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Capítulo 1

Conceptos asociados a la verificación de estructuras

1. Introducción

Para poder verificar cualquier tipo de estructura, ya sea abierta o cerrada, o más concretamente en el caso que nos ocupa, las carrocerías de cualquier vehículo, debemos saber cuál es su comportamiento, es decir, cómo se mueven y cómo reaccionan ante circunstancias adversas. Para ello, necesitamos saber de qué manera actúan las distintas fuerzas y cómo afectan a nuestras estructuras.

Sabremos qué sistemas son los más utilizados para controlar las dimensiones de las estructuras, la información que nos suministran los fabricantes y cómo interpretarla. Además, combinaremos todas las opciones posibles para la obtención de los resultados más satisfactorios en nuestros trabajos.

Aprenderemos a diferenciar visualmente los distintos tipos de vehículos que existen en el mercado en función del tipo de carrocería.

Nos adentraremos en el interesante mundo de los crash tests, para informarnos de cómo funcionan y qué objetivos logramos cuando realizamos un crash test. Comprobaremos la gran importancia que tienen hoy en día para el concepto de seguridad en los vehículos.

Por último, analizaremos los tipos de daños que sufre una estructura en caso de impacto o colisión, ya que de ello dependerá que nos decantemos por una estrategia u otra en la futura reparación de esta.

2. Sistemas de fuerzas: composición y descomposición

Para comenzar, definiremos el concepto fuerza como:

“[...] una fuerza representa la acción de un cuerpo sobre otro, caracterizada por su punto de aplicación, su módulo, su dirección y sentido”.

Podemos dar otra definición:

“Una fuerza es toda acción o causa que modifica el estado de reposo o movimiento de los cuerpos, o que produce una deformación”.

Recuerde

La unidad de fuerza o newton (N) pertenece al sistema internacional de unidades (SI). Es independiente y se puede utilizar en la Tierra o en otro planeta. Otras unidades del SI son el kilogramo (kg), metro (m), segundo (s), etc.

Antes de pasar a definir qué es un sistema fuerzas, es interesante revisar una serie de principios que nos ayudarán a conocer mejor el comportamiento de los cuerpos; en nuestro caso concreto, ese cuerpo es la estructura de un vehículo. Estos principios son:

Principio de inercia: todo cuerpo seguirá en estado de reposo o de movimiento si las fuerzas aplicadas sobre él se equilibran entre sí, o bien, si no existe ninguna fuerza aplicada sobre él. Por tanto, a la tendencia de cualquier cuerpo a conservar su estado de reposo o movimiento se le denomina inercia.

Principio de aceleración: la aceleración que se produce en un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre él (F = m × a).

Principio de acción y reacción: cada vez que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo (acción), este responde o reacciona con otra fuerza (reacción), de igual dirección y magnitud, pero en sentido contrario.

Por tanto, definiremos sistema de fuerzas como “el conjunto de dos o más fuerzas que actúan sobre un mismo punto”. En un sistema de fuerzas, estas pueden tener distinto módulo, distinta dirección, distinto sentido, pero el punto de aplicación de todas las fuerzas del sistema será el mismo.

Actividades

Desarrolle un ejemplo sobre el principio de aceleración.

2.1. Composición de fuerzas

La composición de fuerzas es la suma de todas las fuerzas que actúan en un mismo punto.

Esta suma no cumple una regla matemática, es decir, 4N y 3N (siendo estas fuerzas perpendiculares entre sí), no suman 7N, porque la composición o suma de fuerzas se hace mediante la regla del paralelogramo y no mediante una suma matemática ordinaria.

La regla del paralelogramo es una ley empírica, es decir, que no se puede demostrar o deducir matemáticamente. Véase la figura ilustrativa:

A partir de este punto consideraremos a las fuerzas vectores, los cuales se define como expresiones matemáticas que poseen módulo, dirección y sentido y que se suman según la regla del paralelogramo. Por tanto, una fuerza la podemos representar gráficamente como un vector.

Importante

Los vectores se representan gráficamente mediante flechas.

En la suma o composición de fuerzas (vectores), se cumplen una serie de propiedades, como por ejemplo la propiedad conmutativa, -el orden de los factores no altera el producto-, es lo mismo sumar F1+ F2 que F2 + F1.

F1 + F2 = F2 + F1 Propiedad conmutativa de la suma

Además de la composición de fuerzas mediante la regla del paralelogramo, se puede deducir otro método alternativo: la regla del triángulo. Consiste en unir el extremo de una fuerza con el origen de la siguiente fuerza y unir, a continuación, el origen de la primera con el extremo de la segunda. Para verlo más claro, véase el dibujo ilustrativo:

Por tanto, se podrán sumar tres o más vectores, teniendo en cuenta la suma de los dos primeros F1 y F2 y sumando un tercer vector F3, al vector F1+ F2.

Análogamente, la suma de un cuarto vector se obtendrá sumando a los tres primeros vectores un cuarto vector.

Actividades

Resuelva la suma del sistema de fuerzas que aparece en el gráfico.

Sabía que...

La resta de dos vectores también es considerada como una composición de fuerzas. La diferencia es que en esta composición una de las fuerzas o vectores será negativo.

2.2. Descomposición de fuerzas

Tras comprobar cómo sumar o realizar una composición de fuerzas obteniendo una única fuerza, -la cual produce el mismo efecto sobre la partícula-, es preciso saber que se pueden obtener recíprocamente a partir de una única fuerza F que actúa sobre una partícula, dos o más fuerzas que, actuando simultáneamente sobre la partícula, causen el mismo efecto. A estas fuerzas se les llama componentes de la fuerza F. Y el proceso de descomposición de la fuerza F en ellas es conocido como descomposición de una fuerza en componentes.

Está claro que para cada fuerza existen infinidad de conjuntos de posibles componentes. Los dos casos que más nos interesan son los siguientes:

1. Conocemos una de las componentes (P). Para obtener la segunda componente aplicamos la regla del triángulo. Uniendo los extremos de la componente P y de la fuerza F, obtenemos la segunda componente del sistema de fuerzas, Q. El módulo, dirección y sentido de Q, se puede determinar gráficamente (escalado) o por trigonometría. Una vez halladas las dos componentes del sistema se aplican en el punto A.

2. Conocemos la recta soporte de cada componente. Aplicando la regla del paralelogramo y trazando rectas paralelas a dichas rectas soporte por el extremo de F, obtenemos gráficamente las componentes P y Q de la fuerza F.

Los demás casos se resuelven mediante la aplicación de la regla del paralelogramo o la del triángulo.

3. Resultante y momentos resultantes

Consideremos una partícula A, sobre la cual están actuando diversas fuerzas. Para poder sumarlas entre sí y obtener una resultante deben estar en un mismo plano, por lo tanto, se llamarán fuerzas coplanarias. Además, como estas fuerzas pasan por un mismo punto, las llamaremos fuerzas concurrentes.

3.1. Fuerzas concurrentes

Usando la regla del polígono, -una aplicación repetida de la regla del paralelogramo-, obtendremos la resultante de las fuerzas concurrentes anteriormente dadas, a la que llamaremos R.

Importante

El efecto que produce esta resultante sobre el punto A es idéntico al efecto de las fuerzas dadas.

Podemos definir la resultante de una fuerza como “una única fuerza que produce el mismo efecto sobre el cuerpo que el conjunto de fuerzas que actúan sobre él”.

Recuerde

Debemos recordar que el orden en el que se representan los vectores es indiferente, ya que se cumple la propiedad conmutativa.

Ahora vamos a considerar una fuerza F que está aplicada sobre un sólido rígido. Esta fuerza F actuará en un punto A del sólido rígido -dependiendo del punto de aplicación de la fuerza F sobre el sólido rígido, el efecto producido sobre este variará- y teniendo en cuenta que este punto A puede estar a una cierta distancia r (vector de posición de A) del punto de referencia O, podemos concluir que el momento resultante de una fuerza es la intensidad de la fuerza aplicada por la distancia existente entre la fuerza aplicada y el eje de rotación.

Debemos tener en cuenta que F y d forman un plano. Este plano es de vital importancia y el momento resultante Mo siempre será perpendicular a dicho plano.

En cuanto al sentido de dicho momento resultante Mo, este está definido por el sentido de giro que lleva d al ser paralelo a F -esta rotación se realiza en sentido antihorario y situándose un observador en el extremo de Mo-.

Nota

Si seguimos en sentido antihorario, el signo será positivo (+) y si lo hacemos en sentido horario, negativo (-).

Otra forma de definir Mo es a través de la regla de la mano derecha: cerrando la mano derecha y manteniéndola de forma que los dedos estén curvados hacia el sentido de rotación que F tiende a imprimir al sólido rígido alrededor de un eje fijo dirigido según la recta soporte de Mo, el sentido nos lo indicará el dedo pulgar.

Aplicación práctica

Estamos en un taller de camiones y necesitamos aflojar una tuerca. El jefe de taller le pide que le acerque una barra de tubo hueco de 1,5 m de longitud, porque simplemente con la llave inglesa no puede aflojar la tuerca. ¿Para qué usará una barra tan larga?

SOLUCIÓN

Es sencillo si recordamos el concepto de fuerza aplicada en un punto y su momento (Mo = d × F). Comprobaremos mediante la fórmula que a mayor distancia -barra más larga-, el momento aplicado será mayor, por tanto, el esfuerzo que debemos hacer para conseguir aflojar la tuerca será menor. A mayor momento, menor esfuerzo.

4. Representación gráfica: simbología y normalización

Ahora vamos a concretar la simbología que se utiliza para definir una fuerza y su normalización. Una fuerza viene definida por un vector definido por los siguientes elementos:

El punto de aplicación es el lugar del cuerpo donde se está aplicando la fuerza.

El módulo de una fuerza es el número de unidades en el cual está expresada la fuerza. La unidad de fuerza es el Newton (N).

La dirección de una fuerza viene definida por una recta soporte -recta infinita a lo largo de la cual actúa la fuerza y se representa por el ángulo que forma esta con un eje prefijado-.

Su sentido, debiendo indicarse este mediante una punta de flecha. Es importante marcar el sentido de una fuerza cuando la estamos definiendo.

Véase la figura ilustrativa:

Nota

Una fuerza se representa mediante un segmento (el módulo de la fuerza), usando una escala y una longitud.

Actividades

Utilizando un pa pel milimetrado podremos normalizar las fuerzas (darle magnitud mediante una escala), mediante el siguiente procedimiento:

Suma de fuerzas, utilizando la regla del paralelogramo.

Suma de 3 fuerzas.

Resta de 3 fuerzas.

Obtener la resultante de 3 fuerzas.

Calcular el momento producido por una fuerza en un punto de aplicación.

5. Técnicas de medición

En la actualidad, las tecnologías existentes para la medición y control de las medidas de la carrocería de un vehículo son muy rigurosas, con el fin de obtener un control exhaustivo de estas en caso de accidentes.

Las cotas de la carrocería están muy relacionadas con los distintos órganos del vehículo (dirección, suspensión, etc.), de ahí su importancia para el buen funcionamiento de todos.

Nota

Además, los dispositivos de seguridad instalados en los automóviles necesitan que la carrocería del vehículo esté en perfectas condiciones.

Se pueden agrupar en dos grupos:

Sistemas mecánicos: bancadas, sistemas de control positivos o de útiles, sistemas de medición universal.

Sistemas informatizados: sistemas de medición por láser, sistemas de medición acústicos, sistemas de brazo palpador.

5.1. Bancadas

Constituyen el sistema de medición y reparación de carrocerías más extendido.

Como hemos dicho, es también un sistema de reparación de estructuras mediante la aplicación de fuerzas sobre la estructura del vehículo. Nos centraremos ahora en la utilización de este sistema para el control de cotas de la carrocería.

La bancada está formada por:

Banco de trabajo o bastidor: es la parte sobre la que situamos la estructura o carrocería a controlar. Puede ser de dos tipos: fija (anclada al suelo) o móvil.

Sistema de anclaje: son los distintos útiles y accesorios necesarios para anclar la estructura a la bancada e impedir su movimiento.

Equipo de medida: son los útiles específicos de cada punto a controlar, los sistemas de medición universal y los sistemas de medida basados en los puntos simétricos de la carrocería.

Bancada

Actividades

En el mercado existen varios tipos de bancadas atendiendo a nuestras necesidades, ya sean de espacio o tipos de reparaciones. El alumno deberá buscar información relacionada, además de imágenes ilustrativas.

5.2. Sistemas de control positivo de útiles

Este tipo de sistema está cada día más en desuso, debido a su elevado coste de mano de obra y utillaje. Se basa en la utilización de unos calibres fijos que son exclusivos de cada punto a controlar y del modelo concreto de vehículo, de ahí que para cada vehículo se necesite una gran cantidad de calibres fijos.

Este sistema de medición es también conocido con el nombre de MZ o, más modernamente, como MZ+.

MZ+

5.3. Sistemas universales

También conocido como sistema de medición dimensional, se basa en medir directamente los puntos sobre la carrocería o medir por comparación.

Dimensional

Nota

Nos permite comprobar los puntos de cualquier carrocería.

5.4. Sistemas de medición láser

Este sistema de medición nos permite controlar las cotas de la plataforma y la parte superior de la carrocería de un vehículo.

Importante

Es un método muy versátil y por ello se puede utilizar en combinación con cualquiera de los equipos de reparación.

Se basa en una triangulación. Esta triangulación tiene lugar entre las tarjetas de medición y los dos emisores láser del explorador.

El equipo está formado por:

Explorador láser colocado en la parte inferior del vehículo. Dispone de dos luces giratorias que se proyectan sobre las tarjetas de medición situadas en los puntos a controlar. La incidencia del láser sobre estas tarjetas nos da un ángulo de reflexión y esta medida es enviada al ordenador que interpreta la información recibida.

Ordenador y software, que comanda el funcionamiento del equipo e interpreta la información recibida.

Tarjetas de medición. Están numeradas, suelen ser intercambiables entre sí -exceptuando puntos concretos de medición- y llevan códigos de barras únicos. Son reflectantes.