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Estructura

 

ESTRUCTURA DE LA AERONAVE

 

COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL ALA

           De acuerdo con la función de cada componente se lo denomina principal o secundario.

  Componentes principales:  Largueros

                                                  Costillas

                                                  Revestimiento

                                                   Herrajes

 

Componentes secundarios:  Falsas costillas

                                                  Larguerillos

                                                  Refuerzos

   Larguero (Spar): Viga que se extiende a lo largo del ala. Es el componente principal de soporte de la estructura. Soporta los esfuerzos de flexión y torsión.

  Costilla (Rib): Miembro delantero y posterior de la estructura del ala, da forma al perfil y transmite la carga del revestimiento a los largueros.

  Revestimiento (Skin): Su función es la de dar y mantener la forma aerodinámica del ala, pudiendo contribuir también en su resistencia estructural.

  Herrajes (Fitting): Son componentes de metal empleados para unir determinadas secciones del ala. De su cálculo depende buena parte de la resistencia estructural del ala. Resisten esfuerzos, vibraciones y deflexiones.

  Larguerillos (Stringer): Son miembros longitudinales de las alas a lo largo de las mismas que transmiten la carga soportada por el recubrimiento a las costillas del ala.

  Placa o Alma (Web): Es una placa delgada que soportada por ángulos de refuerzo y estructura, suministra gran resistencia al corte.

      La función del ala es producir sustentación y soportar cargas, por lo tanto, su forma y estructura desde el punto de vista estructural se deberá comportar como una viga capaz de resistir esfuerzos, y entre ellos:

Ø      Cargas aerodinámicas. (sustentación y resistencia).

Ø      Cargas debidas al empuje o tracción del motor.

Ø      Reacción debidas al tren de aterrizaje.

Ø      Esfuerzos debidos a la deflexión de las superficies móviles.

 

LARGUEROS

             Las fuerzas que soporta el ala varían a lo largo de la envergadura, por lo cual los largueros pueden ser de sección variable a lo largo de ésta, con lo se consigue disminuir el peso estructural.

           Forma de la sección transversal del larguero: Depende de la forma del perfil, su altura, la resistencia exigida y el material empleado.

  Sección rectangular: Es macizo, económico y sencillo.

  Sección I: Posee una platabanda inferior y superior unidas mediante el alma.

  Sección canal: Soporta mejor los esfuerzos que el rectangular, sin embargo es inestable bajo cargas de corte. Se lo utiliza solo como larguero auxiliar.

  Sección doble T: Tiene buena resistencia a la flexión y es liviano.

  Sección I compuesta: Tiene la platabanda inferior y superior del mismo material, mientras que el alma es de diferente material y se fija a las platabandas mediante remachado.

 

 

Largueros de Armadura

Las dos platabandas se unen entre sí con elementos diagonales y o verticales que pueden estar vinculados por remachado, abulonado o soldado, que constituyen el alma del larguero.

 

 

Largueros de Alma Llena

Las platabandas se unen con una chapa que forma el alma, en el caso que sea muy alta debe incluir refuerzos verticales para aumentar la estabilidad de la chapa.

Normalmente se agujerea el alma (agujero de alivianamiento), para disminuir su peso, para facilitar el acceso para las tareas de mantenimiento y para pasar tuberías y cables.

Los agujeros deben permitir el paso de una mano cerrada por lo tanto su diámetro no debe ser inferior a los 120 mm.

En vuelo normal la platabanda superior está  sometida a compresión mientras que la inferior a tracción y el alma trabaja al corte.

 

COSTILLAS

Sus funciones son:   1- Mantener la forma del perfil

                                   2- Transmitir las fuerzas aerodinámicas a los largueros.

                                   3- Distribuir las cargas a los largueros.

                                   4- Estabilizar el ala contra las tensiones.

                                   5- Cerrar las celdas.

                                   6- Mantener la separación de los largueros.

7- Proporcionar puntos de unión a otros componentes (tren de aterrizaje).

8- Formar barreras de contención en los tanques de combustible.

Clasificación por su Función 

a)    Costillas de compresión: Unen los largueros entre sí. Transmiten y distribuyen equitativamente los esfuerzos en los largueros. Se colocan donde se producen esfuerzos locales. No siempre se disponen perpendicularmente, pueden colocarse en diagonal.

b)    Costillas Maestras: Mantienen distanciados los largueros y dan rigidez a los elementos.

c)   Costillas Comunes: No son tan fuertes. Su tarea es la de mantener la forma del perfil y transmitir las fuerzas interiores a los largueros, distribuyéndolas en varias partes de ellos.

d)    Falsas costillas: Solo sirven para mentener la forma del revestimiento, y se ubican entre el larguero y el borde de ataque o fuga.                                   

Partes de la Costilla

Nervio superior

Nervio inferior

Alma (si es metálica se suele hacer estampada) proporciona rigidez por deformaciones verticales y diagonales.

 

Ubicación de las Costillas

Se colocan perpendicularmente al larguero a una distancia de separación entre costillas que depende de los siguientes factores:

A)    Velocidad del avión

B)     Carga alar

C)    Construcción de la costilla

D)    Recubrimiento

E)     Tipo de perfil

REVESTIMIENTO

El revestimiento de la estructura del ala proporciona a la misma una forma aerodinámica para alcanzar el máximo rendimiento.

Forma parte del ala y se conocen dos tipos de revestimiento:

No resistente o Pasivo (tela).

Resistente o Activo (metálico).

 

Revestimiento Resistente o Activo

             Es el revestimiento de ala realizado con chapa metálica, que contribuye a soportar los esfuerzos de tracción, compresión, flexión, torsión y corte. Contribuye a la resistencia estructural y permite eliminar piezas de refuerzos de la estructura del ala obteniéndose estructuras fuertes y livianas.

La contribución del revestimiento a la resistencia de flexión del ala depende su grado de arrugamiento y módulo de elasticidad (es la propiedad que tienen los cuerpos de recuperar su forma primitiva, cuando desaparecen las fuerzas exteriores que le han deformado).

Los esfuerzos de tracción no ofrecen dificultades por más delgadas que sean las chapas. Para resistir la compresión se refuerzan las chapas mediante perfiles  Y ó Z, o bien con láminas onduladas que se fijan a la parte inferior de las mismas. Los esfuerzos de corte son resistidos sin deformaciones si la chapa tiene espesor suficiente.

El revestimiento se fija sobre la estructura del ala mediante remaches. Estos deben ser de cabeza hundida para ofrecer la mínima resistencia al avance.

 

PARABRISAS

Los parabrisas deben ser:

a)- Transparentes y que no deformen las imágenes

b)- Inastillables

c)- Protegidos contra formación de hielo.

d)- Resistente al impacto.

 

TIPOS DE FUSELAJE

  Fuselajes reticulados o de recubrimiento no resistente:

El recubrimiento no colabora con la estructura para resistir las fuerzas que obran sobre el fuselaje. Se construyen conforme a dos tipos de soluciones básicas: Las estructuras Pratt y Warren:

Cualquiera sea la opción que se adopte debe constar por lo menos de cuatro largueros principales o primarios, que casi siempre se extienden a todo lo largo del fuselaje.

Estructura Pratt:

  Los cuatro largueros están unidos entre si por elementos verticales y diagonales, éstos deben trabajar solo a la tracción y se llaman tensores, obteniéndose una estructura encablada.

 

 

Estructura Warren:

Es más rígida que la anterior, se caracteriza por prescindir de elementos incapaces de trabajar a la compresión. El fuselaje se construye sobre la base de los cuatro largueros y se unen entre si solo por elementos diagonales, capaces de trabajar a tracción y compresión. Por lo tanto no tiene tensores, se los reemplaza por tubos. Cuando las solicitaciones actúan en un sentido, hay elementos que actúan a la tracción y otros a la compresión, y si se invierten las solicitaciones también lo hace el rol de cada uno.

Normalmente se construyen largueros y elementos diagonales con tubos de acero  al cromo molibdeno soldado, y en algunos casos con perfiles de acero o aleaciones livianas o abulonadas.

 

 

Fuselaje Monocasco:

           Es una estructura a recubrimiento resistente, este colabora con el resto para proporcionar resistencia al conjunto. Consiste en un casco hueco delgado sin órganos transversales ni longitudinales. También se llama así al fuselaje formado por anillos distanciados entre si, a los cuales se fija el revestimiento.

La palabra monocasco deriva de monocoque, que significa “cáscara o curva plana simple sin refuerzo”. Por la mayor estabilidad lograda con la inclusión del recubrimiento resistente, este tipo de estructura ha desplazado a la reticulada. Actualmente su empleo se limita a aquellos casos en que no deben practicarse aberturas, o si se las debe incluir, éstas son pequeñas y pocas, de manera tal que la distribución de esfuerzos sea más uniforme.

Cuando se la emplea se recurre al uso de aleaciones livianas con la ventaja de poder aumentar su sección a igualdad de peso, con lo que se aumenta la estabilidad del conjunto frente a las cargas que obran sobre el fuselaje. En resumen, resulta ser liviano pero es de difícil construcción, es de difícil reparación, e impone limitaciones de diseño.

 

 

Fuselaje Monocasco Reforzado:

Se refuerza el recubrimiento con anillos verticales, las cuadernas. Dado que el recubrimiento puede absorber las fuerzas de tracción pero no las de compresión, que fácilmente producen deformaciones, se agregan perfiles angulares de distinta forma.

 

Fuselaje Semimonocasco:

En este caso se agregan además de las cuadernas refuerzos longitudinales (largueros o larguerillos).  

Fuselaje Geodésico:

Es una estructura reticulada que representa líneas de longitud mínima sobre una superficie curvada, por lo que todo esfuerzo de tracción que tiende a aplanar la curvatura de la superficie, está equilibrado por un esfuerzo de compresión, y como todos los miembros están unidos entre sí,  la estructura queda equilibrada en cada intersección, o sea aplicando una torsión los miembros longitudinales sufrirán una tracción, mientras que los transversales trabajarán a la compresión.

Si se aplica una carga que deforme el rectángulo ABCD, una fuerza de compresión actuará en la barra AC. Esto hará aumentar la curvatura en el miembro, pero al mismo tiempo se desarrolla una fuerza de tracción en BD que tratará de enderezar AC.

Como AC y BD están unidas en su centro, las dos fuerzas se oponen una a la otra y la tracción actúa contra la compresión; en esta forma se anulan las cargas en los mismos.

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuselajes a Presión:  

           Cuando se incluye presurización (mantener dentro del fuselaje una presión constante que permita al pasaje y la tripulación su desenvolvimiento normal sin afectar sus funciones vitales), aparece otra carga sobre el fuselaje, la debida a la sobrepresión interna, por lo que comienza a comportarse como un tanque a presión, y  pese a que la diferencia de presión es baja dado que el área total afectada es muy grande, las fuerzas resultantes son también muy grandes.

Aparecen fuerzas tangenciales a las cuadernas, concentradas, que se suman al efecto debido a las deformaciones por flexión, las que están presentes en el revestimiento y tienden a deformar la superficie, haciéndola perder su forma aerodinámica.

Para solucionar este problema se recurre a las cubiertas flotantes, en las que la unión entre cuaderna y recubrimiento conservan su capacidad al corte. Así se consigue que el recubrimiento pueda expandirse uniformemente bajo la acción de la presión interna. En los fuselajes presurizados se debe tener especial atención con:

a)- Fatiga de las juntas por fluctuación de la presión.

b)- Los sellos por donde entran conductores al fuselaje.

c)- Las aberturas de puertas, cierres y tapas.

e)- La presión sobre los cristales.

f) - Estructura libre de fallas para evitar la descompresión.

Módulo de elasticidad:

Si se aplica una fuerza a un elemento estructural, éste cambiará su longitud. Este cambio de longitud es directamente proporcional al cambio de la fuerza (al menos hasta un determinado valor). Esta relación se conoce como la ley de Hooke.

Si transformamos la fuerza en esfuerzos y el cambio de longitud en alargamiento, la relación se hace más importante.

El esfuerzo de un elemento no está relacionado con el material del que está fabricado, pero esto no es verdad con respecto al alargamiento. Materiales diferentes se extienden de diferentes formas cuando son sometidos a la misma carga, por lo que la relación entre esfuerzo y alargamiento, según la ley de Hooke, nos da un método importante de identificación de las características del material. Estas características o propiedades del material se llaman módulo de Young o módulo de elasticidad.

Módulo de elasticidad (E): esfuerzo / alargamiento.

El diagrama de la figura muestra el tipo de curvas obtenidas en las pruebas en laboratorio y son típicas para determinar cuando una determinada muestra de material tiene o no la resistencia indicada en su especificación.

El primer punto que se observa es el que la ley de Hooke se aplica desde 0 hasta el punto "P" llamado límite de proporcionalidad. Después del punto "P", si la carga aumenta, el alargamiento es desproporcionalmente mayor.

En la región anterior al límite de proporcionalidad (que también se llama límite elástico), si al material se le quita la carga, la curva "esfuerzo / alargamiento", vuelve a 0 por la misma línea. Entonces se dice que el material es elástico.

Cuando el esfuerzo excede del punto "P" se dice que el material está en estado plástico y si se le quita la carga, la curva no retornará al punto 0, sino al punto "S".

En dicho punto "S", no hay esfuerzo, pero se mantiene un aumento de la longitud que se denomina deformación permanente.

Los diseñadores de estructura se aseguran que los niveles de esfuerzo de sus estructuras se mantengan  por debajo del límite elástico.

Existe el denominado esfuerzo de tracción máximo que es el nivel de esfuerzo asociado a la rotura del material y se cita normalmente como requerimiento al especificar un material

El propósito del ingeniero aeronáutico en su diseño es no llegar nunca al limite citado anteriomente, teniendo como último recurso la deformación del material,  con el objetivo de asegurar ante cualquier emergencia el retorno seguro de la aeronave a tierra.