Ejercicios: Tipos de cargas y esfuerzos

Define con una frase cada uno de los cinco esfuerzos básicos (tracción, compresión, flexión, torsión y corte) y pon un ejemplo de un elemento cotidiano que trabaje principalmente a cada uno.

Explica la diferencia entre una carga fija (o permanente) y una carga variable (o accidental) en una estructura, y clasifica estas cargas sobre una pasarela peatonal: el peso del propio tablero, la gente que pasa, la nieve acumulada y la barandilla.

La figura muestra cinco elementos de una estructura sometidos a distintos esfuerzos; cuatro llevan su nombre y el quinto está tapado. Indica qué esfuerzo soporta el elemento marcado con el interrogante y razona tu respuesta a partir de cómo actúan las fuerzas.

Los pilares de un porche soportan el tejado. Indica qué esfuerzo dominante sufren, qué les ocurriría si el tejado se cargara de nieve y por qué el pilar central de un porche grande trabaja más que los de los extremos.

Nombra tres objetos cotidianos cuyo elemento principal trabaje a torsión en su uso normal y explica en cada uno dónde se aplica el par y qué sección resiste.

Explica qué es el pandeo: por qué una varilla larga y delgada se arquea lateralmente bajo compresión mucho antes de aplastarse, y qué dos características geométricas (longitud y forma de la sección) influyen más en la carga de pandeo.

Distingue entre carga puntual y carga distribuida con ejemplos sobre una viga: una persona de pie en su centro frente a una fila de libros apoyada en toda su longitud. ¿Cómo se representa cada una en los esquemas de cálculo?

Explica con tus palabras qué es el momento flector en una viga y por qué es máximo en el centro de una viga biapoyada cargada en el centro (y nulo en los apoyos). Relaciónalo con dónde se rompe una regla si la flexionas apoyándola en dos libros.

En una grúa torre de obra, identifica el esfuerzo dominante en cada elemento y justifícalo: el cable que sostiene la carga, el mástil vertical, el brazo horizontal en voladizo y los tirantes que unen el extremo del brazo con la parte alta del mástil.

Una estantería de garaje se combaba en el estante central pero no en los laterales. El dueño la «arregló» poniendo el estante central boca abajo. Explica, hablando de flexión y de flecha, qué esfuerzo sufría el estante, por qué se combaba siempre en el mismo sentido y valorar si el arreglo es una solución duradera o solo un parche.

Explica por qué las tijeras cortan (esfuerzo de corte), por qué un destornillador transmite torsión y por qué la cadena de una bicicleta trabaja a tracción. En cada caso, razona qué ocurriría si el elemento trabajara al esfuerzo contrario o al que no está previsto.

Compara una viga biapoyada con la misma viga en voladizo (empotrada en un extremo) bajo la misma carga en el centro o en el extremo libre: cuál se deforma más, dónde está el momento máximo en cada caso y por qué los balcones se calculan como voladizos.

Explica cómo trabaja un arco de piedra: en qué esfuerzo convierte las cargas verticales, por qué los materiales pétreos (que resisten mal la tracción) son adecuados para arcos y qué papel juegan los estribos laterales.

En un puente colgante, los cables principales y los tirantes verticales trabajan casi exclusivamente a tracción. Explica por qué conviene que los elementos principales trabajen a tracción (aprovechan toda la sección, no padecen pandeo) y qué elementos del puente sí trabajan a compresión (torres, tablero).

Analiza una mesa de comedor bajo distintas cargas: el tablero cuando alguien se sienta en el borde, las patas bajo carga centrada y cuando se arrastra la mesa cargada. Indica el esfuerzo dominante en cada elemento y dónde conviene reforzar.

Distingue entre carga estática y carga dinámica (de impacto o repetida): por qué un columpio que aguanta a una persona sentada quieta puede romperse si se deja caer sobre el asiento, y cómo lo tienen en cuenta los factores de seguridad en el cálculo.

Analiza el cuadro de una bicicleta durante una frenada fuerte con el freno delantero: el ciclista tiende a salir hacia delante y la horquilla recibe el peso de casi todo el conjunto. Describe qué esfuerzos aparecen en la horquilla, en el tubo diagonal y en la cadena, y explica por qué los cuadros usan tubos huecos en lugar de barras macizas del mismo peso.

Un mismo material resiste muy bien la compresión pero mal la tracción (como el hormigón). Explica cómo resuelve el hormigón armado este problema: dónde se colocan las barras de acero en una viga que se flexiona hacia abajo por el centro y por qué en esa posición concreta.

Diseña a nivel conceptual la estructura de un tendedero de pared abatible que debe soportar $20\ \text{kg}$ de ropa mojada: qué elementos trabajarán a tracción, a compresión y a flexión, qué forma les darías (cables, escuadras trianguladas, viguetas) y dónde colocarías refuerzos, justificando cada decisión.

Una estantería se fija a la pared con ménsulas triangulares ancladas con dos tornillos cada una, como se muestra en la figura. a) Identifica el esfuerzo que sufre cada elemento (brazo horizontal, tirante diagonal, tornillos superior e inferior). b) Razona por qué el tornillo superior es el más cargado (efecto palanca del voladizo). c) Propón dos mejoras para reducir su solicitación.

Los puntales metálicos de una obra se alquilan en varias longitudes. Explica por qué un puntal de $4\ \text{m}$ soporta mucha menos carga que uno de $2\ \text{m}$ de la misma sección (pandeo: la carga crítica decrece con el cuadrado de la longitud) y qué soluciones de obra permiten apuntalar forjados altos (punteras intermedias, arriostramientos, mayor diámetro).

Las botellas de plástico de agua tienen nervios y acanaladuras en lugar de paredes lisas. Analiza con conceptos de estructuras qué aportan esos nervios (momento de inercia de la sección, rigidez a flexión y a óvalo) con un mínimo de material, y compáralo con las chapa ondulada de los tejados.

Un vecino quiere colgar del techo de su garaje una polea para elevar bultos de hasta $100\ \text{kg}$. El techo es un forjado de viguetas. Analiza qué esfuerzos introducirá la polea, dónde conviene anclarla (junto a un apoyo de vigueta o a mitad de vano) y qué comprobaciones y refuerzos propondrías antes de autorizar el invento.

Explica qué es el coeficiente de seguridad de una estructura (cociente entre la resistencia y la solicitación de cálculo), por qué no se construye nunca con coeficiente $1$ (incertidumbre en cargas, materiales y ejecución) y razona con ejemplos por qué el coeficiente exigido es mayor en un teatro lleno de público que en una caseta de jardín.