Un voladizo es un elemento estructural rígido que se extiende horizontalmente y no tiene soporte en un extremo. Normalmente se extiende desde una superficie vertical plana, como una pared, a la que debe estar firmemente sujeto. Al igual que otros elementos estructurales, un voladizo puede formarse como una viga , placa, cercha o losa .
Cuando se somete a una carga estructural en su extremo lejano y no soportado, el voladizo lleva la carga al soporte donde aplica un esfuerzo cortante y un momento flector . [1]
La construcción en voladizo permite estructuras colgantes sin soporte adicional.
Los voladizos se encuentran ampliamente en la construcción, especialmente en puentes y balcones voladizos (ver ménsula ). En los puentes voladizos, los voladizos generalmente se construyen en pares, y cada voladizo se utiliza para soportar un extremo de una sección central. El puente Forth en Escocia es un ejemplo de puente de armadura en voladizo . Un voladizo en un edificio tradicionalmente con estructura de madera se llama embarcadero o cámara de carga . En el sur de los Estados Unidos, un tipo de granero histórico es el granero en voladizo de construcción de troncos .
Los voladizos temporales se utilizan a menudo en la construcción. La estructura parcialmente construida crea un voladizo, pero la estructura completada no actúa como tal. Esto es muy útil cuando no se pueden utilizar soportes temporales o cimbras para sostener la estructura mientras se construye (por ejemplo, sobre una carretera o río muy transitado, o en un valle profundo). Por lo tanto, algunos puentes de arco de armadura (ver Puente Navajo ) se construyen desde cada lado como voladizos hasta que los tramos se alcanzan entre sí y luego se separan para tensionarlos en compresión antes de unirse finalmente. Casi todos los puentes atirantados se construyen mediante voladizos, ya que ésta es una de sus principales ventajas. Muchos puentes con vigas cajón se construyen segmentariamente o en piezas cortas. Este tipo de construcción se presta bien a la construcción en voladizo equilibrado donde el puente se construye en ambas direcciones a partir de un único soporte.
Estas estructuras dependen en gran medida del torque y el equilibrio rotacional para su estabilidad.
En una aplicación arquitectónica, Fallingwater de Frank Lloyd Wright utilizó voladizos para proyectar grandes balcones. La tribuna este del estadio Elland Road de Leeds era, cuando se completó, la tribuna voladiza más grande del mundo [2] con capacidad para 17.000 espectadores. El techo construido sobre las gradas en Old Trafford utiliza un voladizo para que ningún soporte bloquee las vistas del campo. El antiguo (ahora demolido) Estadio de Miami tenía un techo similar sobre el área de espectadores. El techo voladizo más grande de Europa se encuentra en St James' Park en Newcastle-Upon-Tyne , el estadio del Newcastle United FC [3] [4]
Ejemplos menos obvios de voladizos son las torres de radio independientes (verticales) sin tirantes y las chimeneas , que resisten ser derribadas por el viento mediante la acción del voladizo en su base.
El voladizo se utiliza habitualmente en las alas de los aviones de ala fija . Los primeros aviones tenían estructuras ligeras reforzadas con alambres y puntales . Sin embargo, estos introdujeron resistencia aerodinámica que limitó el rendimiento. Si bien es más pesado, el voladizo evita este problema y permite que el avión vuele más rápido.
Hugo Junkers fue pionero en el ala voladiza en 1915. Sólo una docena de años después de los vuelos iniciales de los hermanos Wright , Junkers se esforzó por eliminar prácticamente todos los principales miembros de refuerzo externos para disminuir la resistencia del fuselaje en vuelo. El resultado de este esfuerzo fue el pionero monoplano totalmente metálico Junkers J 1 de finales de 1915, diseñado desde el principio con paneles de alas voladizos totalmente metálicos. Aproximadamente un año después del éxito inicial del Junkers J 1, Reinhold Platz de Fokker también logró el éxito con un sesquiplano de alas voladizas construido con materiales de madera, el Fokker V.1 .
En el ala voladiza, una o más vigas fuertes, llamadas largueros , corren a lo largo de la envergadura del ala. El extremo fijado rígidamente al fuselaje central se conoce como raíz y el otro extremo como punta. En vuelo, las alas generan sustentación y los largueros transportan esta carga hasta el fuselaje.
Para resistir el esfuerzo cortante horizontal debido al arrastre o al empuje del motor, el ala también debe formar un voladizo rígido en el plano horizontal. Un diseño de un solo larguero generalmente estará equipado con un segundo mástil de arrastre más pequeño cerca del borde de fuga , apuntalado al larguero principal mediante miembros internos adicionales o un revestimiento tensado. El ala también debe resistir las fuerzas de torsión, logradas mediante refuerzos transversales o rigidizando de otro modo la estructura principal.
Las alas en voladizo requieren largueros mucho más fuertes y pesados que los que se necesitarían en un diseño reforzado con alambre. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, la resistencia del refuerzo aumenta bruscamente, mientras que la estructura del ala debe reforzarse, normalmente aumentando la resistencia de los largueros y el espesor del revestimiento. A velocidades de alrededor de 200 millas por hora (320 km/h), la resistencia del refuerzo se vuelve excesiva y el ala es lo suficientemente fuerte como para convertirse en voladizo sin penalización por exceso de peso. Los aumentos en la potencia del motor a finales de la década de 1920 y principios de la de 1930 aumentaron las velocidades en esta zona y, a finales de la década de 1930, las alas en voladizo habían reemplazado casi por completo a las reforzadas. [5] Otros cambios, como cabinas cerradas, tren de aterrizaje retráctil, aletas de aterrizaje y construcción de revestimiento reforzado, impulsaron la revolución del diseño, siendo ampliamente reconocido que el momento crucial fue la carrera aérea MacRobertson Inglaterra-Australia de 1934, que ganó De Havilland. Cometa DH.88 . [6]
Actualmente, las alas voladizas son casi universales y los refuerzos solo se utilizan en algunos aviones más lentos en los que se prioriza un peso más ligero sobre la velocidad, como en la clase ultraligera .
Las vigas en voladizo son las estructuras más ubicuas en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Un ejemplo temprano de un voladizo MEMS es el Resonistor, [7] [8] un resonador monolítico electromecánico. Los voladizos MEMS se fabrican comúnmente a partir de silicio (Si), nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) o polímeros . El proceso de fabricación normalmente implica socavar la estructura en voladizo para liberarla , a menudo con una técnica de grabado anisotrópico húmedo o seco . Sin transductores cantilever, la microscopía de fuerza atómica no sería posible. Un gran número de grupos de investigación están intentando desarrollar conjuntos en voladizo como biosensores para aplicaciones de diagnóstico médico. Los voladizos MEMS también están encontrando aplicación como filtros y resonadores de radiofrecuencia . Los voladizos MEMS se fabrican comúnmente como unimorfos o bimorfos .
Dos ecuaciones son clave para comprender el comportamiento de los voladizos MEMS. La primera es la fórmula de Stoney , que relaciona la deflexión del extremo del voladizo δ con la tensión aplicada σ:
donde es la relación de Poisson , es el módulo de Young , es la longitud de la viga y es el espesor del voladizo. Se han desarrollado métodos ópticos y capacitivos muy sensibles para medir cambios en la deflexión estática de haces en voladizo utilizados en sensores acoplados en CC.
La segunda es la fórmula que relaciona la constante del resorte del voladizo con las dimensiones del voladizo y las constantes del material:
donde es la fuerza y es el ancho del voladizo. La constante del resorte está relacionada con la frecuencia de resonancia del voladizo mediante la fórmula habitual del oscilador armónico . Un cambio en la fuerza aplicada a un voladizo puede cambiar la frecuencia de resonancia. El cambio de frecuencia se puede medir con una precisión exquisita utilizando técnicas heterodinas y es la base de los sensores cantilever acoplados en CA.
La principal ventaja de los voladizos MEMS es su bajo costo y facilidad de fabricación en grandes conjuntos. El desafío para su aplicación práctica radica en las dependencias cuadradas y cúbicas de las especificaciones de rendimiento del voladizo con las dimensiones. Estas dependencias superlineales significan que los voladizos son bastante sensibles a la variación en los parámetros del proceso, particularmente el espesor, ya que generalmente es difícil medirlo con precisión. [9] Sin embargo, se ha demostrado que los espesores de los microvoladizos se pueden medir con precisión y que esta variación se puede cuantificar. [10] Controlar la tensión residual también puede resultar difícil.
Se puede obtener un sensor químico recubriendo una capa de receptor de reconocimiento sobre el lado superior de un haz de microvoladizo. [12] Una aplicación típica es el inmunosensor basado en una capa de anticuerpo que interactúa selectivamente con un inmunógeno particular e informa sobre su contenido en una muestra. En el modo de operación estático, la respuesta del sensor está representada por la flexión del haz con respecto a un microvoladizo de referencia. Alternativamente, los sensores microcantilever se pueden operar en modo dinámico. En este caso, el haz vibra a su frecuencia de resonancia y una variación en este parámetro indica la concentración del analito . Recientemente, se han fabricado microvoladizos que son porosos, lo que permite una superficie mucho mayor para que se una el analito , lo que aumenta la sensibilidad al aumentar la relación entre la masa del analito y la masa del dispositivo. [13] La tensión superficial en el microvoladizo, debido a la unión del receptor-objetivo, que produce la desviación del voladizo, se puede analizar utilizando métodos ópticos como la interferometría láser. Zhao et al., también demostraron que al cambiar el protocolo de fijación del receptor en la superficie del microcantilever, la sensibilidad se puede mejorar aún más cuando la tensión de la superficie generada en el microcantilever se toma como señal del sensor. [14]
Una viga en voladizo es una viga que tiene un extremo rígidamente fijo y el otro extremo libre.
Medios relacionados con vigas voladizas en Wikimedia Commons
