debajo’ de la
carga. Las barras y otras piezas a compresión, cuando son suficientemente cortas y gruesas rompen a compresión mediante el mecanismo del cortante en diagonal, o a veces con la formación de ondas locales en las fibras. Muchos tipos de estructuras a compresión contienen partes largas y delgadas que rompen de una forma totalmente distinta, rompen a compresión pandeando. Esta forma de rotura se llama ‘pandeo de Euler’. De hecho que un soporte pandee no quiere decir necesariamente que se rompa. Se deforma elásticamente para quitarse del camino de la carga, hasta que llega a su posición de equilibrio. Si no se supera el límite elástico del material durante el proceso de pandeo, el soporte no romperá y cuando se retire la carga el soporte simplemente volverá a ponerse recto recobrando su forma original. 9
El uso de los pilares de tubo está muy extendido para usos muy variados. Un tubo a compresión puede elegir entre dos formas de pandear. Puede pandear formando una pequeña onda produciendo una especie especie de arruga en la pared del tubo tubo (‘Pandeo Brazier’). La forma más
habitual de evitar este pandeo es adosarle piezas como los nervios y las costillas.
CUARTA PARTE. Y LA CONSECUENCIA FUE…
Si conocemos las dimensiones de una estructura dada y las propiedades de los materiales que la componen, podemos al menos predecir su resistencia y su deformabilidad. En cuanto al diseño de una estructura a tracción, el peso no es directamente proporcional a la longitud. En general se ahorra peso subdividiendo la carga en tres o más elementos a tracción t racción en lugar de soportarla con un solo elemento. La distribución de tensiones en las piezas puede contener fácilmente concentraciones de tensiones, a partir de las cuales se pueden propagar grietas. El precio y el costo de esas piezas dependen de la habilidad de su diseñador y del trabajo de fractura del material, el cual baja frecuentemente a medida que crece la resistencia a tracción. A Galileo se le ocurrió que mientras el peso peso de una estructura crece con el cubo de sus dimensiones, el área de la sección transversal tr ansversal crece sólo con el cuadrado, y por tanto las tensiones que sufre el material de estructuras con geometría similar deben crecer en proporción directa a sus dimensiones. Aunque el tamaño de las l as estructuras esté estrictamente limitado. Las ‘mayas espaciales’ espaciales’ son estructuras trianguladas por por le ensamblaje de barras a tracción tracción o a compresión; mientras que un ‘monocasco’ es una estructura laminar en la que la carga se soporta
mediante placas planas o curvas más o menos continuas. En cuanto a las estructuras hinchables, nos encontramos el neumático, el cual tiene la función de disipar y amortiguar la carga que actúa debajo de las ruedas de un vehículo. Las estructuras hinchables merecen probablemente ser desarrolladas para usos técnicos más de lo que lo han sido. El siglo XX será conocido como la ‘edad del acero y el hormigón’, ya que los arquitectos e
ingenieros están obsesionados con el uso de estos. Estés materiales necesitan energía para poder crearlos, esta energía mecánica se puede producir a t ravés del petróleo o por el sol, viento o aire. No solo los metales y el hormigón necesitan necesitan de una gran cantidad de de energía para poderlo fabricar. La madera es uno de los materiales más eficaces en el sentido estructural, ya que es mas ligera que una de hormigón o acero. Pero uno de los problemas que presentaba la madera en el pasado ha sido siempre que los arboles tardan mucho en crecer y la madera tarda mucho en secar. Investigaciones recientes han conseguido que sea posible secar piezas de longitud razonable de madera blanda en veinticuatro horas, a muy bajo costo. En la actualidad se han realizado importantes avances estructurales y energéticos.
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Gracias a la los conocimientos modernos y a los métodos de tratamiento, seria posible conseguir una vida prácticamente indefinida para casi todos los t ipos de maderas. En el caso de los metales, estos se corroen en servicio. El acero dulce moderno se oxida mucho mas que el hierro colado o fundido victoriano, la oxidación es un problema moderno. Esta es una razón para el uso de hormigón armado, ya que el acero introducido en el hormigón, no se oxida. Se podría usar acero inoxidable en algunas estructuras, pero es un m aterial caro y difícil de fabricar. Existen algunas razones para utilizar aleaciones de aluminio, sin embargo, a parte de un costo adicional, hay muchos casos en que la rigidez del aluminio no es adecuada. El mercado del aluminio ha aumentado bastante menos de lo que se esperaba, ya que se necesita más energía para fabricarlo que para hacer acero. Una de las causas mas insidiosa de la pérdida de resistencia en los materiales es la fatiga, es decir, el efecto acumulativo de las l as cargas oscilantes. El descubrimiento por los ingenieros del efecto de la fatiga se remonta muy poco después del inicio de la revolución industrial. Otras de las causas de más accidentes durante la revolución industrial han sido las calderas y l os depósitos a presión. Antes del sistema ferroviario, ferroviario, la mayoría del transporte de pasajeros pasajeros y mercancías se hacía mediante los barcos de vapor, los cuales no han sufrido muchos accidentes, pero todos ellos ocasionados por explosiones de calderas. Estas estaban hechas de hierro fundido o colado, pero como tenían un mal cuidado, se oxidaban hasta reventar. Los accidentes en ferrocarriles eran tan malos o peores que en los barcos de vapor. Otros grandes accidentes se han producido por culpa de malos cálculos de estructuras, tanto por abrir huecos en ellas como por sobrecargarlas. Cualquier estructura tiende a volverse más pesada debido a una situación de las cargas durante el proyecto, ya que se tiene tendencia a hacer el componente mucho más grueso y pesado de lo necesario. En todos los accidentes debemos distinguir ente dos niveles de causa. La causa técnica o mecánica inmediata o la causa humana subyacente. A menudo la ‘verdadera’ razón de un
accidente suele ser un error humano.
Sobre la eficacia y el funcionalismo. Los ingenieros han desarrollado una serie de conceptos útiles para estimular el realismo. Uno de ellos es la eficacia, una sencilla relación que nos indica un factor de una de las características del trabajo de una máquina. Sin embargo, el concepto de eficacia es tan útil y poderoso económicamente hablando, que existe el peligro de ser desbordado por el. En cuanto a la estética. El arte y la arquitectura moderna hace gran ostentación de su libertad frente a las convenciones convenciones y las formas f ormas tradicionales, lo que posiblemente sea la razón por la que se ha conseguido tan poco. Antiguamente las estructuras estructuras de los edificios eran adaptadas adaptadas a las características de los materiales a utilizar. Se llevaron a cabo las formas for mas constructivas adecuadas para liberar de las cargas que producían flexiones, es lo que se llamaba una arquitectura ‘estructuralmente funcional’. 11
