TEMA 1

TEMA 1: ESTRUCTURES I ESFORÇOS MECÀNICS

FORCES

Una força és una acció capaç de produir una deformació en un cos o modificar-ne l'estat de repòs o moviment.

Les forces no es poden veure, però sí que podem observar o notar-ne els efectes. Aquests efectes es produeixen per contacte entre dos cossos, tot i que també es poden originar a distància.

Fig 1.1. Persones aixecant una caixa

Fig 1.2. Vaixell de vela

Fig 1.3. Cascada d'aigua

Per indicar les forces, es fa servir el vector (representació geomètrica semblant a una fletxa).

  Longitud = valor de la força.

  Orientació = direcció amb què actúa.

  Punta = sentit.

Per mesurar les forces s'utilitza el dinamòmetre. Inventat per Isaac Newton, basa el seu funcionament en l'estirament d'una molla (com més gran és la força, més gran és l'allargament de la molla).

ESFORÇOS

L'esforç és la força a la qual és sotmes una peça en una secció determinada i que tendeix a deformar-la.

La resistència d'un objecte a un esforç depèn de quatre factors:

  1) Material.
  2) Dimensions.
  3) Forma.
  4) Tipus d'esforç*.

   *Podem distingir-ne 5 tipus: de tracció, de compressió, de flexió, de torsió i tallant.

ESFORÇ DE TRACCIÓ

Es produeix quan dues forces oposades (de sentit contrari) actuen sobre un cos i tendeixen a estirar-lo o a allargar-lo.

Fils, cables i cordes treballen a tracció. De lqa seva resistència en depenen: el material, la secció o gruix.

ESFOÇ DE COMPRESSIÓ

Es produeix quan un objecte se sotmet a l'acció de dues forces que actuen en sentits oposats, les quals tendeixen a aixafar-lo o escurçar-lo.

Per suportar be l'esforç de compressió cal que sigui rígid i, preferentment, ample i no gaire llarg.

Un objecte esvet, sotmès a un esforç de compressió, abans d'aixafar-se o trenar-se es pot doblegar; llavors diem que es vincla.

El vinclament és la deformació que sofreixen els cossos sotmesos a compressió quan són llargs i prims.

                                              

ESFORÇ DE FLEXIÓ

Es produeix quan les forces que actuen sobre una peça s'apliquen en el seu eix longitudinal i tendeixen a corbar-la.

ESFORÇ DE TORSIÓ

Consisteix en l'aplicació de dues forces en sentits oposats que tendeixen a girar o retorçar un cos.

ESFORÇ DE CISALLAMENT

Es produeix quan dues forces oposades són aplicades en la mateixa zona de l'objecte, intentant tallar-lo. Si les forces són prou grans i vencen la resistència que ofereix el material, el resultat és obvi: el tallem.

LES PROPIETATS MECÀNIQUES DELS MATERIALS

Una de les conseqüències de l'aplicació de forces a un cos és que aquest es pot deformar. El que succeeixi depèn del material, la forma i la intensitat de la força aplicada.
Les propietats mecàniques determinen el comportament dels materials quan estan sotmesos a forces.

RESISTÈNCIA

Anomenem resistència a la capacitat que té un material de suportar forces sense deformar-se excessivament ni trencar-se.

TENACITAT I FRAGILITAT

Tenacitat: propietat que tenen alguns materials de suportar forces i cops sense trencar-se.
Fragilitat: propietat contrària a la tencaitat.

ELASTICITAT

Propietat que tenen els materials de recuperar la seva forma original després d'haver estat deformats per un esforç.

DURESA

Propietat que indica la resistència que ofereix un material a ser ratllat, penetrat o tallat.

PLASTICITAT

Capacitat que té un material per adquirir deformacions permaments sense trencar-se.

Se'n deriven dues propietats més: ductilitat i mal·leabilitat.

Ductilitat: propietat d'alguns materials de deformar-se permanentmenten forma de fil prim sense trencar-se.

Mal·leabilitat: propietat d'alguns materials de defromar-se permanentment en forma de làmina molt fina sense trencar-se.

ESTRUCTURES

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.

Les estructures han de complir tres condicions bàsiques:

- Ser RESISTENTS.
- Ser RÍGIDES.
- Ser ESTABLES.

ELEMENTS DE LES ESTRUCTURES

1) Fonaments: és la part que està sota terra i que serveix de base.

2) Elements horitzontals: són les peces que serveixen per suportar càrregues i que estan sotmeses a esforços de flexió. Sole suportar esforços de cisallament.

3) Elements verticals: solen suportar esforços de compressió i esforços laterals de flexió.

4) Tirants: són cables o barres, sotmesos a esforços de tracció, que serveixen per aguantar l'estabilitat i la resistència de les estructures (ponts penjants, antenes de TV, suports de rètol, etc).

5) Arcs, voltes i cúpules: són elements arquitectónics que serveixen per cobrir espais i recintes.

6) Perfils: les grans estructures mecàniques es construeixen bàsicament amb perfils estructurats d'acer laminat en calent. Les més petites utilitzen sovint tubs estructurals. Cada cop són més freqüents les estructures metàl·liques fetes amb perfils i tubs d'alumini.

TIPUS D'ESTRUCTURES

Totes les estructures compleixen les mateixes funcions bàsiques. Es poden distingir diferents tipus:

A) ESTRUCTURES D'ARMADURA
Estan formades per un conjunt d'elements resistents, units entre si, que constitueixen l'esquelet de diversos tipus d'objectes o de construccions.

     - Estructures tramades: són formades per barres verticals i barres horitzontals que s'uneixen entre si de forma rígida per aconseguir formes tridimensionals.
     - Estructures triangulades: l'acer es podia treballar més fàcilment uint peces senzilles i formant triangles. El triangle és la forma geomètrica més simple que proporciona rigidesa, major resistència i resulta lleugera. Tres peces unides forant un triangle constitueixen una estructura rígida (encara que les unions no ho siguin). Ex: cobertes de naus, grues de onstrucció, torres d'alta tensió, etc.
     - Estructures penjants: són les que suporten el pes de la construcció per mitjà de cables o barres que van units a peces de suport. Ex: ponts, envelats, etc.

B) ESTRUCTURES LAMINARS O DE CARCASSA
Estan formades per làmines o plafons units qe solen envoltar l'objecte. Ex: Mòbil, ordinador, rentadora, etc.

C) ESTRUCTURES MASSIVES
Són estructures de dimensions molt grans que concentren gran quantitat de material. Ex: piràmides, embassaments, etc.

D) ALTRES TIPUS D'ESTRRUCTURES
Altres tipus d'estructures com les de voltes, les pneumàtiques i les geodèsiques.

DISSENY D'ESTRUCTURES

A l'hora de dissenyar una estructura Cal tenir en compte diversos factors:

- Materials: Les estructures se solen construir amb materials com l'acer, l'alumini, el formigó, la fusta o el plàstic. Caldrà considerar altres característiques dels materials, com ara la lleugeresa, el preu, la resistencia a l'oxidació, la dilatació o la disponibilitat.

- Forma: La forma de les peces i la seva disposició són factors clau a l'hora de dissenyar esttructures.

- Estabilitat: Una estructura no pot bolcar ni caure amb facilitat. Per això s'utilitzen diversos sistemes (tals com fixar al terra amb claus, cargols, fonaments, etc., incrementar la base, cables tensors...).