Les Estructures i les Forces: Guia de Tecnologia

Forces i Estructures: Conceptes Fonamentals

Forces: Tot allò capaç de deformar un objecte (efecte estàtic) o bé de modificar el seu estat (efecte dinàmic).

Estructura: Una estructura és un conjunt d’elements senzills disposats de tal manera que permetin suportar, sense trencar-se, altres parts del sistema o mecanisme.

Objectiu de les Estructures

Les estructures tenen la missió de suportar l’acció d’aquestes forces i de mantenir la seva forma.

• Estructures naturals: Aquelles existents a la natura (esquelet, troncs d'arbres).
• Estructures artificials: Són aquelles que construeix l’ésser humà (edificis, les piràmides, el xassís d’un automòbil).

Condicions que han de complir les estructures

Les estructures han de complir quatre condicions bàsiques:

1. Han de ser rígides: No s’han de deformar.
2. Han de ser estables: No han de bolcar.
3. Han de ser resistents: Han de ser capaces de suportar els esforços a què estan sotmeses.
4. Han de ser el més lleugeres possibles: S’estalvia material i també han de suportar menys pes.

Tipus d'Esforços Mecànics

• Tracció: Dues forces que tendeixen a allargar la longitud de l’objecte (elasticitat) en direcció contrària.
• Compressió: Dues forces que tendeixen a aixafar o reduir la longitud de l’objecte en la mateixa direcció.
• Flexió: Força que tendeix a corbar l’objecte. Actuen al mateix temps la compressió i la de tracció.
• Torsió: Força que tendeix a retorçar l’objecte.
• Cisalladura: Dues forces en direcció contrària que tendeixen a fer relliscar o tallar una part del cos sobre l’altra.

Tipus d’Estructures

Estructures d'armadura

Formades per barres resistents unides entre elles.

• Estructures triangulades: Normalment metàl·liques, formant triangles. Es caracteritzen per ser molt resistents i, a la vegada, molt lleugeres (torres elèctriques, antenes, grues, ponts metàl·lics).
• Estructures d’entramat: Formades per una malla de peces verticals i horitzontals. Normalment de formigó armat (construcció d'edificis, ponts).
• Estructures penjants: Suporten el pes de la construcció mitjançant cables o barres (els ponts penjants).

Estructures laminars o de carcassa

Làmines o plafons que envolten l'objecte (carrosseries de cotxe, carcassa d'una rentadora).

Disseny d'Estructures

En el disseny hem de tenir en compte tres qüestions bàsiques:

1. El material, les propietats mecàniques d’un material i, en especial, la resistència.
2. La forma de les peces i la seva disposició d’acord amb l’esforç que hagin de suportar.
3. L’estabilitat i els sistemes d’unió.

(Els materials més comuns són: acer, alumini, fusta, plàstic, formigó...)

Els Materials

Amb la Revolució Industrial del segle XIX es comença a substituir la pedra i la fusta per l’acer. La majoria d’estructures es construeixen amb perfils d’acer i formigó armat, que és una barreja de morter fet amb ciment, sorra, grava, aigua i varetes d’acer.

La Forma

La forma va en funció del tipus d’estructura que hem de construir i de les forces que ha de suportar. El triangle proporciona rigidesa i resistència, ja que és l’únic polígon que no es deforma quan actua sobre ell una força.

Les Unions

• Rígides: No permeten el moviment entre els elements.
• Articulades: Sí que permeten el moviment entre els diferents elements que estan connectats al mateix nus.

En el cas que els elements estructurals siguin metàl·lics:

• Soldadura: Consisteix a escalfar les dues peces que s’han d’unir i afegir un material de farciment entre elles. Quan el nus es refreda, queda una unió forta.
• Cargols: La unió mitjançant cargols no és permanent sinó desmuntable. Les dues peces s’uneixen amb un cargol i una femella.
• Reblons: És una unió permanent. El rebló està format per una tija i un cap. S’insereix la tija per un forat fet en les peces a unir i es deforma la cua (extrem oposat al cap).

Elements Estructurals Principals

• Columnes o pilars (compressió): Es tracta d'un element disposat en posició vertical, el qual ha de suportar el pes dels elements que hi reposen.
• Fonaments: És l'element sobre el qual reposa tota l'estructura; dona estabilitat.
• Tirants: Element sotmès a tracció. La seva funció és subjectar elements de les estructures, evitant que se separin.
• Bigues (flexió): Es tracta d'un element disposat en posició horitzontal.
• Perfils: El perfil és com s'anomena la secció d'una biga. N'existeixen de molts tipus diferents.

L’Arc

És l’element més simple i alhora més utilitzat des de fa més de 2000 anys gràcies als romans.