Continguts

 4 Estructures

 
Estructures i esforços mecànics

Fig.1.35 En edificis com la Sagrada Família, grues i bastides de construcció són exemples d’estructures.

Observa al teu voltant. T’has fixat que hi ha multitud d’aparells i objectes que tenen una estructura? Algunes d’aquestes han estat creades per la natura (anomenades estructures naturals): l’esquelet del cos humà, el tronc d’un arbre, la closca d’un animal, un rusc d’abelles, les formacions de pedra, etc.

En canvi, altres estructures, anomenades artificials, han estat dissenyades i construïdes per les persones per satisfer les seves necessitats: ponts, edificis, xassís d’un cotxe, mobles, carcasses d’electrodomèstics, etc.

Una estructura és un conjunt de peces o d’elements, units entre si, que serveixen de suport i d’esquelet d’alguna cosa amb la funció bàsica de suportar forces.

Tota estructura, per realitzar correctament la seva funció, ha de complir tres condicions:

  • Ser resistent, per suportar les càrregues a les quals està sotmesa.

  • Ser rígida, perquè no es deformi per l’acció d’esforços.

  • Ser estable, per no bolcar quan està sotmesa a forces externes.

A més, també convé que sigui tan lleugera com es pugui: pesarà menys, estalviarem material i serà més econòmica.

Sabies que…?

 Elements de les estructures

Els elements d’una estructura són les peces que hi confereixen resistència i suporten els diferents esforços que hi actuen.

Completa cada funció amb el concepte adient.

Recorda que una estructura és un conjunt de peces, unides entre si, que serveixen de suport d’alguna cosa amb la funció bàsica de suportar forces.

  són la part que hi ha sota terra i serveixen de suport
  suporten els esforços de compressió.
  són peces que suporten càrregues de flexió constantment.
  serveixen per augmentar l’estabilitat i són sotmesos a esforços de tracció.
Les grans estructures metàl·liques es construeixen bàsicament amb  

 4.1. Elements de les estructures

Els elements d’una estructura són les peces que li donen resistència i suporten els diferents esforços que hi actuen. Els més rellevants són: fonaments, columnesi pilars, bigues, tirantsi tensors, arcs, voltesi cúpules, i perfils.

Fig.1.36 Fonaments d’un edifici
Fig.1.36 Fonaments d’un edifici
Fig.1.37 Bigues, travessers i pilars de fusta
Fig.1.37 Bigues, travessers i pilars de fusta

 AFonaments

En algunes estructures, com ara els edificis, és la part que està sota terra i que serveix de base.

 BElements verticals: columnes, pilars, murs...

Aquests elements verticals de les estructures solen suportar esforços de compressió i, en ocasions, esforços laterals de flexió. Exemples: columnes, pilars, potes, murs de càrrega, murs de contenció, etc.

 C Elements horitzontals: bigues, travessers...

Són les peces, disposades en forma horitzontal (solen ser més llargues que no pas amples), que serveixen per suportar càrregues i que estan sotmeses a esforços de flexió. També solen suportar esforços de cisallament.

 DTirants

Són cables o barres, sotmesos a esforços de tracció, que serveixen per augmentar l’estabilitat i la resistència de les estructures. Els podem trobar als ponts penjants, les antenes de televisió, els suports de rètols, etc.

Fig.1.38 Pont subjectat amb cables o tirants.

 EArcs, voltes i cúpules

Són elements arquitectònics que mitjançant l’ús de formes corbades serveixen per cobrir espais i recintes.

Fig.1.39 Arcs (pont del Diable de Tarragona), voltes (monestir de Poblet) i cúpula (Museu Nacional d’Art de Catalunya a Barcelona)
Fig.1.39 Arcs (pont del Diable de Tarragona), voltes (monestir de Poblet) i cúpula (Museu Nacional d’Art de Catalunya a Barcelona)

 FPerfils

Fig.1.41 Tubs estructurals de diferent secció
Fig.1.41 Tubs estructurals de diferent secció

Les grans estructures metàl·liques es construeixen bàsicament amb perfils estructurals d’acer laminat en calent. Tanmateix, les més petites utilitzen sovint tubs estructurals (de secció rodona, quadrada o rectangular). No obstant això, cada cop són més freqüents les estructures metàl·liques fetes amb perfils i tubs d’alumini.

Fig.1.40 Perfils estructurals d’acer laminat en calent més usuals: perfil IPN o de doble T, perfil en U, perfil HEB, perfil angular i perfil en T
Fig.1.40 Perfils estructurals d’acer laminat en calent més usuals: perfil IPN o de doble T, perfil en U, perfil HEB, perfil angular i perfil en T

 Tipus d’estructures

Les estructures, segons la forma, els materials utilitzats i el sistema de construcció, es poden classificar en diferents tipus, com ara: laminar, massives... Volem saber si sou capaços d’identificar a quin grup pertany cadascuna d’aquestes estructures.

L’estructura laminar té forma de làmina. Les estructures massives són les que tenen més material amb relació al volum.
triangular
massiva
penjant
laminar
geodèsica

 Disseny d’estructures

Per fer el disseny i la construcció d’una estructura, s’han de tenir en compte una sèrie de factors, com ara: materials, forma... Ara demostrarem si hem entès com es dissenya una estructura.

Selecciona la resposta correcta:

Les estructures són estables quan no bolquen ni cauen. Per aconseguir-ho, cal fer-ne un bon disseny. L’estabilitat està relacionada amb el centre de gravetat, la superfície i la superfície de la base de suport.

Pel disseny d’una estructura s’ha de tenir en compte bàsicament:

Les estructures es solen construir amb materials com:

Quan pensem en el material hem de tenir en compte:

L’estabilitat de l’estructura s’aconsegueix:

Com podries assegurar-te que una porteria de futbol sala no bolqués?

 4.2. Tipus d’estructures

Totes les estructures compleixen les mateixes funcions bàsiques, però no totes són iguals. Hi ha una gran varietat d’estructures, tant pel que fa a la forma, als materials utilitzats i al sistema de construcció. Consegüentment, en podem distingir diferents tipus: estructures d’armadura, estructureslaminars, estructuresmassives i altres (de voltes, pneumàtiques, geodèsiques...).

Fig.1.42 Estructura del sostre de l’edifici del Museu de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya. És una de les millors obres arquitectòniques industrials modernistes de Catalunya.
Fig.1.42 Estructura del sostre de l’edifici del Museu de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya. És una de les millors obres arquitectòniques industrials modernistes de Catalunya.
Fig.1.43 Els moderns edificis d’habitatges i d’oficines són estructures tramades.
Fig.1.43 Els moderns edificis d’habitatges i d’oficines són estructures tramades.

 AEstructures d’armadura

Fig.1.44 Estructura metàl·lica d’armadura triangulada (torre d’alta tensió)
Fig.1.44 Estructura metàl·lica d’armadura triangulada (torre d’alta tensió)

Estan formades per un conjunt d’elements resistents, units o engalzats entre si, que constitueixen l’esquelet de diversos tipus d’objectes o de construccions. Les més usuals són les estructures metàl·liques i les de formigó.

Segons la disposició dels seus elements, aquest tipus d’estructures les podem classificar en: tramades, triangulades i penjants.

 Estructures tramades

Aquestes estructures són formades per barres verticals (columnes i pilars) i barres horitzontals (bigues) que s’uneixen entre si de forma rígida per aconseguir formes tridimensionals. Els materials més utilitzats en aquest tipus d’estructures són el formigó armat (que incorpora barres d’acer corrugat dins l’estructura de formigó), l’acer i en menor mesura la fusta. Són les estructures utilitzades en la construcció de cases i d’edificis.

 Estructures triangulades

El gran desenvolupament de les estructures metàl·liques va tenir lloc a partir de la Revolució Industrial del segle XIX. La pedra i la fusta van començar a ser substituïdes per l’acer, que es podia treballar més fàcilment unint peces senzilles i formant triangles, que és la forma geomètrica més simple que proporciona rigidesa, major resistència i resulta més lleugera.

Tres peces unides formant un triangle constitueixen una estructura rígida encara que les seves unions no ho siguin.

Gairebé totes les grans estructures metàl·liques són triangulades: cobertes de naus, grues de construcció, torres d’alta tensió, etc.

 Estructures penjants

Les estructures penjants són les que suporten el pes de la construcció per mitjà de cables o barres (anomenats tirants) que van units a peces de suport. Són utilitzades en ponts, envelats, etc.

Sabies que…?

 BEstructures laminars o carcassa

Estan formades per làmines o plafons units entre si que solen envoltar l’objecte, com per exemple el xassís d’un vehicle, el fuselatge d’un avió, un contenidor d’escombraries, un dipòsit, una llauna, un envàs de plàstic o les carcasses d’aparells (mòbil, ordinador, rentadora...).

Fig.1.45 Estructures laminars o de carcassa: xassís d’un cotxe, carcassa d’un telèfon mòbil i dipòsit de cereals
Fig.1.45 Estructures laminars o de carcassa: xassís d’un cotxe, carcassa d’un telèfon mòbil i dipòsit de cereals

 CEstructures massives

Són estructures molt pesants i massisses que concentren gran quantitat de material. Exemples: piràmides, embassaments, cimentacions, etc.

Fig.1.46 Piràmides, exemple d’estructura massiva

 DAltres tipus d’estructures

A més de les estructures estudiades fins ara, hi ha altres tipus d’estructures, com ara les de voltes, les pneumàtiques i les geodèsiques.

Fig.1.47 Estructura de voltes

 Solucions constructives amb estructures

Les estructures han permès resoldre problemes que han anat sorgint amb l’evolució humana. Ens han permès unir pobles, salvar desnivells, cobrir espais...

Identifica a quin tipus de solució constructiva pertanyen els objectes següents.

Marquesina, porxo i volada són elements constructius que cobreixen espais, però només pel que fa a la part superior.

 4.3. Disseny d’estructures

A l’hora de dissenyar i construir una estructura cal tenir en compte diversos factors, a fi que pugui suportar bé les forces i complir la funció a què està destinada sense trencar-se ni deformar-se en excés. Això implica triar adequadament els materials, la forma ( disposició dels seus elements) i l’ estabilitat.

Fig.1.48 El formigó armat és un material molt resistent format per formigó reforçat amb una armadura de barres d’acer. S’utilitza en grans construccions, com edificis i ponts.

 AMaterials

Les propietats mecàniques d’un material, i en especial la resistència, són determinants a l’hora d’escollir quin és el més adequat per a una estructura. És per això que les estructures se solen construir amb materials com l’acer, l’alumini, el formigó, la fusta o el plàstic, tots prou resistents.

A més, caldrà considerar altres característiques dels materials, com ara la lleugeresa, el preu, la resistència a l’oxidació, la dilatació o la disponibilitat.

Fig.1.49 Moltes carcasses utilitzen plàstics rígids i xapes d’acer i d’alumini.
Fig.1.50 Les estructures dels mobles solen fabricar-se de fusta o de tubs metàl·lics.

 BForma

La forma de les peces i la seva disposició, d’acord amb l’esforç que hagin de suportar, són factors clau a l’hora de dissenyar estructures. No és el mateix una estructura per a una grua de construcció que per a un cotxe. Cal, per tant, preveure la forma més adequada per a la seva funció.

Fig.1.51 Cadira amb una base prou ampla per assegurar-ne l’estabilitat.

 CEstabilitat

Fig.1.52 Tenda de campanya amb cables tensors per garantir l’estabilitat.
Fig.1.52 Tenda de campanya amb cables tensors per garantir l’estabilitat.

Una estructura ha de tenir estabilitat, és a dir, no pot bolcar ni caure amb facilitat. Pensa, per exemple, en una porteria de futbol sala, o en una cistella de bàsquet. És molt important assegurar que aquestes estructures no puguin bolcar mai, encara que algú s’hi pengi, perquè, si caiguessin, podrien causar danys molt greus a les persones.

Per garantir l’estabilitat d’una estructura s’utilitzen diversos sistemes:

  • Fixar l’estructura a terra per mitjà de claus, cargols, fonaments, etc.

  • Incrementar la massa de la base.

  • Augmentar la superfície de la base de suport.

  • Col·locar-hi tirants o cables tensors.

  • Abaixar el centre de gravetat.

 ACTIVITATS

19

Identifica tres estructures diferents del teu entorn proper o que hagis vist en alguna ocasió i explica la funció que fan.

20

Descriu les tres condicions fonamentals que ha de complir qualsevol estructura.

21

Quina és la forma geomètrica simple que proporciona rigidesa i una resistència més gran a una estructura d’armadura? Justifica la resposta.

22

Relaciona cada estructura de la llista amb el tipus al qual pertanyen (en alguns tipus d’estructures hi ha més d’un exemple).

ESTRUCTURES: cotxet de bebè - llauna de beguda - edifici escolar - grua de construcció - paperera - pont amb tirants - torre Eiffel - castell inflable - piràmide - aqüeducte romà - cúpula polièdrica

TIPUS: tramada - triangulada - penjant - laminar - massiva - de voltes - pneumàtica - geodèsica.

23

Quins tres factors essencials cal tenir en compte a l’hora de dissenyar una estructura?

24

Esbrina amb quins materials se solen construir les estructures següents i justifica la idoneïtat i els avantatges dels materials emprats.

escala plegable domèstica - cadira de l’aula - grua de construcció - carcassa d’un telèfon mòbil - quadre d’una bicicleta - estructura d’un edifici d’habitatges - prestatgeria de llibres - xassís d’un cotxe - envàs de detergent

25

Proposa una solució viable i efectiva per assegurar l’estabilitat dels objectes següents i evitar que puguin bolcar.

para-sol de la terrassa d’un restaurant - bicicleta - tenda de campanya - senyal de trànsit

26

Indaga quins tipus de perfils estructurals d’acer laminat s’utilitzen habitualment per a les bigues metàl·liques. I per a les torres d’alta tensió?

27

Observa i analitza l’estructura de la fig. 1.53.

Fig.1.53
Fig.1.53

  • Creus que és prou rígida? Justifica la teva resposta.

  • Quin sistema s’ha aplicat per dotar-la de major rigidesa?

  • Quins esforços suporten les barres CE, CB i BE?

  • Quins esforços suporten les barres AB i BD?

Activitats interactives

Activitats